Romania

Lumea are nevoie de foarte multa energie. Astazi, datorita dezvoltarii tehnologiei, este nevoie de mult mai multa energie decat pana acum. Datele arata ca s-a realizat cel mai mare PIB, cea mai mare productie de energie si cel mai mare consum in functie de durata de viata a oamenilor. Sursa de energie cea mai populara provine din arderea combustibililor fosili (lemn, cărbune, petrol, gaze naturale), insa aceste resurse naturale vor fi in curand epuizate si vor deveni extrem de scumpe. Estimarile actuale variaza de la 50 la 150 de ani. Mai devreme sau mai tarziu, vom avea nevoie de alte forme de energie. Ar putea energia nucleara sa fie raspunsul?

Toate resursele naturale, cum ar fi energia geotermala, energia eoliana, energia solara, etc, implica costuri ridicate, iar in cazul energiei eoliene sau solare este nevoie de o rezerva importanta datorita caracterului temporar al acestora. Hidrocentrala este o sursa importanta si ieftina de energie si poate functiona in mod constant ca sistem de sarcina de baza, insa resursele sale sunt limitate, in multe tari acesta au fost deja exploatate si epuizate.

Avem deja o mare si extrem de eficienta (mai multa decat oricare alta!) sursa de energie la indemana - si anume puterea nucleara. In prezent, aproximativ 16% din energia electrica produsa in lume este energie nucleara. Aceasta energie poate acoperi cererea oamenilor pentru mii de ani - reactoarele de tip breeder reactor pot furniza energie pentru cateva miliarde de ani! Costul productiei totale de energie electrica in centralele nucleare, inclusiv costurile legate de sistemele de siguranta, de protectie impotriva excesului materialelor fisionabile, de dezafectarea reactorului si costurile de tratament si de protectie a deseurilor nucleare, s-au dovedit a fi unele dintre cele mai scazute.

Problema poluarii mediului este aproape non-existenta atunci cand este folosita energia nucleara. De asemenea, nu contribuie cu nimic ca incalzirea globala. Ar fi, astfel, o pierdere teribila daca nu am utiliza extensiv aceste surse de energie nucleara. Problema tehnica este legata de utilizarea intr-un mod cat mai sigur cu putinta. Retineti ca la fiecare 22 de tone de uraniu folosite pentru electricitate este redusa emisia de dioxid de carbon cu aproximativ un milion de tone, dioxid de carbon care ar putea rezulta prin utilizarea echivalentului in carbune.

Exista riscuri privind posibilitatea aparitiei unor probleme intr-un reactor, radiatiile ionizante care sunt eliberate, manipularea deseurilor nucleare sau proliferarea materialului fisionabil. Evaluarea acestor riscuri este o sarcina dificila deoarece acestea nu se incadreaza in categoria generala a riscurilor "voluntare". Cu toate acestea, pentru a avea o idee ne putem uita la "decese la energia electrica produsa". Extractia de carbune si petrol, impreuna cu poluarea aerului cauzata de arderea combustibililor fosili au un factor de risc de aproximativ 40 de ori mai mare decat cel din industria nucleara, de la minele de uraniu la potentiale defectari ale centralelor nucleare, combinate. O singura cedare a unui baraj sau un simplu accident la o uzina chimica poate ucide mii de oameni, in timp ce in cea mai grava (si unica) catastrofa din intreaga istorie a energiei nucleare, cea de la Cernobîl (vezi Lectia privind utilizarea energiei nucleare produsa prin fisiune), doar 31 de persoane au fost ucise, 28 dintre ele datorita dozei de radiatii absorbite. Intregul program nuclear al SUA are un risc similar cu cresterea limitei de viteza pe autostrada de la 80 km/ora la 81 km/ora!

Graficul din stanga ilustreaza riscurile relative (numarul de decese per TWh produs) al diferitelor surse de energie: (Image source: www.adamsmith.org)

In timpul recentului accident de la centrala nucleara din Fukushima, a existat o eliberare masiva de radiatii în mediul inconjurator si expertii estimeaza ca va exista o crestere mare a cazurilor de cancer in randul populatiei in urmatorii 50 de ani. Cu toate acestea nu a existat niciun deces instantaneu din cauza radiatiilor.

Este destul de clar ca nucleele radioactive trebuie sa fie produse in timpul fisiunii. Numărul de neutroni din uraniu (143 sau 146) depaseste cu mult numarul de protoni (92), ceea ce-l face relativ stabil (durata de viata a 238U este de 4,5 miliarde de ani, durata de viata a 235U este de 1.3 miliarde ani). In nucleele mai mici raportul neutron-proton necesar pentru un izotop stabil este mai mic. Astfel, atunci cand nucleul se divide in fragmente mai mici, numarul de neutroni pentru fiecare fragment este mai mare decat cel necesar pentru ca aceasta sa fie stabil. Acest lucru face ca multe din fragmentele de fisiune sa fie instabile (radioactive), iar destul de multe dintre ele au un timp de viata lung.

In plus, in afara de fragmentele de fisiune, sunt produse elemente transuraniene cu ajutorul capturii neutronilor in combustibilul nuclear. Sa presupunem ca un neutron rapid este capturat de nucleul 238U. Dupa doua dezintegrari beta se obtine 239Pu - un element de fisiune care este folosit drept combustibil in reactoarele de tip breeder (se vorbeste in acest caz de ciclul uraniu-plutoniu). Acelasi izotop in reactoare de tip PWR devine deseu nuclear. Trebuie amintit si faptul ca, in timpul functionarii reactorului, materialele din care acesta este construit sunt activate (un produs tipic al unei astfel de activari este 60Co) si trebuie gestionate in mod corect.

Clasificarea deseurilor nucleare:

Tip Volum Continut Radioactiv
Nivel ridicat de deseuri 3% 95%
Nivel mediu de deseuri 7% 4%
Nivel scazut de deseuri 90% 1%

Deseurile cu radioactivitate inalta formeaza 3% din volumul total al desurilor, dar contin 95% din radioactivitatea deseurilor. Deseurile cu radioactivitate joasa reprezinta 90% din volumul total al desurilor, insa contin doar 1% din radioactivitatea deseurilor.

Deseurile nucleare pot pune probleme tehnice serioase, care trebuie sa fie rezolvate pentru a produce energia nucleara in conditii de siguranta pentru oameni. Spre deosebire de carbune, petrol sau gaze naturale, combustibilul nuclear nu arde complet. Acest lucru se datoreaza faptului ca, in timpul procesului de ardere, sunt produsi nuclee care absorb puternic neutroni. Cu timpul, neutronii produsi in timpul fisiunii vor fi absorbiti in cea mai mare parte de produsii de reactie anteriori. Multiplicarea numarului lor intr-un singur act de fisiune nu va fi suficient pentru a mentine reactia in lant. Astfel elementele combustibile nu mai poate servi drept combustibil si devin deseuri nucleare puternic radioactiv.

Mai mult decat atat, timpul de injumatatire al elementelor produse in reactia de fisiune este adesea de ordinul a zeci sau chiar sute de mii de ani, astfel încat trebuie sa fim precauti atunci cand stocam aceste deseuri pentru un timp foarte lung. Stocarea deseurilor este principala cauza care creeaza probleme sociale, politice si de reglementare grave.

In cazul reactoarelor de cercetare, care nu produc mult combustibil uzat, cel mai simplu mod este de a utiliza un rezervor de stocare cu apa, de obicei amplasat langa reactor. Combustibilul uzat poate fi pastrat atata timp cat coroziunea lui ne permite, de obicei, aproximativ 30-40 de ani. Intre timp, temperatura barelor de combustibil scade, iar procesele naturale de dezintegrare le reduc activitatea. Alti 40 sau 50 de ani de depozitare trebuie sa treaca pentru ca activitatea combustibilului uzat sa devina suficient de scazuta pentru a permite depozitarea definitiva a deseurilor nucleare.

In cazul centralelor nucleare pot fi folosite metode similare. Cu toate acestea, dupa cativa ani de pastrare a combustibilului uzat in rezervorul cu apa, acesta este transportat in fabricile de prelucrare unde pot suferi procese chimice prin care sunt recuperate si apoi sunt utilizate ca elemente de fisiune (uraniu, plutoniu și alte elemente transuranice) in productia de combustibil proaspat. Materialul ramas, in mare parte in forma lichida, este vitrifiat, inchis in containere metalice mari (butoaie) si trimis la depozit. O astfel de tehnologie nu este foarte raspandita, fiind nevoie de un mediu de inalta tehnologie. In cazul in care combustibilul uzat nu este reprocesat, acesta trebuie sa fie depozitat in mod direct, in butoaie de metal adecvate, in depozite speciale, sub pamant: in mine de sare, argile sau roci de granit, vechi.

Depozitarea deseurilor nucleare la o adancime de 500-1000m sub pamant ofera o siguranta mai mare decat depozitarea pe sol. Radiatia emisa, dupa o perioada de 1000 de ani, va fi la nivelul radiatiilor naturale in primii 1000 de metri ai scoartei terestre. Desigur, daca vom invata sa transmutam si sa incineram deseurile nucleare, problema va deveni si mai usoara. Depozitarea in adancime nu prezinta niciun pericol real pentru oamenii care traiesc in jurul sitului de stocare, riscul ar putea aparea doar daca cineva ar incerca din greseala sa foloseasca terenul pentru alte scopuri, de exemplu pentru a fora. Chiar si intr-un astfel de caz pericolul ar ramane local, cu siguranta nu ar atinge proportii globale.

Referitor la discutia despre riscurile legate de deseurile nucleare din diverse surse, se uita adesea ca scoarta terestra contine o multime de substante radioactive, care difuzeaza permanent spre suprafata formand fondul natural de radiatii.

Asa cum arata imaginea de mai sus, deseurile nucleare contribuie intr-o mica proportie la fondul natural. De exemplu, toate deseurile radioactive acumulate pana in anul 2000, dupa o racire de 500 de ani, vor avea o activitate asemanatoare cu cea naturala pe 30x30x2km de sol (2 km este adancimea la care sunt depozitate deseurile in subteran).

Se incepe cu exploatarea minereului de uranium. Minereul este apoi zdrobit si macinat intr-o pulbere fina. In cele din urma este supus unui proces chimic care ii permite uraniului sa fie separat de roca. Ca rezultat, se obtine oxid de uraniu U3O8. Pentru functionarea unei centrale nucleara care genereaza o putere electrica de 1000 MW, este nevoie anual de aproximativ 200 de tone de U3O8.

Urmatorul pas consta in imbogatirea uraniului in 235U. Procesul incepe prin convertirea triuraniului octoxid in hexafluorura de uraniu in stare gazoasă (UF6). Centrifuge de mare viteza sunt folosite pentru separarea gazului in doua fluxuri: primul consta prin inlaturarea 238U intr-un flux bogat in 235U, in timp ce celalalt este sarac in 235U. Primul va fi utilizat pentru fabricarea combustibilului nuclear, in timp ce acesta din urma, "uraniul saracit", poate fi utilizat ca un scut foarte eficient impotriva radiatiilor gamma.

Dupa arderea combustibilului intr-un reactor nuclear, acesta este stocat si apoi, fie reprocesat pentru a recupera nucleele fisionabile (235U si 239Pu), fie pregatit pentru depozitarea pe termen lung, fara reprocesare.

Exista o incercare de a reduce cu un factor de 100 sau mai mult volumul si toxicitatea deseurilor la nivel inalt (HLW) desemnate pentru depozitare adanca in subteran. Se pare ca aproximativ 97% din combustibilul uzat poate fi reciclat, restul este lasat ca deseu nuclear puternic radioactiv. Uraniul recapatat contine numai aproximativ 1% din 235U (asa-numitul uraniu saracit). In plus fata de stocarea geologica se pune, de asemenea, accent pe separare si transmutare (P & T), tehnologii care ar permite o separare a actinidelor (Pu in special), a asa-numitelor actinide minore (NP, Am si Cm) si a unor produse de fisiune cu viata lunga, si o transmutare in elemente cu viata scurta sau stabile.

Transport rutier al combustibilului nuclear uzat in Japonia (Image source: The Energy Library):

Contrar cu parerea generala, transportul combustibilului uzat nu este periculos. De remarcat ca in ultimii 40 de ani au fost aproximativ 3000 de transporturi ale combustibilului uzat numai in SUA. Acest tip de combustibil a fost transportat cu camioane si trenuri pe o distanta de aproximativ 2.5 milioane de kilometri, fara ca macar un singur accident sa apara. In Europa, de asemenea, nu a avut loc nici un accident in timpul transportului de combustibil uzat. Siguranta este in mare parte garantata de butoaiele grele (120 de tone) folosite in transport. Peretii au o grosime de aproximativ 50 cm – de aproximativ 15 ori mai mult decat in transportul benzinei. Pentru fiecare tona de combustibil uzat trebuie de trei ori mai mult material utilizat pentru constructia recipientului si a scutului biologic. Astfel de recipiente sunt construite pentru a rezista la un foc de 30 de minute si la o cadere de la 9 m pe beton. Acestea sunt construite pentru a rezista chiar si la o coliziune cu un avion cu reactie! In fiecare container nu exista niciodata mai mult de 9 bare de combustibil uzat. Recent, constructia butoaielor a inceput sa fie modificata astfel incat sa reziste la posibile atacuri teroriste.

In afara de deseurile nucleare produse de reactoarele nucleare si in activitatile militare, exista si deseuri nucleare care sunt produse prin utilizarea altor surse de radiatii nucleare. Ele provin din spitale (din medicina nucleara si sectiile de radioterapie), de la universitatile si din industria de cercetare, de la industria cu surse aplicate (ca de exemplu, din industria hartiei, uraniului si din minele de cărbune datorita detectoarelor de fum utilizate, etc). Spre deosebire de cazul combustibilului uzat, aceste deseuri au activitate scazuta sau medie si au un timp de viata scurt. Inainte de a depozita aceste deseuri noi, de obicei, sunt compactate, apoi puse in containere care impiedica imprastierea de materiale radioactive in mediul inconjurător.

Sunt cateva alternative la stocarea pe termen lung a deseurilor nucleare. Transmutarea este un proces de transformare, prin captura neutronica, a unui izotop radioactiv de viata lunga intr-unul care are un timp de injumatatire mai scurt sau, eventual, chiar stabil. In contrast, incinerarea este un proces in care captura neutronilor duce la formarea unui izotop care se dezintegreaza prin intermediul fisiunii intr-un element stabil. Cercetari intense sunt desfasurate pentru a face ca ambele tipuri de reactii sa fie eficiente economic. Sistemele de accelerare bazate pe sistemul si conceptul asa-numitului amplificator de energie ne face sa speram ca deseurile nucleare acumulate pana in prezent si cele care vor fi produse pot fi transformate in deseuri de viata scurta, care vor fi mai usor de stocat.