Impactul Deseurilor Radioactive asupra Mediului - Radiatiile si Centralele Nucleare

UNIVERSITATEA DUNAREA DE JOS DIN GALATI

Sesiunea Cercurilor Stiintifice Studentesti, 11-14 mai 2007

IMPACTUL DESEURILOR RADIOACTIVE ASUPRA MEDIULUI.Radiaiile i centralele nucleare

Autori: An III, Grupa 49031

Coordonator tiinific: dr.ing.Carmen PAPADATU

Facultatea de Metalurgie i tiina Materialelor

Radiaiile nucleare

n univers majoritatea atomilor care compun elemente chimice sunt stabili. Cei mai stabili sunt cei care conin un numr magic de neutroni (2, 8, 20, 50, 82, 126) sau de protoni (2, 8, 20, 50, 82). Aceast proprietate de stabilitate deosebit se explic prinexistena unor inveliuri nucleonice complete. Atunci cand excesul de neutroni din nucleu depete o anumit limit, nucleul devine instabil. Depirea strii de instabilitate se poate realiza prin dezintegrri radioactive succesive i emiterea unor radiaii nucleare. Deci radiaiile nucleare sunt emisii de particule elementare sau unde electromagnetice care se propag n spaiu, fiind insoite de o energie pe care o cedeaz total sau parial materiei cu care intr n contact.

Materialele care emit astfel de radiaii se numesc materiale radioactive.

Proprietile nucleelor de a se dezintegra spontan, prin emisia unor radiaii, se numete radioactivitate natural. Prin bombardarea unor nuclee stabile cu neutroni sau cu alte particule se obine radioactivitatea artificial.

Tipuri de radiaii

Principalele tipuri de radiaii ionizate ntlnite n natur, n centralele nucleare sau utilizate n domeniul medical sunt: , , , neutroni, raze X i radiaii cosmice.

Radiaiile o particul este n esen un nucleu de He cu energie foarte ridicat, emis de un izotop radioactiv. Particular este ncrcat pozitiv, fiind format din 2 protoni i 2 neutroni. Particula are o putere de penetrare foarte sczut, putnd fi stopat chiar i de o folie de hrtie.

Radiaiile sunt constituite din electroni (particule elementare cu sarcun electric) cu viteze mari, provenii din nuclee instabile. Particulele au o putere mai mare de pentrare dect particulele putnd fi stopate de o folie de aluminiu.

Radiaiile sunt radiaii electromagnetice, monocromatice (fotoni) emise de nucleele excitate. Capacitatea de penetrare a acestor radiaii este mult mai mare dect a radiaiilor i , pentru stoparea acestora fiind necesar un perete de beton, din plumb sau o cantitate mare de ap.

Neutronii sunt particule lipsite de sarcin electric, eliberate prin reacii nucleare, inclusive prin fisiune. Neutronii au o putere de penetrare dependent de energia lor. O protecie eficient mpotriva neutronilor se poate realiza prin pereii de beton sau cantiti mari de ap.

Razele X sunt dadiaii emise n urma unor tranziii energetice ale atomilor i au energii mult mai joase dect radiaiile , avnd o putere mare de penetrareau o larg utilizare n domeniul medical fiind obinute prin bombardarea unei inte metalice cu electroni.Radiatiile X (Roentgen) au o mare putere de patrundere si proprietatea de a fi absorbite de tesuturile moi, oasele capului, metalele grele si plumbul. Roentgen a iradiat mana sotiei sale, obtinand prima fotografie in care apareau oasele mainii si verigheta sotiei.

Radiatiile X sau Rntgen - nu sunt incarcate cu electricitate, sunt neutre din punct de vedere electric, cu o serie de caracteristici:

- sunt radiatii corpusculare alcatuite din particule, fotoni nucleari moi si duri care formeaza radiatia moale si dura nucleara;

- au o mare putere de patrundere, strabate straturi groase de corpuri opace pentru lumina obisnuita - hartie, carton, trec prin placi de aluminiu si fier;- nu sunt deviate de campul electric si magnetic;- impresioneaza placa fotografica;

- lungime de unda foarte mica de 1000 ori mai mica decat lumina obisnuita;- se propaga cu viteza luminii.

Radiaiile cosmice sunt particule enegetice care n atmosfer sufer intereaciuni complexe i sunt absorbite in mod gradat, astfel nct doza nmagazinat scade pe msur ce se apropie de sol (la altitudinea de 300 m este aproape de de 3 ori mai mare dect la nivelul mrii). Radiatiile hertiene cunoscute si sub denumirea de unde radio, se propaga in linie dreapta si cu viteza finita, avand proprietatea de a se reflecta atunci cand intalnesc obiecte sau obstacole in calea lor. Datorita acestei proprietatii, undele radio sunt utilizate in detectarea si determinarea pozitiei unui obiect sau avion aflat in zbor, prin emisia unor unde radio, reflectarea lor de catre obiect si receptionarea lor de la obiectul detectat.

Radiatiile hertiene se produc prin saltul electronilor pe orbite mai apropiate intre ele, cele care au un nivel energetic foarte scazut.

Radiatiile hertiene sunt absorbite de catre pamant, cele care au lungimi de unda cuprinse intre 1 centimetru si 30 metri, trec prin atmosfera Pamantului numita fereastra radio.

Radiatiile hertiene care au lungimea de unda mai mare de 30 metri, sufera reflexia pe ionosfera.

Datorita reflexiei acestor radiatii emise din spatiul cosmic, acestea nu pot fi in intregime studiate de la suprafata Pamantului.

Figura 1

Figura. 2.

Datorita acestei proprietatii, undele radio sunt utilizate in detectarea si determinarea pozitiei unui obiect sau avion aflat in zbor, prin emisia unor unde radio, reflectarea lor de catre obiect si receptionarea lor de la obiectul detectat.

Radiatiile hertiene se produc prin saltul electronilor pe orbite mai apropiate intre ele, cele care au un nivel energetic foarte scazut.

Radiatiile hertiene sunt absorbite de catre pamant, cele care au lungimi de unda cuprinse intre 1 centimetru si 30 metri, trec prin atmosfera Pamantului numita fereastra radio.

Radiatiile hertiene care au lungimea de unda mai mare de 30 metri, sufera reflexia pe ionosfera Figura 1).

Datorita reflexiei acestor radiatii emise din spatiul cosmic, acestea nu pot fi in intregime studiate de la suprafata Pamantului.

In ultima perioada de timp se folosesc sateliti specializati care ne ajuta sa obtinem informatii cu ajutorul undelor radio din spatiul cosmic.

Primele cercetarii asupra radiatiilor termice s-au facut asupra spectrului solar, iar lumina si caldura emisa de Soare au fost descompuse cu ajutorul unei prisme de sticla.S-a ajuns la radiatia termica, atunci cand s-a observat ca, actiunea chimica a radiatiei spectrului solar creste pe masura deplasarii de la rosu la violet. Din acest imens spectru de radiatii electromagnetice, ochiul uman sesizeaza numai radiatiile cuprinse intre radiatiile infrarosii si cele ultraviolete, numai radiatiile vizibile.

Radiatiile electromagnetice existente in Univers sunt rezultatul unor procese termonucleare care au loc in Soare sau Galaxii.

Un corp incandescent isi schimba culoarea, deci si frecventa, odata cu temperatura.

La 500C fierul are culoarea rosu inchis, devenind pe masura ce temperatura creste rosu-aprins, portocaliu, galben, apoi alb stralucitor la 1800C.Radiatiile infrarosii se produc prin saltul electronilor de pe o orbita mai inalta pe una mai apropiata de nucleul atomic.Fotografierea in infrarosu constituie o aplicatie practica foarte importanta. Propagarea radiatiilor infrarosii nu este influentata de atmosfera viciata de praf, fum, ceata, etc., putandu-se fotografia peisaje, munti sau orase situate la mare distanta.

Absorbtia si reflexia in infrarosu difera de cele de lumina, pe astfel de fotografii culorile avand alte nuante. Apa absoarbe radiatiile infrarosii si apare ca cerneala, metalul este stralucitor ca oglinda, iar culorile inchise devin deschise.

Imaginile obtinute in astronomie au permis cunoasterea formelor de relief, compozitie chimica, a temperaturii, constituirea planetelor, stelelor, nebuloaselor si galaxiilor.

Radiatiile vizibile reprezinta lumina pe care retina ochiului o sesizeaza avand de multe ori culori diferite.

In afara celor sapte culori ale curcubeului, exista o infinitate de nuante intermediare pe care totusi ochiul nostru nu le mai poate sesiza, decat intr-un numar limitat de culori. Radiatiile vizibile se produc prin saltul electronilor de pe o orbita mai inalta pe una cat mai apropiata de nucleul atomic.

Atomul este un sistem oscilant care poate absorbi sau emite o radiatie electromagnetica. Atomul trece dintr-o stare energetica in alta, prin saltul electronului de pe orbita fundamentala pe o orbita superioara, atomul absoarbe energie, iar la revenirea electronului de pe orbita superioara pe orbita fundamentala, atomul emite energie.

Energia radiatiei emise la un salt al electronului in atom este egala cu diferenta dintre energiile celor doua orbite intre care are loc saltul electronului. Cu cat aceast diferenta este mai mare cu atat frecventa radiatiei emise este mai mare.

Radiatiile ultraviolete sunt invizibile pentru ochiul uman. Acestea se obtin cu ajutorul lampilor cu vapori de mercur in care se produc descarcari electrice.

Efectele radiaiilor

Interaciunea radiaiilor cu un material, n faza iniial, nu difer dac materialul este substanta vie sau fr via, constnd ntr-un transfer de energie.

Utilizarea radiaiilor n condiii controlate poate avea efecte benefice asupra omului. Este cunoscut utilizarea radiaiilor n tratamentele medicale (distrugerea celulelor canceroase), diagnosticri (radiografii), n industria alimentar (conservarea alimentelor) i industria farmaceutic (sterilizarea instrumentelor chirurgicale), etc.

Pe de alt parte radiaiile pot distruge importante grupe celulare.

Efectele biologice ale radiaiilor pot fi grupate n :

-efecte somatice, care apar la nivelul celulelor i acioneaz asupra fiziologiei individului expus, provocnd unele distrugeri care ar putea conduce la moarte sau la reducerea speranei de via.

-efectele genetice, care apar n celulele germinale, conducnd, la mutaii genetice la descendeni.

Soarele emite in mod continuu radiatii ultraviolete. In multe cazuri, oameni au fost supusi unor radiatii pe care le-au denumit radiatii termice. Acestea le-au creat probleme de sanatate prin iritarea, inrosirea pielii sau umflarea fetei, etc. De fapt, era rezultatul efectului radiatiilor ultraviolete pe care le cunoastem prin expunerea exagerata la soare.

Radiatiile ultraviolete se produc prin saltul electronilor de pe o orbita mai inalta pe orbita ceea mai apropiata de nucleul atomic.Fiind orbiti de succesele descoperirii radioactivitati am uitat si am aruncat la gunoi de-a lungul timpului lucrari foarte importante.

Progresele facute de oamenii de stiinta in ultimi 150 de ani cu privire la constituirea materiei, au la baza fenomene observate cu prilejul descarcarilor electrice in gaze.

Msuri de protecie mpotriva radiaiilor nucleare

ntr-o central nuclear, reactorul reprezint o surs puternic de radiaii. Radiaiile i , datorit capacitii reduse de penetrare, sunt practic absorbite n regiunea sursei. Neutronii i radiaiile , datorit capacitii ridicate de penetrare, nu pot fi absorbite n regiunea sursei i este necesar aplicarea unor msuri speciale de protejare a personalului mpotriva iradierii. De asemenea, i pentru alte sisteme ale centralei, care conin substane radioactive datorit contaminrii prin contact cu reactorul (circuitul primar, circuitul moderatorului i maina de ncrcare-descrcare combustibil), trebuie realizat o protecie corespunztoare.

Msurile de protecie au ca principal scop protecia personalului operator i a populaiei astfel nct dozele ncasate de acetia s nu depeasc limitele impuse de normele naionale i internaionale care prevd pentru personalul operator o doz anual de 5 rem, iar pentru populaie 0,5 rem.

La centralele CANDU se face o zonare n funcie de nivelul de radiaii i se fac calcule pentru dimensionarea proteciilor biologice pentru alegerea materialelor utilizate n acest scop. n timpul funcionrii, accesul personalului de exploatare n cldirea reactorului este permis numai n zonele unde nivelul radiaiilor este sczut (maxim 0,6 mrem/h). In zonele unde nivelul radiaiilor este ridicat, accesul n vederea efecturii unor reparaii se face numai dup ce s-a oprit reactorul, s-a decontaminat zona i a trecut suficient timp pn cnd nivelul radiaiilor a atins nivelul de acceptan. De asemenea, se vor utiliza ecrane de protecie i costume speciale de protecie a operatorilor.

Pentru protecia personalului de exploatare, mpotriva contaminrii radioactive se folosesc sisteme de ventilare cu filtre pentru reinerea suspensiilor radioactive i sisteme de recuperare a vaporilor de ap grea.

Proteciile biologice mpotriva radiaiilor n centralele nucleare sunt clasificate astfel: protecii primare, protecii secundare, protecii auxiliare, protecii speciale.

Proteciile primare au drept scop atenuarea dozei de radiaii datorit neutronilor provenii din reactor. Ele constau din:

-protecia lateral realizat prin proteciile de capt i parial prin peretele din beton al chesonului calandriei (se asigur o grosime a proteciei biologice de aproximativ 1 m).

-proteciile de capt constau din 2 plci tubulare din oel, ntre care se gasete un spaiu care se umple cu bile din oel i ap uoar asigurndu-se astfel protecia biologic a zonelor din faa canalelor de combustibil.

-protecia biologic n dreptul canalului de combustibil se asigur prin dopuri de protecie din oel inox montate pe fiecare canal.

-protecia biologic pe direcia transversal este realizat de peretele din beton al chesonului i de apa uoar din cheson. La partea superioar a reactorului, protecia biologic este realizat de apa din cheson i de plci din oel i beton.

-protectia biologic la partea inferioar a reactorului se realizeaz cu ajutorul apei din cheson, a chesonului i a planeului din beton.

Proteciile secundare sunt plasate n zona circuitului primar pentru protejarea mpotriva radiaiilor n condiii normale de funcionare. Protecia biologic este realizat prin plasarea principalelor echipamente (generatorii de abur, colectorii, pompele circuitului primar) n boxele formate din perei groi de beton.

Proteciile auxiliare cuprind proteciile biologice ale echipamentelor auxiliare cum ar fi: circuitul moderatorului, maina de ncrcare-descrcare combustibil, schimbtorii de cldur, schimbtorii de ioni, pompe, rezervoare i sunt reazate din beton (perei sau planee).

Proteciile speciale sunt utilizate n scopul protejrii de radiaii n anumite zone care nu au fost cuprinse n clasificrile anterioare. Proteciile biologice sunt realizate din beton, oel sau ap.

Prin concepia de proiectare se previn scprile de materiale radioactive prin realizarea unor bariere successive n calea scprilor acestor materiale radioactive:combustibilul, teaca combustibilului, circuitul primar, anvelopa, zona de excludere (figura 3).

Combustibilul folosit n reactoarele CANDU de la Cernavoda este rezistent la difuzia produselor de fisiune, aproape toate fiind reinute n combustibil i nu pot scpa n exterior dect dac are loc o supranclzire a combustibilului pn aproape de topire.

Teaca combustibilului este o incint etan n care este nchis combustibilul, nepermitnd contactul acestuia cu agentul de rcire.

Circuitul primar este un circuit nchis care reduce aria contaminrii ntr-o central nuclear.

Anvelopa este o incint etana din beton, groas de 1 m, n care se afl reactorul i toate sistemele contaminate.

Zona de excludere reprezint zona de 1 km din jurul centralei care este nelocuit i unde are loc diluia atmosferic a eliberrilor radioactive.

a). b).

Figura 3: Reactor CANDU utilizat la Centrala de la Cernavoda a).Bariere impotricva eliberarii radioactive; b).Protectii biologice primare

Sisteme speciale de securitate

Pentru asigurarea securitii nucleare ( respectiv protecia populaliei i a mediului

nconjurtor), CNE Cernavod este prevzut cu 4 sisteme speciale de securitate. n

eventualitatea unei avarii sau a unui accident in funcie de natura i de gravitate acestuia, sistemele speciale de securitate intervin pentru protecia reactorului, micorarea

consecinelor i reducerea canntitii de materiale radioactive eliberate in afara centralei. Figura 4:Funciile sistemelor de securitate sunt urmtoarele:

1. Oprirea automat areactorului in caz de avarie;

2. Rcirea reactorului in cazul pierderii agentului de rcire;

3. Meninerea unei bariere in calea eliberrilor radioactive.

Sisteme speciale de securitate (figura 4)- Sistemul nr. 1 de oprire rapid a reactorului (SOR1)

- Sistemul nr. 2 de oprire rapid a reactorului (SOR2)

- Rcire la avarie a zonei active a reactorului;

- Sistemul anvelopei.

Sistemele de securitate au o fiabilitate foarte ridicat ( la 1000 solicitri de intrare in funciune se admite osingur indisponibilitate).

SORl are rolul de oprire automat a reactorului atunci cnd unul din parametrii vitali depete o anumit valoare prestabilit. Oprirea este realizat prin introducerea rapid in reactor aunor bare puternic absorbant de neutroni oprindu-se astfel reacia de fisiune in lant. Comanda automat abarelor se face prin calculatorul de proces care sesizeaz orice regim anormal de functionare.

Spre deosebire de centralele mai vechi care sunt prevzute cu un singur sistem de oprire a reactorului la centralele noi sunt prevzute 2 sisteme de oprire a reactorului, distincte i independente, cu principii de funcionare diferite.

La CNE Cernavod, SOR2 este un sistem care determin oprirea prin injectia in moderator a unei otrvi in stare lichid, gadolinul, puternic absorbent de neutroni.

Bibliografie:[1] Virgil Manoliu. Fizica sistemelor atomice isolate si neizolate care nu se mai afla in echilibru termodinamic -Note de curs, Bucuresti, 2006

[2].Google.com/ centrale nucleare[3].E.Vasilescu, C.Papadatu TRatarea , valorificarea, depozitarea si eliminarea deseurilor toxice si radioactive-Indrumar de laborator- Galati, 2006.