Centrals elèctriques tèrmiques

Sòlids: Carbó

Mina de carbó

El carbó es una matèria sòlida, lleugera, negra i molt combustible, que resulta de la destil·lació o de la combustió incompleta de la llenya o d'altres cossos orgànics.

Beneficis i inconvenients

Els beneficis o avantatges de la utilització de carbó són:

L'energia que desprèn en la seva combustió, la desprèn de forma regular.

Permet l'obtenció d'una quantitat considerable d'energia, d'una manera senzilla i còmoda.

Les zones d'obtenció de carbó solen estar a prop dels jaciments (cosa que abarateix els costos de transport).

Mentre que els seus inconvenients són:

La seva extracció en mines és perillosa.

És una energia no renovable, per tant, s'esgotarà en un futur no molt llunyà.

La seva combustió produeix greus alteracions mediambientals.

Líquids: Gasoil

El gasoil és una fracció destil·lada del petroli cru, que es purifica especialment per a eliminar el sofre. S'utilitza normalment en els motors diésel i com combustible en llars obertes.

Aquest, té una densitat d'uns 850 grams per litre en comparació de la gasolina d'uns 720 g/L, aproximadament 15% menys. En la combustió, el gasoli allibera 40.9 megajouls (MJ) per litre, i la gasolina sols uns 34.8 MJ/L, un 15% menys.

Beneficis i inconvenients

Els beneficis del gasoil són:

Reduïda volatilitat.

És menys complicat de refinar.

Menys costós de produir i de transportar.

Bo en la seguretat.

Gran relació energia/volum.

Gasos: Gas Natural

Combustió de gas natural

El gas natural és una mescla de gasos composta principalment per metà. Es tracta d'un gas combustible que prové de formacions geològiques, pel que constitueix una font d'energia no renovable.

Beneficis i inconvenients

El gas natural té una sèrie de beneficis, entre els quals destaquen:

El seu rendiment.

L'absència de corrosió.

Augment en la qualitat.

Supressió de l'emmagatzematge.

Reducció de pèrdues.

Combustió controlable i exempta d'agents contaminants.

Però, també té una sèrie d'inconvenients, en quant al seu ús:

El seu elevat consum.

Els costos de la instal·lació.

Efectes contaminants.

Centrals elèctriques nuclears

Reactors de fissió:PWR

Comissió de Regulació Nuclear

Els reactors d'aigua a pressió (per les seves sigles en anglès PWR: Pressurized Water Reactor) són el tipus de reactor comercial més comú, al voltant del 50% de les centrals nuclears operatives en el món són PWR (més de 215). En Espanya, les centrals de Almaraz I i II, Ascó I i II, Vandellós II, Trill i Zorita (ja no en funcionament) són del tipus PWR.

El disseny PWR va anar originalment concebut amb fins militars, per a propulsar submarins atòmics. Per això aquest tipus de reactor és, en comparació d'altres dissenys, relativament petit.

Un dels problemes més greus que sofreixen aquest tipus de reactors és la corrosió dels components en condicions d'operació rutinària. A més, no poden canviar el combustible gastat mentre estan operant, per a fer les recarregues de combustible (requereixen que sigui urani enriquit) és a dir, és necessari detenir el reactor i destapar la part superior de l'atuell. Aquesta operació es realitza, generalment, una vegada a l'any. Això implica que estan inoperativas durant períodes més llargs que altres tipus de centrals nuclears.

En un PWR, el circuit primari de refrigeració està presurizado amb la finalitat d'evitar que l'aigua arribi a el seu punt d'ebullició, d'aquí el nom d'aquest tipus de reactors. El PWR és un dels tipus de reactors més utilitzats a nivell mundial. Hi ha més de 230 reactors tipus PWR en ús per a la generació d'energia elèctrica (els PWR produïxen típicament entre 900 i 1500 MWe), i diversos centenars més que s'usen per a propulsió naval. El PWR va ser dissenyat originalment pel Bettis Atomic Power Laboratory para ser utilitzat com planta d'energia en un submarí nuclear. També, alguos PWR petits han estat utilitzats per a calefacció en regions polars (veure Army Nuclear Power Program).

Beneficis i inconvenients

Esquema d'un reactor de tipus PWR

Els beneficis o avantatges d'aquests tipus de reactors són:

Són molt estables causa de la seva tendència a reduir la seva potència davant increments de temperatura, això ajuda a reduir la possibilitat de perdre el control de la reacció en cadena.

Poden ser operats amb un nucli que conté menys material fisible que el necessari per assolir la condició de criticitat amb neutrons instantanis (en anglès, indicador critical). Això redueix la possibilitat que el reactor tingui una pujada incontrolada de la potència i és una de les característiques de seguretat dels PWR.

Es pot veure també com avantatge el fet que en utilitzar urani enriquit com a combustible, els PWR poden utilitzar aigua ordinària com a moderador en lloc de necessitar aigua pesant la producció és costosa. No obstant, aquest avantatge és relativa, ja que el procés d'enriquiment d'urani també és un procés costós.

Per altra banda, els seus inconvenients són:

Element combustible d'un reactor de tipus PWR, creat per l'empresa multinacional Backcock and Wilcox

L'aigua del sistema refrigerant primari ha de ser pressuritzat a altes pressions per mantenir l'aigua en fase líquida a les temperatures de treball del reactor. Això posa requeriments exigents sobre les canonades i el recipient de pressió del reactor i per tant incrementa els costos de construcció. També això incrementa el risc davant d'un accident amb pèrdua de refrigerant del sistema primari.

No poden canviar el combustible gastat mentre estan operant. Això limita l'eficiència del reactor i també implica que ha de sortir d'operació per períodes més llargs que altres tipus de centrals nuclears.

L'aigua calenta del primari amb àcid bòric dissolt és corrosiu per a l'acer inoxidable, causant que els productes de corrosió (que són radioactius) circulin pel circuit primari. Això limita la vida útil del reactor ia més requereix de sistemes especials per al filtratge dels productes de corrosió, la qual cosa incrementa el cost del reactor.

L'aigua ordinària és més absorbent de neutrons que l'aigua pesant. Per tant en utilitzar aigua ordinària com a moderador cal utilitzar urani enriquit com a combustible, la qual cosa incrementa el cost del combustible. En el cas dels reactors que fan servir aigua pesant, és possible utilitzar urani natural com a combustible, però el cost en aquest cas està en la producció de l'aigua pesant.

Atès que l'aigua actua com a moderador de neutrons, no és possible construir un reactor ràpid amb un disseny de PWR. Per aquesta raó no és possible construir un reactor ràpid reproductor que utilitzi aigua com refrigerant. No obstant això és possible construir un reactor reproductor tèrmic utilitzant aigua pesant.

Reactors de fissió:BWR

Esquema d'un reactor de tipus BWR

Els reactors d'aigua en ebullició (per les seves sigles en anglès BWR) són el segon tipus més comú, hi ha 90 en funcionament en tot el món. En Espanya, les centrals de Cofrents i Santa María de Garoña són del tipus BWR.

El reactor d'aigua en ebullició (BWR) va ser desenvolupat a partir del reactor d'aigua a pressió, en un intent per modificar el PWR per a simplificar el seu disseny i millorar la seva eficiència. Aquesta modificació no ha millorat la seguretat, construint-se un reactor que encara presenta gairebé totes les característiques de risc dels PWR i introduint alhora un gran nombre de nous problemes.

La corrosió és també un seriós problema en aquests reactors, que ha estat detectat en molts reactors d'aquest tipus. Un dels exemples més greus a nivell mundial és el de la central espanyola de Santa María de Garoña. El seu reactor sofreix un problema creixent de agrietamiento per corrosió, que afecta greument a una sèrie de components de l'atuell del reactor. A més el Consell de Seguretat Nuclear ha reconegut que aquest problema va a seguir empitjorant inexorablement.

Beneficis i inconvenients

Els seus beneficis són:

L'atuell del reactor i els seus components associats operen a una pressió notablement baixa (al voltant de 75 vegades la pressió atmosfèrica) en comparació amb un PWR (unes 158 vegades la pressió atmosfèrica).

L'atuell del reactor està sotmesa a una irradiació notablement menor en comparació amb un PWR, i per tant no es torna tan fràgil amb l'edat.

Opera amb una temperatura del combustible nuclear menor.

El rendiment d'aquest tipus de reactor és lleugerament superior al dels reactors PWR a causa de l'eliminació de l'intercanviador de calor entre els circuits primari i secundari que necessita aquest últim.

El reactor té un coeficient de realimentació de potència negatiu fortament dominat pel coeficient de realimentació per buit (fracció de vapor en el reactor). Això resulta en una característica de seguretat intrínseca d'aquest tipus de reactors on un esdeveniment que resultés en un increment de potència al reactor resultaria en un augment de la proporció de vapor en el reactor. A causa del coeficient de buit negatiu, això resultaria en una tendència a reduir la potència del reactor. Aquesta característica, sumada al coeficient de realimentació per temperatura que també és negatiu fa que els BWR siguin reactors molt estables i controlables.

Per altra part, els seus inconvenients són:

Càlculs operacionals complexos per manejar l'ús del combustible nuclear en els elements combustibles durant la producció d'energia a causa del flux bifàsic (líquid i vapor) a la zona superior del nucli (a penes un problema amb els ordinadors moderns), i són necessaris més instruments en l'interior del nucli.

Requereix d'un atuell de pressió molt més gran que la d'un PWR de similar potència, la qual cosa redunda en un major cost (no obstant això, els costos totals es veuen reduïts perquè els BWR moderns no tenen generadors de vapor i les seves canonades associades).

Contaminació de la turbina per productes de fissió (no és un problema amb la moderna tecnologia de combustibles).

És necessària protecció i controlar l'accés a les turbines de vapor durant el seu funcionament normal a causa dels nivells de radiació provinents del vapor, el qual entra directament des del nucli del reactor. A més, s'han de prendre precaucions addicionals durant les tasques de manteniment de la turbina en comparació amb els PWR.

Les barres de control s'han d'introduir des de baix, i per tant no podrien caure dins del reactor pel seu propi pes en cas d'una pèrdua total de la potència (en la majoria dels altres tipus de reactors les barres de control estan suspeses per electroimants, de tal manera que si hi ha una pèrdua total de potència aquestes caurien pel seu propi pes).

Reactors de neutrons ràpids

La caracteristica principal és que no utilitza moderador, com a conseqüència, les fissions es realitzen amb neutrons ràpids. L'únic inconvenient és que per tal de mantenir la reacció nuclear, és necessari que la quantitat de combustible per unitat de volum sigui molt superior a la dels reactors tèrmics. La potència tèrmica és molt elevada i s'utilitza sodi liquid com a refrigerant. Com a combustible s'utilitza U235 o Pu239 recobert per U238, que en abosrbir neutrons es converteix en Pu239. D'aquesta manera també es pot anomenar reactors reproductors, ja que s'obté més combustible del que es gasta. Hi ha poques centrals d'aquest tipus, ja que aquesta tecnologia es troba en fase d'experimentació. El rendiment obtingut pot ser 60 vegades superior al dels reactors tèrmics. Consten d'un circuit primari de refrigeració, un circuit secundari de sodi líquid i un circuit terciari d'on s'obté vapor d'aigua per accionar el grup turbina-alternador.

Beneficis i inconvenients

Alguns beneficis d'aquest tipus de reactors són:

De mitjana, més neutrons per fissió són produïts a partir fissions causades per neutrons ràpids que per neutrons tèrmics. Això es tradueix en un major superàvit de neutrons més enllà dels necessaris per mantenir la reacció en cadena. Aquests neutrons es pot utilitzar per produir combustible extra, o per transmutar els residus de llarga vida mitjana a menys d'isòtops problemàtics, com es va fer en el reactor Phénix de Marcoule a França, o alguns es poden utilitzar per ambdós propòsits. Els reactors tèrmics també produeixen excés de neutrons, mentre que els reactors ràpids poden produir prou d'ells per criar més combustible del que consumeixen.

Els neutrons ràpids també tenen un avantatge en la transmutació de residus nuclears. La raó d'això és que la relació entre la fissió i la secció transversal d'absorció de la secció transversal del plutoni o d'un núclid d'un actínid minoritari sol ser major en un espectre ràpid que en un espectre tèrmic o epitermal.