Reactorul nuclear este o instalatie în care este initiata o reactie nucleara în lant, controlata si sustinuta la o rata stationara (în opozitie cu o bomba nucleara, în care reactia în lant apare într-o fractiune de secunda si este complet necontrolata).
Reactoarele nucleare sunt folosite pentru numeroase scopuri. Cea mai semnificativa utilizarea curenta este pentru generarea de putere electrica. Reactoarele de cercetare sunt folosite pentru producerea de izotopi si pentru experimente cu neutroni liberi. Din punct de vedere istoric, prima folosire a reactoarelor nucleare a fost producerea plutoniului pentru bom 959i86j ba atomica. O alta utilizare militara este propulsia submarinelor si a vapoarelor (desi aceasta presupune un reactor mult mai mic decât cel folosit într-o centrala nuclearo-electrica).
În mod curent, toate reactoarele nucleare comerciale sunt bazate pe fisiunea nucleara si sunt considerate problematice datorita nesigurantei lor si riscurilor asupra sanatatii. Din contra, altii considera centrala nucleara ca fiind o metoda sigura si nepoluanta de generare a electricitatii.
Instalatia de fuziune este o tehnologie bazata pe fuziunea nucleara în locul fisiunii nucleare.
Exista si alte instalatii în care au loc reactii nucleare într-o maniera controlata, incluzând generatoarele termoelectrice radioizotope si bateriile atomice, care genereaza caldura si putere exploatând dezintegrarile radioactive pasive, cum ar fi, de exemplu, instalatiile Farnswoth-Hirsch de producere a radiatiilor neutronice.
Scurt istoric
Desi omenirea a îmblânzit recent puterea nucleara, primele reactoare nucleare au aparut în mod natural. Cincisprezece reactoare de fisiune naturale au fost gasite în trei depozite separate de minereu la mina Oklo din Gabon, în vestul Africii. Descoperite pentru prima data de Francis Perrin, acestea sunt numite ca "Reactoarele Fosile Oklo". Aceste reactoare functioneaza de aproximativ 150 milioane de ani, având o putere medie de 100 kW. De asemenea, emisia de caldura, lumina si radiatii de la stele se bazeaza pe fuziunea nucleara. Conceptul unui reactor nuclear natural a fost teoretizat înca din 1956 de Paul Kurola la University of Arkansas.
Enrico Fermi si Leo Szilard, ambii de la University of Chicago, au fost primii care au construit o pila nucleara si au prezentat o reactie în lant controlata, pe 2 Decembrie 1942. În 1955 ei si-au împartit patentul de inventie pentru reactorul nuclear U.S. Patent 2.708.656.
Primul reactor nuclear a fost utilizat pentru a genera plutoniu pentru bomba nucleara. Alte reactoare au fost folosite în navigatie pentru propulsarea submarinelor si chiar avioane. La mijlocul lui 1950 Uniunea Sovietica si tarile vestice si-au extins cercetarile pentru a include si utilizarea nemilitara a atomului. Totusi, ca si programul militar, multe din lucrarile nemilitare au fost facute în secret.
Pe 20 Decembrie 1951, în SUA, a fost generat pentru prima data curent electric folosind putere nucleara la Experimental Breeder Reactor-I (EBR-1) localizat lânga Arco, statul Idaho. Pe 26 Iunie 1954, la ora 5:30 a început sa genereze curent electric prima centrala nucleara sovietica, la Obninsk, Kaluga Oblast. Ea a produs 5 MW, asigurând electricitate pentru 2.000 de case.
Prima centrala nucleara de tip comercial din lume a început sa functioneze pe 17 Octombrie 1956, la Calder Hall. Un alt reactor de putere timpuriu a fost Shippingport Reactor în Pennsylvania (1957).
Chiar înainte de accidentul din 1979 d la Three Mile Island, au fost oprite unele comenzi pentru centrale nucleare în USA din ratiuni economice legate în primul rând de durata lunga de constructie. De altfel din 1978 nu s-au mai construit centrale în SUA; situatia s-ar putea schimba dupa 2010.
Spre deosebire de accidentul de la Three Mile Island, accidentul din 1986 de la Cernobîl nu a înasprit reglementarile cu privire la reactoarele din Vest. Acesta deoarece reactoarele de la Cernobîl, de tip RBMK, erau cunoscute ca având un proiect nesigur, fara cladiri de siguranta si operate nesigur, iar Vestul auzite prea putine despre ele. Au fost si precipitari politice: Italia a tinut un referendum în anul urmator, 1987, ale carui rezultate au condus la oprirea a patru centrale nucleare.
În 1992 centrala turceasca Turkey Point Nuclear Generation Station a fost lovita direct de uraganul Andrew. Au fost pagube de peste 90 milioane de dolari, cele mai mari la un rezervor de apa si un cos de fum al unei unitati functionând cu combustibili fosili, dar cladirile de protectie nu au avut de suferit.
Prima structura de dezvoltare a sistemelor nucleare de putere utilitare, si anume US Navy, este singura din lume cunoscuta ca având o activitatea total curata. US Navy a operat mai multe reactoare decât orice alta entitate, chiar si Soviet Navy, fara incidente majore facute publice. Doua submarine americane, USS Scorpion si Thresher au fost pierdute în mare, din motive ce nu au avut legatura cu reactoarele lor, epavele lor fiind astfel situate încât riscul de poluare nucleara este considerat scazut.
Perspective de viitor
În 2006, centrala Watts Bar 1, era ultimul reactor nuclear comercial operational pus în functiune, în 1997. Acest fapt este adesea citat ca o dovada a succesului campaniei mondiale pentru închiderea treptata a centralelor nucleare. Oricum, rezistenta politica fata de centralele nucleare a avut din când în când succes în diferite parti ale Europei, în Noua Zeelanda, în Filipine si în Statele Unite. Cu toate acestea, în SUA si Europa au continuat investitiile în cercetari privind ciclul combustibilului nuclear si, desi unii experti prezic viata scurta electricitatii, cresterea pretului combustibilului fosil si preocuparea legate de actualele emisii de gaze si efectul de sera vor înnoi cererea de centrale nucleare.
Multe tari ramân active în dezvoltarea centralelor nucleare, incluzând aici: Japonia, China si India, toate trei dezvoltând atât tehnologii termice cât si reproducatoare, Coreea de Sud si Statele Uite, ambele dezvoltând numai tehnologii termice, si Africa de Sud si, din nou, China, dezvoltând versiuni ale reactorului de tip PBMR (Pebble Bed Modular Reactor = Reactor modular cu strat granular). Finlanda si Franta îsi continua în mod activ programele nucleare; Finlanda are în constructie un nou European Pressurized Reactor. Japonia are un program activ de constructii pentru noi unitati ce a început din 2005. În Statele Unite, trei consortii au raspuns înca din 2004 solicitarii Department of Energy (Departamentului de Energie) privind Programul Energetic Nuclear 2010 în vederea construirii inclusiv a unui reactor de generatia a IV-a, tip VHTR, destinat producerii de electricitate si hidrogen. Pe 22 Septembrie 2005, s-a anunta deja selectarea a doua locatii din SUA destinate construirii de noi reactoare. Centralele nucleare reprezinta un interes particular pentru China si India, ambele construind reactoare de tip FBR. În politica energetica a Marii Britanii se prevede construirea în viitor cel putin a unei noi centrale nucleare si mentinerea si prelungirea duratei de viata a celor existente deja.
Tipuri de reactoare
Desi s-au dezvoltat diferite tehnologii de realizare a reactoarele nucleare de fisiune, acestea pot fi împartite riguros în doua clase, depinzând de energia neutronilor utilizata pentru a sustine reactia de fisiune în lant:
.Reactoarele termice (lente) folosesc neutroni termici. Acestea sunt caracterizate ca având materiale de moderare care sunt destinate încetinirii neutronilor pâna când acestia ajung la nivelul mediu al energiei cinetice al particulelor din mediul înconjurator. Neutronii termici au o probabilitate mare de ciocnire cu nucleele fisionabile de 235U si, comparativ cu neutronii rapizi rezultati din fisiune, o probabilitate mica de captura din parte nucleelor de 238U. Pe lânga moderator, reactoarele termice au combustibil încapsulat, vase sub presiune, scuturi si instrumentatie de monitorare si control pentru toate sistemele reactorului. Multe reactoare de putere de acest tip, ca si primele reactoare de producere a plutoniului au fost reactoare termice având moderator de grafit. Unele reactoare sunt mai termalizate decât altele. Centralele moderate cu grafit (de exemplu reactoarele rusesti RBMK) si apa grea (de exemplu reactorul canadian CANDU) tind sa fie mult mai termalizate decât cele de tip PWR si BWR, acestea din urma utilizând ca moderator apa usoara; datorita gradului mai înalt de termalizare, reactoarele de acest tip trebuie sa foloseasca uraniu natural (neîmbogatit).
.Reactoarele rapide (FBR) folosesc neutroni rapizi pentru a întretine reactia de fisiune în lant si sunt caracterizate prin lipsa materialului de moderare. Ele functioneaza cu combustibil (uraniu) puternic îmbogatit sau plutoniu, pentru a reduce procentul de U-238 care ar captura neutronii rapizi. Unele reactoare sunt capabile sa produca mai mult combustibil decât au consumat, în mod uzual convertind U-238 în Pu-239. Unele statii de putere timpurii au folosit reactoare rapide, cum ar fi cele folosite la propulsia unor submarine si vase rusesti, altele se afla înca în constructie, dar acest tip de reactor nu a egalat succesul reactoarelor termice în nici un domeniu.
Reactoarele termice de putere pot fi împartite si ele în trei tipuri si anume: cu vas de presiune, cu canale combustibile presurizate, respectiv cu racire cu gaz.
Reactoare cu vase de presiune se întâlnesc în multe centrale comerciale dar si în propulsia unor nave. În acest tip de reactor termic, vasul de presiune joaca, în acelasi timp, si rolul de scut de protectie si, respectiv, de container pentru combustibilul nuclear.
Canalele presurizate sunt folosite în reactoarele de tip RBMK si CANDU. Reactoarele de acest tip prezinta avantajul de a putea fi aprovizionate (încarcate) cu combustibil proaspat chiar în timpul functionarii.
Reactoarele racite cu gaz folosesc (prin recirculare) un gaz inert, de obicei heliu, dar pot utiliza si azot sau bioxid de carbon. Utilizarea caldurii variaza de la reactor la reactor. Unele reactoare trimit caldura în turbine cu gaz, direct sau prin intermediul unui schimbator de caldura. Reactorul de tip PBMR, de exemplu, este racit cu gaz.
Atâta timp cât apa serveste ca moderator, ea nu poate fi folosita ca fluid de racire în reactoarele rapide. Cele mai multe reactoare rapide sunt racite cu metal lichid, de obicei sodiu topit. Ele sunt de doua tipuri: cu piscina, respectiv cu bucla.
Familii actuale de reactoare
.Pool type reactor = reactor cu piscina
.Pressurized Water Reactor (PWR) = reactor cu apa sub presiune
.Boiling Water Reactor (BWR) = reactor cu apa fierbatoare
.Fast Breeder Reactor (FBR) = reactor rapid reproducator
.Pressurized Heavy Water Reactor (PHWR) sau CANDU = reactor cu apa grea sub presiune
.United States Naval reactor = reactor utilizat de marina Statelor Unite
Tipuri vechi aflate înca în functiune
.Magnox reactor = reactor Magnox
.Advanced Gas-cooled Reactor (AGR) = reactor avansat racit cu gaz
.Light water cooled graphite moderated reactor (RBMK) = reactor racit cu apa usoara si moderat cu grafit
Alte tipuri de reactoare
.Aqueous Homogeneous Reactor = reactor omogen cu apa .Liquid Fluoride Reactor = reactor cu floruri lichide
Reactoare rapide
Exista mai mult de o duzina de proiecte de reactoare avansate, aflate în diferite stadii de dezvoltare. Unele sunt îmbunatatiri ale proiectelor anterioare PWR, BWR si PHWR, altele sunt radical diferite. Primele includ reactoarele avansate cu apa în fierbere (Advanced Boiling Water Reactor = ABWR) dintre care doua sunt deja operationale si altele în constructie, respective reactoarele cu securitate pasiva ESBWR si AP1000. Cel mai radical si nou proiect este reactorul modulare cu strat modular (PBMR) ce face parte din categoria reactoarelor de înalta temperatura racite cu gaz (HTGCR). De mentionat este faptul ca se afla în stare de proiect noul tip de reactor, CAESAR (Clean And Environmentally Safe Advanced Reactor = reactor avansat, curat si sigur pentru mediul înconjurator), ce foloseste aburul pe post de moderator.
Reactoare de generatia a IV-a
Cele mai avansate proiecte de reactoare nucleare sunt cunoscute sub denumirea de Generatia a IV-a si sunt împartite în sase clase:
.Gas cooled fast reactor = reactor rapid racit cu gaz
.Lead cooled fast reactor = reactor rapid racit cu plumb
.Molten salt reactor = reactor cu sare topita
.Supercritical water reactor = reactor supercritic cu apa
.Very high temperature reactor = reactor cu temperatura foarte înalta
.Fission fragment reactor = reactor cu fragmente de fisiune
Ciclul combustibilului nuclear
Reactoarele termice depind, în general, de uraniul rafinat si îmbogatit. Unele reactoare nucleare pot sa opereze cu o mixtura de plutoniu si uraniu (MOX). Procesul prin care minereul de uraniu este extras din mina, procesat, îmbogatit, folosit, posibil reprocesat si depozitat este cunoscut ca ciclul combustibilului nuclear.
Uraniul este scos din mina ca orice metal. Minereul brut de uraniu de pe teritoriul Satelor Unite are o concentratie de oxid de uraniu cuprinsa între 0,05% si 0,3%. Minereul de uraniu nu este rar; cele mai probabile resurse largi, exploatabile la un cost de 80$/kg sunt localizate în Australia, Kazakhastan, Canada, Africa de Sus, Brazilia, Namibia, Rusia si Statele Unite.
Minereul brut este macinat si tratat chimic. Pudra rezultata de oxid de uraniu este transformata apoi în hexaflorura de uraniu în vederea pregatirii pentru îmbogatire.
Izotopul usor fisionabil U-235 reprezinta sub 1% din uraniul natural, astfel încât cele mai multe reactoare solicita uraniu îmbogatit. Îmbogatirea presupune cresterea procentajului de U-235 si se realizeaza, uzual, cu ajutorul difuziei gazoase sau prin centrifugare de gaz. Materialul îmbogatit rezultat este convertit în pudra de UO2 care este sinterizat (= presat si copt) sub forma de pastile. Pastilele sunt introduse în tuburi închise etans care se numesc elemente (bare) combustibile. Într-un reactor nuclear se folosesc (se "ard") un numar mai mare sau mai mic de astfel de elemente combustibile.
Cele mai multe reactoare comerciale de tip BWR si PWR folosesc uraniu îmbogatit pâna la 4%, alte reactoare de cercetare folosesc îmbogatiri mai mari, în timp ce unele reactoare comerciale cu economie ridicata de neutroni nu necesita de loc combustibil îmbogatit.
Reîncarcarea reactoarelor nucleare
Cantitatea de energie din rezervorul unui combustibil nuclear este frecvent exprimata prin numarul de "full-power days" (zile la putere maxima), adica numarul perioadelor de 24 de ore (numarul de zile) cât este reactorul planificat sa opereze la putere maxima pentru generarea energiei termice. Acest ciclu, cu alte cuvinte numarul de zile de operare la putere maxima (între doua încarcari / aprovizionari ale reactorului cu combustibil proaspat) depinde de cantitatea de U-235 continut în combustibilul nuclear la începutul ciclului. Evident, cu cât procentajul de U-235 este mai mare la începutul ciclului, cu atât mai multe zile la putere maxima va lucra reactorul pâna la urmatoarea reîncarcare.
La sfârsitul ciclului de operare, combustibilul din unele configuratii este "consumat" si este descarcat si înlocuit cu combustibil nou, proaspat. Cu toate ca, în practica, reactia de otravire din combustibilul nuclear este cea care determina durata de viata a combustibilului într-un reactor. Fractia de combustibil din centrul reactorului care se înlocuieste cu ocazia reîncarcarii este de un sfert pentru BWR si o treime pentru PWR.
Nu toate reactoarele trebuie oprite pentru reîncarcare cu combustibil proaspat; de exemplu, reactoarele de tip PBMR, RBMK, MSR, MAGNOX si CANDU permit alimentarea cu combustibil proaspat chiar în timpul functionarii. Într-un reactor CANDU se permite de asemenea mutarea elementelor combustibile în diferite pozitii din centrul acestuia, convenabile din punctul de vedere al cantitatii de U-235 din element.
Cantitatea de energie extrasa din combustibilul nuclear se numeste "burn up" (arsa complet) si este exprimata în termeni de energie termica produsa pe unitatea initiala de masa de combustibil. "Burn up" se mai exprima si prin MW / tone de metal greu.
Managementul deseurilor radioactive
Stadiul final al ciclului de combustibil nuclear este managementul combustibilului "ars", foarte înalt radioactiv, care constituie cea mai problematica componenta a fluxului de deseuri nucleare. Dupa 50 de ani de energetica nucleara întrebarea "cum sa se administreze aceste resturi materiale" se confrunta cu probleme de securitate si tehnice, una din importantele directii de actiuni a criticilor industriei nucleare fiind chiar aceste costuri si riscuri pe termen lung asociate cu managementul deseurilor radioactive.
Administrarea combustibilului ars poate include variate combinatii de stocare, reprocesare si depozitare finala. În practica, combustibilul ars este stocat în piscine cu apa usoara (normala), de obicei chiar în incinta centralei. Apa asigura racirea combustibilului ars si este un ecran de protectie împotriva radioactivitatii acestuia. Dupa perioada de racire si diminuare a nivelului de radiatii, combustibilul ars este stocat (stocare uscata) fie în containere intermediare de otel si beton monitorizate cu atentie, fie în depozite finale sub forma de puturi adânci sapate în diferite formatiuni geologice.
Reprocesarea combustibilului ars este atractiva deoarece (1) permite reciclarea combustibilul nuclear si (2) asigura pregatirea deseurilor pentru depozitarea finala. Totusi, experienta Frantei, de exemplu, a aratat ca depozitarea finala este mult mai economica deoarece reprocesarea combustibilului ars conduce la cresterea de 17 ori a cantitatii de deseuri radioactive sub forma lichida.
Reactoare nucleare naturale
Un reactor nuclear de fisiune natural poate sa apara în unele circumstante care reproduc conditiile dintr-un reactor construit. Singurul reactor nuclear natural cunoscut s-a format acum 2 miliarde de ani la Oklo, în Gabon - Africa. Asemenea reactoare nu se mai pot forma pe Pamânt: dezintegrarea radioactiva pe aceasta durata imensa de timp a redus proportia de U-235 în uraniul natural sub limita ceruta pentru a sustine o reactie nucleara în lant.
Reactoarele nucleare naturale s-au format atunci când depozitele de minerale bogate în uraniu au fost inundate de apa freatica, actionând ca un moderator de neutroni si determinând initierea reactiei în lant.
Aceste reactoare naturale sunt studiate de catre oamenii de stiinta interesati de depozitarea geologica a deseurilor radioactive. Respectivele reactoare reprezinta un caz deosebit de studiu al migratiei izotopilor radioactivi în scoarta Pamântului, subiect abordat, de altfel, si de criticii actualei tehnologii nucleare, mai ales în legatura cu depozitarea deseurilor radioactive provenite din centralele de putere.
Aplicatii
Principalele aplicatii ale reactoarelor nucleare sunt:
În centrale nuclearo-electrice: productie de caldura pentru generare de electricitate; productie de caldura pentru încalzire domestica si industriala; productie de hidrogen; la desalinare.
În propulsia nucleara: pentru propulsie nucleara marina; exista propuneri pentru rachete termonucleare; exista propuneri pentru rachete propulsate prin puls nuclear.
În transmutatie de elemente: la productia de plutoniu, adesea pentru utilizarea în arme nucleare; la obtinerea diversilor izotopi radioactivi, cum ar fi americiu pentru detectorii de fum, respectiv cobalt-60, molibden-99 si altii, folositi în medicina.
În cercetare: pentru asigurarea unei surse de radiatie cu neutroni si pozitroni (cum ar fi pentru Analiza cu activare neutronica si Datarea cu potasiu-argon); pentru dezvoltarea de tehnologii neclare.
|
