Energia nuclear

De Viquipèdia

Nucli d'un reactor nuclear de fissió de recercaTRIGA

Central nuclear de Ikata, amb tres reactors d'aigua a pressió (PWR). La refrigeració es realitza mitjançant un intercanvi d'aigua amb l'oceà.

Planta de energia nuclear Susquehanna, amb dos reactors d'aigua en ebullició (BWR). La refrigeració es realitza en circuit tancat mitjançant dues torres de refrigeració que emeten vapor d'aigua

L'energia nuclear és l'aprofitament de la capacitat que tenen alguns isòtops de certs elements químics per experimentar reaccions nuclears i emetre energia en la transformació. Una reacció nuclear consisteix en la modificació de la composició del nucli atòmic d'un element, que podria mutar i passar a ser altre element com a conseqüència del procés. Aquest procés es dóna espontàniament entre alguns elements i en ocasions pot provocar-se i moderar-se mitjançant tècniques com ara el bombardeig neutrònic.

Existeixen dues formes d'aprofitar l'energia nuclear per a convertir-la en calor: la fissió nuclear, en la qual un nucli atòmic se subdivideix en dos o més grups de partícules, i la fusió nuclear, en la qual almenys dos nuclis atòmics s'uneixen per a donar lloc a altre diferent.

Una altra tècnica, emprada principalment en piles d'enorme durada i en sistemes que requereixen poc consum elèctric, és la utilització de generadors termoelèctrisc per radioisòtops (GTR, o en anglès RTG), en els que s'aprofiten els diferents modes de desintegració per generar electricitat en sistemes de termoparells a partir de el calor transferit per una font radioactiva.

L'energia despresa en aquests processos nuclears sol aparèixer en forma de partícules subatòmiques en moviment. Aquestes partícules, al quedar frenades per la matèria que les envolta, produeixen energia tèrmica. Aquesta energia tèrmica es transforma en energia mecànica utilitzant motors de combustió externa, com les turbines de vapor. Aquesta energia mecànica pot ser emprada en el transport, com per exemple en els vaixells nuclears; o per a la generació d'energia elèctrica en centrals nuclears.

La principal característica d'aquest tipus d'energia és l'alta quantitat d'energia que pot produir per unitat de massa de material utilitzat en comparació amb qualsevol altre tipus d'energia coneguda per l'ésser humà.

Taula de continguts

1 Fonaments físics
2 La fórmula de masses
3 Aplicacions
4 Bomba atòmica
- 4.1 Bomba de fissió
- 4.2 Bomba de fusió
5 Generació d'electricitat
- 5.1 A partir de la fissió
- 5.2 A partir de la fusió
6 Referències
7 Enllaços externs

[edita] Fonaments físics

Article principal: Física nuclear

Gràfic d'isòtops. A l'eix d'abscisses es representa el nombre de protons (Z) mentre que en l'eix d'ordenades el nombre de neutrons (N). Els isòtops marcats en vermell són aquells que poden considerar estables.

James Chadwick va descobrir el neutró el 1932, any que es pot considerar com l'inici de la física nuclear moderna.^[1] El model d'àtom proposat per Niels Bohr consisteix en un nucli central format per partícules que concentren la pràctica majoria de la massa de l'àtom (neutrons i protons), envoltat per diverses capes de partícules carregades, gairebé sense massa (electrons). Mentre que la grandària de l'àtom resulta ser de l'ordre de l'àngstrom (10^-10 m), el nucli pot mesurar en fermis (10^-15 m); o sigui, el nucli és 100.000 vegades menor que l'àtom.

Tots els àtoms neutres, és a dir sense càrrega elèctrica, tenen el mateix nombre d'electrons que de protons. Un element químic es pot identificar de manera inequívoca pel nombre de protons que posseeix el nucli. Aquest nombre s'anomena nombre atòmic (Z). El nombre de neutrons (N) per a un mateix element, però, pot variar. Per a valors baixos de Z aquest nombre tendeix a ser molt semblant al de protons, però en augmentar Z es necessiten més neutrons per mantenir l'estabilitat del nucli. Als àtoms als quals només els distingeix el nombre de neutrons en el seu nucli (en definitiva, la seva massa), se'ls anomena isòtops. La massa atòmica d'un isòtop ve donada per A = Z + N u, on s'indica el nombre de protons més el de neutrons que té al seu nucli.

Per anomenar un isòtop se sol utilitzar la lletra que indica l'element químic, amb un superíndex que és la massa atòmica i un subíndex que és el nombre atòmic (per exemple, l'isòtop 238 de l'urani s'escriuria ( ${}_{92}^{238}\!U$ ).

[edita] El nucli

Article principal: Nucli atòmic

Els neutrons i protons que formen els nuclis tenen una massa aproximada d'1 u, estant el protó carregat elèctricament amb càrrega positiva +1, mentre que el neutró no té càrrega elèctrica. Tenint en compte únicament l'existència de les forces electromagnètica i gravitatòria, el nucli seria inestable, fent impossible l'existència de la matèria. Per aquest motiu (ja que és obvi que la matèria existeix) va ser necessari afegir als models una tercera força: la força forta (avui en dia força nuclear forta residual). Aquesta força havia de tenir com a característiques, entre d'altres, que era atractiva a distàncies molt curtes (només a l'interior dels nuclis), sent repulsiva a distàncies més curtes (de la mida d'un nucleó), que era central en cert rang de distàncies, que depenia de l'espín i que no depenia del tipus de nucleó (neutrons o protons) sobre el qual actuava. El 1935, Hideki Yukawa va donar una primera solució a aquesta nova força establint la hipòtesi de l'existència d'una nova partícula: el mesó. El més lleuger dels fondes, el pioner, és el responsable de la major part del potencial entre nucleó de llarg abast (1 fm). El potencial de Yukawa (potencial OPEP) que descriu adequadament aquesta part de la força forta es pot escriure de la següent manera: $V(r)= \frac {g_{\pi}^2 \cdot (m_{\pi}\cdot c^2)^3}{3 (M \cdot c^2)^2 \cdot {\hbar}^2} \cdot \left [ s_1 \cdot s_2 + S_{12} 1+ \frac{3R}{r} + \frac{3R^2}{r^2} \right ] \cdot \frac {e^{- \frac {r}{R}}}{\frac{r}{R}}$

Altres experiments que es van realitzar sobre els nuclis van indicar que la seva forma devia ser aproximadament esfèrica de radi $R = 1,5 \cdot A^{1/3}$ fm, sent A la massa atòmica, és a dir, la suma de neutrons i protons . Això exigeix a més que la densitat dels nuclis sigui la mateixa ( $V α R 3 α A$ , és a dir el volum és proporcional a A. Com la densitat es troba dividint la massa pel volum $\rho = \frac{A}{V} = cte$ ). Aquesta característica va portar a l'equiparació dels nuclis amb un líquid, i per tant al model de la gota líquida, fonamental en la comprensió de la fissió dels nuclis.

Energia de lligadura mitjana per nucleó dels diferents elements atòmics en funció de la seva massa atòmica

La massa d'un nucli, però, no és exactament de la suma dels seus nucleó. Tal com va demostrar Albert Einstein, l'energia que manté units a aquests nucleó s'observa com una diferència en la massa del nucli, de manera que aquesta diferència ve donada per l'equació math>E=m \cdot c^2</math>. Així, pesant els diferents àtoms d'una banda, i els seus components de l'altra, pot determinar l'energia mitjana per nucleó que manté units als diferents nuclis.

A la gràfica es pot contemplar com els nuclis molt lleugers tenen menys energia de lligadura que els que són una mica més pesants (la part esquerra de la gràfica). Aquesta característica és la base de l'alliberament de l'energia en la fusió. I al contrari, a la part de la dreta es veu que els molt pesats tenen menor energia de lligadura que els que són una mica més lleugers. Aquesta és la base de l'emissió d'energia per fissió. Com es veu, és molt més gran la diferència en la part de l'esquerra (fusió) que a la de la dreta (fissió).

[edita] Fissió

Article principal: fissió

Distribució típica de les masses dels productes de fissió. La gràfica representa el cas de l'urani 235.

Fermi, després del descobriment del neutró, va realitzar una sèrie d'experiments en els quals bombardejada diferents nuclis amb aquestes noves partícules. En aquests experiments va observar que quan utilitzava neutrons d'energies baixes, en ocasions el neutró era absorbit emetent fotons.

Per esbrinar el comportament d'aquesta reacció va repetir l'experiment sistemàticament en tots els elements de la taula periòdica. Així va descobrir nous elements radioactius, però en arribar al urani va obtenir resultats diferents. Lise Meitner, Otto Hahn i Fritz Strassmann van aconseguir explicar el nou fenomen en suposar que el nucli d'urani al capturar el neutró es va escindir en dues parts de masses aproximadament iguals. De fet van detectar bari, de massa aproximadament la meitat que la de l'urani. Posteriorment es va esbrinar que aquesta escissió (o fissió) no es donava en tots els isòtops de l'urani, sinó només en el 235U. I més tard encara es va saber que aquesta escissió podia donar lloc a molts elements diferents, la distribució d'aparició és molt típica (semblant a la doble geperuda d'un camell).

Esquema del fenomen de la fissió de l'²³⁵U. Un neutró de baixa velocitat (tèrmic) impacta en un nucli d'urani desestabilitzador. Aquest es divideix en dues parts i a més emet una mitjana de 2,5 neutrons per fissió.

A la fissió d'un nucli d'urani, no només apareixen dos nuclis més lleugers resultat de la divisió del d'urani, sinó que a més s'emeten 2 o 3 (amb una mitjana de 2,5 en el cas del ²³⁵U) neutrons a una alta velocitat ( energia). Com l'urani és un nucli pesat no es compleix la relació N = Z (igual nombre de protons que de neutrons) que sí que es compleix per als elements més lleugers, per tant, els productes de la fissió tenen un excés de neutrons. Aquest excés de neutrons fa inestables (radioactius) a aquests productes de fissió, que assoleixen l'estabilitat al desintegrar els neutrons excedents per desintegració beta generalment. La fissió de l'235U pot produir-se en més de 40 formes diferents, originant per tant més de 80 productes de fissió diferents, que al seu torn es desintegren formant cadenes de desintegració, per la qual cosa finalment apareixen prop de 200 elements a partir de la fissió de l' urani.

L'energia despresa en la fissió de cada nucli de ²³⁵U és d'una mitjana de 200 MeV. Els minerals explotats per a l'extracció de l'urani solen posseir continguts de voltant de 1 gram d'urani per kg de mineral (la pechblenda per exemple). Com el contingut de ²³⁵U en l'urani natural és d'un 0,7%, s'obté que per cada kg de mineral extret tindríem $1,8 \cdot 10^{19}$ àtoms de ²³⁵U. Si fissió tots aquests àtoms (1 gram d'urani) obtindríem una energia alliberada de $3,6 \cdot 10^{27} eV = 5,8 \cdot 10^{8} J$ per gram. En comparació, per la combustió d'1 kg de carbó de la millor qualitat (antracita) s'obté una energia d'uns $4 \cdot 10^{7} J$ , és a dir, es necessiten més de 10 tones d'antracita (el tipus de carbó amb més poder calorífic) per obtenir la mateixa energia continguda en 1 kg d'urani natural.

L'aparició dels 2,5 neutrons per cada fissió possibilita la idea de dur a terme una reacció en cadena, si s'aconsegueix fer que d'aquests 2,5 almenys un neutró aconsegueixi fissió un nou nucli d'urani. La idea de la reacció en cadena és habitual en altres processos químics. Els neutrons emesos per la fissió no són útils immediatament, sinó que cal frens (moderats) fins a una velocitat adequada. Això s'aconsegueix envoltant els àtoms per un altre element amb un Z petit, com per exemple hidrogen, carboni o liti, material anomenat moderador.

Altres àtoms que poden fissió amb neutrons lents són el ²³⁵U o el ²³⁹Pu. No obstant això també és possible la fissió amb neutrons ràpids (d'energies altes), com per exemple el ²³⁸U (140 vegades més abundant que el ²³⁵U) o el 232Th (400 vegades més abundant que el ²³⁵U).

La teoria elemental de la fissió la proporcionaren Bohr i Wheeler, utilitzant un model segons el qual els nuclis dels àtoms es comporten com gotes líquides.

La fissió es pot aconseguir també mitjançant partícules alfa, protons o deuterons.

[edita] Fusió

Article principal: Fusió nuclear

Procés de fusió entre un nucli de deuteri i un de triti. És l'opció més adequada per a ser duta a terme en un reactor nuclear de fusió.

Així com la fissió és un fenomen que apareix en l'escorça terrestre de manera natural (si bé amb una freqüència petita), la fusió és absolutament artificial en el nostre entorn. Tanmateix, aquesta energia té avantatges respecte a la fissió. D'una banda el combustible és abundant i fàcil d'aconseguir, i per altra, els seus productes són elements estables i lleugers.

A la fusió, al contrari que en la fissió on es divideixen els nuclis, la reacció consisteix en la unió de dos o més nuclis lleugers. Aquesta unió dóna lloc a un nucli més pesat que els usats inicialment ja neutrons. La fusió es va aconseguir fins i tot abans de comprendre completament les condicions que es necessitaven, limitant-se a aconseguir condicions extremes de pressió i temperatura utilitzant una bomba de fissió. Però no és fins que Lawson defineix uns criteris de temps, densitat i temperatura mínims quan es comença a comprendre el funcionament de la fusió.^[2]

Encara que en les estrelles la fusió es dóna entre una varietat d'elements químics, l'element amb el que és més senzill aconseguir és l'hidrogen. L'hidrogen té tres isòtops: l'hidrogen comú ( ${}_1^1\!H$ ), el deuteri ( ${}_1^2\!H$ ) i el triti ( ${}_1^3\!H$ ). Això és així perquè la fusió requereix que es venci la repulsió electrostàtica que experimenten els nuclis en unir-se, per la qual cosa a menor càrrega elèctrica, més baixa serà aquesta. A més, a major quantitat de neutrons, més pesat serà el nucli resultant (més amunt estarem a la gràfica de les energies de lligadura), amb el que més gran serà l'energia alliberada en la reacció.

Una reacció particularment interessant és la fusió de deuteri i triti: ${}_1^2\!H + {}_1^3\!H \rightarrow {}_2^4\!He + n + 17,6 MeV$

En aquesta reacció s'alliberen 17,6 MeV per fusió, més que a la resta de combinacions amb isòtops d'hidrogen. A més, aquesta reacció proporciona un neutró molt energètic que es pot aprofitar per generar combustible addicional per reaccions posteriors de fusió, utilitzant liti, per exemple. L'energia alliberada per gram amb aquesta reacció és gairebé 1.000 vegades més gran que la assolida en la fissió d'1 gram d'urani natural (unes 7 vegades superior si fos un gram de 235U pur).

Per vèncer la repulsió electrostàtica, és necessari que els nuclis a fusionar assoleixin una energia cinètica d'aproximadament 10 keV. Aquesta energia s'obté mitjançant un intens escalfament (igual que en les estrelles, on s'assoleixen temperatures de 108 K), que implica un moviment dels àtoms igual d'intens. A més d'aquesta velocitat per vèncer la repulsió electrostàtica, la probabilitat que es produeixi la fusió ha de ser elevada per a que la reacció succeeixi. Això implica que s'han de posseir suficients àtoms amb energia suficient durant un temps mínim. El criteri de Lawson defineix que el producte entre la densitat de nuclis amb aquesta energia pel temps durant el qual han de romandre en aquest estat ha de ser $n \cdot \tau = 10^{14} s \cdot nucleos \cdot cm^{-3}$ .

Els dos mètodes en desenvolupament per aprofitar de manera útil l'energia despresa en aquesta reacció són el confinament magnètic i el confinament inercial (amb fotons que provenen de làser o partícules que provenen d'acceleradors).

[edita] Desintegració alfa

Article principal: Desintegració alfa

Representació de l'emissió d'una partícula alfa per un nucli

Aquesta reacció és una forma de fissió espontània, en la qual un nucli pesat emet una partícula alfa (α) amb una energia típica d'uns 5 MeV. Una partícula α és un nucli d'heli, constituït per dos protons i dos neutrons. En la seva emissió el nucli canvia, per la qual cosa l'element químic que pateix aquest tipus de desintegració es traansforma en un altre de diferent. Una reacció natural típica és la següent:

${}^2{}^{38}_{92}\hbox{U}\;\to\;{}^2{}^{34}_{90}\hbox{Th}\;+\;\alpha$

En la que un àtom de ²³⁸U es transforma en un altre ²³⁴Th.

Va ser el 1928 quan George Gamow va donar una explicació teòrica a l'emissió d'aquestes partícules. Per això va suposar que la partícula alfa convivia a l'interior del nucli amb la resta dels nucleon, d'una forma gairebé independent. Per efecte túnel en algunes ocasions aquestes partícules superen el pou de potencial que crea el nucli, separant d'ell a una velocitat d'un 5% la velocitat de la llum.

[edita] Desintegració beta

Article principal: Desintegració beta

Representació d'una partícula beta emesa per un nucli

Hi ha dues maneres de desintegració beta. En el tipus β⁻ la força feble converteix un neutró (n⁰) en un protó (p⁺) i al mateix temps emet un electró (e⁻) i un antineutrí ( $\bar{\nu}_e$ ):

$n^0 \rightarrow p^+ + e^- + \bar{\nu}_e$ .

En el tipus β⁺ un protó es transforma en un neutró emetent un positró (e⁺) i un neutrí ( $ν e$ ):

$p^+ \rightarrow n^0 + e^+ + \nu_e$ .

Tanmateix, aquest últim manera no es presenta de forma aïllada, sinó que necessita una aportació d'energia.

La desintegració beta fa canviar l'element químic que la pateix. Per exemple, en la desintegració β-l'element es transforma en un altre amb un protó (i un electró) més. Així en la desintegració de l'¹³⁷Cs per β⁻ apareix ¹³⁷Ba..

El 1934, Fermi va aconseguir crear un model d'aquesta desintegració que responia correctament a la seva fenomenologia.

[edita] La fórmula de masses

El físic alemany Carl Friedrich von Weizsäcker va confeccionar una fórmula semiempírica de l'energia nuclear de lligam per a cada nucli segons el nombre de protons (Z), de neutrons (N) i de nucleons (A), suma de protons i neutrons, que conté. La fórmula és semiempírica ja que, si bé la seva estructura té un raonament basat en les diferents interaccions entre els nucleons (protons i neutrons), els coeficients de cada terme són una estimació a partir de les dades experimentals de diferents nuclis.

$E/A=a -b/A^{1/3} -c Z^2/A^{4/3} -d (N-Z)^2/A^2 \pm e/A^{7/4}$

El terme $a$ respon a l'energia de volum
El terme $- b / A 1 / 3$ respon a la tensió superficial
El terme $- c Z 2 / A 4 / 3$ respon a la repulsió electrostàtica de Coulomb
El terme $- d (N - Z) 2 / A 2$ respon a la simetria neutrons/protons
El terme $\pm e/A^{7/4}$ respon a la paritat (+ per valors parells, - per a senars)

Amb aquesta fórmula és fàcil deduir que l'energia per nucleó és més òptima per al ferro, de forma que si donem la suficient energia d'activació (col·lisió de nuclis lleugers, bombardeig amb neutrons de nuclis pesants) tant els nuclis més lleugers com més pesants poden patir reaccions nuclears que els portin cap a l'estructura nuclear del ferro. De fet, a les estrelles es produeixen reaccions de fusió des de nuclis lleugers cap al ferro. Una vegada que tots els nuclis són de ferro, si la massa a l'estrella supera el Límit de Chandrasekhar aquesta pot transformar-se amb el col·lapse gravitacional en una estrella de neutrons o en un forat negre, després de patir una explosió de supernova en el seu col·lapse)

[edita] Aplicacions

La fissió nuclear de l'Urani a un reactor nuclear és la principal aplicació pràctica civil de l'energia nuclear, i s'empra en centenars de centrals nuclears en tot el món, a països com França, Japó, Estats Units, Alemanya, Suècia, Espanya, Xina, Rússia, Corea del Nord, Pakistan o l'Índia.

Les bombes nuclears es fonamenten en una reacció de fissió explosiva i es van emprar per primera vegada en Hiroshima i Nagasaki , durant la Segona Guerra Mundial. Les bombes termonuclears són més potents i es fonamenten en reaccions de fusió d'hidrogen activades per una reacció prèvia de fissió.

L'ús pacífic o civil de la fusió en un reactor nuclear està en fase experimental, i hi ha dubtes sobre la seva viabilitat tècnica i econòmica.

[edita] Bomba atòmica

Article principal: Bomba atòmica

Hi ha dues formes bàsiques d'utilitzar l'energia nuclear despresa per reaccions en cadena descontrolades de forma explosiva:

la fissió
la fusió

[edita] Bomba de fissió

Mètodes utilitzats per crear una massa crítica de l'element físsil emprat en la bomba de fissió.

Existeixen dos tipus bàsics de bombes de fissió: utilitzant urani altament enriquit (enriquiment superior al 90% en ²³⁵U)) o utilitzant plutoni. Ambdós tipus es fonamenten en una reacció de fissió en cadena descontrolada i només s'han emprat en un atac real a Hiroshima i Nagasaki, al final de la Segona Guerra Mundial.

Perquè aquest tipus de bombes funcionin és necessari utilitzar una quantitat de l'element utilitzat superior a la Massa crítica. Suposant una riquesa en l'element del 100%, això suposen 52 kg de ²³⁵U) o 10 kg de 239Pu. Per al seu funcionament es creen 2 o més parts subcrítiques que s'uneixen mitjançant un explosiu químic convencional de manera que se superi la massa crítica. Els dos problemes bàsics que es van haver de resoldre per crear aquest tipus de bombes van ser: generar suficient quantitat de l'element físil a utilitzar, ja sigui urani enriquit o plutoni pur, i assolir un disseny en el qual el material utilitzat en la bomba no sigui destruït per la primera explosió abans d'assolir la criticitat.

El rang de potència d'aquestes bombes se situa entre aproximadament l'equivalent a una tona de TNT fins als 500.000 kilotones. El 16 de juliol de 1945 es va produir la primera explosió d'una bomba de fissió creada per l'ésser humà: La Prova Trinity

[edita] Bomba de fusió

Disseny bàsic Teller-Ullam

Després del primer assaig reeixit d'una bomba de fissió per la Unió Soviètica el 1949 es va desenvolupar una segona generació de bombes nuclears que utilitzaven la fusió. Es la va anomenar bomba termonuclear, bomba H o bomba d'hidrogen. Aquest tipus de bomba no s'ha utilitzat mai contra cap objectiu real.

L'anomenat disseny Teller-ullam (o secret de la bomba H) separa les dues explosions en dues fases. Aquest tipus de bombes poden ser milers de vegades més potents que les de fissió. En teoria no hi ha un límit a la potència d'aquestes bombes, sent la de major potència explotada la bomba del Zar, d'una potència superior als 50 megatones. Les bombes d'hidrogen utilitzen una bomba primària de fissió que genera les condicions de pressió i temperatura necessàries per començar la reacció de fusió de nuclis d'hidrogen. Degut a que els únics productes radioactius que generen aquestes bombes són els produïts en l'explosió primària de fissió, pel que a vegades se l'ha anomenat bomba nuclear neta.

L'extrem d'aquesta característica són les anomenades bombes de neutrons o bomba N, que minimitzen la bomba de fissió primària, assolint un mínim de productes de fissió. Aquestes bombes a més es van dissenyar de tal manera que la major quantitat d'energia alliberada sigui en forma de neutrons, amb la qual cosa la seva potència explosiva és la desena part que una bomba de fissió. Van ser concebudes com armes anti-tanc, ja que al penetrar els neutrons a l'interior dels mateixos, maten als seus ocupants per les radiacions.

[edita] Generació d'electricitat

Probablement, l'aplicació pràctica més coneguda de l'energia nuclear és la generació d'energia elèctrica per al seu ús civil, en particular mitjançant la fissió d'urani enriquit. Per a això s'utilitzen reactors en els que es fa fissió o fusionar un combustible. El funcionament bàsic d'aquest tipus d'instal lacions industrials és similar a qualsevol altra central tèrmica, però tenen característiques especials pel que fa a les que utilitzen combustibles fòssils:

Es necessiten mesures de seguretat i control molt més estrictes. En el cas dels reactors de quarta generació aquestes mesures podrien ser menors,^[3] mentre que en la fusió s'espera que no siguin necessàries.^[4]
La quantitat de combustible necessari anualment en aquestes instal lacions és diversos ordres de magnitud inferior al que requereixen les tèrmiques convencionals.
Les emissions directes de C02 i NOx en la generació d'electricitat, principals gasos d'efecte hivernacle d'origen antròpic, són nul les, encara que indirectament, en processos secundaris com l'obtenció de mineral i construcció d'instal·lacions, si es produeixen emissions.^[5]

[edita] A partir de la fissió

Després del seu ús exclusivament militar, es va començar a plantejar l'aplicació del coneixement adquirit a la vida civil. El 20 de desembre de 1951 va ser el primer dia que es va aconseguir generar electricitat amb un reactor nuclear (al reactor americà EBR-I, amb una potència d'uns 100 kW), però no va ser fins 1954 quan es va connectar a la xarxa elèctrica una central nuclear (va ser la central nuclear russa Obninsk, generant 5 MW amb només un 17% de rendiment tèrmic). El primer reactor de fissió comercial va ser el Calder Hall a Sellafield, que es va connectar a la xarxa elèctrica el 1956. El 25 de març de 1957 es va crear la Comunitat Europea de l'Energia Atòmica (EURATOM), el mateix dia que es va crear la Comunitat Econòmica Europea, entre Bèlgica, França, Alemanya, Itàlia, Luxemburg i els Països Baixos. Aquell mateix any es va crear l'Organisme Internacional d'Energia Atòmica (OIEA). Ambdós organismes amb la missió, entre d'altres, d'impulsar l'ús pacífic de l'energia nuclear. Evolució de les centrals nuclears de fissió en el món. A dalt: potència instal lada (blau) i potència generada (vermell). A sota: nombre de reactors construïts i en construcció (blau i gris respectivament.

El seu desenvolupament a tot el món va experimentar a partir d'aquest moment un gran creixement, de manera molt particular a França i el Japó, on la crisi del petroli de 1973 va influir definitivament, ja que la seva dependència en el petroli per a la generació elèctrica era molt marcada ( 39 i 73% respectivament en aquells anys, el 2008 generen un 78 i un 30% respectivament mitjançant reactors de fissió). [cita requerida] El 1979 l'accident de Three Mile Island provocar un augment molt considerable en les mesures de control i de seguretat a les centrals, però no es va aturar l'augment de capacitat instal lada. Però el 1986 l'accident de Txernòbil, en un reactor RBMK de disseny rus que no complia els requisits de seguretat que es exigien a occident, va acabar radicalment amb aquest creixement.

A l'octubre de 2007 hi havia 439 centrals nuclears en tot el món que van generar 2,7 milions de MWh el 2006. La potència instal lada el 2007 va ser de 370.721 MWe. El març de 2008 hi havia 35 centrals en construcció, plans per construir 91 centrals noves (99.095 MWe) i altres 228 propostes (198.995 MWe). [20] Encara que només 30 països al món tenen centrals nuclears, aproximadament el 15% de l'energia elèctrica generada en el món es produeix a partir d'energia nuclear. [21]

La majoria dels reactors són dels anomenats d'aigua lleugera (LWR per la seva sigla en anglès), que utilitzen com a moderador aigua intensament purificada. En aquests reactors el combustible utilitzat és urani enriquit lleugerament (entre el 3 i el 5%).

El 1965 es va construir la primera central nuclear a Espanya, la Central nuclear José Cabrera. [22] Actualment es troben en funcionament vuit centrals nuclears a Espanya: Santa María de Garoña, Almaraz I i II, Ascó I i II, cofrentes, Vandellós II i Trillo.

Es van paralitzar o no van entrar en funcionament, un cop finalitzades, a causa de la moratòria nuclear les centrals de Lemóniz, I i II, Valdecaballeros I i II, Trillo II, Escatrón I i II, Santillán, Regodola i Sayago. Es troben desmantellades o en procés de desmantellament Vandellós I i José Cabrera.

L'any 2002 un terç, el 33,9% de l'energia elèctrica produïda a Espanya ho va ser en nuclears amb un total de 63.016 GWh. [23] Vegeu també: Central nuclear # centrals nuclears a Espanya i Moratoria_nuclear # Espanya

Més tard es va plantejar afegir el plutoni fisible generat ({}_{ 94) ^ (239) Pu) com a combustible extra en aquests reactors de fissió, augmentant d'una forma important l'eficiència del combustible nuclear i reduint així un dels problemes del combustible gastat. Aquesta possibilitat fins i tot va portar a l'ús del plutoni procedent de l'armament nuclear desmantellat a les principals potències mundials. Així es va desenvolupar el combustible MOX, en el qual s'hi afegeix un percentatge (entre un 3 i un 10% en massa) d'aquest plutoni a urani empobrit. Aquest combustible es fa servir actualment com un percentatge del combustible convencional (d'urani enriquit). També s'ha assajat en alguns reactors un combustible barreja de tori i plutoni, que genera una menor quantitat de transuránidos.

Altres reactors utilitzen aigua pesant com a moderador. En aquests reactors es pot utilitzar urani natural, és a dir, sense enriquir ia més es produeix una quantitat bastant elevada de triti per activació neutrònica. Aquest triti es preveu que es pugui aprofitar en futures plantes de fusió.

Altres projectes de fissió, que no han superat avui en dia la fase d'experimentació, s'encaminen al disseny de reactors en els que pugui generar electricitat a partir d'altres isòtops, principalment el () _ (90) ^ (232) Th i el () _ (92) ^ (238) U.

[edita] A partir de la fusió

Igual que la fissió, després del seu ús exclusivament militar, es va proposar l'ús d'aquesta energia en aplicacions civils. En particular, els grans projectes de recerca s'han encaminat cap al desenvolupament de reactors de fusió per a la producció d'electricitat. El primer disseny de reactor nuclear es va patentar el 1946, [5] encara que fins 1955 no es van definir les condicions mínimes que havia d'assolir el combustible (isòtops lleugers, habitualment d'hidrogen), denominades criteris de Lawson, per aconseguir una reacció de fusió continuada. Aquestes condicions es van assolir per primera vegada de forma quasiestacionaria l'any 1968.

La fusió es planteja com una opció més eficient (en termes d'energia produïda per massa de combustible utilitzada) segura i neta que la fissió, útil per al llarg termini. [36] No obstant això falten encara anys per poder ser utilitzada de manera comercial ( la fusió no serà comercial almenys fins l'any 2050). [37] La principal dificultat trobada, entre moltes altres de disseny i materials, consisteix en la manera de restringir la matèria en estat de plasma fins arribar a les condicions imposades pels criteris de Lawson, ja que no hi ha materials capaços de suportar les temperatures imposades.

S'han dissenyat dues alternatives per assolir els criteris de Lawson, que són el confinament magnètic i el confinament inercial.

Encara que ja es duen a terme reaccions de fusió de forma controlada en els diferents laboratoris, en aquests moments els projectes es troben en l'estudi de viabilitat tècnica en centrals de producció elèctrica com l'ITER o el NIF. El projecte ITER, en el qual participen entre d'altres Japó i la Unió Europea, pretén construir una central experimental de fusió i comprovar la seva viabilitat tècnica. El projecte NIF, en una fase més avançada que ITER, pretén el mateix als Estats Units utilitzant el confinament inercial.

Una vegada demostrada la viabilitat d'aconseguir un reactor de fusió que sigui capaç de funcionar de forma continuada durant llargs períodes de temps, es construiran prototips encaminats a la demostració de la seva viabilitat econòmica. [38

[edita] Referències

↑ Settle, Frank (2005). Nuclear Chemistry. "Discovery of the Neutron (1932)", General Chemistry Case Estudies, a chemcases.com. Consultat el 08-04-2008. (anglès)
↑ Condicions de Lawson per a construir un reactor de fusió útil (PDF)
↑ Fòrum Internacional sobre la Generació IV. (PDF)(anglès)
↑ European Fusion Development Agreement (EFDA). (anglès)
↑ Greenhouse Emissions of Nuclear Power nuclearinfo.net (anglès)

[edita] Enllaços externs

Hi havia una vegada Txernòbil - Primera exposició sobre la major catàstrofe industrial de la història de la humanitat
Notícies relacionades amb l'energia nuclear (anglès)

...

[0] Settle, Frank (2005). Nuclear Chemistry. "Discovery of the Neutron (1932)", General Chemistry Case Estudies, a chemcases.com. Consultat el 08-04-2008. (anglès)

[Lawson-1] Condicions de Lawson per a construir un reactor de fusió útil (PDF)

[2] Fòrum Internacional sobre la Generació IV. (PDF)(anglès)

[3] European Fusion Development Agreement (EFDA). (anglès)

[4] Greenhouse Emissions of Nuclear Power nuclearinfo.net (anglès)

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]