FISIUNEA NUCLEARA - Centrala nucleara

FISIUNEA NUCLEARA

Fisiunea nucleara reprezinta reactia prin care un neutron sparge un nucleu greu in doua sau mai multe fragmente, cu emisia mai multor neutroni.

Fizicienii sovietici G.N. Flerov si K.A. Petrjac au aratat, in anul 1940, ca procesul se poate produce fie spontan, fie prin bombardarea intentionata a nucleelor grele cu neutroni.

Teoria fisiunii a fost elaborata de catre Niels Bohr si A. Wheeler. Ei au stabilit limitele de 230 si 250 pentru numarul de masa, la care incepe fisiunea provocata, respectiv spontana. S-a constatat ca cele mai indicate elemente pentru fisiunea nucleara sunt: .

Produsele fisiunii

In urma fisiunii rezulta:

doua nuclee care foarte rar au mase egale;

un numar de neutroni mai mare decat cel initial.

Dar ceea ce este important in procesul de fisiune este energia eliberata in timpul procesului.

Energia degajata la un act de fisiune, pentru ²³⁵U, este de aproximativ 200 MeV/act fisiune. Energia eliberata se distribuie astfel:

produsele de fisiune-166 MeV

radiatie g de fisiune - 6 MeV

radiatie b - 7 MeV

neutrini - 11 MeV

radiatie g intarziata - 6 MeV

neutroni - 5 MeV.

Cea mai mare parte a energiei este transportata de fragmentele de fisiune. Astfel s-a pus problema captarii acestei energii, sub forma de energie termica. S-a calculat ca 1 kg de ²³⁵U degaja prin fisionare 510²⁶ MeV~10¹⁶ J. Aceasta ar fi caldura eliberata prin arderea a 300.000 tone de carbune.

Realizarea fisiunii:

Prima idee care le-a venit fizicienilor atunci cand au aflat ca in urma fisiunii rezulta un numar sporit de neutroni a fost aceea ca acestia pot fi folositi pentru producerea altor reactii de fisiune.

Pentru producerea reactiei in lant trebuie indeplinite anumite conditii din care cele mai importante sunt:

neutronii de fisiune sa aiba energii corespunzatoare pentru a provoca noi reactii de fisiune;

in masa de material (combustibil nuclear) sa se gaseasca cat mai multe nuclee fisionabile (gradul de puritate sa fie cat mai mare).

Cum numarul de neutroni creste cu cantitatea de material, iar pierderea de neutroni este proportionala cu suprafata combustibilului nuclear - prin manevrarea adecvata a celor doi factori - o situatie in care numarul neutronilor rezultati prin fisiune sa fie egali cu cei pierduti. Aceasta inseamna realizarea unei reactii in lant autointretinute. Masa respectiva de material se numeste masa critica.

De asemenea a aparut problema legata de energia neutronilor, si anume, energia la care exista cea mai mare probabilitate de fisiune a ²³⁵U este de 0,025 eV, iar neutronul iese cu energii de ordinul 0,72 eV. Deci acesti neutroni care apar in urma procesului de fisiune trebuie incetiniti. A incetini neutronii inseamna a-i aduce la energia de agitatie termica a moleculelor substantei prin care acestia trec. Aceasta se realizeaza prin ciocniri succesive pe care neutronul le sufera in urma carora el este incetinit. Elementele care sunt utilizate pentru incetinirea neutronilor sunt: hidrogenul, deuteriul, beriliul sub forma de apa (hidrogenul), apa grea (deuteriul), grafit (carbonul).

Centrala nucleara

O centrala nucleara este o instalatie complexa de producere a energiei electrice din energia termica obtinuta prin initierea si intretinerea unei reactii nucleare de fisiune controlata in lant, proces realizat intr-un reactor nuclear.

Intr-o centrala nucleara, reactorul indeplineste aceeasi functie ca un cazan intr-o centrala pe carbune, gaz natural sau pacura. Caldura, indiferent ca provine de la un reactor nuclear sau de la un cazan, este necesara pentru a transforma apa in abur. Aburul astfel obtinut, roteste paletele unei turbine ce pune in miscare generatorul producator de electricitate.

In cazul unui reactor nuclear, combustibilul folosit contine uraniu. Caldura este produsa in reactor prin scindarea atomilor de uraniu. Atunci cand un atom este scindat in urma ciocnirii cu un neutron aflat in miscare, are loc o eliberare semnificativa de energie si a altor doi-trei neutroni noi. Aceasta este o reactie nucleara denumita reactie de fisiune. Daca neutronii eliberati in urma fisiunii ar putea fi incetiniti sau moderati, probabilitatea unei noi ciocniri atomice generatoare de energie termica creste. In felul acesta avem de-a face cu o reactie de fisiune in lant, care multiplica energia ce se elibereaza. Se creeaza astfel suficienta caldura, care transformata in abur poate antrena paletele unei turbine.

In principiu, un reactor nuclear se compune dintr-o zona centrala, denumita zona activa, in care are loc reactia de fisiune in lant, un mediu de racire care transfera caldura degajata in zona activa la generatorii de abur si moderatorul care permite intretinerea reactiilor in lant prin reducerea vitezei neutronilor.

In lume exista diverse tipuri de reactori nucleari, toti functionand pe baza aceluiasi principiu: producerea caldurii prin fisiunea atomilor de uraniu.

Ceea ce diferentiaza aceste tipuri de reactori nucleari este modul de combinare a celor trei componente de baza, adica filierele nucleare.

Tipul de reactor folosit in Canada, preluat si de tara noastra se numeste CANDU (CANada Deuterium Uranium), nume ce rezuma trei din caracteristicile principale ale reactorului: sistemul este canadian, el foloseste apa grea (deuterium) ca moderator si combustibilul utilizat este uraniul natural (fig.1).

Zona activa (miezul) a unui reactor de tip CANDU se afla intr-un rezervor cilindric orizontal numit Calandria prevazut la capete cu doua protectii de capat formate din placi de otel. Vasul Calandria si protectiile de capat sunt strabatute de 380 tuburi -tuburi Calandria -in care sunt amplasate 380 de tuburi mai mici, denumite tuburi de presiune. In aceste tuburi de presiune sunt introduse fascicule de combustibil, cantarind fiecare cca. 25 kg in care uraniul natural se prezinta sub forma unor pastile compactizate si sinterizate (fig.2).

Moderatorul (apa grea), fara de care reactia nucleara nu poate avea loc, inconjoara tuburile de presiune. Ca agent de racire, ce preia caldura generata de reactia nucleara in cazul reactorilor CANDU, este utilizata apa grea pompata prin tuburile de presiune ce contin fascicule de combustibil. Incalzita, apa grea este transportata la generatorii de abur unde cedeaza caldura apei obtinute, obtinandu-se aburul, iar odata racita, este recirculata inapoi in reactor. Aburul este apoi transportat la turbina care roteste generatorul ce produce energia electrica. In felul acesta circuitul reactorului nuclear, numit si circuit primar, este separat de circuitul destinat producerii energiei electrice denumit circuit secundar.

In figura 3 este prezentata schema simplificata a unui reactor de tip CANDU, iar in figura 4 schema simplificata a unei centrale nucleare echipata cu reactor de tip CANDU. Fasciculele de combustibil sunt inlocuite, pe masura ce se consuma, cu fascicule de combustibil proaspat.

Operatia de extragere a combustibilului consumat si realimentarea cu combustibil proaspat se face concomitent, cu reactorul in functiune, cu ajutorul a doua masini de incarcare-descarcare (MID) (fig.5 a).

Realimentarea, ca si majoritatea operatiilor de rutina in cadrul centralei nucleare este controlata prin calculator. Un al doilea calculator este gata sa intre in functiune in caz de defectare a primului calculator.

Nivelul de putere al reactorului este mentinut sub control prin intermediul unor bare de control (fig.5 b). De asemenea, intregul proces de productie, precum si intregul reactor sunt protejate prin intermediul unor sisteme de siguranta; un rol important in acest sens il au, cele doua sisteme de oprire in caz de accident.

Radiatiile provin numai de la centralele nucleare?

Raspunsul este scurt: "nu". Radiatia de origine naturala este prezenta in intreg mediul inconjurator sub forma de caldura sau lumina si este necesara vietii. Radiatia poate ajunge pe pamant din spatiul cosmic. Pamantul insusi fiind radioactiv, radioactivitatea naturala este prezenta in aer, apa si alimente. Fiecare dintre noi este expus la radiatia naturala intr-o masura mai mare sau mai mica:

radioactivitatea face parte din viata de zi cu zi a omului. In mod cert insa, radiatiile la care suntem expusi nu provin numai de la centralele nucleare. Surse de radiatii pot fi: undele radio, microundele din comunicatii, lumina infrarosie emisa de obiectele fierbinti, radiatiile X utilizate in radiografii si radiatiile gama utilizate in tratamentul cancerului si diagnosticarile medicale.

Cantitatea de radiatii pe care o incasam depinde de sursa, distanta de la sursa si timpul scurs de la expunere. Un locuitor primeste o doza anuala de aproximativ 2,2 mSv din fondul natural de radiatie, functie de zona in care locuieste. O persoana care locuieste la munte va primi o doza mai mare decat o persoana care locuieste la nivelul marii. Aceasta datorita atmosferei terestre care la joasa inaltime asigura o protectie mai buna fata de radiatia solara, decat la inaltimi mai mari unde atmosfera este mai putin densa. Pe langa aceasta doza, fiecare persoana mai este expusa anual unor investigatii sau tratamente medicale cu raze X. Desi, folosirea in medicina a radiatiilor ofera pacientilor beneficii directe foarte mari, ele contribuie la marirea dozei primite de populatie. Doza individuala maxim admisa variaza de la tara la tara. Doza de radiatie primita de populatie creste si datorita depunerilor radioactive cauzate de experiente nucleare si a deversarilor de substante radioactive in mediul inconjurator.

Ne putem intreba asupra dozei suplimentare pe care am primi-o daca am locui in vecinatatea unei centrale nucleare. Exista opinii potrivit carora, cresterile fluxului de radiatii in spatiul din jurul reactorului sunt periculoase pentru om, deoarece maresc riscul aparitiei bolilor de radiatie. Dar, realitatea a dovedit ca nivelul radiatiei in cazul unei centrale nucleare este comparabil cu cel detectabil in centralele clasice, si pana in prezent, nu a putut fi pusa evidenta aparitia vreunei boli de radiatie in cazul centralelor clasice.

Limita de proiectare pentru doza de radiatie anuala maxima la limita perimetrului unei centrale nucleare este 0,05 mSv. In realitate doza este mult mai mica: in jur de 0,02 mSv.

Efectele benefice ale radiatiei.

Cunoscand radiatiile, le putem utiliza si controla in deplina siguranta in beneficiul omenirii. Arareori efectele benefice ale radiatiilor atrag atentia marelui public. Si aceasta in ciuda utilizarii pe scara tot mai larga, cu mult succes a acestor radiatii in tratamente medicale, diagnosticari, in cercetare precum si in imbunatatirea calitatii produselor in multe activitati industriale.

Incepand cu anul 1950 radiatia a fost utilizata din ce in ce mai mult in diagnosticari si tratamente medicale, intrucat este usor de detectat radiatia emisa de radioizotopi (materiale radioactive).

Anual, au loc milioane de teste medicale, utilizand tehnica medicinii nucleare prin care se afirma sau se confirma diagnostice: se localizeaza si se descriu tumori, adeseori eliminand necesitatea interventiei chirurgicale. De asemenea cu ajutorul radiatiilor emise de radioizotopi se trateaza in zilele noastre cancerul. Radiatiile distrug celulele canceroase si previn multiplicarea lor. Acest tratament este numit "radioterapie".

Radiatiile sunt utilizate in tratarea a cel putin 50% din cazurile de cancer. In fiecare an, jumatate de milion de oameni din mai mult de 80 de tari sunt tratati de cancer utilizand aceasta metoda.

Si in industria alimentara s-au gasit metode eficace de conservare a alimentelor, utilizand radiatiile. Iradierea este mai eficienta decat utilizarea produselor chimice, ea asigurand mentinerea calitatilor nutritive ale alimentelor. Radioizotopii utilizati in cantitati mici prelungesc durata de conservare a alimentelor. Ei distrug parazitii, insectele, bacteriile si microorganismele care produc alterarea alimentelor.

Astazi, conservarea alimentelor prin metoda iradierii este practicata intr-o serie de tari ale lumii: CSI, Ungaria, Belgia, Cehia, Anglia, Canada.

Radiatiile mai sunt utilizate in domeniul medical si farmaceutic la: sterilizarea instrumentelor chirurgicale, dezinfectarea bandajelor, a manusilor, seringilor si la prepararea unor produse farmaceutice.