Energia nucleara

I. Introducere

Energia nucleara este energia eliberata de fisiunea sau fuziunea unui nucleu atomic. Energia oricarui sistem, fizic, chimic, sau nuclear, se manifesta prin abilitatea sistemului de a produce sau prelucra caldura (energia calorica) sau radiatiile. Energia intr-un sistem se conserva intotdeauna, dar poate fi transferata la un alt sistem sau ii poate fi modificata forma.

▲ Centrala nucleara Palo Verde, Arizona

Pana in jurul anului 1800 principalul combustibil a fost lemnul, energia sa avandu-si originea din energia solara stocata in plante de-a lungul vietii. Incepand cu Revolutia Industriala oamenii au ajuns sa depinda de combustibilii fosili, carbuni, petrol si gaze naturale, la randul lor derivate din energia solara stocata in organismele animale si vegetale preistorice. Cand un combustibil fosil este ars, de exemplu carbunele, atomi de hidrogen si carbon din carbune se combina cu oxigenul din aer. Rezulta apa si dioxid de carbon si caldura, aproximativ 1.6 kilowatti-ora per kilogram sau 10 electovolti (eV) per atom de carbon. Aceasta cantitate de energie este tipica pentru reactiile chimice in care apar schimbari in structura electica a atomilor. O parte a caldurii degajate mentine combustibilul adiacent la temperatura necesara continuarii reactiei.

▲ Centrala nucleara Gundremmingen, Germania

II. Atomul

Atomul consta dintr-un miez mic, masiv (nucleu) inconjurat de electoni. Nucleul, care concentreaza marea parte a masei atomului, este la randul sau compus din neutroni si protoni legati impreuna de forte nucleare foarte puternice, mult mai puternice decat fortele electrice care leaga electronii de nucleu. Numarul de masa A al nucleului este numarul de neutroni si protoni pe care il contine; numarul atomic Z este numarul de protoni incarcati pozitiv. De exemplu expresia ¯U represinta uraniu-235.

Energia de legatura este o masura pentru cat de strans sunt tinuti impreuna neutronii si protonii de catre fortele nucleare. Energia de legatura per nucleon, cea necesara pentru a separa un neutron sau proton de nucleu, este o functie a numarului de masa A. Curba energiei de legatura implica faptul ca daca doua nuclee apropiate de capatul stang al curbei se unesc pentru a forma un nucleu mai greu, sau daca un nucleu mai greu situat in partea dreapta a curbei se scindeaza in doua nuclee mai usoare, resulta nuclee cu legaturi mai stranse si se elibereaza energie.

Energia nucleara, masurata in milioane de electovolti (MeV), este eliberata de fuziunea a doua nuclee usoare, de exemplu cand doua nuclee grele de hidrogen, deuteriu (ªH), se combina in reactia 

producand un atom de heliu-3, un neutron liber ( n) si 3.2 MeV, sau 5.1 × 10^-13 J (1.2 × 10^-13 cal). Energia nucleara mai este eliberata prin fisiunea un nucleu greu, ca de exemplu ¯U, prin absobtia unui neutrom ca in formula    

producand cesiu-140, rubidiu-93, trei neutroni si 200 MeV, sau 3.2 × 10^-11 J (7.7 × 10^-12 cal). O fisiune nucleara realizeaza de 10 milioane de ori mai multa energie decat o reactie chimica normala.

▲ ▲ Fisiunea si fuziunea

III. Energia din fisiune

Cele doua caracteristici principale ale fisiunii nucleare importante pentru eliberarea practica de energie nucleara sunt evidente in ecuatia a doua. In primul rand, energia per atom fisionat este foarte mare. In unitati practice fisiunea unui kg de uranium-235 elibereaza 18.7 milioane kilowatti-ora sub forma de caldura. In al doilea rand, procesul de fisiune initiat de absorbtia unui neutron de catre uranium-235 elibereaza in medie 2.5 neutroni din nucleele scindate. Neutronii eliberati cauzeaza fisiunea altor doi atomi, eliberand alti 4 pana la 6 neutroni care la randul lor continua procesul. Astfel se realizeaza o reactie in lant ce elibereaza constant energie.

Uraniul in stare naturala contine doar 0.71% uraniu-235. Restul este izotopul nefisionabil uraniu-238. O masa de uraniu de una singura, oricat de mare ar fi, nu poate sustine o reactie in lant deoarece doar uraniul-235 este usor fisionabil. Posibilitatea ca un neutron cu energia de aproximativ 1 MeV sa induca o fisiune este mica, dar poate fi marita de cateva sute de ori cand neutronul este incetinit de o serie de coliziuni elastice cu nuclee usoare cum ar fi hidrogenul, deuteriul sau carbonul. Acest fapt este fundamentul pentu design-ul reactoarelor de fisiune.

In decembrie 1942, la Universitatea din Chicago, fizicianul italian Enrico Fermi a creat prima reactie nucleara in lant. Aceasta s-a realizat printr-un aranjament de bucati de uraniu natural distribuite intre bucati de grafit pur, o forma a carbonului. In "gramada" lui Fermi, sau reactor, grafitul moderator a servit la incetinirea neutronilor.

IV. Reactoarele nucleare

Primul reactor la scara mare a fost construit in 1944 la Hanford, Washington, pentru a produce material pentru arme nucleare. Combustibilul era uraniu natural si moderatorul, grafit. Reactorul producea plutoniu prin absorbtia unui neutron in uraniu-238. Energia rezultata nu era folosita.

A.     Reactoarele cu apa usoara si apa grea

O varietate mare de reactoare, caracterizate de tipul de combustibil folosit, moderator si agentul de racire, au fost construite peste tot in lume pentru productia de energie electrica. In SUA, cu cateva exceptii, reactoarele generatoare de energie folosesc oxid de uraniu inbogatit isotopic la aproximativ 3% uraniu-235 drept combustibil. Moderatorul si agentul de racire este apa simpla purificata. Acest tip de reactor se numeste reactor cu apa usoara (LWR).

Cele mai mari 25 de centrale nucleare din SUA

In reactorul cu apa sub presiune (PWR), o versiune a sistemului LWR, agentul de racire, apa, este utilizat la o presiune de aproape 150 atmosfere. Este pompat prin miezul reactorului, unde se incalzeste la aproape 325° C. Apa supraincalzita este pompata printr-un generator de abur, unde, prin schimbul de caldura, un al doilea circuit de apa este incalzit si produce abur. Aburul pune in miscare mai multe turbine, se condenseaza si este pompat din nou in generatorul de aburi. Al doilea circuit este izolat de apa din reactor, care este radioactiva. Un al treilea circuit de apa dintr-un iaz, rau sau turn de racire este folosit pentru condensarea aburului. Containerul sub presiune al reactorului are aproximativ 15 m inaltime, un diametru de 5 metri si pereti grosi de 25 cm. Miezul cuprinde 82 tone de oxid de uraniu stocat in tuburi subtiri, anticorozive, inmanunchiate.

In reactorul cu apa in fierbere (BWR), un al doilea tip al LWR, agentului de racire ii este permis sa fiarba in miez, prin utilizarea unei presiuni mai scazute. Aburul din reactor este tras prin teava direct la turbine, se condenseaza si este pompat inapoi in reactor. Desi aburul este radioactiv, nu mai are loc un schimb intermediar de caldura intre reactor si turbine care sa scada eficienta. Ca si in cazul PWR, agentul de racire al aburului are o sursa separata ca un lac sau rau.

Nivelul de putere al unui reactor operational este monitorizat de o varietate de indicatori termali,  nucleari, de presiune si de debit. Nivelul de putere este controlat prin introducerea sau scoaterea din miezul reactorului a unor tije de control care absorb neutronii liberi. Pozitia acestor tije determina nivelul de putere la care reactia in lant se autosustine.

In timpul functionarii si dupa oprire un reactor mare, de 1000 megawatti (MW) contine miliarde de curie (unitate a radioactivitatii egala cu desintegrari per secunda) de radioactivitate. Radiatia emisa de reactor in timpul functionarii si de produsele de fisiune este absorbita de scuturile groase de beton din jurul reactorului si de agentul de racire primar. Alte masuri de siguranta includ sisteme de racire de urgenta a miezului pentru a preveni supraincalzirea lui in cazul unei defectiuni la sistemul de racire primar si, in cele mai multe tari, o cladire mare de otel si beton ce adaposteste reactorul cu scopul de a retine orice particule radioactive ce ar scapa in urma unei scurgeri.

◄Schimbarea uraniului la un reactor

Desi mai mult de 100 de centrale nucleare functionau sau erau in constructie in SUA la inceputul anilor 1980, dupa accidentul de la Three Mile Island, Pennsylvania din 1979 factori de siguranta si economici au blocat orice crestere a puterii nucleare. Nu s-a mai dat un ordin pentru o centrala nucleara in Statele Unite din  1978 si unele centrale terminate nu au mai intrat in functiune. In 1996 cam 22% din energia electrica generata in State provenea de la centrale nucleare. In contrast, in Franta aproape trei sferturi din energia electrica produsa provenea din reactoare nucleare.

In perioada initiala a dezvoltarii energiei nucleare, la inceputul anilor 1950, uraniul imbogatit era accesibil doar Statelor Unite si URSS. Programele nucleare din Canada, Franta si Marea Britanie erau axate pe reactoarele cu uraniu natural in care apa simpla nu poate fi folosita ca moderator deoarece absoarbe prea multi neutroni. Aceasta limitare a condus inginerii canadieni la dezvoltarea un reactor racit si moderat cu oxid de deuteriu (D₂O) sau apa grea. Reactorul canadian cu deuteriu-uraniu, numit CANDU functioneaza satisfacator in Canada si centrale similare au fost construite in India, Argentina, Romania si in alte tari.

In Marea Britanie si Franta primele reactoare la scara reala erau alimentate cu uraniu natural, moderate cu grafit si racite cu dioxid de carbon sub presiune. Aceste design-uri initiale au fost inlocuite in Marea Britanie de un sistem care foloseste uraniul imbogatit. In Franta s-a renuntat la tipul initial de reactor in favoarea modelelor PWR americane cand uraniul imbogatit a inceput sa fie produs in centrale franceze de imbogatire cu izotopi. Rusia si celelalte state ale fostei URSS au avut un program nuclear amplu, bazat pe sisteme moderate cu grafit si PWR.

B.     Reactoarele propulsoare

Reactoare nucleare similare modelului PWR sunt folosite ca sisteme de propulsie pe nave militare mari ca portavionul USS Nimitz. Tehnologia de baza a sistemului PWR a fost dezvoltata pentru prima oara in cadrul programului nuclear naval american sub conducerea amiralului Hyman G. Rickover. Reactoarele pentru propulsia submarinelor sunt mai mici si folosesc uraniu foarte imbogatit pentru a permite un miez mai compact. SUA, Marea Britanie, Rusia si Franta au submarine nucleare.

Pentru o perioada de timp, SUA, Germania si Japonia au folosit trei modele experimentale de cargoboturi cu propulsie nucleara. Desi erau reusite, din punct de vedere tehnic, conditiile economice si regulile portuare restrictive au oprit aceste proiecte. Uniunea Sovietica a construit primul spargator de gheata, Lenin,pentru a elibera traseele navale arctice.

◄Portavionul USS Abraham Lincoln              

C. Reactoarele de cercetare

O mare varitate de reactoare nucleare de dimensiuni mici au fost construite in multe tari pentru a fi folosite in educatie, antrenare, cercetari si pentru productia de izotopi radioactivi. Aceste reactoare functioneaza in general la o putere de 1MW si se pornesc si inchid mai usor decat reactoarele mai mari.

Un model foarte folosit este reactorul piscina. Miezul este partial sau complet imbogatit uraniu-235 tinut in placi de aliaj de aluminiu si scufundat intr-o piscina mare cu apa care are rolul de agent de racire si de moderator. Materiale pot fi plasate in sau aproape de miezul reactorului pentru a fi iradiate cu neutroni. Izotopi radioactivi sunt produsi pentru a fi folositi in medicina, cercetare si industrie (ex. marcatori izotopici). Neutroni pot fi extrasi din miezul reactorului prin tije pentru experimente.

D. Reactoare pentru inmultire

Uraniul, resursa naturala folosita in industria nucleara, apare in zacaminte imprastiate peste tot in lume. Reservele totale nu sunt cunoscute si pot fi limitate daca nu sunt exploatate surse de concentratie mica (sisturi si granituri). Resursele Statelor Unite cu un pret acceptabil de extractie sunt estimate la 2-5 milioane tone. Cantitatea mai mica poate sa sustina un sistem nuclear LWR care sa furnizeze 30% din energia electrica a SUA doar 50 de ani. Motivul principal pentru o perioada atat de scurta este randamentul scazut al sistemului care furnizeaza doar 1% din totalul de energie eliberat de uraniu.

Trasatura cheie a unui reactor de inmultire consta in faptul ca el produce mai mult combustibil decat consuma. El realizeaza aceasta prin promovarea absorbtiei de neutroni in exces de catre un material fertil. Cateva modele de reactoare de inmultire sunt realizabile din punct de vedere tehnic. Sistemul de inmultire care a primit cea mai mare atentie foloseste uraniu-238 ca material fertil. Cand uraniul-238 absoarbe neutroni in reactor se transforma intru-un material fisionabil nou, plutoniu, printr-un process nuclear numit descompunere β (beta). Reactia nucleara este

In descompunerea beta un neutron nuclear se descompune intr-un proton si o particula beta (un electron puternic incarcat).

Cand plutoniul-239 absorbe un neutron, poate sa fisioneze si sa elibereze in medie 2.8 neutroni. Intr-un reactor in functiune, unu din acesti neutroni este necesar pentru a cauza urmatoarea fisiune si sa mentina reactia in lant. In medie 0.5 neutroni sunt pierduti fara folos prin aborbtie de catre structura reactorului si agentul de racire. Restul de 1.3 neutroni pot fi absorbiti de uraniul-238 pentru a produce mai mult plutoniu via reactia din ecuatia (3).

Sistemul de inmultire cel mai avansat se numeste reactor de inmultire rapida cu metal lichid (LMFBR). Cu scopul de a maximiza productia de plutoniu-239, viteza neutronilor care cauzeaza fisiunea trebuie sa ramana mare, la sau aproape de viteza initiala de eliberare. Orice material moderator, ca apa, ce ar putea incetini neutronii, este eliminat din reactor. Un metal topit, sodiul lichid, este agentul de racire preferat. Sodiul are o foarte buna conductibilitate a caldurii, se topeste la aproape 100° C si fierbe abia la 900° C. Principalele sale dezavantaje sunt reactivitatea mare la aer si apa si nivelul mare de radioactivitate pe care il obtine dupa expunerea la miezul reactorului.

Dezvoltarea sistemului LMFBR a inceput in SUA inainte de 1950, cu constructia primului reactor de inmultire experimental, EBR-1. Un program american mai mare, pe raul Clinch, a fost oprit in 1983, si s-a permis doar continuarea muncii experimentale. In Marea Britanie, Franta, Rusia si alte foste state din URSS au fost instalate reactoare de inmultire functionale si munca experimentala a continuat in Germania si Japonia.

Intr-un model al unui reactor LMFBR mare miezul consta din mii de tuburi subtiri din otel inoxidabil ce contin un amestec de uraniu si oxid de plutoniu: 15-20% plutoniu-239 si restul uraniu. In jurul miezului este o regiune numita patura de inmultire care contine tije similare dar pline doar cu oxid de uraniu. Intregul ansamblu de miez si patura masoara 3 m inaltime si 5 m in diametru si este suspendat intr-un container mare ce contine sodiu topit care paraseste reactorul la o temperatura de 500° C. Acest container contine si pompele si schimbatoarele de caldura care ajuta la racirea miezului. Aburul este produs intr-un al doilea circuit de sodiu separat de agentul de racire printr-un schimbator de caldura intermediar situat in containerul reactorului. Intreg reactorul nuclear este adapostit de o cladire mare din otel si beton.

Prima centrala la scara mare, de acest tip, folosita pentru a genera electricitate era numita Super-Phénix si a intrat in functiune in Franta, in 1984. (Din pacate grijile legate de siguranta functionarii si contaminarea mediului au dus la anuntarea de catre guvernul francez in 1998 a dezmembrarii centralei Super-Phénix). O centrala de marime medie, BN-600, a fost construita la tarmul Marii Caspice pentru productia de electricitate si desalinizarea apei. Englezii au un protorip mare de 250 MW in Scotia.

LMFBR produce aproape 20% mai mult combustibil decat consuma. Intr-un reactor mare se produce destul combustibil in exces in 20 de ani pentru a alimenta un reactor similar. Sistemul LMFBR furnizeaza cam 75% din energia eliberata de uraniul natural, in contrast cu 1% din LWR.

V. Combustibili nucleari si reziduuri

Combustibilii periculosi folositi in reactoarele nucleare prezinta probleme in manevrarea lor. Acest lucru este partial adevarat si in cazul reziduurilor, care trebuiesc depozitate, neutralizate sau distruse.

▲ Reciclarea combustibilului nuclear

A. Circuitul combustibilului nuclear

Orice centrala nucleara generatoare de energie electrica este doar o parte a circuitului complet de energie. Circuitul uraniului necesar pentru sistemele LWR momentan domina productia mondiala de energie nucleara si cuprinde numerosi pasi. Uraniul, care contine doar 0.7 uraniu-235, este extras de la suprafata sau din mine subterane. Minereul este concentrat prin maruntire si apoi trimis la o fabrica de conversie unde forma sa elementara este schimbara in gaz hexofluorid de uraniu (UF₆). La un centru de imbogatire izotopica gazul este fortat printr-o bariera poroasa care permite trecerea mai usoara a izotopului uraniu-235 deoarece este mai usor decat uraniu-238. Acest proces imbogateste uraniul la 3% uraniu-235. Uraniul saracit, resturile, contine 0.3% uraniu-235. Produsul imbogatit este trimis la o fabrica de combustibil nuclear unde gazul UF₆ este convertit in pudra de oxid de uraniu, apoi in pepite ceramice care sunt incarcate in tuburi de combustibil rezistente la corodare. Ele sunt asamblate in elemente de combustibil si trimise la centrala nucleara. Rezerva mondiala de uraniu imbogatit pentru alimentarea centralelor nucleare comerciale este produsa de cinci consortii localizate in SUA, Europa de Vest, Rusia si Japonia . Consortiul american, United States Enrichment Corporation, proprietate federala, produce 40% din acest uraniu imbogatit.

O centrala tipica cu o putere instalata de 1,000 MW si reactor cu apa sub presiune are 200 de elemente de combustibil, din care o traime sunt inlocuite in fiecare an din cauza consumarii uraniului-235 si a depunerii de reziduuri de fisiune care absorb neutroni. La sfarsitul vietii sale in reactor, combustibilul este extrem de radioactiv datorita produsilor de fisiune pe care ii contine si datorita acestui fapt inca produce o cantitate considerabila de energie. Combustibilul uzat este tinut in piscine de stocare pline cu apa la centrala timp de un an sau mai mult.

La sfarsitul perioadei de racire elementele de combustibil sunt trimise in butoaie bine izolate catre zone permanente de depozitare sau catre un centru de reprocesare chimica. La acest centru, uraniul nefolosit si plutoniul-239 produs in reactor sunt recuperate si reziduurile radioactive sunt concentrate. (La sfarsitul anilor 1990 niciuna din aceste centre de procesare sau stocare pentru reziduuri nucleare nu erau inca construite in SUA si se folosea doar depozitarea temporara).

Combustibilul uzat contine aproape tot uraniul-238 original, o traime din uraniul-235 si o parte din plutoniul-239 produs in reactor. In cazurile in care combustibilul este trimis spre depozitare permanenta nici o parte din combustibilul potential nu este folosit. In cazurile de reprocesare, uraniul este reciclat prin difuzie si plutoniul-239 recuperat poate fi folosit in locul uraniului-235 in noi elemente de combustibil. La sfarsitul secolului XX Statele Unite nu reprocesa reziduurile din cauza factorilor de risc pentru mediu, sanatate si siguranta si a posibilitatii construirii ilegale de arme cu plutoniu-239.

In circuitul carburantului pentru sistemul LMFBR, plutoniul creat in reactor este intotdeauna reciclat pentru a fi folosit. La fabrica de combustibil ajunge uraniul-238 reciclat, uraniul saracit din depozitele centrelor de imbogatire izotopica si o parte din plutoniul-239 recuperat. Nu este nevoie de extractia uraniului din natura pentu ca rezervele existente pot sustine multe reactoare de inmultire pentru secole. Din cauza ca reactorul de inmultire produce mai mult plutoniu-239 decat are nevoie pentru propria alimentare, aproximativ 20% din plutoniul recuperat este stocat pentru a fi folosit in crearea altor reactoare de inmultire. Din cauza ca se produce combustibil nou din uraniul-238, in loc sa sa foloseasca doar energia uraniului-235 natural, 75% din energia potentiala a uraniului este folosita cu circutul LMFBR prin plutoniu-239.

Ultimul pas in oricare din ciclurile combustibilului este stocarea pe termen lung a reziduurilor foarte radioactive care raman un pericol biologic mii de ani. Elementele de carburant pot fi stocate in depozite bine izolate si pazite pentru o intrebuintare ulterioara sau pot fi convervite in compusi foarte stabili, fixati in ceramica sau sticla, incapsulati in containere din otel inoxidabil si ingropate foarte adanc in formatiuni geologice foarte stabile. Totusi siguranta acestor depozite starneste controverse publice aprinse in special in zona in care se afla depozitul. De exemplu, grupuri de ecologisti intenteaza un proces pentru inchiderea unui depozit construit langa Carlsbad, New Mexico. In 1999, aici au fost trimise transporturi de reziduuri radioactive rezultate in urma productiei de arme nucleare americane in timpul Razboiului Rece. O alta serie de controverse este centrata pe depozitul din Yucca Mountain, Nevada. Opozitia din partea residentilor statului si indoielile iscate de stabilitatea geologica a sitului au dus la prelungirea studiilor intreprinse de guvern. Chiar si daca s-ar deschide acest depozit, el nu ar primi transporturi de materiale radioactive mai devreme de 2010.

B. Siguranta nucleara

Grija publicului privind energia nucleara din fisiune este fondata pe doua trasaturi de baza ale sistemului. Prima este nivelul mare de radioactivitate existent in diferite stadii ale circuitului nuclear, inclusiv debarasarea de reziduurile nucleare. A doua este faptul ca uraniul-235 si plutoniul-239 sunt materialele din care se fac armele nucleare.

Presedintele american Dwight D. Eisenhower anunta in 1953 programul U.S. Atoms for Peace. Acesta a fost perceput ca o sursa ieftina si abundenta de energie. Industria spera ca energia nucleara va inlocui pe cea a combustibililor fosili tot mai rari scazand astfel pretul la curentul electric. Grupurile ingrijorate cu conservarea resurselor naturale prevedeau o reducere in poluarea aerului si mineritului de suprafata. Perceptia publicului, in general, era favorabila deoarece ei vedeau acest program ca pe o realizare prin tranzitia puterii nucleare de la o utilizare pentru razboi la una pasnica.

Totusi, dupa euforia initiala, rezerve privind energia nucleara au inceput sa apara datorita dezbaterilor privind siguranta nucleara si proliferarea armelor nucleare. In Statele Unite si in alte tari au aparut grupuri care se opuneau energiei nucleare. In plus, costurile ridicate de construire, reguli stricte privind siguranta constructiei si operarii si costuri mari pentru a scapa de deseurile radioactive fac centralele nucleare mai scumpe decat cele pe combustibili fosili. In unele tari industrializate centralele nucleare sunt tot mai presate sa scada costurile de operare si sa devina competitive pe piata energetica. Alte state au inceput sa renunte complet la energia nucleara.

La sfarsitul secolului XX, multi experti vedeau Asia ca singura zona care isi va mari energia nucleara. La sfarsitul anilor 1990 China, Japonia, Coreea de Sud si Taiwan aveau centrale nucleare in constructie. In europa multe state reduceau efectivele centralelor nucleare. De exemplu, Suedia s-a angajat sa reduca treptat puterea nucleara pana in 2010 cand spera sa nu mai o foloseasca deloc. Franta a anulat cateva reactoare planificate sa fie construite si se gandeste la inlocuirea centralelor nucleare vechi cu unele pe carburant fosil, mai putin periculoase pentru mediu. Germania a anuntat in 1998 planurile sale de a reduce complet energia nucleara prin pasi gradati. In SUA nu s-a mai construit un reactor nuclear din 1978.

In 1996, 21.9% din energia electrica a Statelor Unite era generata de centrale nucleare. Pana in 1998 ea se redusese la doar 20%. Din cauza ca nu s-au mai construit reactoare noi, acest procent va continua sa scada odata cu inchidera treptata a centralelor nucleare. In 1998, Commonwealth Edison, cel mai mare proprietar si operator privat de centrale nucleare din SUA, mai avea doar 4 din 12 in functiune. Expertii industriali citeaza factorii economici, de munca si de siguranta ca principale motive pentru aceste inchideri.

Hazarde radiologice

Materialele radioactive emit radiatii ionizatoare, penetrante, care pot leza tesuturile vii. Unitatea de masura pentru doza de radiatii la care este expus corpul uman este sievert. (In SUA, remii sunt folositi pentru a masura doza de radiatii. 1 rem= 0.01 sievert). Fiecare individ din Statele Unite si Canada este expus la o radiatie de 0.003 sievert per an din surse naturale. O expunere de 5 sievert per individ este potential fatala. O populatie mare, expusa la un nivel scazut de radiatii va avea un caz de cancer in plus la fiecare10 sieverti doza totala distribuita egal.

Hazarde radiologice pot aparea in cea mai mare parte a circuitului combustibilului nuclear. Gaz radioactiv de radon (un izotop al radiului)se produce prin descompunera uraniului si este incolor. Ca rezultat, radonul este un poluant al aerului des intalnit in minele subterane de uraniu. Extractia si prelucrarea minereului lasa cantitati mari de deseuri care contin concentratii mici de uraniu. Pentru a se impiedica emanarea de radon, aceste resturi trebuie depozitate in bazine etanse si acoperite cu un strat gros de sol.

Uraniul imbogatit si fabricile de combustibil nuclear contin cantitati mari de uraniu-235 sub forma de hexofluorid de uraniu, UF₆, un gaz coroziv. Dar hazardul radiologic este mic si grija obisnuita in manuirea acestui material asigura siguranta.

Sistemele de siguranta ale reactoarelor

Siguranta reactorului nuclear a primit cea mai mare atentie. Intr-un reactor functional, elementele de combustibil emit pe departe cea mai mare cantitate de radiatii. O serie de bariere impiedica produsii de fisiune sa se scurga din reactor. Combustibilul este capsulat in tuburi rezistente la coroziune. Peretii grosi de otel ai sistemului primar de racire functioneaza ca o a doua bariera. Agentul de racire absoarbe si el o parte a izotopilor radioactivi, ca iodina. Cladirea de otel si beton este a treia bariera.

In timpul functionarii reactorului, inevitabil, unii compusi radioactivi scapa. Expunerea populatiei care locuieste aproape de o centrala nucleara este, de obicei, de o fractie din cea naturala. Grijile mari apar atunci cand nivelul de radiatii emise creste in urma unei defectiuni la reactor sau la sistemul de racire. Pericolul major este defectarea sistemului de racire care poate duce la stricarea sau topirea miezului reactorului. Agentul de racire contine particule radioactive care in urma unei fisuri pot fi eliberate in cladirea reactorului.

Reactoarele se bazeaza pe o serie intreaga de instrumente pentru a monitoriza conditia lor si a controla sistemele de siguranta care opresc reactorul in cazul functionarii anormale. Sisteme suplimentare de siguranta care injecteaza boron in reactor pentru a absorbi neutronii, oprind reactia in lant, fac parte din sistemul PWR. Reactoarele cu apa usoara opereaza la presiuni mari ale agentului de racire. In situatia unei fisuri, mare parte a apei s-ar transforma instant in abur din cauza presiunii si ar cauza o pierdere de agent de racire la miez. Pentru a preveni o pierdere totala de agent de racire un sistem auxiliar de racire intra automat in functiune daca scade presiunea agentului de racire primar. In cazul unei scurgeri de abur, racitori cu spray se activeaza pentru a condensa aburii si a impiedica cresterea presiunii in cladirea reactorului.

3. Three Mile Island si Chernobyl

In ciuda tuturor masurilor de precautie, un accident a avut loc in 1979 la centrala Three Mile Island PWR langa orasul Harrisburg, Pennsylvania. O eroare de intretinere si o valva defecta a cauzat o pierdere de agent de racire. Reactorul se oprise automat cand a inceput accidentul si sistemele de racire de urgenta s-au activat conform planului dar o eroare umana a dus la oprirea lor fapt ce a cauzat distrugerea miezului si eliberarea de produse de fisiune volatile din containerul reactorului. Desi contaminarea radioactiva a fost mica, pagubele financiare s-au ridicat la peste 1 miliard $ si stresul psihologic asupra populatiei, in special de langa centrala s-a agravat.

Ancheta oficiala a numit eroarea operationala si controlul inadecvat ca principalele cauze ale accidentului in locul cedarii echipamentului. Aceasta a dus la adoptarea unor reguli si standarde mult mai stricte privind constructia si design-ul viitoarelor centrale nucleare. Noua legislatie impune si companiilor proprietare sa ajute statul si guvernul pentru a pregati masurile de urgenta pentru a proteja populatia.

Din 1981, greutatile financiare ce vin cu noile standarde au dus la companii din Washington, Ohio, Indiana si New York sa abandoneze centrale partial terminate dupa ce au cheltuit miliarde de dolari pe ele.

Pe 26 aprilie 1986, un alt incident serios a alarmat lumea. Unul din cele patru reactoare de la Chernobyl', langa Pripyat', la 130 km nord de Kiev, in URSS (acum in Ucraina), a explodat si a ars. Material radioactiv a fost imprastiat deasupra Scandinaviei si a nordului Europei, dupa cum au descoperit observatori suedezi pe 28 aprilie. Conform raportului oficial, eliberat in august, accidentul a fost cauzat de o serie de teste neautorizate intreprinse de operatorii reactorului. Reactorul a scapat de sub control; au avut loc doua explozii, capacul de 30 tone al reactorului a zburat si miezul a luat foc arzand la temperatura de 1500° C. Radiatii de 50 de ori mai mari decat cele de la incidentul Three Mile Island s-au raspandit in zona din jurul reactorului si un nor de particule radioactive s-a raspandit spre vest. Spre deosebire de reactoarele occidentale, cel de la Chernobyl' nu avea o cladire de protectie. O astfel de structura ar fi prevenit materialul radioactiv sa paraseasca locul accidentului. 135,000 de oameni au fost evacuati, si mai bine de 30 de oameni au murit. Centrala a fost inchisa in beton. Dar in 1988 celelalte trei reactoare au fost repornite. In 1991 unul dintre ele a fost inchis in urma unui incendiu in cladirea reactorului. In 1994 natiunile vestice au creat un pachet de ajutor financiar pentru inchiderea intregii centrale si un an mai tarziu guvernul ucrainean a fost de acord cu un plan care prevedea inchiderea restului de reactoare pana in anul 2000.

C. Reprocesarea combustibilului

Reprocesarea combustibilului implica o combinatie de hazarde radiologice. Unul este cel de eliberare accidentala a produsilor de fisiune daca ar aparea o scurgere in echipamentul de tratare, in containere sau in cladire. Altul ar putea fi cel cauzat de eliberarea constanta a unor cantitati nici de gaze radioactive, inerte, cum ar fi xenonul si kriptonul. In 1966 o fabrica de reprocesare comerciala s-a deschis in West Valley, New York. Dar in 1972 aceasta fabrica a fost inchisa dupa ce a generat mai mult de 600,000 de galoane de deseuri foarte radioactive. Dupa inchidere, o parte a deseurilor au fost tratate partial, si apoi cimentate in pamant in 20,000 de butoaie de otel. In 1996, Departamentul pentru Energie al Statelor Unite a inceput sa solidifice restul de deseuri in cilindri de sticla. La sfarsitul secolului XX nici o fabrica de reprocesare nu era autorizata in SUA.

O mare grija in prelucrarea chimica este separarea plutoniului-239, un material care poate fi folosit pentru producerea de arme nucleare. Pericolul furtului de plutoniu-239 sau a intrebuintarii sale  intentionate, dar ascunse, in productia de arme poate fi controlat cel mai bine prin mijloace politice decat tehnice. O paza imbunatatita la punctele sensibile din circuitul combustibilului si inspectii extinse international de catre Agentia Internationala a Energiei Atomice (IAEA) ofera cele mai bune perspective privind controlul hazardelor asociate cu devierea plutoniului de la scopuri energetice.

D. Management-ul reziduurilor

Ultimul pas in circuitul combustibilului nuclear, management-ul reziduurilor, ramane si cel mai controversat. Subiectul principal de discutie nu este pericolul din prezent ci cel din viitorul indepartat. Multe deseuri nucleare raman radioactive pentru mii de ani, mult peste durata de viata a oricarei institutii. Tehnologia de impachetare a reziduurilor pentru a nu fi un pericol imediat este destul de directa. Dificultatea consta in siguranta ca generatiile viitoare vor fi bine protejate si in luarea deciziilor politice privind depozitarea deseurilor. Cea mai buna solutie pare sa fie depozitarea permanenta, adanc in formatiuni stabile geologic. In 1988 guvernul american  a ales Yucca Mountain, un sit desertic din Nevada cu un strat gros de roci vulcanice, poroase, ca primul depozit national, subteran, pentru mai bine de 36,290 de tone de deseuri nucleare. Totusi, opozitia din partea rezidentilor statului si nesiguranta ca Yucca Mountain poate fie complet izolat de cutremure si alte hazarde naturale a prelungit studiile guvernamentale. De exemplu, un studiu al Departamentului pentru Energie al Statelor Unite a detectat apa in mai multe mostre de minerale luate de la sit. Prezenta apei in mostre sugereaza ca apa, candva, a trecut pe acolo apoi a coborat la o adancime mai mare. Din cauza ca o astfel de infiltrare ar periclita siguranta depozitului, Departamentul pentru Energie a cerut studii aprofundate privind acest fenomen.

Un depozit de 2 miliarde $, construit in cavernele de sare de langa Carlsbad, New Mexico, este desemnat sa adaposteasca deseurile radioactive provenite din productia de armament nuclear din timpul Razboiului Rece. Complexul, localizat la 655 m sub pamant, este construit in asa fel incat sa se surpe treptat si sa izoleze rezidurile contaminate cu plutoniu in straturile de sare. Desi aici au fost trimise transporturi inca din aprilie 1999, grupuri de ecologisti vor sa dea in judecata Departamentul pentru Energie pentru a inchide depozitul.

VI. Fuziunea nucleara

◄Soarele

Energie poate fi produsa si prin fuziunea a doua nuclee usoare intr-un nucleu greu. Energia emisa de stele, incluzand Soarele, este produsa de o astfel de reactie ce are loc in centrul lor. La presiunile si temperaturile enorme de peste 15 milioane° C existente in miezul lor, nuclee de hidrogen se combina conform ecuatiei (1) si dau nastere la atomi de heliu si la energia stelei.

Fuziunea nucleara a fost prima oara realizata in anii 1930 prin bombardarea unei tinte ce continea deuteriu, izotopul de masa-2 al hidrogenului, cu nuclee de deuteriu foarte incarcate intr-un ciclotron (accelerator de particule). Pentru a accelera fasciculul de nuclee de deuteriu este nevoie de o cantitate mare de energie, cea mai mare parte transformandu-se in caldura cand atinge tinta. Drept rezultat nu s-a produs energie neta. In anii 1950 prima fuziune la scara mare, dar necontrolata, a fost demonstrata prin testele intreprinse de SUA, URSS, Marea Britanie si Franta cu arme termonucleare.

In reactia de fisiune discutata anterior, neutronul, care are o incarcatura electrica, poate sa se apropie de nucleul fisionabil si sa-l scindeze. In reactia de fuziune tipica, nucleele reactante au amandoua un invelis electric pozitiv care le face sa se respinga. Aceasta forta se numeste respingerea lui Coulomb si trebuie anulata pentru ca nucleele sa fuzioneze. Acest fenomen are loc cand tempreatura gazului reactant este situata intre 50 si 100 de milioane° C. In gazul de izotopi grei ai hidrogenului, deuteriu si tritiu, are loc reactia de fuziune

care elibereaza 17.6 MeV. Mai intai, energia are o forma cinetica prin miscarea nucleului de heliu-4, dar se transforma rapid in caldura in gazul inconjurator.

◄ Curba energiei de legatura

Daca densitatea gazului este suficienta, 10^-5 atm sau aproape vacuum, nucleul energetic de heliu-4 isi poare transfera energia catre gazul de hidrogen inconjurator astfel mentinand temperatura ridicata si permitand formarea unei reactii de fuziune in lant. Se spune ca a avut loc "aprinderea nucleara".

Problemele de baza in obtinerea conditiilor de fuziune nucleara sunt urmatoarele: (1) sa incalzesti gazul al o asemenea temperatura necesara interactiunii dintre nuclee si (2) sa mentii intr-un spatiu inchis o cantitate suficient de mare de nuclee reactante pentru indeajuns timp incat sa produca o energie mai mare decat cea consumata pe incalzirea si retinerea gazului. De aici deriva a doua problema, cea a captarii energiei obtinute si transformarea ei in curent electric.

La temperaturi de doar 100,000° C, toti atomii de hidrogen sunt complet ionizati. Gazul consista dintr-un ansamblu neutru electric compus din nuclee incarcate pozitiv si electroni liberi incarcati negativ. Aceasta stare a materiei se numeste plasma.

O plasma destul de fierbinte pentru a fuziona nu poate fi retinuta de materiale ordinare. Plasma s-ar raci foarte repede si containerul ar fi distrus de caldura extrema. Dar, cum plasma este compusa din nuclee si electroni cu sarcina, care se misca in spirale stranse in jurul liniilor de forta ale unui camp magnetic puternic, ea poate fi retinuta in campuri magnetice cu forma corecta fara sa fie nevoie sa interactioneze cu pereti materiali.

In orice sistem util de fuziune, energia produsa trebuie sa fie mai mare decat cea consumata cu retinerea si incalzirea plasmei. Aceasta conditie este satisfacuta atunci cand produsul dintre timpul de retinere t si densitatea plasmei n depasesc 10¹⁴. Relatia tn≥ 10¹⁴ se numeste criteriul lui Lawson.

▲ Reactorul Takamak

Numeroase scheme pentru retinerea magnetica a plasmei au fost incercate inca din 1950 in Statele Unite, Rusia, Marea Britanie, Japonia si in alte tari. Reactii termonucleare au fost observate, dar criteriul lui Lawson foarte rar depasea 10¹². Totusi, un dispozitiv,reactorul tokamak, la origine sugerat in URSS de catre Igor Tamm si Andrey Sakharov, a inceput sa ofere rezultate incurajatoare la inceputul anilor 1960.

Camera de retinere a reactorului tokamak ate forma unui inel, cu diametrul minor de 1 m si cel major de 3 m. Un camp magnetic toroidal de 50,000 gauss se formeaza in camera cu ajutorul unor electromagmeti mari. Un curent longitudinal de cateva milioane de amperi este indus in plasma prin spirele unui transformator care leaga camera de retinere. Liniile magnetice care rezulta, spiralate in torus (camera de retinere), retin stabil plasma.

Bazate pe utilizarile cu succes ale tokamak-urilor mici de la diverse laboratoare, doua tokamak-uri mari au fost construite la inceputurile anilor 1980, unul la Universitatea din Princeton si altul in URSS. Campurile magnetice enorme au supus plasma la temperaturi si presiuni extreme, fortand nucleele atomice sa fuzioneze. In timp ce nucleele fuzioneaza, o cantitate extraordinara de energie este eliberata, temperatura din tokamak ajungand la una de trei ori mai mare decat cea din miezul Soarelui.

O alta cale posibila spre energie din fuziune este retinerea inertiala. In acest concept, combustibilul, tritiu sau deuteriu, este tinut intr-o sfera mica de sticla care este bombardata din mai multe parti cu lasere cu pulsatii sau fascicule de ioni grei. Acestea cauzeaza implozia sferei de sticla, pornind o reactie termonucleara care aprinde combustibilul. Cateva laboratoare din SUA si alte tari studiaza aceasta posibilitate. La sfarsitul anilor 1990, multi cercetatori se concentrau pe utilizarea fasciculelor de ioni grei, cum ar fi ionii de bariu, decat pe utilizarea laserelor pentru a porni fuziunea retinuta inertial. Oamenii de siinta au ales fasciculele de ioni grei deoarece acceleratoarele de ioni grei pot produce pulsuri ionice intense la o frecventa mare si pentru ca acceleratorii de ioni grei sunt extrem de eficienti in convertirea curentului electric in fascicule de energie ionica, astfel reducand cantitatea de energie consumata. Tot in comparatie cu laserele, fasciculele de ioni pot penetra si incalzi mai eficient sfera de sticla cu combustibil.

◄Camera de aprindere cu lasere

Progresul in cercetarea fuziunii este promitator, dar dezvoltarea unui sistem practic pentru crearea unei reactii de fuziune stabile care sa produca mai multa energie decat consuma va lua probabil decenii sa se realizeze. Si cercetarea este costisitoare. Totusi, un progres a fost realizat la inceputul anilor 1990. In 1991, pentru prima oara, o cantitate importanta de energie, aproape 1.7 milioane de watti, a fost realizata din fuziunea nucleara controlata la Laboratorul Joint European Torus (JET) din Anglia. In decembrie 1993, cercetatori de la Universitatea Princeton au folosit reactorul de testare a fuziunii Tokamak pentru a produce 5.6 milioane de watti de energie. Dar, atat JET cat si Tokamak au consumat mai multa energie decat au produs in timpul operarii.

Daca energia din fuziune va deveni practica, ea ofera urmatoarele avantaje: (1) o sursa nelimitata de combustibil, deuteriu din ocean; (2) nici o posibilitate a unui accident la reactor deoarece cantitatea de combustibil din sistem este foarte mica si(3) produse reziduale mult mai putin radioactive si mai simple de manuit decat cele provenite de la sistemele fisionare.

Bibliografie:                                                                                       -Microsoft Encarta Premium 2007 -www.wikipedia.com -www.cochems.com/cernobyl/ -revista Arborele lumii, editura Marshall Cavendish Romania, 1995

Compus si tehnoredactat de:                     Blanaru Cezar Laurentiu, elev la Colegiul National ,,Gh. Lazar", Bucuresti; clasa a XII-a G