i reactor nuclear | enciclopèdia.cat

OBRES

OBRES

Divulgació científica
Estadístiques
Gran enciclopèdia catalana

reactor nuclear

pila atòmica
substantiu masculím
Física
pila atòmica
A l’esquerra, reactor nuclear regenerador, amb els circuits primari i secundari del caloportador (sodi líquid) i el generador de vapor per a la turbina; a la dreta, parts principals d’una barra i d’un element de combustible per a un reactor d’aigua a pressió (PWR)
© Fototeca.cat
nucleònica nuc
Dispositiu dissenyat per tal de produir, de manera controlada, una reacció nuclear, de fissió o de fusió, amb la finalitat d’aprofitar-ne l’energia o la radiació alliberada.

El reactor nuclear és el component essencial d’una central nuclear. L’escàs desenvolupament actual dels reactors de fusió (fusió nuclear, Join European Torus, tokamak) fa que el terme reactor nuclear sigui aplicat, gairebé exclusivament, als reactors nuclears de fissió.

En aquest cas, el principi físic en què es basa el reactor és el següent: en incidir un neutró, de suficient energia, sobre el nucli d’un element de nombre de massa elevat, aquest nucli es divideix en dues parts, és a dir, es fissiona, i dóna lloc a l’emissió d’una gran quantitat d’energia (uns 200 MeV), així com a la d’un cert nombre de neutrons. Aquests neutrons poden, sota determinades condicions, induir la fissió d’altres nuclis del mateix element i establir una reacció en cadena, que assegura el forniment constant d’energia (la reacció en cadena és assegurada quan almenys un dels neutrons produïts en la fissió indueix una nova fissió). Els núclids més susceptibles d’ésser emprats com a material físsil (és a dir, com a núclids fissionables) són els següents: els núclids naturals urani-235 i urani-238 i els núclids sintètics urani-233 i plutoni-239. Tanmateix, la fissilitat d’aquests núclids depèn de l’energia que tenen els neutrons fissionadors: els núclids. 233U, 235U i 239Pu, poden experimentar la fissió sigui quina vulgui l’energia del neutró incident, bé que la probabilitat de fer-ho creix considerablement a mesura que disminueix l’energia dels neutrons (és a dir, és més gran per a neutrons lents o tèrmics, l’energia dels quals és de l’ordre dels 0,025 MeV, corresponent a una velocitat d’1 km/s); en canvi, el núclid 238U no pot fissionar-se sinó mitjançant neutrons de gran energia (neutrons ràpids, l’energia dels quals és de l’ordre d’1 MeV, corresponent a una velocitat d’uns 10000 km/s).

Vista escorxada d'un reactor nuclear BWR
Així, doncs, hom pot distingir dos tipus bàsics de reactors, atenent a l’energia dels neutrons emprats per a induir la fissió: els reactors de neutrons lents i els reactors de neutrons ràpids. Els reactors de neutrons lents utilitzen com a combustible nuclear l’urani natural o bé urani enriquit. Les menes corrents d'urani, que es presenten generalment en la forma d’òxids d’urani, contenen poc urani. Per tant, el primer que cal fer és concentrar-lo en un procés de purificació, que té sovint per conseqüència la formació d’hexafluorur d’urani. Un enriquiment posterior augmenta la quantitat del núclid físsil, 235U, en front del més abundant, 238U. Atès que la forma metàl·lica de l’urani no té les característiques físiques i químiques adients per a fer-lo directament emprable en un reactor, cal una fabricació del combustible, que consisteix a convertir l’urani en una forma més apropiada (òxids, carburs, aliatges, etc). Un cop emprat el combustible, cal reprocessar-lo i emmagatzemar-ne els residus radioactius (combustible nuclear, residu radioactiu). Els neutrons produïts en la fissió de l’urani-235 són ràpids. Per tal que puguin utilitzar-se per a induir noves fissions i establir, així, la reacció en cadena, cal alentir-los i disminuir-ne, així, l’energia. Així, doncs, aquest tipus de reactor ha d’incloure un moderador, que, generalment, és constituït d’un element lleuger (nombre de massa baix), de manera que la col·lisió dels neutrons amb els seus àtoms garanteixi llur alentiment sense absorció. La moderació dels neutrons n'incrementa l’eficàcia fissionadora. Com a moderador hom empra aigua, aigua pesant o grafit.

El combustible i el moderador són els elements essencials del nucli del reactor; generalment, aquest nucli no és més que un seguit de barres de combustible que penetren en sengles orificis fets en el si d’un moderador. Per tal de fer possible l’establiment i manteniment de la reacció en cadena, cal que les dimensions del nucli siguin prou grans per a minimitzar el nombre de neutrons que no indueixen fissió. Això s’assoleix, d’una banda, cobrint les parets interiors del vas del reactor (que és el recipient que conté el nucli) amb un material reflector, que reflecteixi els neutrons i els torni cap al nucli. D’altra banda, per a cada disseny de reactor hi ha una determinada talla crítica, és a dir, hi ha unes determinades dimensions del nucli per sota de les quals la reacció en cadena no pot produir-se. Un cop engegada la reacció en cadena, cal mantenir-la i controlar-la. Aquest control, que consisteix a evitar que es dispari la reacció o a poder aturar-la quan convingui, s’aconsegueix inserint barra de control en el nucli, la qual cosa permet de modificar a voluntat el factor de multiplicació dels neutrons i, consegüentment, la reactivitat del nucli. Aquestes barres de control són constituïdes per materials que tenen una gran absorbància de neutrons, com ara el cadmi o el bor. L’energia alliberada en el nucli del reactor és extreta mitjançant un fluid, anomenat caloportador. Ultra refredar el nucli, evitant-ne així l’escalfament excessiu, el caloportador transporta l’energia, en forma de calor, fins a un bescanviador de calor, que sovint és un generador de vapor; aquest vapor transporta, al seu torn, l’energia fins a un sistema que la transforma en un altre tipus d’energia.

Cal distingir, doncs, en tot reactor, el circuit primari, que és el circuit recorregut pel caloportador, i el circuit secundari, que és el realitzat pel fluid que transporta l’energia fins al transformador d’energia. Així, per exemple, quan el caloportador és aigua, l’energia alliberada en el nucli del reactor converteix l’aigua en vapor; aquest vapor cedeix la seva energia al fluid del circuit secundari a través del bescanviador de calor, i aquest fluid, generalment també en estat de vapor, fa moure les pales d’un turboalternador, que genera corrent elèctric.

En el cas d’un vaixell de propulsió nuclear, les fases són les mateixes, llevat de la darrera, ja que aquí el vapor del fluid secundari mou les pales d’una turbina propel·lent. En ambdós casos, el conjunt format pel reactor, el circuit primari i el bescanviador de calor és anomenat caldera nuclear. Com a caloportador hom empra el diòxid de carboni (quan el moderador és grafit), l’aigua pesant a pressió (quan el moderador és aigua pesant) o l’aigua ordinària (quan el moderador és aigua).

Finalment, el fet que en el nucli del reactor s’originen radiacions fa imprescindible de prendre mesures de protecció del personal que hi treballa a prop, la qual cosa implica d’incloure les oportunes mesures de blindatge o apantallament, així com tenir en compte que cal reduir al mínim el risc de contaminació radioactiva. Aquest blindatge, realitzat a base d’acer i formigó, es materialitza en el vas (recipient que conté el nucli del reactor), l'edifici de contenció (edifici de formigó que conté el nucli, el circuit primari i el bescanviador de calor) i el buc (recipient metàl·lic que recobreix l’edifici de contenció).

Pel que fa al segon gran tipus de reactors, els reactors de neutrons ràpids, avui presents en petit nombre però que tenen un gran futur, utilitzen com a combustible el 238U i el 239Pu, la qual cosa en fa innecessari el moderador. A més, aquests reactors tenen l’avantatge que regeneren el combustible, per tal com la fissió d’un nucli de 239Pu a més d’emetre energia, emet neutrons que, en ésser capturats pel núclid fèrtil238U, donen lloc a un nou núclid físsil de 239Pu. En condicions adients, es produeixen més núclids de 239Pu que núclids se'n consumeixen, per la qual cosa hom diu que el reactor és un reactor regenerador (o reproductor). L’avantatge d’aquests reactors és que poden usar 238U que a la natura és molt més abundant que no el 235U. El caloportador d’aquests reactors acostuma a ésser el sodi líquid. La resta del funcionament és similar al dels reactors de neutrons lents.

Per a qualsevol tipus de reactor, el rendiment és més gran com més ho és la quantitat de calor que hom pot produir a partir de la unitat de massa del combustible (és a dir, com més gran és la combustió màssica o grau de cremat). La termodinàmica afirma que el màxim rendiment del sistema s’assoleix quan és màxima la temperatura del caloportador. Això ha fet desenvolupar els anomenats reactors d’alta temperatura.

Esquema d'un reactor nuclear GCR: 1, nucli del reactor: grafit i urani natural; 2, pou de barra de control; 3, pou de càrrega de combustible; 4, màquina de càrrega i descàrrega de combustible; 5, generador de vapor; 6, bufador d'anhídrid carbònic; 7, edifici de contenció de formigó pre-tesat
Pel que fa, però, als tipus o famílies habituals de reactors, hom en distingeix diverses segons els criteris escollits per a fer-ne la classificació. El criteri més emprat és el que els classifica segons el caloportador emprat. Així, hom distingeix les següents famílies: els PWR (Pressurized Water Reactor) en què el combustible és urani enriquit, el moderador és aigua i el caloportador és aigua a pressió; els Boiling Water Reactor(Boiling Water Reactor) en què el combustible és urani enriquit, el moderador és aigua i el caloportador és aigua en ebullició; una modificació d’aquest és el LWGR (Light Water Graphite Reactor) en què el moderador és grafit; els GCR (Gas Cooled Reactor) en què el combustible és urani natural, el moderador és grafit i el caloportador és diòxid de carboni; modificacions d’aquest són l'AGR (Advanced Gas Reactor), en què el combustible és urani enriquit, i l'HTGR (High Temperature Gas Reactor), que empra urani enriquit com a combustible i heli com a caloportador; els HWR (Heavy Water Reactor) en què el combustible és urani natural, i el moderador i caloportador és aigua pesant; en són modificacions els PHWR (Pressurized Heavy Water Reactor), en què l’aigua pesant és a pressió, i els BHWR (Boiling Heavy Waster Reactor), en què l’aigua pesant és en ebullició.

El 70% de les centrals nuclears actuals (1987) són dels dos primers tipus (PWR i BWR). Cal esmentar encara els reactors piscina, emprats en recerca nuclear, que consisteixen en una xarxa de barres de combustible submergides en un recipient obert (vas obert), ple d’aigua, la qual fa simultàniament les funcions de moderador, caloportador i blindatge. Finalment, hom anomena reactors homogenis aquells en què combustible i moderador són íntimament units en forma de dissolució i reactors heterogenis aquells en què el combustible és en forma de barres, esferes o plaques introduïdes en el si del moderador.

El primer reactor nuclear fou engegat per E.Fermi i els seus col·laboradors, camuflat, per motius bèl·lics, sota les grades de l’estadi esportiu de la Universitat de Chicago, el 2 de desembre de 1942. Els reactors que funcionen als Països Catalans són els de les seves centrals nuclears.

Col·laboració: 
ACS
Llegir més...