El grafito nuclear es cualquier grado de grafito , generalmente grafito sintético , fabricado específicamente para usarse como moderador o reflector dentro de un reactor nuclear . El grafito es un material importante para la construcción de reactores nucleares tanto históricos como modernos , debido a su extrema pureza y su capacidad para soportar temperaturas extremadamente altas. El grafito también se ha utilizado recientemente en reactores de fusión nuclear , como el Wendelstein 7-X . A partir de experimentos publicados en 2019, el uso de grafito en elementos del stellaratorla pared y un desviador de isla de grafito han mejorado enormemente el rendimiento del plasma dentro del dispositivo; proporcionando un mejor control sobre las impurezas y el escape de calor, y las descargas prolongadas de alta densidad. [1]
Historia
La fisión nuclear , la creación de una reacción en cadena nuclear en el uranio , fue descubierta en 1939 tras los experimentos de Otto Hahn y Fritz Strassman , y la interpretación de sus resultados por físicos como Lise Meitner y Otto Frisch . [2] Poco después, la noticia del descubrimiento se extendió por toda la comunidad física internacional.
Para que el proceso de fisión reaccione en cadena, los neutrones creados por la fisión del uranio deben ralentizarse interactuando con un moderador de neutrones (un elemento con un peso atómico bajo, que "rebotará" cuando sea golpeado por un neutrón) antes de que lo hagan. ser capturado por otros átomos de uranio. A finales de 1939, se supo que los dos moderadores más prometedores eran el agua pesada y el grafito . [3]
En febrero de 1940, utilizando fondos que fueron asignados en parte como resultado de la carta de Einstein-Szilard al presidente Roosevelt, Leo Szilard compró varias toneladas de grafito de Speer Carbon Company y de National Carbon Company (la División Nacional de Carbono de Union Carbide y Carbon Corporation en Cleveland, Ohio) para su uso en los primeros experimentos de fisión de Enrico Fermi , la llamada pila exponencial. [4] : 190 Fermi escribe que "Los resultados de este experimento fueron [sic] algo desalentadores" [5] presumiblemente debido a la absorción de neutrones por alguna impureza desconocida. [6] : 40 Entonces, en diciembre de 1940 Fermi y Szilard se reunieron con Herbert G. MacPherson y VC Hamister en National Carbon para discutir la posible existencia de impurezas en el grafito. [7] : 143 Durante esta conversación quedó claro que pequeñas cantidades de impurezas de boro eran la fuente del problema. [3] [8]
Como resultado de esta reunión, durante los próximos dos años, MacPherson y Hamister desarrollaron técnicas de purificación térmica y de extracción de gas en National Carbon para la producción de grafito sin boro. [8] [9] El producto resultante fue designado AGOT Graphite ("Temperatura Ordinaria del Grafito Acheson") por National Carbon, y fue "el primer grafito de grado nuclear verdadero". [10]
Durante este período, Fermi y Szilard compraron grafito de varios fabricantes con varios grados de sección transversal de absorción de neutrones : grafito AGX de National Carbon Company con sección transversal de 6.68 mb (milibarns), grafito estadounidense de la United States Graphite Company con sección transversal de 6.38 mb, Speer grafito de Speer Carbon Company con sección transversal de 5,51 mb, y cuando estuvo disponible, grafito AGOT de National Carbon, con sección transversal de 4,97 mb. [6] : 178 [11] : 4 (Véase también Haag [2005].) En noviembre de 1942, National Carbon había enviado 250 toneladas de grafito AGOT a la Universidad de Chicago [4] : 200, donde se convirtió en la principal fuente de grafito para ser utilizado en la construcción del Chicago Pile-1 de Fermi , el primer reactor nuclear en generar una reacción en cadena sostenida (2 de diciembre de 1942). [6] : 295 grafito AGOT se utilizó para construir el reactor de grafito X-10 en Oak Ridge TN (principios de 1943) y los primeros reactores en el sitio de Hanford en Washington (mediados de 1943), [11] : 5 para la producción de plutonio durante y después de la Segunda Guerra Mundial. [8] [10] El proceso AGOT y sus refinamientos posteriores se convirtieron en técnicas estándar en la fabricación de grafito nuclear. [11]
La sección transversal de neutrones del grafito también fue investigada durante la Segunda Guerra Mundial en Alemania por Walter Bothe , P. Jensen y Werner Heisenberg . El grafito más puro disponible para ellos era un producto de la compañía Siemens Plania, que exhibía una sección transversal de absorción de neutrones de aproximadamente 6,4 mb [12] : 370 a 7,5 mb (Haag 2005). Por lo tanto, Heisenberg decidió que el grafito no sería adecuado como moderador en el diseño de un reactor que utiliza uranio natural , debido a esta tasa aparentemente alta de absorción de neutrones. [3] [12] [13] En consecuencia, el esfuerzo alemán para crear una reacción en cadena involucró intentos de usar agua pesada , una alternativa cara y escasa, que se hizo aún más difícil de adquirir como consecuencia del sabotaje noruego con agua pesada por parte de Norwegian. y fuerzas aliadas. Escribiendo tan tarde como 1947, Heisenberg todavía no entendía que el único problema con el grafito era la impureza de boro. [13]
Efecto Wigner
En diciembre de 1942, Eugene Wigner sugirió [14] que el bombardeo de neutrones podría introducir dislocaciones y otros daños en la estructura molecular de materiales como el moderador de grafito en un reactor nuclear (el efecto Wigner ). La acumulación de energía resultante en el material se convirtió en un motivo de preocupación [10] : 5 Se sugirió la posibilidad de que las barras de grafito se fusionaran como enlaces químicos en la superficie de las barras cuando se abrieran y cerraran nuevamente. Incluso no se puede descartar la posibilidad de que las partes de grafito se rompan rápidamente en pedazos pequeños. Sin embargo, los primeros reactores productores de energía ( Reactor de grafito X-10 y Reactor Hanford B ) tuvieron que construirse sin ese conocimiento. Los ciclotrones , que eran las únicas fuentes de neutrones rápidos disponibles, tardarían varios meses en producir una irradiación de neutrones equivalente a un día en un reactor Hanford.
Este fue el punto de partida de los programas de investigación a gran escala para investigar los cambios de propiedad debidos a la radiación de partículas rápida y predecir su influencia en la seguridad y la vida útil de los reactores de grafito que se construirán. Las influencias de la radiación de neutrones rápidos sobre la fuerza , la conductividad eléctrica y térmica , la expansividad térmica , la estabilidad dimensional, el almacenamiento de energía interna ( energía de Wigner ) y muchas otras propiedades se han observado muchas veces y en muchos países después de que surgieron los primeros resultados de el reactor X-10 en 1944.
Aunque nunca se ha producido un comportamiento catastrófico como la fusión o el desmoronamiento de piezas de grafito, los grandes cambios en muchas propiedades son el resultado de la irradiación de neutrones rápidos que deben tenerse en cuenta cuando se diseñan los componentes de grafito de los reactores nucleares. Aunque todavía no se comprenden bien todos los efectos, más de 100 reactores de grafito han funcionado con éxito durante décadas desde la década de 1940. Algunos accidentes graves en reactores de grafito no pueden en ningún caso atribuirse a información insuficiente (en el momento del diseño) sobre las propiedades del grafito en uso. [ cita requerida ] En la década de 2010, la recopilación de nuevos datos de propiedades materiales ha mejorado significativamente el conocimiento. [15] [16]
Pureza
El grafito de grado reactor debe estar libre de materiales absorbentes de neutrones, especialmente boro , que tiene una gran sección transversal de captura de neutrones. Las fuentes de boro en el grafito incluyen las materias primas, los materiales de empaque utilizados para hornear el producto e incluso la elección del jabón (por ejemplo, bórax) que se usa para lavar la ropa que usan los trabajadores en el taller de máquinas. [11] : 80 La concentración de boro en el grafito purificado térmicamente (como el grafito AGOT) puede ser inferior a 0,4 ppm [11] : 81 y en el grafito nuclear purificado químicamente es inferior a 0,06 ppm. [11] : 47
Comportamiento bajo irradiación
Esto describe el comportamiento del grafito nuclear, específicamente cuando se expone a irradiación de neutrones rápidos.
Fenómenos específicos abordados:
- Cambio dimensional ( contracción e hinchazón inducida por neutrones )
- Cambio en el módulo elástico (medido por la técnica de excitación por impulso )
- Cambio en el coeficiente de expansión térmica
- Cambio de conductividad térmica
- Cambio de resistividad eléctrica
- Inducida por irradiación fluencia
Dado que el estado del grafito nuclear en los reactores activos solo se puede determinar en inspecciones de rutina, aproximadamente cada 18 meses, es importante el modelado matemático del grafito nuclear a medida que se acerca al final de su vida útil. Sin embargo, como solo se pueden inspeccionar las características de la superficie y no se conoce el momento exacto de los cambios, el modelado de confiabilidad es especialmente difícil. [17]
Fabricar
El grafito nuclear para los reactores Magnox del Reino Unido se fabricó a partir de coque de petróleo mezclado con brea aglutinante a base de carbón calentado y extruido en palanquillas, y luego se horneó a 1000 ° C durante varios días. Para reducir la porosidad y aumentar la densidad , las palanquillas se impregnaron con alquitrán de hulla a alta temperatura y presión antes de un horneado final a 2.800 ° C. A continuación, se mecanizaron palanquillas individuales en las formas finales requeridas. [18]
Accidentes en reactores moderados por grafito
Ha habido dos accidentes importantes en reactores moderados con grafito, el incendio de Windscale y el desastre de Chernobyl .
En el incendio de Windscale, se utilizó un proceso de recocido no probado para el grafito, lo que provocó un sobrecalentamiento en áreas no monitoreadas del núcleo y condujo directamente a la ignición del fuego. El material que se encendió no fue el moderador de grafito en sí, sino las latas de combustible de uranio metálico dentro del reactor. Cuando se extinguió el fuego, se descubrió que las únicas áreas del moderador de grafito que habían sufrido daños térmicos eran las que estaban cerca de los bidones de combustible en llamas. [19] [20]
En el desastre de Chernobyl, el moderador no fue responsable del evento principal. En cambio, una excursión de energía masiva durante una prueba mal manejada causó la falla catastrófica de la vasija del reactor y una pérdida casi total de suministro de refrigerante. El resultado fue que las barras de combustible se derritieron rápidamente y fluyeron juntas mientras estaban en un estado de potencia extremadamente alta, lo que provocó que una pequeña parte del núcleo alcanzara un estado de crítica rápida y descontrolada y condujera a una liberación masiva de energía, [21] lo que resultó en la explosión. del núcleo del reactor y la destrucción del edificio del reactor. La liberación masiva de energía durante el evento primario sobrecalentó el moderador de grafito, y la ruptura de la vasija del reactor y el edificio permitió que el grafito sobrecalentado entrara en contacto con el oxígeno atmosférico. Como resultado, el moderador de grafito se incendió, enviando una nube de lluvia radiactiva a la atmósfera y sobre un área muy extendida. [22]
Referencias
- Haag, G. 2005, Propiedades del grafito ATR-2E y cambios en las propiedades debido a la irradiación de neutrones rápidos, FZ-Juelich, Juel-4813.
- ↑ Klinger, T .; et al. (2019). "Descripción general de la primera operación de alto rendimiento Wendelstein 7-X" . Fusión nuclear . 59 : 112004. doi : 10.1088 / 1741-4326 / ab03a7 .
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enlaces externos
- Fabricación y producción de grafito , base de conocimientos sobre grafito nuclear del OIEA
- Comportamiento del grafito bajo irradiación , Base de conocimientos sobre grafito nuclear del OIEA