Campaña de un reactor nuclear - el tiempo de operación del reactor con la misma carga de combustible nuclear .
Cuando se agota todo el margen de reactividad del reactor, es decir, cuando las varillas compensadoras han tomado su posición límite final, la reacción en cadena se detiene por sí sola. Puede reanudarse sólo después de la sustitución del uranio en el núcleo . Por supuesto, es deseable tener una campaña de reactores de potencia lo más grande posible, ya que la energía recibida es más barata cuanto más se produce con una carga de uranio. Sin embargo, la duración de la campaña está limitada por algún valor mínimo de la masa crítica. Parte del material fisionable que constituye esta masa crítica al final de la campaña, debido a la terminación de la reacción en cadena, no sufre fisión, se descarga del reactor y puede utilizarse posteriormente solo después de un procesamiento adecuado del uranio, si dicho procesamiento está justificado.
Los reactores de uranio natural tienen un margen de reactividad inicial bajo y sus campañas suelen estar definidas por este margen. En los reactores de uranio enriquecido , el margen de reactividad puede aumentar. Sin embargo, existe una limitación en la duración de la campaña del reactor asociada a la reacción del material de los elementos combustibles a la acumulación de productos de fisión. Como resultado de la fisión nuclear, en lugar de un átomo, se forman dos nuevos, cuyo volumen total es aproximadamente 2 veces mayor que el volumen del átomo dividido (porque todos los átomos tienen aproximadamente el mismo volumen). Los nuevos átomos resultantes no pueden caber en los nodos de la red cristalina de uranio y se colocan en la red arbitrariamente. Teniendo en cuenta que una parte significativa de los productos de fisión son gases , la acumulación de productos de fisión va acompañada de la aparición de sobretensiones internas en el material y un aumento de la presión del gas, lo que conduce a la formación de grietas, hinchamiento y deformación de los elementos combustibles. La vida útil del equipo principal del reactor es mucho más larga que la del combustible nuclear, y los elementos combustibles gastados deben descargarse del núcleo, pero la descarga se vuelve imposible si se deforman. Además, para las barras de combustible dañadas, se viola la estanqueidad del revestimiento y los gases radiactivos penetran en el refrigerante . Todo esto significa que la vida útil de los bloques de uranio en un reactor nuclear debe estar determinada por su resistencia a los efectos destructivos de la acumulación de productos de fisión. En consecuencia, el funcionamiento del reactor está limitado principalmente por la durabilidad indicada de los bloques de combustible, y el margen de reactividad inicial debe ser tal que se agote por completo al final de la vida útil de los bloques de uranio en el reactor. De lo contrario, al final de la campaña, se descargará del reactor una cantidad excesiva de material fisionable no utilizado, lo que no es rentable.
La acumulación de productos de fisión se caracteriza por su cantidad en gramos por tonelada de uranio. Sin embargo, la medición directa de la masa de los productos de fisión es extremadamente difícil. Por otro lado, siempre se conoce la cantidad total de energía liberada en el núcleo del reactor durante la fisión. Dado que la fisión de 1 g de uranio va acompañada de la liberación de alrededor de 1 MW día de energía térmica y la formación de alrededor de 1 g de productos de fisión, el número de megavatios-día de energía térmica generada es aproximadamente igual al número de gramos de productos de fisión. También se conoce la masa total de uranio cargada en el reactor. Por lo tanto, la cantidad de productos de fisión acumulados se expresa en unidades de MW día/t - el número de megavatios día por tonelada de uranio.
Cada material se caracteriza por su propio límite en la acumulación de productos de fisión: la profundidad permisible de quemado de átomos fisionables. La profundidad de quemado del uranio metálico es de 3000 a 3500 MW día/t, pero para sus compuestos puede ser mucho mayor. Por ejemplo, el óxido de uranio es una sustancia porosa y, por lo tanto, capaz de acumular muchos más productos de fisión que el uranio metálico sin distorsiones visibles en la forma del elemento combustible - hasta 20 000 MW día/t, y posiblemente más - hasta 100 000 MW día/ t. Una tonelada de uranio natural contiene alrededor de 7 kg de 235 U. La profundidad de quemado de 3500 MW día/t corresponde a la fisión de 3,5 kg de átomos. Sin embargo, no todos los productos de fisión provienen de 235 U, porque en el reactor se acumula 239 Pu , que también participa en la fisión. Por tanto, parte de los productos de fisión se obtienen a partir del plutonio, y se consumen 235 U menos de los que se obtienen. Cuanto mayor sea la profundidad de quemado permitida, mayor será la duración de la campaña del reactor y más económica será una central nuclear con un combustible determinado. Sin embargo, las grandes profundidades de quemado sugieren uranio enriquecido, que es mucho más caro que el uranio natural. La masa crítica mínima al final de la campaña es menor si el combustible es uranio metálico, y no sus compuestos, por ejemplo, con oxígeno. Por tanto, la eficiencia de utilizar uno u otro tipo de combustible nuclear viene determinada por muchos factores.