Energetica nucleara Centrale electrice
1.Alcatuire;rolul elementelor ce alcatuiesc centrala Centrala nuclearoelectrică este un ansamblu de instalaţii şi construcţii reunite în scopul producerii energiei electrice pe baza folosirii energiei nucleare.
Obţinerea energiei nucleare se bazează pe reacţia de fisiune(descompunere) nucleară în lanţ. Instalaţia care asigură condiţiile de obţinere şi menţinere a reacţiei în lanţ este reactorul nuclear. În principiu, reactorul se compune dintr-o parte centrală numită zonă activă, în care are loc reacţia de fisiune şi se dezvoltă căldura de reacţie. Zona activă conţine combustibilul nuclear alcătuit din izotopi fisionabili (U235, Pu239) şi materiale fertile (U238, U232); moderatorul (apa grea), care are rolul de a încetini viteza neutronilor rapizi, astfel ca reacţia să fie controlabilă; barele de control captează neutronii rezultaţi din reacţia de fisiune; agentul de răcire, care preia căldura dezvoltată în zona activă şi o cedează apei în schimbătorul de căldură.
În schimbătorul de căldură, apa de vaporizează şi devine agentul producător de lucru mecanic în turbină. Lucrul mecanic este transformat de generator în energie electrică. Combustibilul, moderatorul şi agentul de răcire formează aşa numita filieră a reactorului termic care determină caracteristicile specifice centralelor nucleare. Între barele de combustibil se găsesc barele de control. Acestea conţin cadmiu (element chimic ce absoarbe neutroni). Ele au rolul de a regla numărul de neutroni ce pot produce noi reacţii de fisiune, astfel încât puterea produsă de reactor să rămână constantă în timp.
Centralele nucleare au intre 1 şi 8 reactoare (unităţi), fiecare cu o putere instalată de cel puţin 600 MW. Planul iniţial, datând de la începutul anilor 1980, prevedea construcţia a cinci unităţi. Unitatea I a fost terminată în 1996, are o putere electrica instalata de 706 MW si produce anual circa 5 TWh. Unitatea II a fost pornită pe 6 mai, conectată la sistemul energetic naţional pe 7 august şi funcţionează la parametrii normali din luna septembrie 2007. Centrala de la Cernavodă se bazează pe sistemul canadian CANDU şi are o putere instalată de 706 MW în prezent. Structura unui reactor CANDU constă într-un recipient cilindric orizontal, cu tuburi pentru barele de combustibil şi pentru lichidul de răcire (apă grea) plasate orizontal.
În jurul acestor tuburi se află apă grea, care acţionează ca moderator. Apa grea conţine doi atomi de deuteriu (un izotop neradioactiv al hidrogenului) şi un atom de oxigen. Apa grea este mult mai eficientă ca moderator decât apa obişnuită şi permite folosirea uraniului natural drept combustibil. Ea se obţine în întreprinderi specializate, prin separarea sa din apa naturală (există o astfel de întreprindere la Drobeta Turnu-Severin).
Pentru realizarea Unităţilor 3 şi 4 de la Cernavodă a fost ales modelul unei Companii de Proiect realizată prin parteneriat între statul roman prin intermediul Nuclearelectrica şi investitori privaţi. Cei şase investitori care au depus oferte şi au fost selectaţi sunt: Arcelor Mittal România care va deţine 6,2 din acţiunile viitoarei companii, Grupul CEZ Republica Cehă 9,15%, ENEL Italia 9,15%, GDF Suez 9,15%, Iberdrola Spania 6,2% şi RWE Germania 9,15%, în condiţiile în care statul roman va deţine 51% din acţiuni. Compania de proiect numita EnergoNuclear a fost înfiinţată în martie 2009, iar cele două unitaţi se estimează că vor fi puse în funcţiune în 2015-2016.
2.Schema reactorului nuclear
3.Combustibilul nuclear Combustibilul pentru centralele tip CANDU 6 este proiectat având la baza uraniu natural, cu o component\a izotopic\a de 0,7% U235 si 99,3% U238. În functionarea centralei, U235 fisioneaza, proces ce degaja caldura. Caldura degajata este preluata de apa grea din circuitul primar al reactorului, transferata apei obitnuite din circuitul secundar prin intermediul schimbatoarelor de caldura, aburul rezultat actionând turbina care antreneaza generatorul electric. Fabricarea combustibilului nuclear pentru reactorii CANDU are urmatoarele etape principale: Fabricarea pulberii de dioxid de uraniu; Fabricarea pastilelor de UO ; Fabricarea elementelor de combustibil; Asamblarea fasciculelor de combustibil. În FCN se fabrica pastile de UO, elemente de combustibil si se asambleaza fascicule de combustibil nuclear.
A. Fabricarea pulberii de dioxid de uraniu Etapele principale de obtinere a pulberii de UO sunt urmatoarele: 2 Extragerea minereului de uraniu Uraniul este un metal usor radioactiv, cu o compozitie izotopica de 0,7% U 235 si 99,3% U 238 destul de raspândit în scoarta terestra. Uraniul este mai abudent ca aurul, argintul sau mercurul, la fel de abundent ca zincul. Minereul de uraniu se extrage fie din cariere de suprafata, fie din mine de adâncime. Prelucrarea minereului de uraniu Minereul este prelucrat în uzinele de preparare pentru separarea uraniului din steril. Minereul este sfarâmat si apoi dizolvat. În cele mai multe cazuri se foloseste acidul sulfuric, dar se pot folosi si agenti alcalini de solubilizare. Produsul obtinut la uzina de preparare este un concentrat tehnic de uraniu numit si yellow cake.
Rafinarea si conversia Concentratul tehnic de uraniu este supus operatiei de purificare (rafinare), prin care se urmareste înlaturarea impurita]ilor (borul, cadmiul si lantanide) care absorb usor neutroni. Concentratul tehnic este dizolvat în acid azotic obtinându-se azotatul de uranil. Solutia de azotat de uranil este alimentata în contracurent într-un proces de extractie cu solventi organici, rezultând azotatul de uranil pur. Urmeaza operatii de precipitare-uscare si reducere a diuranatului de amoniu, rezultând sub forma de pulbere. Dioxidul de uraniu, UO, unul dintre principalii oxizi ai uraniului, are aspect metalic de culoare neagra, densitatea 10,96 Kg/m si temperatura de topire 2176 C.
B. Fabricarea pastilelor de UO2 Conditionarea pulberii de UO2 Pentru obtinerea pastilelor de dioxid de uraniu se parcurg urmatoarele etape: Pulberea de UO este precompactata apoi brichetele rezultate sunt sfarâmate. Materialul obtinut este trecut prin site cu ochiuri de dimensiuni geometrice controlate, rezultând un material granulat, acesta fiind amestecat cu lianti si lubrefianti. Toate aceste operatii sunt denumite generic Conditionarea pulberii de UO. Pastile crude de UO2 Pulberea conditionata este presata în matri]e cilindrice pe prese rotative, produsul rezultat fiind pastila cruda de UO2. 4
Pastile sinterizate de UO2 Pastilele crude sunt supuse unui tratament termic în cuptoare cu atmosfera reducatoare de hidrogen si temperaturi de aprox. 1700º C, care conduce la obtinerea unui material ceramic dur cu densitatea de 10,5-10,7 Kg/dm3. Pastile rectificate de UO2 Pentru ca pastilele sinterizate sa îndeplineasca cerintele specificate pentru forma, diametrul, calitatea suprafetei cilindrice si gradul de curatenie, acestea sunt supuse unei operatii de rectificare urmata de un proces de spalare-uscare. Coloane de pastile Pastilele rectificate cu diametrul de circa 12,15 mm[i lungimea de circa 16mm sunt grupate în coloane de pastile cu lungimea de circa 480 mm.
C. Fabricarea elementelor combustibile Elementele combustibile, componente ale fasciculului combustibil, sunt constituite dintr-o coloana de pastile introduse într-o teaca de zircaloy, închisa la capat cu dopuri. Obtinerea elementelor implica succesiunea urmatoarelor operatii: Confectionarea dopurilor si a pieselor distantoare Din bara de zircaloy se fabrica dopurile care au rolul de închidere a tecilor cu pastile la ambele capete. Tabla de zircaloy este stantata în patine si distantieri. Pe suprafata acestora se depune prin evaporare în vid, beriliu. Sudare / Brazare piese distantoare pe tevile de zircaloy Piesele distantoare (patine si distantieri) se fixeaza pe tevi prin sudare în puncte, îmbinarea realizându-se prin brazare în vid, încalzirea fiind cu curenti de înalta frecventa, produsul rezultat fiind teaca de combustibil. Pregatirea tecilor Pe interiorul tecii se depune un strat de grafit urmat de o uscare sub vid.
Element combustibil Coloana de pastile este introdusa în teaca, dupa care se realizeaza închiderea prin sudarea electrica prin presiune a dopurilor de capat. Debavurare Sudarea electrica prin presiune se realizeaza prin deformarea plastica a materialului tecii si dopului, deformari care genereaza bavuri externe si interne; cele externe se ajusteaza prin strunjire. Control tehnic de calitate Pe toate fazele de fabricatie, piesele si subansamblele rezultate sunt supuse controalelor de proces si controlului de calitate, în conformitate cu planul de control al calitatii.
D. Asamblarea fasciculelor de combustibil Fascicul combustibil Elementele combustibile sunt pozitionate într-un dispozitiv de asamblare, dupa care se realizeaza îmbinarile între dopurile elementelor combustibile si cele doua grile de capat prin sudare în puncte. Controlul final de calitate Ambalare Dupa asamblarea fasciculului de combustibil acesta este supus unei serii de operatii de control de calitate cum sunt: control vizual, dimensional, etanseitate cu heliu etc. Toate datele de fabricatie si control sunt consemnate în dosarul de istorie al calitatii, atasat fiecarui fascicul. Ambalare În vederea transportului la beneficiar, fasciculele sunt ambalate într-o lada de transport care contine un numar de 36 de bucati.
Un fascicul de combustibil nuclear CANDU 6 este alcatuit din 37 elemente de combustibil nuclear care contin materialul nuclear sub forma de pastile, fixate la un capat [s la celalalt pe o grila în structura cilindrica. Distanta între elemente se realizeaza cu ajutorul unor distantieri, iar între fascicul si canal cu patine de ghidaj. Principalele caracteristici ale fascicul de combustibil nuclear CANDU 6 sunt urmatoarele: O încarcatura completa a reactorului Candu 6 este formata dintr-un numar de 4.560 de fascicule cu o greutate totala de circa 90.000 kg de uraniu natural.
Pe durata de viata în reactor, în medie un an de zile, un fascicul de combustibil nuclear CANDU 6 produce o energie de 1.115 Mwh. Aceeasi energie se poate obtine prin arderea de combustibil în termocentralele clasice astfel: 47.000 kg de combustibil conventional cu putere calorica de 7.000 Kcal./kg 1.110.000 kg huila cu putere calorica de 3.200 kcal/kg 363.000 Nm de gaz natural cu putere calorica de 8.050 Kcal/Nm lungime495 mm greutate totala circa 24 kg materialul de structura (teava, bara, tabla) aliaj de Zirconiu de tipul Zircaloy-4 diametru 103 mm greutatea uraniului circa 19,8 kg;
4.Reactia de fisiune Un neutron termic este absorbit de un nucleu de uraniu-235, care fisionează în alte elemente mai ușoare și neutroni rapizi. Fisiunea este o reactie nucleara care are drept efect ruperea nucleului in 2 (sau mai multe) fragmente de masa aproximativ egala, neutroni rapizi, radiații si energie termică. Elementele care fisionează cu neutroni termici, se numesc materiale fisile. Ex. 233 U, 235 U, 239 Pn, 241 Pu. Elementele care fisionează cu neutroni rapizi, se numesc materiale fisionabile iar, cele care prin captură de neutroni se transformă în materiale fisile, sunt considerate materiale fertile. Ex. 232 Th, 238 U. Ex. fisiune 235 U: Energia de fisiune se repartizeaza, ca energie cinetica fragmentelor de fisiune, comportandu-se ca particule cu parcurs mic.
Neutronii rezultati din fisiuni se incadreaza in doua grupe: prompti si intarziati. Cei prompti sunt eliberati odata cu fragmentele de fisiune (FF) (chiar de catre FF, dupa 10-14s) si au energii de max. 6 MeV, energia probabila fiind de 0,85 MeV. Simultan se emite radiatia γ prompta. Neutronii intarziati sunt emisi ca produsi de dezexcitare a unor nuclee care apar ca urmare a dezintegrarii β- a FF. Fisiunea nucleară, cunoscută și sub denumirea de fisiune atomică, este un proces în care nucleul unui atom se rupe în două sau mai multe nuclee mai mici, numite produși de fisiune și, în mod uzual, un număr oarecare de particule individuale. Așadar, fisiunea este o formă de transmutație elementară. Particulele individuale pot fi neutroni, fotoni (uzual sub formă de raze gamma) și alte fragmente nucleare cum ar fi particulele beta și particulele alfa. Fisiunea elementelor grele este o reacție exotermică și poate să elibereze cantități substanțiale de energie sub formă de radiații gamma și energie cinetică a fragmentelor (încălzind volumul de material în care fisiunea are loc).
Fisiunea nucleară este folosită pentru a produce energie în centrale de putere și pentru explozii în armele nucleare. Fisiunea este utilă ca sursă de putere deoarece unele materiale, numite combustibil nuclear, pe de o parte generează neutroni ca jucători ai procesului de fisiune și, pe de altă parte, li se inițiază fisiunea la impactul cu (exact acești) neutroni liberi. Combustibilii nucleari pot fi utilizați în reacții nucleare în lanț auto-întreținute, care eliberează energie în cantități controlate într-un reactor nuclear sau în cantități necontrolate, foarte rapid, într-o armă nucleară. Cantitatea de energie liberă conținută într-un combustibil nuclear este de milioane de ori mai mare decât energia liberă conținută într-o masă similară de combustibil chimic (benzină, de exemplu), acest lucru făcând fisiunea nucleară o sursă foarte tentantă de energie; totuși produsele secundare ale fisiunii nucleare sunt puternic radioactive, putând rămâne așa chiar și pentru mii de ani, având de a face cu importantă problemă a deșeurilor nucleare. Preocupările privind acumularea deșeurilor și imensul potențial distructiv al armelor nucleare contrabalansează calitățile dezirabile ale fisiunii ca sursă de energie, fapt ce dă naștere la intense dezbateri politice asupra problemei
Aspecte fizice Fisiunea nucleară diferă de alte forme de dezintegrare radioactivă prin aceea că ea poate fi amorsată și controlată pe calea reacției în lanț: neutroni liberi eliberați de fiecare eveniment de fisiune pot declanșa în continuare alte evenimente care, la rândul lor eliberează mai mulți neutroni și pot determina mai multe fisiuni. Izotopii chimici care pot să susțină o reacție de fisiune în lanț se numesc combustibili nucleari și se spune că sunt fisili. Cel mai comun combustibil nucleare este 235U (izotopul uraniului cu masa atomică 235) și 239Pu (izotopul plutoniului cu masa atomică 239). Acești combustibili se sparg în elemente chimice (produși de fisiune) cu mase atomice apropiate de 100. Majoritatea combustibililor nucleari suferă fisiuni spontane extrem de rar, dezintegrându-se în principal prin reacții alfa/beta timp de milenii. Într-un reactor nuclear sau o armă nucleară, cele mai multe evenimente de fisiune sunt induse prin bombardament cu alte particule cum ar fi neutronii.
Evenimentele tipice de fisiune eliberează câteva sute de MeV de energie pentru fiecare atom fisionat, acesta fiind și motivul pentru care fisiunea nucleară este folosită ca sursă de energie. Prin contrast, cele mai multe reacții chimice de oxidare (cum ar fi arderea cărbunelui sau TNT) eliberează, în general, câteva zeci de ev per eveniment, astfel încât combustibilul nuclear conține cel puțin de zece milioane de ori mai multă energie utilizabilă decât combustibilul chimic. Energia fisiunii nucleare este eliberată ca energie cinetică a produșilor și fragmentelor de fisiune și ca radiație electromagnetică sub formă de raze gamma; într-un reactor nuclear energia este convertită în căldură prin ciocnirea acestor particulelor și radiații cu atomii reactorului și ai fluidului de lucru: apă sau apă grea.
Fisiunea nucleară a elementelor grele produce energie deoarece energia de legătură (energia de legătură pe unitatea de masă) a nucleelor cu numere și mase atomice aflate între 61Ni și 56Fe este mai mare decât energia specifică a nucleelor foarte grele, astfel încât energia este eliberată atunci când nucleele grele sunt sparte în bucăți. Masa totală a produșilor de fisiune (Mp) dintr-o singură reacție, după disiparea energiei lor cinetice, este mai mică decât masa inițială a nucleelor combustibile. Excesul de masă Δm este asociat cu energia eliberată folosind relația lui Einstein E = Δmc2. Prin comparație, și energia specifică de legătură a multor elemente ușoare (de la hidrogen până la magneziu) este de asemenea semnificativ mică, astfel încât dacă aceste elemente ușoare ar suferi o reacție de fuziune (opusă fisiunii), procesul ar fi de asemenea exotermic, cu eliberare de energie.
Variația energiei specifice de legătură cu numărul atomic este datorată interacțiunii a două forțe fundamentale ce acționează asupra nucleonilor ce formează nucleul: protoni și neutroni. Nucleonii sunt legați printr-o forță nucleară tare, atractivă, care contrabalansează repulsia electrostatică dintre protoni. Totuși forța nucleară tare acționează numai pe distanțe extrem de scurte, întrucât se supun potențialului Yukawa. Din această cauză nucleele mari sunt mai slab legate per unitatea de masă decât nucleele mici și spargerea unui nucleu mare în două sau mai multe nuclee cu dimensiuni intermediare eliberează energie. În practică, cea mai mare parte a acestei energii apare ca energie cinetică întrucât nuclee rezultate se resping și se îndepărtează unele de altele cu viteză foarte mare. În evenimentele de fisiune nucleară, nucleele se pot sparge în orice combinație de nuclee mai ușoare, dar cel mai comun eveniment este spargerea în nuclee de mase aproximativ egale, în jur de 120; funcție de izotopi și proces, cel mai comun eveniment este fisiune asimetrică în care un nucleu rezultat are o masă de aproximativ 90 100 uam (umități atomice de masă) și celălalt nucleu de aproximativ 130 140 uam.
Deoarece forțele nucleare tari acționează pe distanțe mici, nucleele mari trebuie să conțină proporțional mai mulți neutroni decât elementele ușoare, care sunt mult mai stabile cu un raport proton/neutron de 1:1. Neutronii suplimentari stabilizează elementele grele deoarece ele adaugă forță de legătură tare fără a se compune cu forța de repulsie proton-proton. Produșii de fisiune au, în medie, aproximativ același raport de neutroni și protoni ca și nucleul părinte și de aceea sunt în mod normal instabile (deoarece au în mod proporțional prea mulți neutroni în comparație cu izotopii stabili de mase similare). Aceasta este cauza fundamentală a problemei deșeurile înalt radioactive din reactoarele nucleare. Produșii de fisiune tind să fie emițători beta, eliberând electroni rapizi în vederea conservării sarcinii electrice în urma transformării neutronilor excedentari în protoni, în interiorul nucleului produsului de fisiune.
Cei mai comuni combustibili nucleari, 235U și 239Pu nu sunt periculoși radiologic prin ei înșiși: 235U are timpul de înjumătățire de aproximativ 700 milioane de ani, evenimentele spontane de dezintegrare fiind extrem de rare; chiar dacă 239Pu are timpul de înjumătățire de aproape 24.000 ani, el este un emițător de particule alfa și, deci, nepericulos atâta timp cât nu este ingerat. După arderea combustibilului nuclear, materialul combustibil rămas este intim mixat cu produși de fisiune puternic radioactivi care emit particule beta energetice și radiații gamma. Unii produși de fisiune au timpi de înjumătățire de ordinul secundelor; alții au timpi de înjumătățire de ordinul zecilor sau sutelor de ani, cerând facilități deosebite de stocare până la dezintegrarea lor în produși stabili neradioactivi.
5.Reactia de fisiune nucleara in lant Reacția de fisiune nucleară în lanț schematic, o reacție de fisiune nucleară în lanț ar putea fi restrânsă la următoarele trei secvențe: 1.Un atom de uraniu-235 absoarbe un neutron și se sparge în doi atomi noi (fragmente de fisiune), eliberând trei neutroni și o oarecare cantitate de energie de legătură. 2.Unul din acești neutroni este absorbit de un atom de uraniu-238 și nu mai participă, în continuare, la reacție. Al doilea neutron este pur și simplu pierdut în mediul/materialul înconjurător, nu se mai ciocnește cu alți atomi de uraniu, fapt pentru care nici el nu mai participă la continuarea reacției. Al treilea neutron se ciocnește cu un atom de uraniu-235 care se sparge și eliberează doi neutroni și, din nou, energie de legătură. 3.Ultimii doi neutroni se ciocnesc fiecare cu câte un atom de uraniu-235 care se sparg și eliberează de la unu la trei neutroni ce pot continua reacția.
O reacție nucleară în lanț apare atunci când, în medie, cel puțin o reacție nucleară este cauzată de o reacție nucleară anterioară, acest lucru putând conduce la o creștere exponențială a numărului de reacții nucleare. O reacție în lanț necontrolată în interiorul unei cantități suficient de combustibil de fisiune (masă critică) poate să conducă la o eliberare explozivă de energie, acesta fiind, de altfel, modul de funcționare al armelor nucleare. Reacția în lanț poate fi, însă, controlată în mod adecvat și folosită ca sursă de energie (în reactoarele nucleare).
Intuitiv, ecuațiile de fisiune s- ar putea scrie: U-235 + 1 neutron = fragmente de fisiune +2,52 neutroni + 189 MeV Pu-239 + 1 neutron = fragmente de fisiune +2,95 neutroni + 200 MeV Nu s-au luat în calcul cei 10 MeV corespunzând greudetectabililor (și inutilizabililor) neutrini. Când un atom greu suferă u fisiune nucleară, acesta se sparge în două sau mai multe fragmente de fisiune. Fiecare dintre aceste fragmente de fisiune este un atom al unui mult mai ușor element din tabelul periodic al elementelor.
Prin urmare, un neutron poate să cauzeze o reacție de fisiune nucleară care eliberează aproximativ 2,5 sau 3 neutroni. Crucial este câți dintre aceștia cauzează, la rândul lor, alte fisiuni nucleare. Factorul efectiv de multiplicare a neutronilor, k, este numărul mediu de neutroni din acești 2,5 sau 3 care cauzează reacția de fisiune, în opoziție cu neutronii produși de fisiune care sunt absorbiți fără să mai cauzeze o nouă fisiune și cei pierduți (care părăsesc sistemul). Timpul mediu de generare este timpul mediu scurs de la emisia neutronului până la captura de fisiune. Acest timp este foarte scurt: distanța parcursă este aproape cât diametrul masei critice; viteza poate fi de aproximativ 10.000 km/s și distanța de 10 cm, astfel încât timpul este de ordinul 10 ns.
Putem distinge următoarele cazuri: k < 1 (masă subcritică): plecând cu o fisiune, avem în medie un total de 1/(1-k) fisiuni. Orice început de reacție în lanț se stinge imediat. k = 1 (masă critică): plecând cu un neutron liber, valoarea medie a numărului de neutroni liberi rezultați este 1 în orice moment de timp; în timp există o oarecare probabilitate ca reacția în lanț să se stingă, fapt compensat prin existența, în fiecare moment de timp, a mai multor neutroni. k > 1 (masă supercritică): plecând cu un neutron liber, există probabilitatea nebanală ca acesta să nu cauzeze o fisiune sau ca un început de reacție în lanț să se stingă. Totuși, din moment ce numărul neutronilor liberi este destul de mare, este foarte probabil ca numărul lor să crească exponențial. Atât numărul de neutroni prezenți în agregat (și astfel rata instantanee a reacției de fisiune) cât și numărul de fisiuni apărute din momentul începerii reacției sunt proporționali cu e(k-1) t / g, unde g este timpul mediu de generare iar t este timpul scurs. Desigur, aceasta nu poate continua prea mult timp: k descrește când cantitatea rămasă de material de fisiune descrește; la fel, geometria și densitatea se modifică și ele: geometria se modifică în mod radical atunci când materialul de fisiune rămas este rupt în bucăți, sau, în alte circumstanțe, topit și curgând aiurea etc.
Atunci când k este aproape de 1, acest calcul supraestimează, cumva, rata de dublare. Când nucleul de uraniu absoarbe un neutron el intră într-o stare excitată de durată foarte scurtă, care dispare apoi pe mai multe căi posibile. În mod tipic, nucleul se dezintegrează în două fragmente (produși de fisiune), de obicei izotopi de iod și cesiu, cu expulzarea unui număr de neutroni. Produșii de fisiune sunt ei înșiși instabili, cu durate de viață mai lungi sau mai scurte, tipic de ordinul câtorva secunde, și se dezintegrează producând neutroni suplimentari.
În mod uzual, populația de neutroni emiși se împarte în două categorii: neutroni prompți și neutroni întârziați. Procentul neutronilor întârziați este mai mic de 1% din total. Într-un reactor nuclear, pentru a avea un proces stabil, valoarea k trebuie să fie în jur de 1. Când se atinge valoarea k = 1 luând în calcul toți neutronii obținuți prin fisiune, reacția se numește critică. Aceasta este situația atinsă într-un reactor nuclear. Acum modificările de putere sunt mici și controlabile cu ajutorul barelor de control. Când valoarea k = 1 se obține luând în calcul numai neutronii prompți, reacție se numește prompt-critică poate să apară o rată de dublare mult mai mică, depinzând de criticitatea de exces (k - 1) Modificarea de reactivitate necesară pentru a trece de la critică la prompt-critică (adică fracția de neutroni întârziați) este definită ca un dolar. Valoarea lui k este sporită de reflectorul de neutroni care înconjoară materialul fisil și de asemenea este sporită prin creșterea densității materialului fisionabil: pe fiecare centimetru parcurs, probabilitatea de ciocnire dintre un nucleu de și un neutron este proporțională cu densitatea, în timp ce distanța parcursă înainte de părăsire a sistemului este doar redusă de rădăcina cubică a densității. În metoda implozivă folosită la armele nucleare, detonarea are loc crescând densitatea cu un exploziv convențional.
6.Transformarile energrtice care au loc in centrala nucleara Reactiile nucleare din rector genereaza energie sub forma de caldura,care este preluata de agentul de racire.in schimbatorul de caldura se produc vapori de apa prin transfer de caldura de la agentul de racire.vaporii sub presiune circula printrun circuit secundar si pun in miscare paletele unei turbine cu abur. Pe axul turbinei se afla montat rotorul unui alternator care se invarteste odata cu paletele turbinei.alternatorul produce astfel energie electrica. Pentru a asigura circulatia vaporilor in circuitul secundar acestia trebuie raciti la iesirea din turbina. In acest scop,centrala are si un circuit de racire prin care trece apa (preluata de obicei,dintr-o apa curgatoare). Cele trei circuite ale unei centrale sunt reprezentate in schema de mai jos,in culori diferite. Combustibil nuclear Reactor nuclear Schimbator de caldura Turbina Alternator Curent electric
7.Masuri de protectie in centrala In realizarea protectiei in centralele nucleare se urmaresc,in principal,urmatoarele aspecte: -protectia directa a personalului impotriva radiatiilor emise in reactor si impotriva izotopilor radioactivi ce se formeaza -protectia impotriva contaminarii atmosferei si a terenurilor inconjuratoare cu substante radioactive atat la functionarea normala cat si in caz de avarie -protectia fata de radioactivitatea deseurilor rezultate,tratarea si depozitarea acestora Protectia in centralele nucleare se realizeaza prin: -inconjurarea reactorului cu un perete gros de beton sau fonta care absoarbe radiatiile alfa,beta si neutronii ce parasesc inima reactorului. -instalatii de aer conditionat, filtre si sisteme de retinere a reziduurilor radioactive. -amplasarea intregului reactor intr-o cladire din beton si otel. -Depozitarea in locuri speciale a deseurilor rezultate.
8.Utilizarile energiei nucleare Un domeniu de mare importanta,in care centralele nucleare au adus o rezolvare economica si eficienta,este desalinizarea apei de mare. In zonele de desert,apa raurilor este insuficienta pentru consumul domestic,industrial sau pentru necesitatile agriculturii. Constructia centralelor nucleare cu instalatii speciale de desalinizare este o solutie folosita in zonele de desert,limitrofe unor mari sau oceane. Astfel de centrale sunt sau se vor construi in zonele aride ale Mexicului, Californiei, Arizonei, Marii Caspice. In industria chimica,procese industriale cum ar fi: cracarea titetiului,gazeificarea carbunelui etc.,sunt mari consumatoare de energie termica. Aceasta poate fi obtinuta,in conditii avantajoase,cu ajutorul centralelor nucleare. Caracteristicile specifice ale centralelor nucleare au permis ca acestea sa fie folosite pe navele mari cu regim de mare autonomie de deplasare: spargatoare de gheata, portavioane,submarine si chiar nave mari de transport. Astfel de nave pot parcurge pana la 500000 km,incarcarea cu combustibil facandu-se o data la 2-3 ani. Primul spargator de gheata a fost lansat la Leningrad,in ziua de 5 decembrie 1957.
9.Conventii internationale cu privire la poluarea radioactiva -Convenţia comună asupra gospodăririi în siguranţă a combustibilului uzat şi asupra gospodăririi în siguranţă a deşeurilor radioactive,viena 05.09.1997,Legea nr. 105 16.06.1999. Atingerea şi menţinerea unui înalt nivel de siguranţă în lumea întreagă în materie de gospodărire a combustibilului uzat şi a deşeurilor radioactive, prin întărirea măsurilor naţionale şi a cooperării internaţionale, inclusiv, după caz, a măsurilor de cooperare tehnică în materie de siguranţă; Asigurarea, în orice stadiu a gospodăririi combustibilului uzat şi a deşeurilor radioactive, a unor măsuri de apărare efectivă împotriva riscurilor potenţiale, astfel încât persoanele, societatea şi mediul să fie protejate acum şi în viitor împotriva efectelor nocive ale radiaţiilor ionizante, în contextul dezvoltării durabile; Prevenirea accidentelor care au consecinţe radiologice şi micşorarea consecinţele acestora în cazul în care astfel de accidente s-ar produce înt-un stadiu oarecare al gospodăririi combustibilul uzat sau al deşeurilor radioactive.
- Convenţia cu privire la notificarea rapidă a unui accident nuclear Viena 26.09.1986 Decretul 223 11.05.1990. Furnizarea de informaţii relevante asupra accidentelor nucleare cu scopul limitării consecinţelor radiologice transfrontieră. Asigurarea unui nivel înalt de securitate în activităţile nucleare, în vederea prevenirii accidentelor nucleare. - Convenţia cu privire la asistenţă în caz de accident nuclear sau urgenţă radiologică Viena 26.09.1986 Decretul. 223 11.05.1990. Colaborarea statelor în situaţii de accident nuclear, Cooperarea între state şi cooperarea cu Agenţtia Internaţională pentru Energia Atomică pentru a facilita acordarea de asistenţă promptă în caz de accident nuclear sau de urgenţă radiologică pentru a limita cât mai mult posibil consecinţele acestora şi a proteja viaţa, bunurile materiale şi mediul înconjurator de efectele degajărilor radioactive.
-Convenţia privind interzicerea utilizării în scopuri militare sau oricare alte scopuri ostile a tehnicilor de modificare a mediului înconjurător Geneva 18.05.1977, Decretul 100 28.03.1983, Protecţia mediului înconjurător. -Convenţia privind răspunderea civilă pentru daune nucleare şi Protocolul comun referitor la aplicarea Convenţiei de la Viena (1963) şi Convenţiei de la Paris (1988) Viena 21.05.1963 -Protocolul de la Viena, 21.09.1988 Legea nr. 106 03.10.1992.Necesitatea instituirii unor reglementări minime, de natură să asigure protecţia financiară împotriva daunelor rezultate prin utilizarea energiei nucleare în scopuri paşnice; Extinderea aplicabilităţii, a măririi cuantumului răspunderii operatorului unei instalaţii nucleare şi a ameliorării mijloacelor de obţinere a unei reparări adecvate şi echitabile.
-Protocolul de amendare a Convenţiei de la Viena privind răspunderea civilă pentru daune nucleare Viena 12.09.1997 Legea nr. 203 11.11.1998 -Convenţia privind protecţia fizică a materialelor nucleare Viena 03.03.1980 Legea nr. 78 08.11.1993.Prevenirea şi reprimarea infracţiunilor de dobândire şi folosire ilicită a materialelor nucleare, asigurarea protecţiei fizice a acestora în timpul utilizării, depozitării şi transportului. -Convenţia privind securitatea nucleară Viena, 17.06.1994,Legea nr.43 24.05.1995. Atingerea şi menţinerea unui nivel ridicat de securitate nucleară, stabilirea şi menţinerea unui sistem eficient de protecţie în instalaţiile nucleare, în scopul protejării indiviziilor, mediului şi prevenirii accidentelor nucleare.
-Convenţia privind securitatea nucleară Viena, 17.06.1994 Legea nr.43 24.05.1995. Atingerea şi menţinerea unui nivel ridicat de securitate nucleară, stabilirea şi menţinerea unui sistem eficient de protecţie în instalaţiile nucleare, în scopul protejării indiviziilor, mediului şi prevenirii accidentelor nucleare. -Convenţia privind compensaţiile suplimentare pentru daune nucleare,viena 12.09.1997,Legea nr. 5 08.01.1999. Necesitatea stabilirii unui regim al răspunderii în întreaga lume pentru a suplimenta şi a întări aceste măsuri, în scopul creşterii sumei acordate drept compensaţie pentru daune nucleare. -Tratatul cu privire la interzicerea amplasării de arme nucleare şi arme de distrugere în masă pe fundul mărilor şi al oceanelor şi în subsol., Moscova, Londra, Washington, 11.02.1971, Decretul 141 19.04.1972. Reglementări privind interzicerea poluării mărilor şi oceanelor, în urma depozitării armelor nucleare sau a altor arme periculoase.
10.Deseuri radioactive Deşeurile nucleare pot fi rezultatul fiecărei trepte a ciclului de prelucrare a combustibilului nuclear. Sursele antropice (artificiale) de poluare radioactivă pot fi, implicit şi surse de producere a deşeurilor radioactive şi invers, astfel că se pot enumera ca surse de iradiere radioactivă următoarele: zonele de extracţie şi preparare de minereuri de uraniu, sau de thorium, depozitarea necorespunzătoare a materialelor rezultate radioactive, accidente sau avarii la instalaţiile nuclearo-electrice, nucleare, la vapoare, submarine, avioane cu încarcatură nucleară, experienţe militare nucleare, instalaţiile de producere şi accelerare de particule, necesare studiului structurii materiei şi pentru producerea de izotopi artificiali, instalaţiile de control defectoscopic (cu raze X sau izotopi radioactivi) din industria constructoare de maşini, construcţii civile etc. tratarea sau depozitarea incorectă a deşeurilor radioactive, din centralele nuclearoelectrice.
Există numeroase surse de poluare radioactivă cu importanţă secundară datorită activităţi lor mici, dar care cumulate pot deveni deosebit de periculoase. Dintre acestea, la nivel mondial, trebuie menţionate: - 3321 unităti nucleare în economie şi viaţa socială (industrie, spitale, şantiere, cercetare, învătământ etc.) care utilizează: circa 6000 de aparate generatoare de raze X, circa 510 instalaţii cu surse γ de iridium sau cobalt pentru controlul nedistructiv industrial (activitatea totală 20 000 Ci), circa 300 000 surse radioactive diferite (cu activitate mică între 2 µci şi câteva sute de mci) utilizate în diferite procese industriale (măsurat grosimi sau nivele în rezervoare, controlul proceselor tehnologice etc.).
Surse cu importanţă mare în România datorită iradierii ridicate pe care o pot produce sunt instalaţiile nucleare, producătorii de combustibil nuclear uzat, deţinătorii de combustibil uzat şi / sau deşeuri radioactive.
Dintre acestea se pot menţiona următoarele: 1) reactorul energetic tip CANDU 6(R) de la U1, împreună cu instalaţiile nucleare asociate (FCN, DICA, DIDR) situate pe amplasamentul CNE Cernavodă, 2) reactorul energetic tip CANDU 6(R) de la U2, împreună cu instalaţiile nucleare asociate (FCN, DICA, DIDR) situate pe amplasamentul CNE Cernavodă, 3) filiala "FCN", situată pe amplasamentul RAAN-SCN de la Mioveni-Arges, 4) filiala "Feldioara" de fabricatie a pulberii sintetizabile de dioxid de uraniu de calitate nucleară, 5) reactorul de încercări de materiale tip TRIGA(R)-14 MW împreună cu instalaţiile nucleare asociate (LEPI, SIGMA şi STDR), situate pe amplasamentul RAAN-SCN Mioveni-Argeş, 6) reactorul de cercetare tip VVR-S(R) - 2 MWt, împreună cu instalaţiile nucleare conexe (DCNU, CPR, STDR) situate pe amplasamentul IFIN "HH" Magurele-Bucuresti, 7) depozitul naţional de deşeuri radioactive (DNDR), situat pe amplasamentul Băiţa- Bihor, 8) titularii de autorizaţie pentru utilizarea radioizotopilor, sub formă de surse închise şi/sau deschise de radiaţii nucleare, în aplicăţii nucleare din diferite sectoare de activitate (industrie, medicina, cercetare, apărare, s.a.). 9) Cantităţile de deşeuri radioactive estimate a fi produse prin operarea acestor instalaţii nucleare pe durată de viaţă proiectata sunt: la reactorul energetic tip CANDU 6(R) - circa. 3750 tone de HLW (SFuDD) şi circa. 2100 m3 de LILW, majoritar SL şi o parte mică LL, 10)reactorul de încercări de materiale tip TRIGA(R)-14 MW: circa. 1 tona de HLW (SFuDD) şi circa. 300 m3 de LILW majoritar SL şi o mica parte LL, 11)reactorul de cercetare tip VVR-S(R)-2 MWt: circa. 0.5 tone de HLW (SFuDD) şi circa. 300 m3 de LILW majoritar SL şi o mica parte LL, 12)aplicăţiile radioizotopilor în industrie, medicina, cercetare: circa. 15 m3/(milion locuitori), de deşeuri tip LILW-SL.
O cantitate importantă de deşeuri radioactive, cu mult peste valorile caracteristice producţiei de deşeuri generate prin operarea şi respectiv dezafectarea instalaţiilor nucleare, este generată prin operarea instalaţiilor nucleare industriale de extracţie şi prelucrare a minereurilor de uraniu. Principalele caracteristici radiologice ale acestor deşeuri sunt, radioactivitatea deosebit de scăzută, în limitele fondului natural de radiaţii din zona de extracţie sau prelucrare şi durată de viaţă deosebit de lungă. Cantităţi importante de deşeuri industriale, cum sunt cenuşa de la termocentrala (Mintia) şi cenuşa produsă în instalaţiile de producere a îngrăsămintelor chimice pe baza de fosfaţi (Năvodari, Bacău, Turnu Măgurele), precum şi şlamurile rezultate în industria extractivă, conţin cantităţi mici de materiale radioactive existente în natură (NORM). Concentraţia de material radioactiv în aceste deşeuri este redusă, astfel încât ele nu sunt considerate deşeuri radioactive, dar datorită volumelor mari acumulate şi care sunt în conţinua creştere, aceste deşeuri ridica în prezent probleme ecologice deosebite.
11.Accidente nucleare Definiţie, clasificare, efecte Materializare grafica Masuri de prevenire, protectie si interventie
Radiaţiile sunt frecvente în natură sau pot fi produse în mod artificial fără a fi definite nici ca tip nici ca efect. Iradierea naturală a organismului uman se datorează radiaţiilor ionizante existente în mediul înconjurător (radiaţiile cosmice, radioactivitatea solului, a alimentelor etc). La acestea se adaugă: folosirea radiaţiilor în investigaţiile şi tratamentele medicale iradierea datorată experimentelor nucleare în atmosferă şi industria energetică nucleară
Ponderea cea mai importantă în iradierea organismului uman o are iradierea naturală 66%, urmată de iradierea medicală 23% şi cu valori apropriate iradierea profesională şi cea suplimentară. Deoarece efectele radiaţiilor sunt legate de doza de radiaţie primită, care asociază un factor de risc s-a stabilit doza maximă admisă pentru populaţie de 5mSv/an. Accidentul nuclear se consideră a fi evenimentul care afectează instalaţia nucleară şi provoacă iradierea sau contaminarea populaţiei şi mediului înconjurător peste limitele maxime admise.
Instalaţiile şi activităţile care sunt luate în considerare ca sursă de accident nuclear sunt: reactoarele nucleare energetice şi de cercetare instalaţiile din ciclul de producere a combustibilului nuclear instalaţiile de tratare a deşeurilor radioactive transportul şi depozitarea combustibilului nucleari sau a deşeurilor radioactivă producerea, utilizarea, depozitarea, stocarea şi transportul radioizotopilor folosiţi în agricultură, industrie, medicină, precum şi în scopuri ştiinţifice şi de cercetare utilizarea radioizotopilor pentru producerea de energie în obiecte spaţiale
În funcţie de riscul radiobiologic pentru populaţie şi de intensitatea sa de acţiune, accidentul nuclear poate fi încadrat astfel: Accidentul nuclear minor (de rutină): este considerat evenimentul în care iradierea sau contaminarea populaţiei şi a mediului înconjurător depăşeşte doza maximă admisă. Accidentul nuclear major: este considerat acel accident care reprezintă risc biologic mare, prin iradierea externă şi internă a populaţiei. Accidentul nuclear maxim credibil de proiect: se ia în calcul la proiectarea centralei nucleare şi este delimitat de expunerea rezultată din eliberarea de produse de fisiune cu o iradiere mai mare de 0,25 Sv pe întregul organism şi de 1
Cauzele producerii accidentelor nucleare cauze interne: a) supraîncălzirea elementelor combustibile b) ambalarea termică a unui reactor spre starea de criticitate, care atrage după sine o intensă eliberare de materiale radioactive în atmosferă şi care poate duce în extremă situaţie la topirea zonei active a reactorului c) cedarea circuitelor de răcire d) avarii la sistemul de canalizare colectare a deşeurilor radioactive e) greşeli de manipulare a deşeurilor radioactive f) neexecutarea la timp a reviziilor tehnice cauze externe: a) dezastre naturale b) acte de sabotaj
Urmările accidentului nuclear Riscul nuclear: acel complex de situaţii şi consecinţe, rezultat în urma eliberării necontrolate a produşilor radioactivi în mediul înconjurător Domeniile afectate de accidentul nuclear sunt : sănătatea publică economia zonei în general şi în special cea agricolă şi zootehnică alte aspecte economice şi sociale din zona afectată de răspândirea radioactivităţii eliberate Factorii de care depind urmările şi consecinţele accidentului nuclear sunt: teritoriul în care se află C.N.E. la care se produce evenimentul (teritoriul naţional sau în afara acestuia) proporţiile accidentului nuclear anotimpul în care are loc accidentul relieful şi flora zonei înconjurătoare condiţiile meteo din momentul accidentului utilizarea terenului din zonă sub aspect agricol şi zootehnic distanţele până la localităţi şi densitatea populaţiei din zonă distanţele la care sunt situate obiectivele sociale economice şi agrozootehnice importante fauna zonei mijloacele şi căile de comunicaţie cu localităţile din jur
Într-un accident nuclear, ca urmare a eliberării de substanţe radioactive în mediul înconjurător, există următoarele riscuri: a) riscul inhalării de substanţe radioactive: datorită gazelor emise şi transportului substanţelor radioactive, la distanţă de către aer efectele conjugate ale inhalării şi iradierii se manifestă direct inhalarea iodului radioactiv duce la riscul imediat efect cumulator asupra tiroidei (doza admisă pt. copii 0,25 Sv)
b) Riscul rezultat din radioactivitatea depusă Aprecierea riscului în acest caz se face prin: determinarea debitului dozei de radiaţie stabilirea radionuclizilor prezenţi În cazul în care doza debit de radiaţie poate fi tolerată din punct de vedere al iradierii externe, este obligatoriu controlul radioactivităţii produselor alimentare, direct sau indirect afectate de contaminarea radioactivă. c) Riscul rezultat din acumularea lentă a radioactivităţii: în alimente în aer în precipitaţii Alimente critice: lapte legume cu foi Dacă efectul inhalării se produce destul de rapid, pericolul datorat depunerilor radioactive este de durată medie şi mare, ceea ce impune măsuri pe termen lung privind consumul de alimente, apă, furaje şi controlul permanent al radioactivităţii.