Combustible nuclear

Procés de producció del combustible nuclear.

Es denomina combustible nuclear a tot aquell material que haja segut adaptat per a poder ser utilisat en la generació d'energia nuclear.

El terme combustible nuclear pot referir-se tant al material físil o fèrtil tant al material nuclear en sí mateixa com al conjunt ensamblado utilisat en el reactor, és dir, els elements combustibles, composts per barres que contenen el material físil en el seu interior, junt en el moderador i atres components estructurals del reactor.

El procés més utilisat i conegut és la fissió nuclear. El combustible nuclear més comú està format per elements fisibles com l'urani, generant reacciones en cadena controlades dins dels reactors nuclears que es troben en les centrals nuclears. l'isòtop utilisat més habitualment en la fissió és el ²³⁵O.

Els processos de producció del combustible nuclear que comprenen la mineria, refinat, purificat, la seua utilisació i el tractament final de residus, conformen en el seu conjunt el denominat cicle del combustible nuclear.

Un atre procés nuclear que pot ser utilisat és la fusió. En dit procés s'utilisen com a combustible isòtops llaugers com el triti i el deuteri.

Atres elements com el ²³⁹Pu i uns atres s'usen per a produir chicotetes cantitats d'energia per mig de processos de desintegració radiactiva en els generadors termoelèctrics de radioisòtops o en atres tipos de piles atòmiques.

Fabricació de combustible nuclear

Artícul principal → Cicle del combustible nuclear.

El combustible nuclear utilisat pels reactors d'aigua a pressió (PWR) i d'aigua en ebullició (BWR) es fabrica a partir de l'urani natural. L'urani tal com es troba en la naturalea està format per tres tipos d'isòtops: urani-238 (²³⁸O), urani-235 (²³⁵O) i urani-234 (²³⁴O). La composició percentual de l'urani naturals: 99,28% de ²³⁸O, 0,71% de ²³⁵O i 0,005% de ²³⁴U. Els reactors PWR i BWR funcionen obtenint l'energia de la fissió dels àtoms de ²³⁵O continguts en el combustible i d'atres reaccions nuclears, principalment la fissió de el ²³⁹Pu generat per activació de el ²³⁸U.

Per a que els reactors moderats per aigua llaugera (PWR, BWR, VVER, ...) puguen funcionar és necessari aumentar la proporció de l'isòtop ²³⁵O des del 0,71% en el que es presenta en la naturalea fins a una concentració d'entre el 2% i el 5%, per mig d'un procés cridat enriquiment d'Urani.

Per a poder utilisar l'urani en un reactor nuclear és necessari realisar una série de processos químics i físics per a convertir-ho des de la forma mineral en que es troba en la naturalea als pellets d'òxit ceràmic que es carreguen en el núcleu d'un reactor nuclear. Són fonamentalment quatre o cinc passos, les imàgens adjuntes ilustren el material obtingut despuix de cada pas:

1. Primer, s'extrau urani de la terra i es tritura i processa (habitualment es dissol en àcit sulfúric) per a obtindre la "yellow cake" (coca groga).

1. El següent pas consistix en, be convertir l'urani en UF₆ per al seu enriquiment en l'isòtop 235 abans de reconvertir-ho en òxit d'urani, be botar-se esta etapa passant al quart pas, com es fa en el combustible CANDU.

• 
  1 Mineral d'urani – principal matèria primera del combustible nuclear.
• 
  2 Yellow cake (Coca groga) – forma en la que l'urani es transporta a la planta d'enriquiment.
• 
  3 UF6 – utilisat per a l'enriquiment.
• 
  4 Combustible nuclear – sòlit, compacte, químicament inerte i insoluble.

Tipos de combustibles per a reactors de fissió nuclear

Combustibles a pur de òxits

Diòxit d'Urani (UO₂)

Este combustible és el que utilisen la majoria dels reactors PWR i BWR en operació.

El diòxit d'urani s'utilisa en forma de ceràmic sòlit negre. En ser un material ceràmic, el diòxit d'urani posseïx una baixa conductivitat tèrmica, lo que resulta en una elevada temperatura en la zona central de les pastilles combustibles quan es troben en un reactor nuclear. La conductivitat tèrmica és una funció de la porosidad del material i del grau de cremat que posseïxca el combustible (es denomina "cremat del combustible" al percentage d'àtoms d'urani inicials que han fisionado). La fissió genera atres isòtops que afecten al combustible, al seu comportament i a les seues propietats. Alguns productes permaneixen dissolts en el material combustible (com els lantànits), uns atres precipiten com per eixemple el Paladi i uns atres formen bombetas que contenen productes com el Xenón o el Kriptón. El combustible també es veu afectat per les radiacions, pels desplaçaments per la reculada dels fragments de fissió en produir-se esta reacció i per les tensions d'orige tèrmic. Un aument de porosidad dona lloc a una disminució de la conductivitat tèrmica i a l'unflat del material combustible.

El diòxit d'urani es pot obtindre per reacció de nitrat d'urani en una base d'amoni per a formar un sòlit (uranato d'amoni, el qual es calfa (calcina) per a formar O₃O₈ que, llavors, pot convertir-se calfant-ho en una mescla d'argón / hidrogen a (ORDC) per a formar UO₂. El UO₂ es mescla en un vinculador orgànic i es comprimix en bolitas (cridats pellets), que són cremats a una temperatura molt més alta (en atmòsfera d'H₂/Ar) para sinterizar el sòlit. El propòsit d'este sinterizado és conseguir un sòlit que tinga un baix grau de porosidad.

Òxits mixts (MOX)

Artícul principal → Combustible nuclear de mescla d'òxits.

El Combustible nuclear de mescla d'òxits, Òxit mixt, combustible MOX o simplement MOX, és una mescla de plutoni i urani natural o empobrit que es comporta en un reactor de forma similar al urani enriquit que alimenta la majoria dels reactors nuclears. El MOX és una alternativa al combustible d'urani enriquit utilisat en la majoria dels reactors comercials del món.

S'han mostrat algunes preocupacions sobre el fet de que els núcleus de MOX plantejarien algunes qüestions sobre la gestió dels residus d'alta activitat que generen. No obstant el MOX és a la seua volta una solució per al tractament, per mig de fissió, dels sobrants de plutoni de les centrals que utilisen combustibles d'urani.

Actualment (2005) el reprocesamiento de combustible nuclear comercial per a obtindre MOX es realisa en Anglaterra, França i en menor mida en Rússia, Índia i Japó. China té plans per a desenrollar reactors reproductors ràpits i reprocesar.

Combustibles per a reactors nuclears d'investigació

Els reactors d'investigació són els utilisats en universitats i instituts d'investigació. Estos reactors posseïxen potències uns tres órdens de magnitut inferiors a les potències d'un reactor de generació industrial d'electricitat. Ademés els reactors d'investigació operen a temperatures i pressions molt menors sobre els comercials, i no generen electricitat. Els reactors d'investigació permeten capacitar personal en tècniques nuclears, investigar propietats de la matèria, irradiar materials per a produir radioisòtops d'aplicació en medicina nuclear, realisar radiografies per neutrons, realisar anàlisis per activació neutrónica i irradiar silici per a produir material base per a semiconductors (tècnica coneguda com Silicon NTD), entre atres aplicacions.

En estos reactors s'utilisa urani enriquit en un percentage d'un 12% a un 19.75% en ²³⁵U.

Alguns d'estos reactors d'investigació utilisen combustibles formats per caixes que estagen unes 20 plaques d'alumini en que el seu interior està contingut l'Urani. L'urani es troba dissolt en l'interior de cada placa en forma d'O₃O₈, UAl_x o O₃Si₂.

Atres reactors denominats TRIGA (Training, Research, Isotopes, General Atomics, en anglés, corresponents a Entrenament, Investigació, Isòtops, "General Atomics") utilisen combustible en forma de barres. El combustible TRIGA està compost per una matriu d'hidrur d'urani-zirconio. Molts núcleus que usen este combustible són de "altes pèrdues", a on els neutrons que fuguen del núcleu del reactor són utilisats per a investigació.

Combustibles líquits

Sales foses

Estos combustibles es troben dissolts en el refrigerante. S'han utilisat en els reactors de sals foses i en numerosos experiments en reactors de núcleu líquit.

El combustible líquit utilisat en el reactor de sal fosa és LiF-BeF₂-ThF₄-UF₄ (72-16-12-0,4 mol). La seua temperatura màxima de funcionament és de 705 °C, pero pot soportar temperatures majors ya que el seu punt d'ebullició excedix els 1400 °C.

Solucions acuosas de sals d'urani

El reactor homogéneu acuoso utilisa una solució de sulfat d'urani o atres sals d'urani en aigua. Este tipo de reactor homogéneu no s'ha utilisat per cap reactor de gran energia. Una de les seues desventages és que el combustible, en cas d'accident, té una presentació que favorix que es disperse fàcilment.

Nitrur d'urani

Est és a sovint el combustible d'elecció per als dissenys de reactor que fabrica la NASA. Una ventaja és que el UN té una millor conductivitat tèrmica que el UO₂. El nitrur d'urani té una temperatura de fusió molt elevada. Este combustible té l'inconvenient de que, a menys de que s'utilise ¹⁵N (en lloc del més habitual ¹⁴N), es generarà una gran cantitat de ¹⁴C del nitrogen per la reacció pn. Com el nitrogen necessari per a produir este combustible és sumament costós, seria llògic que el combustible tinguera que ser reprocesado per mig d'un método pirolítico a fi de permetre recuperar el ¹⁵N. També és llògic que si el combustible fora processat i dissolt en àcit nítric el nitrogen enriquit en ¹⁵N quedaria diluït en l'habitual ¹⁴N.

Carbur d'urani

Atre combustible que s'ha sugerit, novament té una millor conductivitat tèrmica que el diòxit d'urani.

Presentacions físiques habituals del combustible nuclear

Per al seu us com a combustible en reactors nuclears, el UF₆ produït en Urani enriquit en l'isòtop ²³⁵O, deu ser convertit en pols de diòxit d'urani (UO₂), que llavors és processat donant-li forma de chicotetes partícules. Les partícules són comprimides i horneadas a altes temperatures, horneados, en un procés cridat sinterización durant el qual les partícules s'adherixen entre sí, formant menuts cilindres (pellets) ceràmics d'urani enriquit. Els pellets cilíndrics llavors són rectificats per mig de tornos especials per a conseguir un tamany uniforme.

A continuació, els pellets són introduïts en tubos metàlics d'una aleació resistent a la corrosió, estos tubos són cridats baïnas combustibles. Els tubos que contenen els pellets de combustible són tancats per mig de tapons soldats en els seus extrems: estos tubos en la seua càrrega de pellets d'urani són cridats agranes combustibles. Les agranes combustibles terminades s'agrupen formant fas, manojos o elements combustibles, cada fes en entre 100 a 400 agranes combustibles depenent la cantitat del disseny específic de cada reactor. Un núcleu d'un reactor nuclear conté varis centenars de fas o manojos de combustible.

El metal de les baïnes depén del disseny del reactor- en el passat s'utilisava acer inoxidable, pero actualment la majoria de reactors utilisen una aleació de zirconio. Per als tipos més habituals de reactors (BWR i PWR) els tubos es ensamblan en fas o manojos en els tubos espayats a distàncies precises. A estos fas o manojos se'ls assigna un número d'identificació únic, lo que permet la seua trazabilidad en tot el cicle (des de la seua fabricació, fins al seu almagasenament com a material irradiado usat, passant pel seu us en el reactor).

Combustible per a reactors PWR

Element combustible PWR. Element combustible del reactor d'aigua presurizada del barco de passagers i càrrega NS Savannah. Dissenyat i construït per Babcock and Wilcox Company.

El combustible del reactor d'aigua presurizada (PWR) està compost per barres cilíndriques organisades en fas, manojos o elements de combustible. L'òxit d'urani ceràmic és conformat en menuts cilindres (pellets) que s'inserten en tubos d'una aleació rica en zirconio cridada Zircaloy. Estos tubos, cridats baïnes, són tancats herméticamente en tapons soldats. Els tubos de Zircaloy tenen al voltant de 1 cm de diàmetro. Hi ha al voltant de 179-264 barres de combustible per element combustible, i el núcleu d'un reactor estaja des de 120 a 200 elements combustibles segons el seu disseny. Generalment, els elements combustibles són de secció travessera quadrada, estant armats en barres combustibles ordenades en conjunts de 14x14 a 17x17. Els elements combustibles per a reactors PWR tenen prop de 4 m de llarc. En els elements combustibles PWR, les barres de material absorbent que s'utilisen per a controlar la reacció nuclear ("barres de control") s'inserten per la part superior en llocs especials dins de l'element combustible. Els elements combustible normalment estan enriquits en diversos percentages de ²³⁵U. L'òxit d'urani és secat abans d'insertar-ho en els tubos per a eliminar la humitat en el combustible ceràmic que podria ocasionar corrosió i fragilitat induïda per hidrogen. Els tubos de Zircaloy estan presurizados en heli per a intentar minimisar l'interacció entre la baïna (o “cladding” en anglés) dels pellets (PCI) que pot dur a fallos de la barra de combustible durant llarcs periodos.

Combustible per a reactors BWR

En el reactor d'aigua en ebullició (BWR), el combustible és similar a el de el PWR excepto que els fas o manojos de barres combustibles estan continguts dins d'un tubo metàlic de secció quadrada. Açò es fa per a previndre variacions de densitat del refrigerante (aigua) ocasionades per la distribució de generació de calor i existència de vapor en el núcleu. En els fas de BWR, hi ha al voltant de 500-800 agranes combustibles en cada element combustible. Cada barra combustible per a BWR està reblida en heli a una pressió de prop de tres atmòsfera (300 kPa).

Combustible per a reactors CANDU

Fas o manojos de combustible CANDU Dos fas o manojos de combustible CANDU, cada u d'aproximadament 50 cm de llarcs i 10 cm de diàmetro. Foto cortesia de Atomic Energy of Canada Ltd.

Els fas o manojos de combustible per a reactors CANDU medixen al voltant de mig metro de llarc i 10 cm de diàmetro. Estan formats per tubos de zirconio contenint pellets sinterizados de (UO₂) continguts, els tubos o baïnes estan soldats en els extrems a plats de zirconio. Cada fes o manojo pesa al voltant de 20 kg i el núcleu d'un reactor pot aplegar a contindre uns 4500 fas o manojos. Els models moderns normalment tenen 37 barres de combustible idèntiques dispostes radialment al voltant de l'eix llongitudinal del fes o manojo, pero en el passat es varen utilisar diverses configuracions i números de barres. Els dissenys actuals de el CANDU no necessiten urani enriquit para alcança el punt crític (pel seu més eficient moderador de neutrons d'aigua pesada, no obstant, alguns nous conceptes exigixen un baix enriquiment per a ajudar a reduir el tamany dels reactors.

Atres tipos de combustible nuclear menys habituals

Existixen unes atres vàries presentacions de combustible nuclear per a aplicacions específiques, pero carixen de l'ampli us de les utilisades en les plantes d'energia de BWR, PWR, i CANDU. Molts d'estes presentacions solament es troben en reactors d'investigació, o tenen aplicacions militars.

Combustible compacte TRISO

Partícula de combustible TRISO, fragmentada per a mostrar les múltiples capes cobertoras.

Els combustibles tri-isotrópicos (TRISO) varen ser desenrollats inicialment en Alemània per a reactors d'altes temperatures refrigerats per gas. En els combustibles TRISO, el carbur d'urani està revestit per vàries capes de carbó pirolítico i diòxit de silici per a retindre els productes de fissió a elevades temperatures. Estos combustibles es molejaven en esferes de grafit (per a reactors de llit d'esferes) o en barres de combustible de grafit (per a reactors prismàtics en núcleus refrigerat per gas). Actualment, este tipo de combustibles s'utilisen en el HTR-10 en China, i en el HTTR en Japó, els quals són reactors experimentals. Els combustibles compactes TRISO podrien utilisar-se també en els dissenys PBMR i GT-MHR, si tals dissenys anaren construïts. La primera planta d'energia en utilisar este combustible va ser el THTR-300.

Combustible CerMet

El combustible CerMet està format per partícules de combustible ceràmic (normalment òxit d'urani) estajades en una matriu metàlica. S'ha especulat que este tipo de combustible és l'utilisat en els reactors dels portaavions i submarins nuclears de la US Navy. Este combustible posseïx un elevat coeficient de transferència tèrmic i pot soportar un gran volum d'expansió.

Combustible tipo placa

Núcleu del Reactor de Proves Alvançat. Este reactor utilisa combustible del tipo placa en una distribució en fulls de trébol.

El combustible de tipo placa ha anat guanyat posicions en el transcurs dels anys. Actualment s'utilisa en el Reactor de Proves Alvançat en el Laboratori Nacional de Idaho.

Combustible d'òxit usat

El combustible d'òxit usat és una mescla complexa de productes de fissió, urani, plutoni i metals transplutónicos. El combustible que s'ha utilisat a altes temperatures en els reactors d'energia és normal que no siga homogéneu, a sovint conté nanopartículas de metals del grup del platí tals com el paladi. També és freqüent que el combustible s'haja badat, formant protuberàncies o haja segut utilisat a temperatures propenques al seu punt de fusió. Encara que el combustible usat pot badar-se, és molt insoluble en aigua, i pot retindre la gran majoria d'actínits i productes de fissió dins del diòxit d'urani.