OBIECTIVELE ENERGETICII NUCLEARE VIITOARE
Data: 1-15 februarie 2009
Inovatiile privind tehnologia din domeniul energetic modeleaza societatea. Motorul cu aburi a determinat revolutia industriala. Motorul cu combustie interna a facut posibil transportul in comun. Turbinele de gaz din aviatie au micsorat lumea. Energia sta la baza mecanismului social si economic al societatii, facandu-l vulnerabil la intreruperile de aprovizionare.
*
Cu pasi enormi se dezvolta in prezent energetica nucleara
Peste 400 de centrale sunt in functiune in intreaga lume, producand circa 17% din totalul de energie electrica al planetei, cel mai mare procentaj produs de catre o sursa care nu emana gaze de sera. Acest lucru aduce in prezent o reducere semnificativa a impactului producerii de energie electrica asupra mediului. Pentru a mari acest beneficiu, vor fi necesare noi tipuri de centrale nucleare pentru a inlocui centralele actuale pe masura ce acestea sunt scoase din functiune. Spre sfarsitul acestui secol, beneficiile energiei nucleare asupra mediului se pot dezvolta si chiar extinde si asupra altor forme de energie, altele decat energia electrica. De exemplu, energia nucleara poate fi folosita la producerea hidrogenului, pentru a reduce dependenta de petrol si pentru desalinizarea apei in zonele unde apa potabila este in cantitati reduse. Pentru a realiza aceste beneficii, va fi nevoie de noi sisteme, de noi tipuri de reactoare nucleare, necesitand implementarea pe termen scurt a rezultatelor activitatii de cercetare-dezvoltare desfasurata in aceasta directie.
Tehnologia energeticii nucleare a evoluat in cadrul a trei generatii distincte. Reactoarelor-prototip de prima generatie le-au urmat reactoarele puternice din a doua generatie, care furnizeaza in prezent electricitate in Europa.
Astazi, in Franta si in Finlanda sunt in curs de constructie centralele nucleare din generatia a treia (Gen III), cu caracteristici imbunatatite de securitate si competitivitate. Proiectele de reactoare avansate din Gen III+ vor fi disponibile in viitorul apropiat.
Pentru dezvoltarea energeticii nucleare astfel incat sa satisfaca necesitatile viitoare de energie, zece tari – Argentina, Brazilia, Canada, Franta, Japonia, Republica Coreea, Republica Africii de Sud, Elvetia, Anglia si Statele Unite – au cazut de acord asupra unui cadru de cooperare internationala privind cercetarea unei noi generatii de sisteme energetice nucleare, cunoscute sub denumirea de Generatia IV.
Reactoarele din generatia IV reprezinta o tehnologie cu adevarat inovatoare. Acestea vor imbina securitatea maxima cu competitivitatea economica. Tehnologia se bazeaza pe aspecte de siguranta pasiva care sa asigure un „impact zero“ in afara zonei direct afectate, chiar si pentru cele mai grave scenarii de accidente.
Reactoarele din generatia IV vor folosi resursele de uraniu intr-un mod mult mai eficient. Unele tipuri de reactoare utilizeaza cicluri inchise de combustibil pentru a „arde“ deseurile in interiorul reactorului, reducand astfel cantitatile finale de deseuri radioactive si crescand rezistenta la proliferarea nucleara.
Cercetarile de baza privind reactoarele din generatia IV reprezinta un efort de colaborare globala coordonat de Forumul International pentru Generatia IV (GIF).
Pentru a juca un rol important, viitoarele centrale nucleare vor trebui sa asigure:
1) Cantitati reduse de deseuri nucleare, o utilizare eficienta a combustibilului si avantaje sporite in privinta efectului asupra mediului;
2) Competitivitate economica;
3) Performante de securitate recunoscute;
4) Materiale si sisteme energetice nucleare sigure.
Utilizarea intensa a energiei nucleare in viitor necesita utilizarea optima a spatiului de depozitare si a unui ciclu de combustibil inchis.
Astazi, cele mai multe tari folosesc cicluri de combustibil deschis, cu o singura trecere.
Sunt putine state care folosesc ciclul de combustibil inchis, cu reciclare. Reciclarea (utilizand una sau mai multe treceri) recupereaza materialul fisionabil nou produs (uraniu si plutoniu) din combustibilul uzat si il foloseste pentru fabricarea unui nou combustibil. In acest mod se produce mai multa energie pe cantitatea de uraniu extras din mine si se reduce nevoia de imbogatire. Realizarea reciclarii intr-un mod prin care sa nu produca plutoniu poate evita mai mult riscurile de proliferare. In prezent reciclarea nu este economica datorita resurselor bogate de uraniu aflate la un pret scazut si stabil. In timp, acest lucru se va schimba, iar ciclul de combustibil inchis va fi fazorizat cand costurile ciclului deschis vor fi mai mari decat cele ale unui ciclu inchis.
Odata cu reciclarea se obtin si alte beneficii:
– reziduurile puternic radioactive ocupa un volum mai redus;
– pot fi mai putin active si pot fi prelucrate intr-o forma mai buna pentru depozitare;
– reactoarele pot fi concepute pentru a realiza transmutarea elementelor grele cu viata lunga.
Atingerea acestor avantaje va solicita o activitate importanta de cercetare si dezvoltare asupra tehnologiei ciclurilor de combustibil.
VHTR (Very High Temperature Reactor) – Reactor cu Temperaturi Foarte Inalte
VHTR foloseste un spectru termic de neutroni si un ciclu de uraniu cu o singura trecere. Sistemele VHTR se dezvolta in special pentru producerea caldurii de proces cu parametri inalti, cu aplicatii cum ar fi gazeificarea carbunilor si producerea termochimica, cu eficienta superioara a hidrogenului.
Reactorul are o zona activa de 600 MWt racita cu heliu. Sistemele VHTR au temperaturi de iesire ale agentului de racire de peste 1000°C. VHTR este gandit a fi un sistem cu o eficienta mare care sa poata asigura caldura de proces pentru un spectru larg de procese neelectrice. Sistemul poate incorpora echipamente pentru producerea de energie electrica si termica. Sistemul are flexibilitatea de a adopta cicluri de combustibil U/Pu si sa reduca astfel cantitatea de deseuri puternic active. Sistemul VHTR este situat foarte bine in clasamentele pentru economicitate, datorita eficientei foarte mari de producere a hidrogenului, pentru securitate si fiabilitate datorita caracteristicilor inerente ale combustibilului si reactorului.
SFR (Sodium – Cooloed Fast Reactor) – Reactor Rapid Racit cu Sodiu
SFR foloseste un spectru cu neutroni rapizi si un ciclu inchis de combustibil pentru conversia eficienta a uraniului fertil si arderea actinidelor. Reactorul este racit cu sodiu. Se preconizeaza un ciclu de combustibil cu reciclarea completa a actinidelor. In acest sens sunt considerate doua variante de reactor: prima varianta este un reactor de putere medie (150 – 500 MWe), cu un combustibil metalic format din uraniu-plutoniu-actinide minore-zirconiu, iar a doua varianta este un reactor de putere medie spre mare (500 – 1500 MWe), cu combustibilul format dintr-un amestec de oxid de uraniu si oxid de plutoniu, sustinut de un ciclu bazat pe procesare avansata sub apa. In ambele variante, temperatura agentului de racire la iesirea din reactor este de aproximativ 550°C.
Sistemul SFR este primul in top ca dezvoltare durabila datorita ciclului inchis si potentialului excelent de gestionare a actinidelor, inclusiv extinderea resurselor de combustibili nucleari. Este conceput in special pentru producerea de energie electrica si gestionarea actinidelor.
SCWR (Supercritical Water Cooled Reactor) – Reactor Racit cu Apa cu Parametri Supracritici
Sistemele SCWR au doua optiuni pentru ciclul de combustibil: prima este un reactor termic cu ciclu de combustibil deschis, iar a doua un reactor rapid cu un ciclu inchis de combustibil si reciclarea completa a actinidelor. Ambele optiuni folosesc un reactor cu temperaturi si presiuni inalte, care opereaza deasupra punctului critic al apei (22,1MPa, 374°C).
Pentru ambele optiuni, centrala de referinta are un nivel al puterii de 1700 MWe, o presiune de functionare de 25 MPa si o temperatura la iesirea din zona activa de 550°C. Sunt incorporate caracteristici de securitate asemanatoare celor de la reactoarele simple cu apa in fierbere.
Sistemele SCWR sunt create in special pentru producerea de energie electrica, cu o optiune pentru gestionarea actinidelor.
GFR (Gas Cooled Fast Reactor) – Reactor Rapid Racit cu Gaze
GFR functioneaza cu un spectru de neutroni rapizi si un ciclu de combustibil inchis pentru conversia eficienta a uraniului fertil si gestionarea actinidelor. In studiile GIF s-a considerat un reactor GFR de referinta cu puterea de 600 MWt/288 Mwe, racit cu heliu, avand o temperatura a agentului de racire de 850°C, cu un ciclu de putere Brayton direct, cu o turbina cu gaze de mare randament. S-au luat in considerare mai multe forme de combustibil, capabil sa functioneze la temperaturi foarte inalte si sa asigure o retinere excelenta a produselor de fisiune.
GFR este conceput in special pentru producerea de energie electrica si gestionarea actinidelor, desi este posibil a fi folosit si in producerea de hidrogen.
LFR (Lead Cooled Fast Reactor) – Reactor Rapid Racit cu Plumb
Reactorul rapid racit cu plumb foloseste un spectru cu neutroni rapizi si un ciclu de combustibil inchis. Sistemul foloseste un reactor racit cu plumb sau plumb/bismut. Optiunile includ o gama mare de puteri: o unitate modulara de putere mica (50 – 150 MWe), care are un interval de realimentare foarte mare, un sistem modular de 300 – 400 MWe, care are de asemenea un interval mare de reincarcare, si o centrala mare de 1200 MWe. Combustibilul este metalic bazat pe nitrat, continand uraniu si transuranice fertile. Cea mai avansata este varianta cu Pb/Bi care are o zona activa mica cu o durata de viata foarte lunga (10 – 30 de ani). Reactorul este racit prin convectie naturala si are intre 120 si 400 MWt, cu o temperatura a agentului de racire la iesirea din zona activa de 550°C, cu posibilitatea de crestere pana la 800°C.
Sistemele LFR sunt destinate pentru producerea combinata de energie electrica si hidrogen si gestionarea actinidelor.
MSR ( Molten Salt Reactor) – Reactor cu Saruri Topite
Reactoarele cu saruri topite folosesc un spectru de neutroni lenti spre termici si ciclu inchis de combustibil pentru utilizarea eficienta a plutoniului si a actinidelor mici. In sistemele MSR combustibilul este un amestec lichid de sodiu si zirconiu. Combustibilul din saruri topite curge prin canale din grafit, producand un spectru termic. Caldura generata in sarurile topite este transferata catre un sistem secundar de racire printr-un schimbator de caldura intermediar, si apoi printr-un nou schimbator de caldura catre sistemul de conversie a puterii. Nu este necesara fabricarea combustibilului. Centrala de referinta are o putere de 1000 MWe. Sistemul lucreaza la o presiune mica (< 0,5 MPa) si are o temperatura a agentului la iesirea din zona activa de 700°C, ceea ce permite obtinerea unor randamente termice ridicate ale ciclului de putere.
MSR este destinat in special pentru producerea de energie electrica si arderea deseurilor.
Pentru realizarea sistemelor din Generatia IV sunt necesare activitati intense de cercetare-dezvoltare in urmatoarele domenii: ciclul de combustibil, combustibili si materiale, produsele energetice (energie electrica, caldura de proces), risc si securitate, aspecte economice, rezistenta la proliferare si protectie fizica.
Sistemele energetice din Generatia IV vor fi disponibile pentru punerea in practica pe scara larga incepand cu 2030. Datele de punere in practica, in cazul cel mai bun, pentru cele sase sisteme din Generatia IV sunt prezentate in tabelul 2.