Reactor nuclear

Reactor nuclear

Un reactor nuclear és una instal·lació capaç d'iniciar, controlar i mantenir les reaccions nuclears (generalment de fissió nuclear) en cadena que es produeixin en el nucli d'aquesta instal·lació nuclear.

La composició del reactor nuclear està formada pel combustible nuclear, el refrigerant, els elements de control, els materials estructurals i, en el cas que es tracti d'un reactor nuclear tèrmic, el moderador.

Els reactors nuclears es poden classificar com a reactors tèrmics i reactors ràpids.

Els reactors tèrmics són aquells que funcionen retardant (moderant) els neutrons més ràpids o incrementant la proporció d'àtoms fisibles. Per alentir aquests neutrons, anomenats neutrons lents, es requereix un moderador que pot ser aigua lleugera, aigua pesada o grafit.

Els reactors ràpids són els que no necessiten moderar la velocitat dels electrons i utilitzen neutrons ràpids.

Per construir un reactor nuclear és necessari disposar del combustible nuclear suficient, que anomenem massa crítica. Tenir suficient massa crítica significa disposar de suficient material fissible en òptimes condicions per mantenir una reacció en cadena.

La disposició d'absorbents de neutrons i de les barres de control permet controlar la reacció en cadena i la parada i posada en funcionament del reactor nuclear.

Reactor d'energia nuclear

Al nucli del reactor es produeix i manté la reacció nuclear en cadena amb l'objectiu d'escalfar l'aigua que s'utilitzarà per accionar les turbines de la central nuclear.

El primer reactor nuclear de la història de l'energia nuclear va ser dissenyat i posat en marxa pel premi Nobel de Física Enrico Fermi sota les grades del camp de rugbi de la Universitat de Chicago el 2 de desembre de 1942. Era de només mig Watt de potència però va servir per demostrar que un reactor nuclear era tècnicament possible. Va ser usat com a instal·lació pilot dels reactors dissenyats per fabricar plutoni per a la bomba atòmica del Projecte Manhattan de la Segona Guerra Mundial.

Components del nucli del reactor nuclear

Un reactor nuclear està format pels següents components:

Combustible nuclear

Combustible nuclear. Pastilles d'urani El combustible nuclear és un material amb capacitat de fisionarse prou com 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 l'energia tèrmica que produeix aquesta reacció nuclear encadenada.

A les centrals nuclears s'utilitza combustible nuclear sòlid. Els combustibles nuclears varien segons el tipus de reactor però generalment s'utilitzen derivats de l'urani.

En general, un element de combustible està constituït per una disposició quadrangular de les varetes del combustible. Tot i que el reactor nuclear rus d'aigua a pressió VVER està constituït per una disposició hexagonal.

Els tubs guia es subjecten a les reixetes de suport de combustible nuclear, d'aquesta manera s'aconsegueix mantenir els centres de les varetes de combustible i els tubs guia a la mateixa distància.

El disseny mecànic dels diferents elements del combustible és idèntic. Alguns contenen feixos de barres de control i altres contenen verins consumibles o fonts neutrónicas.

Barres de combustible nuclear

Barres de combustible nuclear

Són el lloc físic on es confina el combustible nuclear. Algunes barres de combustible contenen l'Urani barrejat en Alumini sota la forma de làmines planes separades per una certa distància que permet la circulació de fluid per dissipar la calor generada.

Les làmines es situen en una mena de caixa que els serveix de suport.

Nucli del reactor

Està constituït per les barres de combustible. El nucli posseeix una forma geomètrica que li és característica, refrigerat per un fluid, generalment aigua.

En alguns reactors el nucli es situa a l'interior d'una piscina amb aigua, a uns 10 a 12 metres de profunditat, o bé a l'interior d'un vas de pressió construïda en acer.

Barres de control

Els feixos de barres de control proporcionen un mitjà ràpid per controlar la reacció nuclear en cadena. Permeten realitzar canvis ràpids de potència del reactor i la seva parada eventual en cas d'emergència. Estan fabricats amb materials absorbents de neutrons (carbur de bor o aliatges de plata, indi i cadmi, entre d'altres) i solen tenir les mateixes dimensions que els elements de combustible. La reactivitat del nucli augmenta o disminueix pujant o baixant les barres de control, és a dir, modificant la presència de material absorbent de neutrons contingut entre elles en el nucli.

Perquè un reactor 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 del mateix fins que s'anul·la, moment en què es fa la recàrrega del combustible.

Nucli del reactor d'energia nuclear

En funcionament normal, un reactor nuclear té les barres de control total o parcialment extretes del nucli, però el disseny de les centrals nuclears és tal que davant una fallada en un sistema de seguretat o de control del reactor, sempre actua en el sentit de seguretat de reactor introduint totalment totes les barres de control en el nucli del reactor i portant el reactor a parada segura en pocs segons.

Moderador

Els neutrons resultants d'una reacció de fissió nuclear tenen una elevada energia cinètica (adquireixen molta velocitat). 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. Això s'aconsegueix mitjançant xocs elàstics dels neutrons amb els nuclis de l'element que fa de moderador.

Entre els moderadors més utilitzats hi ha l'aigua lleugera, l'aigua pesada i el grafit.

Refrigerant

Per poder aprofitar l'energia tèrmica que desprenen les reaccions fissió nuclear s'utilitza un refrigerant. La funció del refrigerant és absorbir aquesta energia tèrmica i transportar-la. El refrigerant ha de ser anticorrosiu, amb una gran capacitat calorífica i no ha d'absorbir neutrons.

Els refrigerants més usuals són gasos, com l'anhídrid carbònic i l'heli, i líquids com l'aigua lleugera i l'aigua pesada. Fins i tot hi ha alguns compostos orgànics i metalls líquids com el sodi, que també s'utilitzin per a aquesta funció.

Reflector

En una reacció nuclear en cadena, una certa nombre de neutrons tendeix a escapar de la regió on aquesta es produeix. Aquesta fugida de neutrons pot minimitzar amb l'existència d'un mitjà reflector que els torni a dirigir dins de la regió de reacció. D'aquesta manera s'aconsegueix augmentar l'eficiència del reactor nuclear. El medi reflector que envolta al nucli ha de tenir una baixa secció eficaç de captura per no reduir el nombre de neutrons i que reflecteixin el major nombre possible d'ells.

L'elecció del material depèn del tipus de reactor nuclear. Si tenim un reactor tèrmic, el reflector pot ser el moderador, però si tenim un reactor ràpid el material reflectiu ha de tenir una massa atòmica gran perquè els neutrons es reflecteixin en el nucli amb la seva velocitat original (dispersió in-elàstica).

Blindatge

Quan el reactor està en operació, es genera gran quantitat de radiació. És necessària una protecció per aïllar els treballadors de la instal·lació de les radiacions ocasionades pels productes de la fissió nuclear.

Per això, es col·loca un blindatge biològic al voltant del reactor per interceptar aquestes emissions.

Els materials més usats per construir aquest blindatge són el formigó, l'aigua i el plom.

Usos dels reactors nuclears

La tecnologia dels reactors nuclears va començar a desenvolupar-se amb fins bèl·liques però a partir dels anys cinquanta es va començar a diversificar per a fins civils, especialment per a la producció d'energia elèctrica.

En els últims anys, pels problemes de sostenibilitat que presenten els combustibles fòssils de les centrals tèrmiques, i per la independència que representaria que fa a les energies renovables com l'energia solar; ha anat creixent l'interès pels reactors de fissió nuclear primer i després pels de fusió nuclear com a mitjà per obtenir energia elèctrica. L'inconvenient és que la investigació en el camp de la fusió nuclear és molt cara, ja que inclou instal·lacions molt costoses i que no aporten resultats immediats, de manera que els projectes tenen caràcter internacional (com el projecte ITER) entre diversos països molt rics i tecnològicament molt desenvolupats. Els recursos econòmics de què es disposen no són tampoc els mateixos que tenen les investigacions amb finalitats militars.

Les aplicacions dels reactors nuclears de fissió bàsicament s'engloben en:

  • Producció de calor (energia tèrmica), que s'empra directament o per produir vapor a partir d'aigua. El vapor d'aigua generat s'utilitza per obtenir treball mecànic (turbina), per produir aigua dolça a partir d'aigua de mar (dessalinització), per produir hidrogen per electròlisi a alta temperatura, etc. El treball mecànic pot ser usat directament o per produir energia elèctrica amb un alternador (central nuclear),
  • Propulsió naval d'embarcacions trencaglaç, submarins nuclears, portaavions militars, etc. Actualment s'està investigant per a usar-los també per a la propulsió de coets.
  • Producció de plutoni, que es pot usar amb fins militars, com per exemple en bombes atòmiques o no, com ara el combustible MOX, fet amb òxids de plutoni i d'urani empobrit i que es pot usar en alguns reactors PWR. En aquest últim cas, en principi el concepte és l'invers, als anys 90 es comencen a crear centrals nuclears que usen com a combustible nuclear dels residus nuclears radioactius d'altres centrals nuclears, que resulten ser el plutoni (el MOX en un 7% aproximadament ) i l'urani "empobrit" (el MOX al voltant d'un 93%) resultant del procés d'enriquiment d'urani.
  • Producció d'isòtops radioactius, utilitzats en construcció (americi dels detectors de fum), en medicina (Cobalt-60), en investigació, etc.
  • Producció de neutrons lliures que s'utilitzen en la investigació i en medicina.
  • Producció de bombes de neutrons, usades amb fins militars.

La construcció de reactors grans sempre acaba necessitant més temps i diners del que s'espera inicialment.

Els reactors nuclears de fusió estan tots encara en fase d'investigació i desenvolupament, una de les futures aplicacions més importants que s'espera d'ells és la producció d'electricitat.

reactor nuclear de fusió

valoración: 3.1 - votos 7

Referències

Última revisió: 3 de setembre de 2015