Referat La Fizica Aplicata Energia nucleara de fuziune si fisiune

Universitatea POLITEHNICA din Bucuresti Facultatea de Energetica Referat La Fizica Aplicata Energia nucleara de fuziune si fisiune Baracu Tudor Rusu Remon Scorus Gheorghe Vatafu Razvan 20

Cuprins Energia nucleara de fuziune. Introducere 2. Istoric 3. Fuziunea nucleara potential energetic 4. Tehnologie existenta Energia nucleara de fisiune. Generalitati 2. Interacțiunea neutronilor cu materia 3. Tipuri de interactiuni 4. Reacții de fisiune provocate de neutroni 5. Reacțiile utilizate pentru detectarea neutronilor 6. Legi de conservare in interactiunile nucleare 7. Utilizarea energetica a tehnologiei nucleare de fisiune Centrala nucleara CANDU 2

Energia nucleara de fuziune. Introducere Energia produsă în interiorul Soarelui şi al altor stele apare în urma reacțiilor de fuziune nucleară. În cazul fuziunii nucleare doi atomi (de obicei izotopi de hidrogen) se unesc dând naştere unuia nou, mai greu (heliu), iar în cadrul acestui proces este eliberată o cantitate uriaşă de energie. În momentul in care doi atomi mai uşori fuzionează dând naştere unuia mai greu, mai masiv, atomul rezultant are masa mai mică decât suma maselor celor doi atomi care i-au dat naştere. Conform ecuației lui Einstein, E=mc2, care exprimă echivalența masă-energie, şi asemenea cazului fisiunii nucleare, masa lipsă se transformă în energie în cadrul procesului de fuziune nucleară. Ca urmare a fuziunii se produc și alte particule subatomice, ca de exemplu neutroni sau raze alfa (nuclee de heliu) sau beta (electroni sau pozitroni). Din cauză că nucleele participante în fuziune sunt încărcate electric, reacția de fuziune nucleară poate avea loc numai atunci când cele două nuclee au energie cinetică suficientă pentru a învinge potențialul electric (forțele de respingere electrică) și prin urmare se apropie suficient pentru ca forțele nucleare (care au rază de acțiune limitată) să poată rearanja nucleonii. Această condiție presupune temperaturi extrem de ridicate dacă reacția are loc într-o plasmă, sau accelerarea nucleelor în acceleratoare de particule. 2. Istoric Fuziunea nucleară a fost realizată pentru prima dată prin anii 930 prin bombardarea unei ținte contținând deuteriu, izotopul hidrogenului cu masa 2, cu deuteroni într-un ciclotron. Pentru accelera raza de deuteroni este necesară folosirea unei imense cantități de energie, marea majoritate transformându-se în căldură. Din această cauză fuziunea nu este o cale eficientă de a produce energie. În anii 950 prima demonstrație la scară largă a eliberării unei cantități mari de energie în urma fiziunii, necontrolată a fost făcută cu ajutorul armelor termonucleare în SUA, URSS, Marea Britanie şi Franța. Această experiență a fost foarte scurtă şi nu aputut fi folosită la producerea de energie electrică. 3. Fuziunea nucleara potential energetic Fuziunea nucleară este probabil unica metodă de a produce energie care să reprezinte o soluție energetică pe termen lung pentru planeta noastră. Energiile alternative de tipul celei eoliene, geotermale, solare etc. nu dețin nici pe departe potențialul pe care fuziunea nucleară îl prezintă. Centralele nucleare ce ar urma să producă energie prin fuziune nucleară ar prezenta şi avantajul că ar fi foarte sigure, negeneratoare de deşeuri radioactive (spre deosebire de centralele atomoelectrice actuale, bazate pe fisiunea uraniului sau altor elemente produse pe cale artificiala,) şi ar fi, de asemenea, nepoluante, aspect extrem de important în contextul încălzirii globale. Combustibilul necesar fuziunii nucleare ar fi şi extrem de simplu de procurat, fiind disponibil oriunde în lume. Cel mai important aspect ar fi totuşi randamentul unei asemenea reacții nucleare, mult superior tuturor celorlalte imaginate şi puse în practică până acum de civilizația umană. De exemplu, energia rezultată în urma fuziunii deuteriu-tritiu (cea mai uşor de realizat dpdv practic reacție de fuziune nucleară, unde deuteriul şi tritiul sunt 2 izotopi ai hidrogenului) ar fi de 400 de ori mai mare decât necesarul de introdus în sistem pentru a genera reacția de fuziune. Deşi energia obținută prin fuziune nucleară ar fi practic nelimitată, costul imens al aducerii atomilor în starea de plasmă o transformă într-o solutie nerentabilă pentru moment din punct de vedere economic. În orice caz, mulți oameni de ştiință cred şi susțin cu tărie că în următorii 40-50 de ani umanitatea îşi va asigura majoritatea necesarului energetic pe baza fuziunii nucleare. Şi acesta este un aspect deosebit de important, chiar vital pentru 3

supraviețuirea umanitatii, din moment ce aceiaşi oameni de ştiință susțin că în aproximativ 00 de ani vom fi epuizat toate resursele de energie conventională ale planetei. Randamentul este foarte bun, numai că există o problemă. Aducerea protonilor din deuteriu şi tritiu suficient de aproape astfel încât să fuzioneze sub acțiunea forței nucleare tari este un lucru extrem de greu realizabil pe Terra. Vorbim de energia care alimentează Soarele şi toate celelalte stele, numai că în cazul acestora gravitația enormă menține "combustibilul nuclear" la locul său în timp ce temperaturile extrem de mari imprimă nucleelor o viteză suficientă pentru a înfrânge repulsia electrică dintre ele. Dacă am putea construi în laborator o stea în miniatură - un micro-soare, atunci am fi foarte aproape de a găsi o soluție pentru problemele energetice ale planetei noastre. Şi deşi acest deziderat nu a fost încă atins, s-au înregistrat continuu progrese. Există un izotop al heliului, heliul-3, similar tritiului. Acesta ar putea substitui tritiul în reacția descrisă anterior, cu aceleaşi rezultate sub aspect energetic. Care ar fi diferența? Diferența constă în faptul că se estimează că pe suprafața Lunii există aproximativ milion de tone de heliu-3, uşor de exploatat. 25 de tone ar fi suficiente pentru a satisface în proporție de 00% nevoile energetice ale SUA pentru un an întreg. 4. Tehnologie existenta Pentru a da naştere unei reacții de fuziune nucleară, cele două particule care vor fuziona trebuie să-şi piardă electronii şi să fie accelerate la viteze deosebit de mari. Pentru a preveni respingerea reciprocă a celor doi nuclei încărcați pozitiv astfel rezultați, temperatura particulelor este ridicată la valori de câteva ori mai mari decât temperatura de la suprafața Soarelui. În practică, temperatura devine atât de ridicată încât particulele trec din starea lor de agregare naturală, cea gazoasă, într-o alta, numită plasmă. După fuziune nucleii eliberează cantități uriaşe de energie pierzând astfel din masa inițială. Una dintre cele mai mari probleme întâmpinate astăzi în cadrul experimentelor legate de fuziunea nucleară este controlul plasmei şi păstrarea şi izolarea acesteia într-un spațiu închis şi sigur. Există actualmente trei metode de control al plasmei pe perioada reacției de fuziune nucleară. Prima se foloseşte de un câmp magnetic foarte puternic în vederea protejării materialelor din interiorul reactorului şi pentru prevenirea scurgerilor de plasmă. A doua metodă presupune un tip de control inerțial, bazat pe menținerea coeziunii plasmei prin bombardarea cu multiple raze laser a camerei reactorului (cazul Nova Laser). A treia metodă foloseste gravitația, dar singurele reactoare capabile să funcționeze pe acest principiu sunt cele naturale doar Soarele şi celelalte stele au fost până în prezent capabile să controleze plasma în acest mod. Dezvoltarea experimentală a reactoarelor de fuziune nucleară controlată este o sarcină extrem de dificilă. Poate cea mai promițătoare tehnică dezvoltată până în prezent poartă numele de tokamak, rezultatul practic al cercetărilor fizicianului rus Lev Artsimovich (909-973) din anii 50. Denumirea tokamak este un acronim pentru camera toroidală cu câmp magnetic. Într-un tokamak, nucleii sunt prinşi în mijlocul unui cîmp magnetic de formă toroidală (vezi figura). Această formă a camerei reactorului împiedică particulele să scape din câmpul magnetic, readucându-le în mijlocul acțiunii atunci când au tendința să scape câmpului magnetic. 4

Laser-ul Nova, din cadrul laboratorului Lawrence Livermore, este cel mai puternic laser din lume. Acesta direcționează zece raze laser spre centrul camerei reactorului, dând naştere unei reacții de fuziune la nivelul mostrei de combustibil folosite. Până în prezent laserul a fost folosit în cercetarea legată de armele nucleare şi există speranțe că Nova va ajuta fizicienii să obțină rezultate spectaculoase în domeniul energiei nucleare. În martie 989, doi oameni de ştiință, Stanley Pons şi Martin Fleischmann au devenit peste noapte celebri în momentul în care au anunțat că au reuşit să genereze în laborator o reacție de fuziune nucleară la rece. Fuziunea la rece ar elimina din ecuație problematica izolării plasmei, ar duce la economisirea unor sume importante de bani şi ar reprezenta, teoretic, o sursă de energie nelimitată pentru întreaga omenire. Deşi descoperirea lor a sunat extraordinar, alți oameni de ştiință nu au reuşit reproducerea experimentelor descrise de Pons şi Fleischmann. Faima şi admirația de care s-au bucurat cei doi la momentul anunțului s-a trasformat curând în dezamăgire generală. Într-un gaz de hidrogen greu izotopii deuteriu şi tritiu la aşa temperaturi are loc fuziunea nucleară, eliberându-se aproximativ 7,6 MeV pe element de fuziune. Energia apare la început ca energie cinetică a lui heliu 4, dar este transformată repede în căldură. Dacă densitatea de gaz este sufucientă, la aceste temperaturi trebuie să fie de 0-5 atm, aproape vid, energia nucleului de heliu 4 poate fi transferată gazului de hidrogen, menținându-se temperatura înaltă şi realizându-se o reacție în lanț. Problema de bază în atingerea fuziunii nucleare este căldura gazului şi existența unei cantități suficiente de nuclee pentru un timp îndelungat pentru a permite eliberarea unei energii suficiente pentru a încălzi gazul. Fuziunea nucleară este sursa principală de energie în stelele active. O altă problemă este captarea energiei şi convertirea în energie electrică. La o temperatură de 00.000 C toți atomii de hidrogen sunt ionizați, gazul fiind compus din nuclee încărcate pozitiv şi electroni liberi încărcați negativ, stare numită plasmă. 5

Plasma caldă pentru fuziune nu se poate obține din materiale obişnuite. Plasma s-ar răci foarte repede, şi pereții vasului ar fi distruşi de căldură. Dar plasma poate fi controlată cu ajotorul magnețiilor urmând liniile de câmp magnetic stând departe de pereți. În 980 a fost realizat un astfel de dispozitiv, în timpul fuziunii temperatura fiind de 3 ori mai mare ca a soarelui. O altă cale posibilă de urmat este de a produce fiziune din deuteriu şi tritiu pus într-o sferă mică de sticlă care să fie bombardată din mai multe locuri cu ul laser pulsând sau cu raze ionice grele. Acest procedeu produce o implozie a sferei de sticlă, păroducăndu-se o reacție termonucleară care aprinde carburantul. Progresul în fuziunea nucleară este promițător dar înfăptuirea de sisteme practice de creare stabile de reactie de fuziune care să producă mai multă energie decât consumă va mai lua ceva decenii pentru realizare. Activitatea de experimentare este scumpă. Totuşi unele progrese sau obținut în 99 când o cantitate importantă de energie (,7 milioane W) a fost produsă cu ajutorul reacție de fuziune controlată în Laboratoarele JET din Finlanda. În 993 cercetătorii de la Universitatea din Princeton au obținut 5.6 milioane W. În ambele cazuri s-a consumat mai multă energie decât s-a creat. Dacă reacția de fuziune devine practică oferă o serie de avantaje: o sursă de deuteriu aproape infinită din oceane, imposibilitatea de a produce accidente din cauza cantității mici de carburant, reziduriile nucleare sunt mai puțin radioactive şi mai simplu de manipulat. Fuziunea nucleară ar putea deveni o sursă de energie practic nelimitată (și ecologică) atunci când reactoarele de fuziune (care în prezent se află în fază experimentală și nu produc încă un surplus net de energie) vor deveni viabile din punct de vedere tehnologic și economic. 6

Fisiunea nucleara. Generalitati Există două forțe care acționează în interiorul nucleului atomic. Pe de o parte, o forță nucleară tare - mai exact un reziduu al forței nucleare tari care ține quarcurile laolaltă - acționează ca o forță de atracție între nucleoni, iar pe de altă parte, sarcina electrică a protonilor face ca aceştia să se respingă reciproc. Forța tare este mult mai puternică decât cea electrică pe distanțe foarte mici, de până la două ori şi jumătate diametrul unui proton, dar la distanțe mai mari forța electrică are valori superioare. Pe măsură ce numărul nucleonilor unui atom creşte, adică pe măsură ce avansăm în cadrul tabelului periodic al elementelor, la început, fiecare nucleu atomic are o energie de legătură ceva mai mare decât precedentul (numărul nucleonilor creşte, deci atracția creşte şi ea). Acest grafic arată evoluția valorii energiei de legătură în funcție de numărul de nucleoni din nucleu. Această creştere a valorii energiei de legătură continuă până se ajunge la elementele fier şi nichel, acolo unde vorbim de un număr de 60 de nucleoni. În acest punct, raza nucleului este mai mare decât 2,5 x diametrul unui proton, care este exact distanța la care forța electromagnetică de respingere începe să domine în duelul său cu forța reziduală tare. Deci, pe măsură ce se adaugă nucleoni după acest punct, forța electrică începe să câştige în încercările sale de a dezagrega nucleul atomic, fiecare nucleon adăugat fiind din ce în ce mai slab legat în interiorul nucleului. Când se ajunge la plumb şi bismut nucleul conține deja 207 nucleoni, forța electrică este mai puternică, iar nucleele atomice şi mai masive de atât sunt instabile, descompunându-se în mod natural, deşi procesul acesta poate dura destul de mult. Aceste nuclee masive pot reveni la un aranjament mai stabil în diverse moduri. Pot converti neutroni în protoni în procesul de dezintegrare radioactivă de tip beta, pot elimina grupuri de 4 nucleoni simultan în dezintegrarea de tip alfa ori pot pur şi simplu să se descompună în 7

două nuclee mai uşoare, dar mai stabile. Acest din urmă fenomen poartă numele de fisiune nucleară. Fisiunea este diferită de celelalte forme de dezintegrare nucleară, întrucât poate fi valorificată şi controlată prin intermediul unei reacții în lanț. Să vedem ce înseamnă acest lucru din perspectivă energetică. Potrivit graficului care indică energiile de legătură, uraniul U (235) are asociată o energie de legătură egală cu 7.6 MeV pentru fiecare nucleon, de unde rezultă un total de 235 x 7.6 Mev = 786 MeV, bariul (44) are 44 x 8.3MeV = 95 MeV, iar kriptonul(89) are 89 x 8.8MeV = 783 MeV. Neutronii suplimentari nu au asociată o energie de legătură. Astfel că de fiecare dată când un nucleu de uraniu fisionează se câştigă în jur de 92 MeV de energie! Numai că în mod natural uraniul U-235 are nevoie de miliarde de ani pentru a se descompune, astfel că este de dorit ca acest proces să fie cumva accelerat. Acest lucru se realizează prin bombardarea uraniului cu neutroni la viteze mici. Uraniul U-235 absoarbe neutronii şi se transformă în uraniu U-236. Apoi se descompune în kripton-92, bariu-4 şi 3 neutroni liberi. Aceşti 3 neutroni au rol în descompunerea unor atomi învecinați de uraniu U- 235 în alte nuclee-fiică şi încă mai mulți neutroni, iar procesul se repetă şi este amplificat. Putem pune un asemenea dispozitiv în apă şi, drept urmare, mişcarea nucleelor-fiică şi a neutronilor liberi va fi încetinită de apă, care, în consecință, se va încălzi. În final, putem transforma aburul în energie electrică. Acesta este, pe scurt, mecanismul de funcționare a centralelor nucleare. 8

2. Interacțiunea neutronilor cu materia Neutronul, o particulă a cărei existență a fost pusă în evidență în 920 de către Rutherford şi identificată fizic în 930 de către Chadwick, are o sarcină electrică nesemnificativă ( 2*0-22 C). Dezintegrarea nucleelor atomice şi metode de detecție a neutronilor Neutronul se comportă practic ca un corp lipsit de sarcină, din care cauză acționează în mod aparte cu materialele, neputând interacționa cu atomul (învelişul electronic), ci numai cu nucleul atomului. Având o masă de,0086654 u.a.m., neutronul se încadrează în grupa particulelor grele, putând să aibă energii foarte mari, explicabile şi prin faptul că nu este o particulă stabilă, ea putând exista în mod liber aproximativ 0-3 s, interval după care se descompune într-un proton şi un electron. Neutronul rămâne stabil numai în interiorul nucleului datorită forțelor puternice de legătură, de unde poate fi expulzat in diverse moduri. Interacțiunile neutronilor n cu nuclee X au loc după relația: A X + 0 n A+ Y A+ în care Y este un nucleu compus în stare excitată, care poate exista un timp foarte scurt (0-20 -0-2 s). Energia de excitație este formată din energia cinetică a neutronului incident şi de energia de legătură a nucleului. Ea se eliberează în diferite moduri, în cadrul unor reacții nucleare. Procesele implicate de interacția neutronului cu substanțele, depind de: - energia neutronului incident, - natura materialului de interacție. Din punctul de vedere al energiei, neutronii se împart în mai multe grupe: neutroni termici (E n = 0,00...,0 ev); neutroni reci (E n = 0,025 ev); neutroni lenți (E n = 0,03 ev); neutroni epitermici (E n = 0,04 ev); neutroni de rezonanță (E n < 00 ev); 9

neutroni rapizi (E n >00keV). In figura de mai sus sunt prezentate toate procesele care au loc la dezintegrarea nucleului, corelate cu metodele de detecție a neutronilor. Detectoarele de neutroni furnizează astfel semnale de natură electrică cu ajutorul cărora se poate evalua fluxul de neutroni din reactor, precum şi evoluția sa în timp. 3. Tipuri de interactiuni Difuzia elastica In cadrul unei astfel de interacțiuni nucleul este ciocnit de un neutron rapid, iar fiecare particulă implicată îşi conservă identitatea, dar îşi modifică starea energetică: 0 A n+ X 0n+ A X In urma ciocnirii, neutronul rămas liber isi pierde total/parțial energia, iar nucleul, acum în stare ionizată, devine un "nucleu de recul" Pierderea de energie a neutronului, în cursul ciocnirii elastice, poate fi calculată aplicând principiile mecanicii cuantice, a conservării energiei şi a mărimii deplasării. Considerând E ca fiind energia inițială a neutronului care ciocneşte elastic un nucleu de masă A, energia finală E 2 a neutronului se determină cu relația: E E 2 = A 2 + 2Acosϕ + 2 ( A + ) în care φ reprezintă unghiul dintre traiectoriile inițială şi finală ale neutronului. Dacă ciocnirea este frontală (neutronul este respins pe aceeaşi direcție), atunci avem φ = π şi deci va rezulta : E E 2 = A 2 + 2Acosϕ + ( A ) = 2 ( A + ) ( A + ) 2 2 Difuzia inelastică Neutronul incident este absorbit de către nucleul țintă şi formează un nucleu compus care se dezintegrează imediat (după 0-7 secunde), emițând un alt neutron şi lăsând nucleul rezidual într-o stare excitată. Acest nucleu se dezexcită prin emiterea unuia sau a mai multor fotoni gama: A A+ A 0 n+ X X X + In faza imediat următoare are loc reacția: 0 n A X A X + γ Intr-o relatie de difuzie inelastica, cantitatea de energie de miscare si energia totala se conserva, dar nu si energia cinetica; o parte din ea este transformata in energia de excitatie a nucleului rezidual. 0

Difuzia inelastica este deci o ciocnire cu energie de prag, deoarece neutronul trebuie sa posede o energie cinetica suficienta pentru a putea excita nucleul cel putin pana la primul nivel energetic. Sectiunea eficace de difuzie inelastica creste in general cu energia neutronului incident si cu masa nucleului tinta. Captura radiativă Captura radiativă se materializează, asemenea difuziei inelastice, prin formarea unul nucleu compus în urma absorbției neutronului incident. Acest nou nucleu are o energie înaltă de excitație care este suma energiei cinetice a neutronului incident şi a energiei sale de legătură în nucleul compus. La scurt timp acest nucleu se dezexcită emițând un foton: 0 n+ A X A+ X A+ X + γ Acest tip de captură este, de departe, reacția cea mai importantă dintre reacțiile de absorbție susceptibile să conducă la dispariția neutronului. Captura radiativă va fi deci foarte utilizată în radioprotectie, dar nu trebuie uitat că oricare captură radiativă este însoțită de emisie de fotoni care pot avea energii destul de mari (pot fi destul de "energetici"), două exemple de capturi radiative: 0 3 4 n+ Cd Cd + γ 48 48 Reacțiile de captură de tip (n,p) şi (n, α) 235 236 n+ U U + γ 0 92 92 si In acest tip de interacțiuni nucleul nou compus, format prin absorbția neutronului incident, emite o particulă încărcată cu sarcină electrică. Aceste reacții se produc cel mai uşor cu nucleele uşoare, care opun o barieră coulombiană mai puțin intensă emisiei unei particule încărcate. Neutronii care provoacă aceste reacții au, în general, energii mari. O excepție, în acest caz, o reprezintă reacțiile (n, α) asupra 0 B şi asupra 6 Li, precum şi reacțiile (n, p) asupra 4 N şi asupra 32 S provocate de neutronii termici. 6 3 4 Exemplu de reacție (n, α): n + Li H + He 4. 78 Mev Exemplu de reacție (n, p): 4 4 0 n+ 7 N 6 C + 0 3 2 + p Deoarece are loc o transmutare de elemente, aceste capturi mai sunt numite "reacții de transmutare". Reacții de captură de tip (n, 2n) Dezexcitarea nucleului compus se finalizează prin emisia a doi neutroni. Deoarece energia medie de legătură a neutronilor în nuclee este mai mare de 7,5 MeV, aceste reacții vor necesita, în general, ca energia neutronilor incidenți să depăşească 0 MeV: A+ A A 0n+ X X X + 2 0 n

4. Reacții de fisiune provocate de neutroni In acest caz nucleul tinta sa rupe in particule de fisiune (PF) generand totodata si neutroni suplimentari. De exemplu, prin fisiunea unui nucleu de U-235 rezultă două particule de fisiune şi un număr mediu de 2,4 neutroni: 235 A A2 n+ U PF+ PF + 2, n 0 92 2 40 5. Reacțiile utilizate pentru detectarea neutronilor Dintre toate reacțiile de tip neutron-materie, cele mai utilizate în detectoarele de neutroni sunt reacțiile de transmutare (n,α şi n, p), reacțiile de fisiune şi reacțile de activare. 0 3 a) Reacții de transmutare a borului 5 B şi a heliului He 4 7 B+ n He+ Li 2, 79MeV 0 5 0 2 3 + 235 b) Reacția de fisiune asupra uraniului 92 U 235 2 92 0 2 0 + U + n PF + PF +,5 n 94MeV c) Reacții de activare asupra unor elemente diverse (datorită activării elementele devin β- radioactive şi emit apoi o particulă beta): Co+ n Co + γ 59 60 60 27 0 27 27 Co β Rh+ n Rh + γ 03 04 04 45 0 45 45 Rh β V + n V + γ 5 52 52 23 0 23 23 V β 99 99 79 Pt+ 0n 78Pt + γ 78 Pt β 98 97 98 79 Au+ 0n 79Au + γ 79 Au β 97 2 6. Legi de conservare in interactiunile nucleare Legea conservarii energiei Energia sistemelor va fi energia totala relativista: W=mc2=m0c2+Ec Legea conservarii energiei totale relativiste: Deci: Wa+Wx=Wy+Wb Energia de reactie: 2

Legea conservarii impulsului Legea conservarii sarcinii electrice Suma sarcinilor electrice ale particulelor inainte de reactie este egala cu suma sarcinilor electrice ale particulelor dupa reactie Legea conservarii numarului de nucleoni Legea dezintegrarii radioactive N(t) - numarul de sisteme in stare excitata la momentul t N0 - numarul de sisteme in stare excitata la momentul initial t=0 Viata medie a sistemului t = /P inversul probabilitatii de tranzitie in unitatea de timp Timpul de injumatatire T/2 - timpul dupa care se dezintegreaza jumatate din numarul N0 de nuclee in stare metastabila 3

7. Utilizarea energetica a tehnologiei nucleare de fisiune Centrala nucleara CANDU Industria energetica nucleara s-a dezvoltat initial ca o sursa potentiala mai ieftina, de energie, decat cea bazata pe combustibili fosili (carbune), gaz natural. Avantajul economic al unei centrale nuclearoelectrice (CNE) fata de o centrala pe combustibili fosili consta in cheltuielile cu combustibilul, care, in prezent, reprezinta aproximativ 0% din cheltuielile echivalente cu combustibili fosili. Explicatia consta in faptul ca mult mai multa energie se produce dintr-un kg de uraniu decat dintr-un kg de carbune sau petrol. Dezavantajul economic consta in costurile ridicate de investitie care sunt de aproximativ 3 ori mai mari decat pentru o centrala clasica de aceeasi marime. Fata de centralele pe combustibili fosili la o centrala nucleara apare problema protectiei contra radiatiilor si a contaminarii, atat pentru populatie cat si pentru personalul centralei. CANDU este o marca inregistrata si reprezinta o abreviere a expresiei "CANada Deuterium Uranium", semnificând un reactor nuclear generator de energie electrică realizat în Canada care utilizează apă grea atât ca mediu absorbant, moderator, al neutronilor cât şi de răcire al instalației, respectiv uraniu natural drept combustibil al reactorului. Reactorul nuclear de tip CANDU foloseste ca si combustibil uraniu natural, sub forma de bioxid de uraniu, cu continut de numai 0,7% U-235, izotop fisionabil, restul reprezentandul izotopul U-238, nefisionabil direct in reactoarele tip CANDU. CANDU este un reactor nuclear de tipul PHWR (Pressurized Heavy Water Reactor), adică un reactor în care apa grea, aflată sub presiune, îndeplineşte dubla funcție de a răci ansamblul de bare care formează combustibilul nuclear, respectiv de a absorbi şi frâna surplusul de neutroni rezultați din fisiunea spontană a uraniului ce se foloseşte drept combustibil în procesul de obținere al energiei electrice. Acest tip de reactoare a fost proiectat pentru prima data la sfarsitul anilor 950 de catre un consortiu format din guvernul Canadian si firme private. Toate reactoarele nucleare din Canada sunt de tipul CANDU (de diferite puteri ). Acest tip de reactor nuclear CANDU este un produs vandut de Canada si in strainatate. Proiectantul reactoarelor nucleare de tip CANDU este AECL (Atomic Energy of Canada Limited), o corporatie federala. Peste 50 de companii private din Canada furnizeaza piese de schimb pentru sistemele CANDU. AECL isi asuma rolul de leader in dezvoltarea pietelor si proiectelor, fiind cel care integreaza proiectul; cea mai mare parte a veniturilor ducandu-se catre industriile private. In 987, la centenarul de inginerie din Canada, reactorul CANDU a fost in topul celor mai mari realizari ale secolului trecut de catre Asociatia de consultare a inginerilor din Canada. Caracteristicile tehnice ale unei centrale de tip CANDU Reactoarele CANDU folosesc uraniul natural ca si combustibil si apa grea (D 2 0) ca si moderator si agent de racire ( moderatorul si agentul de racire sunt sisteme separate). Ca agent termic, apa grea are proprietati asemanatoare apei usoare (H 2 O), dar ca moderator ii este net superioara. 4

Centrala nucleara CANDU schema de principiu O alta trasatura a reactorilor CANDU, care le deosebesc net de reactoare cu apa usoara, o constituie posibilitatea de incarcare cu combustibilul in sarcina, in timpul functionarii grupului la putere nominala, prin impartirea zonei active in 380 de tuburi de presiune separate, ceea ce duce la un coeficient foarte bun de utilizare a instalatiei, putand ajunge la 85-90%. Fascicul de combustibil CANDU Fiecare tub de presiune contine un singur sir de fascicule de elemente combustibile ( fiecare fascicul avand 0,5 m lungime si o greutate de aproximativ 20 kg ) spalate si racite in mod continuu de debitul de apa grea -agent de racire, si poate fi gandit ca unul din multele reactoare de dimensiuni mici cu vas sub presiune separate - mult subcritic desigur. Un element combustibil contine 30 pastile de combustibil. Un ansamblu format din treizeci si sapte de elemente combustibile dispuse in patru inele concentrice se numeste fascicul de combustibil. Apa grea moderator de temperatura si presiune scazuta inconjurand fiecare tub de presiune umple spatiul dintre tuburile de presiune invecinate. 5

Diagrama calandria si fascicul combustibil Fasciculele de elemente combustibile sunt dispuse in interiorul tuburilor de presiune. Exista 2 fascicule de combustibil in fiecare tub de presiune. Tuburile de presiune se afla in interiorul tuburilor calandria. Tuburile calandria care reprezinta o parte a calandriei previn contactul dintre moderator aflat la temperatura joasa si agentul de racire aflat la temperatura ridicata. Reactorul este de forma unui rezervor cilindric orizontal confectionat din tabla de otel inox bubtire (20-30 mm) cu un diametru de 7,60 m. Vasul reactorului poarta denumirea de vas calandria. Astfel zona activa a reactoarelor CANDU este orizontala. In interiorul lui sunt montate un numar de 380 canale de combustibil. 6

Vas calandria inainte de instalare Pentru prevenirea aparitiei unor suprapresiuni in vasul calandria, acesta este prevazut cu patru conducte de descarcare, care prezinta la capete discuri de rupere. In cazul fisurarii accidentale a unor tuburi de presiune, presiunea ridicata din circuitul primar va fi eliberata in incinta de joasa presiune a vasului calandria, iar de aici, odata cu ruperea discurilor de suprapresiune, in anvelopa. Masinile de incarcare descarcare combustibil ( in numar de 2) opereaza simetric pe cele doua fete ale vasului calandria, una efectueaza incarcarea cu combustibil proaspat a canalului, cealalta preia combustibilul ars (iradiat) si-l transporta la poarta de descarcare combustibil iradiat. Acest sistem este proiectat sa functioneze la toate nivelele de putere. De la 6 pana la 0 fascicule de combustibil sunt schimbate zilnic, cu reactorul functionand la sarcina nominala. ilnic se reincarca -2 canale de combustibil. Una din fetele reactorului, fitinguri de capat 7

Forma fluxului de neutroni axial este deci furnizata de managementul combustibilului, la fel ca si forma fluxului radial. Controlul reactivitatii pe termen lung este deasemenea realizata prin managementul combustibilului ( de exemplu, abilitatea de a reincarca in sarcina impiedica necesitatea de innabusire a reactivitatii pe durata de viata a zonei active ). Controlul reactivitatii pe termen scurt este asigurat cu ajutorul compartimentelor de control zonal cu lichid (LC) si a barelor absorbante (de reglare). Sistemul principal de transport al caldurii pentru reactoarele de tip CANDU este impartit in doua bucle separate. Fiecare bucla reprezinta un circuit de racire separat prin care apa grea, agent de racire, este furnizata tuburilor de presiune prin intermediul colectoarelor de la fiecare capat al calandriei, o pereche de colectoare (intrare/iesire) pe fiecare bucla. Impartirea zonei active in doua circuite precum si impartirea in sute de tuburi de presiune interconectate reduce foarte mult riscul potential de a avea un accident de pierdere agent de racire (LOCA). Apa grea Centrala nucleara tip CANDU vedere generala Apa grea este denumirea lui D 2 O, oxid de deuteriu. Este similara apei usoare (H 2 O) din multe puncte de vedere, cu exceptia faptului ca atomul de hidrogen din fiecare molecula de apa este inlocuit de hidrogenul greu sau deuteriu ( descoperit de chimistul american Harold Urey in 93). Deuteriul face ca apa grea sa fie cu 0% mai grea decat apa usoara. Deuteriul este stabil dar este un izotop rar al hidrogenului al carui nucleu contine un neutron si un proton ( nucleul de hidrogen are doar un proton). Din punct de vedere chimic, neutronul in plus modifica lucrurile in foarte mica masura, dar din punct de vedere nuclear diferenta este semnificativa. De exemplu, capacitatea de moderare a apei grele este de 8 ori mai mica decat a apei usoare cu toate ca sectiunea macroscopica de absorbtie este de 600 de ori mai mica, conducand la o rata de moderare care este de 80 de ori mai mare decat cea a apei usoare. Sectiunea macroscopica de absorbtie mica a apei grele permite utilizarea uraniului natural, care este sarac in continut fisil si nu ar putea ajunge critic intr-o retea cu apa usoara. Viteza mica de moderare a apei grele conduce la existenta unei retele cu pasul mult mai 8

mare decat in cazul reactoarelor cu apa usoara ca moderator. Oricum, reteaua cu pasul mai mare aloca spatiu pe fetele reactorului pentru incarcarea in functionare normala, la fel de bine asigurandu-se suficient spatiu intre canale pentru barele absorbante de control, detectorii verticali de flux precum si pentru alte dispozitive. In trecut, in Canada, toata apa grea necesara pentru uz casnic sau export era extrasa din apa usoara, in care deuteriul are in mod natural o concentratie de 50 ppm. Pentru productia comerciala, procesul de extractie cunoscut pana in prezent ( Girdler-sulphide(G- S) ) foloseste dependenta de temperatura a schimbului de deuteriu între apa usoara si hidrogenul sulfurat ( H 2 S). Intr-un turn de extractie apa grea, apa usoara este trecuta peste mai multe tavi perforate prin care gazul este precipitat. In circuitul cald al fiecarui turn de extractie deuteriul va migra catre hidrogenul sulfurat iar in circuitul rece" deuteriul va trece inapoi in apa rece de alimentare. Intr-un process in mai multe trepte, apa este trecuta prin cateva turnuri de extractie in serie, si apoi un proces de distilare in vid incheie procesul de imbogatire al apei grele care pentru reactoarele nucleare trebuie sa ajunga la un izotopic de 99,75% (continut de deuteriu). 9

Bibliografie Berinde, A. - Elemente de Fizica si Calculul Reactorilor Nucleari http://ro.wikipedia.org/wiki/fuziune_nuclear%c4%83 http://www.scientia.ro/stiin http://www.scientia.ro/fizica/58-fizica-nucleara/304-fisiunea-sifuziunea-nucleare.htmlta-la-minut/54-scintilatii-stiintifice-fizica/06-fuziunea-nucleara.html Kenneth Shultis, Richard E. Faw - Fundamentals of nuclear science and engineering (2002) Martin B - Nuclear And Particle Physics An Introduction (Wiley, 2006) Stefanescu, P. - Bloc de reglare automata a puterii unui reactor nuclear - Conferinta CAER, Predeal- 974 20