Cum funcționează o centrală nucleară

Mai țineți minte versurile din imn? “Să facem din tun tractoare / Din atom, lumini, izvoare…”. Ei, bine, despre asta va fi vorba azi. Pentru că data trecută am rămas doar la principiul de funcționare a bombei atomice. Ca să extragem niște energie utilă din atom, vă spuneam că e nevoie să controlăm puțin reacția în lanț care apare într-o bucată de, să zicem, uraniu.

Dar să reluăm și detaliem puțin: în primul rînd, energia eliberată prin fisiunea atomilor este convertită în energie termică (sau căldură). Energia asta termică apare din două surse principale: pe de o parte este vorba despre energia cinetică a nucleelor-fiică (rezultatul fisiunii), care, vă spuneam ieri, au viteze de vreo 3% din viteza luminii. Vitezele astea ale particulelor nu reprezintă nimic altceva decît o temperatură mai mare. Deci, s-a generat căldură. În plus, mai intervine dezintegrarea radioactivă a nucleelor-fiică, la rîndul lor radioactive: ele dezintegrează, în timp, prin emiterea de radiații electromagnetice (raze gamma) sau particule alfa (/alpha, care de fapt sînt ansambluri de doi protoni și doi neutroni, deci nuclee de heliu) și beta (/beta, de fapt electroni). La rîndul lor, particulele alfa și beta au viteze mari, deci “agită” și ele mediul în care apar, crescîndu-i temperatura. Iar radiațiile gamma emise în timpul fisiunii sînt și ele reabsorbite, cu același efect. Energia termică e cea cu adevărat utilă, pentru că poate fi convertită în curent electric, prin punerea în mișcare a unei turbine conectate la un generator.

Totodată, mai spuneam că neutronii care apar în procesul fisiunii trebuie să fie termalizați pentru a putea participa la reacția în laț, provocînd fisiunea altor nuclee de uraniu. (Știu, pînă acum am zis “nuclei”, acum am trecut pe “nuclee”, înțeleg că ambele forme sînt acceptate, da’ uneori sună mai bine la masculin, alteori la neutru. O să-mi permit să le amestec în funcție de cum îmi place mie. Sper să-mi permiteți.) Motivul e bine explicat într-un comentariu printr-o analogie a amicului Mostrofontz: dacă Brad Pitt trece în viteză pe lîngă un cuplu, șansele ca ea să-și lase iubitul și s-o taie după actor sînt mai mici decît dacă omul se oprește, schimbă o vorbă, îi face din ochi… Mă rog, presupunînd că Angelina nu-i prin zonă, să mi ți-l căpăcească pe ăsta. Caz în care “secțiunea eficace” este dramatic mai mică și văd că am intrat în bălării. Așa-i cu analogiile astea.  Anyhoo, you get the idea.

Ei bine, ca reacția în lanț să poată fi controlată și utilizată e nevoie de cîteva chestii. În primul rînd, trebuie să putem încetini neutronii. Termalizarea (încetinirea) neutronilor se face cu ajutorul unui moderator (apa, grafitul, ce mai găsim prin casă). În al doilea rînd, căldura degajată în urma proceselor radioactive trebuie să fie cumva preluată de un alt mediu, care să fie în stare să miște o turbină. Aici, tot apa ne rezolvă, deși uneori se folosesc săruri sau metale topite. În principiu, apa preia din căldura rezultată, se evaporă, astfel generăm aburi sub presiune, ăștia pun turbina în mișcare iar apoi sînt condesați la loc și reiau circuitul. Și în al treilea rînd, este nevoie de o metodă de control a reactivității combustibilului, prin reglarea numărului de neutroni care să participe la fisiune. În general, se folosesc așa-zisele “otrăvuri de neutroni” (neutron poisons), materiale care absorb neutronii și care, sub forma unor bare, sînt introduse mai mult sau mai puțin în reactor, scăzînd (sau, prin retragere, crescînd) cantitatea de energie degajată. Cu cele trei probleme rezolvate, putem purcede la construirea unui reactor, precum în imagine.

Dar să revenim puțin la apă. La majoritatea reactoarelor funcționale în prezent, apa normală (H₂O) este folosită atît ca moderator cît și ca agent de răcire (de fapt, de preluare a căldurii). Și aici intervine deosebirea majoră dintre cele mai comune două tipuri de reactoare. La primul model, cel din imaginea de mai sus (preluată de pe BBC), căruia i se spune Boiling Water Reactor – BWR, apa care intră în contact cu barele de uraniu preia căldura generată, se evaporă, pune în mișcare turbina, apoi se condensează și reintră în ciclu.

Al doilea model (Pressurized Water Reactor – PWR) folosește apă sub presiune băgată în camera de reacție pentru a prelua căldura de la combustibil. Dar în loc să evapore direct această apă, o trece printr-un generator de aburi, în care apa dintr-un circuit secundar, izolată de cea “radioactivizată” prin intrarea în contact cu uraniul, este evaporată și pune turbina în mișcare. Ăsta e mai sigur, părțile radioactive sînt mai bine izolate de exterior, drept care este modelul cel mai frecvent folosit. (Sursa imaginii: wiki.)

Două cuvinte despre moderator/răcitor. Adică apa. Și în funcție de asta există două tipuri de reactoare: dacă ai posibilitatea să îmbogățești uraniul (adică să crești concentrația de ²³⁵U din combustibil), poți folosi apă normală (desigur, demineralizată) pentru a modera neutronii. Dacă, pe de altă parte, procesul de îmbogățire a uraniului e prea scump pentru buzunarul tău, poți folosi uraniu natural, dar atunci moderarea trebuie să fie mai eficientă, drept care vei folosi apă grea. Adică apă în care hidrogenul mai are un neutron pe lîngă protonul din nucleu (d-aia e mai grea, literalmente). Pentru că apa grea e mult mai eficientă la încetinirea neutronilor, deci mai mulți vor fi mai potoliți și vor putea susține reacția în lanț.

Ei bine, reactorul nostru de la Cernavodă e din ăla cu apă grea, de tip PWR. Reactoarele de la Daiichi, ăstea care au probleme de o săptămînă încoace, sînt de tip BWR. Dar nu asta le-a cauzat problemele. Despre care vorbim la următoarea întîlnire.