3.1. Generalităţi
Energia nucleară joacă un rol important în producţia de energie electrică, la egalitate cu cea produsă în hidrocentrale. Pe plan european circa 33% din energia electrică este produsă în centrale nuclearo-electrice (de exemplu în Franţa energia nucleară stă la baza a circa 75% din producţia de energie electrică). Centralele nucleare sunt centrale termoelectrice, fiind constituite dintr-o sursă care cedează căldură (reactorul), un sistem de transport al energiei termice (cu unul, două sau trei circuite) şi un sistem de transformare a energiei termice în energie electrică (turbină, generator plus sursă rece). În practică există o multidine de combinaţii posibile ale acestor elemente,în primul în ceea ce priveşte tipurile de reactoare dezvoltate, dar şi în ceea ce priveşte producerea energiei electrice care se poate realiza cu turbine cu abur sau cu turbine cu gaz. Totodată sursa rece poate să fie apa unui râu,apa mării, aerul etc. Schematic sunt prezentate elementele principale ale circutului termic al unei centrale nucleare.
Utilizarea reactoarelor nucleare impune, ca şi surse de căldură, condiţii specifice de presiune şi temperatură, diferite faţă de centralele termoelectrice clasice. Din acest motiv tehnologiile utilizate pentru realizarea instalaţiilor sunt diferite faţă de cele utilizate în instalaţiile centralelor termoelectrice clasice.
3.2. Reactorul nuclear de fisiune
3.2.1. Reacţia de fisiune în lanţ
În reactorii nucleari actuali, eliberarea energiei nucleare este rezultatul procesului de fisiune nucleară. Transformările nucleare pot avea loc fie spontan, dezintegrări radioactive, fie datorită interacţiunii nucleelor între ele sau cu particule incidente, aşa numitele reacţii nucleare. Fisiunea nucleară a fost descoperită de Hahn şi Strassmann în 1938, când au descoperit în urma reacţiei U+n prezenţa bariului cu numărul atomic 56. Francezii F. Joliot Curie şi F. Perrin au stabilit că la fiecare dezintegrare seproduc în medie mai mult de doi neutroni, fapt care permite să se autoîntreţină o reacţie de fisiune în lanţ. Fisiunea nucleară poate avea loc în mod spontan, sau poate fi indusă prin ciocnirea nucleelor grele cu alte particule: neutroni, protoni, particule alfa, deuteroni etc. Primul model al fisiunii induse de particule a fost elaborat de Bohr şi Wheeler pe baza modelului picătură al nucleului. În conformitate cu acest model, particula incidentă formează la început, împreună cu nucleul ţintă, un nucleu compus într-o stare excitată, excesul de energie fiind datorat energiei cinetice a particulei incidente şi corecţiei intervenite în energia de legătură prin formarea nucleului compus. Energia de excitare provoacă o deformare a nucleului, care trece de la forma sferică la una elipsoidală. Dezexcitarea poate avea loc prin expulzarea unui foton gama, caz în care reacţia nucleară reprezintă doar o captură radioactivă. Dacă deformaţia depăşeşte o anumită valoare critică, forţele columbiene de respingere devin predominante şi nucleul evoluează spre o separare în fragmente distincte - fisiunea nucleară. Există şi alte modele de fisiune, mai apropiate derealitate, cum este modelul în pături. Pentru nucleele cu o configuraţie par-impară, ca de exemplu 92U235, neutronul incident conduce la o configuraţie par-pară 92U236, instabilă, adică cu energie de separare mare, cu alte cuvinte 92U235 va putea fisiona cu neutroni de energie cinetică mică, neutroni lenţi sau neutroni termici. Pentru nucleele cu o configuraţie par-pară, de exemplu 92U238, neutronul 239 suplimentar va conduce la o configuraţie par-impară, 92Pu , stabilă (un timp de înjumătăţire de 24000 ani), cu o energie mică a neutronului introdus, ca urmare pentru fisiune este nevoie de neutroni cu o mare energie cinetică, sau neutroni rapizi. Uraniul 92U235 este singurul izotop fisionabil cu neutroni termici care se găseşte în natură, cu o abundenţă masică în uraniul natural de 0.7113%. Alţi izotopi fisionabili cu neutroni termici în energetica nucleară sunt produşi prin reacţii nucleare; aceştia sunt 239 şi 92U233, de asemenea nuclee par-impare, obţinuţi prin bombardarea unor 92Pu izotopi naturali cu neutroni rapizi.O caracteristică a reacţiei de fisiune induse de neutroni constă în faptul că, pe lângă eliberarea unei cantităţi însemnate de energie, se emit mai mulţi neutroni decât sunt absorbiţi. Un astfel de proces se numeşte reacţie înlanţ. În anumite condiţii reacţia de fisiune în lanţ, poate fi controlată, numărul de neutroni din reactor rămânând constant. În cazul fisiunii cu neutroni termici, un proces important îl constituie reducerea energiei neutronilor rapizi, pentru ca aceştia să poată provoca noi reacţii de fisiune, proces denumit moderare şi care are loc prin ciocnirea neutronilor rapizi cu nucleele materialelor moderatoare. Înainte, în timpul şi după moderare, au loc pierderi de neutroni, prin absorbţie şi prin părăsirea mediului în care se află materialul fisionabil. Pentru amorsarea reacţiei nucleare e nevoie de o anumită cantitate de material fisionabil, numită masă critică. Această masă critică depindede o serie de factori externi, dar îndeosebi de natura materialului fisionabil.
3.2.2. Structura şi caracteristicile unui reactor nuclear
Partea principală a unui reactor o constituie zona de reacţie, sau zona activă, care conţine conţine conţine conţine conţine un amestec omogen sau eterogen de combustibil şi moderator În cazul unei zone active eterogene, combustibilul este introdus sub formă de elemente combustibile, sistem care îi asigură un plus de rezistenţă mecanică şi permite containerizarea produselor de fisiune radioactive. Combustibilul nuclear, în reactor, poate fi natural sau artificial. Există două tehnologii: a uraniului natural şi a uraniului îmbogăţit. Cea a uraniului îmbogăţit este accesibilă unui mic număr de ţări, SUA, Rusia, Franţa şi Anglia, construirea unei uzine de îmbogăţire a uraniului fiind foarte scumpă. Dar asigură un grad mai bun de ardere combustibilului nuclear. Elementele combustibile ceramice folosesc pulbere de oxid de uraniu, presată şi sinterizată. Dar se utilizează şi elemente combustibile metalice, obţinute prin turnare şi deformare plastică. Moderatorul are rolul de a reduce energia neutronilor rapizi rezultaţi din fisiune, transformându-i prin ciocniri elastice în neutroni lenţi sau termici. Acesta este realizat din materiale cu greutate atomică mică: apă, apă grea, grafit sau Be. Un moderator este cu atât mai bun cu cât numărul de ciocniri necesar pentru aducerea neutronilor la viteza termică este mai mic şi cu cât absorbţia neutronilor este mai mică. Apa grea este cel mai bun moderator, având cea mai mică secţiune de absorbţie şi un număr de ciocniri acceptabil. Poate fi folosită ca moderator şi la reactoare cu uraniu natural, dar trebuie specificat că este foarte higroscopică, adică se impurifică uşor cu apă uşoară. Din acest motiv pretenţiile privind puritatea şi etanşeizarea instalaţiei de apă grea sunt foarte severe, ceea ce scumpesc mult investiţia. Apa uşoară are proprietăţi excelente pentru moderare (număr de ciocniri cel mai mic), dar are o mare capacitate de absorbţie asupra neutronilor (de circa 600 de ori mai mare ca apa grea). Din acest motiv se poate utilize numai pentru reactoare cu combustibil îmbogăţit. Există şi moderatoare solide: grafitul şi uneori beriliul, dar sunt mai scumpe decât acele lichide. Ansamblul combustibil-moderator este înconjurat de un reflector care are rolul de a reduce scăpările de neutroni în afara zonei active a reactorului. De regulă reactorul este construit dintr-un vas de presiune etanş în Interiorul căreia se află zona activă. Vasul de presiune se realizează din oţel sau din beton precomprimat. Evacuarea căldurii din zona activă a reactorului se face prin intermediul agenţilor de răcire.
Condiţiile pe care trebuie să le îndeplinească un bun agent de răcire sunt:
- capacitate bună de înmagazinare şi transfer a căldurii;
- absorbţie scăzută a neutronilor;
- să rămână lichizi la temperaturi ridicate şi presiuni scăzute;
- să fie stabil la radiaţii;
- vâscozitate mică;
- să fie neinflamabil, netoxic şi preţ de cost cât mai scăzut.
Dintre substanţele gazoase pot fi folosiţi ca agenţi de răcire CO2 şi He. Dintre lichide se pot folosi apa uşoară, apa grea şi substanţe organice. Metalele în stare lichidă şi sărurile topite asigură cel mai bun coeficient de transmisie a căldurii, sunt stabile termic şi la iradiere şi necesită presiuni mici. Au dezavantajul că metalele alcaline (Na,K) sunt reactive faţă de apă, hidrogenul degajat prezentând pericol de explozie. Controlul reacţiei în lanţ se face prin intermediul barelor de control. Barele de control sunt realizate din materiale absorbante de neutroni.
Acestea trebuie să îndeplinească următoarele condiţii:
- capacitate mare de absorbţie pentru neutroni cu energii cuprinse într-un spectru cât mai larg;
- rezistenţă mecanică, stabilitate chimică şi compatibilitate cu celelalte materiale ale reactorului;
- produsele rezultate prin iradiere să aibă timp de înjumătăţire mic. Dintre materialele absorbante folosite se poate aminti: borul; cadmiu; hafniu; iridiul; aliaje de argint, cadmiu, iridiu şi tantal La orice reactor nuclear sunt necesare şi materiale de protecţie biologic care au rolul de a reţine neutronii şi radiaţiile emise în afară. Se utilizează apa, betonul, fierul şi plumbul.
3.2.3. Clasificarea reactoarelor nucleare de fisiune. Filiere nucleare.
De la construirea primului reactor nuclear, în 1942, în concepţia şi sub conducerea lui Enrico Fermi, s-au realizat mii de reactori nucleari de tipuri şi destinaţii diferite
După tipul de neutroni care realizează reacţia de fisiune:
- reactori cu neutroni termici;
- reactori cu neutroni rapizi.
După modul de dispunere a componenţilor în zona activă avem:
- reactori omogeni;
- reactori heterogeni.
După destinaţie, avem:
- reactori de cercetare;
- reactori de încercări de materiale;
- reactori energetici;
- reactori pentru propulsie.
Alegerea unei filiere pentru implementarea energeticii nucleare într-un sistem energetic naţional nu este o problemă simplă. Ea necesită o analiză multidimensională a o serie de factori, dintre care cei mai importanţi sunt:
- cererea şi consumul de energie electrică şi termică şi evoluţia acestuia;
- disponibilitatea investiţiilor;
- existenţa unor rezerve proprii de uraniu natural;
- posibilităţi de depozitare a deşeurilor radioactive;
- nivelul de dezvoltare al infrastructurilor