CENTRALES NUCLEARES II

LOS REACTORES DE AGUA PESADA

Los isótopos del Hidrógeno son los únicos con nombre distinto a su elemento principal en la tabla periódica de los elementos: son DEUTERIO y TRITIO. Ambos contienen en su núcleo, respectivamente, un protón unido a un neutrón (deuterón), y un protón unido a dos neutrones (tritón); ambos tienen en su órbita electrónica, un solo electrón.  Llamamos agua pesada a la que en vez de estar formada por dos moléculas de Hidrógeno y una de Oxígeno (H2O), lo está por dos moléculas de Deuterio y una de Oxígeno (D2O).

El agua pesada tiene la ventaja sobre la ligera, cuando actúa como moderador, que  tiene menos tendencia a absorber neutrones. Como vimos al hablar de las centrales de agua ligera, es necesario enriquecer el uranio natural con el isótopo 235U que solo está presente en un 0,7% del isótopo no fisionable 238U (hasta un 3-5%), para desencadenar la reacción. Pero el proceso de enriquecimiento es muy caro y  complejo y para poder usar como combustible uranio natural hay que dificultar la absorción de neutrones. Ello  se consigue con el uso de agua pesada. Ésta tampoco es barata de producir, pero su coste no es tan elevado y requiere una tecnología menos compleja que la del enriquecimiento de uranio.

Usando uranio natural la presión y temperatura de trabajo son inferiores a las de los otros reactores. La construcción de la vasija y otros componentes no requieren tanta resistencia lo que permite usar una tecnología más sencilla y menos costosa. Además, al estar el moderador menos caliente, los neutrones son  más lentos y como consecuencia son más eficaces para producir fisiones.

ESQUEMA REACTOR CANDU

Basados en estos planteamientos, en la década de 1950, los canadienses diseñaron un reactor muy seguro, robusto y sencillo: el CANDU (Canadá-Deuterio-Uranio). Es un reactor de agua pesada a  presión (PHWR sus siglas en inglés) que utiliza como combustible óxido de uranio natural no enriquecido (0,7% de 235U). Como funciona sin necesidad de enriquecer el uranio, los países menos desarrollados consideran que es una  gran ventaja ya que evitan las costosas instalaciones de enriquecimiento. Por otro lado, evitan las estrictas normas del  Tratado de No Proliferación Nuclear, que pueden llegar a dificultar su acceso al mercado de uranio enriquecido controlado por AIEA.

El elemento moderador es un gran depósito (llamado calandria), atravesado por varios cientos de tubos de presión horizontales, que constituyen los contenedores para el combustible. Están refrigerados por un flujo de agua pesada a  presión en el circuito primario, que alcanza los 290°C; por la alta presión a que está sometida el agua pesada no se produce ebullición dentro de la calandria. Este refrigerante primario genera en el circuito secundario, a través de un intercambiador de calor, una corriente de vapor que mueve las turbinas. Los  tubos, de doble pared, están construidos de una aleación de zirconio, que es atravesado con cierta facilidad por los neutrones.

La estructura del combustible está formada por un haz de 37 barras de medio metro de largo, en cuyo interior se encuentran los pellets cerámicos que contienen el óxido de uranio. Un soporte de 12 haces discurre de punta a punta en un canal de combustible. Las barras de control penetran en la calandria verticalmente, entre los tubos de combustible, cuando es necesario moderar o detener la reacción. Cuenta con un segundo sistema de apagado rápido consistente en inyectar en el moderador una solución de nitrato de gadolinio (Metal sólido de la serie de los lantánidos; símbolo Gd, número atómico 64. Se encuentra en las llamadas tierras raras) que detiene totalmente la reacción.

IMAGEN DE UNA CALANDRIA

El equipo para controlar y manejar el núcleo del reactor es bastante menos complejo que en otro tipo de centrales. Sólo tiene que afrontar la alta radiación y el alto flujo de neutrones. En especial, las barras de control y el equipo de emergencia son más sencillos y más fiables que en otros tipos de reactores. Tiene un tiempo de apagado más bajo que cualquier otro tipo conocido, lo que se debe en gran parte a que el reactor funciona a temperaturas y presión bajas. Los tubos de presión que contienen las barras del combustible pueden abrirse individualmente para  cambiarlas sin que el reactor entre en parada.

Al usar uranio natural, que es el menos eficiente para la fisión, puede admitir fácilmente otros combustibles nucleares mucho más eficientes. Los dos combustibles más interesantes son el plutonio proveniente del desmantelamiento de las cabezas nucleares y el combustible usado en centrales, como las PWR, de uranio enriquecido.

Tras los acuerdos de desarme (SALT) de Rusia y Estados Unidos,  decenas de miles de bombas atómicas necesitaban ser desactivadas  rápidamente. Estas bombas no son como las de Hiroshima y Nagasaki, sino termonucleares (H), o sea, que usan como detonador explosivos de fisión, sobre todo plutonio. Deshacerse de ese plutonio no es tarea fácil. Una manera es creando un combustible nuclear que se llama MOX (Mixed OXide Fuel), que es una mezcla de óxidos de uranio y plutonio. Los reactores CANDU pueden admitir fácilmente MOX proveniente de las armas que se desmantelan. Creo que no hay mejor ejemplo para aquel antiguo aforismo que incita a  “transformar las espadas en arados”  símbolo de PAZ.

También se puede obtener combustible para un CANDU del combustible ya utilizado en otras centrales. En efecto, éste llevará, entre otros elementos radiactivos, plutonio (recuérdese  que se genera del 97% de 238U) y un buen porcentaje aún de 235U. Una vez consumido en un reactor de agua ligera todavía conserva un 0,9% del uranio enriquecido lo cual es un porcentaje aún mayor que el del uranio natural usado en  el CANDU. Ya se han realizado pruebas en un reactor CANDU con resultados satisfactorios con  combustible gastado de un reactor PWR, tras adaptar mediante procesos de corte el tamaño de las piezas.  También pueden funcionar  generando combustible a partir de torio natural, cuando no se dispone de uranio.

Se pregunta el profesor Lozano Leyva, ¿por qué no todos los reactores del mundo son tipo CANDU si cuentan con tantas ventajas?  Los últimos diseños canadienses son excelentes y han solucionado los pequeños problemas que han tenido estos reactores en más de cuarenta años funcionando sin accidentes. Apunta, como posible causa su capacidad de producir plutonio. Al parecer a la India se le acusó, de forma no suficientemente probada, de que el plutonio usado en una importante prueba nuclear lo produjeron en uno de sus dos CANDU. De lo que no hay duda es que los indios deben estar muy satisfechos con el funcionamiento de estos reactores porque tienen otros 13 reactores derivados de ellos y 3 más en construcción. De hecho, tienen más que Canadá. Los otros CANDU que hay en el mundo están en Corea del Sur (4), China (2), Rumanía (2), Pakistán (1) y Argentina (1).

Reactores enfriados por gas

Por último una breve reseña de este tipo de reactor. Es de diseño británico. El corazón del reactor consiste en un enorme cubo de grafito de 9 metros de lado. En lugar de varillas, los pellets de óxido de uranio  enriquecido, se introducen en unos canales practicados en el grafito. El refrigerante es dióxido de carbono que pasa a través de estos canales a una presión muy elevada y unos 500° de temperatura. Una de sus ventajas es que toda la estructura de grafito se encuentra en el interior de  un enorme sarcófago de hormigón por lo que no necesitan la gruesa y compleja vasija de acero. Igual que el CANDU estos reactores no necesitan parar para la recarga de combustible.

Las dos primeras plantas británicas se utilizaron al principio para producir plutonio para uso militar, y realizaban dos recargas de combustible por año. Desde 1964 se utilizaron principalmente para combustible comercial, a pesar de que no fue hasta abril de 1995 que el gobierno del Reino Unido anunció que toda la producción de plutonio con finalidad militar había cesado.

Se construyeron tres reactores de este tipo en Corea del Norte, todos ellos basados en los diseños desclasificados de los reactores británicos: Un pequeño reactor experimental de 5 MWh en Yongbyon, que funcionó de 1986 a 1994, y volvió a funcionar en 2003. El plutonio procedente del combustible gastado de este reactor ha sido utilizado en el programa de armas nucleares de Corea del Norte. Un nuevo  reactor de 50 MWh, en el mismo emplazamiento, cuya construcción se inició en 1985 pero nunca se finalizó debido al acuerdo marco de 1994 entre Corea del Norte y Estados Unidos. Se inició la construcción de otro reactor de 200 MWh en Taechon, pero la construcción se interrumpió en 1994.

Nueve reactores de energía de tipo similar pero con diseño propio (la cubierta era de aleación de magnesio-zirconio) fueron construidos en Francia, y se encuentran actualmente apagados de forma permanente. Eran reactores de grafito refrigerados por dióxido de carbono con combustible de óxido de uranio natural.