1.Introducció del treball i tipus de central.

1.Introducció del treball i tipus de central.
En el treball següent s'explica una de les múltiples maneres d'obtenir energia elèctrica, com es a traves de les
centrals nuclears.
El treball esta dividit en diferents parts, en les diferents parts s'expliquen les parts d'una central, els tipus de
centrals, l'energia que fan servir les centrals, els riscos i el tractament dels residus.
Una central nuclear es el lloc on es transforma l'energia tèrmica de la fissió dels àtoms, en energia elèctrica.
El principi d'una central nuclear s'ha de buscar al desembre de 1942, a la Universitat de Chicago (EEUU),
quan físic Itàlia ENRICO FERMI aconseguí crear la primera reacció nuclear en cadena. Per això utilitzà un
conjunt de blocs de urani natural distribuïts dins de una gran massa de grafit pur (una forma de carboni). A la
pila o reactor nuclear de FERMI, el moderador de grafit frenava els neutrons i feia possible la reacció en
cadena.
Encara que aquí a Catalunya tinguem els Pirineus i siguin una gran font d'energia elèctrica, aprofitant els salts
d'aigua a les centrals hidroelèctriques. Al tarragonès, tenim quatre centrals nuclears dos a Vandellòs i dos a
Ascó.
2.Componets i funcions.
Les parts més importants d'una central nuclear son: el reactor, les turbines, l'alternador i el condensador.
EL REACTOR
El reactor es el lloc on a través de l'energia calorífica que desprèn l'urani en fisionar−se, s'escalfa aigua per
poder obtenir−ne vapor. Per tal de poder controlar aquesta reacció es fan servir les anomenades barres de
control.
BARRES DE CONTROL: El nivell de potencia de un reactor en funcionament es medeix constantment amb
una sèrie d'instruments tèrmics, nuclears i de flux. La producció d'energia es controla, isertant o retirant les
barres de control. La funció de aquestes es absorbir mes o menys neutrons i així frenar o accelerar la reacció.
La forma d'alimentar el reactor amb el combustible (urani ) es a través de les barres de combustible.
BARRES DE COMBUSTIBLE: L'urani, amb un contingut aproximadament del 0'7% d'urani 235 s'obté en
mines subterrànies o a cel obert. El mineral es concentra mitjançant la trituració i es transporta a una planta de
conversió, on l'urani es transforma en el gas hexafluorur d'urani (UF6). En una planta d'enriquiment isotópic
1
per difusió, el gas es fa passar a pressió per una barrera porosa. Les molècules que contenen urani 235, mes
lleugeres travessen la barrera amb més facilitat que les que contenen urani 238. En aquest procés s'enriqueix
l'urani fins a assolir un 3% d'urani 235. El producte enriquit es porta a una planta de fabricació de
combustible, on el gas (UF6) es converteix en òxid d'urani en pols i més tard en blocs de ceràmica que es
carreguen en barres de combustible resistents a la corrosió. Aquestes barres s'agrupen en elements de
combustible i es transporten a la central nuclear.
LES TURBINES
El funcionament de la turbina de vapor es basa en el principi termodinàmic que s'expressa quan el vapor
s'expandeix i disminueix la seva temperatura i es redueix la seva energia interna. Aquesta reducció de
l'energia interna es transforma en energia mecànica per la acceleració de les partícules de vapor, lo que permet
disposar directament de una gran quantitat d'energia. Quant el vapor s'expandeix, la reducció de las seva
energia interna en 400 cal pot produir un augment de la velocitat de les partícules a uns 2900 Km/h. Amb
aquestes velocitats la energia que disposem es molt elevada, a pesar que les partícules son molt lleugeres.
Per a que l'energia del vapor sigui eficient, es necessari utilitzar varies escales en cada una de les quals es
converteix en energia cinètica una part de l'energia tèrmica del vapor. Si es fes tota la conversió dels dos tipus
d'energia en una sola escala, la velocitat rotatòria de l'eix seria excessiva.
A causa del augment de volum del vapor quan s'expandeix, es necessari augmentar a cada escala el tamany de
les obertures a través de les cuals circula el vapor. Aquest augment s'aconsegueix allargant les pales de una
escala a l'altra, i augmentant el diàmetre del tambor o la roda on estan acoblades les pales. També s'agreguen
dos o mes seccions de turbines en paral·lel. Les grans turbines de una central nuclear poden tenir quatre rotors
amb una secció d'alta pressió i flux doble, seguida de tres seccions de baixa pressió i flux doble.
Les turbines de vapor son màquines simples que tenen una sola part mòbil, el rotor. Per altra part, necessiten
alguns components auxiliars per a funcionar: coixinets de contacte pla per sostenir l'eix, coixinets d'empenta
per mantenir la posició axial de l'eix, un sistema de lubricació dels coixinets i un sistema d'estancament que
permeti que el vapor surti de la turbina i que l'aire i entri.
La velocitat de rotació es controla amb vàlvules de admissió de vapor. La caiguda de pressió en les pales
produeix ademes una força axial considerable en les pales mòbils, lo que se sol compensar amb un pistó
equilibrat, que crea al mateix temps una empenta en sentit oposat a la del vapor.
La eficàcia de expansió de les turbines modernes de vares escales es alta, donat l'avançat estat de
desarrollament dels components utilitzats en les turbines, i la
possibilitat de recuperar les pèrdues de una escala en les altres, amb un sistema de recalentament. El
rendiment que s'obté d'aquesta transformació sol superarar el 90%.
PRODUCTORS DE CORRENT ALTERNA (ALTERNADORS)
Un alternador simple sense commutador produirà una corrent elèctrica que canviarà de direcció a mesura que
gira l'armadura.
A vegades es preferible generar un voltatge tant alt com sigui possible. Les armadures rotatòries no son
practiques en aquests tipus d'aplicacions, degut a es poden produir xispes entre les escombrilles i els anells
col·lectors, i poden produir−se errors mecànics que podrien causar curt circuits. Per lo tant els alternadors es
construeixen amb una armadura fixa en la que hi gira un rotor compost per un numero de imants de camp. El
principi de funcionament es el mateix que el generador de corrent alterna. Excepte que el camp magnètic ( en
lloc dels conductors de l'armadura ) està en moviment.
2
La corrent que es genera mitjançant els alternadors descrits més amunt, augmenta fins un pico, cau fins a zero,
baixa fins un pico negatiu i puja una altra vegada a zero varies vegades per segon, depenent de la freqüència
per a la que estigui dissenyada la màquina. Aquest tipus de corrent es coneix amb el nom de corrent alterna
monofasica. Depenent del numero de bobines i l'angle que formin entre elles aquesta corrent s'anomenarà
bifàsica (90º) o trifàsica (120º). La ingenieria elèctrica moderna fa servir sobre tot la corrent alterna trifàsica,
amb l'alternador trifàsic que es la màquina dimo elèctrica que s'emplea normalment per generar potencia
elèctrica.
EL CONDENSADOR
Per a condensar el vapor s'emplea un tercer circuit d'aigua, procedent de un llac, un riu o una torre de
refrigeració. La torre d'un reactor típic te uns 15 metres d'altura i 5 metres de diàmetre, amb parets de 25
centímetres d'espessor. El nucli alberga unes 80 tonelades d'òxid d'urani, contingudes en tubs prims resistents
a la corrosió i agrupats en una faç de combustible.
En el reactor d'aigua en bullició (RAB), l'aigua de refrigeració es manté a una pressió menor, per lo que bull
dins del nucli. El vapor produït en el reactor es dirigeix a les turbines, es condensa i es bombeja de tornada al
reactor. Encara que el vapor es radioactiu, no existeix un intercambiador de calor entre el reactor i la turbina,
amb el fi d'augmentar l'eficiència. L'aigua de refrigeració del condensador prové d'una font independent, com
un llac o un riu.
3.Explicació del funcionament.
En el diagrama de blocs de dalt, es pot observar el diferents canvis energètic que tenen lloc en una central
nuclear.
Una cosa que es pot pensar es que hi han molts canvis energètics, i que pertant les màquines que els efectuen
han de tenir un rendiment molt alt. Si no les pèrdues serien molt grans, i s'hauria de posar molta energia,
perquè la que en sortís fos una quantitat acceptable.
Qualsevol central de producció d'energia elèctrica es solament part d'un cicle energètic global. El cicle del
combustible urani empleat en els sistemes RAL es actualment el més important en la producció mundial
d'energia nuclear.
L'urani no existeix en estat lliure a la naturalesa, si no que es troba com a òxid o sal complexa en minerals
com la carnotita. Te una proporció mitja en l'escorça terrestre de unes parts per milió i, entre els elements
ocupa el lloc 48 en abundància natural. L'urani pur conte mes de un 99% de l'isòtop urani 238, menys d'un 1%
de l'isòtop fusible 235, i quantitats menors de l'urani 234.
Després del descobriment de la fissió nuclear, l'urani es va convertir en un metall estratègic. Al principi, el seu
us estava pràcticament restringit a la producció d'armes nuclears. Al 1954 es va començar a fer servir l'urani
enriquit amb l'isòtop 235 per el desarrollament de plantes nuclears.
PROCESOS DE FUSIÓ I FISSIÓ DE L'URANI
L' energia nuclear pot lliberar−se de dos formes diferents: per fissió d'un nucli pesat o per fusió de dos nuclis
lleugers. En ambdós casos es llibera energia, perquè els productes tenen una energia d'enllaç major que els
reactius. Les reaccions de fusió son difícils de mantindre perquè els nuclis es repel·leixen entre sí, però a
diferencia de la fissió no generen productes radioactius.
L'Urani (Energia Nuclear) escalfa l'aigua a 235º centígrads al reactor (Energia Tèrmica), aquesta produeix
una gran quantitat de vapor (Energia cinètica). Aquest vapor es fa passar per una turbina que fa rodar un eix
3
(Energia de rotació) connectat a un alternador que produeix energia elèctrica.
*Totes les paraules en negreta estan explicades ampliadament amb anterioritat.
4. Tipus de centrals.
Les diferents centrals nuclears es classifiquen segons el tipus de reactor que utilitzen.
REACTORS D'AIGUA A PRESSIÓ
En el reactor d'aigua a pressió (RAP), una versió del sistema (RAL), el refrigerant es aigua a una pressió de
unes 150 atmosferes. L'aigua es bombeja a traves del nucli del reactor, on s'escalfa fins a uns 325ºcentigradas.
L'aigua sobrecalentada es bombeja a la mateixa vegada fins un generador de vapor, on a traves d'un
intercambiador de calor escalfa un circuit secundari d'aigua que es converteix en vapor. Aquest vapor
propulsa un o més generadors de turbines que produeixen energia elèctrica, es condensa, y es bombardejat de
nou al generador de vapor. El circuit secundari esta aïllat del aigua del nucli del reactor, per lo tant, no es
radioactiu. Per condensar el vapor s'emplea un tercer circuit d'aigua, procedent d'un llac, un riu o una torre de
refrigeració.
EL REACTOR D'AIGUA EN EBULLICIÓ
En el reactor d'aigua en ebullició (RAE), un altre tipus de RAL, l'aigua de refrigeració es manté a una pressió
menor, degut això bull dins del nucli. El vapor produït en l'atuell del reactor es dirigeix directament al
generador de turbines, es condensa i es bombeja de tornada al reactor. Tot i que el vapor es radioactiu, no
existeix un intercambiador de calor entre el reactor i la turbina, amb el fi d'augmentar la eficiència. Igual que
amb el RAP, l'aigua de la refrigeració del condensador prové d'una font independent, com un llac o un riu.
REACTORS DE NEUTRONS RÀPIDS
El reactor no utilitza moderador, per tant, les fissions es fan amb neutrons ràpids. Perquè la reacció nuclear es
mantingui és necessari que la quantitat de combustible per unitat de volum sigui molt superior a la dels
reactors tèrmics. La potencia tèrmica obtinguda es molt elevada, i el refrigerant ha de ser molt eficaç. S'hi
utilitza el sodi líquid.
Els reactors reproductors acostumen a tenir un circuit primari de refrigeració, un circuit secundari també de
sodi líquid i un circuit terciari en què s'obté el vapor d'aigua per accionar el grup turbina − alternador.
Hi ha molt poques centrals d'aquest tipus en funcionament, ja que es tracta d'una tecnologia molt recent en
procés d'experimentació.
REACTORS AUTORREGENERATIUS
La característica fundamental d'un reactor autorregeneratius es que produeix més combustible que no
consumeix. Ho aconsegueix fonamentant la absorció dels neutrons sobrants amb un material fèrtil. Existeixen
varis tipus de reactors autorregeneratius factibles. El que més interès ha aixecat a tot el mon fa servir urani
238 com a material fèrtil. Quant l'urani 238 absorbeix neutrons dins del reactor, es converteix en un nou
material fisionable, el plutoni, a traves d'un procés nuclear conegut com desintegració ð (beta). La segona de
les reaccions nuclears es la següent.
4
En la desintegració beta, un neutró del nucli es desintegra per donar lloc a un protó i a una partícula beta.
Quan el plutoni 239 absorbeix un neutró, pot produir−se una fissió i es llibera un promitg de uns 2,8 neutrons.
En un reactor en funcionament, un d'aquests neutrons es necessita per a produir la següent fissió i mantenir en
marca la reacció en cadena. Una mitja o promitg de 0,5 neutrons es perden per absorció en la estructura del
reactor o en el refrigerant.
Els restants 1,3 neutrons poden ser absorbits per l'urani 238 per produir més plutoni a través de les reaccions
indicades a la equació de dalt.
La primera central a gran escala d'aquest tipus empleada per la generació d'electricitat, l'anomenada
Super−Phénix, comença a funcionar a França al 1984. A les costes del mar Caspi s'ha construït una central
d'escala mitja, la BN−600, per producció d'energia i desalinització de l'aigua. A Escòcia existeix un prototipus
de gran tamany amb 250 mega Bats.
Aquestes centrals produeixen un 20% mes de combustible del que consumeix. En un reactor gran, al llarg de
20 anys es produeix suficient combustible per carregar un altre reactor d'energia similar.
5.Seguretat a les centrals nuclears.
S'ha dedicat una enorme atenció a la seguretat dels reactors. En un reactor en funcionament, la major font de
radioactivitat, amb diferència , son els elements de combustible. Una sèrie de barreres impedeix que els
productes de fissió passin a la biosfera durant el funcionament normal. El combustible està a l'interior de tubs
resistents a la corrosió. Les grosses parets d'acer del sistema de refrigeració primari del RAP formen una
segona barrera. La pròpia aigua de refrigeració absorbeix part dels isòtops biològicament importants, com el
iode. L'edifici d'acer i formigó suposa una tercera barrera.
Durant el funcionament d'una central nuclear, es inevitable que es lliberin alguns materials radioactius. La
exposició total de les persones que viuen a les seves proximitats sol representar−se en un percentatge molt
baix de la radiació natural de fons.
Per altra part, les principals preocupacions es centren en la alliberació de productes radioactius causada per
accidents en els que es veu afectat el combustible i fallen els dispositius de seguretat.
El principal perill per la integritat del combustible es un accident de pèrdua de refrigerant, en el que el
combustible resulta danyat o inclus es fon.
El sistemes dels reactors fan servir una complexa instrumentació per vigilar constantment la situació i
controlar els sistemes de seguretat empleats per desconnectar el reactor en circumstancies anòmales. En cas de
que es produsques una ruptura important en una tuberia, gran part del refrigerant es convertiria en vapor, i el
nucli deixaria d'estar refrigerat. Per evitar una pèrdua total de refrigeració del nucli, els reactors estan dotats
amb sistemes d'emergència per refrigerar el nucli, que comencen a funcionar automàticament quan es perd
pressió en el circuit primari de refrigeració. En cas de que es produsques una fuga de vapor a l'edifici de
contenció des de una tuberia trencada del circuit primari de refrigeració, es posarien en marxa refrigeradors
per aspersió per condensar el vapor i evitar un perillós augment de pressió a l'edifici.
La preocupació de la opinió publica en torn a la acceptabilitat de la energia nuclear procedent de la fissió es
deu a dos característiques bàsiques del sistema. La primera es l'elevat nivell de radioactivitat que existeix en
les diferents fases del cicle nuclear, icncluida la eliminació de residus. La segona es el fet de que els
combustibles nuclears urani 235 i plutoni 239 son els materials amb que es fabriquen les alarmes nuclears.
El Consell de Seguretat Nuclear (CNS) es l'organisme encarregat a espanya de vigilar per la seguretat nuclear
5
i la protecció radiològica. Informa sobre la concessió retirada de autoritzacions, inspecciona la construcció,
posada en marxa i explotació de instal·lacions nuclears o radioactives, participa en la confecció de plans
d'emergència i promociona la realització de treballs d'investigació.
6.Tema medi ambient.
La fase del reprocesament del combustible planteja diversos riscs radiològics. Un d'ells es la emissió
accidental de productes de fissió en cas de que es produeixi una fuga en les instal·lacions químiques i els
edificis que les alberguen. Un altre podria ser la emissió rutinària de nivells baixos de gasos radioactius inerts
com el xenó o el criptó.
Una gran preocupació en relació amb el reprocesament químic, es la separació del plutoni 239, un material
utilitzat en la fabricació d'armes nuclears. Al EEUU per exemple no es reprocesa cap combustible per por al
us il·legal d'aquest producte. La millora de les mesures de seguretat en els punts sensibles del cicle del
combustible i l'augment de la inspecció internacional per part de la Agencia Internacional de la Energia
Atòmica sembla ser una de les mesures mes apropiades per controlar els perills de la desviació del urani.
L'últim pas del cicle del combustible nuclear, l'emmagatzematge de residus, segueix sent un dels més
polèmics. La qüestió principal no es tant el perill actual com el perill per a les generacions futures. Molts
residus nuclears mantenen la seva radioactivitat durant milers d'anys, més allà de la duració de qualsevol vida
humana. La tecnologia per guardar els residus de forma que no plantegin cap risc immediat es relativament
simple. La millor solució sembla ser en un emmagatzematge permanent, però amb possibilitat de
recuperar−lo, en formacions geològiques a gran profunditat. En 1988, el govern dels EEUU va elegir un lloc
del desert de Nevada amb una grossa secció de roques volcàniques poroses com el primer dipòsit subterrani
permanent de residus nuclears del país.
7.Localització de les principals centrals catalanes i breu explicació.
A Catalunya tenim quatre centrals nuclears, dos a Ascó, i dos a Vandellòs. Totes dos estan situades al
tarragonès i molt a prop de Tarragona (que te un important port).
VANDELLÒS
Central elèctrica nuclear situada al terme del Baix camp, a cala Jostell, entre l'Hospitalet de l'infant i
L'Ametlla de Mar. Ha estat la primera central nuclear instal·lada al Principat de Catalunya i la tercera de l'estat
espanyol. Aprovada dl 1968, entrà en funcionament comercial pel juny de 1972. El reactor , és alimentat per
urani natural, moderat per grafit i refrigerat per anhídrid carbònic, i va lligat a un conjunt convencional de
producció elèctrica formats per dos turbo alternadors de 250MW de potencia cadascun. El circuit de
refrigeració empra 32 000 litres d'aigua de mar per segon i hi torna a una temperatura de 8 a 10ºC. El
combustible irradiat, unes 100 tones anuals, es enviat a l'estat Francés per ferrocarril. Al marc de 1976 fou
autoritzada l'ampliació de l'emplaçament amb la construcció de dos nous reactors de 1000MW cadascun.
ASCÓ
Grup de dues centrals nuclears situades dins del terme d'Ascó. Foren començades a construir el 1973 per
Westinghouse, dotades d'un reactor PWR. L'explotació comercial fou prevista per al 1982, per bé que una
sèrie d'incidents n'ajornaren la posada en funcionament. Instal·lades a 1400 m del nucli d'Ascó, la seva posada
en funcionament ha provocat una forta oposició per part d'un sector important del poble.
8.Conclusions.
AVENTATGES
6
• Les centrals nuclears son una manera de produir energia elèctrica barata i en gran quantitat.
• En funció de l'energia que produeixen, la que consumeixen es molt petita.
• No es necessita cap requisit especial per construir−ne una ( comparat amb una hidroelèctrica).
• Al no funcionar amb energies com la eòlica, la solar etc. Poden funcionar tot l'any sense cap
problema.
INCONVENIENTS
• Presenten un gran risc, degut a que l'energia que fan servir es molt perillosa per a les persones.
• La construcció d'una central nuclear no es pas barata.
• Un cop posada en marxa ha de funcionar dia i nit, si no parar−la i tornar−la a engegar es molt car.
• Un cop es decideix tancar una central, no es una feina fàcil. No es pot tancar d'un dia per l'altre. S'ha
d'anar tancant per parts i han de passar uns 30 anys avanç la radiació no sigui perjudicial (s'hagi reduït
a la meitat).
• Les centrals nuclears generen uns residus altament radioactius i que tarden un gran nombre d'anys a
desaparèixer. El seu emmagatzematge en un principi es creu segur, però ningú sap com pot afectar les
generacions futures.
9.Bibliografia.
• Enciclopèdia Microsoft Encarta 1998.
• Gran Enciclopèdia Catalana. Volums 5, 15, 16 i segon suplement.
• Llibre de tecnologia. Mc Graw Hill, de Màquines i Mecanismes, ELS MOTORS TÈRMCS.
• Llibre de Tecnologia Industrial. Mc Graw Hill.
• Enciclopèdia multimedia La aventura de la Ciència
7