Central nuclear de Leibstadt (Suïssa). El reactor es troba dins un mur de contenció semiesfèric.Reactor Maria, aPolònia.
Unreactor nuclear és unamàquina que forma el nucli de producció energètica d'unacentral nuclear i que té la funció de produirenergia calorífica, a base d'alliberar-la del nucli d'àtoms d'urani en ser trencats, i en ser bombardejats ambneutrons. En trencar-se cada nucli en dos fragments de fissió, a més d'alliberar calor també emet neutrons, que dividiran altres nuclis en unareacció en cadena. En un reactor larefrigeració i laseguretat són molt importants.
Unàtom està format per un grannucli central envoltat d'una zona per la qual es desplacen de manera caòtica algunselectrons, que són partícules molt petites. El nucli està format perneutrons iprotons units entre ells. Si trenquem un nucli en dues parts, obtenim dos fragments de fissió, que, amb els electrons que agafi cadascun, seran dos àtoms d'unelement químic diferent a l'àtom inicial trencat. Aquest trencament en, generalment dues o tres parts, s'anomenafissió nuclear.
A les fissions nuclears sovint els àtoms lliuren al medi ambient una mica demassa (neutrons, radiacions alfa o nuclis d'heli, radiacions beta o electrons) i moltaenergia en forma defotons, que corresponia a l'energia d'enllaç entre els nucleons (neutrons i protons del nucli) abans units i que s'han separat al trencament. Per exemple, l'energia alliberada per unafissió d'un àtom d'urani 235 és de 210 MeV i unquilogram d'urani fissionat desprèn 925MW.
Lasecció eficaç d'un nucli atòmic, o probabilitat d'interacció d'un neutró amb el nucli, es mesura en unitats desuperfície, com elsbarns (un barn és igual a 10−24 cm²), i depèn de l'energia cinètica d'aquest neutró. Aquesta és molt major a l'urani 235 (682 barns; de sumar la secció eficaç de captura radioactiva, de 98 barns, als 584 barns de secció eficaç per fissió) que a l'urani 238 (de només 2,7 barns de secció eficaç, a la qual no hi ha component per fissió), i també és major alplutoni 241, que al plutoni 239 i, molt més, que al plutoni 240.
La fissió pot ser espontània (poc probable) o induïda (provocada). Sigui com sigui, a més, si la fissió es fa en certes condicions, almenys una partícula produïda al trencament d'un nucli d'un nucli pesant (o sigui, d'un àtom gran) surt llançada i topa amb un altre nucli d'àtom gran, trencant-lo (o sigui, fissionant-lo) i fent que emeti nous neutrons, que repeteixen successivament el procés. Això s'anomenareacció en cadena, perquè un cop començada s'alimenta ella mateixa. En particular és una fissió en cadena, ja que hi ha altres tipus de reaccions químiques i nuclears que també es poden produir en cadena.
Elcoeficient de multiplicació (k) és el nombre de fissions en un instant dividit en el nombre de fissions a la generació anterior o, cosa que és el mateix, el nombre de neutrons en una generació entre els que hi havia a la generació precedent. Una reacció en cadena ambk inferior a la unitat (reacció subcrítica) tendeix a mitigar-se, unak igual a 1 (reacció crítica) manté constant el nombre de fissions i amb unak major a 1 les fissions van augmentant (reacció supercrítica). En un reactor podem modificar lak per a controlar la reacció en cadena i la calor obtinguda pel percentatge d'urani 235 que posem alcombustible (més enriquit és unak major), per moderadors (augmentadors de k) i absorbents (disminuidors dek). La reacció en cadena també es pot mesurar per lareactivitat, que és igual a (k-1)/k i que val zero quank és igual a 1.
No tots els àtoms tenen la mateixa facilitat per a fissionar-se en cadena, perquè això ocorri cal que el nombre mitjà de neutrons emesos a cada fissió sigui proper a dos i mig, com ocorre en el cas de l'urani (és de 2,42 per l'urani 235 i neutrons d'energia de 0'025eV, ditsneutrons tèrmics).
L'energia cinètica dels neutrons produïts a la fissió és de l'ordre de dos megaelectrovolts. Més del 99 % d'aquests neutrons són immediats (instantanis, ràpids) mentre que la resta, menys de l'1 %, sónretardats, lents o diferits, que apareixen després de la fissió com a conseqüència d'alguns productes de la reacció. Els seus períodes de desintegració estan compresos entre 0'2segons i 55 segons.
Galeta groga d'òxid d'urani concentrat,U₃O₈, usat per a produir el combustible UO₂Una pastilla decombustible nuclearElement de combustible, format per un feix de beines dezircaloy on s'apilen les pastilles
Lescentrals nuclears són instal·lacions deproducció d'electricitat a partir d'energia calorífica proporcionada per habitualment un o dos reactors nuclears. Els reactors d'una mateixa central nuclear funcionen de manera independent entre ells. Cada reactor s'encarrega de produir calor a partir de l'energia obtinguda per reaccions de fissió nuclear en cadena.
La secció eficaç (eix vertical), o probabilitat que l'àtom d'urani fissioni, és alta per a petites velocitats del neutró (i per tant energia cinètica, a la taula, en electró volts) i baixa a grans velocitats.
Perquè es produeixi lafissióen cadena cal que almenys un dels neutrons produïts a la fissió d'un àtom gran, que als reactors nuclears sol ser urani 235, produeixi una altra fissió d'un nucli d'urani i això es repeteixi successivament. La reacció en cadena es pot facilitar si els neutrons incidents (els que xoquen contra els àtoms d'urani) tenen una velocitat no gaire ràpida. Això és perquè a més altavelocitat, mésenergia cinètica tenen, cosa que fa disminuir la secció eficaç de fissió. Per a aconseguir-lo, prop de les pastilles de combustible (l'urani) es posen moderadors dels neutrons de fissió, que disminueixen la seva velocitat per a augmentar el nombre de reaccions i que la cadena no vagi minvant i s'aturi. El procés de moderació consisteix a fer xocar els neutrons amb partícules d'una mida no excessivament diferent a la seva pròpia, per tal que vagin perdent velocitat i energia.
Els reactors nuclears de fissió que fa servir moderador s'anomenenreactors tèrmics i són la majoria dels existents al món actualment. Només n'hi ha un grapat que no usen moderador, estan encara en fase de prototipus i s'anomenenreactors ràpids.
Tant o més important és poder afeblir la cadena de reaccions i fins i tot, si cal, aturar-la completament. Aquesta es controla amb un sistema bàsic que inclou la introducció de més o menys material absorbent de neutrons. Es fan servir elements mòbils d'un material que pren els neutrons del reactor.
L'urani 235 a fissionar sol introduir-se en forma de pastilles dediòxid d'urani (UO₂).[1] En trencar-se, cada àtom d'urani genera dos fragments de fissió que solen ser radioactius, a més de neutrons. Alguns d'aquests neutrons poden reaccionar amb isòtops d'urani i produir isòtops inestables de vida llarga (transurànids), com elplutoni o elneptuni. Altres neutrons poden reaccionar amb altres elements (impureses, moderadors, materials de l'estructura del reactor, etc.) i donar lloc a productes d'activació inestables.
Esquema de funcionament d'un reactor de gas Magnox. El quadre verd representa el mur de contenció. Dins, les barres mòbils en negre són l'absorbent, les vermelles són el combustible i en gris està el moderador. En groc s'observa el circuit primari, al qual una bomba fa circular un fluid refrigerant que extreu la calor obtinguda al reactor i passa per un intercanviador de calor. A l'intercanviador, ja fora del reactor, hi ha moltes petites canonades per on entra aigua freda (en blau), que en passar dins del recinte escalfat pel refrigerant s'escalfa fins a evaporar-se (en vermell) i surt. El refrigerant es refreda quan dona calor al segon circuit, dins de l'intercanviador, i això està marcat pintant-lo d'un groc més clar, llavors torna a entrar al reactor, on és escalfat per la calor de les reaccions nuclears, i surt amb aquesta calor de nou cap l'intercanviador, refredant (extraient calor) així el reactor.
Elvas del reactor és un recipient d'acer que conté una font deneutrons, per poder iniciar lareacció en cadena i elcombustible nuclear, que pot serurani natural ourani enriquit. El vas i tot el reactor es troben dins d'unmur de contenció deformigó, de prou gruix perquè no el puguin travessar els neutrons o altres partícules radioactives a les possibles fugues, i dissenyat de tal manera que, si el reactor explotés, tota l'explosió es mantindria completament a l'interior d'aquesta estructura, sense fugues de cap mena vers l'exterior.
Elmoderador té la funció de reduir lavelocitat dels neutrons emesos en les reaccions defissió nuclear, ja que aquestes, en l'urani, es produeixen en major mesura quan els neutrons incidents, que xoquen contra els àtoms d'urani, tenen baixaenergia cinètica i velocitat. La moderació, o descens de la velocitat, dels neutrons incidents es fa fent-los xocar amb successivament amb materials que tenen àtoms petits, com per exemple d'hidrogen. D'aquesta manera, els neutrons reboten amb ells però amb una velocitat inferior, ja que han transmès velocitat i energia cinètica als àtoms contra els que han xocat. El moderador que se sol utilitzar ésaigua (normal oaigua pesant) o bégrafit. Fa anys que hom experimenta amb reactors sense moderador (elsreactors ràpids) però els resultats obtinguts fins ara són força decebedors.
L'absorbent és un material absorbent de neutrons que s'aplica en forma d'elements mòbils dins dels elements (tubs) de combustible que es poden regular, de manera que hom pot controlar en tot moment quants neutrons vol fer desaparèixer en cada instant i, per tant, quant es vol inhibir lareacció en cadena. És un element molt important, ja que, sense aquest control de les reaccions, aquestes augmentarien de maneraexponencial i el reactor, descontrolat, explotaria combomba nuclear. L'absorbent sol tenir forma de llargues barres que estan formades peraliatges debor,cadmi ihafni,materials que absorbeixen neutrons. Quan les barres estan totalment introduïdes, la reacció nuclear en cadena s'atura per complet. El control de les reaccions se sol fer per mitjà de la temperatura, que és molt fàcil i ràpida de mesurar amb sensors.
Elcombustible sol seròxid d'urani (UO₂). L'urani que conté aquest compost pot ser natural (99,3 % de l'isòtop urani 238 i 0,7 % de l'isòtop urani 235) o bé enriquit, és a dir, amb una proporció més alta d'urani 235, que és el que té majorprobabilitat de serfissionat per neutrons de baixa energia.
Els diferents tipus de reactors nuclears que hi ha a les diferentscentrals nuclears en funcionament avui al món, classificats com ho fa l'Organisme Internacional de l'Energia Atòmica de lesNacions Unides, OIEA, són els següents:
Reactor de gas (GCR, de l'anglèsgas cooled reactor,AGR iMagnox): Són reactors que fan servirgrafit com a moderador dels neutrons idiòxid de carboni en estatgasós com a refrigerant. Els de tipus Magnox usen urani natural com a combustible, mentre que els AGR fan servir urani enriquit.Reactor tèrmic. Era l'usat aVandellòs I.
Reactor ràpid (LBR oLMFBR, de l'anglèsliquid-metal fast-breeder reactor): Es diferencien delsreactors tèrmics en el fet que lafissió nuclear en cadena es fa amb neutrons que no han estat prèviament moderats. Fan servirsodi líquid com a refrigerant. El1997 hi havia quatre a tot el món, en etapa de prototipus, dels quals el més avançat era elMonju, alJapó, però els diversos problemes i accidents que han tingut han frenat notablement el seu desenvolupament.
Maqueta que mostra una secció de l'ITER, que té forma de "donut" o detoroide
ElSol i la resta d'estrelles es poden considerar reactors naturals defusió. Actualment no existeix cap central nuclear que funcioni ambreactor de fusió, ja que aquest encara està en fase derecerca.
El principal inconvenient de construir un reactor de fusió és el seurendiment: es gasta mésenergia en fer elcombustible que l'energia que es produeix, de manera que en comptes d'obtenir energia el que fem és consumir-la. Un altre greu inconvenient és que, segons el criteri de Lawson, es necessita una temperatura d'ignició, o de començament de la reacció de fusió en cadena, molt elevada, de l'ordre de 10.000.000.000 °C i un combustible (heli, per exemple, molt abundant a l'aire) calent en estat deplasma, cosa que fondria qualsevol recipient on el volguéssim tancar. A les estrelles els materials queden "subjectats" per lagravetat, que impedeix que es dissipin. Als reactors s'està investigant de "subjectar" o confinar el combustible en estat deplasma i les seves reaccions nuclears bé per confinamentmagnètic, en sistemes amb formestoroidals, com eltokamak i l'stellerator; bé per confinamentinercial, als quals la ignició ocorre al centre i es propaga vers l'exterior fins que s'acaba el combustible.
Reactor escolar que imita el d'una central nuclearEsquema d'un dessalinitzador d'aigua marina de tipus flash multiestadi.Vaixell trencaglaç
Latecnologia dels reactors nuclears va començar a desenvolupar-se amb finsbèl·lics però a partir delsanys cinquanta es va començar a diversificar per a fins civils, en especial per a la producció d'energia elèctrica.
En els últims anys, pels problemes desostenibilitat que presenten elscombustibles fòssils de lescentrals tèrmiques, i per la independència i benefici que representaria com a solució d'energies renovables; ha anat creixent l'interès pels reactors de fissió primer i després pels de fusió com a mitjà per a obtenir electricitat. L'inconvenient és que la recerca és molt cara, ja que inclou instal·lacions molt costoses i que no aporten resultats immediats, cosa per la qual els projectes tenen caire internacional (com l'ITER) entre diversos països molt rics i tecnològicament molt desenvolupats. Els recursoseconòmics de què es disposen no són tampoc els mateixos que tenen les recerques amb finsmilitars.
Les aplicacions dels reactors nuclears de fissió bàsicament s'engloben en:
Producció decalor, que s'empra directament o per a produir vapor a partir d'aigua i aquest vapor per a treball mecànic (turbina), usat directament o per a produir electricitat amb unalternador (central nuclear), per a produir aigua dolça a partir d'aigua demar (dessalinització), per a produirhidrogen perelectròlisi a alta temperatura, etc.
Producció deplutoni, que es pot usar amb fins militars, com per exemple abombes atòmiques o no, com per exemple el combustibleMOX, fet amb òxids deplutoni (PuO₂) i d'urani empobrit (UO₂) i que es pot usar a alguns reactorsPWR. En aquest darrer cas, en principi el concepte és l'invers, als anys 90 es comencen a crear centrals nuclears que usen com a combustible els residus radioactius d'altres centrals nuclears, que resulten ser el plutoni (al MOX en un 7 % aproximadament) i l'urani "empobrit" (al MOX entorn d'un 93 %) resultant del procés d'enriquiment d'urani.
La construcció de reactors grans sempre acaba necessitant més temps i diners del que s'espera inicialment.[2]
Els reactors nuclears de fusió estan tots encara en fase de recerca i desenvolupament, una de les futures aplicacions més importants que hom espera d'ells és la producció d'electricitat.
Entrevista al professorAntoni Lloret i Orriols dins del programa Àgora, al Canal 33, amb motiu de la polèmica sobre la futura ubicació del cementiri de residus nuclears.
