Análisis térmico de materiales nucleares
Ernest Rutherford fue quien postuló un modelo atómico que podía explicar el comportamiento de la materia que los científicos habían observado hasta entonces en 1911. Estaba claro que existía una especie de “kit de construcción” elemental compuesto por diferentes tipos de partículas más pequeñas, los llamados átomos que eran capaces de interactuar entre sí, para formar aglomeraciones más grandes, las llamadas moléculas. Desarrolló un modelo que describía los átomos como partículas esféricas formadas por protones con carga positiva, neutrones neutros y electrones con carga negativa. Los protones y los neutrones eran también responsables de la masa del átomo, ya que los electrones casi no tenían masa. La masa que contenía los protones y los neutrones se encontraba en el núcleo atómico, que era considerablemente pequeño, y los electrones se encontraban en un casco con un diámetro considerablemente grande (véase la Fig. 4).
Fig.4: Desarrollo del modelo atómico de Rutherford: Partiendo de la base de que los átomos son estructuras esféricas que contienen partículas positivas y negativas, descubrió que los portadores de carga negativa se encuentran en el llamado casco atómico.
En la actualidad sabemos que esta descripción elemental de los átomos es correcta en general, además de que las órbitas de los electrones son mucho más complejas de lo que postulaba Rutherford. El modelo de Rutherford se sigue utilizando en la escuela para explicar la configuración fundamental de los átomos y su naturaleza. Pero Rutherford no sólo postulaba el modelo atómico, sino que también, como se ha mencionado, era capaz de explicar la radiactividad, Curie y Becquerel había descubierto. Cuando se descubrió la radiactividad, se pensaba que los átomos eran las partículas más pequeñas que existían. No estaba claro que fueran capaces de descomponerse en átomos más pequeños enviando radiación, energía y partículas. Sin embargo, el hecho de que enviaran partículas y radiación parecía lógico si se consideraba que estaban estructurados de la forma que Rutherford había postulado (véase la Fig. 5). Los tres tipos de radiación que se conocían se clasificaron a partir de entonces como radiación alfa (se envían partículas), radiación beta (se envían electrones) y radiación gamma (se envía energía electromagnética). Posteriormente, la irradiación de partículas se separó en irradiación alfa (partículas alfa / núcleos de He) y emisión de neutrones, mientras que la irradiación gamma se separó en rayos X y rayos Y en función de la longitud de onda. Mientras tanto, sabemos que la radiación radiactiva se produce por fisión nuclear, ya sea por fisión estadística de materiales radiactivos o por reacción en cadena o de fusión.
Fig.5: Los átomos radioactivos sufren una fisión nuclear. Los núcleos atómicos inestables colapsan en núcleos más pequeños enviando partículas, radiación y energía
Los átomos que tienen masas atómicas elevadas (más pesados que el plomo y el bismuto) no son estables y sus núcleos se descomponen en átomos más pequeños emitiendo radiación. Estos elementos que sufren fisión estadística se denominan elementos radiactivos. El tipo de radiación que emiten depende de su masa atómica y de la naturaleza de la estructura de su núcleo. Los diferentes tipos de radiación se muestran en la Fig.6. Como se puede ver, los diferentes tipos de radiación son potencialmente penetrantes en la materia, lo que dificulta su control una vez liberada la radiación. Y dependiendo del tipo de radiación, puede transformar átomos no radiactivos en materia radiactiva. Si la materia se expone a la radiación radiactiva, puede cambiar su estructura convirtiéndose ella misma en radiactiva. En el caso de las formas de vida o de los seres humanos puede tener una influencia devastadora, ya que la radiactividad no puede ser percibida biológicamente, sin embargo es muy peligrosa al mutar las células o incluso quemar la materia orgánica.
Fig.6: Diferentes tipos de radiación radiactiva y su potencial de penetración en diferentes tipos de materia sólida
Uso industrial de la radiactividad
Fig.7: Montaje típico de un reactor nuclear. Izquierda: núcleo con combustible nuclear y dos circuitos de agua; centro: turbina para la generación de energía y condensador; derecha: torre de refrigeración.
Aunque la radiactividad se conocía desde principios del siglo XX y muchos científicos trabajaban en este nuevo e interesante campo, hubo que esperar hasta 1938 para que Otto Hahn y sus colaboradores descubrieran finalmente la fisión nuclear y la posibilidad de controlarla. En los años siguientes, tuvo lugar la segunda guerra mundial, lo que hizo que uno de los primeros usos de este descubrimiento fuera de carácter militar. Pero desde los años 50, la energía nuclear es la fuente de energía más importante en todo el mundo. Con su ventaja de suministro de energía limpia y barata, los reactores nucleares han sido objeto de una continua mejora global durante los últimos 50 años. Mientras tanto, los reactores de cuarta generación, como los reactores de muy alta temperatura (VHTR) o los reactores rápidos refrigerados por sodio (MSR), están actualmente en desarrollo y serán el futuro de la energía nuclear. La configuración general de un reactor de núcleo se muestra en la fig.7: Un conjunto de las llamadas barras de combustible nuclear se coloca en una cámara (en la mayoría de los casos en un baño de agua), creando calor. El agua calentada se transfiere a un segundo bucle de agua que alimenta un sistema de turbina de vapor y se transfiere de nuevo a través de un condensador. El condensador está acoplado al agua ambiental que se utiliza para la refrigeración. Esta agua de refrigeración es lo que se puede ver como vapor blanco que se desprende de las grandes torres de refrigeración que son icónicas para las centrales nucleares.
Combustible nuclear
El uso técnico de la radiactividad se basa principalmente en la reacción nuclear en cadena, un concepto en el que la fisión de un núcleo radiactivo provoca múltiples eventos de fisión en los átomos vecinos mediante la emisión de neutrones. (ver fig.8) Normalmente, el uranio y sus sales se utilizan como fuente de neutrones. Sin embargo, en las especies naturales de uranio predomina el 98% de U238, que no emite muchos neutrones cuando sufre la fisión. Por lo tanto, primero hay que acumular el uranio U235. En este proceso se separa el 1% de la especie U235 del uranio natural mediante un complejo proceso de centrifugación de gases. El resultado es un uranio con un contenido mucho mayor de U235 que emite suficientes neutrones para iniciar una reacción en cadena o un proceso de fisión continuo y autosostenible. Para los reactores nucleares, se necesita un contenido de U235 de al menos el 20%, mientras que en la técnica de armamento, el contenido tiene que ser significativamente mayor. En una central nuclear, las llamadas barras de combustible están hechas de uranio acumulado (véase la figura 9). Estas barras se colocan en estructuras de conjunto que contienen barras de control pasivo y barras de reacción activa. Las barras de control pasivo están formadas por material inactivo que detiene la reacción en cadena “atrapando” neutrones, mientras que las barras activas emiten neutrones y hacen funcionar la cascada de la reacción en cadena. Cuando se controla adecuadamente, la reacción se encuentra en una condición estable y es autosuficiente, emitiendo constantemente calor que crea vapor para la turbina. Además, en la mayoría de los reactores, un sistema robótico mecánico puede intercambiar las barras de combustible activas usadas y sustituirlas por otras nuevas. Con esta configuración, el reactor puede funcionar permanentemente y crear energía a demanda, independientemente de cualquier combustible fósil, viento o luz solar.
Fig.9: Las barras de combustible nuclear consisten en pastillas rellenas de uranio que se disponen en una pila (varilla) y se colocan en una matriz de múltiples barras de control y reacción.
Fig.8: En la mayoría de los casos, el U235 se utiliza como fuente de energía. Cuando es golpeado por un neutrón, el núcleo colapsa y forma nuevas especies, liberando más neutrones que pueden reaccionar en cascada con otros núcleos de U235.
Inconvenientes de la energía nuclear
Cuando se utilizan, las barras de combustible nuclear suelen someterse a un proceso de reciclaje en el que las especies de U235 aún utilizables se separan y se utilizan para nuevas barras de combustible. Todos los demás elementos que se crean durante la reacción en cadena (como el Pu, el Po…) también se separan y se utilizan para otros fines, como aplicaciones clínicas u otros procesos industriales. Para algunos de estos isótopos, la reacción nuclear en cadena es la única fuente que puede crearlos. Sin embargo, una gran cantidad de material no es más que materia muerta radiactiva que no ve otra utilidad que la de ser almacenada como residuo nuclear. Estos materiales de desecho emiten mucha radiación y son muy peligrosos y tóxicos para el medio ambiente, por lo que deben almacenarse en algún lugar donde sean inaccesibles y no influyan en las aguas subterráneas, los recursos naturales o la vida. Por supuesto, es difícil encontrar un lugar adecuado para ello, pero aun así es la única posibilidad de deshacerse de los residuos atómicos, ya que no hay forma de neutralizar la radiactividad una vez que el material existe. Además, los propios reactores nucleares tienen que ser desmontados en un proceso muy duradero y complejo una vez que se abandona el reactor, lo que provoca un alto coste y crea aún más material de desecho nuclear. Por supuesto, además del tema de los residuos, también existe el riesgo de accidentes y de liberación no deseada de material nuclear al medio ambiente. Esto, llamado el mayor accidente posible, ocurrió unas cuantas veces en el pasado, teniendo una influencia devastadora en la vida de la tierra en 1986 en Chernóbil y en 2011 en Fukushima.
Investigación
El suministro de energía nuclear y el uso industrial de la tecnología nuclear conllevan un amplio campo de investigación en curso. No sólo la optimización de los combustibles nucleares y su reciclaje es un tema candente, sino también el trabajo con muestras radiactivas para la investigación clínica y la terapia, así como la mejora de la seguridad de los reactores y la optimización de su rendimiento. Los científicos siguen buscando tecnologías de almacenamiento y reutilización de los residuos nucleares y también intentan diseñar barras de combustible nuclear que sólo produzcan cantidades mínimas de isótopos tóxicos. Además, uno de los mayores proyectos de investigación es el desarrollo de la tecnología de reactores de fusión, que promete resolver los problemas energéticos del mundo una vez que esté disponible. La ventaja de un reactor de fusión sería una generación de energía casi sin radiación que sólo requiere pequeñas cantidades de hidrógeno para formar helio en una reacción de fusión.
Fig.11: La futura central nuclear probablemente no será un reactor de fisión sino de fusión. Una enorme instalación de imanes puede mantener el haz de plasma de hidrógeno caliente a mil millones de grados dentro de un campo que permite controlar la reacción de fusión de los núcleos de hidrógeno en helio, lo que da lugar a enormes cantidades de energía liberada y sólo muy poca radiación y sin isótopos tóxicos.
Análisis térmico en la investigación nuclear
Fig.12: La investigación con material radiactivo requiere entornos especiales. En la mayoría de los casos, se establecen las llamadas unidades de celdas calientes, en las que hay que incluir todo el equipo para separar la zona “caliente” del entorno normal del laboratorio
Debido a la investigación que se realiza en ese campo, existe la necesidad de equipos analíticos y especialmente también de instrumentos de análisis térmico. Por supuesto, estas aplicaciones especiales y los requisitos de seguridad requieren muchas modificaciones de los dispositivos estándar, que Linseis puede realizar. Como la radiación nuclear puede interferir con la electrónica, ésta tiene que estar separada de las partes mecánicas de los instrumentos y debe colocarse fuera de la celda caliente o de la caja de guantes. Hicimos personalizaciones de casi todos los instrumentos importantes en el análisis térmico que incluyen la adaptación para aplicaciones de celdas calientes, como la separación de la electrónica y los paneles de control. Principalmente dilatómetros, termobalanzas así como combinados TG-DSC and also Laser Flash en el pasado reciente, hemos transferido con éxito las técnicas de análisis térmico a un diseño nuclear. Nuestra experiencia en este campo especial hace que Linseis se convierta en el líder mundial en el análisis térmico de materiales nucleares, ya que somos el actor más flexible en ese mercado.
Aplicaciones
Estándar de grafito
La curva muestra los datos de difusividad térmica de un estándar de grafito del NIST que se midió con un LFA con láser conectado por fibra óptica y electrónica separada. Los resultados coinciden con los valores de la literatura y la precisión y la potencia del láser son completamente idénticas a las del instrumento estándar.
El grafito es uno de los materiales más importantes en la construcción de reactores y, debido a su alta conductividad térmica y estabilidad de la temperatura, ofrece diversos fines para los que puede utilizarse.
Conductividad térmica de los carburos
Se midieron diferentes tipos de carburos mediante LFA para determinar la conductividad térmica. El carburo de uranio se comparó con el carburo de circonio similar y con el carburo de silicio clásico. Como resultado, el carburo de uranio mostró un valor considerablemente bajo de alrededor de 25 W/mK, mientras que el carburo de circonio muestra una tendencia creciente que tiene un carácter electrónico dominante, mientras que el SiC muestra una forma de disminución más o menos común de su curva de conductividad térmica.
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Análisis térmico de Linseis para la energía nuclear (PDF)
