Varilla de control

Las barras de control se utilizan en reactores nucleares para controlar la tasa de fisión del combustible nuclear: uranio o plutonio . Su composición incluye elementos químicos como boro , cadmio , plata , hafnio o indio , capaces de absorber muchos neutrones sin desintegrarse. Estos elementos tienen diferentes secciones transversales de captura de neutrones para neutrones de diversas energías . Los reactores de agua en ebullición (BWR), los reactores de agua a presión (PWR) y los reactores de agua pesada (HWR) funcionan con neutrones térmicos , mientras que los reactores reproductores funcionan con neutrones rápidos . Cada diseño de reactor puede utilizar diferentes materiales para las barras de control según el espectro energético de sus neutrones. Las barras de control se han utilizado en motores de aeronaves nucleares, como en el Proyecto Pluto, como método de control.

Las barras de control se insertan en el núcleo de un reactor nuclear y se ajustan para controlar la velocidad de la reacción nuclear en cadena y, por lo tanto, la potencia térmica del reactor, la tasa de producción de vapor y la potencia eléctrica de la central eléctrica.

El número de barras de control insertadas y la distancia a la que se insertan influyen notablemente en la reactividad del reactor. Cuando la reactividad (como factor de multiplicación de neutrones efectivo ) es superior a 1, la velocidad de la reacción nuclear en cadena aumenta exponencialmente con el tiempo. Cuando la reactividad es inferior a 1, la velocidad de la reacción disminuye exponencialmente con el tiempo. Cuando todas las barras de control están completamente insertadas, mantienen la reactividad apenas por encima de 0, lo que detiene rápidamente un reactor en funcionamiento y lo mantiene parado (en apagado ). Si se retiran todas las barras de control, la reactividad es significativamente superior a 1, y el reactor se calienta rápidamente hasta que algún otro factor (como la retroalimentación de reactividad de la temperatura ) reduce la velocidad de reacción. Mantener una potencia de salida constante requiere mantener el factor de multiplicación de neutrones promedio a largo plazo cerca de 1.

Un reactor nuevo se ensambla con sus barras de control completamente insertadas. Las barras de control se retiran parcialmente del núcleo para permitir que la reacción nuclear en cadena se inicie y alcance el nivel de potencia deseado. El flujo de neutrones se puede medir y es aproximadamente proporcional a la velocidad de reacción y al nivel de potencia. Para aumentar la potencia de salida, algunas barras de control se extraen una pequeña distancia durante un tiempo. Para disminuir la potencia de salida, algunas barras de control se introducen una pequeña distancia durante un tiempo. Varios otros factores afectan la reactividad; para compensarlos, un sistema de control automático ajusta las barras de control ligeramente hacia adentro o hacia afuera, según sea necesario en algunos reactores. Cada barra de control influye en una parte del reactor más que en otras; se pueden realizar ajustes calculados en la distribución del combustible para mantener velocidades de reacción y temperaturas similares en diferentes partes del núcleo.

El tiempo de parada típico para reactores modernos como el Reactor Presurizado Europeo o el reactor CANDU Avanzado es de dos segundos para una reducción del 90%, limitado por el calor residual . Las barras de control se utilizan habitualmente en conjuntos de barras de control (normalmente 20 barras para un conjunto comercial de reactor PWR) y se insertan en tubos guía dentro de los elementos combustibles. Las barras de control suelen estar dispuestas verticalmente dentro del núcleo. En los reactores PWR, se insertan desde arriba, con los mecanismos de accionamiento de las barras de control montados en la tapa del recipiente de presión del reactor . En los reactores BWR, debido a la necesidad de un secador de vapor sobre el núcleo, este diseño requiere la inserción de las barras de control desde abajo.

Los elementos químicos con secciones transversales de captura de neutrones útilesmente altas incluyen plata , indio y cadmio . Otros elementos candidatos incluyen boro , cobalto , hafnio , samario , europio , gadolinio , terbio , disprosio , holmio , erbio , tulio , iterbio y lutecio . ^{[ 1 ]} También se pueden usar aleaciones o compuestos, como acero con alto contenido de boro , ^{[ a ]} ​​aleación de plata-indio-cadmio, carburo de boro , diboruro de circonio , diboruro de titanio , diboruro de hafnio , nitrato de gadolinio, ^{[ b ]} titanato de gadolinio, titanato de disprosio y compuesto de carburo de boro-hexaboruro de europio. ^{[ 2 ]}

La elección del material está influenciada por la energía de los neutrones en el reactor, su resistencia a la hinchazón inducida por neutrones y las propiedades mecánicas y de vida útil requeridas. Las barras pueden tener la forma de tubos rellenos de pastillas o polvo absorbentes de neutrones. Los tubos pueden estar hechos de acero inoxidable u otros materiales de "ventana de neutrones" como circonio, cromo, carburo de silicio o cúbica ¹¹B ¹⁵N ( nitruro de boro cúbico ). ^{[ 3 ]}

La combustión de los isótopos " veneno combustibles " también limita la vida útil de una barra de control. Esto puede reducirse utilizando un elemento como el hafnio, un "veneno no combustible" que captura múltiples neutrones antes de perder efectividad, o prescindiendo de absorbentes de neutrones para el recorte. Por ejemplo, en reactores de lecho de guijarros o en posibles reactores de nuevo tipo moderados y refrigerados con litio-7 que utilizan guijarros de combustible y absorbentes.

Algunos elementos de tierras raras son excelentes absorbentes de neutrones y son más comunes que la plata (reservas de aproximadamente 500.000 t). Por ejemplo, el iterbio (reservas de aproximadamente un millón de toneladas) y el itrio , 400 veces más comunes, con valores de captura medios, se pueden encontrar y usar juntos sin separación dentro de minerales como la xenotima (Yb) (Yb _0,40 Y _0,27 Lu _0,12 Er _0,12 Dy _0,05 Tm _0,04 Ho _0,01 )PO ₄ , ^{[ 4 ]} o la keiviita (Yb) (Yb _1,43 Lu _0,23 Er _​​0,17 Tm _0,08 Y _0,05 Dy _0,03 Ho _0,02 ) ₂ Si ₂ O ₇ , lo que reduce el costo. ^{[ 5 ]} El xenón también es un potente absorbente de neutrones en estado gaseoso, y puede utilizarse para el control y la parada (de emergencia) de reactores refrigerados por helio , pero no funciona en casos de pérdida de presión, ni como gas de protección contra la combustión junto con argón alrededor de la parte del recipiente, especialmente en el caso de reactores de captura de núcleo o si están llenos de sodio o litio. El xenón producido por fisión puede utilizarse después de esperar a que el cesio precipite, cuando prácticamente no queda radiactividad. El cobalto-59 también se utiliza como absorbente para la obtención de cobalto-60 para su uso como fuente de rayos gamma . Las barras de control también pueden construirse como barras gruesas giratorias con un reflector de tungsteno y un lado absorbente que gira para detenerse mediante un resorte en menos de un segundo.

Las aleaciones de plata-indio-cadmio, generalmente 80% Ag, 15% In y 5% Cd, son un material común para las barras de control en reactores de agua a presión . ^{[ 6 ]} Las regiones de absorción de energía ligeramente diferentes de los materiales hacen de la aleación un excelente absorbedor de neutrones . Tiene buena resistencia mecánica y se puede fabricar fácilmente. Debe estar encapsulada en acero inoxidable para evitar la corrosión en agua caliente. ^{[ 7 ]} Aunque el indio es menos escaso que la plata, es más caro.

El boro es otro absorbente de neutrones común. Debido a las diferentes secciones transversales de ^¹⁰B y ^¹¹B , se utilizan con frecuencia materiales que contienen boro enriquecido en ^¹⁰B mediante separación isotópica . El amplio espectro de absorción del boro también lo hace adecuado como blindaje de neutrones. Las propiedades mecánicas del boro en su forma elemental no son adecuadas, por lo que se deben utilizar aleaciones o compuestos en su lugar. Las opciones comunes son el acero con alto contenido de boro y el carburo de boro . Este último se utiliza como material para barras de control tanto en reactores de agua a presión (PWR) como en reactores de agua en ebullición (BWR). La separación de ^¹⁰B / ^¹¹B se realiza comercialmente con centrifugadoras de gas sobre BF₃ _, pero también puede realizarse sobre BH₃ _procedente de la producción de borano o directamente con una centrifugadora de fusión optimizada energéticamente, utilizando el calor del boro recién separado para el precalentamiento.

El hafnio tiene excelentes propiedades para reactores que utilizan agua tanto para moderación como para refrigeración. Tiene buena resistencia mecánica, se puede fabricar fácilmente y es resistente a la corrosión en agua caliente. ^{[ 8 ]} El hafnio se puede alear con otros elementos, por ejemplo, con estaño y oxígeno para aumentar la resistencia a la tracción y a la fluencia, con hierro , cromo y niobio para resistencia a la corrosión, y con molibdeno para resistencia al desgaste, dureza y maquinabilidad. Dichas aleaciones se designan como Hafaloy, Hafaloy-M, Hafaloy-N y Hafaloy-NM. ^{[ 9 ]} El alto costo y la baja disponibilidad del hafnio limitan su uso en reactores civiles, aunque se utiliza en algunos reactores de la Armada de los EE . UU . El carburo de hafnio también se puede utilizar como material insoluble con un alto punto de fusión de 3890  °C y una densidad mayor que la del dióxido de uranio para hundirse, sin fundirse, a través del corio .

El titanato de disprosio estaba siendo evaluado para barras de control de agua a presión. El titanato de disprosio es un reemplazo prometedor para las aleaciones de Ag-In-Cd porque tiene un punto de fusión mucho más alto, no tiende a reaccionar con los materiales de revestimiento, es fácil de producir, no produce residuos radiactivos , no se hincha y no desgasifica . Fue desarrollado en Rusia y es recomendado por algunos para reactores VVER y RBMK . ^{[ 10 ]} Una desventaja es la menor absorción de titanio y óxido, que otros elementos absorbentes de neutrones no reaccionan con los materiales de revestimiento que ya tienen un punto de fusión alto y que solo el uso del contenido no separado con disprosio dentro de minerales como Keiviit Yb dentro de tubos de cromo, SiC o c11B15N proporciona un precio superior y absorción sin hinchamiento ni desgasificación.

El diboruro de hafnio es otro material de este tipo. Puede utilizarse solo o en una mezcla sinterizada de polvos de hafnio y carburo de boro. ^{[ 11 ]}

Se pueden utilizar muchos otros compuestos de elementos de tierras raras, como el samario con boro, como el europio y el boruro de samario , que ya se utiliza en la industria del color. ^{[ 12 ]} Compuestos de boro menos absorbentes, similares al titanio, pero económicos, como el molibdeno como Mo ₂ B ₅ . Dado que todos se hinchan con boro, en la práctica otros compuestos son mejores, como los carburos, o compuestos con dos o más elementos absorbentes de neutrones juntos. Es importante que el tungsteno , y probablemente también otros elementos como el tantalio , ^{[ 13 ]} tengan cualidades de captura muy similares a las del hafnio , ^{[ 14 ]} pero con el efecto opuesto. Esto no se explica solo por la reflexión de neutrones. Una explicación obvia es que los rayos gamma de resonancia aumentan la fisión y la relación de reproducción en lugar de causar una mayor captura de uranio, y otros en condiciones metaestables como para el isótopo ^235m U , que tiene una vida media de aproximadamente 26 minutos.

En la mayoría de los diseños de reactores, como medida de seguridad , las barras de control se fijan a la maquinaria de elevación mediante electroimanes , en lugar de mediante un enlace mecánico directo. Esto significa que, en caso de fallo de alimentación o si se activan manualmente debido a un fallo de la maquinaria de elevación, las barras de control caen automáticamente, por gravedad, hasta el fondo del reactor para detener la reacción. Una excepción notable a este modo de funcionamiento a prueba de fallos es el reactor BWR, que requiere inserción hidráulica en caso de parada de emergencia, utilizando agua de un tanque especial a alta presión. El apagado rápido de un reactor de esta manera se denomina parada de emergencia .

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• Powers, DA (1 de agosto de 1985). Comportamiento de las barras de control durante la degradación del núcleo: presurización de barras de control de plata-indio-cadmio (Informe técnico). Oficina de Información Científica y Técnica , Departamento de Energía de los Estados Unidos . OSTI 6332291 . 
• Petti, DA (1 de marzo de 1987). Comportamiento de las barras de control de plata-indio-cadmio y formación de aerosoles en accidentes graves de reactores (Informe técnico). Oficina de Información Científica y Técnica, Departamento de Energía de los Estados Unidos. OSTI 6380030 . 
• Steinbrueck, M.; Stegmaier, U. (6 de mayo de 2010). "Experimentos sobre la falla de barras de control de plata-indio-cadmio durante secuencias de accidentes graves" . Instituto Tecnológico de Karlsruhe . Recuperado el 29 de mayo de 2017 .