Energie nucleară

Expunerea la radiaţii[]

Vreme de decenii, radiaţiile ionizate au constituit doar o curiozitate de laborator, cunoscută numai câtorva iniţiaţi. Descoperirea radioactivităţii artificiale şi apoi aceea a fisiunii uraniului, în deceniul al patrulea al acestui secol, au dat un puternic imbold cercetărilor de fizică nucleară. Pentru marele public, energia nucleară a ieşit însă din anonimat abia după aruncarea celor două bombe atomice în 1945 asupra Japoniei.

Constuirea reactorilor nucleari şi posibilitatea de a utiliza aceste instalaţii pentru a produce energie electrică în cantitate mare, au transferat apoi problema cercetării radiaţiilor, şi odată cu aceasta şi problema protecţie contra radiaţiilor, în plin domeniu industria şi economic.

Creşterea necontenită a numărului de reactori nucleari şi a puterii acestora necesită aplicarea unor măsuri de securitate pentru a evita eventualele accidente şi consecinţele lor ca de exemplu cel de la Windscale, Anglia în octombrie 1957 când au fost eliminate în mod accidental în atmosferă importante substanţe radioactive care au produs contaminarea solului, a producţiei agricole şi a apei potabile din întreaga regiune.

Prin poluare, sau contaminare, radioactiva, se înţelege prezenţa nedorită sau accidentală, a materialelor radioactive, în interiorul sau la suprafaţa unor factori de mediu (cum sunt apa, aerul, alimentele) sau în organisme vii situaţie în care se depăşeşte conţinutul radioactiv natural propriu al produsului respectiv. Una din principalele surse de poluare radioactivă a globului pământesc îşi avea provenienţa în exploziile nucleare din atmosferă.

Dacă la 16 iulie 1945 în deşertul Alamogordo, statul New Mexico a avut loc prima explozie experimentală a unei bombe atomice lucrurile nu s-au oprit aici şi la 6 august 1945 ora 8:15 la Hiroshima în Japonia explodează prima bombă aruncată asupra populaţiei, ca măsură militară de distrugere, pentru ca în 9 august 1945 să explodeze cea de-a doua bombă atomică la Nagasaki. În urma acestor două explozii bilanţul a fost:

În 1956 existau în evidenţa spitalelor 6000 de bolnavi la Hiroshima şi 3000 de bolnavi la Nagasaki cu sechele după iradiere, care necesitau diferite tratamente, la momentul actual în lume existând aproximativ 300000 de persoane ca victime ale exploziilor nucleare. La 22 ianuarie 1954 marinarii vasului “Fukuriumarii no.5” au sesizat un fenomen neobişnuit, globul de foc al exploziei termonucleare de pe atolul Bikini. Drept urmare toţi membrii echipajului şi peştele prins au fost afectaţi de cenuşa radioactivă atât la suprafaţă cât şi în interiorul organismului. Altă urmare a acestei explozii a fost căderea ploilor radioactive în luna mai a aceluiaşi an, radioactivitatea menţinându-se la un nivel măsurabil până în septembrie1954.

Imediat după 1954 L. Pauling a demonstrat că izotopul C14 apare în mod artificial cu o frecvenţă crescândă, depunându-se pe sol. Tot el a atras atenţia asupra prezenţei izotopului Sr90 în depunerile atmosferice de pe teritoriul S.U.A. Poluarea radioactivă a atras atenţia pentru prima oară în mod deosebit în anul 1965 la Salt Lake City în Statele Unite ale Americii, când nouă adolescenţi au fost internaţi în spital datorită unor noduli anormali ai glandei tiroide. Anchetarea cazurilor a condus la constatarea că aceşti copii, cu 15 ani în urmă (1950), au suferit consecinţele unor depuneri atmosferice radioactive provenite de la poligonul din Nevada, aceste depuneri conţinând izotopul I-131. Studii recente au arătat că datorită tuturor cauzelor de poluare radioactivă, doza de radiaţii pe cap de locuitor a crescut în ultimii 20 de ani de 5 până la 10 ori. Iradierea îndelungată, chiar cu doze mici, poate produce leucopenii, la malformaţii congenitale, pe când iradierea cu doze mari duce la accentuarea leucopeniei, la eriteme, la hemoragii interne, căderea părului, sterilitatea completă iar în cazurile extreme produce moartea. Printre principalele surse de poluare radioactivă se numără:

a) Utilizarea practică în industrie, medicină, cercetare a diferitelor surse de radiaţii nucleare, care, ca materiale radioactive, se pot răspândi necontrolate în mediu

b) Exploatări miniere radioactive, la extragere, prelucrare primară, transport şi depozitare, pot contamina aerul, prin gaze şi aerosoli, precum şi apa prin procesul de spălare

c) Metalurgia uraniului sau a altor metale radioactive şi fabricarea combustibilului nuclear, care prin prelucrări mecanice, fizice, chimice, poate cuprinde în cadrul procesului tehnologic şi produşi reziduali gazoşi, lichizi sau solizi stocarea, transportul eventual evacuarea lor pot determina contaminarea mediului

d) Instalaţiile de rafinare şi de retratare a combustibilului nuclear e) Reactorii nucleari experimentali sau de cercetare, în care se pot produce industrial noi materiale radioactive

f) Centralele nuclearoelectrice care poluează mai puţin în cursul exploatării lor corecte, dar mult mai accentuat în cazul unui accident nuclear

g) Exploziile nucleare experimentale, efectuate îndeosebi în aer sau în apă şi subteran, pot contamina vecinătatea poligonului cât şi întregul glob, prin depunerea prafului şi aerosolilor radioactivi, generaţi de către ciuperca exploziei

h) Accidentele în transportul aerian, maritim, feroviar sau rutier a celor mai felurite materiale radioactive.

Principalele elemente ce contribuie la poluarea radioactivă sunt clasificate şi după gradul de radioactivitate după cum urmează:

Dublarea necesităţilor de energie electrică, la fiecare 12-13 ani, a făcut să crească brusc interesul pentru reactorii nucleari, impunând dezvoltarea centralelor nuclearoelectrice, creştere competitivităţii energiei electrice de origine nucleară şi ridicarea continuă a performanţelor atinse de reactorii acestor centrale, ca temperatura şi presiunea agentului transportor de căldură, a puterii instalate pe unitatea de masă a zonei active a reactorului. Însă fără măsuri de radioprotecţie corespunzătoare, reactorii nucleari pot produce şi

a) contaminarea parţială a mediului ambiant şi anume

- a atmosferei, prin produsele de fisiune volatile ca 131I, 133Xe

- a apei folosită ca agent de răcire

- a solului din vecinătatea care se contaminează cu produse de fisiune

b)o mare cantitate de deşeuri radioactive, a căror evacuare pune probleme grele

pentru a evita contaminarea mediului în care se face evacuarea.

Această sursă de energie - energia nucleară – a fost adusă la cunoştinţă omenirii prin forţa distructivă şi va fi multă vreme privită cu teamă şi suspiciune, întâmpinând destule obstacole în drumul dezvoltării ei în scopuri paşnice. De aceea se impune familiarizarea maselor largi cu probleme nucleare, întrucât aplicaţiile paşnice ale energiei nucleare se dovedesc esenţiale pentru progresele şi evoluţia societăţii umane.

In timpul celui de-al doilea razboi mondial, oamenii de stiinta din Germania si America s-au intrecut pentru a face o bomba puternica, utilizand energia din nucleul atomilor. De atunci, oamenii au invatat sa foloseasca energia nucleara pentru e genera electricitate.

In Chicago, SUA, o echipa de oameni de stiinta condusa de profesorul italian Enrico Fermi a reusit sa provoace prima reactie nucleara controlata. Era anul 1942, si aceasta realizare a condus la dezvoltarea bombei atomice. Ceea ce au reusit sa faca oamenii de stiinta adesea numim “scindarea atomului”. Dar, pentru a fi mai precisi, ei au gasit o cale de a scinda nucleul – masa de protoni si neutroni din centrul unui atom. In acest proces se distrugea o cantitate mica de materie. Dar, asa cum prezisese fizicianul Albert Einstein, in locul ei era eliberata o cantitate mare de energie – sub forma de caldura. In cazul bombei atomice, procesul avea loc foarte rapid, avand ca rezultat o explozie brusca si devastatoare de energie. In centralele nucleare are loc acelasi tip de reactie, dar la o rata mai lenta si controlata cu grija.

Fisiunea nucleara[]

Scindare anucleului unui atom se numeste fisiune nucleara. Aceasta este provocata prin bombardarea combustibilului cu neutroni. Un neutronloveste un nucleu, determinandu-l sa se scindeze si sa emita mai multi neutroni. Acestia lovesc alte nuclee, provocand alte scindari si eliberarea altor neutroni. Aceasta succesiune se numeste reactie in lant. In cazul unei bombe atomica, reactiei in lant I se permite sa continue necontrolata. Acesta este motivul pentru care energia eliberata in timpul procesului de fisiune se acumuleaza pentru a provoca o explozie violenta. La un reactor nuclear, bare de reglare metalice absorb o parte din neutroni, incetinind reactia si rata la cere se elibereaza energie.

Materiale fisionabile[]

Numai cateva elemente pot fi utilizate drept combustibili nucleari deoarece, pentrua intra intr-o reactie de fisiune in lant, atomii trebuie sa aiba nuclee relativ mari si instabile. Asemenea elemente sunt cunoscute sub numele de materiale fisionabile. Unul dintre cele mai larg folosite la centralele nucleare este uraniu-235, care are 92 de protoni si 143 de neutroni in nucleul sau. Fisiunea nucleara a unei mase de uraniu produce o energie de peste doua milioane de ori mai mare decat cea obtinuta prin arderea unei mase de carbune de aceeasi greutate. Chiar si in cazul unui material fisionabil adecvat, o reactie in lant va inceta daca este prezenta numai o cantitate mica din material. Numai daca masa depaseste o anumita valoare, numita masa critica, reactia in lant se va autointretine. De exemplu, in cazul uraniului-235 masa critica este de aproximativ 50kg.

Pentru bombele atomice se folosesc explozivi obisnuiti pentru a presa laolalta doua bucati de material fisionabil, fiecare sub masa critica. Masa totala este mai mare decat masa critica, astfel incat o reactie in lant se creeaza repede si provoaca o explozie nucleara. Reactorul nuclear al lui Enrico Fermi consta dintr-o masa de grafit si bare de combustibil de uraniu. S-a mai adaugat grafit si uraniu pana cand cantitatea de uraniu prezenta a fost suficienta pentru a intretine o reactie in lant. Grafitul avea rolul unui moderator – un material care incetineste neutronii pentru a-I face mai eficienti in provocarea fisiunii. Pe masura ce neutronii se lovesc de nucleele moderatorului, pierd energie si se incetinesc, asa cum o bila de biliard se incetineste daca se loveste de alta.

Asemenea neutroni sunt cunoscuti sub numele de neutroni termici, deoarece, cand sunt incetiniti, ei au aproximativ aceeasi energie ca si energia termica a atomilor si moleculelor din jur. Barele de reglare din cadmiu au fost inserate in masa de grafit si uraniu pentru a controla rata reactiei prin absorbtia unor neutroni. Uraniul din pila lui Fermi constadin 0,7% uraniu-235 si 99,3%uraniu-238(92 protoni si 146 neutroni per atom). Cand uraniul-238 absorbea un neuron, nucleul rezultat de uraniu-239 nu fisiona. In schimb, el emitea fotoni sub forma de radiatii gamma, iar apoi emitea electroni (particule cu o incarcatura de electricitate negativa)cand doi dintre neutronii sai deveneau protoni. Nucleul rezultat, cu 94 de protoni si 145 de neutroni, era un izotop al unui element necunoscut inainte – plutoniu- 239, descoperit in anul 1942.

Reactoare moderne[]

Majoritatea reactoarelor nucleare moderne sunt reactoare cu neutroni termici pentru ca ele utilizeaza un moderator pentru a incetini neutronii rapizi. Cele trei moderatoare utilizate in reactoarele moderne cu neutroni termici sunt grafitul, care consta din carbon pur, apa “grea”, care contine izotopul stabil de hidrogen numit deuteriu ( utlizat deasemenea si drept combustibil pentru armele nucleare), in locul hidrogenului obisnuit, si apa “usoara”, sau obisnuita. Dintre cele trei moderatoare, initial era preferat grafitul, in specialin Marea Britanie, si este utilizat in reactoarele Magnox racite cu gaz, in reactoarele avansate racite cu gaz si reactoarele de inalta temperatura racite cu heliu. Utilizarea apei grele a fost mai ales dezvoltata in Canada. Principalul sau avantaj este acela ca risipeste cel mai putini neutroni. Utilizarea apei usoare permite constructia reactoarelor compacte. Acestea sunt utilizate la actionarea submarinelor si a unor nave spatiale.

Combustibili nucleari[]

In reactoarele Magnox, combustibilul consta din uraniu invelit intr-un aliaj de magneziu. Dar majoritatea reactoarelor utilizaeaza acum granule de oxid de uraniu, care sunt etansate in tuburi metalice lungi, sau “cuie”. Aceste cuie sunt grupate in elemente de combustibil, fiind necesare mai multe sute de elemente pentru incarcarea reactorului. De obicei combustibilul ramane in reactor timp de trei pana la cinci ani. Uraniul si plutoniul se extrag din combustibilul fosil.

Agenti racitori[]

Intr-un reactor nuclear tipic, caldura generata in combustibil prin fisiune este indepartatata printr-un curentde agent racoritor lichid sau gazos. Acest agent racitor trece printr-un schimbator de caldura, care transfera apei cea mai mare parte a caldurii, transformand-o in aburi. Aburii sunt folositi pentru actionarea turbinelor. In reactorul cu apa in fierbere si reactorul cu apa grea care genereaza aburi, agentul racitor este apa. Presiunea sa este reglata astfel incat sa fiarba cand trece prin canale in combustibil.

Reactoare nucleare energetice reproducatoare cu neutronii rapizi[]

O limitare serioasa a reactoarelor termice cu uraniu este aceea ca ele pot sa foloseasca doar pana la aproximativ 2% din uraniul disponibil. Cea mai mare parte a izotopului obisnuit, uraniu- 238, nu poate fi utilizata deoarece nu exista destul uraniu-235 disponibil pentrua crea reactiile in lant necesare pentru a-l consuma.

Una dintre solutii pentru aceasta problema poate fi constructi a de reactoare nucleare energetice reproducatoare cu neutroni rapizi care pot sa utilizeze resturi de plutoniu-239 si uraniu- 238 de la reactoarele termice. Acestea nu au moderator, astfel incat neutronii se deplaseaza cu viteza mare necesara atunci cand plutoniul este utilizat drept combustibil. Distrugerea fiecarui nucleu de plutoniu poate avea ca rezultat conversia a mai mult de un nucleu de uraniu-238 in plutoniu-239. Acesta poate fi extras si utilizat pentru a se face mai multe elemente de combustibil.

Reactii de fuziune[]

Toate reactoarele nucleare moderne se bazeaza pe fisiunea nucleara. Un alt tip de reactie nucleara, numita fuziune, asigura energia soarelui. In fuziunea nucleara, doua nuclee atomice relativ usoare se unesc pentru a forma unul mai greu si elibereaza energie. Cea mai usoara reactie de fuziune de utilizat ca sursa de energie este aceea dintre doi izotopi de hidrogen, deutreiu si tritiu, ale caror nuclee fuzioneaza pentru a forma un nucleu de heliu. Tritiul este usor de obtinut, iar marile contin cantitati mari de deuteriu, dar este nevoie de temperaturi de 100-300 de milioane de centigrade in asemenea reactii, si nici un material nu poate sa reziste la o asemenea caldura, astfle incat combustibilul trebuie tinut departe de peretii recipientului sau prin campuri magnetice. Experimentele din anii 1990 cu un dispozitiv de fuziune pentru testari, Joint European Torus, a confirmat faptul ca aceasta tehnica functioneaza si un reactor de fuziune experimental poate fi construit candva la inceputul sec.XXII.

Procesele de fisiune si fuziune[]

Energia nucleara poate fi eliberata prin doua procedee: prin fisiunea (imprastierea) nucleilor grei , sau prin fuziunea (combinarea) a doi nuclei usori. In ambele cazuri energia este eliberata pentru ca produsii au o putere mai mare de “legare” a energiei decat reactantii.reactiile de fuziune sunt mai greu de intretinut pentru ca nucleii se resping., dar fata de reactiile de fusiune, fuziunea nu creeaza produsi radioactivi.