Fisiunea și fuziunea nucleară

O centrala nuclearo-electrica este proiectata sa genereze electricitate din energia atomica eliberata prin fisiune nucleara. Cel mai folosit combustibil atomic este uraniul. Din cauza abundentei sale relative in scoarta pamantului si a caracteristicilor sale fizice si chimice el poate fi folosit economic, in conditii de securitate satisfacatoare.

Combustibilul se obtine prin rafinarea minereului de uraniu pentru extragerea oxidului de uraniu, care este apoi imbogatit in uraniu 235 si ambalat in bare combustibile. Zona activa a reactorului nuclear contine fascicolele de combustibil imersate in apa sistemului primar de racire si este inchisa intr-un vas de otel de aproximativ 5 metri in diametru si 10 metri inaltime. Reactia nucleara de fisiune genereaza caldura care este absorbita de apa din sistemul primar de racire, ce circula in jurul barelor de combustibil din interiorul vasului reactorului. Mai simplu spus, o unitate nuclearo-electrica este un fel de boiler cantinad apa, ce se incalzeste la contactul cu combustibilul fierbinte. Apa incalzita sub forma de abur (in reactorul cu apa in fierbere BWR) sau apa foarte fierbinte (in reactorul cu apa sub presiune: PWR- apa sub presiune poate atinge temperaturi mai mari fara a fierbe) este trimisa la un schimbator de caldura, unde incalzeste o bucla secundara de transfer de caldura si genereaza abur sa invarta o turbina. Rotatia sistemului turbina-generator transforma energia mecanica in energie electrica. Acesta genereaza curent electric.

Pentru a rezuma: reactie nucleara→genereaza caldura →incalzeste apa → genereaza abur →face turbina sa se invarteasca →rotatia turbinei antreneaza un generator→ generatorul converteste miscarea de rotatie in electricitate → Electricitatea este transmisa prin linii de inalta tensiune si distribuita cetatenilor privati si companiilor.

Prin fisiunea nucleelor de uraniu se poate obţine, in reactoarele nucleare cu neutroni termici, o energie de aproximativ 240 milioane de kWh pe tona de minereu de uraniu natural.

Aceasta energie reprezintă doar câteva procente din energia care ar putea fi extrasa dintr-o tona de uraniu natural, deoarece in reactoarele nucleare cu neutroni termici fisionează numai izotopi de 92U235, care in uraniul natural este in proporţie de numai 0,7 %, restul fiind 92U238.

A fost necesar un efort deosebit din partea cercetătorilor in domeniul reactoarelor nucleare, pentru a imagina si a realiza un nou tip de reactoare nucleare si anume reactoarele reproducătoare cu neutroni rapizi in care 92U238 este transformat in 92Pu239 care la rândul sau poate sa fisioneze cu neutroni termici. Astfel, rezervele de energie din minereul de uraniu sunt de câteva zeci de ori mai mari decât cele cunoscute in combustibilii clasici: cărbune, petrol, gaze. Nucleul de uraniu sau plutoniu care fisionează este compus din 235, respectiv 239 particule, si ţinând cont de faptul ca energia produsa de un nucleu este de cca. 200 MeV, rezulta ca se eliberează aproximativ 0,9 MeV pe o particula nucleara. (neutron sau proton).

S-a demonstrat de multa vreme ca se poate obţine o energie de cca. patru ori mai mare pe o particula nucleara daca se realizează o reacţie de fuziune a nucleelor elementelor uşoare (hidrogen, deuteriu, tritiu). Dificultăţile de ordin tehnologic care au apărut in faza iniţiala a experimentelor încep sa fie privite cu un optimism din ce in ce mai accentuat, sperându-se ca in următorii ani sa se poată realiza condiţiile necesare unei reacţii de fuziune controlate. Se intenţionează realizarea unei centrale de cca. 2000 MW electrici care sa consume hidrogen greu si sa producă sub forma de deşeu, heliul. Hidrogenul greu ar putea fi obţinut din apa marii, in care se găseşte in proporţie de 1/6000. O centrala de tipul celei amintite mai sus, va consuma si litiu, pentru producerea tritiului, dar litiul se găseşte in zacamant in proporţie de doua parţi la milion. In reactoarele de fuziune care ar echipa o astfel de centrala nucleara, s-ar putea elibera o energie de 3,5 - 4 MeV pe particula nucleara.

Rezerva de apa grea si litiu de pe glob este de acelaşi ordin de mărime cu cea data de uraniu si de thoriu, fapt care nu este considerat satisfăcător si i-a făcut pe cercetători sa se gândească si la alte posibilitati de a obţine energie in cantitati mari, din ce in ce mai necesare omenirii.

Celebra relaţie a lui Einstein dintre energie si masa (E=mc2), ne-a condus sa atribuim masei de repaos a particulelor nucleare o energie echivalenta de 980 MeV. Reacţia de fuziune ne oferă de fapt cca. 3 - 4 % din ceea ce s-ar putea obţine daca am putea sa utilizam integral energia corespunzătoare masei de repaus a particulelor nucleare.