Logo Endesa Educa
Tornar a la pàgina principal

Oferta d'activitats

Activitats ENDESA EDUCA

ENDESA ENERGY Toolbar

Quanta energia consumeix el teu PC?

Descarrega

Les centrals nuclears

  1.  
  2. Compartir per email

1. La radioactivitat

opt_reactor nuclearLa radiació és l'emissió o propagació d'energia en forma d'ones o de partícules subatòmiques com, per exemple, les ones electromagnètiques emeses pel sol o les partícules emeses per substàncies radioactives.

La radioactivitat està molt relacionada amb l'estudi de l'estructura de la matèria, i nombrosos científics dedicats a aquest estudi van col·laborar en aquests descobriments: Rutherford, Pierre i Marie Curie, Bequerel, Geiger i Marsden, Planck, Bohr, Hertz i molts altres.

2. Emissions radioactives

Quan es produeix alguna transformació en els nuclis atòmics s'emeten partícules i radiacions electromagnètiques d'elevada freqüència. Hi ha elements que poden produir aquest fenomen de manera natural i n'hi ha altres dels quals es poden obtenir isòtopos1 radioactius de forma artificial:

Radioactivitat natural

Pot oferir tres tipus de transicions radioactives, a cada una de les quals correspon un tipus de radiació:

  • Radiació Alfa: Una desestabilització del nucli pot arribar a fer que dos protons i dos neutrons s'ajuntin i formin un nucli d'heli (un tipus de gas) amb prou energia per sortir del nucli inicial.
  • Radiació Beta: En aquesta radiació un neutró es transforma en un protó. Aquesta radiació és molt més penetrant que la radiació Alfa i per frenar-la cal  una làmina d'alumini d'uns quants mil·límetres de gruix. Per tant, pot afectar fàcilment els teixits humans.
  • Radiació Gamma: Consisteix en una radiació electromagnètica emesa per un nucli en estat d'excitació. Quan l'excitació desapareix sempre es forma un nucli més estable. És molt difícil d'aturar i pot traspassar amb naturalitat el cos humà.

Radioactivitat artificial

Quan es bombardeja un nucli amb les partícules adequades, aquestes poden penetrar en el nucli i formar-ne un de nou. La radioactivitat artificial va ser descoberta l'any 1939 pel matrimoni Curie.

3. Què és una central nuclear?

Una central nuclear és una instal·lació industrial construïda per a generar electricitat a partir de l'energia nuclear.
Les centrals nuclears formen part de la família de les centrals termoelèctriques, la qual cosa implica que fan servir la calor per a generar energia elèctrica. Aquesta calor prové de la fissió de materials com l'urani i el plutoni.

4. Funcionament d'una central nuclear

El funcionament d'una central nuclear es basa en l'aprofitament de la calor per a moure una turbina per l'acció del vapor d'aigua, la qual està associada a un generador elèctric.

Per a aconseguir el vapor d'aigua s'utilitza com a combustible l'urani o el plutoni.

 

A causa de la fissió (divisió de l'àtom) de l'urani que es du a terme al reactor nuclear, s'allibera una gran quantitat d'energia que escalfa l'aigua fins a evaporar-la. Aquest vapor es transporta al conjunt turbina-generador mitjançant un circuit de vapor, i una vegada allà les aspes de la turbina giren per l'acció del vapor i mouen el generador que transforma l'energia mecànica en elèctrica.

Una vegada el vapor d'aigua ha passat per la turbina s'envia a un condensador on es refreda i es torna líquida. I novament es transporta l'aigua a l'escalfador per tornar a aconseguir vapor, tancant així el circuit de l'aigua.

Els residus generats per la fissió de l'urani són emmagatzemats dins de la central mateixa, en unes piscines de formigó especials per a materials radioactius.

5.  La fissió nuclear

 

La fissió nuclear consisteix en la divisió del nucli d'un àtom pesat (com pot ser l'urani) en altres elements més lleugers, de manera que en aquesta reacció s'allibera gran quantitat d'energia. Aquesta divisió és provocada pel xoc de l'àtom amb un neutró.

El procés de fissió és possible a causa de la inestabilitat que tenen els nuclis d'alguns elements químics d'elevat nombre atòmic, i en aquestes condicions només cal una petita quantitat d'energia per a fer que el nucli es trenqui en dos trossos.

La reacció nuclear de fissió va ser descoberta pels científics O. Hahn i F. Strassmann el 1938.

6. Reactors nuclears de fissió

 Un reactor nuclear de fissió és una instal·lació capaç d'iniciar, mantenir i controlar les reaccions de fissió en cadena, disposant dels mitjans adequats per a extreure la calor generada. Tanmateix, cal explicar primer que la fissió és una reacció nuclear, la qual cosa significa que té lloc en el nucli de l'àtom i que es produeix quan un nucli es divideix en dos o en més parts. Els elements essencials que formen un reactor nuclear són:

  • Combustible. Format per un material susceptible de fissió, generalment compost d'urani, en el qual tenen lloc les reaccions de fissió. És, per tant, la font de generació de calor.
  • Moderador. Fa disminuir la velocitat dels neutrons ràpids generats en la fissió perquè tenen l'oportunitat d'interactuar amb altres àtoms susceptibles de fissió i mantenir la reacció. S'acostuma a utilitzar aigua, aigua pesada, heli, grafit o sodi metàl·lic.
  • Elements de control. Permeten controlar a tot hora la població de neutrons i mantenir estable el reactor.
  • Refrigerant. Extreu la calor generada pel combustible. Generalment s'utilitzen refrigerants líquids com l'aigua lleugera i l'aigua pesada o gasos com l'anhídrid carbònic i l'heli.
  • Blindatge. Evita que les radiacions i els neutrons del reactor s'escapin a l'exterior. S'acostuma a usar formigó, acer o plom per a construir-lo.
  • Elements de seguretat. Totes les centrals nuclears de fissió disposen de múltiples sistemes que eviten que es produeixin accidents que poden provocar un alliberament de la radioactivitat a l'exterior del reactor nuclear.

Els reactors nuclears es poden classificar segons la velocitat dels neutrons que es produeixen en la reacció de fissió. D'aquesta manera hi ha reactors tèrmics o lents i reactors ràpids. Pràcticament totes les centrals nuclears que s'exploten comercialment tenen reactors tèrmics, per aquest motiu, centrarem les explicacions en aquest tipus de reactor.

reactor nuclear_figura1

7. Tipus de reactors nuclears

Els reactors tèrmics es poden classificar segons el moderador que facin servir. Generalment, cada moderador té associat un tipus de combustible i un tipus de refrigerant. Les diferències essencials entre aquests reactors són les següents:

Reactor d'aigua lleugera

Dins d'aquest grup hi ha dos tipus de reactors:

  • Reactor d'aigua a pressió (PWR - Pressurized water reactor): utilitzen aigua com a moderador i refrigerant. El combustible utilitzat és l'urani lleugerament enriquit en forma de diòxid d'urani. Aquest tipus de reactor s'ha desenvolupat principalment als Estats Units, Rússia, Alemanya, França i el Japó.
  • Reactor d'aigua en ebullició (BWR - Boiling water reactor): en aquest tipus de reactor, una part de l'aigua del refrigerant, que alhora actua com a moderador, passa a la fase vapor al reactor mateix. S'ha desenvolupat principalment als Estats Units.

Reactor d'aigua pesada

Usa com a combustible l'urani natural, i l'aigua pesada s'utilitza com a moderador i com a refrigerant. Aquest tipus de reactor s'ha desenvolupat principalment al Canadà.

Reactor d'urani natural, gas i grafit.

Aquest tipus de reactor utilitza com a combustible l'urani natural en forma metàl·lica. S'hi fa servir el grafit com a moderador i l'anhídrid carbònic com a refrigerant. Aquests reactors s'han desenvolupat principalment a França i a la Gran Bretanya.

Reactor avançat de gas.

Les principals diferències es presenten en el combustible. S'hi fa servir l'òxid d'urani lleugerament enriquit i disposat en tubs d'acer inoxidable.

Reactor de grafit i aigua lleugera

Utilitza l'urani lleugerament enriquit com a combustible, el grafit com a moderador i l'aigua com a refrigerant, que es transforma en vapor al reactor mateix. Aquest és un disseny exclusivament soviètic.

8. Característiques d'una central nuclear d'aigua a pressió (PWR)

reactor nuclear_figura2El combustible que utilitzen és el diòxid d'urani enriquit i el procés consisteix a introduir-lo en forma de pastilles en uns tubs.

Els elements de combustible es refrigeren mitjançant un circuit d'aigua (anomenat circuit primari) que, al seu torn, serveix de moderador. L'aigua augmenta la temperatura i es manté en estat líquid a causa de l'elevada pressió del sistema. El refrigerant circula pels generadors de vapor cedint la calor a un altre circuit d'aigua diferent i totalment independent (circuit secundari) que la transforma en vapor i aquesta fa girar els àleps de la turbina que està acoblada a un generador elèctric. El vapor, una vegada ha passat per la turbina, es condensa i torna al generador de vapor.

Tot aquest circuit està situat a l'interior d'un edifici de contenció, construït amb formigó armat d'un gruix que oscil·la entre 50 i 100 cm i amb un cobriment interior d'acer que fa que sigui hermètic. Aquest edifici de contenció es manté per sota de la pressió atmosfèrica a fi d'evitar, en cas d'accident, que les possibles fuites surtin a l'exterior. 

9.  Característiques d'una central nuclear d'aigua en ebullició (BWR)

reactor nuclear_figura3Les centrals BWR es diferencien de les anteriors bàsicament perquè no tenen circuit d'aigua secundari. A més, el circuit primari treballa a una pressió inferior i el vapor es produeix al reactor, des del qual s'envia directament a la turbina per a moure el generador.

Tant les centrals PWR com les BWR disposen d'un edifici de combustible que serveix per a emmagatzemar els elements de combustible nous i per a guardar el combustible ja utilitzat fins que es pugui traslladar a un centre d'emmagatzematge final de combustible gastat. L'edifici de combustible i el de contenció estan connectats entre si per poder traslladar els elements combustibles sense sortir de la zona controlada de la central.

Aquesta es troba totalment aïllada de la resta d'instal•lacions de la central. A més, les centrals nuclears disposen d'edificis auxiliars en els quals estan situats els equips i els sistemes de seguretat.