Como funciona un reactor nuclear

How a nuclear reactor makes electricity

A nuclear reactor produces and controls the release of energy from splitting the atoms of uranium.

Uranium-fuelled nuclear power is a clean and efficient way of boiling water to make steam which drives turbine generators. Except for the reactor itself, a nuclear power station works like most coal or gas-fired power stations.

The Reactor Core

Several hundred fuel assemblies containing thousands of small pellets of ceramic uranium oxide fuel make up the core of a reactor.  For a reactor with an output of 1000 megawatts (MWe), the core would contain about 75 tonnes of enriched uranium.

In the reactor core the U-235 isotope fissions or splits, producing a lot of heat in a continuous process called a chain reaction.  The process depends on the presence of a moderator such as water or graphite, and is fully controlled.

The moderator slows down the neutrons produced by fission of the uranium nuclei so that they go on to produce more fissions.

Nuclear Fission

Two examples of fission of a Uranium-235 atom

Some of the U-238 in the reactor core is turned into plutonium and about half of this is also fissioned similarly, providing about one third of the reactor’s energy output.

The fission products remain in the ceramic fuel and undergo radioactive decay, releasing a bit more heat.  They are the main wastes from the process.

The reactor core sits inside a steel pressure vessel, so that water around it remains liquid even at the operating temperature of over 320°C.  Steam is formed either above the reactor core or in separate pressure vessels, and this drives the turbine to produce electricity.  The steam is then condensed and the water recycled.

PWRs and BWRs

The main design is the pressurised water reactor (PWR) which has water in its primary cooling/heat transfer circuit, and generates steam in a secondary circuit.  The less popular boiling water reactor (BWR) makes steam in the primary circuit above the reactor core, though it is still under considerable pressure.  Both types use water as both coolant and moderator, to slow neutrons.

Nuclear Reactor diagram

Diagram of Pressurised Water Reactor (PWR)

To maintain efficient reactor performance, about one-third or half of the used fuel is removed every year or two, to be replaced with fresh fuel.

The pressure vessel and any steam generators are housed in a massive containment structure with reinforced concrete about 1.2 metres thick. This is to protect neighbours if there is a major problem inside the reactor, and to protect the reactor from external assaults.

Because some heat is generated from radioactive decay even after the reactor is shut down, cooling systems are provided to remove this heat as well as the main operational heat output.

Natural Prehistoric Reactors

The world’s first nuclear reactors operated naturally in a uranium deposit about two billion years ago in what is now Gabon. These were in rich uranium orebodies in the Earth’s crust and moderated by percolating rainwater. (At that time the uranium-235 isotope was more concentrated than it is today.)

Nuclear energy’s contribution to global electricity supply

Nuclear energy supplies some 12% of the world’s electricity. Today 31 countries use nuclear energy to generate up to three quarters of their electricity, and a substantial number of these depend on it for one-quarter to one-third of their supply. Over 15,000 reactor-years of operational experience have been accumulated since the 1950s by the world’s 440 nuclear power reactors (and nuclear reactors powering naval vessels have clocked up a similar amount).

Aero-espacio

El Helicóptero Del Futuro el Sikorsky X2

Históricamente, el vuelo vertical ha requerido cierto compromiso entre el desempeño del vuelo en ascenso y la velocidad a nivel horizontal. Comparados con los aviones los helicópteros son relativamente lentos. Si se analiza la eficiencia contra la velocidad por un lado, los helicópteros son sumamente eficientes en cuanto a vuelo vertical, pueden mantenerse estacionarios por periodos de tiempo prolongados, teniendo alta maniobrabilidad en estas condiciones, sin embargo son lentos comparados con los aviones, además de ser difíciles de controlar en ciertas situaciones, sobre todo a altas velocidades. Por otro lado, diseños de aviones que tienen capacidad de vuelo vertical como el Harrier o el JSF (Joint Strike Fighter) conservan las ventajas de estos como la alta velocidad y maniobrabilidad en esas condiciones, sin embargo sus capacidades de maniobra para vuelo vertical y/o estacionario aun son muy pobres.

Es por esto que la compañía norteamericana Sikorsky, se ha focalizado en el diseño de una aeronave que pueda volar rápidamente sin comprometer los atributos esenciales que hacen a los helicópteros sumamente valiosos en ciertas situaciones. Es por esto que ha desarrollado un proyecto para demostrar tecnologías llamado X2.

El Demostrador de Tecnologías X2 combina una suite integrada de tecnologías que tienen como objetivo conjunto llevar a los helicópteros hasta un nivel que no había alcanzado antes superando sus clásicas limitaciones. Está diseñado para demostrar que un helicóptero tiene la capacidad de volar confortablemente a velocidades de hasta 250 nudos por hora (alrededor de 460 kilómetros por hora), conservando al mismo tiempo todos los atributos deseables en un helicóptero, como gran maniobrabilidad a bajas velocidades, tanto para despegue como aterrizaje, además de capacidad de vuelo estacionario sumamente seguro. Se espera también que el X2 sea capaz de demostrar que un helicóptero puede realizar transiciones sencillas y seguras de bajas a altas velocidades.

El demostrador de tecnologías Sikorsky X2 incorporará nuevas tecnologías con el fin de demostrarlas directamente en un ambiente de vuelo y comprobar su eficiencia. Estas tecnologías incluyen un sistema integrado de vuelo Fly-by-Wire (vuelo por cable) que hasta ahora se ha empleado solamente en los más modernos aviones y que permite al sistema motor/rotor/propulsor el operar más eficientemente, con total control de las revoluciones del motor a través del control del vuelo, palas del rotor con alta resistencia al arrastre, una cabina diseñada de manera que ofrece la menor resistencia al aire posible, un sistema auxiliar de propulsión y un sistema de Control Activo de Vibración.

Como es un diseño de helicóptero coaxial (no cuenta con rotor de cola), cuenta con un segundo rotor incorporado bajo el cuerpo del aparato cuya función es la de eliminar el movimiento angular causado por tener solamente un rotor. En los diseños clásicos de helicópteros esta función es llevada a cabo por el rotor de cola. Esto le permite a helicópteros de diseño coaxial como el X2 alcanzar grandes velocidades con gran eficiencia sin tener que comprometer su habilidad de vuelo vertical. Sikorsky por su parte está muy optimista acerca de la escalabilidad de la tecnología del aparato que según ellos puede ser usada en toda clase de aparatos, desde vehículo UAV hasta helicópteros de transporte pesados de hasta 25 toneladas.

Ambos rotores del X2 cuentan con 4 palas y son alimentadas por un motor LHTEC T800 Turbopropulsado el cual proporciona un alto desempeño en cuanto a poder/peso del aparato y también sirve para alimentar una propela de propulsión de 6 palas ubicada en la parte de atrás del aparato, más específicamente en donde se ubicaría normalmente el rotor de cola. Este cambio revolucionario contribuye también a aumentar significativamente la velocidad del X2, el cual se espera que tenga un alcance máximo de 1.300 kilómetros y un peso de 3.600 kilogramos. Para velocidades superiores a los 210 nudos por hora el X2 cuenta con un sistema automático evita que las palas del motor excedan la velocidad del sonido al rotar, lo cual puede ser peligroso al chocar contra el flujo del aire.

En adición la aeronave será sometida a pruebas en un túnel de viento, con el fin de determinar la interacción aerodinámica entre el propulsor de cola y el rotor con el fin de conocer el rango de ángulos que optimicen el desempeño el vuelo del aparato. Todas estas pruebas permitirán perfeccionar el conjunto de tecnologías probadas en el X2 con el fin de incorporarlas en futuros productos de la compañía, como pueden ser helicópteros militares en los cuales el aumento en maniobrabilidad y velocidad del X2 puede resultar fundamental en los campos de batalla del futuro.

Sikorsky actualmente está cerca de completar el diseño del Demostrador de tecnologías X2, con importantes metas en el horizonte. Para la empresa este proyecto pone mucho en juego y representa gran parte de su visión y de los nuevos productos que pondrá a disposición para sus clientes.

La intención de desarrollar el programa fue anunciada por Sikorsky en junio del 2005 y la única fuente de ingresos proviene de la misma compañía. Actualmente se están desarrollando las pruebas en tierra entre las que se incluyen los antes mencionados experimentos en el túnel de viento. Se espera que el aparato vuele finalmente a finales de este año.