Centralele nucleare , o problema ?

1. Centralele nucleare, o problema ?

2. Azi am auzit la radio ca magazinul „Konrad“ a epuizat stocul de contoare Geiger. O nebunie! Odata cu producerea pe 11.03.2011 a puternicului seism in apropierea insulelor Japoniei si a tsunamiului ce i-a urmat, omul obisnuit a fost supus unui intens bombardament mediatic in care predominau cuvintele “dezastru”, “tragedie”, “cataclicm”.

3. Vreau sa ma refer mai departe numai la “catastrofa atomica”, ca urmare a celei naturale. In toata aceasta situatie grea, isteric au reactionat doar politicul si media. Ele nu au fost in stare sa aduca nici o explicatie in fata cetateanului. Nici macar activistii ecologici ! Greenpeace a adus tot felul de experti cu scenarii care mai de care mai apocaliptice. O pacoste! • Asta pentru ca politicienii au intotdeauna ceva contra guvernului, mediile de „informare“ (??) ca au un os de ros! Ati vazut ca Libia nu mai este cap de afis?

4. In cele ce vor urma, pe langa alte surse voi reproduce si o parte a unui articol scris de Prof. Dr. Josef Oehmen (MIT Boston) pe data de 12.03.2011, fara a intra in detalii foarte tehnice, ce ar face prezentarea prea lunga. Este vorba de siguranta centralelor atomice si functionarea lor in cazul unei situatii de criza. Citind intregul articol, puteti afla mai mult despre acesta situatie, dacat au fost in stare ziaristii lumii adunati la un loc. Aproape ca nu exista articol fara greseli. Nu vorbesc aici de cele partinice, ecologiste (NU! energiei nucleare !) ci de erori elementare, chestii de scoala, de fizica si chimie.

5. Fisiunea nucleara Este vorba de „spargerea“ atomilor grei (cu un numar ridicat de neutroni) ce sunt instabili si predispusi astfel la reactii de fisiune. Spargerea nucleilor grei se face cu ajutorul unor neutroni liberi, care trebuiesc incetiniti in realizarea acestui scop. Inchipuiti-va aici, ca aruncati o piatra mai plata razant pe suprafata apei. Atata timp cat ea are viteza mare, sare inapoi in aer dupa contactul cu suprafata apei. Abia cand viteza ei s-a micsorat cade in apa. Odata spart atomul greu, din el iau nastere doua elemente mai usoare (cam in raport 2/3) si o emisie considerabila de energie.

6. In principiu, un reactor se compune din: combustibil (bare sau chiar gaze fisionabile), moderator, sisteme de control (de regula bare de control) si instalatia de racire. Instalatiile anexa (turbine, pompe, consensatoare) sunt aproape cele clasice, intalnite in orice centrala pe abur. • Barele de combustibil se incalzesc in urma reactiilor de fisiune, aceasta caldura fiind cedata mediului inconjurator, format din lichide (apa sau metale topite, cum ar fi natriu, bismut) sau gaze (bioxidul de carbon, heliu). Prin intermediul a unuia sau a doua schimbatoare de caldura, energia este folosita la vaporizarea apei, aburul fiind apoi folosit clasic, in turbine.

7. Pentru a fi folosita, reactia aceasta trebuie controlata. Controlul se face prin sisteme care sa absoarba neutronii liberi, astfel incat ei sa nu mai aiba ocazia de a fisiona alti nuclei. Aceste sisteme sunt de regula bare din material cu suprafata mare de captura a neutronilor, cadmiu, gadoliniu, bor …. • Pentru a descrie starea de functionare a unui reactor s-a introdus k (factor de multiplicare) si este un raport intre numarul emis de neutroni in comparatie cu cel necesar pentru a-i obtine pe acestia. Se vorbeste deci despre starea critica sau reactivitatea reactorului.

8. - In regim stationar acest raport este k=1, regim in care are loc o reactie in lant si din care rezulta o cantitate constanta de energie. Acest caz este numit stare critica (a nu se asocia cu o stare de pericol!) - Cand se doreste reducere a productiei de energie, se introduc barele de control care absorb o cantitate mai mare de neutroni, caz in care k<1, stare denumindu-se subcritica. Aceasta miscsorare a sarcinii reactorului poate fi adusa in acest fel pana la zero si scoaterea reactorului din functiune. Asta insa nu inseamna ca si energia reziduala a fost eliminate. Reactorul trebuie racit in continuare inca multa vreme, pana la repunerea lui in functiune.

9. - Cand se doreste marirea sarcinii reactorului pornind de la starea critica (k=1) se spune ca reactorul lucreaza in regim supracritic, k>1, un regim nedorit, instabil si chiar necontrolabil. Cresterea numarului de fisiuni creste exponential, ajungandu-se la dublarea numarului de atomi fisionati in numai10 secunde! In reactoarele moderate cu apa, bulele de vapori ce apar prin incalzire la suprafata barelor de combustibil micsoreaza suprafata de captura astfel incat aceste reactoare revin la la o stare subcritica aproape de la sine. • Nu acelasi lucru se intampla cu toate tipurile de reactoare. La cele moderate cu grafit aceasta “autoreglare” nu functioneaza, ceea ce poate duce, ca la Tschernobyl, la o explozie a sistemului, la o explozie de abur in acel caz. −14

10. Dupa reducerea sarcinii reactorului si oprirea lui, emisia de caldura continua inca o vreme datorita reactiilor de dezintegrare radioactiva, aceasta insemnand cam 5-10% din sarcina nominala. Dupa cateva zile insa aceasta scade pana la zero. Aceasta caldura este eliminata din reactor cu ajutorul unor sisteme de racire. Cantitatea de apa necesara racirii este considerabila. Daca dintr-un motiv sau altul acesta racire nu functioneaza, se poate ajunge la topirea miezului reactorului, cel mai grav accident ce este inca controlabil.

11. Acest lucru s-a intamplat de mai multe ori, cazul classic fiind cel de la Three Mile Island in 1979. In acest caz reactorul a ramas intact, plusul de presiune acumulat datorita cresterii necontrolate a sarcinii reactorului fiind difuzat in atmosfera (cu contaminarea aferenta). In cazul in care reactorul nu mai este intact, ca la Tschenobyl, se poate vorbi de o evolutie ce scapa de sub control.

12. Fukushima

13. Reactorii centralei de la Fukishima sunt de tipul, cu apa in fierbere, sau BWR (= Boiling Water Reactor). Poate fi comparat cu o oala sub presiune in care apa fierbe la 250°C, iar aburul din ea are o presiune de ca. 70 bar. Miezul radioactiv incalzeste acesta apa care, prin intermediul unui schimbator vaporizeaza apa intr-un circuit secundar, rezultand abur pentru o turbina obisnuita. 1. cupola reactorului 2. vas de presiune 3. bare de combustibil 4. pompe de circulare 5. dispozitive de control 6. bare de control 7. apa demineralizata 8. abur primar 9. blindaj beton (sala masinilor) 10.turbina 11.generator 12. condensator 13. preincalzitor 14. Sursa de apa

14. Combustibilul este oxidul de uraniu, un material ceramic cu un punct de topire de ca. 3000°C. El se produce sub forma unor pastile cilindrice. Aceste pastile sunt introduse intr-o teaca etansa de aliaj de zirconiu(cu un punct de topire de ca. 2200°C), asa numita bara de combustibil. Aceste bare de combustibil formeaza miezul reactorului (engl.: “the core”). Teaca de zirconiu (engl.: "Containment") formeaza primul scut de protectie a mediului de materialul radioactiv. Miezul radioactiv se gaseste intr-un vas de presiune (engl.: "pressure vessel") rezistent la temperaturi de sute de grade. Acest cazan este al doilea scut de protectie. Cazanul de presiune impreuna cu pompele si agentul primar de racire se gasesc in spatele unui al treilea scut de protectie, etans. Sub cazan se gaseste o “oala” de grafit ce are scopul de a prelua in caz de accident miezul topit (engl.: "core catcher"), unde se poate raci astfel treptat. Acest al treilea scut de protectie este cuprins in cladirea reactorului. Trebuie spus aici ca intr-o centrala nucleara nu se poate niciodata produce o explozie atomica. Pentru aceasta lipsesc multi factori esentiali incepand cu calitatea combustibilului, ce are o imbogatire de 4,02%, fata de cel militar de 90%. La Tschernobyl a avut loc o explozie de gaz in cazanul reactorului ce a dus la distrugerea tuturor scuturilor de protectie.

15. Asa arata cladirea reactorului si vasul sau de presiune

16. Reactia nucleara este controlata cu ajutorul unor bare de reglare, (engl "moderator rods") ce au rolul de a capta neutronii liberi si pot incetini sau intrerupe reactia in lant. Apa de racire preia temperatura rezultata in urma reactiei in lant. Dupa oprirea reactiei in lant, reactorul produce in continuare caldura prin dezintegrarea unor elemente radioactive rezultate din fisiunea uraniului. Este vorba in special de izotopi de cesiu si iod care, fara a mai interactiona cu uraniul, produc in continuare caldura pentru cateva zile, pana cand se transforma in elemente stabile. Ele se gasesc inca in tecile de zirconium amintite, deci inca fara contact cu lichidul de racire. Aceasta caldura reprezinta 3-10% din puterea nominala a reactorului si trebuie eliminata prin sistemele de racire. Alte materiale radioactive se produc si in afara acestor teci, care au insa perioade de injumatatire extreme de scurte, de cateva secunde, cum ar fi azot sau xenon. Aceste particole, chiar daca ajung in atmosfera sau in contact cu oamenii nu sunt periculoase caci, dezintegrerea lor pana la stadiul de material neradioactiv dureaza mai putin decat ati citi “particole radioactive”. Odata cu sesizarea cutremurului, reactorul si-a intrerupt automat functionarea, caldura produsa acum fiind cam 3% din cea nominala. La o oprire normala, surse externe de energie alimenteaza pompele de racire ale miezului reactorului pentru eliminarea acestei calduri reziduale. Cum in Japonia sistemul de alimentare cu energie a intrat in colaps, aceasta sursa externa nu a mai putut fi folosita. Pentru aceste cazuri sunt agregate diesel ce produc energia necesara. Aceste agregate au fost insa maturate de tsunami si, singura sansa ramasa a fost trecerea pe baterii a sistemului. Fara insa o reincarcare eficienta, acestea se golesc destul de repede, cam in opt ore. In acest timp trebuie gasita o sursa alternativa de energie. Au fost aduse repede alte diesel-generatoare insa, ca si la altii se poate intampla, sistemele de cuplare nu s-au potrivit, astfel ca alimentarea cu energie nu a putut fi reluata iar racirea nu a mai functionat.

17. Pierderea racirii este unul din cazurile a caror existenta este prevazuta si luata in calcul. Este momentul cand, pana la topirea miezului mai pot fi ore sau zile. In acest moment se pune problema mentinerii intacte, pe cat mai mult timp, a vasului de presiune si a barelor de combustibil, ultimele doua scuturi de protectie, pana cand racirea cu apa poate fi reluata. Miezul nu are un singur sistem de racire si, pana la aceasta ora nu se cunoaste inca care a cedat. Partea proasta este ca, desi “la flacara mica”, miezul produce inca caldura. Pentru mentinerea intacta a vasului de presiune (al doilea scut de securitate) este necesara eliberarea treptata vaporilor din el, a caror temperatura a atins deja ca. 550°C !! Acest lucru, asa cum am mai spus nu este chiar lipsit de pericol. Prin scaderea presiunii din vasul de presiune, scade si punctul de fierbere al apei, de aici un nou abur cu o noua crestere de presiune. Este un moment foarte dificil pentru intreaga instalatie caci barele de combustibil au ajuns deja la temperatura de 2200°C, la care teaca de zirconiu incepe sa se topeasca, caz in care izotopii de cesiu (cu o perioada de injumatatire de 50 de ani) pot ajunge in abur si, de aici in atmosfera. Acesta ar fi un real pericol !

18. Fukushima inainte si dupa explozia primului reactor. Intre timp a explodat si cel de al treilea, iar numarul doi nu se simte nici el prea bine.

19. Candva, la una din depresurizari s-a produs explozia vazuta la tv. Ce a explodat? Datorita temperaturii foarte mari a barelor de combustibil, se realizeaza electroliza apei, astfel ca, impreuna cu aburul, a iesit si o cantitate de amestec hidrogen si oxigen, care nu a cautat decat o ocazie sa explodeze. Pentru a reduce la minim poluarea, chiar cu atomi radioactivi cu perioada extrem de scurta de injumatatire, aburul a fost lasat liber in incinta reactorului, caruia dupa explozie i-a zburat imbracamintea. Ati vazut ca structura de otel a ramas intacta. La Tschernobyl aceasta explozie de hidrogen a avut loc in cazanul de presiune, ducand la distrugerea simultana a tuturor celor trei scuturi protective. Trebuie spus ca aventurismul rusilor a frizat inconstienta. Acel reactor era insa si de cu totul alt tip, mai sensibil, asupra caruia voi reveni pe scurt. Acesta problema a exploziei de hidrogen a fost luata in calcul in faza de proiectare, astfel ca ultimele doua scuturi de protectie sa ramana intacte. Asa cum se vede, suprapresiunea poate fi tinuta sub control. Prin eliminarea aburului se pierde insa o cantitate de apa, al carei nivel scade deci continuu in vasul de presiune. Nemaifiind acoperite cu apa, barele de combustibil ajung cam in 45 de minute la temperatura de 2200°C. Acum este momentul cand poate ceda si ultimul scut de protective, teaca de zirconiu, cu pericolul punerii in libertate a atomilor radioactivi grei. Cum cantitati mici de cesiu au fost semnalate in atmosfera, cei ce monitorizeaza reactorul au avut de luat o hotarare dificila: inundarea lui cu apa de mare. Nu este clar ce anume a fost inundat: vasul de presiune sau al treilea scut. Nici nu este foarte important acum. Hotararea este grea pentru ca, apa demineralizata din cazan nu devine radioactiva. Cea insa obisnuita, sau de mare, poate deveni usor radioactiva si, trebuie umblat cu ea cu atentie, mai ales ca nu e vorba de cantitati mici.

20. sau aici ? inundat aici ?

21. Important este acum ca miezul a putut fi racit. Aceasta a putut impiedica punerea in liberate a unor cantitati mari de materiale radioactive grele. In cazul unei topiri a miezului trebuie asteptata o perioada de domeniul anilor pentru ca radioactivitatea sa scada, sa poata fi inlaturat miezul topit si instalatia reparata sau complet inchisa. Daca va amintiti cumva de accidentul de la Three Mile Island (a fost si film), racirea miezului topit a durat ani de zile. Acela era un alt tip de reactor, cu apa sub presiune.

22. In concluzie ! Instalatia este stabila acum, fara activitate si, asa o sa si ramana. A fost eliberata ceva radioactivitate insa elemente cu perioada scurta de injumatatire, care acum deja sunt neutralizate. Barele de combustibil au ramas in cea mai mare parte intacte, impreuna cu izotopii mai periculosi. Cesiul si jodul radioactive se pot inlatura si depozita pe termen lung. Apa usor radioactiva se poate trata si neutraliza, fiind ulterior inlocuita cu apa demineralizata. Reactorii sunt intacti si pot fi repusi in functiune ca dupa o normala schimbare a barelor de combustibil. Controlul instalatiei s-ar putea sa dureze insa 4-5 ani iar costurile sa se ridice la sute de milioane de dolari, poate chiar miliarde. Aceasta experienta va fi folosita la modernizarea si imbunatatirea sistemelor de siguranta a multor altor reactoare. Este adevarat ca, pentru aceasta perioada vor trebui folosite alte centrale, clasice. Aceasta poate duce la o crestere a preturilor petrolului si al curentului electric. O recesiune temporara a economiei japoneze nu este exclusa insa, stiti ca orice sut in cur este un pas inainte ! 

23. Cernavoda Vazandcebelea a cazutpecapulJaponiei, tegandesti si la cel al Romaniei.

24. Principiul reactoarelor de tip CANDU este altul. El este un reactor cu uraniu natural (sau slab imbogatit in noua varianta, 2%). Aceste reactoare nu au vas de presiune ci tevi de presiune. Poate fi considerat o varianta a reactorilor cu tevi de presiune si apa in fierbere, moderati cu grafit, de tipul celor de la Tschernobyl. O alta varianta a reactorilor cu uraniu natural este cel moderat cu grafit si racit cu gaz. In reactorii de tip CANDU atat racirea cat si moderarea arderii combustibilului se face cu apa grea. Intreaga instalatie are un nivel de performanta mai scazut ca al reactorilor cu apa in fierbere sau cu apa sub presiune insa, istoria a aratat ca au o functionare foarte sigura. Avantaje - tzevile de presiune se pot mai usor construi si controla decat un recipient - Se pot modula functie de puterea dorita - Barele de combustibil se pot schimba in timpul functionarii reactorului - Siguranta ridicata - Obtinere de plutoniu  Dezavantaje si riscuri - Parametrii a sute de tevi trebuiesc analizati permanent. De aici o comanda mai dificila. - RBMK (modelul rusesc) - la caderea racirii nu scade automat si reactivitatea. Cresterea necontrolata a reactivitatii poate duce la aprinderea moderatorului de grafit.

25. 1. Cupola 2. Recipient de presiune (beton) 3. Pompa de circulare a gazului 4. Bare de control 5. Moderator de Graphit 6. CO2-Gas 7. Bare de combustibil 8. Schimbator de caldura (engl: Heat exchanger) 9. sala masinilor 10. Turbine 11.Generator 12. condensator 13. preincalzitor 14. Sursa de apa Schema unui reactor cu uraniu natural racit cu gaz, CO2 in acest caz. Schema unui reactor CANDU, cu diferenta ca barele de combustibil sunt asezate orizontal.

26. 1. cupola reactorului 2. Protectie de beton 3. Recipientul reactorului (fara presiune) 4. Moderator de grafit 5. Bare de combustibil 6. Bare de control 7. Gaz de protectie (heliu sau hidrogen) 8. Tub de presiune 9. Distribuitor de apa 10. separator de abur 11.sala masinilor 12. Turbine 13. Generator 14. condensator 15. preincalzitor 16. Sursa de apa 17. Turn de racire Reactor cu apa in fierbere in tuburi de presiune In locul unui vas de presiune exista tuburi de presiune in care circula apa prin miezul reactorului. In acest caz este insa necesar un moderator, de regula grafit. Catastrofa de la Tschernobyl a aratat ca sarcina acestor reactoare este mai dificil de controlat si exista riscuri serioase.

27. Reactorii cu apa sub presiune au trei circuite de apa-abur, spre deosebire de doua, cat au cei cu apa in fierbere. In rest constructia este asemanatoare. In cazanele acestor reactori apa acupa tot spatial si, desi ajunge la sute de grade, datorita presiunii uriase la care se gaseste nu fierbe. Din punct de vedere energetic, sunt mai eficiente decat cele cu apa in fierbere. 1. cupola reactorului 2. Cazan de presiune 3. Bare de combustibil 4. Apa demineralizata 5. Bare de control 6. Comanda barelor de control 7. Druckhalter 8. Generator de abur 9. Cladirea generatoarelor 10. Turbina 11.generator 12.condensator 13. preincalzire 14. rau 15. Turn de racire 16. abur 17. aer

28. Reactori cu neutroni rapizi Esential la acesti reactori este ca ei produc mai mult combustibil decat consuma. Un nonsens? Perpetuum mobile! Nu! Este vorba de transformarea U238 in Plutoniu 239, care este la randul sau fisionabil. Este tipul clasic de reactor cu conotatii militare, plutoniul fiind folosit in constructia bombelor nucleare. Este vorba de fapt de un reactor energetic obisnuit cu uraniu, acest miez fiind inconjurat de bare de U238 (un material nefisionabil) ce in timpul reactiei in lant este transformat in plutoniu 239. Plutoniul fisioneaza la randul sau, resultant un surplus de plutoniu de aprox. 15%. Acest miez activ este racit de sodiu topit, a carui temperatura de “regim” este de 395°C (el se tranforma in vapori abia la 883°C). Al doilea circuit este tot cu sodiu, abia in al treilea fiind folosita apa. 1. Cupola reactorului 2. Rezervor de securitate 3. Cazanul reactorului din inox 4. Natriu primar 5. Gaz inert (Argon) 6. capac 7. Bare de control 8. Bare de combustibil 9. Bare de combustibil (zona de fisiune) 10. Pompa natriu primar 11.schimbator de caldura primar 12. Cladirea agregatelor 13. Generator de aburi 14. Turbine 15. Generator 16. Condensator

29. Cea mai cunoscuta centrala cu neutroni rapizi, France / Creys-Malville Superphenix oprita definitiv in urma unei serii de deranjamente

30. Centrala de Neckarwestheim - Centrala cu apa in fierbere, ca majoritatea celor din Germania

31. Cubine ! mihail d. - 15.03.2011