Cómo funciona un reactor de investigación

Un reactor de investigación es una fuente de neutrones. Fisiona uranio como cualquier otro, pero el calor es un subproducto que se tira al aire o al mar: lo que se aprovecha son los neutrones que salen del núcleo, para irradiar blancos y producir radioisótopos, para ensayar materiales y combustibles bajo un flujo intenso, para hacer dispersión de neutrones en experimentos de física, química y biología, para dopar silicio, analizar muestras por activación y entrenar a operadores y estudiantes. Por eso la potencia es pequeña: según la base de datos del OIEA hay unos 228 en operación en 54 países, y la suma de todos no llega a 3.000 MW térmicos, lo que produce un solo reactor de potencia. Van desde instalaciones de potencia cero, que apenas se calientan, hasta los 100 MW de PIK en San Petersburgo, BR2 en Bélgica o el Jules Horowitz en construcción en Francia.

Lo que los distingue en ingeniería es la densidad de potencia: se busca el máximo flujo de neutrones en el mínimo volumen, con núcleos de decenas de litros que llegan a 17 kW por centímetro cúbico frente a los 5 de un PWR. Eso se logra con combustible de placas delgadas de aluminio, mucha superficie de refrigeración y un buen reflector. La contrapartida es que operan a presión atmosférica y a menos de 50 °C, sin vapor ni turbina, y que la mayoría cabe en un edificio universitario. El primero de América Latina fue el RA-1 argentino, crítico en 1958; hoy la Argentina opera el RA-3, el RA-6 y otros, exportó reactores a Perú, Argelia, Egipto y Australia a través de INVAP y termina el RA-10 en Ezeiza.

La familia más numerosa es la de pileta abierta, el esquema de esta página: el núcleo cuelga o se apoya en el fondo de una pileta de agua liviana de 10 a 13 metros que hace de refrigerante, moderador y blindaje a la vez, y se lo puede ver desde arriba. Es el tipo MTR, Materials Testing Reactor, con combustible de placas de siliciuro o aluminuro de uranio enriquecido a menos del 20 %: OPAL en Australia, el RA-3 y el RA-10 en Argentina, Maria en Polonia o SAFARI-1 en Sudáfrica. Cuando la potencia sube y hace falta más caudal, el núcleo se encierra en un tanque dentro de la pileta con circulación forzada a ligera sobrepresión: es el tanque en pileta de HFR Petten y BR2.

El TRIGA de General Atomics es una familia aparte por su combustible, hidruro de uranio y circonio en barras, que le da una seguridad intrínseca única y le permite pulsar: hay 66 instalados en 24 países, muchos en universidades. Y en el extremo de arriba están los reactores de alto flujo, construidos para llevar el flujo térmico por encima de 10¹⁵ neutrones por centímetro cuadrado y segundo: el ILL de Grenoble, con un solo elemento combustible anular y agua pesada, y el HFIR de Oak Ridge, con reflector de berilio. Sirven a comunidades de miles de científicos que reservan tiempo de haz como en un telescopio.

La pileta resuelve tres problemas con un solo material. El agua liviana modera los neutrones, evacúa el calor y, con diez metros de columna, blinda la radiación gamma del núcleo lo suficiente como para que un operador pueda pararse en el puente de la pileta durante la operación. Es también el medio de trabajo: los elementos combustibles, los blancos y las muestras se mueven bajo el agua con herramientas largas desde el puente, sin máquinas de recarga ni contenedores. El agua se mantiene desmineralizada y a menos de 50 °C, y la pileta es de hormigón con revestimiento de acero inoxidable.

Mirar dentro de una pileta en operación es ver un resplandor azul intenso alrededor del núcleo: es la radiación de Cherenkov. Los productos de fisión emiten electrones y rayos gamma que a su vez arrancan electrones del agua, muchos de ellos con velocidades mayores que la de la luz en el agua, que es un 25 % menor que en el vacío. Una partícula cargada que supera la velocidad de la luz en un medio emite un cono de luz, el equivalente óptico del estampido supersónico, concentrado en el azul y el ultravioleta. La intensidad del brillo sigue a la potencia, y en un reactor recién apagado persiste, más tenue, por el decaimiento de los productos de fisión.

El núcleo de OPAL, y el del RA-10, es un arreglo de 4 × 4 elementos combustibles de unos 8 centímetros de lado y 1 metro de largo, cada uno formado por una veintena de placas de siliciuro de uranio en aluminio, con canales de agua de 2 milímetros entre placa y placa. Toda la fisión ocurre en un volumen que cabe en una heladera. Alrededor, un tanque de circonio lleno de agua pesada hace de reflector: devuelve al núcleo los neutrones que escapan, aplana el flujo y crea una zona de flujo térmico alto y accesible donde van las posiciones de irradiación y los extremos de los tubos de haz. El agua pesada absorbe muy pocos neutrones, así que el flujo en el reflector puede superar al del propio núcleo.

La potencia se gobierna con placas de control de hafnio o de aleación de plata, indio y cadmio, que se deslizan entre los elementos combustibles. En los diseños de INVAP entran desde abajo, con los mecanismos en una sala bajo la pileta, lo que deja libre la parte superior para operar. Un segundo sistema de parada independiente y diverso actúa sobre el reflector: unas válvulas drenan parcialmente el tanque de agua pesada en segundos y el reactor se apaga por fuga de neutrones aunque las placas no se muevan. Cada ciclo de operación dura entre 30 y 35 días; al final se reemplazan algunos elementos, que pasan a una pileta de almacenamiento contigua.

No hay generador de vapor ni turbina: el circuito es un intercambiador de calor y punto. Bombas primarias toman agua de la pileta, la hacen pasar por el núcleo a alta velocidad, hacia arriba en OPAL y RA-10, y la envían a intercambiadores de placas fuera de la pileta; el agua vuelve a la pileta por debajo del núcleo. Un circuito secundario, separado para que la actividad del primario no salga del edificio, lleva el calor a torres de enfriamiento de tiro mecánico o al mar. Con 20 o 30 MW, los caudales son los de una piscina olímpica en pocos minutos, pero la temperatura del agua apenas sube unos grados.

Esa separación entre el circuito y la pileta es la clave de la seguridad. Si las bombas se detienen, unas válvulas de clapeta que las bombas mantenían cerradas caen por su propio peso y conectan el núcleo con la pileta: el calor residual, que en un reactor de 20 MW es de 1,3 MW al apagar y de unos 300 kW una hora después, se evacúa por circulación natural en los cientos de toneladas de agua de la pileta, sin electricidad ni intervención. El núcleo permanece cubierto por diez metros de agua y la pileta tarda días en calentarse. Es el mismo principio de los sistemas pasivos que los reactores de potencia adoptaron después de Fukushima, pero aquí es inherente al diseño desde hace sesenta años.

El reflector es donde se trabaja. Dentro del tanque de agua pesada hay decenas de posiciones de irradiación: tubos verticales en los que se bajan cápsulas con blancos para producir radioisótopos, o se irradian muestras para análisis por activación neutrónica, o se colocan lingotes de silicio de hasta 20 centímetros de diámetro para doparlos. Algunas posiciones son neumáticas, con cápsulas que viajan en segundos por un tubo hasta un laboratorio o una celda caliente para isótopos de vida corta. Otras son lazos de ensayo, en los que un tramo de combustible o de material se somete durante meses al flujo y a las condiciones de presión y temperatura de un reactor de potencia, para calificarlo antes de usarlo.

Los tubos de haz son tubos horizontales, vacíos, que apuntan tangencialmente al reflector y dejan salir neutrones hacia una sala de guías. Antes de salir pasan por una fuente fría, un recipiente de deuterio líquido a unos 25 kelvin que frena los neutrones a longitudes de onda largas, útiles para ver estructuras grandes como polímeros y proteínas, o por una fuente caliente de grafito a 2.000 K que hace lo contrario. Guías de vidrio recubierto los conducen decenas de metros hasta difractómetros, espectrómetros, reflectómetros y equipos de dispersión a bajo ángulo o de imagen. Como no tienen carga y ven los núcleos, los neutrones distinguen el hidrógeno, detectan el magnetismo y atraviesan centímetros de metal: son el complemento de los rayos X.

Cada año se hacen más de 40 millones de procedimientos de medicina nuclear en el mundo, y el 80 % usa tecnecio-99m. El tecnecio-99m tiene una vida media de seis horas, así que no se puede almacenar: se obtiene de su padre, el molibdeno-99, de 66 horas, que se envía a los hospitales en generadores, columnas de alúmina de las que se eluye el tecnecio cada día durante una semana. Y el molibdeno-99 se produce casi todo en media docena de reactores de investigación: blancos de uranio de bajo enriquecimiento se irradian unos seis días en el reflector, se llevan a celdas calientes, se disuelven y se purifica el molibdeno, que sale del predio en pocas horas rumbo a una planta de generadores. Toda la cadena corre contra el reloj de las vidas medias.

BR2 en Bélgica, HFR Petten en los Países Bajos, Maria en Polonia, LVR-15 en Chequia, SAFARI-1 en Sudáfrica, OPAL en Australia y el RA-3 en Argentina son los proveedores principales; OPAL cubre un cuarto de la demanda mundial y el RA-10 apunta a un 20 %. La dependencia de reactores viejos se hizo evidente en 2008 y 2010, cuando paradas simultáneas de Petten y del NRU canadiense dejaron sin tecnecio a hospitales de medio mundo. Además del molibdeno se producen yodo-131 para tiroides, lutecio-177 para terapias dirigidas, iridio-192 para radiografía industrial y braquiterapia, y decenas más. El silicio dopado por transmutación, en el que un átomo de silicio-30 captura un neutrón y decae a fósforo, es el material de la electrónica de alta potencia: OPAL irradió 900 toneladas en veinte años.

Los reactores de investigación operan dentro de ciudades y campus porque su riesgo es de otra escala. El inventario de productos de fisión es cien veces menor que en una central, el calor residual se mide en cientos de kilovatios y no en decenas de megavatios, no hay presión que pueda romper nada ni vapor que pueda expandirse, y el núcleo está bajo diez metros de agua que tarda días en evaporarse. A eso se suman dos sistemas de parada independientes, coeficientes de reactividad negativos y, en los diseños modernos, un edificio de confinamiento con ventilación filtrada. La reglamentación exige lo mismo que a un reactor de potencia, análisis de accidentes incluido, pero los escenarios extremos terminan en un núcleo que sigue cubierto.

El caso extremo de seguridad inherente es el TRIGA. Su combustible mezcla el uranio con hidruro de circonio, de modo que el moderador está dentro del propio elemento combustible. Si la potencia se dispara, el combustible se calienta en milisegundos y el hidrógeno del hidruro, más caliente, devuelve energía a los neutrones en lugar de frenarlos: bajan la probabilidad de fisión y suben las fugas, y la reacción se apaga sola. Es un coeficiente de temperatura negativo e inmediato, tan grande que se lo usa a propósito: se expulsa una barra con aire comprimido, la potencia pasa de kilovatios a miles de megavatios y vuelve a bajar en unas decenas de milisegundos sin que nadie haga nada. Ese pulso es una herramienta experimental y, a la vez, la demostración de que el reactor no puede escaparse.