V.4.2. Reactorul nuclear.

Fisiunea nucleară este folosită pentru a produce energie în centrale nucleare și pentru explozii în armele nucleare. Energia fisiunii nucleare este eliberată ca energie cinetică a produșilor și fragmentelor de fisiune și ca radiație electromagnetică sub formă de raze gamma.

Reactorul nuclear este o instalație în care are loc o reacție controlată de fisiune în lanț ce determină încălzirea unui agent termic.

🔦 Observație

Nu toate reactoarele nucleare sunt folosite pentru producerea energiei electrice la nivel industrial, în centralele nucleare.

Pentru întreținerea reacției de fisiune în lanț este necesar ca, în medie, cel puțin unul dintre neutronii rezultați din fisiunea unui nucleu să producă o nouă fisiune. Această condiție este realizată atunci când masa combustibilului nuclear este egală cu o anumită valoare minimă, numită masă critică, dependentă de natura materialului fisionabil, de puritatea acestuia etc. Tot pentru întreținerea reacției de fisiune trebuie ca neutronii rezultați să fie încetiniți pentru a fisiona alte nuclee.

Principalele componente ale reactorului nuclear sunt:

2. Moderatorul este format din apă, apă grea sau grafit, având rolul de a încetinii neutronii rezultați în fisiune pentru a avea o fisiune în lanț. Moderatorul este format din nuclee ușoare care preiau prin ciocniri o mare parte din energia cinetică a neutronilor rapizi.

3. Barele de control, formate din bor sau cadmiu, au rolul de a absorbi surplusul de neutroni pentru a avea o reacție de fisiune controlată. Când, în medie, mai mult de un neutron rezultat din fisiune produce o nouă fisiune, sistemul poate ajunge într-o stare supracritică. În acest caz barele de control se introduc mai mult în zona activă a barelor de uraniu pentru ca reacția să nu scape de sub control sub forma unei explozii nucleare (ca în bombele nucleare).

4. Lichidul de răcire (apa sau apa grea) are rolul de a răci zona activă a reactorului, preluând prin ciocniri din energia cinetică mare a produșilor de fisiune. El transportă în exterior căldura dezvoltată de reacția de fisiune. De obicei, lichidul de răcire joacă rol și de moderator.

5. Reflectorul este confecționat dintr-un strat de beriliu, cu rolul de a întoarce neutronii care ies din zona activă.

6. Protecția biologică este realizată de un strat gros de beton, care atenuează scăpările de radiație gamma în exterior.

Centrala de la Cernavodă se bazează pe sistemul canadian CANDU (provine de la „CANada Deuterium Uranium”), care este o marcă înregistrată pentru reactorul energetic dezvoltat în anii 1950-1960 de mai multe firme canadiene.

Reactorul CANDU se compune dintr-o zonă activă orizontală formată din 4560 de fascicule de combustibil, amplasate în 380 de tuburi din aliaj de zirconiu (canale de combustibil), care penetrează de la un capăt la celălalt vasul cilindric al moderatorului. Prin canalele de combustibil circulă apa grea sub presiune (agentul de răcire), care transportă căldura degajată în combustibil la schimbătorii de căldură, unde se generează aburul folosit apoi pentru producerea de electricitate.

Avantajele reactorului nuclear CANDU:

• Realimentarea cu combustibil fără oprirea reactorului permite o producție suplimentară de energie electrică.
• Fiind un reactor optimizat din punctul de vedere al economiei de neutroni poate utiliza mai eficient resursele de combustibil nuclear (uraniul natural, thoriu).

Dezavantajele reactorului nuclear CANDU:

• Ca urmare a folosirii unei cantități mari de apă grea, un material destul de scump, reactorul CANDU are o investiție mai ridicată decât celelalte reactoare.
• Deoarece utilizează uraniul natural ce conține puțin material fisionabil, cantitățile de combustibil nuclear uzat (deșeu puternic radioactiv) sunt mult mai mari față de reactorii cu apă ușoară.
• Utilizarea apei grele ca moderator are dezavantajul că prin absorbția de neutroni se generează tritiu, un radioizotop foarte mobil ce reprezintă un risc pentru personalul operator și pentru mediul înconjurător.

Centrala nucleară Cernavodă, rezultat al colaborării dintre guvernele român și canadian, folosește reactorul CANDU cu o putere instalată de 700 MW, atât în unitatea nr. 1, finalizată în 1996, cât și la unitatea nr. 2, pusă în funcțiune în vara anului 2006. Alte trei unități (3,4 și 5) se află în conservare așteptând soluții de finanțare pentru reluarea lucrărilor. Ele vor fi terminate până în anul 2031, ajungând să cuantifice cca. 66% din energia electrică a țării cu zero emisii de dioxid de carbon.

În prezent funcționează unitățile I și II, care produc împreună circa 20% din consumul de energie electrică al țării.

Reacția de fisiune din reactor generează căldură, care este preluată de agentul de răcire (apa/apa grea).

În vaporizor se produc vapori de apă prin transfer de căldură de la agentul de răcire.

Vaporii care ies sub presiune din vaporizor pun în mișcare paletele turbinei de abur.

Pe axul turbinei se află montat rotorul generatorului electric, care se rotește odată cu paletele turbinei. Mișcarea rotorului în câmpul magnetic produs de statorul generatorului generează curentul electric, prin fenomenul de inducție electromagnetică.

Chiar dacă centralele nucleare nu poluează atmosfera, ele produc cantități enorme de deșeuri radioactive, care sunt periculoase pentru sănătatea planetei, deoarece acestea își păstrează proprietățile radioactive foarte mult timp (chiar mii de ani). Depozitarea deșeurilor radioactive este o problemă mondială deoarece pot produce contaminarea florei și faunei, care reprezintă resursele de hrană ale omenirii.

Un alt dezavantaj al centralelor nucleare îl constituie riscul unui accident nuclear care ar conduce la catastrofe ecologice, cum s-a întâmplat la explozia centralei nucleare de la Cernobîl din fosta U.R.S.S (actuala Ucraina), la data de 26 aprilie 1986.