REACTORUL NUCLEAR

REACTORUL NUCLEARTrache Miruna -StefaniaClasa a XII a C

REACTIVUL NUCLEAR

Unreactor nucleareste o instalaie tehnologic n care are loc oreaciedefisiunenuclear n lan n condiii controlate, astfel nct s poat fi valorificat cldura generat sau utilizate fascicolele deneutroni. Reactoarele nucleare au trei tipuri de aplicaii: Cea mai semnificativ aplicaie comercial este producerea de energie electric sau de cldur (termoficare, procese industriale). O alt aplicaie este propulsia naval (n special pentru scopuri militare). Exist i reactoare nucleare pentru cercetare unde fascicolele de neutroni se folosesc pentru activiti tiinifice sau pentru producerea de radioizotopi destinai utilizrilor civile (medicin, industrie, cercetare), sau militare (arme nucleare).

Schema simplificat a unui reactor nuclearbar pentru oprire de urgenbare de controlcombustibilprotecie radiologicieirea vaporilorintrarea apeiprotecie termic

COMPONENTEReactoarele nucleare de fisiune, indiferent de destinaia lor, au urmtoarele elemente comune:Combustibilul nuclearReacia de fisiune n lan are loc n combustibilul nuclear. Aproape toate reactoarele nucleare utilizeaz uraniul drept combustibil. Reactoarele comerciale, cu cteva excepii, utilizeaz uraniul mbogit 2-5% n izotopul U235. Unele reactoare utilizeaz un combustibil ce conine pe lng uranium i plutoniu MOX), un alt element fisionabil. Combustibilul i structura mecanic n care este acesta aezat formeaz zona activ (inima) reactorului.ModeratorulModeratorul este necesar pentru ncetinirea neutronilor rezultai din fisiune (neutron termici) pentru a le crete eficiena de producere a unor noi reacii de fisiune. Moderatorul trebuie s fie un element uor care permite neutronilor s se ciocneasc fr a fi capturai. Ca moderatori se utilizeaz apa obinuit, apa grea (deuterium) sau grafitul.Agentul de rcirePentru a menine temperature combustibilului n limite tehnic acceptabile (sub punctual de topire) cldura eliberat prin fisiune sau prin dezintegrarea radioactiv trebuie extras din reactor cu ajutorul unui agent de rcire (apa obinuit, apa grea, dioxid de carbon, heliu, metale topite, etc). Cldura preluat i transferat de agentul de rcire poate alimenta o turbin pentru a genera electricitate.Barele de controlBarele de control sunt realizate din material ce absorb neutronii precum: borul, argintul, indiul, cadmiul si hafniul. Ele sunt introduse n reactor pentru a reduce numrul de neutroni i a opri reacia de fisiune cnd este necesar, sau pentru a regla nivelul i distribuia spaial a puterii din reactor.

Alte componenteUnele reactoare au zona activ nvelit cu un reflector care are scopul de a returna neutronii ce prsesc reactorul i a maximiza utilizarea lor eficient. Adesea agentul de rcire i/sau moderatorul au i rolul de reflector. Zona activ i reflectorul sunt dispuse n interiorul unui vas rezistent la presiune (vasul reactorului). Pentru reducerea nivelului radiaiilor produse prin fisiune, zona activ este nconjurat de ecrane groase ce absorb radiaiile: beton, ap obinuit, plumb, etc. Controlul i reglarea funcionrii reactorului se realizeaz cu ajutorul a numeroase instrumente i sisteme de suport logistic care monitorizeaz (urmresc) temperatura, presiunea, nivelul de radiaie, nivelul de putere i ali parametri. Un reactor nuclear de fuziune nclzete combustibilul compus din Deuteriu i Tritiu pn acesta se transform n plasm foarte fierbinte n care are loc reacia de fuziune. n exteriorul camerei n care se formeaz plasma se afl o manta din Litiu care absoarbe neutronii energetici din fuziune pentru a produce combustibilul Tritiu. n manta neutronii produc i cldur care este evacuat cu o bucl de rcire cu ap i transferat unui schimbtor de cldur pentru a produce abur. Aburul acioneaz o turbin producnd electricitate.

FUNCTIONAREA REACTORULUI CU FISIUNE:

Funcionarea reactorului nuclear se bazeaz pe reacia de fisiune indus de neutroni prin care se elibereaz energie, iar procesul poate fi controlat prin controlul numrului de neutroni disponibili. U235 + n 2 fragmente de fisiune + 2 sau 3 neutroni + , + energieDeoarece neutronii eliberai prin fisiune pot induce alte fisiuni apare posibilitatea perpeturii reaciei (fisiune n lan). n condiii optime reacia de fisiune se menine la nivel constant i avem o reacie n lan controlat.Neutronii expulzai prin fisiune au o energie cinetic ce corespunde unei viteze de circa 13 800 km/s (neutroni rapizi). Pentru a produce fisiunea uraniului 235neutronii trebuie s aib energii mult mai mici, adic s fie n echilibru termic cu mediul nconjurtor (neutroni termici). Neutronii rapizi sunt ncetinii prin ciocnirea cu atomii moderatorului. Hidrogenul (apa uoar) cu mas egal cu cea a neutronului ar prea cel mai bun moderator dar el poate absoarbe uor neutronii scznd numrul lor. Deuteriul (apa grea) are avantajul c absoarbe mai puini neutroni realiznd mai uor perpetuarea reaciei n lan.n reactor numrul de neutroni este rezultatul competiiei dintre procesul de fisiune (care genereaz neutroni) i a procesesele neproductive de absorbie n materialele reactorului sau de scurgere n afara reactorului. Autontreinerea reaciei de fisiune depinde de vitezele proceselor menionate care determin constanta de multiplicare:keff = Viteza de producere/(viteza de absorbie n materiale+ viteza de scurgere din reactor)keff < 1 Numrul de neutroni scade n timp reactorul se oprete (reactor subcritic). keff = 1 Reacie n lan auto ntreinut (reactor critic n stare staonar) keff > 1 Numrul de neutroni crete permanet (reactor supercritic). Viteza de scurgere a neutronilor din reactor este invers proporional cu mrimea acestuia. Pentru a avea keff = 1 reactorul trebuie s aib o dimensiune minim respectiv o mas critic.

CINETICA REACTORULUI NUCLEAR:

n fizica reactorului nuclear se folosete noiunea de reactivitate= 1 1/ keff (producia net realativ de neutroni)Reactorul nuclear funcioneze deobicei n stare staionar (=0). Cnd se doreste reducerea puterii reactorului sau oprirea se introduce reactivitate negativ, cu ajutorul dispozitivelor absorbante de neutroni coninnd bor, cadmiu sau gadoliniu. La pornirea reactorului se introduce reactivitate pozitiv pentru scurt timp, prin scoaterea dispozitivelor de absorbie a neutronilor. Neutronii produi prin fisiune pot fi prompi sau ntrziai. Pentru neutronii prompi intervalul de timp dintre naterea lor i absorbia ntr-o reacie de fisiune este de circa 0,9 milisecunde. Neutronii ntrziai sut generai prin dezintegrarea beta a fragmentelor de fisiune cu durate de via cuprins ntre 0,2 i 50 secunde. Neutronii ntrziai au o mare influen asupra evoluiei puterii reactorului i faciliteaz considerabil controlul acestuia. Dintre fragmentele de fisiune izotopul Xe135 are un rol important n funcionarea reactorului nuclear deoarece are o capacitate mare de a absoarbe neutronii termici. Acest izotop radioactiv este produs prin dezintegrarea beta a I135 (timp de njumtire de 9,169 ore) i dispare pe dou ci: prin dezintegrare i prin absorbia unui neutron cu transformarea n Xe136. La oprirea reactorului echilibrul dintre generarea i consumul de Xe135 este perturbat deoarece dispare ruta de transformare n Xe136. Rezultatul este descreterea puternic a reactivitii (otrvirea cu Xenon) la circa 10 ore de la oprirea reactorului. Reactorul nu mai poate fi repornit dect dup 35-40 de ore, atunci cnd concentraia xenonului scade prin dezintegrare la nivelul anterior opririi.Prin fisiune o parte din masa atomului fisionabil se transform n energie: -85% sub form de energie cinetic a fragmentelor de fisiune; - 15% ca energie cinetic a neutronilor i particolelor sau ; Energia cinetic se transform n cldur care trebuie evacuat din combustibil cu ajutorul agentului de rcire. Fragmentele de fisiune sunt nuclee avnd masa egal cu circa jumtate din cea a uraniului care sunt instabile i se dezintegreaz radioactiv. Radioizotopii tipici rezultai din dezintegrarea fragmentelor de fisiune sunt Cs137 i Sr90.Deoarece prin reacia de dezintegrare se genereaz cldur (cldura de dezintegrare) chiar i dup oprirea reactorului ea trebuie evacuat permanent, altfel combustibilul se supranczete ducnd la accident nuclear. Cantitatea cumulat de energie generat n combustibil se numete grad de ardere i se exprim n MW.zi/ton de Uraniu sau MW.or/kg de Uraniu. Gradul de ardere este o mrime invers proporional cu consumul de combustibil exprimat n Mg(U)/GW(e).

Pe lng radioizotopii rezultai din fisiune n reactor are loc transmutarea U238 n Pu239 prin reacia:U238 +n U239 Np239 + Pu239 + 2 Plutoniul 239 este un izotop fisionabil i contribuie la producerea de energie. Prin absorbii succesive de neutroni el se poate transfoema n Pu240 (nefisionabil) i n Pu241 (fisionabil). Timpul de njumtire al Pu239 este 24 000 ani.Tritiul, un radioizotop foarte mobil poate fi generat prin fisiune (1/10 000) precum i prin absorbia unui neutron de ctre deuteriul din apa grea. Tritiul este un emitor beta de joas energie, radiaia sa nu ptrunde prin piele, dar atunci cnd este inhalat sau ingerat cu alimente sau ap prezint pericolul iradierii interne.

SECURITATEA NUCLEARA:

Producerea de electricitate folosind reactoarele nucleare, ca orice tehnologie complex, are asociate o serie de riscuri: riscul radiologic pentru personal i public, accidentele nucleare, poluarea radioactiv mediului i deeurile radioactive. Pentru ca riscurile s nu se materializeze, proiectarea i operarea reactorului nuclear utilizeaz conceptul de Aprare n adncimeprin care se prevd msuri de prevenire a defectelor i accidentelor, protecia lucrtorilor i a publicului mpotriva radiaiilor , gospodrirea n siguran a deeurilor radioactive, asigurarea securitii materialelor nucleare.Safety Design of NPPAprare n adncimese realizeaz prin suplimentarea caracteristicilor intrinseci de siguran ale reactoarelor cu msuri de prevenire, monitorizare i diminuare a consecinelor accidentelor. Aprare n adncime este structurat pe cinci nivele, astfel nct dac un nivel nu face fa este corectat sau compensat de urmtorul. Obiectivul primului nivel de protecie este prevenirea funcionrii anormale sau defectrii sistemelor. Dac primul nivel cade, al doilea nivel de protecie controleaz funcionarea anormal sau detecteaz defectarea sistemelor. La cderea celui de al doilea nivel, funciile de securitate sunt asigurate de al treilea nivel care activeaz sisteme de securitate specifice. La cderea celui de al treilea nivel dezvoltarea accidentului este inut sub control de al patrulea nivel pentru a preveni agravarea accidentului i eliberarea substanelor radioactive n exterior. Ultimul nivel are ca obiectiv diminuarea consecinelor radiologice ale accidentului n exteriorul incintei prin implementarea de planuri de urgen.Din punctul de vedere al securiti reactorul nuclear are trei funcii de baz:- Controlul reactivitii;- Rcirea combustibilului;- Izolarea substanor radioactive.Pentru a menine sub control puterea reactorului acesta este dotat cu sisteme de control a reactivitii care menin constant rata reaciei de fisiune, iar dac este necesar opresc imediat reactorul prin inseria de reactivitate negativ. Cldura de fisiune i de dezintegrare trebuie evacuat premanent din reactor, chiar i dup oprirea reactorului, altfel se produce accidentul de topire a combustibilului. Pentru prevenirea acestui accident reactorul dispune de sisteme de urgen care injecteaz ap de rcire. Izolarea materialelor radioactive n interiorul reactorului i prevenirea rspndirii lor n mediu se realizeaz prin bariere multiple: combustibilul i teaca elementului de combustibil, vasul reactorului, anvelopa reactorului i zona amplasamentului reactorului.