Reactorii Nucleari

Reactorii Nucleari

Dozele pr care populatia le primeste prin intermediul deversarilor radioactive ca rezultat al programului energetic nuclear sunt prezentate in cap. 4 si tot acolo sunt discutate dozele primite de cei ce lucreaza in industria nucleara. In acest capitol vom lua in consideratie un alt aspect al energeticii nucleare si anume securitatea reactorilor nucleari.

Tipuri de reactori

Reactorii nucleari sunt denumiti asa deoarece ei depind in functionarea lor de o reactie intre neutroni si nucleele atomice ale combustibilului. Exista doua tipuri: reactori cu neutroni termici si reactori cu neutroni rapizi sau, pe scurt , reactori termici si rapizi. Acesti termeni se refera la energia neutronilor care sunt implicati in procesul nuclear. Neutronii termici sunt aceia care au o energie joasa, in timp ce neutroni rapizi au o energie inalta.

Uraniul este alcatuit in principal din nucleele a doi izotopi: uraniul-235 (0,7%) si uraniul -238 (99,3%). Cand un neutron termic patrunde intr-un nucleu de uraniu-235, il obliga pe acesta sa sufere o fisiune, adica sa se despic in doua fracmente (produse de fisiune) cu energie mare, precum si sa elibereze cativa alti neutroni de mare energie si radiatii gamma. Neutronii termici care patrund in nucleul de uraniu-238 produc uraniu-239, care in cele din urma se dezintegreaza in plutoniu-239.

Un reactor termic funtioneaza cu combustibil format din uraniu in care concentratia de uraniu-235 este egala sau putin mai mare decat concentratia naturala de 0,7%. Neutronii termici produc fisiunea uraniului-235. Neutronii rapizi care rezulta nu sunt tot atat de capabili de a produce fisiunea si, de aceea, sunt incetiniti facandu-I sa treaca prin apa sau grafit pana cand - prin ciocniri succesive - devin termici si pot provoca o noua serie de fisini, dand nastere astfel unei reactii in lant autointretinute. O parte din neutronii rapizi sunt capturati de nucleele, mult mai abundente, ale uraniului-238, creindu-se plutoniu. Cantitatea de plutoniu creata este cu putin mai mica decat cantitatea de uraniu-235 consumata prin fisiune.

Neutronii rapizi sunt mai putini eficaci in producerea fisiunii, chiar pentru uraniu-238. Cu toate acestea, cand concentratia nucleelor fisionabile de uraniu-235 sau de plutoniu-239 este mare, se pot folosi neutronii rapizi direct intr-un reactor rapid, evitandu-se astfel folosirea apei sau a grafitului ca in reactorul termic. Un reactor rapid incarcat cu un combustibil continand plutoniu-239 si uraniu-238 produce energie prin consumarea prin fisiune a plutoniului, dar in acelasi timp produce mai mult plutoniu prin captura neutronica in uraniu-238. Astfel, un reactor rapid produce ceva mai mult plutoniu decat consuma.

Pe scurt, un reactor termic foloseste proportia mica de uraniu-235 din natura pentru eliberarea de energie si producere de plutoniu-239. Aproape tot

uraniul-238, izotopul cel mai comun, ramane ca deseu. Un reactor rapid poate consuma plutoniu-239 prin fisiune, eliminand energie si convertind uraniul-238, altfel nefolositor, in si mai mult plutoniu, folosirea combinata a reactorilor termici si rapizi poate produce de circa 100 de ori mai multa energie din uraniul natural original decat s-ar obtine din folosirea doar a reactorilor termici. Reactorul rapid foloseste plutoniu produs in reactorii termici, astfel incat bilantul final al plutoniului este mai mic cu un program de reactori micsti decat ar fi cu un program compus doar din reactori termici.

Materialele nucleare existente la aceasti reactori include: uraniul natural; uraniul imbogatit, in care concentratia izotopului uraniu-235 este crescuta prin procese de separare izotopica; uraniu saracit, in care a scazut continutul de uraniu-235 fie prin folosire in reactor, fie prin scoaterea uraniului-235 pentru a produce uraniu imbogatit; plutoniu-239, produs in reactoril produse de fisiune, care sunt aproape toate puternice radioactive; un numar de alti nuclizi creati prin procese colaterale, cum ar fi captura succesiva a neutronilor de catre plutoniu. Ultimul proces produce izotopii unor elemente artificiale ca americiu si curiu.

Prototipuri de reactori rapizi au fost proiectate si experimentate la Dounreay in Scotia, ca si in Franta, R.F. Germania si U.R.S.S.

Schema reactorului

Intr-un reactor combustibilul este aranjat intr-o retea numita Miez. Miezul mai contine si materialul care reduce (sau modereaza) viteza neutronilor si care se numeste moderator. Caldura degajata prin fisiune este preluata din miezul reactorului de un agent de racire. Functionarea reactorului este reglata in special prin miscarea unor bare de control, aflate de asemenea in miez, care au rolul de a absorbineutroni: ele permit reactorului sa fie pus in functiune, sa fie mentinut in funtie si sa fie oprit atunci cand este necesar. Si temperatura miezului are efect de reglare. Cand reactorul este in functiune, reactia in lant se autointretine: un neutron eliberat intr-un proces de fisiune produce, in medie, o alta fisiune.

In uni reactorii termici, moderatorul este grafitul, iar agentul de racire este bioxidul de carbon sub presiune, respectiv apa sub presiune atat ca moderator cat si ca agent de racire pentru reactori termici; acest tip de reactor se numeste reactor cu apa sub presiune. Agentul de racire este trecut printr-un schimbator de caldura, pentru a produce aburul care sa puna in miscare turbina generatorului electric. In anumite tipuri apa este lasata sa fiarba in miezul reactorului, iar aburul este condus direct la turbine.

Miezul unui reactor comercial poate contine de la o suta pana la cateva sute de tone de combustibil. Reactori raciti cu gaz contin,in medie, peste 100 de tone de oxid de uraniu imbogatit. Mai vechii reactori Magnox contin, in medie, peste trei sute de tone de uraniu metalic in compozitie naturala. Combustibilul este inchis in vase metalice, iar miezul este introdus intr-un vas sun presiune. Reactorii Magnox si-au capatat numele dupa aliajul de magneziu din care sunt facute tecile barelor de combustibil. Barele de combustibil se afla intr-o incinta blindata (mantaua reactorului) inconjurata cu ziduri groase, masive, de beton pentru a obtine o protectie fata de radiatiile intense care ar putea fi emise de miez. Reactorii si, practic in toate cazurile, schimbatoarele de caldura se afla in cldirea reactorului.

a. Diagrama schematica a reactorului nuclear racit cu gaz de tipul Magnox

b. Diagrama schematica a reactorului nuclear racit cu apa

Radioactivitatea si puterea dezvoltata

Combustibilul proaspat este doar usor radioactiv si se poate manipula fara ecranare. Activitatea initiala in centrul reactorului este de 10 la a 13 Bq. Daca reactorul a fost pentru catva vreme in funtionare, activitatea a crescut, totusi de circa 10 milioane de ori, pana la aproximativ 10 la 20 Bq. Aceste cresteri masive de activitate se datoresc in special aparitiei in interiorul combustibilului a produselor de fisiune. Se explica astfel de ce este nevoie de atata ecranare in jurul miezului si de ce este vital ca diferitele incinte sa nu se fisureze.

In reactor se dezvolta o cantitate enorma de energie. Puterea termmica a unui reactor racit cu gaz tipic, de exemplu, este de 1500 MW (1500 milioane de wati), echivalenta cu puterea disipata de 1,5 milioane de radiatoare electrice cu o singura bara. Deoarece volumul miezului unui reactor este de circa 550 metri cubi, este vital ca modalitatea de extragere a caldurii degajate sa fie eficace si continua; altfel tecile combustibilului precum si combustibilul insusi se pot topi si pot elibera radioactivitate. Este, de asemenea, vital ca reactorul sa fie controlat astfel incat rata de producere a energiei termice sa nu depaseasca capacitatea sistemului de racire, iat reactorul sa poata fi inchis rapid si sigur in eventualitatea unui accident incipient.

Chiar cand se opreste un reactor din funtionare, produsele de fisiune din combustibil continua sa genereze caldura prin dezintegrare radioactiva. Imediat dupa oprire, puterea produsa reprezinta circa 7% din puterea de lucru, desi aceasta se reduce mai departe in timp; este nevoie astfel in continuare de racire pentru a impiedica topirea elementelor combustibile.

Securitatea reactorului

Astfel, mecanismele principale care privesc securitatea reactorului sunt controlul, racirea si incasetarea. Reactorii trebuie sa fie proiectati, construiti si exploatati in asa fel incat probabilitatea ca aceste mecanisme sa cedeze si, in consecinta, sa se raspandeasca radioactivitate in mediu inconjurator, sa fie foarte mica.

Explozia reactorului de la Cernobil din aprilie 1986 a provocat decese precoce ale unor persoane din zona reactorului, datorite dozelor foarte mari de radiatie. Mai mult, norul radioactiv s-a intins peste unele tari din Europa, printre care si Romania ducand la o contaminare masurabila a mediului si a alimentelor.

In anumite zone din U.R.S.S. dozele au putut fi suficient de mari pentru ca anumite efecte vatamatoare asupra populatiei sa poata fi detectate in decursul timpului.

Consecintele unui accident nuclear

Unreactor nuclear sau o instalatie care prelucreaza combustibil nuclear cumsumat sau deseurile nucleare nu poate exploda ca o bomba atomica. Principalul pericol potential rezida in produsele de fisiune care se acumuleaza in combustibilul nuclear in timpul functionarii reactorului. In eventualitatea cedarii sistemelor de securitate si a dispozitivelor incorporate in centrala nucleara, o mica fractiune din aceste produse ar putea fi eliberata in mediu inconjurator. Proiectele centralelor nucleare incorporeaza o serie de bariere de siguranta impotriva emisiei de radioactivitate, ce constituie un sistem de aparare esalonat in adancime impotriva defectelor si a avariilor potentiale. Cu cat este mai mare pericolul cu atat mai stringente devin masurile de siguranta si astfel riscul expunerii populatiei populatiei la radiatie este facut cat se poate de mic.

Se are in vedere ca in cazul unui accident la o centrala nucleara cel mai probabil nimeni sa nu fie vatamat, pentru ca cel putin una dintre barierele de siguranta trebuie sa impiedice ca accidentul sa ajunga in stadiul in care sa aiba loc o degajare semnificativa de radioactivitate. Inspectoratul Instalatiilor Nucleare are sarcina de a efectua o analiza a detaliilor de securitate pentru fiecare centrala nucleara inainte de a fi construita, astfel incat sa se asigure ca protectia necesara este prevazuta prin proiecte. Aceasta analiza identifica accidentele potentiale sau lanturile de accidente in care ar putea aparea avaria totala sau partiala a barierelor de securitate, unele dintre ele conducand la eliberarea de radioactivitate cu riscul corecpunzator la care se expune populatia. Desi astfel de lanturi de accidente sunt extrem de improbabile, ele sunt folosite ca model pentru a vedea cat sunt de adecvate sistemele de protectie si de securitate implantate in centrala nucleara, cateodata fiind denumite "accidente proiectate" (design based accident - dba). Acest dba care conduce la cele mai mari scapari de radiatie la distanta se numeste "accident de referinta". Pentru aceste accidente potentiale sunt pregatite planurile de urgenta. E posibil sa se imagineze chiar evenimente si mai improbabile care ar conduce la emisie mai mare d radiatii. Probabilitatea acestor evenimente este, insa, atat de mica incat proiectarea unor masuri suplimentare de securitate care ar reduce sansele lor de aparitie sau o extindere a planurilor de urgenta ar fi greu de justificat. Totusi, planurile de urgenta stabilite pentru accidentele de referinta constituie raspunsul de baza pentru orice stare de urgenta aparuta intr-o centrala nucleara si pot fi extinse in cazul in care ar aparea o astfel de necesitate.

Daca un accident intr-o centrala nucleara conduce la o degajare de radioactivitate in atmosfera, vanturile locale vor transporta anumiti izotopi gazosi sau volatili, radioactivi, ca xenonul; kriptonul, iod si cesiu. Emisia ar putea avea loc intr-un interval de timp relativ scurt, dar se poate intinde pe cateva ore sau chiar mai mult in funtie de tipurile de operatii ce se efectueaza in centrala si de mecanismul de emisie. Materialul radioactiv nu va fi sesizabil cu simturile omului, dar se va comporta intr-un mod similar unui nor de fum, dispersandu-se in atmo-

sfera si depunandu-se partial pe pamant. Concentratia substantelor radioactive din nor descreste repede cu distanta, dar urme de material radioactiv se pot gasi la mari distante de locul accidentului.

Radioactivitatea norului prezinta un risc al expuneri radiatiei in trei moduri diferite . Primul - din expunerea externa la radiatia emisa de substantele din norul purtat de vant si de materialul depus pe pamant ca si de populatia ce se afla in calea norului; al doilea - din expunerea interna la radiatie prin inhalarea de substante radioactive din nor; al treilea - pe o intindere mai mare de timp, dintr-un posibil consum al alimentelor contaminate si a apei de baut.

Cantitatea de radiatie emisa intr-un accident de referinta n-ar putea provoca vatamari immediate populatiei. Radiatia directa din norul radioactiv sau din materialul depud de el n-ar prezenta o primejdiesemnificativa, dar poate fi necesar sa se ceara populatiei din vecinatatea accidentuluisa se adaposteasca sau sa ia tablete de iodura de potasiu, ori sa evacueze temporal locuintele pentru a limita expunerea la radiatii. Tabletele de iodura de potasiu vor inhiba asimilarea de iod radioactiv care, inhilat sau ingerat, se acumuleaza in glanda tiroida. Ar putea fi necesar sa se introduca restrictii in distribuirea laptelui produs in zona sau a altor alimente pana la circa 20 km de la loculaccidentului si sa se previna expunerea din partea acestor surse. Aceste masuratori ar asigura ca nici o persoana sa nu fie expusa la un risc semnificativ pentru sanatate. Totusi, in timpul trecerii si a dispersarii norului mase mari de oameni la distante marii de la locul accidentului vor fi expuse la doze foarte mici de radiatie. Cu presupunerea ca si cea mai mica expunere la radiatie poarta cu ea un anumit risc pentru sanatate, exista posibilitatea statistica a catorva decese suplimentare de cancer pentru intreaga populatie expusa, in decursul urmatorilor 20 - 30 de ani.

Daca emisia accidentala de radioactivitate ar depasi valoarea celei pentru accidentul de referinta, primejdia norului s-ar extinde pe o zona mai mare si ar fi necesare actiuni mai energice pentru protejarea populatiei. Expunerea la radiatia norului sau a materialului depus pe sol va avea o semnificatie mai mare, iar planurile de evacuare vor fi mai extinse si vor ramane in vigoare pe o durata mai mare de timp. Restrictiile in distribuirea laptelui si a alimentelor se vor introduce intr-o zona mai mare. In eventualitatea ca acestea s-ar intampla, planurile de urgenta vor acorda ajutorul imediat necesar in vecinatatea locului accidentului si vor forma baza de actiune pe o scara mai mare.

Totusi, nu putem sa nu accentuam cu putere faptul ca probabilitatea de producere a unui accident suficient de sever, pentru a implica populatia din imediata vecinatate a centralei, este intr-adevar foarte mica. Standardele foarte inalte de siguranta folosita in proiectarea si in constructia centralelor nucleare, ca si controlul strict al funtionarii asigura un inalt grad de incredere ca astfel de accidente nu vor avea loc. Planuriel de urgenta ne dau o asigurare in plus ca si daca ar exista o emisie accidentala de radioactivitate, totul este pregatit pentru o actiune prompta de protectie a populatiei.

Cum se poate face un proiect asigurat la accidente

Descrierea de mai inainte a uneiscurgeri ipotetice majore de radioactivita- te subliniaza necesitatea ca proiectantii reactorilor nucleari sa analizeze cu

strigenta defectele ce ar putea aparea in timpul exploatarii, iar autoritatea care avizaseaza sa confirme aceste analize. Defectele posibile se intind de la acelea care n-ar provoca nici o scurgere de radioactivitate la acelea care ar provoca scurgeri triviale pana la scurgeri majore. Defectiuni cu gravitati diferite vor avea diferite probabilitati matematice de aparitie, iar proiectantii trebuie sa aprecieze aceste probabilitati folosindu-se de datele teoretice si experimentale si sa se asigure ca ele sunt sub nivelul cerut.

Reactori trebuie sa fie astfel proiectati si exploatati incat probabilitatea de aparitie a unui accident sa fie cat mai mica in conditii rezonabile. Aceasta cerinta tine cont de cel de al doilea principiu al protectiei radiologice. Dandu-si avizul, Departamentul se intereseaza de o proiectare si o exploatare care sa reduca progresiv probabilitatea unor accidente din ce in ce mai severe. Departamentul a publicat normele de securitate pentru norii reactori. Ele include indici numerici pentru accidentele putin grave, dar in cazul accidentelor majore cerinta de baza este de a face o analiza de la caz la caz. Este clar ca probabilitatea acceptata pentru un accident major trebuie sa fie foarte mica pentru a satisface, in aceasta problema, nevoile societatii.

Masuri pentru cazuri de forta majora

Chiar daca probabilitatea unui accident este mica, prudenta cere sa existe un plan de masuri pentru cazul cand se intampla un accident la o centrala nucleara.

Planurile de masri sunt cerute expres de lege si exista la fiecare centrala nucleara. Ele sunt rezultatul unei actiuni de cooperare intre persoanlul autoritatilor care avizeaza si al autoritatilor locale si a serviciilor de urgenta. Aplicarea unor asemenea planuri este facilitata de organizatii numite Comitete locale de legatura, cu membri care reflecta organizatiile locale si la nivel de provincii, care vor fi implicate in protejarea populatiei in cazul unui accident grav. Desigur ca in cazurile serioase vor fi implicate si autoritatile centrale, ca: Inspectoratul Inslataiilor Nucleare, Ministerul Energiei si Mediului, Ministerul Agriculturii, Pescuitului si Industriei Alimentare, Consiliul National de Protectie Radiologica, pentru a da consultatii si asistenta dupa cerinte.

Din asemenea planuri reies ca fiind esentiale masuri privind o recunoastere cat mai rapida a marimii si naturii scurgerilor radioactive, dispersia lor in mediu, precum si dozele care ar putea aparea. Pentru diferite nivele ale dozelor se pot lua contramasuri cum ar fi obligarea populatiei sa nu iasa din casa, administrarea tabletelor cu iod stabil pentru protejarea tiroidei, interzicerea consumului anumitor produse locale - cum ar fi laptele - si evacuarea unor zone. La scara nationala, Consiliul National de Protectie Radiologica va efectua si coordona o minutioasa cercetare dozimetrica a mediului pentru a linisti populatia care locuieste in zonele neafectate si a face o evaluare a intregului impact al accidentului.

Cum se alege un amplasament

Exista multi factori sociali si tehnici care concura la alegerea amplasamen-

tului unei centrale nucleare, printre cei mai importanti fiind cei privind securitatea. Printre primele consideratii sunt densitatea populatiei din vecinatate si usurinta cu care ar putea fi puse in aplicare planurile de urgenta.

Reactori sunt construiti in locuri indepartate, locuri demiurbane, care satisfac anumite criterii exprimate de Departamentul pentru Sanatate si Securitate a Sanatatii.

Perspective ale securitatii reactorilor

Pentru a accepta programul energetic nuclear este esential faptul ca probabilitatea unor accidente ce reprezinta un risc pentru sanatatea publica sa fie foarte mica, atata in termeni absoluti, cat si in raport cu riscurile ce apar in alte industrii. Nu poate exista, desigur, o incredere absoluta in securitatea reactorilor (ca si a oricarei instalatii industriale), dar riscul poate fi redus printr-o proiectare ingenioasa, o analiza atenta a defectelor posibile, precautie in alegerea amplasamentelor, grija in constructie, vigilenta in exploatare, rigoare in avizare si un plan cuprinzator in caz de urgenta. Pe scurt, trebuie folosita la maxim abilitatea inginereasca pentru a satisface asteptarile societatii in problema securitatii. Pe de alta parte, societatea trebuie sa decida daca accepta sa depinda de priceperea si asigurarile inginerilor pentru atengerea unui nivel acceptabil de scazut al riscului sau sa abandoneze programul si sa se indrepte spre alte surse de energie. O asemenea dependenta nu este specificata numai ingineriei nucleara: securitatea avioanelor, a automobilelor si a tuturor instalatiilor industriale tine seama de ea.