Grau de combustió nuclear

En el camp de la tecnologia de l'energia nuclear, el grau de combustió (en anglés: burnup) (també conegut com a utilisació del combustible) és una mida de quanta energia és extreta d'una font primària de combustible nuclear. És medida tant com una fracció dels àtoms de combustible que es fisionaron en %FIMA (fissions per initial metal atom, en castellà: fissions per àtom metàlic inicial) com per l'energia realment lliberada per la massa inicial del combustible en gigawatts-dies/tonellada mètrica de metal pesat (GWd/MTHM), o una unitat similar.

Archiu:Brennstab 1.png

Quan es crema un element combustible de baix enriquiment (esquerra), la proporció es reduïx a O²³⁵, i a nous elements.

Mides de grau de combustió

Quan s'expressa com un percentage, el grau de combustió és simple: si el 5% dels àtoms de metal pesat inicials es fisiona, el grau de combustió és de 5%. En les operacions d'un reactor, este percentage és difícil de medir, aixina que es preferix la definició alternativa. Esta pot ser calculada multiplicant la potència tèrmica de la planta pel temps d'operació i dividint per la massa de la càrrega inicial de combustible. Per eixemple, si una central de 3000 MW termals (equivalent a 1000 MW elèctrics) usa 24 tonellades mètriques d'urani enriquit i opera un 1 any a plena potència, el grau de combustió promig del combustible és de (3000MW*365)/24 tonellades mètriques = 45,63 GWd/MT, o 45 625 MWd/MTHM (a on HM és per 'heavy metal' o metal pesat en castellà).

La conversió entre percentage i energia/massa requerix conéixer el valor de κ, l'energia lliberada per event de fissió. Un valor normal és de 200 MeV/fissió. En este valor, el grau de combustió màxim és de 100%, lo que inclou la fissió no només del contingut fisible sino que també dels atres radioisòtops fisionables, lo que és equivalent a aproximadament 938 GWd/MT. Els ingeniers nuclears a sovint usen este valor per a estimar en forma aproximada que un 10% de grau de combustió és una miqueta menys de 100 GWd/MT.

El combustible pot ser qualsevol actínit que puga soportar una reacció nuclear en cadena, incloent urani, plutoni, tori i atres combustibles transuránicos més exòtics. Este contingut de combustible a sovint és referit com a metal pesat per a distinguir-ho dels atres metals presents en el combustible, tals com aquells usats per al revestiment. El metal pesat normalment està present ya siga com metal o com òxit, pero atres composts com carburs o unes atres salés són possibles.

Història

Els reactors de generació II normalment estaven dissenyats per a alcançar aproximadament 40 GWd/MTU. En les tecnologies de combustible més noves i particularment l'us de verins nuclears, estos mateixos reactors ara són capaços d'alcançar fins a 60 GWd/MTU. En acabant de que han ocorregut totes eixes fissions, l'acumulació de productes de la fissió obliguen a detindre la reacció en cadena i a apagar el reactor per a que es pot reabastecer a este últim en nou combustible.

S'espera que alguns dissenys més alvançats de reactors d'aigua llaugera alcancen sobre 90 GWd/MT a partir de combustible altament enriquit.

Els reactors de neutrons ràpits són més immunes a l'enverinament dels productes de la fissió i pot alcançar inherentemente majors graus de combustió en un cicle. En 1985, el reactor EBR-II en Idaho va alcançar 19,9% de grau de combustió usant un combustible metàlic, o a penes per baix dels 200 GWd/MT.

El Reactor Modular d'Heli de Combustió Profunda (en anglés: Deep Burn Modular Helium Reactor, DB-MHR) va poder alcançar 500 GWd/MT a partir d'elements transuránicos.

En una central de potència, un alt grau de combustió és desijable pels següents motius:

• Reduir els temps fòra d'operació per a reabastecimiento de combustible
• Reduir la cantitat d'elements de combustible nuclear frescs que es necessiten i també els elements de combustible nuclear gastat generats mentres es produïx una cantitat determinada d'energia
• Reduir el potencial de desviar el plutoni del combustible gastat per a ser usat en la producció d'armes nuclears

També és desijable que el grau de combustió siga lo més uniforme possible tant a l'interior dels elements individuals de combustible com des d'un element a un atre dins de la mateixa càrrega de combustible. En els reactors en reabastecimiento en llínea, els elements de combustible poden ser reposicionados durant l'operació per a ajudar a alcançar este objectiu. En els reactors sense estes instalacions, s'usa el posicionament fi de les barres de control per a equilibrar la reactivitat a l'interior del núcleu, i també el reposicionamiento del combustible restant durant els apagats en el que solament partix de la càrrega de combustible és reemplaçada.