El dispositiu i el principi de funcionament d'un reactor nuclear es basen en la inicialització i el control d'una reacció nuclear autosostenible. S'utilitza com a eina de recerca, per a la producció d'isòtops radioactius i com a font d'energia per a centrals nuclears.
Reactor nuclear: com funciona (breument)
Aquí s'utilitza el procés de fissió nuclear, en què un nucli pesat es trenca en dos fragments més petits. Aquests fragments es troben en un estat molt excitat i emeten neutrons, altres partícules subatòmiques i fotons. Els neutrons poden provocar noves fissions, com a conseqüència de les quals s'emeten més neutrons, etc. Aquesta sèrie contínua autosostenible de divisions s'anomena reacció en cadena. Al mateix temps, s'allibera una gran quantitat d'energia, la producció de la qual és la finalitat d'utilitzar centrals nuclears.
El principi de funcionament d'un reactor nuclear i d'una central nuclear és tal que aproximadament el 85% de l'energia de fissió s'allibera en un període de temps molt curt després de l'inici de la reacció. La resta es produeix ael resultat de la desintegració radioactiva dels productes de fissió després d'haver emès neutrons. La desintegració radioactiva és el procés pel qual un àtom arriba a un estat més estable. Continua fins i tot després de completar la divisió.
En una bomba atòmica, la reacció en cadena augmenta d'intensitat fins que la major part del material es divideix. Això passa molt ràpidament, produint les explosions extremadament poderoses característiques d'aquestes bombes. El dispositiu i el principi de funcionament d'un reactor nuclear es basen a mantenir una reacció en cadena a un nivell controlat, gairebé constant. Està dissenyat de manera que no pugui explotar com una bomba atòmica.
Reacció en cadena i criticitat
La física d'un reactor de fissió nuclear és que la reacció en cadena està determinada per la probabilitat de fissió nuclear després de l'emissió de neutrons. Si la població d'aquest últim disminueix, aleshores la taxa de fissió acabarà baixant a zero. En aquest cas, el reactor estarà en estat subcrític. Si la població de neutrons es manté a un nivell constant, la velocitat de fissió es mantindrà estable. El reactor estarà en estat crític. I finalment, si la població de neutrons creix amb el temps, augmentarà la velocitat de fissió i la potència. El nucli esdevindrà supercrític.
El principi de funcionament d'un reactor nuclear és el següent. Abans del seu llançament, la població de neutrons és propera a zero. A continuació, els operadors retiren les barres de control del nucli, augmentant la fissió nuclear, que es tradueix temporalmentreactor a estat supercrític. Després d'arribar a la potència nominal, els operadors retornen parcialment les barres de control, ajustant el nombre de neutrons. En el futur, el reactor es mantindrà en un estat crític. Quan cal aturar-lo, els operaris introdueixen les barres completament. Això suprimeix la fissió i porta el nucli a un estat subcrític.
Tipus de reactors
La majoria de les instal·lacions nuclears del món generen energia, generant la calor necessària per fer girar les turbines que impulsen els generadors d'energia elèctrica. També hi ha molts reactors d'investigació i alguns països tenen submarins o vaixells de superfície amb propulsió nuclear.
Centrals elèctriques
Hi ha diversos tipus de reactors d'aquest tipus, però el disseny d'aigua lleugera ha trobat una àmplia aplicació. Al seu torn, pot utilitzar aigua a pressió o aigua bullint. En el primer cas, el líquid a alta pressió s'escalfa per la calor del nucli i entra al generador de vapor. Allà, la calor del circuit primari es transfereix al secundari, que també conté aigua. El vapor eventualment generat serveix com a fluid de treball en el cicle de la turbina de vapor.
El reactor de tipus ebullició funciona segons el principi d'un cicle energètic directe. L'aigua, que passa per la zona activa, es porta a ebullició a un nivell de pressió mitjà. El vapor saturat travessa una sèrie de separadors i assecadors situats al recipient del reactor, la qual cosa el porta aestat sobreescalfat. A continuació, el vapor d'aigua sobreescalfat s'utilitza com a fluid de treball per fer girar una turbina.
Refrigerat per gas d' alta temperatura
El reactor refrigerat per gas a alta temperatura (HTGR) és un reactor nuclear el principi de funcionament del qual es basa en l'ús d'una barreja de microesferes de grafit i combustible com a combustible. Hi ha dos dissenys competidors:
- Sistema alemany de "ompliment" que utilitza piles de combustible esfèriques de 60 mm de diàmetre, que són una barreja de grafit i combustible en una carcassa de grafit;
- Versió americana en forma de prismes hexagonals de grafit que s'entrellacen per formar una zona activa.
En tots dos casos, el refrigerant consisteix en heli a una pressió d'unes 100 atmosferes. En el sistema alemany, l'heli passa per buits de la capa d'elements de combustible esfèrics, i en el sistema americà, per forats en prismes de grafit situats al llarg de l'eix de la zona central del reactor. Ambdues opcions poden funcionar a temperatures molt elevades, ja que el grafit té una temperatura de sublimació extremadament alta, mentre que l'heli és completament inert químicament. L'heli calent es pot aplicar directament com a fluid de treball en una turbina de gas a alta temperatura, o la seva calor es pot utilitzar per generar vapor del cicle de l'aigua.
Reactor nuclear de metall líquid: esquema i principi de funcionament
Els reactors de neutrons ràpids amb refrigerant de sodi van rebre molta atenció als anys 60 i 70. Aleshoressemblava que la seva capacitat per reproduir combustible nuclear en un futur proper era necessària per a la producció de combustible per a la indústria nuclear de ràpid desenvolupament. Quan als anys vuitanta va quedar clar que aquesta expectativa no era realista, l'entusiasme es va esvair. Tanmateix, s'han construït diversos reactors d'aquest tipus als EUA, Rússia, França, Gran Bretanya, Japó i Alemanya. La majoria funcionen amb diòxid d'urani o la seva barreja amb diòxid de plutoni. Als Estats Units, però, el major èxit ha estat amb els combustibles metàl·lics.
CANDU
Canadà ha centrat els seus esforços en reactors que utilitzen urani natural. Això elimina la necessitat del seu enriquiment per recórrer als serveis d' altres països. El resultat d'aquesta política va ser el reactor deuteri-urani (CANDU). El control i el refredament es realitza amb aigua pesada. El dispositiu i principi de funcionament d'un reactor nuclear és utilitzar un dipòsit amb D2O fred a pressió atmosfèrica. El nucli està perforat per canonades fetes d'aliatge de zirconi amb combustible d'urani natural, a través dels quals l'aigua pesada el refreda. L'electricitat es produeix transferint la calor de fissió de l'aigua pesada al refrigerant que circula pel generador de vapor. Aleshores, el vapor del circuit secundari passa pel cicle normal de la turbina.
Instal·lacions de recerca
Per a la investigació científica, s'utilitza més sovint un reactor nuclear, el principi del qual és utilitzar refrigeració per aigua ielements combustibles d'urani lamel·lar en forma de conjunts. Capaç d'operar en una àmplia gamma de nivells de potència, des d'uns pocs quilowatts fins a centenars de megawatts. Com que la generació d'energia no és la tasca principal dels reactors d'investigació, es caracteritzen per l'energia tèrmica generada, la densitat i l'energia nominal dels neutrons al nucli. Són aquests paràmetres els que ajuden a quantificar la capacitat d'un reactor de recerca per dur a terme enquestes específiques. Els sistemes de baixa potència s'utilitzen normalment a les universitats amb finalitats docents, mentre que els sistemes d' alta potència es necessiten als laboratoris d'R+D per a proves de materials i rendiment i investigació general.
El reactor nuclear de recerca més comú, l'estructura i el principi de funcionament del qual són els següents. La seva zona activa es troba al fons d'una gran bassa d'aigua profunda. Això simplifica l'observació i la col·locació de canals a través dels quals es poden dirigir els feixos de neutrons. A nivells de potència baixos, no hi ha necessitat de purgar el refrigerant, ja que la convecció natural del refrigerant proporciona una dissipació de calor suficient per mantenir una condició de funcionament segura. L'intercanviador de calor sol estar situat a la superfície o a la part superior de la piscina on s'acumula aigua calenta.
Instal·lacions de vaixells
L'ús original i principal dels reactors nuclears és en submarins. El seu principal avantatge ésque, a diferència dels sistemes de combustió de combustibles fòssils, no necessiten aire per generar electricitat. Per tant, un submarí nuclear pot romandre submergit durant llargs períodes de temps, mentre que un submarí dièsel-elèctric convencional ha de pujar periòdicament a la superfície per engegar els seus motors a l'aire. L'energia nuclear dóna un avantatge estratègic als vaixells de l'Armada. Elimina la necessitat de repostar combustible en ports estrangers o des de vaixells cisterna vulnerables.
El principi de funcionament d'un reactor nuclear en un submarí està classificat. Tanmateix, se sap que als EUA utilitza urani molt enriquit, i la desacceleració i el refredament es fa amb aigua lleugera. El disseny del primer reactor del submarí nuclear USS Nautilus va estar fortament influenciat per potents instal·lacions d'investigació. Les seves característiques úniques són un marge de reactivitat molt gran, que garanteix un llarg període de funcionament sense repostar i la possibilitat de reiniciar-se després d'una parada. La central elèctrica dels submarins ha de ser molt silenciosa per evitar la detecció. Per satisfer les necessitats específiques de diferents classes de submarins, es van crear diferents models de centrals elèctriques.
Els portaavions de l'Armada dels EUA utilitzen un reactor nuclear, el principi del qual es creu que es pren prestat dels submarins més grans. Tampoc s'han publicat els detalls del seu disseny.
A més dels EUA, el Regne Unit, França, Rússia, la Xina i l'Índia tenen submarins nuclears. En cada cas, el disseny no es va revelar, però es creu que tots són molt similars, aixòés conseqüència dels mateixos requisits per les seves característiques tècniques. Rússia també té una petita flota de trencagels de propulsió nuclear que tenen els mateixos reactors que els submarins soviètics.
Instal·lacions industrials
Per a la producció de plutoni-239 de qualitat per a armes, s'utilitza un reactor nuclear, el principi del qual és una alta productivitat amb un baix nivell de producció d'energia. Això es deu al fet que una llarga estada de plutoni al nucli provoca l'acumulació no desitjada de 240Pu.
Producció de triti
Actualment, el principal material produït per aquests sistemes és el triti (3H o T), la càrrega de les bombes d'hidrogen. El plutoni-239 té una llarga vida mitjana de 24.100 anys, de manera que els països amb arsenals d'armes nuclears que utilitzen aquest element solen tenir-ne més del que necessiten. A diferència de 239Pu, el triti té una vida mitjana d'aproximadament 12 anys. Així, per tal de mantenir els subministraments necessaris, aquest isòtop radioactiu d'hidrogen s'ha de produir de manera continuada. Als EUA, Savannah River, Carolina del Sud, per exemple, té diversos reactors d'aigua pesada que produeixen triti.
Unitats de potència flotants
S'han creat reactors nuclears que poden proporcionar electricitat i calefacció de vapor a zones aïllades remotes. A Rússia, per exemple, han trobat aplicaciópetites centrals elèctriques dissenyades específicament per donar servei a les comunitats àrtiques. A la Xina, una planta HTR-10 de 10 MW subministra calor i energia a l'institut de recerca on es troba. A Suècia i Canadà s'estan desenvolupant petits reactors controlats amb capacitats similars. Entre 1960 i 1972, l'exèrcit nord-americà va utilitzar reactors d'aigua compactes per alimentar bases remotes a Groenlàndia i l'Antàrtida. S'han substituït per centrals elèctriques de petroli.
Exploració espacial
A més, s'han desenvolupat reactors per a l'alimentació i el moviment a l'espai exterior. Entre 1967 i 1988, la Unió Soviètica va instal·lar petites instal·lacions nuclears als satèl·lits Kosmos per alimentar equips i telemetria, però aquesta política es va convertir en un objectiu de crítiques. Almenys un d'aquests satèl·lits va entrar a l'atmosfera terrestre, donant lloc a la contaminació radioactiva de zones remotes del Canadà. Els Estats Units van llançar només un satèl·lit de propulsió nuclear el 1965. No obstant això, es continuen desenvolupant projectes per al seu ús en vols espacials profunds, exploració tripulada d' altres planetes o en una base lunar permanent. Serà necessàriament un reactor nuclear refrigerat per gas o de metall líquid, els principis físics del qual proporcionaran la temperatura més alta possible necessària per minimitzar la mida del radiador. A més, un reactor espacial ha de ser el més compacte possible per minimitzar la quantitat de material utilitzatblindatge, i per reduir el pes durant el llançament i el vol espacial. La reserva de combustible garantirà el funcionament del reactor durant tot el període del vol espacial.
