Central nuclear d'energia o planta nuclear d'energia
Podem generar energia elèctrica mitjançant l'energia nuclear. En una central nuclear, s'genera energia elèctrica mitjançant una reacció nuclear. Aquí, elements radioactius pesants com l'Urani (U235) o el Tori (Th232) es submeten a la fissió nuclear. Aquesta fissió es realitza en un aparell especial anomenat reactor.
Què és la fissió nuclear?
En el procés de fissió, els núcleis dels àtoms radioactius pesants es trencan en dues parts gairebé iguals. Durant aquest trencament de núcleis, es libera una gran quantitat d'energia. Aquesta lliberació d'energia es deu a un defecte de massa. Això significa que la massa total del producte inicial es reduiria durant la fissió. Aquesta pèrdua de massa durant la fissió es converteix en energia tèrmica segons l'equació famosa establerta per Albert Einstein.
El principi bàsic d'una central nuclear és el mateix que el d'una central tèrmica convencional. La única diferència és que, en lloc d'utilitzar el calor generat per la combustió del carbó, aquí, en una central nuclear, s'utilitza el calor generat per la fissió nuclear per produir vapor d'aigua en la caldera. Aquest vapor s'utilitza per fer funcionar una turbina de vapor.
Aquesta turbina és el motor principal de l'alternador. Aquest alternador genera energia elèctrica. Encara que la disponibilitat de combustible nuclear no sigui gran, una quantitat molt petita de combustible nuclear pot generar una gran quantitat d'energia elèctrica.
Aquesta és la característica única d'una central nuclear. Un kg d'urani és equivalent a 4500 tones mètriques de carbó de alta qualitat. Això significa que la fissió completa d'1 kg d'urani pot produir tanta calor com la combustió completa de 4500 tones mètriques de carbó de alta qualitat.
Per això, encara que el combustible nuclear sigui més car, el cost del combustible nuclear per unitat d'energia elèctrica és encara inferior al cost de l'energia generada mitjançant altres combustibles com el carbó i el gasòl. Per afrontar la crisi dels combustibles convencionals en l'era actual, les centrals nuclears poden ser les alternatives més adequades.
Avenços de la Central Nuclear
Com hem dit, el consum de combustible en aquesta central és bastant baix i, per tant, el cost per generar una sola unitat d'energia és bastant menor que amb altres mètodes de generació d'energia convencionals. La quantitat de combustible nuclear necessària també és menor.
Una central nuclear ocupa un espai molt més petit en comparació amb altres centrals convencionals de la mateixa capacitat.
Aquesta central no necessita molta aigua, per tant, no és essencial construir la planta prop de fonts naturals d'aigua. Això tampoc no requereix una gran quantitat de combustible, per tant, no és essencial construir la planta prop d'una mina de carbó o en un lloc on hi hagi bones facilitats de transport. Gràcies a això, la central nuclear es pot establir molt propera al centre de càrrega.
Hi ha grans depòsits de combustible nuclear a tot el món, per tant, aquestes plantes poden assegurar el subministrament continu d'energia elèctrica per milers d'anys.
Inconvenients de la Central Nuclear
El combustible no és fàcilment disponible i és molt car.
El cost inicial de construcció d'una central nuclear és bastant elevat.
La instal·lació i la posada en marxa d'aquesta planta són molt més complexes i sofisticades que les altres centrals convencionals.
Els subproductes de la fissió són radioactius per natura, i poden causar una gran contaminació radioactiva.
El cost de manteniment és més elevat i el nombre de persones especialitzades necessàries per a gestionar una central nuclear és bastant major, ja que es requereix personal format.
Les fluctuacions brusques de càrrega no es poden afrontar eficientment per les centrals nuclears.
Com que els subproductes de les reaccions nuclears són altament radioactius, és un problema molt gran per a la disposició d'aquests subproductes. Només es poden disposar a gran profunditat a la terra o en el mar allunyats de la costa.
Diferents Components d'una Central Nuclear
Una central nuclear té principalment quatre components.
Reactor nuclear
Intercambiador de calor
Turbina de vapor
Alternador
Discutim aquests components un per un:
Reactor Nuclear
En un reactor nuclear, l'Urani 235 es submet a la fissió nuclear. Controla la reacció en cadena que comença quan es realitza la fissió. La reacció en cadena ha de ser controlada, si no, la velocitat d'energia liberada serà ràpida, i hi ha un alt risc d'explosió. En la fissió nuclear, els núcleis del combustible nuclear, com l'U235, són bombardejats per un flux lent de neutrons. A causa d'aquest bombardeig, els núcleis d'Urani es trencen, el que provoca la lliberació d'una gran quantitat d'energia tèrmica, i durant el trencament dels núcleis, es llancen diversos neutrons.
Aquests neutrons llançats s'anomenen neutrons de fissió. Aquests neutrons de fissió provoquen una fissió addicional. Aquesta fissió addicional crea més neutrons de fissió, que afegeixen més velocitat a la fissió. Això és un procés acumulatiu.
Si el procés no es controla, en un temps molt curt, la velocitat de fissió esdevé tan alta que libera tanta energia que hi pot haver una explosió perillosa. Aquest procés acumulatiu s'anomena reacció en cadena. Aquesta reacció en cadena només es pot controlar eliminant els neutrons de fissió del reactor nuclear. La velocitat de la fissió es pot controlar canviant la taxa d'eliminació de neutrons de fissió del reactor.
Un reactor nuclear és un recipient de pressió cilíndric. Les barres de combustible estan fetes de combustible nuclear, és a dir, Urani, i es cobreixen amb moderadors, que generalment es fan de grafite. Els moderadors disminueixen la velocitat dels neutrons abans de la col·lisió amb els núcleis d'Urani. Les barres de control es fan de cadmi, ja que el cadmi és un forti absorbent de neutrons.
Les barres de control s'inserten en la cambra de fissió. Aquestes barres de cadmi es poden abaixar i pujar segons la necessitat. Quan aquestes barres s'abaixen prou, la majoria dels neutrons de fissió són absorbits per aquestes barres, per tant, la reacció en cadena s'atura. De nou, quan les barres de control es pugen, la disponibilitat de neutrons de fissió augmenta, cosa que incrementa la velocitat de la reacció en cadena.
Per tant, és clar que ajustant la posició de les barres de control, es pot controlar la velocitat de la reacció nuclear i, en conseqüència, es pot controlar la generació d'energia elèctrica segons la demanda de càrrega. En la pràctica, el pujar i abaixar de les barres de control es controla per un sistema de retroalimentació automàtic segons la necessitat de la càrrega. No es controla manualment. El calor liberat durant la reacció nuclear es porta a l'intercanviador de calor mitjançant un refrigerant compost per metall de sòdi.
Intercambiador de Calor
En un intercanviador de calor, el calor portat pel metall de sòdi es dissipa en aigua i l'aigua es converteix en vapor d'alta pressió. Després de llançar el calor a l'aigua, el metall de sòdi torna al reactor mitjançant una bomba de circulació de refrigerant.
Turbina de Vapor
En una central nuclear, la turbina de vapor joca el mateix paper que en una central de carbó. El vapor impulsa la turbina de la mateixa manera. Després de fer el seu treball, el vapor d'escapament entra en un condensador de vapor on es condensa per proporcionar espai al vapor darrere seu.
Alternador
