Les barres de control a les centrals nuclears són components clau per a la regulació de la potència del reactor i la garantia de la seva seguretat.
Aquests dispositius, fabricats amb materials altament eficients per absorbir neutrons, tenen un paper crucial en mantenir l'equilibri de les reaccions nuclears que tenen lloc al nucli del reactor.
Sense elles, les reaccions en cadena es podrien tornar inestables, augmentant el risc de sobreescalfament i possibles accidents.
Reacció nuclear en cadena
Una reacció nuclear en cadena es produeix quan un neutró impacta amb un àtom d'un material fissionable, com ara l'urani-235 o el plutoni-239, dividint-lo en fragments més petits i alliberant una gran quantitat d'energia.
Aquest procés genera nous neutrons que poden impactar altres àtoms, iniciant un cicle repetitiu. La velocitat daquesta reacció depèn de la quantitat de neutrons disponibles i de com interactuen amb el combustible nuclear.
Funcionament de les barres de control
Les barres de control estan dissenyades per gestionar aquesta reacció en cadena mitjançant absorció de neutrons.
Estan fabricades amb materials com el carbur de bor o aliatges de plata, indi i cadmi, que tenen una alta capacitat per capturar neutrons. El seu disseny cilíndric i les seves dimensions, similars a les de les varetes de combustible nuclear, els permeten inserir-se directament al nucli del reactor.
Com més s'introdueixen les barres de control al nucli, més neutrons absorbeixen. Això redueix la quantitat de neutrons disponibles per provocar noves reaccions de fissió, disminuint així la potència del reactor. Per contra, en retirar-les, augmenta la quantitat de neutrons actius, incrementant la potència.
Regulació de la potència del reactor
La regulació d'un reactor nuclear és un procés complex que involucra diversos sistemes, i les barres de control són un dels més importants. Aquestes barres permeten ajustar la freqüència de les reaccions nuclears a temps real i també són essencials durant emergències.
Parades ràpides o "scram"
En situacions crítiques, com un augment inesperat de potència o una fallada al sistema de refrigeració, les barres de control s'utilitzen per aturar ràpidament la reacció en cadena.
Als reactors d'aigua a pressió (PWR), les barres solen penjar al reactor i estan sostingudes per electroimants. Si ocorre una pèrdua de subministrament elèctric, els electroimants es desactiven i les barres cauen per gravetat al nucli, aturant la reacció. Aquest mètode és comú, encara que no universal, als dissenys de PWR.
Als reactors d'aigua en ebullició (BWR), les barres de control s'introdueixen des del fons del reactor mitjançant sistemes hidràulics o mecànics. Aquest disseny assegura un control redundant i fiable, ja que no depèn únicament de la gravetat.
Tot i que el principi és diferent, l'objectiu continua sent el mateix: aturar la reacció nuclear en cadena de manera ràpida i segura.
Factors addicionals al control del reactor
El comportament del reactor també està influït per la temperatura, el flux del refrigerant i l'acumulació de productes de rebuig de la fissió.
Alguns daquests productes, com el xenó-135, tenen una alta capacitat per absorbir neutrons. L'acumulació de xenó-135, coneguda com a "enverinament per xenó", pot estabilitzar o fins i tot aturar temporalment un reactor després d'una reducció significativa de potència, requerint ajustaments constants en la posició de les barres de control.
Seguretat i refredament després d'una parada
Quan les barres de control s'introdueixen completament al nucli, la reacció en cadena nuclear s'atura i el reactor entra en un estat subcrític. No obstant això, el material radioactiu al nucli continua generant calor residual a causa del procés de desintegració radioactiva, conegut com a calor de desintegració.
Aquesta calor representa un percentatge significatiu de la potència tèrmica inicial i s'ha de dissipar de manera controlada per evitar un sobreescalfament que podria fer malbé el reactor o causar un accident greu.
Els sistemes de refrigeració secundaris són essencials en aquest procés. Sense ells, fins i tot amb les barres de control completament inserides, es podria produir un col·lapse del nucli, com va passar en els accidents de Fukushima i Txernòbil.
Relació entre les barres de control i els accidents nuclears
La seguretat de les centrals nuclears depèn en gran mesura del funcionament correcte de les barres de control, però aquestes no són l'únic factor.
Històricament, les fallades en sistemes complementaris i errors humans han estat les principals causes d'accidents nuclears catastròfics.
L'accident de Txernòbil
El desastre de Chernobyl el 1986 és un exemple tràgic de com el disseny defectuós de les barres de control i la mala gestió operativa poden portar a conseqüències devastadores.
En aquest cas, les barres de control tenien puntes de grafit, un material que inicialment augmentava la reactivitat en comptes de disminuir-la. Aquest efecte va passar durant la inserció inicial de les barres, a causa del disseny específic del reactor RBMK.
Durant una prova mal planificada, aquest defecte, combinat amb errors humans, errors en altres sistemes i la manca d'una contenció adequada, va provocar una explosió i l'alliberament de grans quantitats de material radioactiu.
Prevenció d'accidents de criticitat
En altres accidents, s'han utilitzat materials absorbents de neutrons, com ara el bor o el cadmi, per mitigar situacions de criticitat.
Per exemple, en reactors refrigerats amb diòxid de carboni, el gas nitrogen es pot injectar al circuit primari per absorbir neutrons i aturar la reacció en cadena si les barres de control no són suficients.
L‟ús d‟aquests materials també ha demostrat ser eficaç per reduir l‟activació de materials circumdants al nucli, minimitzant així els riscos de contaminació radioactiva en cas d‟emergència.
Innovacions i avenços en barres de control
La tecnologia nuclear continua evolucionant, i les barres de control no en són una excepció. Els investigadors treballen constantment a millorar els materials i dissenys per fer-los més efectius i fiables.
Algunes de les darreres innovacions inclouen:
- Materials avançats: Nous compostos basats en carbur de bor i aliatges de terres rares estan sent desenvolupats per augmentar la capacitat d'absorció de neutrons i millorar la resistència al desgast.
- Sensors integrats: Algunes barres de control modernes incorporen sensors que permeten monitoritzar en temps real la seva posició i el nivell de neutrons que estan absorbint. Això facilita un control més precís del reactor.
- Sistemes dinserció més ràpids: Dissenys millorats en els mecanismes dinserció i extracció permeten respostes més ràpides durant emergències.