Un reactor nuclear (o reactor atòmic) és una instal·lació capaç de convertir lenergia nuclear en energia tèrmica. Els reactors tenen la capacitat d'iniciar, controlar i mantenir les reaccions nuclears en cadena que es produeixin al nucli d'aquesta instal·lació.
En una central nuclear comuna, els reactors nuclears s'utilitzen per produir energia tèrmica i generar vapor d'aigua per accionar les turbines de vapor amb què s'obté.
Per què serveix un reactor nuclear?
Un reactor nuclear s'utilitza principalment per generar energia elèctrica mitjançant un procés anomenat fissió nuclear controlada. Les centrals nuclears són les instal·lacions dissenyades per utilitzar els reactors nuclears per a aquest propòsit.
No obstant això, hi ha reactors atòmics per complir altres objectius. Aquí hi ha alguns usos i beneficis dels reactors nuclears:
Generació d'energia elèctrica
Els reactors nuclears són una font contínua denergia elèctrica. La fissió nuclear produeix una gran quantitat de calor, que es fa servir per generar vapor i accionar turbines que, alhora, generen electricitat.
Un dels principals avantatges que proporcionen els reactors atòmics és que poden operar durant llargs períodes sense interrupció. Daquesta manera, poden proporcionar una font denergia base constant per satisfer la demanda elèctrica.
Producció de radioisòtops
Els reactors nuclears també s'utilitzen per a la producció de radioisòtops utilitzats en medicina, investigació i aplicacions industrials.
Alguns radioisòtops tenen propietats úniques que s'utilitzen en diagnòstics i tractaments mèdics, com ara el diagnòstic per imatge i la radioteràpia.
Investigació científica i tecnològica
Els reactors nuclears tenen un paper crucial en la investigació científica i el desenvolupament tecnològic.
Els reactors de recerca s'utilitzen per a:
-
Estudiar la física dels nuclis atòmics.
-
Realitzar investigacions en materials nuclears.
-
Simular condicions extremes.
-
Analitzar la seguretat.
-
Millorar i desenvolupar nous dissenys de reactors.
Parts d'un reactor nuclear
Un reactor nuclear està format pels components següents:
1. Nucli
Està constituït per les barres de combustible. El nucli del reactor té una forma geomètrica característica. El nucli és refrigerat per un fluid, generalment aigua.
En alguns reactors nuclears, el nucli s'ubica a l'interior d'una piscina amb aigua, a uns 10 a 12 metres de profunditat, o bé a l'interior d'un atuell de pressió construït en acer.
2. Barres de combustible
Són el lloc físic on es confina el combustible nuclear. Algunes barres de combustible contenen l'urani barrejat amb alumini sota la forma de làmines planes. Aquestes làmines estan separades per una certa distància que permet la circulació de fluid dissipador de calor.
Les làmines s'ubiquen en una mena de caixa que els serveix de suport.
El combustible nuclear és un material amb capacitat de fissionar-se prou per arribar a la massa crítica. És a dir, per mantenir una reacció nuclear en cadena. Es col·loca de manera que es pugui extreure ràpidament lenergia tèrmica que produeix aquesta reacció nuclear.
A les centrals nuclears s'utilitza combustible nuclear sòlid. Els combustibles nuclears varien depenent del tipus de reactor, però generalment s'utilitzen derivats de l'urani.
L'urani natural s'extreu de les mines d'urani, però no és prou radioactiu per utilitzar-lo directament en un reactor. L'urani natural se sotmet a un procés d'enriquiment per obtenir isòtops més inestables per augmentar el coeficient de reactivitat.
Perquè un reactor nuclear funcioni durant un període de temps ha de tenir un excés de reactivitat, que és màxim amb el combustible fresc i va disminuint amb la vida fins que s'anul·la. En aquest moment es fa la recàrrega del combustible nuclear.
3. Barres de control
Els feixos de barres de control proporcionen un mitjà ràpid per controlar les reaccions en cadena. Aquestes barres permeten fer canvis ràpids de potència del reactor nuclear i la seva parada eventual en cas d'emergència.
Les barres de control estan fabricades amb materials absorbents de neutrons i acostumen a tenir les mateixes dimensions que els elements de combustible.
El coeficient de reactivitat del nucli augmenta o disminueix pujant o baixant les barres de control. En pujar-les o baixar-les, es modifica la presència de material absorbent de neutrons contingut en elles al nucli.
En funcionament normal, un reactor nuclear té les barres de control totalment o parcialment extretes del nucli.
El disseny de les centrals nuclears és tan gran que davant d'una fallada en un sistema de seguretat o de control del reactor, sempre actua en el sentit de seguretat màxima introduint-se totalment totes les barres de control al nucli del reactor.
Aquesta acció porta el reactor nuclear a parada segura en pocs segons.
4. Moderador nuclear
Els neutrons resultants duna reacció de fissió nuclear tenen una elevada energia cinètica. Com més alta sigui la seva velocitat, és menys probable que fisionin altres àtoms de manera que convé reduir aquesta velocitat per incentivar noves reaccions en cadena.
La funció del moderador és reduir l'energia cinètica dels neutrons mitjançant xocs elàstics dels neutrons amb els nuclis del mateix moderador.
Entre els moderadors més utilitzats hi ha l'aigua lleugera, l'aigua pesada i el grafit.
5. Refrigerant
Per poder aprofitar lenergia tèrmica que desprenen les reaccions fissió nuclear sutilitza un refrigerant. La funció del refrigerant és absorbir aquesta energia tèrmica i transportar-la.
El refrigerant ha de ser anticorrosiu, amb gran capacitat calorífica i no ha d'absorbir neutrons.
Els refrigerants més usuals són:
-
Gasos com l'anhídrid carbònic i l'heli
-
Líquids com laigua lleugera i laigua pesada.
-
Fins i tot hi ha alguns compostos orgànics i metalls líquids com el sodi, que també es fan servir per a aquesta funció.
6. Reflector
En una reacció nuclear en cadena, un cert nombre de neutrons tendeix a escapar-se de la regió on aquesta es produeix. Aquesta fuita de neutrons es pot minimitzar amb l‟existència d‟un mitjà reflector que els torni a dirigir dins de la regió de reacció.
El medi reflector que envolta el nucli ha de tenir una baixa secció eficaç de captura per no reduir el nombre de neutrons i que se'n reflecteixin el major nombre possible.
7. Blindatge
Quan el reactor nuclear està en operació, es genera una gran quantitat de radiació . El blindatge s'utilitza per protegir i aïllar els treballadors de la instal·lació de la radioactivitat ocasionada pels productes de fissió.
Per això, es col·loca un blindatge biològic al voltant del reactor per interceptar aquestes emissions radioactives.
Els materials més utilitzats per construir aquest blindatge són el formigó, l'aigua i el plom.
Tipus de reactors
Hi ha diversos tipus de reactors nuclears, alguns dels quals són:
- Reactor d'aigua a pressió (PWR): En un PWR, l'aigua es fa servir com a refrigerant i moderador. L'aigua a alta pressió circula a través del nucli del reactor per transferir la calor produïda per les reaccions nuclears. És el tipus de reactor més comú a les centrals nuclears comercials.
- Reactor d'aigua en ebullició (BWR): En un BWR, l'aigua s'utilitza tant com a refrigerant com a moderador. L'aigua bull al nucli i el vapor generat impulsa les turbines per generar electricitat.
- Reactor d'aigua pesada a pressió (CANDU): En aquests reactors, el moderador és aigua pesada (òxid de deuteri) i el refrigerant és aigua lleugera. Són coneguts per la seva flexibilitat i capacitat per utilitzar urani natural com a combustible.
- Reactor de sals foses (MSR): En un MSR, el combustible nuclear està dissolt en una sal fosa que serveix com a refrigerant. Són coneguts per la seguretat inherent i capacitat per operar a alta temperatura.
- Reactor ràpid refrigerat per metall (LMFR): Aquests reactors utilitzen metalls líquids, com a sodi o plom, com a refrigerants i operen a velocitats de neutrons més ràpides. Són eficients per a la transmutació de deixalles nuclears i la producció de més combustible.
- Reactor de grafit i aigua pesada (HWGCR): Aquest tipus de reactor utilitza grafit com a moderador i aigua pesada com a refrigerant. Són coneguts pel seu ús en la producció de plutoni.
- Reactor de neutrons ràpids (FNR): Els reactors de neutrons ràpids operen amb neutrons ràpids en lloc de moderats. Són eficients en la utilització de combustible i la producció de nous materials nuclears.
