Energia Nuclear
Energia nuclear
La energia nuclear s'obté de la modificació de les partícules que formen el nucli dels àtoms de cada element químic mitjançant certes reaccions nuclears, on les partícules del nucli resulten modificades alterant-ne el seu nivell d'energia, obtenint un isòtop diferent al dividir-se en un o mes fragments (fissió) o be unint-se amb un segon nucli (fusió).
Alguns d'aquests processos es donen de forma espontanea a la natura, pero en el cas de la energia nuclear, l'esser humà es l'encarregat de bombardejar els nuclis amb neutrons per obtenir energia, que en comparació amb la resta d'energies existents, es la que pot alliberar mes energia per unitat de massa de combustible.
Existeixen dues formes d'obtenir energia nuclear:
-
Fissió nuclear, on el nucli atòmic es trenca en dos o mes fragments quan es bombardejada amb neutrons, emetent també neutrons, protons i d'altre partícules.
En aquest cas però, un dels grans inconvenients es que es produeixen gran quantitat de residus molt perillosos i difícils d'eliminar, que han de ser tractats i emmagatzemats.
Els residus radioactius derivats de l'ús de la energia nuclear, son aquells que contenen isòtops radioactius que no es reutilitzaran, com es el cas del combustible nuclear gastat derivat de la fissió nuclear, que es dels mes difícil de tractar, pero també tenim residus derivats d'aplicacions en la medicina, la investigació, la industria, ...
Els residus de les centrals nuclears radioactius com el combustible nuclear gastat conté grans quantitats d'urani radioactiu, plutoni, cesi i d'altres isòtops que ja no tenen cap valor per a altres aplicacions, i que per tant han de ser tractats, emmagatzemats i controlats durant 10.000 anys, i a la seva vegada, el desmantellament d'una planta nuclear, allibera gran quantitat de materials altament radioactius com son els elements constructius, canonades, ...
A continuació es mostra un vídeo de la gestió dels residus radioactius derivats del combustible i del ús regular a les centrals nuclears.
font: www.consumer.es Eroski
-
Fusió nuclear, on s'uneixen dos nuclis atòmics mitjançant la aportació d'una quantitat molt elevada d'energia, donant lloc a un de mes pesat i emetent radiació també, encara que en menor mesura.
En aquest cas, els elements resultants que s'obtenen son estables i per tant no requereixen de tots els procediments de gestió de residus que en el cas de la fissió, a mes de ser un procés molt mes segur.
Tot i que encara no és viable, la fusió nuclear pot ser l'energia neta de futur. A diferència de la fissió nuclear (que fan servir les centrals nuclears actuals), la fusió és més neta i segura.
La fusió nuclear bàsicament consisteix en la unió de dos nuclis lleugers per formar un més pesat. Aquest procés desprèn una gran quantitat d'energia, com es el cas de la energia despresa per el Sol; i dependrà del combustible que aquesta fusió desprengui mes o menys energia.
La reacció més fàcil d'aconseguir és la que fusiona un nucli de deuteri i triti. El resultat de la fusió d'aquests elements genera 17,6 MeV d'energia, heli (un gas totalment innocu) i un neutró sobrant. Si tenim en compte que amb molt poca quantitat de combustible es genera tanta energia, aquest podria ser un tipus de generació d'energia molt eficient. I podríem tenir energia neta, que no afecti negativament el medi ambient o les persones, a diferència de la fissió nuclear que utilitzen les centrals nuclears actuals.
La fusió nuclear, a diferencia de la fissió nuclear (on el nucli es bombardejat amb neutrons i esdevenen 2 o mes nuclis inestables), consisteix a unir nuclis obtenint un nucli resultant mes pesat.
La fissió nuclear, tot i que és una font natural d'energia, i pràcticament inesgotable, no podem considerar-la neta ja que genera residus radioactius que perjudiquen l'entorn i triguen centenars d'anys a desaparèixer. I a més, s'han de seguir protocols de seguretat molt estrictes perquè la reacció en cadena de la fissió nuclear no es descontroli o provoqui explosions. En resum, tots recordem els desastres nuclears de Fukushima i Chernòbil. Mentre que la fissió nuclear (mètode que fan servir les centrals nuclears actuals) genera residus tòxics i és poc segura, la fusió seria una alternativa neta.
La fusió es basa en fusionar dos nuclis de càrrega positiva i això fa que es repel·leixin amb més força com més a prop estiguin (com succeeix amb dos iman). Una forma per aconseguir aquesta fusió, seria mitjançant un accelerador de partícules, pero caldria mes energia de la que obtindries, i per tant no es viable.
Per aconseguir la fusió ens queden dues maneres:
-
Fusió per confinament inercial, comprimint mitjançant feixos de làsers o de partícules, aconseguint densitats molt elevades; així els nuclis estan molt pròxims entre ells es fusionen generant energia.
-
Fusió amb confinament magnètic, escalfant els dos nuclis a temperatures extremadament altes (15 milions de graus centígrads, tres vegades la temperatura de centre de el sol) i aconseguint per agitació tèrmica que els nuclis es fusionin alliberant energia. A aquestes temperatures tan altes qualsevol material es fondria, de manera que per contenir la fusió es necessari crear un toroide magnètic (amb forma de 'donut').
La fusió presenta una serie d'avantatges que son:
-
Combustible barat i abundant. Estan repartits geogràficament de manera uniforme (hi ha suficient en l'aigua dels llacs i oceans per a milions d'anys basant-se el consum actual d'energia).
-
És un sistema intrínsecament segur. La seva reacció no és en cadena i el reactor només conté combustible per als següents 10 segons pel que no és possible que es perdi el control. Arribat el cas n'hi hauria prou amb tallar el subministrament de combustible.
-
Una energia, de veritat, neta. Els gasos resultants de la fusió no contribueixen a l'efecte hivernacle. La radioactivitat de l'estructura del reactor, produïda pels neutrons emesos en les reaccions de fusió, pot ser minimitzada escollint acuradament els materials, de baixa activació. Per tant, no cal emmagatzemar els elements de el reactor més de cinquanta anys.
Encara que també presenta una serie d'inconvenients:
-
El principal inconvenient es que encara estem molt lluny (dècades) d'aconseguir que funcioni de manera eficaç.
-
Caldrà tenir en compte que els combustibles, encara que abundants al entorn, cal pensar en la forma de regenerar-los per tal que no s'esgotin completament.
La Radiació
La radiació es la emissió d'energia en forma d'ones electromagnètiques, gravitatòries o de partícules altament energètiques com son els neutrins, protons, ions, etc.
Aquesta transmissió d'energia, la majoria de vegades imperceptible, es altament perjudicial i un contaminant físic; tant es així que la seva descobridora principal (Marie Curie) va morir de càncer degut a la seva exposició a les mateixes partícules.
La radiació genera canvis en la materia quan hi interactua, produint-ne l'augment de temperatura o la ionització per exemple, i en el cas del cos humà o dels éssers vius, aquestes alteracions poden ocasionar diferents efectes per a la salut, la gravetat dels quals dependrà del material al que s'ha estat exposat i del temps, així també de si s'ha fet ús d'algun tipus de protecció.
Algunes substàncies químiques estan formades per elements químics els nuclis atòmics són inestables, i com a conseqüència d'aquesta inestabilitat, els seus àtoms emeten partícules subatòmiques de forma intermitent i aleatoria.
Generalment les substancies radioactives presenten un excés de protons o neutrons, i quan aquests son diferents, es fa més difícil que la força nuclear els mantingui units. A vegades aquest desequilibri es corregeix alliberant l'excés de neutrons o protons, en forma de partícules α que són realment nuclis d'heli, partícules β que poden ser electrons o positrons. Aquestes emissions porten a dos tipus de radioactivitat:
-
Radiació α, que alleugereix els nuclis atòmics en 4 unitats bàsiques, i canvia el nombre atòmic en dos unidades.
-
Radiació β, que no canvia la massa de el nucli, ja que implica la conversió d'un protó en un neutró o viceversa, i canvia el nombre atòmic en una sola unitat (positiva o negativa, segons la partícula emesa sigui un electró o un positró) .
-
Radiació γ, on el nucli passa d'un estat excitat de major energia a un altre de menor energia, que pot seguir sent inestable i donar lloc a l'emissió de més radiació de tipus α, β o γ. La radiació γ és un tipus de radiació electromagnètica molt penetrant pel fet que els fotons no tenen càrrega eléctrica.
Aquestes radiacions (α, β i γ) recorren distàncies mes o menys grans i son mes o menys fàcils de bloquejar, depenent del tipus de radiació tal i com es mostra a la següent animació.
font: www.rinconeducativo.org
Centrals Nuclears
Una central nuclear no deixa de ser "un tipus de central tèrmica" pero que obté la calor mitjançant la fissió de nuclis d'Urani enriquit on la reacció nuclear allibera energia en forma d'energia cinètica de les partícules que s'emeten i de la radiació electromagnètica generant calor o energia tèrmica que es transforma en energia mecànica mitjançant unes turbines, i aquesta a la seva vegada es transformada en energia elèctrica o electricitat mitjançant alternadors i distribuida a la xarxa elèctrica o utilitzada directament com seria el cas de vaixells i submarins de propulsió nuclear.
font: www.consumer.es Eroski
Actualment, la energia nuclear representa mes del 11% (segons informació https://ca.energia-nuclear.net/situacio) de la generació d'energia al mon amb prop de 450 reactors a un total de 30 països que disposen de centrals nuclears pròpies i d'altres països que se'n alimenten de països veïns com Dinamarca i Italia, on representa prop del 10% del seu consum elèctric.
font: www.consumer.es Eroski
A nivell mundial s'estan construint 60 reactors nuclears que augmentaran aquest percentatge al 16%.
font: www.consumer.es Eroski
A espanya però, aquest percentatge encara es molt mes elevat i va arribar al 33,9% l'any 2002 de la energia elèctrica total produïda al estat.
font: www.consumer.es Eroski
Tot i no ser una energia renovable degut a la seva alta eficiencia, pero amb el elevat preu que cal pagar degut a la generació de residus radioactius perillosos que caldrà controlar durant milers d'anys durant els quals caldrà emmagatzemar-los i tenir-los vigilats sota uns controls estrictes per evitar possibles catástrofes.
Tipus de Centrals Nuclears
De centrals nuclears de fusió en podem trobar de dues classes, depenent de si el líquid primari que passa per dins del reactor es fa servir directament per a moure les turbines (BWR) o per escalfar un líquid independent que passa per un circuït secundari, i es quest el que va a les turbines (PWR).
-
Reactors d'aigua a pressió (PWR)
-
Reactors d'aigua en ebullició (BWR)
A continuació es poden veure els esquemes dels dos processos esmenats de forma gràfica:
font: www.consumer.es Eroski
font: www.consumer.es Eroski
Parts de Centrals Nuclear
Una central nuclear es basa generalment en un reactor nuclear o es produeix la fissió, unes turbines que s'alimenten a través de vapor si es un circuït amb intercanviadors independents o amb aigua bullint quan no ho son, un transformador que eleva la tensió de la electricitat generada per a ser transportada, un condensador per tornar el vapor al seu estat líquid de nou, en molts casos (tot i que no es imprescindible sempre) una torre de refrigeració per no trastocar l'entorn natural d'on s'extreu l'aigua que sutiliza al circuït del condensador i evidentment la propia massa d'aigua utilitzada per a la condensació, ja sigui un llac, un riu o del mar.
font: www.consumer.es Eroski
Sistemes de protecció i seguretat d'una Central Nuclear
A les centrals nuclears existeixen diversos tipus de sistemes de protecció i no solament estan orientats a a la seguretat de la instal·lació en cas d'accident:
-
Sistemes de control i protecció del reactor
En una central nuclear es disposa d'instrumentació adequada que permet vigilar el comportament del reactor i mesurar els valors dels seus paràmetres més rellevants (flux neutrònic, temperatures, pressió, nivell del refrigerant al vas, etc.). Aquesta informació és processada pels sistemes de control del reactor que mantenen el funcionament estable de la mateixa controlant, entre d'altres, el seu grau d'inserció de les barres de control dins de el nucli, a més dels valors límit dels paràmetres rellevants que afecten el funcionament del reactor, generant una parada automàtica del reactor mitjançant la inserció ràpida de les barres de control; i associades a aquesta parada es pot produir també la arrencada automàtica dels sistemes de seguretat si s'assoleixen certes condicions, com son la refrigeració, ventilació, alimentació elèctrica, aïllament del edifici de contenció, ...
-
Sistemes de salvaguardes tecnològiques
En el disseny de centrals nuclears, en aplicació del criteri de defensa en profunditat, es disposa d'una sèrie de sistemes de seguretat anomenats salvaguardes tecnològiques i l'objectiu és prevenir o mitigar les conseqüències dels accidents "postulats" (aquells que es consideren creïbles i per als que es dissenyen aquests sistemes). Les avaluacions de la seguretat nuclear que porta a terme el CSN tenen entre els seus objectius principals el supervisar el correcte disseny, manteniment, proves i operació d'aquest tipus de sistemes.
I també es fan simulacres i protocols d'actuació per tal de prevenir no solament el personal de la central, sinó les poblacions annexes.