El funcionament d'una central nuclear és semblant al de qualsevol altra central tèrmica. En realitat, una planta nuclear és un tipus de central tèrmica la funció de la qual és generar energia elèctrica.
Hi ha diversos tipus de centrals, però el principi de funcionament és el següent:
-
Generar reaccions nuclears per obtenir energia tèrmica.
-
Genereu vapor d'aigua amb l'energia tèrmica.
-
Accionar una turbina de vapor per obtenir energia mecànica.
-
Accionar un generador elèctric per obtenir electricitat.
Una central nuclear és una instal·lació en què es realitza tot el procés. La diferència més important amb les altres centrals tèrmiques és la manera d'obtenir energia tèrmica. En una planta nuclear, l'obtenció de calor es fa als reactors nuclears.
Obtenció de calor: Què és una reacció nuclear?
Una reacció nuclear és una alteració al nucli d'un àtom.
Els àtoms estan formats per una combinació de subpartícules: els protons i neutrons. Aquestes subpartícules estan unides per uns enllaços de força que tenen una gran quantitat denergia.
Quan es trenquen aquests enllaços es generen els anomenats productes de fissió, que són materials radioactius, i l'emissió d'una considerable quantitat d'energia.
Tipus de centrals nuclears
A nivell mundial, el 90% de les centrals utilitzen reactors d'aigua lleugera. L'aigua lleugera és aigua corrent; en enginyeria nuclear s'anomena així. Entre els reactors d'aigua lleugera se'n distingeixen dos tipus:
-
Reactor nuclear daigua a pressió (PWR).
-
Reactor nuclear daigua en ebullició (BWR).
Entre aquests dos tipus de reactor, el reactor d'aigua a pressió és el més utilitzat al món.
Com funciona una central nuclear d‟aigua a pressió?
El funcionament bàsic d‟una central nuclear amb un reactor d‟aigua a pressió es pot simplificar en 4 passos:
-
Obtenció denergia tèrmica mitjançant la fissió nuclear del nucli dels àtoms del combustible nuclear.
-
Generar vapor d'aigua mitjançant l'energia tèrmica obtinguda al pas anterior.
-
Accioneu un conjunt de turbines mitjançant el vapor d'aigua obtingut.
-
Aprofitar l'energia mecànica de les turbines per accionar un generador elèctric per produir electricitat.
Des d'un punt de vista físic s'observen diversos canvis d'energia:
Inicialment tenim energia nuclear (la que manté els nuclis dels àtoms cohesionats). Posteriorment, en trencar-se es converteix en energia tèrmica que es fa servir per generar vapor.
Lenergia tèrmica passa a ser energia interna de laigua (ara vapor). L'energia interna i l'energia calorífica de l'aigua es transformen en energia cinètica en accionar la turbina.
Finalment el generador converteix l'energia cinètica en energia elèctrica.
Circuits d'aigua
Les centrals nuclears que funcionen amb un reactor d‟aigua a pressió tenen dos circuits d‟aigua:
-
El circuit primari que passa pel reactor.
-
El circuit secundari que passa per les turbines de vapor.
Al circuit primari l'aigua està sotmesa a alta pressió. En passar pel reactor, l'aigua adquireix una temperatura molt elevada i la pressió impedeix que es pugui gasificar.
El circuit secundari també està tancat. L´aigua d´aquest circuit s´escalfa en estar en contacte tèrmic amb el circuit primari per convertir-la en vapor i accionar la turbina.
Finalment es refrigera en estar en contacte tèrmic amb una font daigua externa.
Què passa al reactor nuclear?
El reactor nuclear és la part més sensible i més important de la central.
El reactor és lencarregat de convertir lenergia nuclear en energia tèrmica. Al seu interior es col·loquen les barres de combustible nuclear que generalment són d'urani, un element de la taula periòdica molt inestable.
El simple xoc d'un neutró contra un àtom d'urani provoca el trencament i dóna lloc a una reacció de fissió nuclear. El resultat de cada fissió nuclear són dos fragments de materials radioactius i un o dos neutrons més. Aquests neutrons poden xocar amb àtoms i generar reaccions en cadena.
Si aquestes reaccions no es controlen cada cop es produirien més reaccions per segon. La calor generada seria tan alta que no es podria contenir i el reactor es fondria. Perquè això no passi hi ha les barres de control. Les barres de control tenen la capacitat d'atreure els neutrons.
L'edifici de contenció és l'edifici on hi ha el reactor nuclear i el circuit primari. L'edifici de contenció està dissenyat per contenir possibles explosions i evitar la possible fuita de radiacions nuclears a l'exterior.
Com genera l'electricitat?
Quan el vapor ha accionat la turbina, ha transferit gran part de la seva energia tèrmica a la turbina. La turbina de vapor està connectada a un generador elèctric per transformar el moviment circular en energia elèctrica.
El vapor d'aigua que surt de la turbina ha perdut molta energia calorífica, però continua sent vapor molt calent.
En sortir de la turbina, el vapor es dirigeix a un dipòsit de condensació on està en contacte tèrmic amb canonades d'aigua freda de l'exterior. Quan el vapor d'aigua es torna líquid torna al reactor impulsat per una bomba d'aigua.
Què és el fum que surt de les xemeneies de les centrals nuclears?
El fum blanc que surt de les xemeneies de les plantes nuclears és el vapor d'aigua.
Quan l'aigua freda entra en contacte tèrmic amb el vapor que surt de les turbines s'escalfa ràpidament. A causa de la calor, part daquesta aigua externa es converteix en vapor.
Per això les centrals nuclears sempre estan instal·lades a prop d'una font abundant d'aigua freda (el mar, un riu o un llac).