Un reactor d'aigua en ebullició (BWR, per les sigles en anglès boiling water reactor ) és un tipus de reactor nuclear àmpliament utilitzat a les centrals nuclears del món, sent el segon més comú després del reactor d'aigua a pressió (PWR). Representa aproximadament el 22% dels reactors instal·lats en plantes nuclears globals.
Dissenyat principalment per a la generació d'electricitat, el BWR empra aigua lleugera tant com a moderador de neutrons com a refrigerant del nucli. Una de les particularitats és que opera amb un únic circuit d'aigua, en contrast amb els reactors PWR, que requereixen circuits primaris i secundaris separats.
A més, en treballar a menors pressions, el BWR no necessita una carcassa tan robusta com la dels PWR, cosa que simplifica alguns aspectes del seu disseny. No obstant això, a diferència del PWR, el BWR no compta amb un generador de vapor, cosa que influeix en la seva configuració i funcionament.
Esquema del funcionament d'un reactor d'aigua en ebullició
La potència del reactor d'aigua en ebullició es genera al nucli del reactor. Al nucli del reactor genera reaccions de fissió nuclear de l'element combustible per obtenir energia tèrmica.
La potència del reactor es regula introduint o traient les barres de control del nucli, on es produeixen les reaccions nuclears en cadena.
Al reactor BWR, l'aigua que s'utilitza és aigua lleugera (aigua corrent). Aquest tipus de reactor nuclear utilitza un únic circuit de refrigeració. L´aigua lleugera circula pel nucli on capta la calor de les reaccions nuclears fins que arriba a la temperatura d´ebullició i es genera vapor.
El vapor generat al nucli del reactor surt per la part superior. En aquest punt, uns assecadors de vapor i separadors d‟aigua tracten el vapor que surt del reactor. Tot seguit, es dirigeix directament a les turbines.
Les turbines seran les encarregades de fer funcionar el generador elèctric i generar electricitat.
Finalment, el vapor passa per un condensador per convertir-lo en aigua líquida un altre cop i tornar a començar el cicle.
El reactor d‟aigua en ebullició utilitza un sol circuit de refrigeració, de manera que el vapor que mou la turbina està format per aigua que ha passat per l‟interior del reactor. Per aquest motiu, l'edifici de turbines ha d'estar protegit per evitar emissions radioactives.
Característiques principals d'un reactor (BWR)
Generació directa de vapor
A diferència d'altres tipus de reactors, com el reactor d'aigua a pressió (PWR), al BWR l'aigua s'escalfa directament dins el nucli del reactor fins a assolir el punt d'ebullició. Això vol dir que el vapor que impulsa les turbines per generar electricitat prové directament de l'interior del reactor.
Aquest disseny elimina la necessitat dun circuit secundari, simplificant la transferència de calor.
Ús de l'aigua com a refrigerant i moderador
El reactor utilitza aigua lleugera (H₂O) per a dues funcions essencials:
- Refrigerant: Absorbeix la calor generada durant la fissió nuclear.
- Moderador: Redueix la velocitat dels neutrons, permetent que aquests siguin més efectius per provocar noves fissions.
Això assegura que la reacció en cadena sigui sostenible i controlada.
Pressió d'operació relativament baixa
L'aigua bull dins del reactor a una pressió més petita que en altres reactors com el PWR. Això es tradueix en condicions operatives més segures i menys exigències en termes de materials de construcció.
Interacció directa del vapor amb les turbines
El vapor generat al nucli viatja per un circuit directament fins a les turbines. Allí, la seva energia cinètica es transforma en energia mecànica i, posteriorment, en energia elèctrica mitjançant un generador.
Com que no hi ha un intercanvi intermedi de calor, el sistema té menys pèrdues energètiques.
Sistema de control de potència
La potència del reactor es regula mitjançant:
- El moviment de les barres de control, que absorbeixen neutrons per disminuir la reacció en cadena.
- L'ajust del flux d'aigua que passa pel nucli, cosa que afecta la quantitat de vapor produït.
- Aquest sistema permet una regulació ràpida i precisa de lenergia generada.
Contaminació radioactiva al circuit primari
Com que el vapor prové directament del nucli del reactor, pot contenir petites quantitats de material radioactiu. Per això, tot el circuit que transporta el vapor ha d'estar acuradament blindat i monitoritzat.
Disseny de seguretat avançat
Encara que els BWR són més senzills en disseny que altres reactors, inclouen múltiples sistemes de seguretat, com ara sistemes de refredament d'emergència, contenció primària i secundària per evitar l'alliberament de materials radioactius.
Avantatges i desavantatges del reactor d'aigua en ebullició
En comparació amb altres tipus de ractors de potència, els BWR tenen els punts forts i febles següents:
Avantatges
- El combustible nuclear utilitzat pel reactor nuclear són òxids d'urani enriquit entre el 2 i el 4%.
- El reactor dʻaigua en ebullició no utilitza generadors de vapor ni compensadors de pressió.
- El primer circuit del reactor funciona a una pressió de 70 atmosferes contra 160 atmosferes que fan servir els reactors PWR (reactor d'aigua a pressió).
- Requereix temperatures de funcionament més baixes, fins i tot a les barres de combustible.
- A causa del rebuig de l'absorció de neutrons al bor ia una moderació dels neutrons lleugerament més feble (a causa del vapor), el temps d'operació del plutoni en un reactor d'aquest tipus serà més gran que al PWR.
- El recipient de pressió està sotmès a menys irradiació que en un reactor d'aigua a pressió. Per això, no es torna tan fràgil amb l'edat.
Desavantatges
- Impossibilitat de recarregar combustible nuclear sense parar el reactor nuclear.
- Gestió més complicada.
- Les barres de control s'han d'introduir des de baix. En cas d'una pèrdua de potència, no podrien caure dins del reactor per gravetat i el reactor no s'aturaria.
- Necessitat d'un nombre més gran de sensors de realimentació.
- Es necessita un atuell de reactor d'aproximadament 2 vegades més en volum que el d'un PWR de potència comparable.
- Tot i que està dissenyat per a una menor pressió, és més difícil de fabricar i transportar.
- Contaminació de la turbina amb productes d'activació d'aigua: N-17 de curta vida i traces de triti. Això complica força la feina de manteniment.
- Un cop les barres de control han entrat completament, la reacció es para. Tot i això, el combustible nuclear segueix emetent calor. Això vol dir que un cop aturat el reactor, cal seguir bombant refrigerant durant d'un a tres anys perquè sigui segur.
Exemples destacats
Alguns exemples destacats de reactors nuclears d'aigua en ebullició (BWR) inclouen:
1. Central Nuclear de Fukushima Daiichi (Japó)
La planta de Fukushima Daiichi, tristament cèlebre per l'accident nuclear del 2011, utilitzava reactors BWR dissenyats per General Electric. Era una de les instal·lacions nuclears més importants del Japó abans del desastre, amb sis reactors BWR en operació.
Aquesta central tenia sis reactors BWR operatius: la potència del reactor era de 460 MW, mentre que la potència mitjana dels reactors 2-6 estava entre 784 i 1.100 MW.
2. Central Nuclear de Browns Ferry (Estats Units)
Ubicada a Alabama, aquesta central és una de les plantes nuclears més grans del món en capacitat de generació i opera tres reactors BWR. Aquests reactors també van ser construïts per General Electric.
Aquesta central disposa de 3 reactors:
- Reactor 1: 1.065 MW, operant des del 1974.
- Reactor 2: 1.113 MW, operant des del 1975.
- Reactor 3: 1.113 MW, operant des del 1977
3. Central Nuclear d'Oskarshamn (Suècia)
La central d'Oskarshamn acull un dels reactors BWR més grans del món en termes de capacitat de generació, dissenyat per subministrar energia a Suècia i els seus voltants
4. Central Nuclear de Llacuna Verda (Mèxic)
És l'única planta nuclear de Mèxic, ubicada a l'estat de Veracruz, i opera dos reactors BWR.
5. Central Nuclear de Kashiwazaki-Kariwa (Japó)
Considerada una de les plantes nuclears més grans del món, Kashiwazaki-Kariwa compta amb set reactors, dels quals alguns són de tipus BWR i altres són ABWR (reactors avançats d'aigua en ebullició).