Cómo funciona un reactor PHWR CANDU

En lugar de una gran vasija, el CANDU tiene una calandria: un cilindro horizontal de acero inoxidable de unos 8 metros de diámetro, de paredes finas, atravesado de lado a lado por 380 a 480 tubos de presión de aleación de circonio y niobio. Cada tubo mide unos 6 metros y aloja 12 haces de combustible de medio metro.

La presión no la soporta la calandria sino cada tubo, de apenas 4 mm de pared. Por eso no hace falta forjar una vasija de 20 cm de acero: la calandria trabaja casi a presión atmosférica. Un tubo de calandria concéntrico, con un hueco de gas CO₂, aísla cada tubo caliente del moderador frío.

La calandria está llena de agua pesada, D₂O, a unos 70 °C. El deuterio frena los neutrones casi tan bien como el hidrógeno pero los absorbe 600 veces menos: sobran neutrones para mantener la reacción en cadena con uranio natural, al 0,7 % de U-235, sin enriquecer. Es la razón de ser del diseño, pensado en Canadá cuando enriquecer era un secreto militar.

Ese moderador frío tiene otra virtud: es un gran sumidero de calor independiente del circuito primario. Y como está separado del refrigerante, el control de la reactividad se hace desde ahí: barras absorbentes, compartimentos de agua liviana ajustables y, en emergencia, veneno inyectado directamente en el moderador.

Por dentro de los tubos de presión circula otra masa de agua pesada, esta vez a unos 100 bar, que entra a 265 °C y sale a 310 °C sin hervir del todo. Cada tubo se conecta por sus dos extremos, mediante tuberías individuales llamadas alimentadores, a colectores que reúnen el caudal de cientos de canales.

Los canales vecinos circulan en sentidos opuestos, de modo que el circuito dibuja un ocho: dos bombas y dos generadores de vapor en cada mitad. Una central de 700 MWe carga unas 500 toneladas de agua pesada, que cuesta cientos de dólares por kilo; recuperarla y mantenerla pura es parte del oficio de operar un CANDU.

Del lado secundario todo es agua liviana ordinaria: los generadores de vapor son iguales a los de un PWR, con miles de tubos en U, y producen vapor a unos 47 bar y 260 °C, algo menos que un PWR porque el primario está más frío. El vapor mueve una turbina convencional y se condensa con agua de un lago, un embalse o el mar.

La eficiencia térmica ronda el 30 %, un poco por debajo del PWR. A cambio el combustible es barato y abundante: un CANDU consume menos uranio extraído por kWh que cualquier reactor de agua liviana, y puede quemar uranio recuperado de otros reactores o torio.

Con uranio natural la reactividad de reserva es mínima, así que el combustible debe reponerse continuamente en lugar de cada 18 meses. Dos máquinas de recarga, una en cada cara del reactor, se acoplan al mismo canal con el reactor a plena potencia: una empuja haces nuevos y la otra recibe los gastados, sin abrir el circuito ni perder presión.

Se cambian unos 15 haces por día. Esa es la razón de que los CANDU tengan factores de carga tan altos y también la razón de que la comunidad internacional los vigile de cerca: como el combustible sale de a poco y con bajo quemado, las salvaguardias de la OIEA cuentan cada haz que entra y sale.

Dos sistemas de parada independientes, con lógica, sensores y principio físico distintos: el SDS1 deja caer 28 barras de cadmio desde arriba en menos de 2 segundos; el SDS2 inyecta nitrato de gadolinio a alta presión directamente en el moderador. Cualquiera de los dos apaga el reactor por sí solo. Los primeros CANDU, como Pickering, usaban además el vaciado rápido del moderador a un tanque inferior: sin moderador no hay reacción.

Si fallara la refrigeración, el moderador y el agua del blindaje que rodea la calandria absorben el calor residual y retrasan cualquier daño en horas. El punto débil conocido es el coeficiente de vacío positivo: si el agua pesada de los tubos hierve, la potencia sube. Los sistemas de parada están diseñados justamente para ganarle a ese efecto.