Calor de descomposición

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 movimiento térmico de los átomos.

El calor de desintegración se produce naturalmente a partir de la desintegración de radioisótopos de larga vida que están presentes primordialmente desde 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, como el yodo-131, creados en la fisión, continúa a alta potencia durante un tiempo después de su cierre. 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 potencia del núcleo anterior si el reactor ha tenido un historial de energía largo y estable. Aproximadamente 1 hora después del apagado, el calor de descomposición será aproximadamente el 1,5 % de la potencia central anterior. Después de un día, el calor de descomposición cae al 0,4%, y después de una semana será solo del 0,2%. Debido a que en los desechos nucleares hay radioisótopos de todas las vidas medias, se sigue produciendo suficiente calor de desintegración 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 una piscina de combustible gastado de agua antes de ser procesado. Sin embargo, el calor producido durante este tiempo sigue siendo sólo una pequeña fracción (menos del 10%) del calor producido en la primera semana después del cierre.

Si no hay ningún sistema de enfriamiento funcionando para eliminar el calor de desintegración de un reactor averiado y recién apagado, el calor de desintegración puede causar que el núcleo del reactor alcance temperaturas peligrosas en unas pocas horas o días, dependiendo del 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 y moderado por grafito) o incluso daños estructurales importantes en el núcleo (fusión) en un reactor de agua ligera o metal líquido. reactor rápido. Las especies químicas liberadas del material del núcleo dañado pueden provocar más reacciones explosivas (vapor o hidrógeno) que pueden dañar aún más el reactor.

Ocurrencia natural

El calor de desintegración natural es un aporte importante al presupuesto de calor interno 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.

El calor de desintegración tiene una importancia significativa en los fenómenos astrofísicos. Por ejemplo, se piensa ampliamente que las curvas de luz de las supernovas de Tipo Ia están impulsadas por el calentamiento proporcionado por los productos radiactivos de la desintegración del níquel y el cobalto en hierro (curva de luz de Tipo Ia).

Reactores de potencia en parada

En una reacción típica de fisión nuclear, se liberan instantáneamente 187 MeV de energía en forma de energía cinética de los productos de fisión, energía cinética de los neutrones de la fisión, rayos gamma instantáneos o rayos gamma de la captura de neutrones. En algún momento después de la fisión se liberan 23 MeV adicionales de energía debido a la desintegración beta de los productos de fisión. Alrededor de 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 13 MeV (6,5% de la energía de fisión total) se depositen en el núcleo del reactor debido a la desintegración beta retardada de los productos de fisión, en algún momento después de que haya ocurrido cualquier reacción de fisión determinada. En estado estacionario, este calor procedente de la desintegración beta retardada del producto de fisión contribuye con el 6,5% de la producción de calor normal del reactor.

Cuando se haya cerrado un reactor nuclear, y la fisión nuclear no está ocurriendo a gran escala, la principal fuente de producción de calor se debe a la demora en la desintegración beta de estos productos de fisión (que se originó como fragmentos de fisión). Por esta razón, en el momento de cierre del reactor, el calor de desintegración será alrededor del 6,5% de la energía del núcleo anterior si el reactor ha tenido un largo y constante historial de energía. Aproximadamente 1 hora después del cierre, el calor de decaimiento será alrededor del 1,5% de la energía del núcleo anterior. Después de un día, el calor decaimiento cae al 0,4%, y después de una semana será sólo 0,2%. La tasa de producción de calor descompuesto seguirá 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.

Una aproximación para la curva de calor descompuesto válida de 10 segundos a 100 días después de la apagada es

$[\displaystyle {\frac {\tau]}=0.066\left(\tau) - ¿Qué?$

Donde ${\displaystyle \tau }$ es el momento desde el inicio del reactor, ${\displaystyle P(\tau)}$ es el poder a la vez ${\displaystyle \tau }$, ${\displaystyle P_{0}$ es el reactor antes de apagarse, y ${\displaystyle \tau _{s}$ es el tiempo de cierre del reactor medido desde el momento de inicio (en segundos), por lo que ${\displaystyle (\tau -\tau _{s})}$ es el tiempo transcurrido desde el cierre.

Para un enfoque con una base física más directa, algunos modelos utilizan el concepto fundamental de la decadencia radiactiva. El combustible nuclear usado contiene un gran número de isótopos diferentes que contribuyen al calor descompuesto, que están sujetos a la ley de desintegración radiactiva, por lo que algunos modelos consideran que el calor descompuesto es una suma de funciones exponenciales con diferentes constantes descomposición y contribución inicial a la tasa de calor. 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 hija tendrá un efecto mayor más largo después del cierre.

${\displaystyle {\frac {\f} {\fnK}}=\fnK} ################################################################################################################################################################################################################################################################ t}$

La eliminación del calor de desintegración es una preocupación importante para la seguridad del reactor, especialmente poco después del apagado normal o después de un accidente por pérdida de refrigerante. No eliminar el calor de desintegración puede hacer que la temperatura del núcleo del reactor aumente a niveles peligrosos y ha causado accidentes nucleares, incluidos los accidentes nucleares en Three Mile Island y Fukushima I. La eliminación de calor generalmente se logra a través de varios sistemas diversos y redundantes, de los cuales el calor se elimina mediante intercambiadores de calor. El agua pasa a través del lado secundario del intercambiador de calor a través del sistema de agua de servicio esencial que disipa el calor en el "disipador de calor definitivo", a menudo un mar, un río o un lago grande. En lugares sin una masa de agua adecuada, el calor se disipa al aire mediante la recirculación del agua a través de una torre de refrigeración. La falla de las bombas de circulación ESWS fue uno de los factores que puso en peligro la seguridad durante la inundación de la central nuclear de Blayais en 1999.

Combustible gastado

Después de un año, el combustible nuclear gastado típico genera alrededor de 10 kW de calor de desintegración por tonelada, disminuyendo a aproximadamente 1 kW/t después de diez años. Por lo tanto, se requiere una refrigeración activa o pasiva eficaz del combustible nuclear gastado durante varios años.