Reactori de fisiune nucleară (Reactori nucleari)

(Miezul lui CROCUS, un mic reactor nuclear folosit pentru cercetare la EPFL în Elveția.)

Un reactor nuclear, cunoscut anterior ca pilă atomică, este un dispozitiv folosit pentru inițierea și controlul unei reacții nucleare în lanț susținute. Reactoarele nucleare sunt utilizate la centralele nucleare pentru generarea de energie electrică și pentru propulsarea navelor. Căldura de la fisiunea nucleară este transferată către un fluid de lucru (apă sau gaz), care trece prin turbine cu abur. Acestea fie mișcă elicele unei nave, fie acționează generatoarele electrice. În principiu, aburul generat nuclear poate fi utilizat pentru încălzirea industrială sau pentru încălzirea centralizată. Unele reactoare sunt utilizate pentru a produce izotopi pentru uz medical și industrial sau pentru producția de plutoniu pentru arme nucleare. Unele funcționează doar pentru cercetare. Începând cu luna aprilie 2014, rapoartele AIEA au raportat 435 de reactoare nucleare în 31 de țări din întreaga lume.

Mecanism

(O reacție de fisiune indusă. Un neutron este absorbit de un nucleu de uraniu-235, transformându-l rapid într-un nucleu de uraniu-236 excitat, cu energia de excitație furnizată de energia cinetică a neutronului plus forțele care leagă neutronul. Uraniu-236, la rândul său, se sparge în elemente mai ușoare care se deplasează rapid (produse de fisiune) și eliberează o cantitate mică de neutroni liberi. În același timp, se produc și una sau mai multe „raze gamma prompte” (nereprezentate).)

La fel cum centralele electrice convenționale generează energie electrică prin valorificarea energiei termice eliberate de arderea combustibililor fosili, reactoarele nucleare transformă energia eliberată prin fisiune nucleară controlată în energie termică pentru o conversie ulterioară în forme mecanice sau electrice.

Fisiunea

Când un nucleu atomic mare, cum ar fi uraniul-235 sau plutoniul-239, absoarbe un neutron, acesta poate suferi fisiune nucleară. Nucleul greu se împarte în două sau mai multe nuclee mai ușoare (produsele de fisiune), eliberând energia cinetică, radiația gamma și neutronii liberi. O parte din acești neutroni pot fi ulterior absorbiți de alți atomi fisionabili și declanșează evenimente de fisiune suplimentare, care eliberează mai mulți neutroni, și așa mai departe. Aceasta este cunoscută ca o reacție nucleară în lanț.

Pentru a controla o astfel de reacție nucleară în lanț, otrăvurile neutronice și moderatorii neutronilor pot schimba cantitatea de neutroni care va continua să producă mai multă fisiune. Reactoarele nucleare au, în general, sisteme automate și manuale pentru a opri reacția de fisiune dacă monitorizarea detectează condiții nesigure.

Moderatorii utilizați în mod obișnuit includ apa regulată (ușoară) (în 74,8% din reactoarele lumii), grafitul solid (20% din reactoare) și apa grea (5% din reactoare). Unele tipuri experimentale de reactor au folosit beriliu, iar hidrocarburile au fost sugerate ca o altă posibilitate.

Generarea de căldură

Miezul reactorului generează căldură în mai multe moduri:

• Energia cinetică a produselor de fisiune este transformată în energie termică când aceste nuclee se ciocnesc cu atomii din apropiere.
• Reactorul absoarbe unele dintre razele gamma produse în timpul fisiunii și transformă energia lor în căldură.
• Căldura este produsă prin dezintegrarea radioactivă a produselor de fisiune și a materialelor care au fost activate prin absorbția de neutroni. Această sursă de căldură de dezintegrare va continua o perioadă de timp chiar și după oprirea reactorului.

Un kilogram de uraniu-235 (U-235) transformat prin procese nucleare eliberează aproximativ de trei milioane de ori mai multă energie decât un kilogram de cărbune ars convențional (7,2×10¹³ jouli pe kilogram de uraniu-235 față de 2,4×10⁷ jouli pe kilogram de cărbune) .

Răcirea

Un agent de răcire al reactorului nuclear – de obicei apă, dar uneori un gaz sau un metal lichid (cum ar fi sodiu lichid) sau sare topită – circulă trecând peste miezul reactorului pentru a absorbi căldura pe care o generează. Căldura este transportată din reactor și apoi utilizată pentru a genera abur. Cele mai multe sisteme de reactor utilizează un sistem de răcire care este separat fizic de apa care va fi fiartă pentru a produce abur sub presiune pentru turbine, cum ar fi reactorul cu apă sub presiune. Cu toate acestea, în unele reactoare, apa pentru turbinele cu abur este fiartă direct de miezul reactorului; de exemplu reactorul cu apă fierbinte.

Controlul reactivității

Rata reacțiilor de fisiune din nucleul reactorului poate fi ajustată prin controlul cantității de neutroni care pot induce alte evenimente de fisiune. Reactoarele nucleare utilizează în mod tipic mai multe metode de control al neutronilor pentru reglarea puterii de ieșire a reactorului. Unele dintre aceste metode apar în mod natural din fizica dezintegrării radioactive și sunt pur și simplu luate în considerare în timpul funcționării reactorului, în timp ce altele sunt mecanisme prevăzute în proiectarea reactorului pentru un scop distinct.

Cea mai rapidă metodă de ajustare a nivelelor de neutroni care induc fisiunea într-un reactor este prin mișcarea barelor de control. Barele de control sunt fabricate din otrăvuri neutronice și, prin urmare, au tendința de a absorbi neutronii. Atunci când o bară de control este introdusă mai adânc în reactor, ea absoarbe mai mulți neutroni decât materialul pe care îl deplasează – adesea moderatorul. Această acțiune are ca rezultat mai puțini neutroni disponibili pentru a provoca fisiune și reduce puterea de ieșire a reactorului. În schimb, extragerea barei de control va duce la o creștere a ratei evenimentelor de fisiune și la o creștere a puterii.

Fizica dezintegrării radioactive afectează și populațiile de neutroni într-un reactor. Un astfel de proces este emisia de neutroni întârziată de către un număr de izotopi de fisiune bogați în neutroni. Acești neutroni întârziați reprezintă aproximativ 0,65% din totalul neutronilor produși prin fisiune, iar restul (denumiți „neutronii prompti”) sunt eliberați imediat după fisiune. Produsele de fisiune care produc neutroni întârziați au timpi de înjumătățire pentru dezintegrarea lor prin emisii de neutroni care variază de la milisecunde până la câteva minute, și este necesar un timp considerabil pentru a determina exact când un reactor atinge punctul critic. Păstrarea reactorului în zona reactivității în lanț unde neutronii întârziați sunt necesari pentru a atinge o stare de masă critică permite dispozitivelor mecanice sau operatorilor umani să controleze o reacție în lanț în timp real; în caz contrar, timpul dintre realizarea criticității și accidentul nuclear al miezului, ca urmare a unei creșteri exponențiale de putere din reacția normală în lanț, ar fi prea scurt pentru a permite intervenția. Această ultimă etapă, în care neutronii întârziați nu mai sunt necesari pentru a menține criticitatea, este cunoscut ca punct critic prompt. Există o scară pentru a descrie criticitatea în formă numerică, în care criticitatea simplă este cunoscută sub numele de zero dolari, iar punctul critic prompt este un dolar, iar alte puncte din proces sunt interpolate în cenți.

În unele reactoare, lichidul de răcire acționează și ca moderator de neutroni. Un moderator mărește puterea reactorului, determinând neutronii rapizi care sunt eliberați din fisiune să piardă energia și să devină neutroni termici. Neutronii termici au mai multe șanse de a produce fisiune decât neutronii rapizi. Dacă lichidul de răcire este un moderator, schimbările de temperatură pot afecta densitatea lichidului de răcire/moderator și, prin urmare, pot schimba puterea. Un agent de răcire cu temperatură mai mare ar fi mai puțin dens și, prin urmare, un moderator mai puțin eficient.

În alte reactoare, lichidul de răcire acționează ca o otravă prin absorbția neutronilor în același mod ca și în cazul barelor de control. În aceste reactoare puterea de ieșire poate fi mărită prin încălzirea lichidului de răcire, ceea ce îl face o otravă mai puțin densă. Reactoarele nucleare au, în general, sisteme automate și manuale pentru oprirea reactorului în caz de urgență. Aceste sisteme introduc cantități mari de otrăvuri (adesea bor sub formă de acid boric) în reactor pentru a închide reacția fisiunii dacă sunt detectate sau anticipate condiții nesigure.

Cele mai multe tipuri de reactoare sunt sensibile la un proces cunoscut sub numele de otrăvire cu xenon. Produsul de fisiune obișnuit, Xenon-135, produs în procesul de fisiune, acționează ca o otrăvire neutronică care absoarbe neutronii și, prin urmare, tinde să oprească reactorul. Acumularea de Xenon-135 poate fi controlată prin păstrarea nivelurilor de putere suficient de mari pentru a le distruge prin absorbția de neutroni imediat cum sunt produce. De asemenea, fisiunea produce iod 135, care la rândul său se descompune (cu un timp de înjumătățire de 6,57 ore) în noul xenon-135. Când reactorul este oprit, iodul-135 continuă să se descompună în xenon-135, ceea ce face ca reactorul să fie mai dificil de repornit pentru o zi sau două, pe măsură ce xenonul-135 se descompune în cesiu-135, care nu este aproape la fel de otrăvitor ca și xenonul- 135, cu un timp de înjumătățire de 9,2 ore. Această stare temporară este numită „groapa de iod”. Dacă reactorul are capacitate suplimentară de reactivitate suplimentară, acesta poate fi repornit. Pe măsură ce xenonul-135 suplimentar este transmutat la xenon-136, ceea ce este cu mult mai puțin otravăvitor pentru neutroni, în câteva ore în reactor are loc un ” ardere (de putere) tranzitorie a xenonului”. Trebuie introduse suplimentar bare de control  pentru a înlocui absorbția de neutroni a xenon-135 pierdut. Nerespectarea corectă a unei astfel de proceduri a fost un pas cheie în dezastrul de la Cernobîl.

Reactorii utilizați în propulsia marină nucleară (în special submarinele nucleare) adesea nu pot funcționa la putere constantă tot timpul în același mod în care funcționează în mod normal reactoarele terestre și, în plus, necesită adesea un ciclu de viață a miezului foarte lungă fără realimentare. Din acest motiv, multe modele folosesc uraniu foarte îmbogățit, dar includ otrava neutronică în barele de combustibil. Acest lucru permite ca reactorul să fie construit cu un exces de material fisionabil, care totuși este relativ sigur la începutul ciclului de ardere al combustibilului din reactor prin prezența materialului absorbant de neutroni, care este înlocuit ulterior de otrăvurile neutronice cu durată lungă de viață ( mult mai lungă decât xenonul-135), care se acumulează treptat în timpul duratei de utilizare a încărcăturii de combustibil.

Generarea de energie electrică

Energia eliberată în procesul de fisiune generează căldură, dintre care unele pot fi transformate în energie utilizabilă. O metodă comună de valorificare a acestei energii termice este folosirea acesteia pentru a fierbe apă pentru a produce abur sub presiune, care va conduce apoi o turbină cu abur care acționează un alternator și generează energie electrică.