Combustible Nuclear
Explica el origen de la energía liberada del núcleo cuando ocurre el proceso de fisión. Existe algo llamado “ reactivos térmicos de fisión”, aquí entra el reactor de agua (PWR) en el cual se usa el uranio-235. El propósito de esto es coger la energía liberada en la fisión nuclear y usarla para crear vapor a alta presión para prender las turbinas. La siguiente imagen muestra el proceso.
El uranio produce aproximadamente el 60% de minerales en el mundo cada año. El 99% de mineral cogido directamente de la tierra en ciertos países es uranio-238. Sin embargo el que se necesita para el proceso de fisión es uranio-235 por lo que se tiene que aumentar el radio. Esto se explica porque el uranio absorbe bien los neutrones y si hay mucho U-238 en el combustible, se va a prevenir el proceso sostenible de fisión. El combustible con proporciones aumentadas de U-235 se dice que esta enriquecido.
El material enriquecido después se transforma en combustible, se usan largos cilindros de uranio que se insertan en el centro del reactor. La mayoría e la energía la cual es ( 200 MeV o 3 x 10^-11 J por fisión) se libera en forma de energía cinética para la fisión de fragmentos y neuronas emitidas durante la fision. Inmediatamente después de la emisión los neutrones se mueven muy rápido. Sin embargo para ser tan efectivo como se puede, se debe causar fisión para sostener la reacción y para esto se debe bajar la energía cinética al orden de 0.025 eV con una velocidad de 2 kms^-1. Los neutrones con esta velocidad típica se llaman neutrones térmicos.
El requerimiento de remover la energía cinética de los neutrones no es solo que estos puedan estimular fisiones de manera efectiva sino que además su energía pueda ser eficazmente transferida a estaciones de la estación de energía. Para esto se usa un moderador.
Los típicos moderadores del PWR incluyen agua y carbón en la forma de grafito, esta transferencia de energía se gana cuando el neutrón que se mueve rápido ataca el átomo moderador de manera inelástica, trasnfiriendo energía del atomo y perdiendo energía propia. Después de estas colisiones, el neutrón pierde suficiente energía cinetica para moverse en velocidades térmicas y para tener mas posibilidades de causar fisión.
Un posible problema es que el U-238 es muy efectivo al absorber neutrones de altas velocidades entonces al disminuir su velocidad al final no todos serán absorbidos. El criterio para que el material sea un buen moderador inclute el no ser un buen absorbente para neutrones y el ser inerte en condiciones extremas del reactor. Algunos tipos de reactores como el deuterio en la forma de oxido de deuterio, se llama agua pesada en vez de grafito.
Se debe reconocer que el mejor moderador es el hidrogeno ya que solo tiene un proton en su nucleo y es porque su energía máxima se puede transferir cuando un neutrón ataca el proton.
Hay una necesidad de regular el poder del reactor y el de apagar su operación cuando es necesario, esto se alcanza cuando se usan las barras de control. Estas son barras hechas de boron o algún otro elemento que absorba muy bien los neutrones. Cuando se insertan estas barras en el reactor se absorben muchos neutrones en las barras y los que no, estarán disponibles para la fisión.
La parte final de la estación nuclear de energía que necesita ser considerada es el mecanismo para convertir la energía interna del interior del reactor en las turbinas. Esto se llana intercambio de calor, lo cual no necesita salir del combustible directamente. Se debe tener un sistema cerrado de intercambio de calor que coleccione energía del moderador y de otras regiones calientes del reactor, y se libere como agua. El vapor de la turbina no puede ser tirado directamente al reactor porque podría haber un chance de que el material radioactivo se salga del reactor y el tener un sistema cerrado previene esto.
El agua presurizada tiene este nombre porque transfiere energía del moderador y de las barras de combustible al hervidor usando un sistema cerrado bajo presión, no solo se puede usar el agua, también se usa el dióxido de carbono en gas.
