Reactor nuclearReactorul nuclear este o instalație în care este inițiată o reacție nucleară în lanț, controlată și susținută la o

rată staționară (în opoziție cu o bombă nucleară, în care reacția în lanț apare într-o fracțiune de secundă și

este complet necontrolată).

Reactoarele nucleare sunt folosite pentru numeroase scopuri. Cea mai semnificativă utilizarea curentă este

pentru generarea de putere electrică. Reactoarele de cercetare sunt folosite pentru producerea de izotopi și

pentru experimente cu neutroni liberi. Din punct de vedere istoric, prima folosire a reactoarelor nucleare a fost

producerea plutoniului pentru bomba atomică. O altă utilizare militară este propulsia submarinelor și a

vapoarelor (deși aceasta presupune un reactor mult mai mic decât cel folosit într-o centrală nuclearo-electrică).

În mod curent, toate reactoarele nucleare comerciale sunt bazate pe fisiunea nucleară și sunt considerate

problematice datorită nesiguranței lor și riscurilor asupra sănătății. Din contra, alții consideră centrala nucleară

ca fiind o metodă sigură și nepoluantă de generare a electricității.

Instalația de fuziune este o tehnologie bazată pe fuziunea nucleară în locul fisiunii nucleare.

Există și alte instalații în care au loc reacții nucleare într-o manieră controlată, incluzând generatoarele

termoelectrice radioizotope și bateriile atomice, care generează căldură și putere exploatând dezintegrările

radioactive pasive, cum ar fi, de exemplu, instalațiile Farnswoth-Hirsch de producere a radiațiilor neutronice.

Aplicații

Principalele aplicații ale reactoarelor nucleare sunt:

În centrale nuclearo-electrice: producție de căldură pentru generare de electricitate; producție de căldură

pentru încălzire domestică și industrială; producție de hidrogen; la desalinare.

În propulsia nucleară: pentru propulsie nucleară marină; există propuneri pentru rachete termonucleare; există

propuneri pentru rachete propulsate prin puls nuclear.

În transmutație de elemente: la producția de plutoniu, adesea pentru utilizarea în arme nucleare; la obținerea

diverșilor izotopi radioactivi, cum ar fi americiu pentru detectorii de fum, respectiv cobalt-60, molibden-99 și

alții, folosiți în medicină.

În cercetare: pentru asigurarea unei surse de radiație cu neutroni și pozitroni (cum ar fi pentru Analiza cu

activare neutronică și Datarea cu potasiu-argon); pentru dezvoltarea de tehnologii neclare.

Scurt istoric

Deși omenirea a îmblânzit recent puterea nucleară, primele reactoare nucleare au apărut în mod natural.

Cincisprezece reactoare de fisiune naturale au fost găsite în trei depozite separate de minereu la mina Oklo din

Gabon, în vestul Africii. Descoperite pentru prima dată de Francis Perrin, acestea sunt numite ca „Reactoarele

Fosile Oklo”. Aceste reactoare funcționează de aproximativ 150 milioane de ani, având o putere medie de 100

kW. De asemenea, emisia de căldură, lumină și radiații de la stele se bazează pe fuziunea nucleară. Conceptul

unui reactor nuclear natural a fost teoretizat încă din 1956 de Paul Kurola la University of Arkansas.

Enrico Fermi și Leo Szilard, ambii de la University of Chicago, au fost primii care au construit o pilă nucleară și

au prezentat o reacție în lanț controlată, pe 2 Decembrie 1942. În 1955 ei și-au împărțit patentul de invenție

pentru reactorul nuclear U.S. Patent 2.708.656.

Primul reactor nuclear a fost utilizat pentru a genera plutoniu pentru bomba nucleară. Alte reactoare au fost

folosite în navigație pentru propulsarea submarinelor și chiar avioane. La mijlocul lui 1950 Uniunea Sovietică și

țările vestice și-au extins cercetările pentru a include și utilizarea nemilitară a atomului. Totuși, ca și programul

militar, multe din lucrările nemilitare au fost făcute în secret.

Pe 20 Decembrie 1951, în SUA, a fost generat pentru prima dată curent electric folosind putere nucleară la

Experimental Breeder Reactor-I (EBR-1) localizat lângă Arco, statul Idaho. Pe 26 Iunie 1954, la ora 5:30 a

început să genereze curent electric prima centrală nucleară sovietică, la Obninsk, Kaluga Oblast. Ea a produs

5 MW, asigurând electricitate pentru 2.000 de case.

Prima centrală nucleară de tip comercial din lume a început să funcționeze pe 17 Octombrie 1956, la Calder

Hall. Un alt reactor de putere timpuriu a fost Shippingport Reactor în Pennsylvania (1957).

Chiar înainte de accidentul din 1979 d la Three Mile Island, au fost oprite unele comenzi pentru centrale

nucleare în USA din rațiuni economice legate în primul rând de durata lungă de construcție. De altfel din 1978

nu s-au mai construit centrale în SUA; situația s-ar putea schimba după 2010.

Spre deosebire de accidentul de la Three Mile Island, accidentul din 1986 de la Cernobîl nu a înăsprit

reglementările cu privire la reactoarele din Vest. Acesta deoarece reactoarele de la Cernobîl, de tip RBMK,

erau cunoscute ca având un proiect nesigur, fără clădiri de siguranță și operate nesigur, iar Vestul auzite prea

puține despre ele. Au fost și precipitări politice: Italia a ținut un referendum în anul următor, 1987, ale cărui

rezultate au condus la oprirea a patru centrale nucleare.

În 1992 centrala turcească Turkey Point Nuclear Generation Station a fost lovită direct de uraganul Andrew. Au

fost pagube de peste 90 milioane de dolari, cele mai mari la un rezervor de apă și un coș de fum al unei unități

funcționând cu combustibili fosili, dar clădirile de protecție nu au avut de suferit.

Prima structură de dezvoltare a sistemelor nucleare de putere utilitare, și anume US Navy, este singura din

lume cunoscută ca având o activitatea total curată. US Navy a operat mai multe reactoare decât orice altă

entitate, chiar și Soviet Navy, fără incidente majore făcute publice. Două submarine americane, USS Scorpion

și Thresher au fost pierdute în mare, din motive ce nu au avut legătură cu reactoarele lor, epavele lor fiind

astfel situate încât riscul de poluare nucleară este considerat scăzut.

Perspective de viitor

În 2006, centrala Watts Bar 1, era ultimul reactor nuclear comercial operațional pus în funcțiune, în 1997. Acest

fapt este adesea citat ca o dovadă a succesului campaniei mondiale pentru închiderea treptată a centralelor

nucleare. Oricum, rezistența politică față de centralele nucleare a avut din când în când succes în diferite părți

ale Europei, în Noua Zeelandă, în Filipine și în Statele Unite. Cu toate acestea, în SUA și Europa au continuat

investițiile în cercetări privind ciclul combustibilului nuclear și, deși unii experți prezic viață scurtă electricității,

creșterea prețului combustibilului fosil și preocuparea legate de actualele emisii de gaze și efectul de seră vor

înnoi cererea de centrale nucleare.

Multe țări rămân active în dezvoltarea centralelor nucleare, incluzând aici: Japonia, China și India, toate trei

dezvoltând atât tehnologii termice cât și reproducătoare, Coreea de Sud și Statele Uite, ambele dezvoltând

numai tehnologii termice, și Africa de Sud și, din nou, China, dezvoltând versiuni ale reactorului de tip PBMR

(Pebble Bed Modular Reactor = Reactor modular cu strat granular). Finlanda și Franța își continuă în mod activ

programele nucleare; Finlanda are în construcție un nou European Pressurized Reactor. Japonia are un

program activ de construcții pentru noi unități ce a început din 2005. În Statele Unite, trei consorții au răspuns

încă din 2004 solicitării Department of Energy (Departamentului de Energie) privind Programul Energetic

Nuclear 2010 în vederea construirii inclusiv a unui reactor de generația a IV-a, tip VHTR, destinat producerii de

electricitate și hidrogen. Pe 22 Septembrie 2005, s-a anunța deja selectarea a două locații din SUA destinate

construirii de noi reactoare. Centralele nucleare reprezintă un interes particular pentru China și India, ambele

construind reactoare de tip FBR. În politica energetică a Marii Britanii se prevede construirea în viitor cel puțin

a unei noi centrale nucleare și menținerea și prelungirea duratei de viață a celor existente deja.

Tipuri de reactoare

Deși s-au dezvoltat diferite tehnologii de realizare a reactoarele nucleare de fisiune, acestea pot fi împărțite

riguros în două clase, depinzând de energia neutronilor utilizată pentru a susține reacția de fisiune în lanț:

•Reactoarele termice (lente) folosesc neutroni termici. Acestea sunt caracterizate ca având materiale de

moderare care sunt destinate încetinirii neutronilor până când aceștia ajung la nivelul mediu al energiei cinetice

al particulelor din mediul înconjurător. Neutronii termici au o probabilitate mare de ciocnire cu nucleele

fisionabile de 235U și, comparativ cu neutronii rapizi rezultați din fisiune, o probabilitate mică de captură din

parte nucleelor de 238U. Pe lângă moderator, reactoarele termice au combustibil încapsulat, vase sub presiune,

scuturi și instrumentație de monitorare și control pentru toate sistemele reactorului. Multe reactoare de putere

de acest tip, ca și primele reactoare de producere a plutoniului au fost reactoare termice având moderator de

grafit. Unele reactoare sunt mai termalizate decât altele. Centralele moderate cu grafit (de exemplu reactoarele

rusești RBMK) și apă grea (de exemplu reactorul canadian CANDU) tind să fie mult mai termalizate decât cele

de tip PWR și BWR, acestea din urmă utilizând ca moderator apa ușoară; datorită gradului mai înalt de

termalizare, reactoarele de acest tip trebuie să folosească uraniu natural (neîmbogățit).

•Reactoarele rapide (FBR) folosesc neutroni rapizi pentru a întreține reacția de fisiune în lanț și sunt

caracterizate prin lipsa materialului de moderare. Ele funcționează cu combustibil (uraniu) puternic îmbogățit

sau plutoniu, pentru a reduce procentul de U-238 care ar captura neutronii rapizi. Unele reactoare sunt

capabile să producă mai mult combustibil decât au consumat, în mod uzual convertind U-238 în Pu-239. Unele

stații de putere timpurii au folosit reactoare rapide, cum ar fi cele folosite la propulsia unor submarine și vase

rusești, altele se află încă în construcție, dar acest tip de reactor nu a egalat succesul reactoarelor termice în

nici un domeniu.

Reactoarele termice de putere pot fi împărțite și ele în trei tipuri și anume: cu vas de presiune, cu canale

combustibile presurizate, respectiv cu răcire cu gaz.

Reactoare cu vase de presiune se întâlnesc în multe centrale comerciale dar și în propulsia unor nave. În acest

tip de reactor termic, vasul de presiune joacă, în același timp, și rolul de scut de protecție și, respectiv, de

container pentru combustibilul nuclear. Ca scut protector, vasul (recipientul) de presiune este destinat asigurării

reactorului nuclear contra cutremurelor sau/șibombardamentelor. El trebuie să fie atât de robust construit, încât

în situațiile critice menționate nu are voie nici crăpături (fisuri) să obțină.

Canalele presurizate sunt folosite în reactoarele de tip RBMK și CANDU. Reactoarele de acest tip prezintă

avantajul de a putea fi aprovizionate (încărcate) cu combustibil proaspăt chiar în timpul funcționării.

Reactoarele răcite cu gaz folosesc (prin recirculare) un gaz inert, de obicei heliu, dar pot utiliza și azot sau

bioxid de carbon. Utilizarea căldurii variază de la reactor la reactor. Unele reactoare trimit căldura în turbine cu

gaz, direct sau prin intermediul unui schimbător de căldură. Reactorul de tip PBMR, de exemplu, este răcit cu

gaz.

Atâta timp cât apa servește ca moderator, ea nu poate fi folosită ca fluid de răcire în reactoarele rapide. Cele

mai multe reactoare rapide sunt răcite cu metal lichid, de obicei sodiu topit. Ele sunt de două tipuri: cu piscină,

respectiv cu buclă. Sistemul de răcire al unui reactor nuclear trebuie să multiplu asigurat.

Această siguranță multiplu realizată este imperios necesară, fiindcă în cazul unei nerăciri a unui reactor în

funcțiune se poate ajunge, din cauza supraîncălzirii sale rapide, la topirea reactorului ceea ce ar fi

o catastrofă]] nucleară (atomică).

Familii actuale de reactoare

•Pool type reactor = reactor cu piscină

•Pressurized Water Reactor (PWR) = reactor cu apă sub presiune

•Boiling Water Reactor (BWR) = reactor cu apă fierbătoare

•Fast Breeder Reactor (FBR) = reactor rapid reproducător

•Pressurized Heavy Water Reactor (PHWR) sau CANDU = reactor cu apă grea sub presiune

•United States Naval reactor = reactor utilizat de marina Statelor Unite.

Tipuri vechi aflate încă în funcțiune

•Magnox reactor = reactor Magnox

•Advanced Gas-cooled Reactor (AGR) = reactor avansat răcit cu gaz

•Light water cooled graphite moderated reactor (RBMK) = reactor răcit cu apă ușoară și moderat cu grafit.

Alte tipuri de reactoare

•Aqueous Homogeneous Reactor = reactor omogen cu apă •Liquid Fluoride Reactor = reactor cu floruri lichide

Reactoare rapide

Există mai mult de o duzină de proiecte de reactoare avansate, aflate în diferite stadii de dezvoltare. Unele

sunt îmbunătățiri ale proiectelor anterioare PWR, BWR și PHWR, altele sunt radical diferite. Primele includ

reactoarele avansate cu apă în fierbere (Advanced Boiling Water Reactor = ABWR) dintre care două sunt deja

operaționale și altele în construcție, respective reactoarele cu securitate pasivă ESBWR și AP1000. Cel mai

radical și nou proiect este reactorul modulare cu strat modular (PBMR) ce face parte din categoria reactoarelor

de înaltă temperatură răcite cu gaz (HTGCR). De menționat este faptul că se află în stare de proiect noul tip de

reactor, CAESAR (Clean And Environmentally Safe Advanced Reactor = reactor avansat, curat și sigur pentru

mediul înconjurător), ce folosește aburul pe post de moderator.

Reactoare de generația a IV-a

Cele mai avansate proiecte de reactoare nucleare sunt cunoscute sub denumirea de Generația a IV-a și sunt

împărțite în șase clase:

•Gas cooled fast reactor = reactor rapid răcit cu gaz

•Lead cooled fast reactor = reactor rapid răcit cu plumb

•Molten salt reactor = reactor cu sare topită

•Supercritical water reactor = reactor supercritic cu apă

•Very high temperature reactor = reactor cu temperatură foarte înaltă

•Fission fragment reactor = reactor cu fragmente de fisiune

Managementul deșeurilor radioactive

Stadiul final al ciclului de combustibil nuclear este managementul combustibilului „ars”, foarte înalt radioactiv,

care constituie cea mai problematică componentă a fluxului de deșeuri nucleare. După 50 de ani de energetică

nucleară întrebarea „cum să se administreze aceste resturi materiale” se confruntă cu probleme de securitate

și tehnice, una din importantele direcții de acțiuni a criticilor industriei nucleare fiind chiar aceste costuri și

riscuri pe termen lung asociate cu managementul deșeurilor radioactive.

Administrarea combustibilului ars poate include variate combinații de stocare, reprocesare și depozitare finală.

În practică, combustibilul ars este stocat în piscine cu apă ușoară (normală), de obicei chiar în incinta centralei.

Apa asigură răcirea combustibilului ars și este un ecran de protecție împotriva radioactivității acestuia. După

perioada de răcire și diminuare a nivelului de radiații, combustibilul ars este stocat (stocare uscată) fie în

containere intermediare de oțel și beton monitorizate cu atenție, fie în depozite finale sub formă de puțuri

adânci săpate în diferite formațiuni geologice.

Reprocesarea combustibilului ars este atractivă deoarece (1) permite reciclarea combustibilul nuclear și (2)

asigură pregătirea deșeurilor pentru depozitarea finală. Totuși, experiența Franței, de exemplu, a arătat că

depozitarea finală este mult mai economică deoarece reprocesarea combustibilului ars conduce la creșterea

de 17 ori a cantității de deșeuri radioactive sub formă lichidă.

Reactoare nucleare naturale

Un reactor nuclear de fisiune natural poate să apară în unele circumstanțe care reproduc condițiile dintr-un

reactor construit. Singurul reactor nuclear natural cunoscut s-a format acum 2 miliarde de ani la Oklo, în Gabon

– Africa. Asemenea reactoare nu se mai pot forma pe Pământ: dezintegrarea radioactivă pe această durată

imensă de timp a redus proporția de U-235 în uraniul natural sub limita cerută pentru a susține o reacție

nucleară în lanț.

Reactoarele nucleare naturale s-au format atunci când depozitele de minerale bogate în uraniu au fost

inundate de apa freatică, acționând ca un moderator de neutroni și determinând inițierea reacției în lanț.

Aceste reactoare naturale sunt studiate de către oamenii de știință interesați de depozitarea geologică a

deșeurilor radioactive. Respectivele reactoare reprezintă un caz deosebit de studiu al migrației izotopilor

radioactivi în scoarța Pământului, subiect abordat, de altfel, și de criticii actualei tehnologii nucleare, mai ales în

legătură cu depozitarea deșeurilor radioactive provenite din centralele de putere.