MICROCENTRALE NUCLEARE ZONALE CU REACŢIE DE FUZIUNE

Size: px

Start display at page:

Download "MICROCENTRALE NUCLEARE ZONALE CU REACŢIE DE FUZIUNE"

Norman Burns
5 years ago
Views:

1 MICROCENTRALE NUCLEARE ZONALE CU REACŢIE DE FUZIUNE Ioa BĂRDESCU, prof.uiv.dr.ig., UTCB - Facultatea de Utilaj Tehologic Bucureşti Amelitta LEGENDI, cof.uiv.dr.ig., UTCB - Facultatea de Utilaj Tehologic Bucureşti Abstract. This paper presets the most importat priciples of the uclear eergy obtaiig process through fusio relative to that oe through fissio. The most importat types of uclear combustibles are aalyzed ad some chemical reactios ad eergy release equatios are preseted. The paper focuses o the fact that the fusio basic combustibles, D ad Li, are o-radioactive, available aywhere ad equal distributed. The fusio reactor kiematics, usig a very strog magetic field, is featured. Key words. fissio, fusio, plasma, uclear reactor, radioactive waste 1. INTRODUCERE Petru producerea eergiei electrice este ecesară o sursă de căldură care să asigure îcălzirea apei î scopul obţierii vaporilor sub presiue. Aceşti vapori se destid îtr-o turbiă de aburi care atreează u geerator de curet alterativ ce produce curet electric. U astfel de proces de obţiere a eergiei electrice are loc şi î cetralele electrice ucleare (CEN) umite şi cetrale uclearoelectrice sau atomocetrale. Î cazul î care căldura rezultată la codesarea vaporilor este recuperată şi utilizată petru îcălzire, apare oţiuea de cogeerare. Eergia atomică sau ucleară este eergia eliberată de ucleele atomice î urma procesului de FISiue sau FUZiue, î catităţi semificative. Aportul eergiei ucleare la ivelul aului 2010 a fost de 50% di producţia totală de eergie. S-a estimate că la ivelul aului 2020, eergia ucleară va reprezeta 57% di totalul eergiei produse la ivel global. Acest aspect se explică pri posibilitatea utilizării tehologiilor ucleare actualmete dispoibile - tip Geeraţia a III-a, care îcorporează cele mai recete ceriţe de securitate. Se află î curs de proiectare o serie de tehologii tip Geeraţia a IV-a, ce vor devei dispoibile îcepâd cu aul Câteva performaţe de securitate şi cost [5]: Durată de viaţă proiectată: ai; Dispoibilitate mai mare de 90%; Optimizarea arderii şi reîcărcării cicluri de lui; Probabilitate redusă de eliberări importate de radioactivitate î zoa activă şi î afara amplasametului; Producţia ucleară de eergie electrică este sigura care, î timpul procesului tehologic, practic u elimiă deşeuri toxice î mediul ambiat. Tabelul 1. Producţia de eergie ucleară Ţara Valoare eergie, î milioae kwh Rotujită Reală 1 Fraţa Germaia Fed. Rusă Nr. crt.

2 Î Europa, cea mai mare producţie de eergie ucleară o are Fraţa: 73,2% di producţia totală de eergie, aproape milioae de kwh la ivelul aului 2000 (tab.1). Studiile efectuate au arătat că eergia ucleară poate asigura, î exclusivitate, eergia ecesară populaţiei globului, cu efecte miimale asupra mediului ambiat. Eergia ucleară cotribuie la îdepliirea obiectivelor fudametale ale politicii ergetice: (1)- Securitatea eergiei; (2)-Ecoomisirea resurselor; (3) Protecţia mediului. 2. PROCESE NUCLEARE DE FISIUNE ŞI FUZIUNE Eergia ucleară este eliberată de ucleele atomice, î catităţi imese, pri: Procesul de FISiue ucleară Procesul de FUZiue ucleară 2.1 Procesul de Fisiue ucleară Pri fisiuea ucleară (fisiue atomică) se realizează o divizare a uui ucleu atomic greu î două fragmete- de aproape aceeaşi masă. Scidarea este îsoţită de eliberarea uei catităţi imese de eergie ergia de legătură a particulelor subatomice. Î procesul de fisiue ucleară, ucleul Uraiu-235 (U-235) se combiă cu u eutro (), formâd u elemet itermediar istabil, de masă aproximativ egală- Uraiu-236 (U-236), care se scidează imediat î Bariu-144 (Ba-144), Kripto-89 (Kr-89) şi trei eutroi rapizi (1, 2, 3), radiaţii γ şi eergie termică- E= 200MV (fig.1). Î practică, cea mai mare parte a acestei eergii calorice apare ca eergie cietică deoarece ucleele rezultate se respig şi se îdepărtează uele de celelalte cu viteze foarte mari. Ba U U-235 Kr-89 Cei trei eutroi pot bombarda alte uclee, coducâd la alte fisiui, procesul umiduse reacţie î laţ. Acest proces permite amorsarea şi cotrolarea fisiuii. Eergia eliberată î procesul de fisiue ucleară este utilizată petru a produce electricitate petru cosumatorii idustriali şi casici. Î aceeaşi măsură îsă, poate fi folosită petru avele cu propulsie sau ca sursă de putere destructivă a armelor ucleare. Eergie cietică Fig.1 Procesul de Fisiue ucleară - scidare şi reacţie î laţ Uraiul (U) este combustibilul de bază î ergetica ucleară, fiid u elemet radioactiv ce posedă doi izotopi fisli (U-235 şi U-233) şi doi fertili (U-238 şi U-834).

3 2.2 Procesul de Fuziue ucleară Fuziuea ucleară este u proces pri care, î urma reacţiilor ditre elemete uşoare- deuteriu şi tritiu- se obţi elemete grele, cu eliberarea uei catităţi imese de eergie. Deuteriul sau hidrogeul greu este u izotop al hidrogeului care are ca simbol chimic 2 1 H sau D, umărul atomic 1 (masa atomică cca 2), ucleul său fiid alcătuit ditr-u proto şi u eutro. Deuteriul este o substaţă stabilă care se găseşte î cca 0,015% di hidrogeul obişuit. El poate fi purificat pri distilare di hidroge sau poate fi obţiut pri electroliza apei. Ca şi hidrogeul obişuit, el itră î acelaşi tip de reacţii chimice şi formează D2 (ca şi H2) şi D2O (ca şi H2O)- apa grea [ 2 ]. Tritiul este u izotop al hidrogeului mai greu decât deuteriul, ucleul său fiid format ditr-u proto şi doi eutroi. Trtiul se obţie di litiu u metal uşor. Deuteriu 2 D Neutro Heliu 4 He Fig. 2 Fuziuea ucleară Tritiu 3 T Eergie E Fuziuea ucleară a atomilor de deuteriu şi tritiu, la temperaturi ridicate, eliberează catităţi foarte mari de eergie (fig.2). Fuziuea ucleară este procesul eergetic cel mai prezet î Soare şi î stele. Eergia eliberată de Soare şi alte stele este rezultatul uor reacţii de fuziue ître ucleele de hidroge [1]. Astfel de reacţii de fuziue ucleară stau la baza fucţioării reactoarelor ucleare experimetale de eergie electrică, precum şi a fucţioării armelor ucleare (bomba cu hidroge). Bomba cu hidroge acţioează pri iducerea reacţiilor de fuziue îtr-u amestec de izotopi ai hidrogeului- deuteriul şi tritiul, obţiâdu-se u ucleu de heliu greu. Fuziuea ucleară este greu de produs pe cale artificială şi foarte greu de cotrolat. Dacă se obţie o reacţie ucleară cotrolată, aceasta poate fi o sursă foarte ieftiă de eergie, deoarece deuteriul - elemetul pricipal î reacţia de fuziue, poate fi extras di apa obişuită. Di 30 l de apă se poate produce o catitate de eergie echivaletă cu cea produsă de l de beziă. Româia ar putea fi prima ţară di lume î care urmează a fi istalată o microcetrală cu fucţioare pri reacţii de fuziue. Realizarea practică a uui reactor de fuziue va coduce la posibilitatea omeirii de a beeficia pe viitor de resurse eergetice elimitate. Eergia obţiută pe bază de hidroge este iepuizabilă şi accesibilă practic pe tot globul. Petru prelucrarea şi îtreţierea uei reacţii de fuziue ucleară, cele două uclee (deuteriu şi tritiu) care fuzioează, trebuie să-şi piardă electroii şi să fie accelerate la viteze deosebit de mari. Î scopul preveirii respigerii reciproce a celor două uclee îcărcate pozitiv, temperatura particulelor este ridicată la valori de câteva ori mai mari decât temperatura de la suprafaţa Soarelui. Î practică, această temperatură devie atât de ridicată îcât particulele trec di starea lor aturală de agregare- gazoasă, îtr-o altă stare PLASMA. Cotrolul, păstrarea şi izolarea plasmei îtr-u spaţiu îchis şi sigur costituie cea mai mare problemă îtâmpiată acum î cadrul experimetărilor privid fuziuea ucleară. Metode de cotrol ale plasmei pe perioada reacţiei de fuziue ucleară: Folosirea uui câmp magetic foarte puteric î vederea protejării materialelor di iteriorul reactorului de fuziue şi petru preveirea scurgerilor de plasmă

4 Uitlizarea uui tip de cotrol, ierţial, bazat pe meţiearea coeziuii plasmei pri bombardarea cu multiple raze laser a camerei reactorului Utilizarea gravitaţiei uicele reactoare ucleare capabile să fucţioeze pe acest pricipiu sut cele aturale; pâă î preset. Doar Soarele şi celelalte stele au capabilitatea de a cotrola plasma î acest mod. Experimetări Î aul 1989, doi oamei de ştiiţă au auţat că au reuşit să geereze, î laborator, o reacţie de fuziue ucleară la rece. Î aul 1991, o catitate importată de eergie (1,7 milioae W ) a fost produsă cu ajutorul reacţiei de fuziue cotrolată î laboratoarele JET di Filada. Î aul 1993, o serie de cercetători de la Uiversitatea Priceto au obţiut, pri fuziue, 5,6 milioae de W. Procesul de reproducere a tritiului -T D ( 2 H) T( 3 H) 5 He 14,1 MV 4 H D T He 17,6 MV 3,5 MV Fig.3 Reacţia de fuziue Îtr-o masă de hidroge greu (gaz), izotopii de deuteriu şi tritiu fuzioează, eliberâd aproximativ 17,6 MV pe elemet de fuziue (fig.3). Deuteriul posedă u eutro î plus, iar tritiul doi. Îtr-u reactor uclear de fuziue, eutroii emişi (fig.2)-care sut resposabili de 80% di eergia fială produsă, sut absorbiţi îtr-o mata ce îcojoară ucleul reactorului (fig.4). Aceasta coţie Litiu (Li) care este trasformat î Tritiu (T) şi Heliu (He): 6 Li 4 He T 4, 86MV Mataua reactorului este suficiet de groasă (aprox. 1m) petru a îcetii eutroii ce posedă eergii de 14 MV. Acest proces de moderare a cieticii eutroilor îcălzeşte mataua astfel îcât este ecesară prezeţa uui lichid de răcire cu rolul de a prelua catitatea de căldură degajată şi de a o trasfera uui sistem de geerare de aburi care produce, la râdul său, electricitate.

5 DT 1 D Li T T Li T He He He He He Fig. 4 Reactor de fuziue 1- avelopa reactorului; 2- mata (îveliş) de Li; 3- spaţiu vidat; 4- ucleu reactor de plasmă; 5- codesator; 6- turbiă de aburi; 7- geerator de electricitate; 8- reţea electrică Î ucleul reactorului, reacţiile de fuziue au loc la temperaturi ce depăşesc 100 milioae grade Celsius. Heliul produs îcălzeşte oul combustibil şi, după ce se răceşte, se extrage di ucleu. Neutroii traversează pri pereţii matalei şi iteracţioează cu Litiul, coducâd astfel la u ou proces de reproducere de Tritiu (fig.4). Cetralele ucleare pri fuziue cosumă mai puţi combustibil şi produc mai puţie deşeuri la aceeaşi catitate de eergie produsă (tab.2). Tab. 2. Catitate şi tip de reziduuri rezultate î cazul uei cetrale de MW Nr.crt. 1 Combustibil sau proces eergetic CĂRBUNE Catitate reziduuri, î t Tip reziduuri CO SO 2 2 GAZE NATURALE CO Cetrale ucleare pri FISIUNE Cetrale ucleare pri FUZIUNE 32 0,25 Substaţe RADIOACTIVE Substaţe NON-RADIOACTIVE Observaţii ½ di catitate reziduuri produse î cazul 1 ( pe cărbue) De aproape 130 ori mai mult reziduu decât la fuziue Nu geerează ceuşă radioactivă

de fuziue este imposibilă Sut foarte puţie şi miore problemele legate de deşeurile radioactive: fuziuea u geerează ceuşă radioactivă, iar gazele earse î catităţi mici pot fi uşor tratate cu filtre

6 3. MINICENTRALE NUCLEARE PRIN FUZIUNE. DISPUNERE ÎN ZONĂ Avataje eseţiale ale fuziuii termoucleare: Combustibilii de bază- Deuteriul şi Litiul- sut o-radioactivi, dispoibili şi egal distribuiţi oriude î atură O reacţie î laţ a procesului de fuziue este imposibilă Sut foarte puţie şi miore problemele legate de deşeurile radioactive: fuziuea u geerează ceuşă radioactivă, iar gazele earse î catităţi mici pot fi uşor tratate cu filtre speciale; costuri scăzute de maagemet al deşeurilor Se elimiă riscurile legate de trasportul combustibililor şi al deşeurilor Obţierea uor bue rezultate la îcercările efectuate asupra cotaierelor magetice petru reţierea plasmei; acestea au formă de truchi de co, cu diametrul mic de 1m şi diametrul mare de 3m ( î cazul miicetralelor se pot realiza diametre mai mici). Aceste avataje eseţiale permit realizarea uor cetrale ucleare cu gabarite mai mici care să ofere posibilitatea dispuerii î sisteme costructive cu istalare semifixă. Cocluzii eseţiale. 1. Fisiuea costă î divizarea uui atom masiv î două sau mai multe elemete; este urmată de o reacţie î laţ; u se produce î mod ormal î atură. 2. Fuziuea costă î fuzioarea a doi sau mai mulţi atomi mai uşori îtr-uul mai mare; o reacţie î laţ a procesului de fuziue eset imposibilă; fuziuea are loc, î mod ormal, î atură Soare, stele. 3. Particulele radioactive produc ceuşă: fisiuea produce de aproape 130 ori mai multă ceuşă decât fuziuea- care u geerează deloc ceuşă radioactivă. 4. Combustibili de bază: fuziue- Deuteriu şi Litiu- elemete uşoare, o-radioactive, dispoibile şi egal distribuite oriude î atură; fisiue- Uraiu şi Plutoiu- elemete grele, localizate îtr-u umăr redus de amplasamete. 5. Eergia eliberată: fuziue este de 3-4 ori mai mare petru aceeaşi masă de combustibil; eergia se regeerează timp de 100 ai fără realimetare. 6. Geometrie/dimesiui: fuziue- costrucţie compactă, tip cotaier, cu lugimea maximă 3m; sut umite şi reactoare î miiatură; u au compoete î mişcare sau detaşabile. 7. Realimetarea reactoarelor pri fuziue se face la u iterval de 7-10 ai; cele pri fisiuerăcite cu apă- se alimetează la câţiva ai. 8. Cotribuţia fizicieilor româi: Liviu Popa şi Claudiu Mutele, de la Uiversitatea di Alabama, care au reuşit să creeze u NANOMATERIAL special- o ţesătură di aotuburi de

7 carbo, capabil să absoarbă particulele cuatice emise de materialele radioactive şi să le epuizeze de eergie, obligâdu-le să geereze curet cotiuu. 9. Soluţie ucleară petru case: o costrucţie compactă de miicetrală pri fuziue (miicetrală-baterie), de forma uui cilidru, de diametrul 3m şi îălţime maximă de 2,5m, cosiderată foarte sigură, capabilă să furizeze eergie petru de locuiţe. 10. Î aii 1950 s-a demostrat, pe scară largă, posibilitatea de obţiere a uei importate catităţi de eergie electrică utilizâd procesul de fuziue. După aii 1990, o serie de cercetători au obţiut eliberarea uor catităţi impresioate de eergie- de ordiul a milioae de W, utilizâd fuziuea ucleară. Bibliografie selectivă [1] Burlacu, Electricitatea ucleară. Ed. Tehică, 2009, ISBN G.Glodeau, F.Rotaru, I. [2] Ee, V.M. Miicetrală ucleară. Reactoare de fuziue. Soluţii costructive, impact asupra mediului. Lucrare gr. Didactic 1, UTCB, 2010 [3] Legedi, A. Bărdescu, I. Naotehologii petru autocurăţarea suprafeţelor- Naoparticule iteleigete. Moitorul AROTEM 3/2006 [4] Legedi, A. Bărdescu, I. Naotehologia î sprijiul resurselor de eergie ecoveţioală- Naotuburi di carbo şi porfiriă. Moitorul AROTEM 3/2006 [5] * * * Eciclopedia uiversală britaică. Ed.Litera, Bucureşti, 2010, ISBN

3. CPU 3.1. Setul de regiştri. Copyright Paul GASNER

3. CPU 3.1. Setul de regiştri. Copyright Paul GASNER 3. CPU 3.1. Setul de regiştri Copyright Paul GSNER CPU Procesorul Cetral Process Uit CPU este costituit di trei mari părţi: + regiştri + RM (cache) execută toate operaţiile aritmetice şi logice bus de