03 May
Extracción de Barras de Control
A.1.) Coeficiente Moderador Negativo (αm < 0)
A potencia constante, se provoca mediante la extracción una realimentación de barras (eb > 0). Esto genera un aumento en la potencia del reactor y, en consecuencia, incrementa la temperatura del combustible y del moderador. En este caso, como ambos coeficientes (Doppler y del moderador) son negativos (αm < 0 y αD < 0), su realimentación disminuirá la reactividad.
Al observar la gráfica superior, se aprecia cómo aumenta la eb mientras que la em y eD se mantienen en valores negativos. La reactividad total (etotal) aumenta al principio, pero después tiende a 0. En la parte inferior, se observa cómo la potencia acaba estabilizándose debido a las realimentaciones, estabilizando a su vez las temperaturas del combustible y del moderador.
Nota: Si en lugar de extracción se produjera una inserción de barras, la eb sería menor a 0, la potencia del reactor disminuiría junto con las temperaturas y las realimentaciones serían positivas (proceso inverso).
A.2.) Coeficiente Moderador Positivo (αm > 0)
A potencia constante, la extracción provoca una realimentación de barras (eb > 0), aumentando la potencia y las temperaturas. En este escenario, con coeficientes αm > 0 y αD < 0, la reactividad Doppler (eD) será negativa mientras que la del moderador (em) será positiva.
En la parte superior de la gráfica, se observa que la reactividad del moderador es positiva pero de magnitud reducida. La planta no se estabilizará hasta que la suma de las reactividades sea cero, es decir, que em + eD = eb. Esto equivale a decir que el Kef = 1, manteniendo la potencia y el flujo neutrónico constantes. La potencia tiende nuevamente a estabilizarse.
Importante: Si el reactor estuviera correctamente diseñado, todas las reactividades serían negativas para tender a estabilizar el núcleo ante cualquier perturbación interna o externa.
Variaciones en la Temperatura del Moderador
b.1) Disminución de Tm con αm < 0
La temperatura del moderador (Tm) disminuye por enfriamiento. Al ser el αm < 0 (diseño intrínsecamente seguro), se inserta una reactividad positiva (em > 0), lo que eleva la potencia del reactor mediante una realimentación intrínseca.
- Dinámica de potencia: El aumento de potencia eleva la temperatura del combustible, insertando una reactividad Doppler negativa (eD < 0) que estabiliza la situación a una potencia mayor.
- Efecto en el moderador: La temperatura del moderador se recupera ligeramente por el aumento de potencia, pero permanece por debajo del nivel inicial, insertando una pequeña reactividad negativa adicional (em1 < 0).
Al final, la reactividad total es 0 para estabilizar la planta. En este análisis no se incluye la actuación del control de barras, que en un caso real modificaría el transitorio; se analiza únicamente la respuesta natural del núcleo ante el enfriamiento.
Comportamiento en Reactores BWR
Aumento del Caudal del Núcleo
El incremento del caudal eleva la velocidad del fluido; el líquido se calienta menos y tarda más en ebullir. Esto reduce la fracción de huecos y la temperatura del moderador, insertando reactividad positiva (dado que αd, αm y αh son negativos). La reactividad de huecos insertada es predominante, aumentando la potencia. Esto eleva la temperatura del combustible, insertando reactividad negativa y estabilizando el sistema a una potencia superior.
Aumento de la Presión
Al aumentar la presión, sube la temperatura de saturación, disminuyendo la ebullición y la fracción de vapor (Xv). Se inserta una eh > 0, generando un aumento de potencia. El consecuente aumento de temperatura en combustible y moderador inserta reactividad negativa, estabilizando el reactor en un nivel de potencia más alto.
El Accidente de Chernóbil
La central de Chernóbil operaba reactores tipo RBMK, refrigerados por agua y moderados por grafito. El 25 de abril de 1986, se inició un experimento para comprobar si la inercia de las turbinas podía generar energía suficiente durante un corte eléctrico hasta que arrancaran los generadores diésel.
Cronología del Desastre
El experimento debía realizarse entre 700-1000 MW. Tras retrasos por demandas de la red eléctrica y un cambio de turno a personal no familiarizado con la prueba, la potencia cayó bruscamente a niveles inestables (30-70 MW) debido a la acumulación de Xenón (veneno neutrónico). Para compensar, los operadores extrajeron las barras de control manualmente, dejando el reactor con un número de barras inferior al mínimo de seguridad.
A la 1:00 AM, subieron la potencia a 200 MW. A este nivel, el reactor RBMK es extremadamente inestable debido a su coeficiente de vacío positivo: la formación de vapor aumenta la reactividad en lugar de frenarla.
La Explosión
Al comenzar la prueba y reducirse el flujo de agua, se produjo cavitación y ebullición masiva. El aumento de vapor (eh > 0) disparó la potencia. El operador activó la parada de emergencia (AZ-5), pero las barras de control tenían un defecto de diseño: puntas de grafito. Al introducirse, el grafito desplazó el agua (absorbente) e incrementó la fisión momentáneamente en la base del núcleo.
La potencia se disparó al 10.000% de la nominal (320.000 MW), provocando una explosión de vapor que levantó la losa de hormigón del reactor y liberó radiactividad masiva.
Causas Principales
- Error de diseño en las barras: Los alargadores de grafito de 5 metros introducían reactividad positiva al inicio de la inserción.
- Perfil de potencia anómalo: La potencia estaba concentrada en la parte inferior del núcleo, agravando el efecto del grafito.
Analizando los perfiles de potencia:
En condiciones normales (trazo fino), la potencia es alta arriba (ebullición) y baja abajo. El día del accidente (trazo grueso), la potencia se concentró abajo. Al insertar las barras, se introdujo reactividad positiva donde la potencia ya era crítica, superando cualquier realimentación negativa y provocando la destrucción del edificio y la fusión del núcleo.
Sistemas de Control del Reactor
Sistema de Control de Barras
Regula la temperatura media del sistema primario ajustando la posición de las barras.
- Funcionamiento: Compara la temperatura media del refrigerante con la programada y la potencia demandada por la turbina con la nuclear.
- Mecanismo: Suma el error de potencia y el error de temperatura. Posee una banda muerta de ±0,83 para evitar movimientos innecesarios, operando a velocidad lenta.
Sistema de Control de Presión (Presionador)
Mantiene la presión mediante válvulas de rociado (arriba) y calentadores (abajo).
- Si la presión baja: Se activan los calentadores proporcionales y, si es necesario, los de apoyo.
- Si la presión sube: Se apagan calentadores y se activa el rociado proporcional. Si el error persiste, se abren las válvulas de alivio.
Sistema de Nivel del Presionador
Compara el nivel real con el de referencia (basado en la temperatura media).
- Nivel bajo: Se desactivan calentadores y se aísla la descarga del CVCS para recuperar masa.
- Nivel alto: Se reduce el caudal de carga de las bombas de inyección.
Anexo: Caso b.2) Disminución de Tm con αm > 0
Si ocurre un enfriamiento externo con un coeficiente positivo, se inserta reactividad negativa (em < 0). Esto reduce la potencia y la temperatura del combustible, lo que a su vez inserta una reactividad Doppler positiva.
La potencia se estabilizará cuando el incremento positivo Doppler iguale la disminución de reactividad del moderador. Se observa que, aunque normalmente la moderación domina sobre la captura en el agua, un enfriamiento extremo puede aumentar tanto la densidad que el número de capturas neutrónicas crezca lo suficiente como para disminuir la potencia.
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