Un refrigerant en un reactor nuclear és una substància líquida o gasosa que passa a través de el nucli de l'reactor i elimina la calor de la reacció de fissió nuclear.
Les centrals de generació elèctrica que utilitzen energia nuclear per obtenir energia elèctrica generen una gran quantitat d'energia tèrmica. La calor generada cal dissipar-perquè sinó la temperatura de l'reactor pujaria tant que es podria fondre.
En els reactors de potència de doble circuit, el refrigerant de el reactor entra a el generador de vapor que produeix vapor que impulsa les turbines. D'altra banda, en els reactors d'un sol circuit el refrigerant (vapor o gas) pot servir com a fluid de treball de l'cicle de la turbina.
En investigació (per exemple, ciència de materials) i reactors especials (per exemple, en reactors per a l'acumulació d'isòtops radioactius) el refrigerant només refreda el reactor, la calor resultant no s'utilitza.
El refrigerant d'una central nuclear i les barres de control són dos dels sistemes de seguretat més importants d'una central nuclear.
Quins són els requisits de l'refrigerant nuclear?
Un refrigerant nuclear ha de complir amb els següents requisits:
-
Absorció feble de neutrons (en reactors tèrmics) o debilitament d'ells (en reactors ràpids). L'objectiu és reduir l'energia tèrmica però no reduir la potència de l'reactor.
-
Resistència química en condicions d'intensa exposició a la radiació.
-
Baixa corrosivitat pel que fa als materials estructurals amb els quals el refrigerant està en contacte.
-
Alt coeficient de transferència de calor perquè la calor flueixi ràpidament de l'reactor als àtoms de l'refrigerant.
-
Alt calor específica.
-
Baixa pressió de treball a altes temperatures.
Tipus de refrigerants nuclears
Els refrigerants nuclears que s'utilitzen en un reactor varien depenent de el tipus de reactor nuclear:
-
Els reactors de neutrons tèrmics utilitzen aigua (normal i pesada), vapor d'aigua, líquids orgànics, diòxid de carboni com a refrigerant.
-
Els reactors nuclears ràpids utilitzen metalls líquids (principalment sodi) i també gasos (per exemple, vapor d'aigua, heli). Sovint, el líquid serveix com a refrigerant, que també és un moderador de neutrons.
Aigua lleugera
Un dels portadors de calor més comuns és l'aigua. L'aigua natural conté una petita quantitat d'aigua pesada (0,017%), diverses impureses i gasos dissolts. La presència d'impureses i gasos fa que l'aigua sigui químicament activa amb els metalls. Per tant, abans d'usar-lo com a portador de calor, l'aigua es purifica de les impureses per destil·lació i s'eliminen els gasos d'l'aigua.
En el circuit primari de la planta nuclear circula aigua radioactiva. La principal font de radioactivitat de l'aigua són les impureses, l'aparença en l'aigua es deu a la corrosió dels nodes de l'circuit primari i la contaminació tecnològica per substàncies fissionables en la superfície externa dels elements combustibles. La concentració d'impureses radioactives a l'aigua es redueix per filtració.
Avantatges i inconvenients de fer servir aigua lleugera com a refrigerant nuclear
Els desavantatges d'utilitzar aigua com a refrigerant són el baix punt d'ebullició (100 ° C a una pressió d'1 atm) i l'absorció dels neutrons tèrmics. El primer inconvenient s'elimina a l'augmentar la pressió en el circuit primari. L'absorció de neutrons tèrmics per l'aigua es compensa amb l'ús de combustible nuclear basat en urani enriquit.
Aigua pesada
L'aigua pesada en les seves propietats químiques i tèrmiques és una mica diferent de l'aigua ordinària. Pràcticament no absorbeix els neutrons, el que permet utilitzar urani natural com a combustible nuclear en reactors nuclears amb un moderador d'aigua pesada.
No obstant això, l'aigua pesada encara s'usa poc en la construcció de l'reactor a causa del seu alt cost.
Un exemple de reactor que utilitza aigua pesada com a refrigerant és el reactor d'aigua en ebullició (BWR).
Metalls líquids
Dels líquids refrigerants metàl·lics, el sodi és el més desenvolupat.
Aquest refrigerant és químicament actiu amb la majoria dels metalls a una temperatura relativament baixa, i aquesta activitat de sodi es deu a la barreja d'òxids de sodi. Per tant, el sodi es neteja completament dels òxids, després de la qual cosa no reacciona amb molts metalls (Mo, Zr, acer inoxidable, etc.) a 600-900 ° C.
Líquids orgànics
Dels líquids orgànics provats, alguns dels polifenilos, inclosos el difenil i el trifenilo, van resultar ser els més estables en condicions de temperatures elevades i exposició a la radiació.
No obstant això, tot i els avantatges, aquests refrigerants van resultar ser massa inestables a la irradiació de neutrons, per la qual cosa aquests reactors no es van utilitzar industrialment.
Gas
El principal refrigerant de el gas és el diòxid de carboni. És econòmic, caracteritzat per una major densitat i capacitat de calor volumètric en comparació amb altres gasos. L'efecte corrosiu de l'diòxid de carboni en els metalls depèn de el contingut d'oxigen.
El reactor refrigerat per gas (GCR) és el tipus de reactor que utilitza aquest refrigerant nuclear.