CENTRALE NUCLEARO-ELECTRICE


3.1. Generalitati

Energia nucleara joaca un rol important în productia de energie electrica, la egalitate cu cea produsa în hidrocentrale. Pe plan european circa 33% din energia electrica este produsa în centrale nuclearo-electrice (de exemplu în Franta energia nucleara sta la baza a circa 75% din productia de energieelectrica).
Centralele nucleare sunt centrale termoelectrice, fiind constituite dintr-o sursa care cedeaza caldura (reactorul), un sistem de transport al energiei termice (cu unul, doua sau trei circuite) si un sistem de transformare a energiei termice în energie electrica (turbina, generator plus sursa rece).
În practica exista o multidine de combinatii posibile ale acestor elemente, în primul în ceea ce priveste tipurile de reactoare dezvoltate, dar si în ceea ce priveste producerea energiei electrice care se poate realiza cu turbine cu abur sau cu turbine cu gaz. Totodata sursa rece poate sa fie apa unui râu,apa marii, aerul etc. Schematic sunt prezentate elementele principale ale
circutului termic al unei centrale nucleare în figura.


Utilizarea reactoarelor nucleare impune, ca si surse de caldura,impune conditii specifice de presiune si temperatura, diferite fata de centralele termoelectrice clasice. Din acest motiv tehnologiile utilizate pentru realizarea instalatiilor sunt diferite fata de cele utilizate în instalatiile centralelor termolectrice clasice.


3.2 Reactorul nuclear de fisiune


3.2.1 Reactia de fisiune în lant


În reactorii nucleari actuali, eliberarea energiei nucleare este rezultatul procesului de fisiune nucleara.
Transformarile nucleare pot avea loc fie spontan, dezintegrari radioactive, fie datorita interactiunii nucleelor între ele sau cu particule incidente, asa numitele reactii nucleare.
Fisiunea nucleara a fost descoperita de Hahn si Strassmann în 1938, când au descoperit în urma reactiei U+n prezenta bariului cu numarul atomic 56.
Francezii F. Joliot Curie si F. Perrin au stabilit ca la fiecare dezintegrare se produc în medie mai mult de doi neutroni, fapt care permite sa se autoîntretina o reactie de fisiune în lant.
Fisiunea nucleara poate avea loc în mod spontan, sau poate fi indusa prin ciocnirea nucleelor grele cu alte particule: neutroni, protoni, particule alfa, deuteroni etc. Primul model al fisiunii induse de particule a fost elaborat de
Bohr si Wheeler pe baza modelului picatura al nucleului.

În conformitate cu acest model, particula incidenta formeaza la început, împreuna cu nucleul tinta, un nucleu compus într-o stare excitata, excesul de energie fiind datorat energiei cinetice a particulei incidente si corectiei intervenite în energia de legatura prin formarea nucleului compus. Energia de excitare provoaca o deformare a nucleului, care trece de la forma sferica la una elipsoidala.
Dezexcitarea poate avea loc prin expulzarea unui foton gama, caz în care reactia nucleara reprezinta doar o captura radiativa. Daca deformatia depaseste o anumita valoare critica, fortele columbiene de respingere devin predominante si nucleul evolueaza spre o separare în fragmente distincte - fisiunea nucleara. Exista si alte modele de fisiune, mai apropiate de realitate, cum este modelul în paturi.
Pentru nucleele cu o configuratie par-impara, ca de exemplu 92U235, neutronul incident conduce la o configuratie par-para 92U236, instabila, adica cu energie de separare mare, cu alte cuvinte 92U235 va putea fisiona cu neutroni de energie cinetica mica, neutroni lenti sau neutroni termici.

Pentru nucleele cu o configuratie par-para, de exemplu 92U238, neutronul suplimentar va conduce la o configuratie par-impara, 92Pu239, stabila (un timp de înjumatatire de 24000 ani), cu o energie mica a neutronului introdus, ca urmare pentru fisiune este nevoie de neutroni cu o mare energie cinetica, sau neutroni rapizi.
Uraniul 92U235 este singurul izotop fisionabil cu neutroni termici care se gaseste în natura, cu o abundenta masica în uraniul natural de 0.7113%.
Alti izotopi fisionabili cu neutroni termici în energetica nucleara sunt produsi prin reactii nucleare; acestia sunt 92Pu239 si 92U233, de asemenea nuclee par-impare, obtinuti prin bombardarea unor izotopi naturali cu neutroni rapizi.
O caracteristica a reactiei de fisiune induse de neutroni consta în faptul ca, pe lânga eliberarea unei cantitati însemnate de energie, se emit mai multi neutroni decât sunt absorbiti. Un astfel de proces se numeste reactie în lant. În anumite conditii reactia de fisiune în lant, poate fi controlata,
numarul de neutroni din reactor ramânând constant.

În cazul fisiunii cu neutroni termici, un proces important îl constituie reducerea energiei neutronilor rapizi, pentru ca acestia sa poata provoca noi reactii de fisiune, proces denumit moderare si care are loc prin ciocnirea neutronilor rapizi cu nucleele materialelor moderatoare. Înainte, în timpul si dupa moderare, au loc pierderi de neutroni, prin absorbtie si prin parasirea mediului în care se afla materialul fisionabil. Pentru amorsarea reactiei nucleare e nevoie de o anumita cantitate de material fisionabil, numita masa critica. Aceasta masa critica depinde de o serie de factori externi, dar îndeosebi de natura materialului fisionabil.



3.2.2. Structura si caracteristicile unui reactor nuclear


Partea principala a unui reactor o constituie zona de reactie, sau zona activa, care contine un amestec omogen sau eterogen de combustibil si moderator.
În cazul unei zone active eterogene, combustibilul este introdus sub forma de elemente combustibile, sistem care îi asigura un plus de rezistenta mecanica si permite containerizarea produselor de fisiune radioactive.Combustibilul nuclear, în reactor, poate fi natural sau artificial. Exista doua tehnologii: a uraniului natural si a uraniului îmbogatit. Cea a uraniului îmbogatit este accesibila unui mic numar de tari, SUA, Rusia, Franta si Anglia, construirea unei uzine de îmbogatire a uraniului fiind foarte scumpa. Dar asigura un grad mai bun de ardere a combustibilului nuclear.
Elementele combustibile ceramice folosesc pulbere de oxid de uraniu, presata si sinterizata. Dar se utilizeaza si elemente combustibile metalice, obtinute prin turnare si deformare plastica. Moderatorul are rolul de a reduce energia neutronilor rapizi rezultati din fisiune, transformându-i prin ciocniri elastice în neutroni lenti sau termici.

Acesta este realizat din materiale cu greutate atomica mica: apa, apa grea, grafit sau Be. Un moderator este cu atât mai bun cu cât numarul de ciocniri necesar pentru aducerea neutronilor la viteza termica este mai mic si cu cât absorbtia neutronilor este mai mica.
Apa grea este cel mai bun moderator, având cea mai mica sectiune de absorbtie si un numar de ciocniri acceptabil. Poate fi folosita ca moderator si la reactoare cu uraniu natural, dar trebuie specificat ca este foarte higroscopica, adica se impurifica usor cu apa usoara. Din acest motiv pretentiile privind puritatea si etanseizarea instalatiei de apa grea sunt foarte severe, ceea ce scumpesc mult investitia.
Apa usoara are proprietati excelente pentru moderare (numar de ciocniri cel mai mic), dar are o mare capacitate de absorbtie asupra neutronilor (de circa 600 de ori mai mare ca apa grea). Din acest motiv se poate utiliza numai pentru reactoare cu combustibil îmbogatit.
Exista si moderatoare solide: grafitul si uneori beriliul, dar sunt mai scumpe decât cele lichide.Ansamblul combustibil-moderator este înconjurat de un reflector care are rolul de a reduce scaparile de neutroni în afara zonei active a reactorului.

De regula reactorul este construit dintr-un vas de presiune etans în interiorul careia se afla zona activa. Vasul de presiune se realizeaza din otel sau din beton precomprimat.
Evacuarea caldurii din zona activa a reactorului se face prin intermediul gentilor de racire. Conditiile pe care trebuie sa le îndeplineasca un bun agent de racire sunt:
--capacitate buna de înmagazinare si transfer a caldurii;
absorbtie scazuta a neutronilor;
--sa ramâna lichizi la temperaturi ridicate si presiuni scazute;
sa fie stabil la radiatii;
--vâscozitate mica;
--sa fie neinflamabil, netoxic si pret de cost cât mai scazut.
Dintre substantele gazoase pot fi folositi ca agenti de racire CO2 si He. Dintre lichide se pot folosi apa usoara, apa grea si substante organice. Metalele în stare lichida si sarurile topite asigura cel mai bun coeficient de transmisie a caldurii, sunt stabile termic si la iradiere si necesita presiuni mici. Au dezavantajul ca metalele alcaline (Na,K) sunt reactive fata de apa,
hidrogenul degajat prezentând pericol de explozie.

Controlul reactiei în lant se face prin intermediul barelor de control.Barele de control sunt realizate din materiale absorbante de neutroni.
Acestea trebuie sa îndeplineasca urmatoarele conditii: --capacitate mare de absorbtie pentru neutroni cu energii cuprinse într-unspectru cât mai larg;
rezistenta mecanica, stabilitate chimica si compatibilitate cu celelalte
--materiale ale reactorului;
--produsele rezultate prin iradiere sa aiba timp de înjumatatire mic.
Dintre materialele absorbante folosite se poate aminti: borul; cadmiu; hafniu; iridiul; aliaje de argint, cadmiu, iridiu si tantal
La orice reactor nuclear sunt necesare si materiale de protectie biologica care au rolul de a retine neutronii si radiatiile emise în afara. Se utilizeaza apa, betonul, fierul si plumbul.



3.2.3 Clasificarea reactoarelor nucleare de fisiune. Filiere nucleare


De la construirea primului reactor nuclear, în 1942, în conceptia si sub conducerea lui Enrico Fermi, s-au realizat mii de reactori nucleari de tipuri si destinatii diferite.
Dupa tipul de neutroni care realizeaza reactia de fisiune:
reactori cu neutroni termici;
reactori cu neutroni rapizi.

Dupa modul de dispunere a componentilor în zona activa avem:
reactori omogeni;
reactori heterogeni.
Dupa destinatie, avem:
reactori de cercetare;
--reactori de încercari de materiale;
reactori energetici;
reactori pentru propulsie.

Alegerea unei filiere pentru implementarea energeticii nucleare într-un sistem energetic national nu este o problema simpla. Ea necesita o analiza multidimensionala a o serie de factori, dintre care cei mai importanti sunt:
cererea si consumul de energie electrica si termica si evolutia acestuia;
disponibilitatea investitiilor;
existenta unor rezerve proprii de uraniu natural;
posibilitati de depozitare a deseurilor radioactive;
nivelul de dezvoltare al infrastructurilor.



3.3. Schemele termice ale centralelor nuclearo electrice


3.3.1. Generalitati


Materialele din care este construit reactorul limiteaza temperatura si presiunea maxima a agentului termic. Astfel la reactoarele racite cu apa, temperatura maxima admisa este de 350°C, la cele racite cu gaz 400°C, iar la cele racite cu sodiu topit 500°C. Nici presiunea de lucru a agentului termic nu poate atinge valorile utilizate la centralele termoelectrice clasice.
Aceste limitari sunt impuse din motive de securitate, orice avarie având aici urmari deosebite datorita pericolului de iradiere a mediului si a persoanelor.


3.3.2 Scheme cu un singur circuit termic


Schemele termice cu abur cu un singur circuit presupun ca reactorul produce direct abur saturat prin vaporizarea agentului de racire (reactoare BWR sau BHWR). În mod obisnuit reactorul produce abur saturat uscat.


Presiunea ciclului este de circa 70 bar corespunzator nivelului de siguranta impus de materialele nucleare. Schema unui astfel de circuit este prezentata
în figura.
Destinderea în turbina are loc sub curba de saturatie si aburul ar putea atinge umiditati nepermise, motiv pentru care este necesara uscarea si supraîncalzirea intermediara. Aceste operatii de uscare a aburului se realizeaza prin mai multe metode:
la intrarea în turbina, folosind în acest scop supraîncalzitoare sau tamburi separatori; între doua trepte succesive de destindere folosind în acest scop separatoare mecanice si supraîncalzitoare termice; în corpul de joasa presiune prin practicarea drenajului.
Supraîncalzirea se poate realiza:
--în reactorul nuclear, care este prevazut în acest scop cu canale supraîncalzitoare;
--într-un cazan supraîncalzitor în care se arde combustibil clasic.

Pâna în prezent reactorul BWR este o solutie tehnica aplicata la un numar mare de CNE cu puteri electrice unitare de pâna la 1100 MW.
O alta schema de circuit termic cu o singura treapta este cea care utilizeaza turbine cu gaze si bineînteles reactoare racite cu gaze.

Aceasta schema s-a folosit la primul reactor nuclear construit în lume de catre echipa lui Enrico Fermi, la Chicago în 2 Decembrie 1942. Gazele se încalzesc în reactorul 1, apoi se destind în turbina cu gaze 2, si se racesc în schimbatoarele de caldura 6 si 5 pentru a merge apoi în compresorul 3 de unde sunt trimise din nou în reactor, închizându-se astfel circuitul.
Deoarece gazele trecând prin reactor nu devin radioactive, nu trebuie luate masuri de protectie biologica a turbinei cu gaze ca în cazul turbinelor cu abur.
Se utilizeaza de regula gaze inerte (He). Circuitul termic cuprinde de obicei trei trepte de comprimare si o destindere unica, cu o racire a gazelor dupa fiecare treapta de comprimare.


3.3.3 Scheme cu doua circuite termice


Ideea de baza a acestei scheme este de a restrânge cât mai mult aria de contaminare radioactiva. La schemele termice cu doua circuite, reactorul poate avea agenti de racire diferiti: apa, apa grea, gaze sau lichide organice. Schimbatorul de caldura, denumit generator de abur este elementul care desparte centrala nucleara în doua.
Nivelul de presiune si de temperatura în circuitul secundar depinde de tipul reactorului si de agentul de racire primar. În cazul agentului de racire lichid (centrale PWR sau PHWR), temperatura din reactor este limitata la aproximativ 300°C iar încalzirea apei în reactor se face cu doar 15-30°C, valoarea redusa fiind impusa de uniformitatea puterii de moderare si a
conditiilor de schimb de caldura.
Schema principiala a unei centrale PWR cu doua circuite termice se prezinta.
Aceasta schema, cu doua circuite, se aplica si la centralele nuclearo-electrice CANDU (CANadium Deuterium Uranium), care folosesc drept combustibil uraniu natural, implementate si la noi în tara.


3.3.4 Scheme cu trei circuite termice


Acest tip de schema (figura 3.6) se aplica în cazul utilizarii reactoarelor cu neutroni rapizi, reactoare care se caracterizeaza prin densitati termice în zona.