Reactores de Agua Ligera

Los reactores de fisión nuclear que se utilizan en los Estados Unidos para la producción de energía eléctrica, se clasifican como "reactores de agua ligera", en contraste con los "reactores de agua pesada" que se utilizan en Canadá. El agua ligera (agua corriente) se utiliza como el moderador en los reactores de Estados Unidos, así como agente de refrigeración, y el medio por el cual, se extrae el calor para producir vapor, para hacer girar las turbinas de los generadores eléctricos. El uso del agua corriente, necesita que se realice una cierta cantidad de enriquecimiento del combustible de uranio, para que se pueda mantener la criticidad necesaria del reactor.

La fisión de un núcleo de U-235 en una barra de combustible, libera un promedio de 2,4 neutrones rápidos por fisión. Estos neutrones son frenados o "moderados" por el agua entre las barras de combustible, aumentando la sección transversal para la captura de neutrones, y fisionando con un núcleo de U-235 de una barra de combustible adyacente. Las dos variedades de reactores de agua ligera, son los reactores de agua a presión (PWR), y los reactores de agua en ebullición (BWR).

Enriquecimiento del Uranio

El uranio natural es sólo el 0,7% del U-235, el isótopo fisible. El otro 99,3% es U-238 que no es fisible. El uranio es enriquecido por lo general, al 2,5-3,5% de U-235 para su uso en los reactores de agua ligera de Estados Unidos, mientras que los reactores canadienses de agua pesada, suelen utilizar uranio natural. A pesar de la necesidad del enriquecimiento, todavía sólo toma unos 3 kg de uranio natural, para abastecer las necesidades energéticas de América durante un año.

Históricamente, el enriquecimiento del uranio se hace produciendo el compuesto de uranio hexafluoruro, difundiéndolo a través de una vía larga de material poroso (¡hasta kilómetros!), y haciendo uso de la velocidad de difusión ligeramente superior del U-235 mas ligero. Ha habido pruebas de separadores centrífugos, pero los esfuerzos modernos están dirigidos hacia los procedimientos de enriquecimiento por láser.

El combustible de uranio para los reactores de fisión no hacen una bomba. Para las aplicaciones de armas, se necesita un enriquecimiento de más del 90%, para obtener la necesaria reacción en cadena rápida. Un enriquecimiento del 15-30% es típico de los reactores reproductores.

Enriquecimiento por Difusión del Uranio

Para producir el uranio altamente enriquecido U-235, necesario para el desarrollo de las armas nucleares, se construyó durante la Segunda Guerra Mundial en el Oak Ridge, Tennessee, una planta de difusión enorme. Otras dos plantas de enriquecimiento masivo de uranio, fueron construidas en Paducah, KY y Portsmout, OH, después de la guerra. Se produjo el compuesto hexafluoruro de uranio, y se dejó difundir a través de miles de etapas de material poroso, haciendo uso del hecho de que el compuesto un poco mas ligero de U-235, se difunde más rápidamente que el compuesto de U-238. Si bien los reactores de energía eléctrica sólo requieren enriquecimiento del 0,7% al 3% de U-235 en el mineral de uranio natural, las aplicaciones de las armas nucleares, requieren enriquecimiento de más del 90% de U-235. Parte del uranio enriquecido se utiliza para producir plutonio-239, para los dispositivos de plutonio más ampliamente utilizados.

Reactores de Agua Pesada

Los reactores de fisión nuclear utilizados en Canadá, utilizan agua pesada como moderador. Dado que el deuterio en agua pesada, es ligeramente más efectivo en ralentizar los neutrones de las reacciones de fisión, el combustible de uranio no necesita enriquecimiento, y se puede utilizar tal como se extrae. Los reactores de estilo canadienses son llamados comúnmente reactores CANDU.

El agua pesada (D₂O) es un 10% más pesada que el agua ordinaria, y tiene una tasa de moderación de neutrones 80 veces mayor que el agua ordinaria. En enero de 2002, 32 de los 438 reactores nucleares en funcionamiento en todo el mundo eran del tipo CANDU.

Referencias:
Reactores CANDU