Energia nucleară

În acest articol voi arăta ce este energia nucleară, cum se obține aceasta, cum poate fi transformată în energie electrică și câteva avantaje și dezavantaje identificate.

Ce este energia nucleară? Energia nucleară este energia înmagazinată în nucleele atomilor. Se cunoaște faptul că aceste nuclee sunt formate din particule (nucleoni) numite protoni și neutroni. Neutronii sunt particule neutre iar protonii sunt particule încărcate cu sarcină electrică pozitivă. Între aceste particule se exercită atât forțe electrostatice (de respingere) cât și forțe nucleare (de atracție). Dacă am lua aceste particule separate și am încerca să le apropiem pentru a forma un nucleu atomic ar trebui să facem un efort pentru a învinge forțele electrostatice de respingere, să consumăm o energie. Putem spune că natura a făcut acest efort atunci când a creat nucleele atomice. Invers, când un nucleu atomic se desface și nucleonii sunt eliberați (proces numit fisiune nucleară), această energie este restituită sub formă de energie cinetică de mișcare a particulelor și energie electromagnetică. Aceasta este energia nucleară: energia eliberată la desfacerea nucleului atomic.

Fisiunea nucleară. La începutul lunii ianuarie 1939 Otto Hahn și Frizz Strassmann din Germania publică în Naturwissenschaften un articol în care descriau experimentele prin care au produs un izotop de bariu prin bombardarea uraniului cu neutroni. Articolul amintește și de contribuția lui Lise Meitner la cercetări. A fost descoperită fisiunea nucleară: atunci când un nucleu de uraniu este bombardat cu neutroni, acesta se desface în două nuclee de masă intermediară și 2 – 3 neutroni rapizi. În urma descompunerii se eliberează o cantitate de energie – circa 200 MeV, în principal sub formă de energie cinetică a produșilor de reacție (particule nucleare) și percepută la nivel macroscopic drept căldură.

Reacția de fisiune nucleară în lanț. Există posibilitatea ca fisiunea nucleară să se autoîntrețină (reacție de fisiune nucleară în lanț) dacă neutronii rezultați din fisiune provoacă descompunerea altor nuclee atomice, în urma cărora se produc alți neutroni care descompun alte nuclee și așa mai departe, până când toate nucleele au fisionat. Energia rezultată din fisiunea nucleelor atomice este enormă: din fisionarea unei mase de 1 kg de uraniu se obține o cantitate de energie de aproximativ 23,2 GWh echivalent cu energia obținută prin arderea unei mase de 2800 de tone de cărbune de bună calitate (huilă). Cu alte cuvinte, 1 kg de uraniu conține aproximativ de 2,8 milioane de ori mai multă energie decât 1 kg cărbune!

În ceea ce privește rezervele de uraniu de pe Pământ trebuie menționat că în 2005 resursele identificate s-au ridicat la 4,7 milioane de tone de uraniu. Trebuie spus că, în anul 2005, Agenția Internațională pentru Energie Atomică estima că rezervele de uraniu identificate ar permite funcționarea reactoarelor cu uraniu timp de 70 de ani.

Transformarea energiei nucleare în energie electrică. Energia nucleară este transformată în energie electrică în reactoarele nucleare: în acestea au loc reacții de fisiune nucleară în lanț dar controlate, astfel că energia este eliberată treptat (altfel, într-o fracțiune de secundă toți atomii ar fisiona și s-ar obține o explozie masivă).

Energia nucleară nu poate fi transformată direct în energie electrică: mai întâi căldura obținută în urma reacțiilor de fisiune din reactor este folosită pentru a transforma apa în abur iar acesta rotește palele unei turbine care pune în mișcare un generator de curent electric. Observăm că se obține energie electrică prin transformarea succesivă a energiei nucleare în energie termică, apoi energia termică este transformată în energie mecanică și în final energia mecanică este transformată în energie electrică.

Conform datelor publice, în 2022 în întreaga lume era un număr de 438 de reactoare nucleare, cu o putere instalată de 393,3 GW și care au produs în 2021 o cantitate de energie de 2,653,3 TWh, aproximativ 10% din producția de energie electrică la nivel mondial. La noi în țară, la Cernavodă în județul Constanța funcționează singura centrală nucleară, a cărei construcție a început în anii ‘80. Dacă inițial se plănuia construirea a 5 reactoare, s-a reușit a fi puse în funcțiune numai două, în 1996 și 2007. Fiecare reactor nuclear are o putere de 700 MWh, ambele reactoare producând 20% din necesarul de energie al României.

Trebuie menționat că reactoarele nucleare moderne au numeroase îmbunătățiri față de prima generație de reactoare. Mai mult, pe planșeta proiectanților se află noi reactoare prevăzute a fi construite în anii 2030.

Identificăm următoarele avantaje:

1. Energia nucleară este una dintre sursele nepoluante de producere a electricității din simplul motiv că reactoarele nucleare nu emit CO₂ sau alte gaze cu efect de seră ;
2. Costuri mici de întreținere și operare ale centralelor nucleare ;
3. Eficiența ridicată în producerea curentului electric față de cele bazate pe combustibili fosili ;
4. Resursele existente de uraniu asigură necesarul pe o perioadă mare de timp, mai ales că sunt cercetări pentru construirea de centrale nucleare care să refolosească combustibilul nuclear uzat ;
5. Noile proiecte de centrale nucleare au rolul să le facă mai sigure și mai eficiente.

Există și unele dezavantaje, printre care putem enumera:

1. Rezervele mondiale de uraniu sunt limitate ;
2. Probleme legate de gestionarea deșeurilor nucleare rezultate ;
3. Probleme legate de dezafectarea instalațiilor nucleare la expirarea timpului de exploatare ;
4. Risc de accidente nucleare cu impact asupra mediului înconjurător (Cernobâl, Fukushima, Three Mile Island) ;
5. Investiție inițială foarte mare (cost mare de construcție a centralei nucleare).

În concluzie, așa după cum a subliniat Agenția Internațională a Energiei, energia nucleară constituie o opțiune viabilă din punct de vedere economic pentru producerea de electricitate, cu condiția de a ține cont de preocupările legate de mediu.

 

Bibliografie:
Fisiune nucleară - Wikipedia
Reacție de fisiune nucleară în lanț - Wikipedia
Câtă energie este eliberată de 1 kg de uraniu 235 în timpul fisiunii nucleare (fizică, chimie)
Exploatarea uraniului - frwiki.wiki
Producerea energiei nucleare – CNE Cernavoda
TOP 10 cele mai mari accidente nucleare (wall-street.ro)
World Nuclear Generation and Capacity (nei.org)
Energia nucleară - argumente pro și contra (stratos.ro)
7 motive pentru care regenerabilele sunt mai bune decât energia nucleară — InfoClima.ro
5 Advanced Reactor Designs to Watch in 2030 | Department of Energy