Un reactor nuclear este un dispozitiv unde o reactie nucleara in lant are loc si care elibereaza energie. Reactorii nucleari sunt folositi in general ca centrale nucleare de energie si pentru propulsarea navelor si submarinelor.

Exista de asemenea si reactori care produc izotopi pentru scopuri medicale sau industriale, reactori pentru producerea de plutoniu in scopuri militare precum si reactori folositi in scopuri de cercetare.

Energia este eliberata in reactorii nucleari sub forma de caldura. Mai departe caldura poate fi transformata in alte forme de energie si folosita in aplicatii cotidiene. Intr-o centrala nucleara tipica aceasta conversie se face dupa principii clasice de incalzire a apei si producerea de aburi ce pun in miscare turbinele unor generatori electrici.

Primul reactor nuclear cu aplicatii civile a fost dat in functiune in 1956 in Sellafield, Anglia si avea initial o putere de 50MW. Figura de mai jos prezinta principalele componente ale unei centrale nucleare tipice: Legenda: (A) anvelopa centralei, (B) barele de control, (C) nucleul reactorului, (D) generatorul de aburi, (E) conducta de aburi, (F) turbina de aburi, (G) generatorul electric, (H) consumatorii de electricitate, (I) circuit de condensare, (J) jeturi, (K) vaporii de apa, (L) turnul de racire.

Lantul de reactie dintr-un reactor nuclear lucreaza in regim critic, adica in medie, doar un neutron de la fiecare nucleu care fisioneaza conduce la fisiunea unui alt nucleu. Pentru ca acest lucru sa fie posibil, miezul reactorului contine nu doar combustibilul ci si anumite componente care ajuta la mentinerea regimului critic.

Neutronii rezultati din fisiune au o energie de aproximativ 1-2 MeV. Acesti neutroni rapizi au o probabilitate scazuta de a interactiona cu nucleele de ²³⁵U si de a produce in continuare alte reactii de fisiune, astfel incat acestia parcurg distante considerabile pana sunt absorbiti. O solutie este de a-i incetini pana la energii de ordinul fractiunii de eV si de a creste astfel probabilitatea de interactie.

Putem intelege acest lucru gandindu-ne ca neutronii cu viteze mai mici petrec un timp mai mare in preajma nucleelor fisile crescand astfel sansa de a interctiona cu acestea. Acesti neutroni lenti sunt numiti si neutroni termici datorita energiei lor apropiate de energia moleculelor din aerul din jurul nostru. Pentru incetini neutronii intr-un reactor cu fisiune se folosesc asa numitii moderatori, materiale care umplu spatiile dintre combustibilul nuclear. Apa si grafitul sunt in mod obisnuit astfel de moderatori.

Un reactor care termalizeaza neutronii se numeste reactor termic. Diagrama din dreapta ilustreaza principalele componente (1-3) si procese (A-D) dintr-un reactor termic: (1) bara de combustibil, (2) moderator, (3) bara de control, (A) fisiune, (B) moderare, (C) absorbtie, (D) captura.

Daca un neutron se ciocneste cu un nucleu, neutronul se imprastie in toate directiile inclusiv in afara zonei de reactie. Prin urmare inconjurarea materialul fisil cu o substanta non-absorbanta care va imprastia neutronii inapoi va crescte numarul de ciocniri pe care acestia le pot avea.

Un astfel de material din jurul materialelor care fisioneaza in reactoarele nucleare poarta numele de reflector. O astfel de solutie poate face ca o masa subcritica de combustibila sa ajunga in regim critic.

In particular otelul, beriliul sau grafitul sunt utilizate ca materiale pentru reflectori. Un material usor precum grafitul sau beriliu poate avea rol si de moderator reducand energia cinetica a neutronilor, in timp ce nucleele grele precum plumbul au un efect mai redus asupra energiei acestora.

Animatia din stanga prezinta efectul materialelor reflectoare.

Vrem sa avem o productie de energie cat mai eficienta. Cu toate acestea, daca eficacitatea este prea mare, s-ar putea produce o explozie nucleara, o situatie care trebuie evitata! Reactoarele nucleare sunt construite astfel incat o explozie nucleara nu este posibila. Pentru a atinge acest obiectiv trebuie sa existe posibilitatea de a impiedica o reactie in lant in cazul in care se dezvolta prea repede. Acest lucru se realizeaza prin divizarea materialului fisionabil in cantitati mai mici decat asa-numita masa critica, astfel incat neutronii sa nu gaseasca usor nuclee fisionabile. Piesele de uraniu in cauza sunt numite subcritice.

Neutronii pot scapa cu usurinta din regiunea unde este combustibilu de uraniu inainte ca orice pericol generat de cresterea energiei sa fie posibil. In plus, intre blocurile de material fisionabil se aseaza asa numitele bare de control din materiale care absorb puternic neutroni. Cu cat barele de control sunt inserate mai mult in zona de reactie intre barele de combustibil de uraniu, cu atat mai dificil este pentru neutronii produsi prin fisiune sa se ciocneasca cu un alt nucleu de uraniu, rezultand o reactie in lant mai limitata si scaderea productiei de energie.

In animatie din dreapta se observa efectul bareleor de control de cadmiu intr-un reactor cu fisiune.

Multe reactoare nucleare care utilizeaza neutroni termici au ca nucleu fisil ²³⁵U. Insa abundenta lui scazuta in natura (0.72% din uraniul natural, in mare parte ²³⁸U) face ca reactia in lant sa fie imposibila atunci cand este utilizat uraniul natural. Prin urmare, combustibilul reactorului trebuie sa fie imbogatit cu ²³⁵U. Gradul de imbogatire in energie nucleara si reactoare de cercetare variaza de la 2% la circa 40%. In reactoarele de tip vechi, in special cele folosite in submarine, imbogatirea ar putea depasi chiar 90%.

Combustibilul poate fi preparat sub forma de pastile, de exemplu UO₂, de cativa centimetri grosime. Aceste pastile sunt aranjate in bare de combustibil. Se pot utiliza, de asemenea, diverse aliaje ale uraniului cu alte metale, de exemplu, aluminiu. O propunere recenta este aceea de a utiliza elemente de combustibil nuclear sferice special concepute.

Exista, de asemenea reactoare care folosesc neutroni rapizi. In astfel de reactoare, absorbtia neutronului de ²³⁸U duce la formarea ²³⁹Pu fisil. Acest izotop de plutoniu poate fi extras din combustibilul ars si utilizat pentru productia asa-numitului combustibil MOX care contine cele doua materiale fisionabile, ²³⁸U si ²³⁹Pu.

De departe cele mai populare reactoare utilizeaza apa pe baza de moderator si racitor. Reactorul cu apa sub presiune (PWR sau versiunea ruseasca VVER) este de acest tip. Asa cum presiunea intr-o oala sub presiune ridica punctul de fierbere, la fel intr-un PWR ... cu exceptia faptului ca presiunea este imensa, aproximativ 15 MPa, apa din sistemul de racire primar atinge temperaturi la fel de ridicate ca 600 K, fara fierbere!. Ceea ce fierbe in generatoarele de abur este apa de la un circuit secundar careia caldura din circuitul primar ii este furnizata. O alta versiune, Reactorul cu apa grea sub presiune (PHWR), foloseste apa grea (D₂O) ca moderator. Exista, de asemenea, asa-numitele Reactoare cu apa fiarta (BWR), in care apa fierbe direct in interiorul reactorului.

Exista si alte tipuri de reactoare care folosesc neutroni termici:

Reactoarele racite cu gaz in care dioxidul de carbon (CO₂) sau heliul este utilizat pentru racire. Gazul este pompat prin canale in moderatorul din grafit.

Reactorul CANadian pe baza de Deuteriu si Uraniu (CANDU), in care apa grea (D₂O) joaca rolul de moderator si racitor. Din cauza pierderilor nesemnificative de neutroni in D₂O, reactorul poate folosi uraniul natural drept combustibil.

Schema unui reactor de tip CANDU: 1 - combustibl de uraniu, 2 - miezul reactorului, 3 - bare de control, 4 - tancul de presiune D₂O, 5 - generatorul de aburi, 6 - pompa de apa, 7 -pompa de D₂O, 8 - alimentare combustibil, 9 - moderator D₂O, 10 - bare de combustibil, 11 - abur catre turbine, 12 - apa rece de la turbine, 13 - camasa reactorului (Credit imagine: Creative Commons)

Reactoarele de presiune de mare putere (RBMK) cu moderatori din grafit au fost populare in Uniunea Sovietica deoarece acestea pot fi folosite pentru producerea de plutoniu militar (²³⁹Pu). Tocmai acest tip de reactor a fost utilizat in Cernobil.

Anumite tipuri de reactoare pot folosi neutroni rapizi cu energii de 50-100keV. Aceste reactoare nu au moderatori in mod obisnuit si pot produce in mod eficient ²³⁹Pu fisil care poate fi refolosit ca si combustibil. Racirea se face pe baza de heliu sau sodiu lichid si pot avea dimensiuni compacte, potrivite de exemplu pentru sumbarine. O astfel de centrala nucleara electrica ce functiona pe baza unui reactor cu neutroni rapizi a fost centrala SUPERPHENIX ce a operat intre 1985 si 1997. Un alt reactor similar reproducator (care isi produce propriul combustibil), dar nu identic este in functionare in Sverdlovsk, Russia din 1981.

Dupa prototipurile de reactoare (Generatia I), reactoarele care functioneaza in prezent sunt de Generatia a II-a. Reactoarele foarte sigure de generatia a III-a au fost proiectate recent, si reactoarele de generatia a IV-a sunt deja planificate. In ultima categorie, ne putem astepta la reactoare racite cu gaz dar si la cele racite cu apa, precum si la o varietate de reactoare care lucreaza cu neutroni rapizi.

Un proiect deosebit de interesant implica un reactor de temperatura inalta racit cu gaz, cu un miez format din 330 00 de elemente sferice de combustibil, 60 mm diametru, fiecare fiind compus din aproximativ 15 000 de pilule de UO₂.

Fiecare pilula, 0.5 mm in diametru, este acoperita de o serie de straturi de densitate inalta, inclusiv de un strat ceramic din siliciu-grafit pentru oprirea fragmentelor de fisiune. Fluxul de neutroni, distributia energiei termice si temperatura din miezul reactorului sunt determinate de aproximativ 100 000 de sfere din grafit, care sunt amestecate cu elementele combustibilului. In timp ce reactoarele utilizate de obicei, opereaza la aproximativ 600 K, materialele utilizate intr-un astfel de reactor ar permite temperaturi mult mai mari. In acest caz, lichidul de racire al reactorului ar fi heliul. Odată ce s-ar atinge o temperatura de 1200 K, curgerea gazului de heliu ar misca turbina cu gaz si ar genera energie electrica cu un randament de circa 40%. Intreaga proiectare a acestui reactor este mult mai simpla decat cea a reactoarelor care se afla in prezent in functiune. In plus, la temperaturile ridicate la care se lucreaza s-ar putea produce hidrogen din apa sau alte materiale, fara a provoca poluarea atmosferei. Ar putea fi planificate materiale de constructie care sa poata sustine temperaturi mari pana la 1900 K, ceea ce ar fi foarte important din punct de vedere al sigurantei reactoarelor.

In plus, reactoarele racite cu apa din Generatia a IV-a ofera, de asemenea, noi caracteristici de siguranta. Westinghouse Electric a elaborat ideea unui "reactor international inovator si sigur" (IRIS pe scurt). Intr-un astfel de reactor intregul circuit de racire primar este plasat in interiorul reactorului, deci o pierdere serioasa a lichidului de racire este practic imposibila. Se poate imagine o solutie care sa opereze la o temperatura si la o presiune deasupra punctului critic al apei, i.e. acolo unde nu exista nici o diferenta intre un gaz si un lichid. Conductivitatea termica excelenta a apei intr-o astfel de stare ar permite obtinerea unui randament de 45% si datorita temperaturi ridicate sa fie folosit si la producerea hidrogenului.

Nu in ultimul rand, reactori reproducatori care sunt raciti cu metale lichide, oferind o conductivitate termica ridicata sunt luati in considerare. Lichidul de racire, in acest caz, ar fi tinut la presiune atmosferica si deci o eliberare violenta a lichidului de racire in caz de accident la circuitul primar este exclusa. Dificultatile tehnice, insa, de manipulare a metalelor lichide ingreuneaza pe moment dezvoltarea acestor reactoare. Ele raman totusi un candidat puternic pentru viitorul ciclu durabil de combustibil nuclear.

Cateva reguli simple de siguranta pentru un reactor sunt:
1) Abilitatea de a fi inchis rapid atunci cand este nevoie
2) De a tine miezul acoperit cu apa
3) A pastra camasa rectorului intacta
Pentru a aplica aceste masuri generale folosim legile fizicii astfel incat daca dispozitivele de protectie sunt mecanice sunt prevazute cel putin doua tipuri de sisteme astfel incat acestea sa nu fie afectate simultan de erorile de functionare.

Imaginea prezinta sistemele pasive de securitate: 1 - circulatia aerului liber prin convectie, 2 - tanc pentru caderea de apa, 3 - evaporarea peliculei de apa, 4 - camasa de otel, 5 - valva automatica de depresurizare, 6 - tanc de apa pentru reumplere, 7 - racire cu aer exterior (Credit imagine: Westinghouse 2011). In cazul unei pene de curent apa de rezerva este condusa spre reactor de gravitate si recirculata prin convectie si condensare.

Sistemele de protectie care se implementeaza sunt multiple si redundante. Scutul biologic din jurul reactorului protejeaza oamenii impotriva radiatiilor ionizante produse in miezul reactorului. Apa din reactoarele PWR sau PHWR este purificata cu grija (distilata), deoarece impuritatile din apa ar putea deveni radioactive in interiorul reactorului. Reactorul este inconjurat de blocuri din beton, groase si situate intr-o hala dedicata ai carei pereti pot sustine valul de presiune a aburului care s-ar putea produce duce intr-un accident grav. In plus, cladirea care gazuieste sala reactorului este o cladire cu pereti foarte grosi. Acoperisurile, de multe ori semisferice, sunt suficient de puternice pentru a rezista si in cazul ciocnirii cu un avion. O atentie speciala este acordata sistemului de racire si de control al conductelor care asigura racirea.

Masurile de siguranta in cazul reactoarelor sunt adesea triple, reducand probabilitatea de defectare simultana a tuturor sistemelor. Acesta este motivul datorita caruia au fost atat de putine accidente in istoria reactoarelor nucleare. Accidentele de la Three Mile Island din SUA, de la Cernobil in fosta Uniune Sovietica si Fukushima Daiichi in Japonia sunt exceptii in care multiple erori tehnice s-au combinat cu erori umane sau cataclisme si au depasit sistemele de securitate prevazute.

Nu in ultimul rand, deseurile nucleare si materialele fisionabile sunt depozitate aproape de reactor pentru a le proteja impotriva furtului si pentru a nu permite utilizarea necorespunzatoare a materialelor, cum ar fi in construirea de arme nucleare.

Exista o diferenta fundamentala intre explozia unei bombe nucleare si explozia la un reactoar nuclear! De fapt exploziile nucleare sunt imposibile intr-un reactor nuclear, desi explozii termice (Cernobil) si chimice (Fukushima) obisnuite sunt posibile. Prin urmare, nu exista efecte, cum ar fi flash-uri puternice de lumina. Principala consecinta a unei explozii la un reactor este eliberarea de material radioactiv in atmosfera care apoi formeaza reziduuri radioactive. Impactul acestor scurgeri depinde de conditiile meteorologice din acel moment(vant si ploaie in special).

Incidentul de la Cernobil a aratat ca, in cazul unei catastrofe nucleare, contaminarea solului s-ar putea raspandi pe arii largi, insa expunerea la radiatii ar scadea apoi la o fractiune din nivelul celei naturale si nu ar putea duce la consecinte grave. Acest lucru este diferit de cazul unei explozii nucleare, care poate distruge zone vaste, iar contaminarea ar ajunge la un nivel letal de expunere.

Care sunt masurile de protectie impotriva unui atac terorist? Constructia care inconjoara reactorul nu ar suferi prea multe pagube intr-un asemenea caz, iar reactorul cu siguranta nu ar fi afectat. Totusi, sistemul de racire si cel de alimentare electrica ar putea fi afectate. In ciuda masurilor de precautie implementate in prezent, in scenariul cel mai pesimist, un asemenea incident ar putea conduce la supraincalzirea si topirea miezului reactorului. Chiar si in aceasta situatie materialele radioactive ar ramane in containerul de presiune al reactorului. Ce ar putea fi mai daunator ar fi un atac asupra depozitelor de combustibil uzat amplasate in preajma centralelor. Desi un asemenea atac ar fi improbabil datorita dimensiunilor mici ale depozitelor este de principiu posibil. Estimari ale evolutiei poluarii in astfel de scenarii se fac, dimensiunea lor ramanand totusi la o scala locala.