Un reactor nuclear refrigerat per gas és un tipus de reactor nuclear en què el gas, típicament heli o diòxid de carboni, s'utilitza com a refrigerant primari per extreure la calor produïda per la fissió nuclear al nucli del reactor.
A diferència dels reactors refrigerats per aigua, que són més comuns, els reactors refrigerats per gas tenen algunes característiques distintives que els fan atractius en certes aplicacions.
El disseny del GCR es basa en la idea d'utilitzar un gas inert com a refrigerant per transferir la calor des del nucli del reactor a través d'intercanviadors de calor, on es converteix en energia elèctrica o s'utilitza per a altres fins, com ara la generació de vapor en una planta denergia. A més, els reactors GCR sovint utilitzen moderadors de grafit per alentir els neutrons, cosa que permet una fissió més eficient.
En essència, el GCR combina els avantatges de la refrigeració per gas amb la moderació de neutrons mitjançant el grafit per assolir un rendiment òptim.
Funcionament d'un reactor nuclear refrigerat per gas
El funcionament d'un reactor refrigerat per gas es pot dividir en diversos passos clau:
-
Fissió nuclear: Com en altres tipus de reactors nuclears, la fissió nuclear és el procés principal en un GCR. Els nuclis atòmics pesants, com l'urani-235 o el plutoni-239, es divideixen en nuclis més petits quan són bombardejats per neutrons. Aquest procés allibera una gran quantitat denergia en forma de calor.
-
Moderació i control: Els neutrons produïts a la fissió han de ser moderats o alentits per mantenir la reacció en cadena. Als reactors GCR, s'utilitza grafit com a moderador per aconseguir això. A més, els controls de la reacció nuclear, com ara barres de control de neutrons, s'utilitzen per regular la taxa de fissió i garantir que el reactor funcioni de manera segura.
-
Transferència de calor: La calor generada al nucli del reactor es transfereix al gas refrigerant, generalment heli o diòxid de carboni. Aquest gas calent es transporta a través dintercanviadors de calor que estan en contacte amb aigua o un altre fluid secundari. La transferència de calor converteix l'aigua o el fluid secundari a vapor, que després s'utilitza per girar turbines i generar electricitat.
-
Generació delectricitat: Lelectricitat es genera mitjançant un generador acoblat a les turbines impulsades pel vapor produït. A continuació, aquesta electricitat és després transmesa a la xarxa elèctrica i distribuïda als consumidors.
-
Cicle de refrigeració: després de la transferència de calor, el gas refrigerant es refreda i es recicla per tornar al nucli del reactor, on el cicle es repeteix.
Avantatges
Els reactors nuclears refrigerats per gas ofereixen diversos avantatges significatius en comparació amb altres dissenys de reactors, cosa que els fa atractius per a diverses aplicacions:
-
Major eficiència tèrmica: A causa de l'ús d'un gas inert com a refrigerant, els reactors GCR poden funcionar a temperatures més altes en comparació dels reactors refrigerats per aigua, cosa que augmenta l'eficiència tèrmica i la generació d'energia.
-
Major seguretat: Els gasos utilitzats com a refrigerants als GCR no són corrosius ni inflamables, cosa que contribueix a un entorn més segur. A més, sovint els dissenys de reactors GCR inclouen sistemes de seguretat passiva que poden mitigar els efectes d'un accident.
-
Menys residus radioactius: Els reactors GCR solen produir menys residus radioactius d'alta activitat en comparació amb altres dissenys, cosa que en facilita la gestió i l'emmagatzematge a llarg termini.
-
Flexibilitat de combustible: Els reactors refrigerats per gas poden utilitzar una varietat de combustibles nuclears, incloent urani enriquit, urani empobrit i plutoni, cosa que proporciona flexibilitat en el subministrament de combustible.
-
Aplicacions diverses: A més de la generació d'energia elèctrica, aquest tipus de reactors es poden utilitzar en aplicacions industrials, com la producció d'hidrogen o la dessalinització d'aigua.
Inconvenients
Tot i els avantatges esmentats, els reactors nuclears refrigerats per gas també presenten inconvenients i consideracions importants:
-
Costos inicials: La construcció de reactors GCR pot ser costosa pels materials d'alta resistència i la complexitat del disseny.
-
Seguretat operativa: Tot i que els reactors GCR tenen característiques de seguretat inherents, la gestió de les deixalles radioactives i la seguretat operativa continuen sent preocupacions crítiques.
-
Desenvolupament recnològic: Tot i els avenços en el disseny de reactors nuclears refrigerats per gas, encara cal un desenvolupament tecnològic addicional per assolir el seu ple potencial i garantir la seguretat.
Origen i evolució del desenvolupament dels GCR
Segons la classificació establerta per l'Organisme Internacional d'Energia Atòmica de les Nacions Unides (OIEA), aquesta categoria de reactors comprèn els coneguts com a reactors avançats de gas, o AGR (sigles d'Advanced Gas-cooled Reactor en anglès), així com els reactors Magnox (derivat de Magnesium Non-OXidising) de tecnologia britànica.
A la història de l'energia nuclear, també s'esmenta un tipus de reactor GCR d'origen francès, anomenat UNGG (per les sigles en francès, Uranium Naturel Graphite Gaz). No obstant això, aquest últim es considera totalment obsolet, i actualment no hi ha cap central nuclear operativa al món que utilitzi aquest disseny. Els reactors UNGG van representar la primera generació de reactors nuclears a França i van sorgir arran dels esdeveniments de la Segona Guerra Mundial.
Les diferències fonamentals entre els models de reactors avançats de gas (AGR), Magnox i UNGG rauen en el tipus de combustible emprat i el revestiment que envolta les pastilles de combustible. Els reactors Magnox i UNGG, desenvolupats simultàniament, constitueixen els dissenys més antics i comparteixen similituds. Tots dos utilitzen urani natural com a combustible nuclear. La distinció entre ells es troba en el material de revestiment que envolta les pastilles de combustible: els reactors Magnox empren un aliatge de magnesi i alumini, mentre que els reactors UNGG utilitzen un aliatge de magnesi i zirconi.
En contrast, la nova generació de reactors GCR, anomenats ACR (sigles d'Advanced Gas-cooled Reactor, o reactors refrigerats per gas avançat), empren urani enriquit com a combustible. Aquesta diferència en el tipus de combustible és un avenç significatiu a la tecnologia de reactors de gas refrigerats, ja que l'urani enriquit permet un rendiment més eficient en termes de generació d'energia.