Reactorul nuclear
Reactor nuclear
Schema simplificată a unui reactor nuclear 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
bară pentru oprire de urgen ță bare de control combustibil protecție radiologică ieșirea vaporilor intrarea apei protecție termică
Reactorul nuclear repreint! o instala"ie comple#! $n care se desf!%oar!
controlat& $n regim critic& reac"ia nuclear! de fisiune $n lan". 'n reactor nuclear se compune din( ona activ!& materialele de sus"inere& reflectorul de neutroni& barele de reglare %i control& fluidul de r!cire %i blinda)ul de protec"ie biologic! a personalului care lucrea! $n acest loc. *e asemenea& reactorul este prev!ut cu o serie de canale de iradiere e#perimental!& prin care se introduc diferite "inte ce se e#pun reac"iilor nucleare date. Reactorul este format dintr+un ansamblu cilindric din o"el+ino# ,calandria- plasat $ntr+o structur! de beton placat cu o"el care asigur! protec"ia termic! %i r!cirea. alandria con"ine apa grea ca moderator& mecanisme de control al reactivit!"ii %i 3/0 canale de combustibil. analele de combustibil care con"in combustibil %i apa grea folosit! ca agent de r!cire& sunt amplasate $n tuburi mai mari $n calandria. alandria este sus"inut! de protec"ii de capat $ntre ona aciv! a reactorului %i ona de func"ionare a ma%inii de $nc!rcat combustibil. Reactorul este $nc!rcat cu uraniu natural sub form! de pastile de '2. reieci de pastile puse cap la cap sunt con"inute $ntr+o teac! din alia) de irconiu ,ircalo- formnd un element combustibil. ransmuta"iile radioactive naturale precum %i reac"ii nucleare produse artificial& prin reac"ii de fisiune nuclear! au ca reultat dega)area unor mari cantit!"i de energie pe unitatea de mas! a substan"ei cu care reac"ionea!. osibilitatea utili!rii energiei nucleare s+a realiat o dat! cu descoperirea fisiunii nucleare %i procedeul ob"inerii reac"iei $n lan". Reac"ia nuclear! continu! %i reglabil! se realiea! $n reactori nucleari. n reactoare se utiliea! . ondi"ia necesar! pentru decurgerea reac"iei nucleare $n lan" este masa suficient! de uraniu din reactor. 8eutronii care se formea! $n procesul reac"iei nucleare& pot ie%i prin suprafa"a uraniului afar! %i particip! la devoltarea reac"iei $n lan". entru ca trac"iunea se ace%ti neutroni s! fie mic!& $n compara"ie cu volumul lui& trebuie ca masa uraniului din reactor s! fie suficient de mare %i s! dep!%easc! o anumit! mas!critic!. e de alt! parte& pentru ca reac"ia s! nu decurg! prea violent& trebuie reglat num!rul de neutroni& nepermi"ndu+9 s! creasc! prea mult. :ceasta se realiea! printr+o absor"ie a neutronilor termici e#cedent!ri cu a)utorul unor elemente ca borul ,;- %i cadmiul ,d-. Reactoarele nucleare au trei tipuri de aplica ții. •
•
•
ea mai semnificativă aplica ție comercială este producerea de energie electrică sau de căldură ,termoficare& procese industriale-. altă aplicație este propulsia navală ,$n special pentru scopuri militare-. <#istă și reactoare nucleare pentru cercetare unde fascicolele de neutroni se folosesc pentru activități științifice sau pentru producerea de radioiotopi
destinați utiliărilor civile ,medicină& industrie& cercetare-& sau militare ,arme nucleare-.
Istoric
eo Silard& ambii de la 'niversit of hicago& au fost primii care au construit o pilă nucleară și au preentat o reacție $n lan ț controlată& pe 2 *ecembrie 1?42. rimul reactor nuclear din S': a fost utiliat pentru a produce plutoniu pentru arma nucleară. :lte reactoare au fost folosite $n propulsia navală ,submarine& nave militare-. e 20 *ecembrie 1?51& $n S':& a fost generat pentru prima dată curent electric folosind fisiunea nucleară la Reactorul rapid e#perimental ,<;R+1- localiat lngă :rco& statul 9daho. e 26 9unie 1?54 a $nceput să generee curent electric reactorul nuclear de la bnins@. :lți reactori de putere au $nceput să funcționee la alder Aall $n 1?56 și Shippingport + ennslvania $n 1?57. <#presia optimismului fa ță de energia nucleară a fost celebra sintagma a lui >eBis Strauss& presedintele 'S:< Ctoo cheap to meterD ,prea ieftin să contee-. 'tiliarea comercială a energeticii nucleare $ncepe cu reactorul prototip,ERFan@ee RoBe de 250 GEe pus $n funcțiune de Eestinghouse $n 1?60 și cu reactorul ,;ER- *resden+1 de 250 GEe proiectat de Heneral
•
*escoperirea in Garea 8ordului a uriașe cantități de gae naturale ce au repreentat $n
•
•
•
8așterea mișcării ecologiste ce se opunea $n general construc ției de noi reactoareN 9ntroducerea $n S': a unui nou regim de autoriare pentru protec ția mediului care a făcut construc ția de centrale nucleare neeconomicăN :ccidentele de la hree Giles 9sland ,1?7?- și hernobl ,1?/6- cu consecințe impresionante pentru imaginea publică a energiei nucleare.
n ciuda problemelor din perioada anilor O/0 și O?0& energetica nucleară nu a dispărut de pe piață. *impotrivă& a treia genera ție de reactoare nucleare a fost devoltată $n S': ,:;ER& Sstem P-& =ranța ,<R-& anada ,:R-& Rusia și oreea de Sud. n anul 2001 a fost semnată carta =orumului 9nternațional pentru Henera ția 9I ,H9=-. Scopul acestei asocia ții este devoltarea a șase sisteme energetice nucleare ,reactoare termice( IAR& SER& GSR și reactoare rapide( H=R& S=R& >=R pnă la nivel comercial pentru a putea fi construite $n perioada 2015+2023 sau mai triu.
Componentele Reactoarele nucleare de fisiune& indiferent de destina ția lor& au următoarele elemente comune( Combustibilul nuclear Reacția de fisiune $n lan ț are loc $n combustibilul nuclear. :proape toate reactoarele nucleare utilieaă uraniul drept combustibil. Reactoarele comerciale& cu cteva e#cep ții& utilieaă uraniul $mbogă țit 2+5J $n iotopul '235. 'nele reactoare utilieaă un combustibil ce con ține pe lngă uranium și plutoniu GQ-& un alt element fisionabil. ombustibilul și structura mecanică $n care este acesta a șeat formeaă ona activă ,inima- reactorului. Moderatorul Goderatorul este necesar pentru $ncetinirea neutronilor reulta ți din fisiune ,neutron termici- pentru a le cre ște eficien ța de producere a unor noi reacții de fisiune. Goderatorul trebuie să fie un element u șor care permite neutronilor să se ciocnească fără a fi captura ți. a moderatori se utilieaă apa obișnuită& apa grea ,deuterium- sau grafitul. Agentul de răcire entru a menține temperature combustibilului $n limite tehnic acceptabile ,sub punctual de topire- căldura eliberată prin fisiune sau prin deintegrarea radioactivă trebuie e#trasă din reactor cu a)utorul unui agent de răcire ,apa obișnuită& apa grea& dio#id de carbon& heliu& metale topite& etc-. ăldura
preluată și transferată de agentul de răcire poate alimenta o turbină pentru a genera electricitate. Barele de control ;arele de control sunt realiate din material ce absorb neutronii precum( borul& argintul& indiul& cadmiul si hafniul.
se află o manta din >itiu care absoarbe neutronii energetici din fuiune pentru a produce combustibilul ritiu. n manta neutronii produc și căldură care este evacuată cu o buclă de răcire cu apă și transferată unui schimbător de căldură pentru a produce abur. :burul acționeaă o turbină producnd electricitate.
Tipuri Reactoarele nucleare se pot clasifica $n func ție de tipul de reac ție nucleară folosit& de materialele folosite la construcția instala ției& de utiliarea energiei produse și de stadiul de devoltare a tehnologiei. •
n funcție de reacția nucleară folosită reactoarele se clasifică $n(
+ reactoare de fisiune ,cu neutroni termici sau cu neutroni rapii+ reactoare de fuiune •
n funcție de combustibilul nuclear folosit reactoarele se clasifică $n(
+ reactoare cu combustibil solid ,o#id de uraniu& o#id plutoniu& o#id de toriu sau combinații+ reactoare cu combustibil lichid ,săruri topite de uraniu sau de toriu-
•
n funcție de moderatorul folosit reactoarele se clasifică $n(
+ reactoare cu apă ușoarăN + reactoare cu apă greaN + reactoare cu moderator organic ,;-N + reactoare cu grafitN + reactoare cu elemente ușoare ,>if& ;e=2-N + reactoare fără moderator ,cu neutroni rapii-. •
n funcție de agentul de răcire folosit reactoarele se clasifică $n(
+ reactoare cu apă u șoară ,sub presiune sau $n fierbere-N + reactoare cu apă greaN + reactoare cu ga ,heliu& bio#id de carbon& aot-N + reactoare cu metal lichid ,sodiu& 8a& plumb& eutectic plumb+bismut& mercur+ reactoare cu săruri topite ,săruri cu fluor•
n funcție de utiliare reactoarele se clasifică $n(
+ reactoare pentru producerea de energie electricăN + reactoare pentru producerea de energie termică ,căldură de proces& desaliniare& producere de hidrogen& termoficare-N + reactoare pentru propulsie ,nave& submarine -N +reactoare pentru producerea de radioiotopi prin transmutare ,plutoniu& '233& radioiotopi pentru u medical sau industrial-N + reactoare de cercetare. •
n funcție de stadiul tehnologiei reactoarele se clasifică $n(
+ reactoare din generația 9& primele prototipuri , Shippingport& Gagno#& =ermi 1& *resden-N + reactoare din generația 99& proiectate $nainte de 1??0 ,ER& ;ER& AER& :HR& EE
+ reactoare din generația 999 P & proiecte cu $mbunătă țiri semnificative privind securitatea si economicitatea ,:8*' avansat& <R& II
Reactoarele comerciale Reactorul cu apă sub presiune - PWR Reactorul cu apă sub presiune ,ER-& cel mai răspndit pe plan mondial& folosește apa ordinară ca moderator și agent de răcire. :pa de răcire este men ținută sub presiune ridicată pentru a nu fierbe $n interiorul vasului de presiune al reactorului și a circuitului primar. ăldura
preluată din ona activă este transferată unui schimbător de căldură unde se produce aburul pentru acționarea turbinei și generarea de electricitate. *enumirea rusească a acestui tip de reactor este II:8*R9:- menținut la presiune și temperatură scăută& care este străbătut de tuburi ce conțin combustibilul și prin care circulă apa grea de răcire la presiune ridicată. :ceastă structură cu tuburi con ținnd combustibilul ce pot fi accesate individual permite schimbarea combustibilului fără oprirea reactorului. :ceastă caracteristică a reactorului $i cre ște disponibilitatea dar și comple#itatea operării. Reactorul răcit cu ga - !CR Reactoarele răcite cu ga mai sunt folosite doar $n
Garea ;ritanie. <#istă două tipuri ale acestui reactor( Gagno# ,cu uraniu naturalși :HR ,cu uraniu $mbogățit-. :mbele folosesc bio#idul de carbon ca agent de răcire și grafitul ca moderator. :vnd o structură similară cu :8*' ele pot fi realimentate cu combustibil fără a fi oprite. Reactorul RBM" :cronimul este din limba rusă și se referă la un reactor cu apă $n fierbere moderat cu grafit și avnd o structură cu tuburi de presiune similară cu :8*'. 'n astfel de reactor a e#plodat la ernobl cu consecin țele cunoscute.
Reactorul rapid - #BR Reactorul rapid funcționeaă pe baa reacției de fisiune cu neutroni rapii. Reac ția de fisiune cu neutroni rapii elibereaă mai mul ți
neutroni dect cea cu neutroni termici. <#cesul de neutroni este folosit pentru transmutarea '23/ sau a h232 $n iotopi fisionabili ,u23? respectiv '233 -. *in acest motiv reactorii nu neutroni rapii se mai numesc și reproducători ,genereaă mai mult material fisionabil dect consumă-. Reactorii rapii sunt răci ți cu metale topite ,sodiu&plumb- sau gae,Aeliu-.
#uncționarea reactorului cu fisiune =uncționarea reactorului nuclear se baeaă pe reac ția de fisiune indusă de neutroni prin care se elibereaă energie& iar procesul poate fi controlat prin controlul numărului de neutroni disponibili. '235 P n T 2 fragmente de fisiune P 2 sau 3 neutroni P U& V P energie *eoarece neutronii eliberați prin fisiune pot induce alte fisiuni apare posibilitatea perpetuării reacției ,fisiune $n lanț-. n condi ții optime reacția de fisiune se menține la nivel constant și avem o reac ție $n lan ț controlată. 8eutronii e#pulați prin fisiune au o energie cinetică ce corespunde unei vitee de circa 13 /00 @ms ,neutroni rapii-. entru a produce fisiunea uraniului 235neutronii trebuie să aibă energii mult mai mici& adică să fie $n echilibru termic cu mediul $ncon)urător ,neutroni termici-. 8eutronii rapii sunt $ncetini ți prin ciocnirea cu atomii moderatorului. Aidrogenul ,apa ușoară- cu masă egală cu cea a neutronului ar părea cel mai bun moderator dar el poate absoarbe u șor neutronii scănd numărul lor. *euteriul ,apa grea- are avanta)ul că absoarbe mai pu țini neutroni realind mai u șor perpetuarea reac ției $n lan ț. n reactor numărul de neutroni este reultatul competi ției dintre procesul de fisiune ,care genereaă neutroni- și a procesesele neproductive de absorb ție $n materialele reactorului sau de scurgere $n afara reactorului. :uto$ntre ținerea reacției de fisiune depinde de viteele proceselor men ționate care determină constanta de multiplicare( @eff W Iitea de producere,vitea de absorbție $n materialeP vitea de scurgere din reactor@eff X 1 8umărul de neutroni scade $n timp ș reactorul se oprește ,reactor subcritic-. @eff W 1 Reacție $n lan ț auto $ntreținută ,reactor critic $n stare stațonară- @eff Y 1 8umărul de neutroni crește permanet ,reactor supercritic-. Iitea de scurgere a neutronilor din reactor este invers proporțională cu mărimea acestuia. entru a avea @eff W 1 reactorul trebuie să aibă o dimensiune minimă respectiv o masă critică.
Cinetica reactorului nuclear n fiica reactorului nuclear se folose ște noțiunea de reactivitate ZW 1 [ 1 @eff ,producția netă realativă de neutroniReactorul nuclear funcționee deobicei $n stare staționară ,ZW0-. nd se doreste reducerea puterii reactorului sau oprirea se introduce reactivitate negativă& cu a)utorul dispoitivelor absorbante de neutroni conținnd bor& cadmiu sau gadoliniu. >a pornirea reactorului se introduce reactivitate poitivă pentru scurt timp& prin scoaterea dispoitivelor de absorb ție a neutronilor. 8eutronii produ și prin fisiune pot fi prompți sau $ntriați. entru neutronii promp ți intervalul de timp dintre nașterea lor și absorb ția $ntr+o reac ție de fisiune este de circa 0&? milisecunde. 8eutronii $ntriați sut generați prin deintegrarea beta a fragmentelor de fisiune cu durate de via ță cuprinsă $ntre 0&2 și 50 secunde. 8eutronii $ntriați au o mare influien ță asupra evolu ției puterii reactorului și faciliteaă considerabil controlul acestuia. *intre fragmentele de fisiune iotopul Qe135 are un rol important $n funcționarea reactorului nuclear deoarece are o capacitate mare de a absoarbe neutronii termici. :cest iotop radioactiv este produs prin deintegrarea beta a 9135 ,timp de $n)umătă țire de ?&16? ore- și dispare pe două căi( prin deintegrare și prin absorb ția unui neutron cu transformarea $n Qe136. >a oprirea reactorului echilibrul dintre generarea și consumul de Qe135 este perturbat deoarece dispare ruta de transformare $n Qe136. Reultatul este descreșterea puternică a reactivită ții ,otrăvirea cu Qenon- la circa 10 ore de la oprirea reactorului. Reactorul nu mai poate fi repornit dect după 35+ 40 de ore& atunci cnd concentrația #enonului scade prin deintegrare la nivelul anterior opririi. rin fisiune o parte din masa atomului fisionabil se transformă $n energie( +/5J sub formă de energie cinetică a fragmentelor de fisiuneN + 15J ca energie cinetică a neutronilor și particolelor U sau V N
e lngă radioiotopii reulta ți din fisiune $n reactor are loc transmutarea '23/ $n u23? prin reacția( '23/ Pn T '23? T 8p23? P U T u23? P 2 U lutoniul 23? este un iotop fisionabil și contribuie la producerea de energie. rin absorbții succesive de neutroni el se poate transfoema $n u240 ,nefisionabil- și $n u241 ,fisionabil-. impul de $n)umătățire al u23? este 24 000 ani. ritiul& un radioiotop foarte mobil poate fi generat prin fisiune ,110 000- precum și prin absorbția unui neutron de către deuteriul din apa grea. ritiul este un emițător beta de )oasă energie& radia ția sa nu pătrunde prin piele& dar atunci cnd este inhalat sau ingerat cu alimente sau apă preintă pericolul iradierii interne.
Protectia mediului Reactorul nuclear genereaă patru flu#uri de substan țe radioactive ,de șeuri- care pot afecta mediul( •
•
•
•
ombustibilul nuclear uat ce conține ma)oritatea radioiotopilor genera ți prin fisiune N *eșeurile miniere și cele de la rafinarea uraniului con ținnd produ șii de deintegrare ai uraniuluiN
e lnga substanțele radioactive reactorul nuclear mai elibereaă $n mediu mari cantități de căldură ce polueaă termic apele sau atmosfera. biectivul principal al gospodăririi deșeurilor radioactive este prote)area oamenilor și a mediului fa ță de acțiunea dăunătoare a radia țiilor nucleare. :ceasta se realieaă prin iolarea sau diluarea deșeurilor radioactive astfel $nct concentra ția oricărui radionuclid care a)unge $n biosferă să nu fie dăunătoare. Hospodărirea substanțele radioactive ,deșeuri- generate de reactorul nuclear se baeaă pe trei principii( \ oncentrare și iolareN \ Stocare pentru deintegrareN \ *iluare și dispersie. 'nele deșeuri slab radioactive lichide reultate din operarea reactorului nuclear sunt eliberate controlat $n apele de suprafa ță cu condiția ca doa asociată să fie doar o mică fracțiune din fondul natural. Reactorul nuclear elibereaă $n mediu
cantități mici de gae radioactive ,r/5& Qe133& 9131& tritium- $n condi ții controlate. ea mai dificilă problemă o repreintă gospodărirea combustibilului nuclear uat care conține cea mai mare parte din radioactivitatea generată $n reactorul nuclear. dificultate ma)oră o repreintă timpul de $n)umătă țire e#trem de lung al anumitor radonuclii( 912? ,15&7 milioane ani-& c?? ,220 000 ani-& 8p237 ,2 milioane ani-& u23? ,24 000 ani-. rin urmare iolarea acestor deșeuri față de biosferă impune dispunerea lor $n structuri geologice de mare adncime unde are loc deintegrarea radionucliilor fără a afecta biosfera.
;ibliografie( [email protected] 9:<:+<*+1544 [ 8uclear poBer plants design characteristics& Iienna& 2007 :le#andru ;erinde [
