El combustible nuclear és el material utilitzat per a la generació d'energia nuclear. Es tracta d'un material susceptible de ser fisionat o fusionat segons si el seu ús és la fissió nuclear o la fusió nuclear.
Ens referim a el combustible nuclear tant al material (urani, plutoni ...) com a el conjunt elaborat amb aquest material nuclear (barres de combustible, composicions de material nuclear i el moderador o qualsevol altra combinació.
El combustible nuclear més utilitzat és l'urani pel fet que és el més idoni en els reactors nuclears de fissió. Actualment tots els reactors nuclears en producció per a la generació d'energia elèctrica són de fissió. A un altre nivell, també s'utilitza el plutoni com a combustible nuclear.
El triti i el deuteri són isòtops lleugers d'hidrogen que s'utilitzen en el procés de fusió nuclear. La fusió nuclear, de moment, no està prou desenvolupada per a poder-la aplicar en centrals nuclears.
¿Perquè es fa servir el combustible nuclear?
Una central nuclear utilitza combustible nuclear per alimentar el reactor.
Els àtoms del combustible nuclear es separen progressivament pel procés de la fissió nuclear. En cadascuna d'aquestes reaccions, el material es transforma en altres elements alliberant energia tèrmica.
Aquesta energia calorífica s'utilitza per obtenir vapor i impulsar una turbina acoblada a un alternador. D'aquesta manera, la central nuclear genera electricitat.
Perquè el reactor funcioni, la massa del combustible nuclear present en el reactor arriba a l'anomenada massa crítica. La massa crítica és la quantitat necessària per iniciar una reacció en cadena que és autosuficient de manera estable.
Configuració de les barres de combustible en un reactor nuclear
El combustible nuclear es col·loca en barres en el reactor. La col·locació en barres es proporciona els següents avantatges:
-
Facilita el transporte
-
Permet alternar el combustible amb el moderador de neutrons i les barres de control.
-
Simplifica l'extracció del combustible a la fi del cicle.
El material fissionable s'ha de col·locar amb una disposició geomètrica que maximitzi l'eficiència de l'efecte en cadena. Aquesta disposició ha de tenir en compte la necessitat de deixar prou espai per inserir el moderador de neutrons.
Durant la fase de disseny d'un reactor nuclear, també cal deixar espai per a les barres de control i els dispositius de diagnòstic.
En teoria, la forma ideal seria l'esfèrica, però, s'usa una forma cilíndrica, obtinguda per la combinació d'un gran nombre de barres.
Cicle del combustible nuclear
El cicle del combustible nuclear és el conjunt de les operacions necessàries per a la fabricació del combustible destinat a les centrals nuclears. Les operacions del cicle també inclouen el posterior tractament del combustible gastat.
En el cas de l'urani, el cicle tancat inclou:
-
La mineria per extreure l'urani natural
-
Producció de concentrats d'urani
-
Obtenció d'urani enriquit (enriquiment d'urani).
-
Fabricació dels elements combustibles
-
L'ús del combustible en el reactor
-
La reelaboració dels elements combustibles irradiats, per recuperar l'urani romanent i el plutoni produït.
Aquestes tasques les pot realitzar una empresa nacional o internacional amb el degut control de qualitat.
Esgotament i substitució del combustible nuclear
A diferència d'el combustible tradicional (per exemple, combustibles fòssils), el consum de combustible en un reactor nuclear és molt lent. Un cop carregat en el reactor, dura generalment durant anys.
D'altra banda, les operacions de recàrrega de combustible són considerablement més complexes.
A diferència del que succeeix amb altres tipus de combustibles, el producte de la reacció (l'anomenada escòria) no es dispersa. Aquests productes romanen principalment dins de les pròpies barres o elements immediatament adjacents.
Amb el temps, les barres de combustible es tornen cada vegada més pobres en material físsil. Quan les barres arriben al punt en què ja no és eficient explotar-les, s'han de reemplaçar.
Depenent de la geometria del reactor, pot succeir que una part del combustible s'esgoti més ràpid que altres parts: en general, la part central s'esgota més ràpid que la part externa. La configuració de la barra és útil en aquest cas perquè permet el reemplaçament només de les parts més esgotades.
Les barres esgotades, així com el material als voltants, s'han tornat altament radioactives causa de la presència de productes de fissió generats per les reaccions, així com a un altre material que pot activar-se durant el procés de captura de neutrons o com a resultat d'altres processos similars.
L'eliminació de barres esgotades és, per tant, la part més complexa del desmantellament de l'escòria del reactor nuclear.