close

Reactor nuclear

Mergi la navigare Mergi la căutare
Image
Centrală nucleară din Kewaunee, Wisconsin .

Un reactor nuclear este un dispozitiv în care o reacție nucleară în lanț are loc într- un mod controlat. Poate fi folosit pentru a obține energie în așa-numitele centrale nucleare, pentru producerea de materiale fisionabile, precum plutoniul, pentru a fi utilizate în arme nucleare, pentru propulsarea nucleară a navelor sau a sateliților artificiali sau pentru cercetare. O centrală nucleară poate avea mai multe reactoare. În prezent, numai reactoarele de fisiune nucleară produc energie electrică comercial , deși există reactoare experimentale de fuziune nucleară. S-ar putea spune, de asemenea, că este o instalație fizică în care se produce, se menține și se controlează o reacție nucleară în lanț. Prin urmare, într-un reactor nuclear se folosește un combustibil adecvat pentru a asigura producția normală de energie generată de fisiunile succesive. Unele reactoare pot disipa căldura obținută din fisiuni, dar altele folosesc căldura pentru a produce energie electrică.

Puterea unui reactor de fisiune nucleară poate varia de la câțiva kW termici până la aproximativ 4.500 MW termici (1.500 MW „electrice”). Acestea trebuie instalate in zone apropiate de apa, ca orice centrala termica, pentru racirea circuitului, si trebuie amplasate in zone stabile din punct de vedere seismic pentru a evita accidentele. Au mari măsuri de securitate. Nu emit gaze care dăunează atmosferei, dar produc deșeuri radioactive care durează zeci de mii de ani și care trebuie depozitate pentru utilizare ulterioară în reactoare avansate și astfel le reduc durata de viață la câteva sute de ani.

Primul prototip de reactor nuclear a fost construit de Enrico Fermi , însă nu a fost primul care a lucrat pe Pământ. Reactorul nuclear Oklo ( Gabon ) prezintă dovezi [ 1 ] că reacțiile nucleare naturale au avut loc pe Pământ cu aproximativ 2 miliarde de ani în urmă.

Aplicații

Reactor de fisiune nucleară

Vezi și: Fisiune nucleară

Un reactor de fisiune nucleară este format din următoarele părți esențiale:

  1. Combustibil.- Izotop fisionabil ( divizibil) sau fertil (convertibil în fisionabil prin activare neutronică ): uraniu-235 , uraniu-238 , plutoniu -239 , toriu -232 sau amestecuri ale acestora ( MOX , amestec de oxizi de uraniu și plutoniu). Combustibilul obișnuit în instalațiile ușoare răcite cu apă este dioxidul de uraniu îmbogățit, în care aproximativ 3% din nucleele de uraniu sunt U-235, iar restul sunt U-238. Proporția de U-235 în uraniul natural este de doar 0,72%, așa că este necesar să-l supunem unui proces de îmbogățire în acest nuclid.
  2. Moderator (nuclear) .- Apa , apa grea , grafit , sodiu metalic : Acestea indeplinesc functia de a incetini viteza neutronilor produsi prin fisiune, astfel incat au posibilitatea de a interactiona cu alti atomi fisionabili si de a mentine reactia. Ca regulă generală, cu cât viteza neutronului este mai mică, cu atât este mai probabil să se fisioneze cu alte nuclee de combustibil în reactoarele care utilizează uraniu-235 ca combustibil.
  3. Agent frigorific.- Apa, apa grea, dioxid de carbon , heliu , sodiu metalic: conduce caldura generata catre un schimbator de caldura , sau direct catre turbina care genereaza energie electrica sau propulsie .
  4. Reflector .- Apa, apa grea, grafit, uraniu: reduce evadarea neutronilor si creste eficienta reactorului.
  5. Ecranare.- Beton , plumb , oțel , apă: Previne scăparea radiațiilor gamma și a neutronilor rapizi.
  6. Material de control.- Cadmiu sau bor : stopează reacția în lanț. Sunt foarte buni absorbanți de neutroni. Sunt utilizate în general sub formă de batoane sau dizolvate în agent frigorific.
  7. Elemente de securitate.- Toate centralele nucleare cu fisiune au, din 2007, sisteme multiple, active (răspund la semnale electrice), sau pasive (acţionează în mod natural, prin gravitaţie, de exemplu). Reținerea din beton care înconjoară reactoarele este cea principală. Ele previn producerea accidentelor sau că, în cazul în care acestea apar, nu există eliberare de radioactivitate în afara reactorului.

de reactoare de

Există mai multe tipuri de bază în 2012: [ 2 ]

LWR - Reactoare cu apă ușoară : utilizați apă ca lichid de răcire și moderator. Ca uraniu îmbogățit cu combustibil . Cele mai utilizate sunt PWR ( Reactoarele cu apă sub presiune ) și BWR ( Reactoarele cu apă fierbinte ): 264 PWR și 94 BWR în funcțiune în 2007.

CANDU - Canada Deuterium Uraniu (Canada deuterium uraniu): Ei folosesc apă grea ca moderator și lichid de răcire (compus din doi atomi de deuteriu și unul de oxigen ). Folosesc uraniu natural drept combustibil: 43 în exploatare în 2007.

FBR - Fast Breeder Reactors (reactoare cu feedback rapid): folosesc neutroni rapizi în loc de cei termici pentru a realiza fisiunea. Folosește plutoniu drept combustibil și sodiu lichid ca lichid de răcire . Acest reactor nu are nevoie de moderator: 4 în funcțiune în 2007. Doar unul în funcțiune.

AGR - Reactor avansat răcit cu gaz : utilizează uraniu drept combustibil. Utilizează CO 2 ca lichid de răcire și grafit ca moderator : 18 în funcțiune în 2007.

RBMK - Reactor Bolshoy Moshchnosty Kanalny (Reactor cu canale de mare putere): Folosește grafitul ca moderator și apa ca lichid de răcire. Uraniu îmbogățit ca combustibil. Poate fi reîncărcat din mers. Are un coeficient pozitiv de reactivitate. Reactorul de la Cernobîl era de acest tip. Au fost 12 în funcțiune în 2007.

FBNR Fixed Bed Reactor, un reactor cu pat fix este un reactor modular de 4 generații, în care camera de combustibil este separată de camera de reacție.

ADS - Accelerator Driven System ( sistem asistat de accelerator ): utilizează o masă subcritică de toriu , în care fisiunea are loc numai prin introducerea, prin intermediul acceleratorilor de particule neutronice , în reactor. Ele sunt în faza experimentală și se așteaptă ca una dintre funcțiile lor fundamentale să fie eliminarea deșeurilor nucleare produse în alte reactoare de fisiune.

Avantajele reactoarelor de fisiune nucleară

Unul dintre avantajele reactoarelor nucleare de astăzi este că nu emit aproape deloc poluanți în aer (deși cantități mici de gaze radioactive apar periodic), iar deșeurile produse sunt mult mai mici ca volum și mai controlate decât deșeurile generate de energia nucleară. plante.fosile. În aceste termocentrale convenționale care folosesc combustibili fosili (cărbune, petrol sau gaze), sunt emise gaze cu efect de seră (în principal CO 2 ), gaze care produc ploi acide (în principal SO 2 ), carbon, metale grele, mii de tone de cenușă, și chiar material radioactiv natural concentrat (NORM). Într-o centrală nucleară, deșeurile solide generate sunt de ordinul unui milion de ori mai mici ca volum decât poluanții din centralele termice.

Uraniul îmbogățit folosit în centralele nucleare nu este potrivit pentru construirea unei arme nucleare sau pentru utilizarea uraniului din acestea. Pentru aceasta, reactoarele sunt proiectate în cicluri de îmbogățire ridicată sau sunt utilizate modele precum reactoare de tip RBMK utilizate pentru generarea de plutoniu.

Recent, au fost investigate instalații de fisiune asistată , unde o parte dintre cele mai periculoase reziduuri ar fi distruse prin bombardarea cu particule de la un accelerator (probabil protoni) care ar produce neutroni prin spalare , care la rândul său ar provoca transmutarea acelor izotopi mai periculoși. Acesta ar fi un fel de instalație de neutralizare a deșeurilor radioactive cu întreținere autonomă. Performanța acestor instalații ar fi inițial mai scăzută, deoarece o parte din energia generată ar fi folosită pentru transmutarea deșeurilor. Construcția primului reactor de transmutare (Myrrha) este estimată să înceapă în anul 2040 .


Dezavantajele reactoarelor de fisiune nucleară

Pericolul pentru populație provine din mai mulți factori: 1) un accident la o centrală atomică, 2) un atac terorist, 3) pericolul deșeurilor și puterea lor mare de poluare a mediului, 4) haldele nucleare, 5) posibil. deturnarea deşeurilor pentru producerea de arme de distrugere în masă.

Reactoarele nucleare generează deșeuri radioactive . Unele dintre ele cu o jumătate de perioadă ridicată , cum ar fi americiu , neptunium sau curiu și foarte toxice. Criticii energiei nucleare subliniază pericolul acestor deșeuri care durează sute și chiar mii de ani.

Unele reactoare nucleare au fost folosite pentru a genera plutoniu 239 folosit în arme nucleare . Reactoarele civile generează plutoniu, dar plutoniul 239 (necesar în armele nucleare) apare amestecat cu proporții mari de plutoniu 240, 238 și 242, ceea ce îl face imposibil pentru utilizare militară.

Cele mai grave accidente nucleare au fost: Mayak (Rusia) în 1957, Windscale (Marea Britanie) în 1957, Three Mile Island (Statele Unite) în 1979, Cernobîl (Ucraina) în 1986, Tokaimura (Japonia) în 1999 și Fukushima (Japonia). ) 2011.

Pericolul deșeurilor nucleare este o problemă foarte controversată. Acestea sunt de obicei asociate cu generarea energiei de fisiune nucleară, totuși există nenumărate surse radioactive folosite pentru diverse utilizări care sunt și îngropate în cimitire nucleare. Majoritatea țărilor au companii naționale care se ocupă de gestionarea acestor deșeuri.În Spania, centralele nucleare plătesc o taxă care merge către un fond pentru gestionarea acestor deșeuri și dezmembrarea centralelor nucleare atunci când își încheie ciclul de viață. În prezent, există o instalație de depozitare definitivă pentru îngroparea combustibilului uzat ( Onkalo Spent Nuclear Nuclear Storage Facility ) Înainte, acestea erau de obicei păstrate în bazine de pe aceleași locații ale reactoarelor sau în depozite centralizate. Pentru mulți, aceasta este cea mai rezonabilă opțiune, deoarece combustibilul uzat reține 95% din uraniu, ceea ce va permite reutilizarea lui în viitor.De fapt, unele țări o fac deja, dar tehnica este costisitoare.Reactorul nuclear BN-800 , care are în construcție un frate de 1200 MW ( BN-1200 Nuclear Reactor ), al cărui obiectiv este rentabilizarea și realizarea unui model comercial al unui reactor care se hrănește cu deșeuri nucleare, își reduce radioactivitatea și la finalul ciclului la acest tip de reactor, pentru a fi gata de a fi folosit din nou într-un reactor nuclear convențional, acest ciclu s-ar repeta până la epuizarea uraniului și plutoniului combustibilului nuclear, ceea ce îl va transforma din nou în deșeuri, cu excepția faptului că radioactivitatea sa va fi substanțial. Mai puțin.

Reactor de fuziune nucleară

Vezi și: Fuziunea nucleară

Instalatie destinata producerii de energie prin fuziune nucleara . După mai bine de 60 de ani de cercetări în acest domeniu, s-a putut menține o reacție controlată, deși nu este încă profitabilă din punct de vedere energetic.

Cea mai mare dificultate este în a rezista la presiunea și temperatura enormă pe care le necesită fuziunea nucleară (care poate fi găsită în mod natural doar în miezul unei stele ). În plus, acest proces necesită o injecție inițială uriașă de energie (deși mai târziu ar putea fi autosusținut, deoarece energia eliberată este mult mai mare)

În prezent, există două linii de cercetare, izolare inerțială și izolare magnetică .

Limitarea inerțială constă în reținerea fuziunii prin împingerea particulelor sau a fasciculelor laser proiectate împotriva unei particule de combustibil, provocând aprinderea instantanee a acesteia.

Cele mai importante două proiecte la nivel mondial sunt NIF (National Ignition Facility) din Statele Unite și LMJ (Laser Mega Joule) din Franța.

Confinarea magnetică constă în a reține materialul de topit într-un câmp magnetic în timp ce acesta este făcut să atingă temperatura și presiunea necesare. Hidrogenul la aceste temperaturi ajunge în starea de plasmă .

Primele modele magnetice americane cunoscute sub numele de Stellarator au generat câmpul direct într-un reactor toroidal , cu problema că plasma s-a scurs între liniile de câmp.

Inginerii ruși au îmbunătățit acest model, făcând loc Tokamak -ului în care o bobină primară a indus câmpul pe plasmă, profitând de conductivitatea acestuia și, de fapt, folosindu-l ca înfășurare secundară. În plus, rezistența electrică a plasmei a încălzit-o.

Cel mai mare reactor de acest tip, JET ( joint European Bull ) a realizat condiții de fuziune nucleară cu un factor Q>0,7. Aceasta înseamnă că raportul dintre energia generată prin fuziune și cea necesară pentru a susține reacția este de 0,7. Pentru ca reacția să fie autosusținută, trebuie atinși parametri mai mari decât Q>1 și cu atât mai mult pentru viabilitatea ei economică. Primul obiectiv urmează să fie atins cu proiectul ITER , iar al doilea cu DEMO .

S-a promis crearea unui reactor și mai mare, ITER , unind efortul internațional de realizare a fuziunii. Chiar și în cazul realizării acestuia, ar fi totuși un reactor experimental și ar trebui construit un alt prototip pentru a testa generarea de energie, așa-numitul proiect DEMO .

Combustibili posibili pentru reactoarele de fuziune nucleară

Reacția optimă pentru a produce energie prin fuziune este cea a deuteriului și a tritiului datorită secțiunii sale eficiente ridicate . De asemenea, este, prin urmare, cel mai utilizat în testele experimentale. Reacția este următoarea:

D + T → 4 El + n

Obținerea deuteriului nu este dificilă deoarece este un element stabil și abundent care s-a format în cantități mari în supa primordială de particule (vezi Big Bang ). În apă , o parte la 6500 are deuteriu în loc de hidrogen, deci se consideră că există o rezervă inepuizabilă de deuteriu. Într-un reactor auto-susținut, reacția deuteriu-tritiu ar genera energie și neutroni. Neutronii sunt partea negativă a reacției și trebuie controlați deoarece reacțiile de captare a neutronilor în pereții reactorului sau în orice atom al reactantului pot induce radioactivitate . De fapt, neutronii, având suficient timp, pot slăbi structura containerului în sine, cu riscul de apariție a fisurilor periculoase. Pentru aceasta, există moderatori și scuturi de neutroni precum apa grea , beriliu , sodiu sau carbon ca moderatori larg utilizați în instalațiile de fisiune, sau bor și cadmiu , utilizate ca produse care opresc complet neutronii prin absorbția lor. Dacă vrei să faci un reactor cu adevărat curat , va trebui să cauți alte formule. A fost propusă o soluție dublă a problemei neutronilor și a problemei abundenței tritiului. Tritiul nu se găsește în natură, deoarece este instabil, așa că trebuie să fie fabricat. Pentru a-l obține, se poate recurge la instalații de fisiune, unde poate fi generat prin activarea hidrogenului conținut în apă, sau prin bombardarea cu litiu , un material abundent în scoarța terestră, cu neutroni.

6 Li + n → 4 He + T
7 Li + n → 4 He + T + n

Există doi izotopi stabili ai litiului, litiu-6 și litiu-7, acesta din urmă fiind mult mai abundent. Din păcate, reacția care absoarbe neutronii este cea cu litiu-6, cel mai puțin abundent. Toate acestea nu împiedică mulți neutroni să lovească pereții reactorului însuși cu producerea ulterioară de atomi radioactivi. În ciuda acestui fapt, una dintre propunerile pentru ITER este de a acoperi pereții cu litiu-6, care ar opri o bună parte din neutroni pentru a produce mai mult tritiu. Din cauza tuturor acestor probleme, sunt investigate și alte reacții cu secțiune transversală mare , dar mai curate . Una dintre cele mai promițătoare este deuteriu plus heliu -3.

D + ³El → 4 El + p

Problema în această reacție constă în secțiunea eficientă mai mică față de cea a deuteriu-tritiu și în obținerea heliului-3 în sine, care este cel mai rar izotop al elementului menționat . Protonii nu prezintă la fel de mult pericol ca neutronii, deoarece nu vor fi capturați cu ușurință de către atomi din cauza barierei Coulomb pe care trebuie să o traverseze, lucru care nu se întâmplă cu particulele încărcate neutru, cum ar fi neutronii. În plus, un proton poate fi manipulat de câmpuri electromagnetice. O soluție pentru obținerea artificială de heliu-3 ar fi să se încorporeze, în reactor propriu-zis, reacția deuteriu-deuteriu.

D + D → ³El + n

Problema este că, din nou, obținem un neutron rezidual, ceea ce ne readuce la problema neutronilor. Poate că cheia a fost obținerea heliului-3 natural, dar este extrem de rar pe Pământ. Rețineți că puținul heliu-3 natural care este produs de radioactivitate tinde să scape din atmosfera noastră densă. Lucrul curios este că acest izotop este abundent pe Lună . Este împrăștiat pe suprafața sa și provine de la vântul solar care de miliarde de ani a scăldat suprafața lunară goală cu particulele sale ionizate. Acest heliu lunar ar putea fi, în viitor, cheia reactoarelor de fuziune.

Între timp, se efectuează cercetări asupra materialelor care, chiar dacă sunt activate, dau naștere doar la izotopi cu un timp de înjumătățire scurt, permițând astfel acestor materiale să se odihnească pentru o perioadă scurtă, putând fi considerate convenționale (neradioactive). ) deșeuri. Problema principală, în orice caz, ar continua să fie dificultatea de a menține cadrul de bază în stare bună, fără ca acesta să se deterioreze și să fie schimbat din când în când.

Vezi și

Referințe

  1. ↑ Reactoarele nucleare de acum 2 miliarde de ani și constantele universului
  2. ↑ Numărul de reactoare de fiecare tip din lume (în engleză)

Link- uri externe

Obținut de la « https://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Reactor_nuclear&oldid=144061938 »