Daniel López Asensio, Jordi Escrivà Garrido, Eduard Albaladejo Castelló,

Raúl Jiménez García, Luc Alonso Durig, Jaume Ciré i Zhulian Valeriev Ivanov

1

Urani, el combustible de les nuclears.

“Deixem de tenir por a tot allò que entenem” segons va dir Marie Curie,

guanyadora de dos premis Nobel un de física el 1903 i un de química el 1911.

Aquest text tracta sobre l’urani, el combustible utilitzat a les centrals nuclears

de fissió nuclear. Expliquem des de què és l’urani, com s’obté, etc. fins a com

es realitza la fissió nuclear al reactor de les centrals.

Pel que fa a les nostres investigacions, vam visitar el centre d’informació de la

central d’Ascó, i hem indagat per Internet i per llibres de text.

L'urani és un element químic metàl·lic de color platejat-grisenc de la sèrie dels

actínids, el seu símbol químic és U i el seu nombre atòmic és 92. Per això té 92

protons i 92 electrons, amb una valència de 6. El seu nucli pot contenir entre

142 i 146 neutrons, els seus isòtops més abundants són el 238U que posseeix

146 neutrons i el U235 amb 143 neutrons.

Va ser descobert el 1789 per M. H. Klaproth, que el va anomenar així en l'honor

del planeta Urà que acabava de ser descobert el 1781.

Juntament amb tots els elements amb pesos atòmics superiors al del ferro,

l'urani s'origina de forma natural durant les explosions de les supernoves.

Els principals països que exportadors d'urani són: Canadà, Austràlia, Rússia,

Sud-Àfrica, Kazahstan, i Nigèria.

A Espanya, en concret a Ciudad Rodrigo (Salamanca), també hi va haver una

mina d'urani, però ja va ser explotada i les reserves estan esgotades.

Daniel López Asensio, Jordi Escrivà Garrido, Eduard Albaladejo Castelló,

Raúl Jiménez García, Luc Alonso Durig, Jaume Ciré i Zhulian Valeriev Ivanov

2

Per cada tona de mineral extret, s’aconsegueix un quilogram d’òxid d’urani.

L’urani en la seva totalitat no es pot utilitzar perquè és un mineral estable, es

necessiten els seus isòtops inestables. Els isòtops d’urani U238 (99.285% de la

totalitat) i l’isòtop U234 (0.005% de la totalitat) són els estables. L’isòtop d’urani

que s’utilitza és l’isòtop U235 (0.71% de la totalitat), ja que és l’únic isòtop que

és inestable. Per poder-lo utilitzar, s’ha de tractar de manera especial, un

procés molt costós, tant per la part econòmica com per la part més tècnica, ja

que requereix una tecnologia molt avançada i una intensa quantitat d’energia.

Els principals mètodes de producció d’urani útil són:

-Procés làser: Constitueix una tercera generació tecnològica que promet menys

requeriments d’aportació d’energia, és a dir, més baixos costos de capital.

S’utilitzen làsers especialment afinats per separar isòtops d’urani mitjançant la

selectiva ionització en transicions hiperfines.

-Difusió tèrmica: Es realitza un intercanvi de calor a través d’una fina capa de

líquid o gas per aconseguir la separació d’isòtops. Es beneficia del fet que les

molècules més lleugeres del gas de l’U235, es difondran cap a la superfície

calenta mentre que les més pesades de l’U238 ho faran cap a la superfície més

freda.

-Difusió gasosa: Consisteix en forçar el gas de l’hexafluorur (UF6) d’urani a

través d’una membrana semipermeable, cosa que produeix una lleugera

separació entre molècules que contenen l’U235 i les que contenen l’U238.

Per cada quilogram d’urani natural, s’aconsegueix 7g d’U235 .

Després d’obtenir l’U235, s’han de fabricar els elements combustibles. Aquest

procés consta de la fabricació de pastilles (es premsa l’urani, creant pastilles

cilíndriques de propietats mecàniques estables), la fabricació de barres (on

s’introdueixen les pastilles) i la fabricació de l’element combustible (on estan les

barres).

Màquina AVLIS “Atomic Vapor Laser Isotope Separation” (Separació d’isòtops de vapor atòmic per làser)

Daniel López Asensio, Jordi Escrivà Garrido, Eduard Albaladejo Castelló,

Raúl Jiménez García, Luc Alonso Durig, Jaume Ciré i Zhulian Valeriev Ivanov

3

L’urani obtingut es pot classificar en tres tipus, l’altament enriquit (Aquest urani

té una concentració superior al 20% d’U235), el de baix enriquiment (té una

concentració inferior al 20% d’U235) i lleugerament enriquit (té una

concentració d’entre el 0,9% i el 2% d’U235).

El principal ús de l’urani és la seva utilització com a combustible de les centrals

nuclears de fissió (és l’urani lleugerament enriquit).

Un dels usos secundaris del urani és la fabricació d’armes nuclears. S'allibera

de les armes disparades en forma de petites partícules, que poden ser

inhalades o ingerides, o es queden al medi ambient, propulsió marina, ...

L’urani empobrit figura en la fabricació de contrapesos per a aeronaus, la

fabricació de municions antitancs, míssils i projectils. També per fer blindatges

contra radiacions per als serveis mèdics de radioteràpia.

També serveix per a la datació geològica.

Daniel López Asensio, Jordi Escrivà Garrido, Eduard Albaladejo Castelló,

Raúl Jiménez García, Luc Alonso Durig, Jaume Ciré i Zhulian Valeriev Ivanov

4

Al reactor de les centrals nuclears de fissió es produeix la fissió nuclear, una

reacció química controlada, mitjançant la qual els nuclis d’àtoms molt grans es

fragmenten en nuclis més petits, alliberant una gran quantitat d’energia. L’urani

es converteix en material radiactiu.

Esquema de una reacción de fisión nuclear controlada

Hi ha diversos tipus de centrals nuclears de fissió, hi han les d’aigua a pressió

(les més comuns), les d’aigua en ebullició, de neutrons ràpids, ... La visita de la

central nuclear d’Ascó ens va permetre entendre millor el funcionament de les

d’aigua a pressió (PWR).

Daniel López Asensio, Jordi Escrivà Garrido, Eduard Albaladejo Castelló,

Raúl Jiménez García, Luc Alonso Durig, Jaume Ciré i Zhulian Valeriev Ivanov

5

Esquema funcional d’Ascó I i Ascó II

Una central PWR consta de tres circuits. El circuit primari, ple d’aigua a una

gran pressió (aquesta gran pressió, d’uns 14 MPa, eleva el punt d’ebullició de

l’aigua, evitant que s’evapori) està en contacte amb el reactor. Al reactor es

genera una gran quantitat d’energia, en forma de calor (fissió nuclear). Aquesta

energia es transmet a l’aigua, que actua com a refrigerant a la vegada, circula

cap al generador de vapor, on mitjançant una sèrie de canonades transmet la

calor al circuit secundari. L’aigua refrigerada del circuit primari retorna al

reactor, on es torna a escalfar.

L’aigua escalfada del circuit secundari sí entra en ebullició. El vapor d’aigua és

utilitzat per a moure les turbines. Aquestes turbines mouen un alternador, que

genera electricitat per electromagnetisme (es mou un conductor dins d’un camp

magnètic).

L’aigua del segon circuit es refreda al condensador. Allà, mitjançant una sèrie

de canonades, és refrigerada per l’aigua del tercer circuit (normalment aquesta

aigua prové del mar o d’un riu), i torna al generador de vapor.

L’aigua del tercer circuit retorna al riu o al mar, però abans passa per les torres

de refrigeració, on perd temperatura (per evitar alteracions en l’ecosistema).

Finalment i com a conclusió del treball de camp realitzat, vam investigar els

avantatges i inconvenients de l’urani.

Els avantatges són quasi bé els mateixos que qualsevol altre tipus de

combustible, és a dir, produeix una gran quantitat d’energia a un preu raonable

i d’una forma continuada, ...

Daniel López Asensio, Jordi Escrivà Garrido, Eduard Albaladejo Castelló,

Raúl Jiménez García, Luc Alonso Durig, Jaume Ciré i Zhulian Valeriev Ivanov

6

Altres avantatges són que es necessita poca quantitat d’urani per a poder

produir electricitat, la seva disponibilitat temporal i la fàcil extracció de les

mines.

Els inconvenients són que causa un gran impacte ambiental (els seus residus

desprenen molta radiactivitat, han de ser emmagatzemats i tractats, generant

una gran despesa econòmica), és poc fissionable, i els neutrons produïts per la

seva fissió no són capaços per si mateixos de mantenir la reacció en marxa.