Reactor soviético Topaz

El Topaz es un mini reactor nuclear utilizado para proporcionar electricidad a los satélites RORSAT (Satélites militares de reconocimiento naval por radar). De estos satélites se enviaron al espacio 42 unidades, propulsadas por cohetes Soyuz los dos primeros y Tsiklon el resto, entre diciembre de 1965 y marzo de 1988.

El cohete R-36 se diseñó como misil intercontinental en 1967, llegándose a instalar 308 en silos subterráneos durante la Guerra Fría. De este cohete deriva el lanzador Tsiklon (Que se sigue fabricando en Ucrania), del que se lanzó la última unidad en junio de 2006 para poner en órbita el satélite de la armada rusa USPU de 3.150 Kg de peso.

El Topaz es un generador eléctrico termoiónico. En él el combustible nuclear produce calor que se aprovecha para producir el efecto termoiónico. El elemento que contiene el combustible radiactivo es el cátodo caliente que emite electrones. A este elemento le rodea otro cuerpo cilíndrico frío que recoge los electrones, es el ánodo. El espacio comprendido entre el emisor (Cátodo) y el colector (Ánodo) está ocupado por un arco de plasma formado por vapores de cesio. Este arco de plasma ayuda al movimiento de los electrones. El emisor está construido de molibdeno monocristalino (Mo) con un 3% de niobio (Nb), recubierto de una fina capa de tungsteno de una pureza del 95% (W) 194. El colector está fabricado de molibdeno policristalino. El material de que está hecha la capa aislante es óxido de aluminio monocristalino Al2O3.

En el espacio que queda entre la cubierta de acero inoxidable de un elemento TFE y el bloque moderador de hidruro de zirconio se hace circular una mezcla gaseosa al 50% de helio y de dióxido de carbono.

Barra formada por varios elementos termoiónicos conectados en serie, similar a las utilizadas en el reactor TOPAZ - II.

El TOPAZ - II se diseñó para funcionar durante tres años. Produce corriente contínua a 27 voltios y con una potencia máxima de 5,5 Kw. El conjunto completo pesa 1.061 Kg y tiene 3,9 metros de altura. De los 37 elementos termoiónicos (TFE) 3 se utilizan para alimentar la bomba electromagnética que mueve el fluido refrigerante. Como fluido refrigerante se utiliza la aleación NaK (78% de K y 22% de Na), que ha de trabajar a 600 ºC, con un caudal de 1,3 Kg/segundo, circulando por tuberías de acero inoxidable.

Reactor TOPAZ - I.

El reactor del TOPAZ - II trabaja con 27 Kg de óxido de uranio UO2 de una riqueza del 96% y en forma de pellets. Para mantener la reacción en cadena se utilizan neutrones epitermales de baja energía. El núcleo del reactor tiene unas dimensiones de 37 x 26 centímetros y el reactor completo de 92 x 40 centímetros.

El reactor dispone de 1 Kg de cesio, del que se consumen 0,5 gramos diariamente. El radiador está formado por 78 elementos con una superficie total de 7,2 metros cuadrados. Cada elemento está formado por una lámina de cobre recubierta con un esmalte negro.

Esquema de la instalación completa del TOPAZ - II.

En el TOPAZ II la protección exterior frente a los neutrones se consigue con hidruro de litio LiH. Para la protección de los rayos gamma se utiliza acero inoxidable.

Sección de un reactor TOPAZ - II.

En el croquis anterior el revestimiento del vaso del reactor y de las barras de control y de seguridad es de acero inoxidable, que está indicado como SS (Stainless Steel).

Las células TFE están insertadas en un nucleo de hidruro de zirconio ZrH (1,85). Este material actua de moderador de neutrones para reducir la velocidad de los mismos, de forma que sean útiles para continuar la reacción en cadena. Las barras de control y de seguridad han de mantener la velocidad de la reacción nuclear a un ritmo aceptable. Tanto las barras de control como las de seguridad están formadas por un núcleo de berilio (Be) con un sector de 120º de B4C/SiC dentro de una vaina de acero inoxidable. Girando las barras de control, y las de seguridad, se puede conseguir que los neutrones choquen contra la zona ocupada por el carburo de boro, sean absorbidos por este y, por tanto, la reacción nuclear vaya más lenta. En sentido contrario, si se hace que los neutrones incidan sobre el nucleo de berilio, no sólo no serán aborsorbidos, sinó que las partículas alfa que lleguen hasta allí producirán más neutrones que acelerarán la reacción nuclear.

El zirconio es un metal duro, resistente a la corrosión, similar al acero. En gran medida (Un 90% del total consumido) se utiliza como recubrimiento en reactores nucleares.

El berilio (Be) tiene uno de los puntos de fusión más altos entre los metales ligeros y al igual que el radio y el polonio, libera neutrones cuando es bombardeado con partículas alfa.

El carburo de boro B4C absorbe neutrones. El carburo de silicio, o carborundo, también se utiliza en el recubrimiento de algunos combustibles radiactivos.

NaK es una aleación de sodio (Na) y potasio (K) que puede presentarse en estado líquido a temperatura ambiente.

En 1978 cayó sobre Canadá un satélite RORSAT (Cosmos 954), esparciendo los restos radiactivos de su reactor TOPAZ sobre una superficie de 124.000 quilómetros cuadrados.

La URSS vendió dos reactores TOPAZ - II a Estados Unidos en 1992 por un valor de 13 millones de dólares. Estos reactores, que no incluían el combustible nuclear, fueron analizados y estudiados en los centros de investigación americanos.