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 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.

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 (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.

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 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

• 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”