O combustível nuclear é o produto que, contendo substâncias cindível ( urânio , plutónio ...) fornece a energia no coração de um reactor nuclear na manutenção da reacção em cadeia nuclear de cisão nuclear .
Os termos combustível e combustão são totalmente inadequados para caracterizar tanto o produto quanto sua ação. Na verdade, a combustão é uma reação química de oxidação-redução (troca de elétrons), enquanto a “combustão” de materiais radioativos vem de reações nucleares (fissão de núcleos atômicos). Esses termos são usados por analogia com o calor liberado por um material em combustão.
Os materiais físseis são usados para a propulsão nuclear de navios militares (em particular porta-aviões ) e submarinos nucleares , bem como combustível em usinas nucleares : um reator de água pressurizada de 1.300 MWe contém cerca de 100 toneladas de combustível renovadas periodicamente, por parte.
O combustível UOX ( óxido de urânio ) consiste em pellets de dióxido de urânio (UO 2 ). Essas pelotas são empilhadas em tubos de liga de zircônio . Esses tubos de cerca de 4 metros de comprimento também são chamados de dutos. O conjunto do disco de revestimento constitui um lápis. Os lápis são conectados em ambas as extremidades e pressurizados com hélio. As hastes são então montadas em conjuntos de combustível compostos de 264 elementos para os conjuntos mais comuns usados na França (17 × 17 = 289 - 24 tubos-guia - 1 tubo de instrumentação ⇒ ou 264).
A etapa de fabricação do combustível se destina a dar aos materiais nucleares a forma físico-química apropriada para irradiação em um reator. A maioria das usinas de energia usa combustível de óxido de urânio UOX (óxido de urânio ). Certas aplicações específicas requerem um combustível metálico (reatores Magnox , por exemplo).
O UF6 enriquecido é primeiro convertido em pó de óxido de urânio. O óxido de urânio é então comprimido na forma de pelotas (7 a 8 mm de diâmetro para PWRs ). Essas pelotas são empilhadas em um tubo: a bainha. Dependendo do tipo de reator, o revestimento é realizado:
A bainha é fechada em suas extremidades por tampões pseudo-cônicos soldados. Uma mola está localizada entre o topo da coluna físsil e o tampão superior para garantir a manutenção dos pellets. O lápis assim formado é preenchido com hélio . Este gás não pode ser ativado e, portanto, evita a formação de elementos radioativos gasosos no revestimento do pellet do interstício (ou lacuna).
As hastes são então montadas em redes verticais de aproximadamente 250 (dependendo do tipo de reator) hastes paralelas. Grades horizontais garantem a manutenção em feixes enquanto um dispositivo de preensão localizado na parte superior do conjunto facilita seu manuseio e permite a fixação no coração. As grades são equipadas com aletas, o que garante uma mistura turbulenta do fluido de transferência de calor - a água do circuito primário - circulando entre as hastes.
O MOX (óxido misto) é feito de reprocessamento de plutônio e urânio empobrecido produzido durante a etapa de enriquecimento. A forma físico-química do combustível é idêntica à do óxido de urânio (UOX).
Muitos países têm fábricas de combustível. As capacidades de fabricação globais são da ordem de 12.000 tHM / ano (tHM: toneladas de metal pesado) para combustível UOX para reatores de água leve e 5.000 tHM / ano para combustível para reatores de água pesada (principalmente no Canadá). As outras fábricas dizem respeito ao combustível AGR (no Reino Unido), bem como aos combustíveis MOX para PWRs e FNRs .
O ciclo do combustível nuclear consiste nas seguintes etapas:
Principais elementos contidos nos combustíveis nucleares irradiados (em kg / tonelada de combustível PWR 1300, após 3 anos de resfriamento)
Urânio : enriquecimento de 935,548 kg de cerca de 1%
| Actinides | Massa (kg) |
|---|---|
| neptúnio | 0,43 |
| plutônio | 10 |
| amerício | 0,38 |
| cúrio | 0,042 |
| Produtos de fissão | Massa (kg) | Produtos de fissão | Massa (kg) |
|---|---|---|---|
| Kr , Xe | 6,0 | Tc | 0,23 |
| Cs , Rb | 3,1 | Ru , Rh , Pd | 0,86 |
| Sr , Ba | 2,5 | Ag , Cd , In , Sn , Sb | 0,25 |
| Y , La | 1,7 | Esta | 2,5 |
| Zr | 3,7 | Pr | 1,2 |
| Se , Te | 0,56 | WL | 4,2 |
| Mo | 3,5 | Sm | 0,82 |
| eu | 0,23 | Teve | 0,15 |
Em alguns setores de reatores, incluindo reatores de água pressurizada e reatores de água fervente (os mais comuns), os combustíveis irradiados podem ser reprocessados, o que torna possível separar os componentes que podem ser recuperados para um novo uso daqueles que não podem ser usados. Reciclados e constituídos resíduo nuclear final, enquanto o acondiciona em uma forma físico-química mais estável e mais adequada para armazenamento ou descarte ( na superfície ou em profundidade ).
Nos atuais reatores de água pressurizada (do tipo Westinghouse ), o tempo médio de residência das barras de combustível é de 4,5 anos. Ao final desse período, para uma tonelada de combustível, resta:
Se o plutônio puder ser reutilizado, os outros actinídeos menores são vitrificados e armazenados. Leva entre 300.000 e 1 milhão de anos para que sua radiotoxicidade caia para a do urânio. O objetivo da transmutação é transformá-los em espécies muito menos radiotóxicas. Por exemplo, o projeto MYRRHA permitiria a combustão de barras compostas por até 50% desses actinídeos. Após a transmutação, sua radiotoxicidade se juntaria à do urânio em apenas 300 anos.
O revestimento de zircônio que envolve o combustível e as estruturas internas do conjunto de combustível não são reciclados e fazem parte dos resíduos de longa vida.
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