El calor de desintegración es el calor liberado como resultado de la desintegración radiactiva . Este calor se produce como efecto de la radiación sobre los materiales: la energía de la radiación alfa , beta o gamma se convierte en el movimiento térmico de los átomos.
El calor de desintegración se produce naturalmente a partir de la desintegración de radioisótopos de larga duración que están presentes primordialmente a partir de la formación de la Tierra.
En la ingeniería de reactores nucleares, el calor de desintegración continúa generándose después de que el reactor se ha apagado (ver SCRAM y reacciones nucleares en cadena ) y se ha suspendido la generación de energía. La desintegración de los radioisótopos de vida corta [ ejemplo necesario ] creados en la fisión continúa a alta potencia, durante un tiempo después del apagado . [1] La principal fuente de producción de calor en un reactor recién cerrado se debe a la desintegración beta de nuevos elementos radiactivos producidos recientemente a partir de fragmentos de fisión en el proceso de fisión.
Cuantitativamente, en el momento de la parada del reactor, el calor de desintegración de estas fuentes radiactivas sigue siendo el 6,5% de la energía del núcleo anterior, si el reactor ha tenido un historial de energía largo y constante . Aproximadamente 1 hora después del apagado, el calor de desintegración será aproximadamente el 1,5% de la potencia del núcleo anterior. Después de un día, el calor de descomposición cae al 0,4% y después de una semana será solo del 0,2%. [2] Debido a que en los desechos nucleares hay radioisótopos de todas las vidas medias , se sigue produciendo suficiente calor de descomposición en las barras de combustible gastado como para requerir que pasen un mínimo de un año, y más típicamente de 10 a 20 años, en un combustible gastado. charco de agua, antes de ser procesado. Sin embargo, el calor producido durante este tiempo sigue siendo solo una pequeña fracción (menos del 10%) del calor producido en la primera semana después del apagado. [1]
Si no funciona ningún sistema de enfriamiento para eliminar el calor de desintegración de un reactor averiado y recién apagado, el calor de desintegración puede hacer que el núcleo del reactor alcance temperaturas inseguras en unas pocas horas o días, según el tipo de núcleo. Estas temperaturas extremas pueden provocar daños menores en el combustible (por ejemplo, algunas fallas de partículas de combustible (0,1 a 0,5%) en un diseño refrigerado por gas moderado con grafito [3] ) o incluso daños estructurales importantes en el núcleo ( fusión ) en un reactor de agua ligera [4 ] o reactor rápido de metal líquido. Las especies químicas liberadas por el material del núcleo dañado pueden provocar más reacciones explosivas (vapor o hidrógeno) que pueden dañar aún más el reactor. [5]
Ocurrencia natural
El calor de descomposición natural es una fuente importante de calor en el interior de la Tierra . Los isótopos radiactivos de uranio , torio y potasio son los principales contribuyentes a este calor de desintegración, y esta desintegración radiactiva es la principal fuente de calor de la que se deriva la energía geotérmica . [6]
Reactores de potencia en paro
En una reacción de fisión nuclear típica , se liberan instantáneamente 187 MeV de energía en forma de energía cinética de los productos de fisión, energía cinética de los neutrones de fisión, rayos gamma instantáneos o rayos gamma de la captura de neutrones. [7] Se liberan 23 MeV adicionales de energía en algún momento después de la fisión a partir de la desintegración beta de los productos de fisión . Aproximadamente 10 MeV de la energía liberada por la desintegración beta de los productos de fisión se encuentran en forma de neutrinos , y dado que los neutrinos interactúan muy débilmente, estos 10 MeV de energía no se depositarán en el núcleo del reactor. Esto da como resultado que se depositen 13 MeV (6,5% de la energía de fisión total) en el núcleo del reactor debido a la desintegración beta retardada de los productos de fisión, en algún momento después de que se haya producido una reacción de fisión determinada. En un estado estacionario, este calor de la desintegración beta del producto de fisión retardada contribuye al 6.5% de la producción de calor normal del reactor.
Cuando se apaga un reactor nuclear y la fisión nuclear no se produce a gran escala, la principal fuente de producción de calor se debe a la desintegración beta retardada de estos productos de fisión (que se originaron como fragmentos de fisión). Por esta razón, en el momento de la parada del reactor, el calor de desintegración será aproximadamente el 6,5% de la energía del núcleo anterior si el reactor ha tenido un historial de energía largo y constante . Aproximadamente 1 hora después del apagado, el calor de desintegración será aproximadamente el 1,5% de la potencia del núcleo anterior. Después de un día, el calor de descomposición cae al 0,4% y después de una semana será solo del 0,2%. La tasa de producción de calor de descomposición continuará disminuyendo lentamente con el tiempo; la curva de desintegración depende de las proporciones de los diversos productos de fisión en el núcleo y de sus respectivas vidas medias . [8] Una aproximación de la curva de calor de desintegración válida de 10 segundos a 100 días después del apagado es
dónde es el poder de la decadencia, es la potencia del reactor antes del apagado, es el tiempo transcurrido desde la puesta en marcha del reactor y es el tiempo de apagado del reactor medido desde el momento de inicio (en segundos). [9] Para un enfoque con una base física más directa, algunos modelos utilizan el concepto fundamental de desintegración radiactiva . El combustible nuclear usado contiene una gran cantidad de isótopos diferentes que contribuyen al calor de desintegración, los cuales están sujetos a la ley de desintegración radiactiva, por lo que algunos modelos consideran que el calor de desintegración es una suma de funciones exponenciales con diferentes constantes de desintegración y contribución inicial a la tasa de calor. . [10] Un modelo más preciso consideraría los efectos de los precursores, ya que muchos isótopos siguen varios pasos en su cadena de desintegración radiactiva , y la desintegración de los productos secundarios tendrá un efecto mayor durante más tiempo después del cierre.
La eliminación del calor de desintegración es una preocupación importante para la seguridad del reactor, especialmente poco después de una parada normal o después de un accidente por pérdida de refrigerante . Si no se retira el calor de desintegración puede hacer que la temperatura del núcleo del reactor se eleve a niveles peligrosos y ha causado accidentes nucleares , incluidos los accidentes nucleares de Three Mile Island y Fukushima . La eliminación de calor se logra generalmente a través de varios sistemas redundantes y diversos, de los cuales se extrae calor a través de intercambiadores de calor. El agua pasa a través del lado secundario del intercambiador de calor a través del sistema de agua de servicio esencial [11] que disipa el calor en el "disipador de calor final", a menudo un mar, un río o un gran lago. En lugares sin una masa de agua adecuada, el calor se disipa en el aire recirculando el agua a través de una torre de enfriamiento . La falla de las bombas de circulación ESWS fue uno de los factores que puso en peligro la seguridad durante la inundación de la planta de energía nuclear de Blayais en 1999 .
Combustible consumido
Después de un año, el combustible nuclear gastado típico genera aproximadamente 10 kW de calor de desintegración por tonelada , disminuyendo a aproximadamente 1 kW / t después de diez años. [12] Por tanto, se requiere una refrigeración activa o pasiva eficaz del combustible nuclear gastado durante varios años.
Ver también
- Energía de descomposición
- Pool de combustible gastado
- Almacenamiento en barrica seca
- Generador termoeléctrico de radioisótopos
Referencias
- ↑ a b Ragheb, Magdi (15 de octubre de 2014). "Generación de calor por decaimiento en reactores de fisión" (PDF) . Universidad de Illinois en Urbana-Champaign . Consultado el 24 de marzo de 2018 .
- ^ "Combustible gastado" (PDF) . Laboratorio Nacional Argonne. Abril de 2011. Archivado desde el original (PDF) el 4 de marzo de 2016 . Consultado el 26 de enero de 2013 .
- ^ "OIEA TECDOC 978: Rendimiento del combustible y comportamiento del producto de fisión en reactores refrigerados por gas" (PDF) . Agencia Internacional de Energía Atómica. 1997 . Consultado el 25 de noviembre de 2019 .
- ^ Lamarsh, John R .; Baratta, Anthony J. (2001). Introducción a la Ingeniería Nuclear (3ª ed.). Prentice Hall. Sección 8.2. ISBN 0-201-82498-1.
- ^ http://www-pub.iaea.org/MTCD/publications/PDF/Pub913e_web.pdf
- ^ http://www.ucsusa.org/clean_energy/our-energy-choices/renewable-energy/how-geothermal-energy-works.html Cómo funciona la energía geotérmica
- ^ Manual de fundamentos del DOE - Física nuclear y teoría de reactores Archivado el18 deabril de 2009 en Wayback Machine - volumen 1 de 2, módulo 1, página 61
- ^ Glasstone, Samuel; Sesonske, Alexander (31 de octubre de 1994). Ingeniería de reactores nucleares: Ingeniería de sistemas de reactores - Samuel Glasstone, Alexander Sesonske - Google Books . ISBN 9780412985317. Consultado el 9 de septiembre de 2019 .
- ^ "D: \ Mnr-anal \ THANAL \ Decayhe \ decayhe1b.wp8" (PDF) . Consultado el 9 de septiembre de 2019 .
- ^ "Copia archivada" . Archivado desde el original el 18 de enero de 2012 . Consultado el 30 de marzo de 2011 .CS1 maint: copia archivada como título ( enlace )
- ^ Informe de seguridad previo a la construcción - Subcapítulo 9.2 - Sistemas de agua AREVA NP / EDF, publicado el 29 de junio de 2009, consultado el 23 de marzo de 2011
- ^ world-nuclear.org - Algo de física del uranio
enlaces externos
- Manual de fundamentos del DOE: calor de desintegración, física nuclear y teoría de reactores : volumen 2 de 2, módulo 4, página 61
- Estimaciones de calor de desintegración para MNR , página 2.
- El subprograma Java del Explorador de combustible nuclear gastado muestra la actividad y el calor de descomposición en función del tiempo