Reactor Nuclear

Características • Reactor de fisión nuclear. Función • Iniciar, controlar y mantener las reacciones nucleares en cadenada de núcleos de Uranio. Principios de funcionamiento • El reactor funciona a partir de la fisión. Componentes • Combustible nuclear: Pastillas de UO2 formadas a partir de otras enriquecidas con aproximadamente 3 por ciento de uranio-235. • Barras de control: Barras de Cadmio o Boro para controlar el proceso de fisión mediante la absorción de neutrones. • Moderador: Normalmente es grafito, agua ligera o agua pesada. Se función es la de disminuir la velocidad de los neutrones para que puedan ser capturados con más facilidad por el combustible. • Refrigerante: Líquido, agua o sodio, que circula a través del núcleo del reactor para absorber el calor generado por la reacción en cadena. • Reflector: Permite minimizar la fuga de los neutrones. El medio reflector rodea al núcleo y su capacidad para capturar neutrones debe ser baja. En un reactor como el descrito aquí el reflector puede ser el moderador. • Blindaje: Protección para aislar la radiación producida. Los materiales más usuales para su construcción son el hormigón, el agua y el plomo y el grosor debe ser de al menor 1.5 metros. Esquema General de un Reactor Nuclear Utilidad • Generar energía eléctrica a través de la energía térmica producida por las reacciones nucleares en cadena de fisión del Uranio. Ventajas •Una de las ventajas de este tipo de reactores es la cantidad de energía que es posible generar en comparación con otros procesos. En la siguiente tabla, tomada del libro Física Vol. 2 de Halliday, se presenta el comparativo entre la energía producida por diferentes sustancias. Esquema General de Central Nuclear Sistema termodinámico A través de la descripción anterior es posible notar que un reactor nuclear tiene una serie de componentes importantes que permiten su correcto funcionamiento. Por lo tanto, para este trabajo se determinará como sistema únicamente al núcleo del reactor omitiendo así la parte concerniente a la contención, es decir, a la cúpula de hormigón que contiene al reactor. Una vez definido el sistema se proseguirá a realizar la descripción termodinámica de este. Para lo cual se utilizará el siguiente esquema como modelo. Descripción Termodinámica Mapa conceptual Ecuación de Estado Propiedades relevantes del sistema Capacidad térmica específica del agua Masa nuclear del Uranio-235 Productos más probables de la fisión Rompimiento del núcleo de Uranio Supuestos Para la modelación de la ecuación de estado se asume que el material dentro del sistema es altamente fisionable por lo que el moderador cumple con su función de reducir la velocidad de los neutrones y de estos ya están descartados los absorbidos y los perdidos en los alrededores. La ecuación de estado que se propondrá para este sistema termodinámico partirá del balance energético entre el agua y el calor desprendido de la fisión del Uranio. Modelando la ecuación para un evento, es decir, la cantidad de calor absorbida por el agua en la primera fisión del material nuclear. Por lo tanto, la ecuación podrá modelar el total del proceso de la reacción en cadena partiendo del supuesto que los productos finales de cada fisión son aquellos que tienen mayor probabilidad de formación. Balance energético de la reacción de fisión del Uranio Q_ganado=-Q_cedido Q_agua=-Q_uranio Ecuación general de la fisión nuclear X+a→Y+b Donde, X núcleo blanco a neutrón Y núcleo residual más pesado b núcleo residual más ligero A partir de la ecuación anterior se pude expresar la fisión del Uranio de la siguiente manera (_^236)U→X+Y+2.47n Ecuación de la fisión del Uranio con mayor probabilidad de obtención de productos finales (_^236)U→(_^140)Ce+(_^94)Zr+n Partiendo de la ecuación de energía de Einstein E=mc^2 Y del modelo general de la fisión nuclear del Uranio se puede definir al calor desprendido por el uranio en este proceso como Q_uranio=∆mc^2 En donde ∆m=m_Uranio-(m_Y+m_b+m_neutrón) Las masas presentes son las nucleares y no atómicas, muranio= 235.043924u mneutrón= 1.008665u mce=139.905433u mzr= 93.906315 De tal manera que la ecuación estado propuesta para este sistema para una sola reacción de fisión es Q_agua=-(m_Uranio-(m_Y+m_b+m_neutrón ))c^2 Para el proceso generalizado de la reacción en cadena se convierte en Q_agua=-(m_U-(m_Y+m_b+m_n ))c^2×(4.256014×〖10〗^(-3) átomos)/1u×Z Donde Z equivale a la cantidad de material, uranio en kilogramos, presente en las barras de combustible. Obteniendo de esta manera la cantidad de calor total cedida por el Uranio en el consumo total del combustible del reactor enriquecido con Uranio-235 (al tres por ciento). Intercambios Energéticos Los intercambios energéticos involucrados en este sistema termodinámico es el calor producido tras la reacción de fisión del uranio que es absorbido por el agua fría para calentarla y salir del sistema a los alrededores (intercambiador de calor). Q_agua=-Q_uranio Intercambios Materiales Los intercambios materiales dentro del reactor nuclear son los neutrones, los productos de la fisión (residuos radiactivos), el agua fría (refrigerante) y el agua caliente (transporte de energía en forma de calor) Referencias Brown, LeMany, Bursten, & Murphy. (2009). Química La ciencia central. México: Pearson. Halliday , D., Resnick, R., & Krane, K. S. (1999). Física Vol. 2. México: Compañía Editorial Continental. Orso, J. A. (s.f.). La Fisión Nuclear. Reactores Nucleares. Recuperado el 01 de Mayo de 2013, de http://ra4unr.files.wordpress.com/2012/08/la-fision-reactores-nucleares.pdf Serway, R., & Beichner, R. (2002). Física para Ciencias e Ingeniería. México: McGraw-Hill. Valverde Ortega Karla Ivon