Erreaktore nuklearra
Erreaktore nuklearrak sailkatzeko, bi irizpide nagusi daude. Lehena, erreaktorea zertarako erabiltzen den, eta bigarrena, fisioa eragiteko erabiltzen diren neutroien energia-maila.
Erabileraren arabera, bi erreaktore-mota ditugu: potentzia-erreaktoreak eta ikerkuntza-erreaktoreak. Potentzia-erreaktoreen helburua energia erabilgarria lortzea da, hau da, elektrizitatea, beroa edo propultsioa. Ezbairik gabe, energia elektrikoa ekoizteko erreaktoreak dira erabilienak. Erreaktore nuklearren bidezko propultsioa zenbait urpekotan eta izotz-haustekotan erabiltzen da. Horiez gain, potentzia-erreaktore berezi batzuk ere badaude, erregai nukleartzat erabil daitezkeen material fisionagarriak ekoizten dituztenak (erreaktore birsortzaileak). Azkenik, ikerkuntza-erreaktoreak ditugu, helburutzat I+G, isotopoak lortzea, materialen saiakuntzak egitea, etab. izan dezaketenak.
Fisioa eragiteko erabiltzen diren neutroien energia-mailaren arabera, erreaktore termikoak (neutroi geldo edo termikoak erabiltzen dituztenak) eta erreaktore lasterrak ditugu. Potentzia-erreaktoreak lasterrak zein termikoak izan daitezke, baina erreaktore birsortzaileak lasterrak dira beti.
Egitura
Funtsean, erreaktore nuklearra erregai nuklearraren fisioa gertarazteko, kontrolatzeko eta askatzen den beroa fluido bati transmitituz kanporatzeko aukera eman behar duen gailua da (Ik. fisio nuklear). Horretarako osagai nagusiak hauek dira: fisionatzen den erregai nuklearra, fisioan askatzen diren neutroi lasterrak neutroi termiko bihurtzen dituen moderatzailea (erreaktore termikoetan), beroa xurgatzen duen hozgarria eta erreakzioaren abiadura kontrolatu ahal izateko material neutroi-xurgatzailez egindako kontrol-barrak. Erregai nuklearra eta moderatzailea biltzen dituen egiturari erreaktore-gune edo erreaktorearen nukleo deritzo (hozte-zirkuituak horren barruan duen atala ere gunearen zatitzat hartu ohi da). Erreaktorearen osagaiak ontzi-moduko estalki baten barnean daude.
Erregai nuklearra
Fisionatzen den isotopoa duen materiala da. Potentzia-erreaktore gehienetan, uranioa edo uranio-konposatuak erabiltzen dira. Erreaktore batzuetan, uranio-konposatuez gain, plutonio-konposatuak ere erabiltzen dira (MOX esaten zaio plutonio eta uranio oxidoen nahasteari). Badira, azkenik, uranio- eta torio-konposatuak erabiltzen dituzten bakar batzuk. Isotopo erabiliena neutroi termiko edo geldoez fisionatzen den uranio-235 delakoa da. Gehienetan, uranio aberastua (naturako uranio-elementua baino uranio-235 gehiagokoa) behar izaten da, kate-erreakzioak kritikotasuna erdiets dezan (Ik. kate-erreakzio). Erreaktore batzuek (ur astuna erabiltzen duten CANDU motakoek) uranio naturala erabiltzen dute. Erreaktore birsortzaileetan, uranioaz gain, uranio-238 isotopoak neutroi lasterrak harrapatzean eratzen den plutonio-239a fisionatzen da. Erregai nuklearra erregai-multzo izeneko egituretan antolatzen da. Eskuarki, erregai-multzoa hainbat zorroz osatuta dago, eta zorroaren barnean erregai nuklearra bera dago, pastilla moduan. Zorroaren eginkizunak dira erregaia erraz erabili ahal izatea, ihesik gerta ez dadin ingurunetik isolatzea eta moderatzailearen eta hozgarriaren arteko kontaktu-azalera handiagoa izatea.
Moderatzailea
Fisioan askatzen diren neutroi lasterrak neutroi geldo edo termiko bihurtzen ditu osagai honek. Horretarako, neutroia xurgatu gabe, haren energia-maila beheratu behar du. Gairik erabilienak ur arrunta, ur astuna eta grafitoa dira. Erreaktore birsortzaileetan, neutroi lasterrak erabiltzen baitituzte, ez da moderatzailerik.
Hozgarria
Fisioan askatzen den bero-energia xurgatzen duen gaia da. Berez, fisioaren ondoriozko energia fisio-zatien energia zinetikoa da nagusiki, baina inguruneko gaiek berehala moteldu edo geldiarazten dituzte, eta energia zinetiko gehiena bero-energia bihurtzen da. Hozgarria zirkuitu itxian dabilen fluidoa da. Erreaktore-mota batzuetan, hozgarria eta moderatzailea fluido berbera dira. Hozgarri erabilienak ur arrunta, ur astuna, helioa, karbono dioxidoa eta, erreaktore birsortzaileetan, metal likidoa (sodioa) dira. Beroa xurgatu ondoren, hozgarriak bero-trukagailuaren bitartez beste zirkuitu bateko fluido bati (normalean, urari) transmititzen dio gehienetan beroa. Ondorioz, ura lurrundu egiten da, eta lurruna sorgailu bati eragiten dion lurrun-turbinara bideratzen da. Ur arruntez hoztutako erreaktore batzuetan (BWR izenekoetan), bi zirkuitu antolatu beharrean, zirkuitu bakarra dago, eta erreaktorearen gunea hozten duen hozgarriak berak birarazten du turbina. Hozgarritzat helioa darabilten erreaktoreetan (HTGR), hozgarriak gas-turbina bati eragin diezaioke zuzenean.
Kontrol-barrak
Fisio-erreakzioaren abiadura kontrolatzeko (hau da, erreaktorearen potentzia kontrolatzeko), edo behar denean geldiarazi eta abiarazteko, kontrol-sistemak dira. Neutroiak ondo xurgatzen dituzten materialez eginak dira, normalean borozkoak edo kadmiozkoak. Erreaktorearen gunean sartu eta irteteko mekanismoen bidez, erreakzioa bizkortu, moteldu edo erabat gelditzeko aukera ematen dute. Bete beharreko eginkizunaren arabera, kontrol-barra desberdinak egoten dira.
Erreaktore-ontzia
Egitura honek erreaktorearen osagaiak dauzka, hozgarriak bertatik zirkulatzen du eta kontrol-barrak higitzeko aukera ematen du. Hozgarria ontzira sartu eta, guneko beroa xurgatutakoan, irten egiten da. Erreaktorearen osagaien eta bero-energia aprobetxatzeko sistemaren arabera egokiak diren presioa eta tenperatura mantentzen ditu. Ontzia osatzen duten materialek ezaugarri berezikoak behar dute izan, hango kondizio mekaniko, termiko eta erradiologikoetan behar bezala erantzun ahal izateko.
Motak
Erreaktoreak sailkatzeko, moderatzailearen eta hozgarriaren araberako sailkapena da erabiliena. Horrela, gaur egungo potentzia-erreaktoreak bost taldetan bil daitezke: moderatzaile eta hozgarri moduan ur arrunta darabiltenak (LWR), moderatzaile eta hozgarri moduan ur astuna darabiltenak (PHWR), hozgarri moduan gasa darabiltenak (GCR), moderatzaile moduan grafitoa eta hozgarri moduan ur arrunta darabiltenak (LWGR) eta hozgarri moduan metal likidoa darabilten erreaktore birsortzaile lasterrak (LMFBR).
gaur egungo potentzia-erreaktoreak
Ur presurizatuko erreaktorea (PWR)
Erreaktore erabiliena da. Hozgarria eta moderatzailea presio handiko ur arrunta da. Presioak ura beti likido (irakin gabe) egoteko adinakoa behar du izan. Lehen zirkuitu honetako ur presurizatuaren beroa bigarren zirkuitu bateko urari transmititzen zaio lurrun-sorgailuan. Sortutako lurruna turbinara bideratzen da, eta, kondentsatu ondoren, ura lurrun-sorgailura doa berriz. Beraz, erreaktorearen gunearekin kontaktuan dagoen ura turbinara ez doan zirkuitu itxian dabil. Urak presiopean ibili behar duenez, erreaktorearen ontziaren hormek BWRean baino lodiago behar dute izan. Gainera, presio handian lan egiteak ekipoen sendotasuna eta segurtasuna areago zorroztu beharra dakar berekin. Erregai nuklearra uranio oxido aberastua da, eta erregai-zorroa, zircaloy-zkoa. Kontrol-barrak gainaldetik sartzen dira. Erreaktore-mota honen ohiko espezifikazioak honako hauek dira:
gunea: 3-4 m-ko diametro eta garaiera
ontzia: 5 m-ko barne-diametroa eta 10 m-ko garaiera
lehen zirkuituko presioa: 15,5 MPa
ontziko uraren sarrera-tenperatura 300 °C eta irteera-tenperatura 332 °C
lurrun-sorgailuko presioa: 7,58 MPa
potentzia termikoa: 3.400 MW
potentzia elektrikoa: 1.150 MW
potentzia-dentsitatea: 104 MW/m3
errendimendua: % 33,7
uranioaren aberastea: % 3
ur presurizatuko erreaktorea (PWR)
Ur irakineko erreaktorea (BWR)
PWRaren ondoren, zentral nuklearretan gehien erabiltzen den erreaktorea da. Hozgarria eta moderatzailea ur arrunta da, baina, PWRean ez bezala, urak irakin egiten du erreaktore-ontziaren barnean. Erreaktore-ontziko presioa PWRekoaren erdia izaten da gutxi gorabehera (7,2 MPa). Ontziaren goialdean biltzen den lurruna bera da turbina birarazteko erabiltzen dena, tarteko lurrun-sorgailurik gabe. Gunetik ihesik gertatzen ez den bitartean, ur horretatik turbinara igaro daitekeen erradioaktibitate-iturri bakarra oso bizitza laburreko nitrogeno-17 isotopoa da. PWRean bezala, erregai nuklearra uranio oxido aberastua da, eta erregai-zorroa, zircaloy-zkoa. Kontrol-barrak, berriz, behealdetik erabili ohi dira, goian lurruna uretatik bereizi eta kanporantz bideratzeko egiturak daudelako. BWReko gunearen tamaina PWRekoaren antzekoa izaten da, ontziaren hormak ez dira PWRarenak bezain lodiak, eta erreaktore-ontzia zabalagoa eta luzeagoa izaten da. Dena den, lurrun-sorgailurik behar ez denez, erreaktorearen eraikina txikiagoa izan ohi da. Erreaktore-mota honen ohiko espezifikazioak honako hauek dira:
gunea: 4,5 m-ko diametroa eta 4 metro inguruko garaiera
ontzia: 8 m-ko barne-diametroa eta 22 m bitarteko garaiera
zirkuituko presioa: 7,2 MPa
ontziko uraren sarrera-tenperatura 269 °C eta irteera-tenperatura 286 °C
potentzia termikoa: 3.550 MW
potentzia elektrikoa: 1.200 MW
potentzia-dentsitatea: 56 MW/m3
errendimendua: % 33,6
uranioaren aberastea: % 2,6
Datu horiek ikusita, nabaria da PWR eta BWR erreaktoreek antzeko potentzia eta errendimendua dutela.
ur irakineko erreaktorea (BWR)
Ur astuneko erreaktorea (CANDU)
Kanadan garatutako erreaktore-mota honetan, ur astuna da hozgarria eta moderatzailea, biak aldi berean. CANDUren bereizgarri nagusietakoa da erregaitzat uranio oxido naturala erabiltzen duela, hau da, erregaiak ez duela aberaste-prozesurik behar. Ur arrunteko erreaktoreetan ez bezala, hozgarriaren eta moderatzailearen zirkuituak bereiziak dira. Moderatzailea presio atmosferikoan dago, eta hozgarria, berriz, irakitea eragozten duen presio handiko zirkuituan dabil. Erregai-multzoak zirkaloy-zko hodi horizontalen barruan sartzen dira, eta hodi horietan barrena dabil hozgarria. CANDUren beste ezaugarri garrantzitsu bat da erreaktorea gelditu behar ez izatea erregaia kendu eta jartzeko. Kontrol-barrak goialdetik sartu eta ateratzen dira. Erreaktore honen ohiko espezifikazioak honako hauek dira:
gunea: 6-7 m-ko diametro eta 6 m-ko garaiera
ontzia: 5 m-ko barne-diametroa eta 10 m-ko garaiera
hozte-zirkuituko presioa: 11 MPa
hozgarriaren sarrera-tenperatura 266 °C eta irteera-tenperatura 310 °C
potentzia termikoa: 2.100 MW
potentzia elektrikoa: 600 MW
potentzia-dentsitatea: 7,5 MW/m3
errendimendua: % 30
ur astuneko erreaktorea (CANDU)
Gasez hoztutako grafito-erreaktorea (Magnox eta kidekoak)
Erresuma Batuan garatutako erreaktorea da, eta, gerora, Frantzian ere garatu da horren bertsio bat. Erregaia uranio naturala da, moderatzailea grafitoa eta hozgarria karbono dioxidoa. Gunea erregai nuklearra sartzeko kanal bertikalak dituen grafitozko egitura bat da. Erregai-zorroa magnesio-aleaziozkoa da (Erresuma Batuan, aleazio horren izen komertziala Magnox da). Hozgarria egitura horren behealdetik sartu eta goialdetik irteten da, eta gunearen ondoan dauden bero-trukagailuetatik dabilen ura lurrunarazten du. Horiek denak hormigoizko edo altzairuzko egitura presurizatu batean sarturik daude.
Gasez hoztutako erreaktore aurreratua (AGR)
Magnox erreaktoreetatik eratorritakoa da. Bien arteko alde nagusia erregai-atalen osaera da: erregaia uranio oxido gutxi aberastua da (% 2), eta zorroa altzairu herdoilgaitzezkoa da.
Gasez hoztutako tenperatura altuko erreaktorea (HTGR)
Erregaia uranio karburo aberastuaren eta torio karburoaren nahastea da, moderatzailea grafitoa, eta hozgarria presiopeko helioa. Erregaia diametro txikiko esferen gunean dago, grafito, pirokarbono eta silizio karburozko geruzaz estalirik. Hozgarria gunetik oso tenperatura altuan irteten denez (770 °C), erreaktore-mota hau oso aproposa izan daiteke gas-turbina bati zuzenean eragiteko.
RBMK
Sobiet Batasunean garatutako erreaktorea da. Erregaia uranio oxido gutxi aberastua da (% 1,8), moderatzailea grafitoa, eta hozgarria ur arrunta. Gunea grafitozko egitura da, eta, horren barnean, erregaia duten hodiak eta hozgarriaren zirkuituko hodiak daude, zirkonio-niobiozkoak biak ere. Presiopeko ura behetik sartzen da erreaktore-gunean, irakin egiten du, eta, irtendakoan, turbinara doa. Ohiko potentzia termikoa 3.100 MW ingurukoa da, eta potentzia elektrikoa, 1.000 MW-ekoa. Txernobilgo zentraleko erreaktore nuklearrak mota honetakoak ziren.
Metal likidozko erreaktore birsortzaile lasterra (LMFBR)
Erreaktore birsortzaileetan, nukleo batek neutroi bat harrapatu eta nukleo fisionagarri berria eratzen du, hau da, erreaktorean material fisionagarria sortzen da. Horrelako nukleo fisionagarriak eman ditzaketen espezieei material emankor deritze, eta naturan uranio-isotopo ugariena den uranio-238a da erabiliena, neutroia harrapatzean plutonio-239a ematen duena (torio-232 ere emankorra da, uranio-233 fisionagarria ematen baitu). Gertakari hori neutroi lasterrek eragin dezakete, eta, hortaz, erreaktore birsortzaileetan ez da moderatzailerik erabiltzen. Gehienetan, erreaktore hauek potentzia-erreaktore gisa ere funtzionatzen dute, erregaitzat material emankorrak eratzen duen espezie bera erabiliz.
Erreaktore birsortzaile laster erabilienean, sodio likidoa da hozgarria. Hain zuzen ere, sodioa neutroi-moderatzaile eskasa da, eta bero-transferentziako ezaugarri onak ditu. Dena dela, sodioak neutroia xurgatzen du, eta, ondorioz, sodio-24 isotopo erradioaktiboa sortzen da. Isotopo hori bero-trukagailuetara igaro ez dadin, beste sodio-zirkuitu bat ezarri behar da, gunea hozten duen sodioaren eta turbina lurrunez hornitzen duen lurrun-sorgailuaren artean.
erreaktore-motak: kopuruak eta potentzia totalak (Iturria: Energia Atomikoaren Nazioarteko Agentzia, EANA [PRIS datu-basea, 2011ko maiatza])
Etorkizuneko erreaktore-motak
Gaur egun martxan dabiltzan potentzia-erreaktoreak bigarren belaunaldikoak dira. Lehen belaunaldikoak hasierako prototipoak ziren, 1950eko eta 1960ko hamarkadetan garatutakoak. Horietatik abiatuz bigarren belaunaldiko erreaktore komertzialak eraiki ziren hurrengo hiru hamarkadetan: PWR, BWR, CANDU, etab. Gaur egun eraikitzen ari diren erreaktoreak hirugarren belaunaldikoak dira. Funtsean, hozgarri- eta moderatzaile-moduan ur arrunta darabilten erreaktoreak dira, hots, PWR eta BWR motakoak, baina, funtzionamenduaren eta segurtasunaren ikuspuntutik, optimizatutako hobekuntzak barneratuta dauzkate.
Laugarren belaunaldiko erreaktoreen diseinua martxan da, eta 2030. urtetik aurrera eraikitzen hasteko asmoa dago. Diseinu horietan, helburu ezberdinak hartzen ari dira kontuan: sortutako hondakin erradiaktiboen bizitza murriztea, erabilitako erregai nuklearraren ustiapena handitzea, gaur egungo hondakin erradiaktiboak erregai-moduan erabiltzeko aukera izatea eta segurtasun-sistemak hobetzea. Hiru erreaktore termikoren (VHTR, SCWR eta MSR) eta beste hiru erreaktore lasterren (GFR, SFR eta LFR) diseinuak nahiko garatuak daude.
Jose Ramon Etxebarria Bilbao (EHU); Igor Peñalva Bengoa (EHU)