Erregai nuklear

Erregai nuklearra energia nuklearra sortzeko erabiltzen den erregaia da. Nagusiki uranioa izaten da, naturala nahiz uranio aberastua. Erregai nuklear izendapena materiala bera nahiz berau sortzeko erabiltzen diren osagaiek ere har dezakete.

Energia nuklearra sortzeko prozesurik ohikoena fisio nuklearra da, honetan zentral nuklearretan erregai nuklearra erabili eta erreaktore nuklearretan kontrolpeko erreakzio nuklearren bitartez sortarazten da.

Erabiltzen den beste prozesu bat fusio nuklearra da, honetan erregai nuklear moduan isotopo arinak erabiltzen dira, adibidez tritioa eta deuterioa.

Plutonioa eta beste zenbait elementu ere desintegrazio erradioaktiboaren prozesuan kopuru txikietan erregai nuklear moduan erabiltzen dira.

Erregai nuklearraren fabrikazioa 
Presioko uraren (PWR) eta irakiten dagoen uraren (BWR) erreaktoreek erabiltzen duten erregai nuklearra uranio naturaletik abiatuta egiten da. Uranioa, naturan aurkitzen den bezala, hiru isotopo motaz osatuta dago: uranio-238 (238U), uranio-235 (235U) eta uranio-234 (234U). Uranio naturalaren portzentajezko osaera:% 99,28 238U,% 0,71 235U eta% 0,005 234U. PWR eta BWR erreaktoreek energia erregaian dauden 235U atomoen fisiotik eta beste erreakzio nuklear batzuetatik lortuz funtzionatzen dute, nagusiki 238U aktibazio bidez sortutako 239Pu fisioa.

Ur arinaren bidez moderatutako erreaktoreek (PWR, BWR, VVER...) funtziona dezaten, beharrezkoa da 235U isotopoaren proportzioa handitzea, naturan agertzen denaren% 0,71tik% 2 eta% 5 arteko kontzentraziora, Uranio aberastea izeneko prozesu baten bidez.

Uranioa erreaktore nuklear batean erabili ahal izateko, prozesu kimiko eta fisiko batzuk egin behar dira, naturan dagoen forma mineraletik erreaktore nuklear baten nukleoan kargatzen diren zeramikazko oxidozko pikoretara bihurtzeko. Funtsean, lauzpabost urrats dira; erantsitako irudiek urrats bakoitzaren ondoren lortutako materiala ilustratzen dute:

1.Lehenik, lurretik uranioa ateratzen da eta birrindu eta prozesatu egiten da (normalean azido sulfurikoarekin disolbatzen da) "Yellow cake" (opil horia) lortzeko.

2.Hurrengo urratsa, uranioa UF6 bihurtzea 235 isotopoan aberasteko, uranio oxido bihurtu aurretik, edo etapa hau laugarren urratsera igarotzea da, CANDU.1 erregaiarekin egiten den bezala.

Fisio nuklearreko erreaktoreetarako erregai motak

Oxidoz egindako erregaiak

Uranio dioxidoa (UO2) 
Uranio dioxidoa zeramiko solido beltz moduan erabiltzen da. Material zeramikoa denez, uranio dioxidoak eroankortasun termiko baxua du, hau da, erreaktore nuklear batean daudenean pastilla erregaien erdialdean tenperatura altua dago. Eroankortasun termikoa materialaren porositatearen eta erregaiak duen erredura mailaren funtzio bat da ("erregaiaren erreketa" fisionatu duten hasierako uranio atomoen ehunekoari deitzen zaio). Fisioak erregaiari, bere portaerari eta bere propietateei eragiten dieten beste isotopo batzuk sortzen ditu. Produktu batzuk material erregaian disolbatuta egoten dira (lantanidoak, adibidez), beste batzuk Paladioa bezala prezipitatzen dute eta beste batzuk Xenon edo Kripton bezalako produktuak dituzten burbuilak eratzen dituzte. Erregaiari ere eragiten diote erradiazioek, fisio-zatien atzerakadak eta jatorri termikoko tentsioek. Porositatea handitzeak eroankortasun termikoa gutxitzea eta material erregaia puztea eragiten du.

Uranio dioxidoa uranio nitrato erreakzio bidez lor daiteke, amonio base batekin, solido bat sortzeko (amonio uranatoa, U3O8 sortzeko berotzen dena (kisketa), eta, orduan, argon/hidrogeno a (700 ºC) nahasketa batean berotzen da UO2 sortzeko. UO2 lotesle organiko batekin nahasten da eta bolatxotan konprimitzen da (pellet edo pikor deituak), tenperatura askoz altuagoan erretzen direnak (H2/Ar atmosferan) solidoa sinterizatzeko. Sinterizatu honen helburua porositate maila baxua duen solido bat lortzea da.

Oxido mistoak (MOX) 
Oxido nahasketaren erregai nuklearra, oxido mistoa, MOX erregaia edo, besterik gabe, MOX, erreaktore nuklear gehienak elikatzen dituen uranio aberastuaren antzera jokatzen duen plutonio eta uranio natural edo pobretuaren nahasketa da. MOX munduko erreaktore komertzial gehienetan erabiltzen den uranio erregai aberastuaren alternatiba bat da.

Kezka batzuk agertu dira MOX nukleoek sortzen dituzten jarduera handiko hondakinen kudeaketari buruzko zenbait gai planteatuko lituzketelako. Hala ere, MOX soluzio bat da uranio-erregaiak erabiltzen dituzten zentraletako plutonio-soberakinak fisioaren bidez tratatzeko.

Ikerketako erreaktore nuklearrentzako erregaiak 
Ikerketa erreaktoreak unibertsitateetan eta ikerketa institutuetan erabilitakoak dira. Erreaktore hauek elektrizitate sorkuntza industrialeko erreaktore baten potentziak baino magnitude txikiagoko hiru bat potentzia dituzte. Gainera, ikerketako erreaktoreek tenperatura eta presio askoz ere txikiagoetan jarduten dute komertzialek baino, eta ez dute elektrizitaterik sortzen. Ikerketa-erreaktoreek aukera ematen dute, besteak beste, teknika nuklearretan langileak gaitzeko, materiaren propietateak ikertzeko, medikuntza nuklearrean aplikatzeko erradioisotopoak sortzeko materialak irradiatzeko, neutroi bidezko erradiografiak egiteko, aktibazio neutroniko bidezko analisiak egiteko eta erdieroaleentzako oinarrizko materiala ekoizteko silizioa irradiatzeko (Silicon NTD izeneko teknika).

Erregai likidoak

Gatz urtuak 
Erregai horiek hozgarrian disolbatuta daude. Gatz urtuen erreaktoreetan eta nukleo likidoko erreaktoreekin egindako esperimentu askotan erabili dira.

Gatz-erreaktorean erabilitako erregai likidoa LiF-BeF2-ThF4-UF4 (72-16-12-0,4 mol) da. Bere gehienezko tenperatura 705 ° C-koa da, baina tenperatura altuagoak jasan ditzake, bere irakite-puntua 1400 ° C-tik gorakoa baita.

Uranio-gatzen disoluzio urtsuak 
Erreaktore homogeneo urtsuak uranio sulfatozko disoluzio bat edo uretan dauden beste uranio gatz batzuk erabiltzen ditu. Erreaktore homogeneo mota hau ez du energia handiko erreaktoreek erabili. Bere desabantailetako bat da erregaiak, istripurik izanez gero, erraz barreiatzea errazten duen aurkezpena duela.

Uranio nitruroa 
Hau da sarritan NASAk egiten dituen erreaktore-diseinuetarako aukeratu ohi den erregaia. Abantaila bat da batek UO2ak baino eroankortasun termiko hobea duela. Uranio nitruroak fusio tenperatura oso altua du. Erregai horrek badu eragozpen bat: 15N erabiltzen ez bada (ohikoenaren ordez 14N), nitrogenoaren 14C ugari sortuko da pn erreakzioaren ondorioz. Erregai hau ekoizteko behar den nitrogenoa oso garestia denez, logikoa litzateke erregaia metodo pirolitiko baten bidez birprozesatu behar izatea, 15N berreskuratu ahal izateko. Logikoa da, halaber, erregaia prozesatu eta azido nitrikoan disolbatuko balitz, 15N-rekin aberastutako nitrogenoa ohiko 14N-an disolbatuko litzatekeela.

Uranio karburoa 
Beste erregai batek uranio dioxidoak baino eroankortasun termiko hobea du.

Erregai nuklearraren ohiko aurkezpen fisikoak 
Erreaktore nuklearretan erregai gisa erabiltzeko, 235U isotopoan aberastutako Uraniorekin sortutako UF6 uranio dioxidoaren (UO2) hauts bihurtu behar da, orduan partikula txikien forma emanez prozesatzen dena. Partikulak konprimitu eta laberatu egiten dira tenperatura altuetan, labean, sinterizazio izeneko prozesu batean, non partikulak elkarren artean itsasten diren, uranio aberastuaren zilindro (pellet, pikor) zeramiko txikiak osatuz. Orduan, zilindro-formako pikorrak tornu berezien bidez artezten dira, tamaina uniformea lortzeko.

Jarraian, pikorrak korrosioarekiko erresistentea den aleazio bateko metalezko hodietan sartzen dira, hodi hauei zorro erregaiak deitzen zaie. Erregai-pikorrak dauzkaten hodiak muturretan tapoi soldatuak dituztela ixten dira: uraniozko pikor karga duten hodi horiei barra erregaiak deitzen zaie. Bukatutako barra erregaiak sortak, mahukak edo elementu erregaiak osatuz taldekatzen dira, sorta bakoitzak 100 eta 400 barra erregai artean dituela, erreaktore bakoitzaren diseinu espezifikoaren kantitatearen arabera. Erreaktore nuklear baten nukleoak ehunka sorta edo erregai-sorta ditu.

Zorroen metala erreaktorearen diseinuaren araberakoa da - Iraganean altzairu herdoilgaitza erabiltzen zen, baina gaur egun erreaktore gehienek zirkonio aleazioa erabiltzen dute. Erreaktore mota ohikoenetarako (BWR eta PWR), hodiak sortatan edo kirtenetan mihiztatzen dira, hodiak distantzia zehatzetan banatuta. Sorta edo sorta horiei identifikazio-zenbaki bakarra ematen zaie, eta horrek ziklo osoan trazabilitatea egitea ahalbidetzen du (fabrikatzen direnetik material irradiatu erabili gisa biltegiratzen diren arte, erreaktorean erabiltzen diren arte).

PWR erreaktoreetarako erregaia 
Ur presurizatuko erreaktorearen (PWR) erregaia sorta, sorta edo erregai-elementuetan antolatutako barra zilindrikoz osatuta dago. Uranio zeramiko oxidoa Zircaloy izeneko zirkonio aleazio aberats bateko hodietan txertatzen diren zilindro (pellet, pikor) txikiz osatua dago. Tutu hauek, zorroak deitzen direnak, hermetikoki ixten dira tapoi soldaduekin. Zircaloyren hodiek 1 cm inguruko diametroa dute. 179-264 erregai-barra inguru daude elementu erregai bakoitzeko, eta erreaktore baten nukleoak 120 eta 200 bitarteko elementu erregaiak hartzen ditu, diseinuaren arabera. Oro har, elementu erregaiak zeharkako sekzio karratukoak dira, eta 14 x 14 eta 17 x 17 bitarteko multzoetan ordenatutako barra erregaiez armatuta daude. PWR erreaktoreetarako elementu erregaiek 4 metroko luzera dute. PWR elementu erregaietan, erreakzio nuklearra kontrolatzeko erabiltzen diren material xurgatzaileko barrak ("kontrol-barrak") elementu erregaiaren barruko leku berezietan txertatzen dira goiko aldetik. Erregaiak, normalean, 235Uko portzentaje ezberdinetan aberastuta daude. Uranio oxidoa hodietan sartu aurretik lehortzen da erregai zeramikoan hezetasuna kentzeko, hidrogenoak eragindako korrosioa eta hauskortasuna eragin baitezake. Zircaloyren hodiak helioz presurizatuta daude, denbora luzez erregai-barran akatsak eragin ditzakeen pikorren zorroaren (edo "cladding" ingelesez) arteko elkarrekintza minimizatzen saiatzeko.

BWR erreaktoreetarako erregaia 
Irakiten dagoen uraren erreaktorean (BWR), erregaia PWRren antzekoa da, salbu eta barra erregaien sortak edo sortak sekzio karratuko hodi metaliko baten barruan badaude. Hori hozgarriaren (ura) dentsitate-aldaketak prebenitzeko egiten da, bero-sorreraren banaketaren eta nukleoan lurruna egotearen ondorioz. BWR sortetan, 500-800 barra erregai inguru daude elementu erregai bakoitzean. BWRrako erregai-barra bakoitza helioz beteta dago, hiru atmosfera inguruko presioan (300 kPa).

CANDU erreaktoreentzako erregaia 
CANDU erreaktoreentzako erregai-sortak edo -sortak metro erdi inguruko luzera eta 10 cm-ko diametroa dute. (UO2) edukien pikor sinterizatuak dituzten zirkoniozko hodiez osatuta daude, hodiak edo zorroak muturretan zirkoniozko platerei lotuta daude. Sorta edo helduleku bakoitzak 20 kg pisatzen du eta erreaktore baten nukleoak 4.500 sorta edo helduleku izan ditzake. Modelo modernoek, normalean, 37 erregai-barra berdin dituzte, sortaren edo heldulekuaren luzetarako ardatzaren inguruan errotik jarrita, baina iraganean hainbat konfigurazio eta barra-zenbaki erabili ziren. CANDUren egungo diseinuek ez dute aberastutako uraniorik behar puntu kritikora iristeko (ur astuneko neutroien moderatzaile eraginkorragoa denez, hala ere, kontzeptu berri batzuek aberastasun txikia eskatzen dute erreaktoreen tamaina murrizten laguntzeko.

Hain ohikoak ez diren beste erregai nuklear mota batzuk 
Erregai nuklearraren beste aurkezpen batzuk ere badaude aplikazio espezifikoetarako, baina ez dute BWR, PWR eta CANDU energia-instalazioetan erabiltzen direnen erabilera handirik. Aurkezpen horietako asko ikerketa-erreaktoreetan baino ez daude, edo aplikazio militarrak dituzte.

Erregai konpaktu hirutarra 
Erregai tri-isotropikoak (TRISO) hasiera batean Alemanian garatu ziren gasez hoztutako tenperatura altuko erreaktoreentzat. TRISO erregaietan, uranio karburoa zenbait ikatz pirolitikoz eta silizio dioxidoz estalita dago, fisio produktuak tenperatura altuetan atxikitzeko. Erregai horiek grafitozko esferetan (esferen oheko erreaktoreentzat) edo grafitozko erregai-barretan (gasez hoztutako nukleoak zituzten erreaktore prismatikoentzat) moldatzen ziren. Gaur egun, erregai mota hauek Txinako HTR-10ean eta Japoniako HTTRan erabiltzen dira, erreaktore esperimentalak direnak. TRISO erregai trinkoak PBMR eta GT-MHR diseinuetan ere erabil litezke, diseinu horiek eraikiz gero. Erregai hau erabili zuen lehen energia planta THTR-300 izan zen.

CerMet erregaia 
CerMet erregaia zeramikazko erregai-partikulek osatzen dute (normalean uranio oxidoa), matrize metaliko batean kokatuak. Erregai mota hau US Navy hegazkin-ontzi eta itsaspeko nuklearren erreaktoreetan erabiltzen dela uste da. Erregai horrek transferentzia termikoko koefiziente handia du eta hedapen-bolumen handia jasan dezake.

Plaka motako erregaia 
Plaka motako erregaiak posizioak irabazi ditu urteak igaro ahala. Gaur egun, Idahoko Laborategi Nazionaleko Proba Aurreratuen Erreaktorean erabiltzen da.

Erabilitako oxido erregaia 
Erabilitako oxido erregaia fisio, uranio, plutonio eta metal transplutonikoen nahasketa konplexua da. Energia erreaktoreetan tenperatura altuetan erabili den erregaia normala da homogeneoa ez izatea, askotan platinoaren taldeko metal nanopartikulak ditu, paladioa kasu. Era berean, ohikoa da erregaia pitzatu izana, protuberantziak eratuz edo fusio-puntutik gertu dagoen tenperaturan erabili izana. Erabilitako erregaia pitzatu daitekeen arren, uretan oso disolbaezina da, eta uranio dioxidoaren barruan aktinido eta fisio-produktu gehienak atxiki ditzake.

Kanpo estekak 

Erregai nuklearrak