Una dintre soluțiile eficiente pentru diminuarea emisiilor de gaze cu efect de seră este reprezentată de centralele electrice bazate pe fisiunea nucleară. Modernizate continuu de-a lungul timpului ele au devenit extrem de sigure. De curând Departamentul pentru Energie al SUA a anunțat aprobarea finală a unui nou concept: reactorul modular de mici dimensiuni.

La începutul lunii noiembrie2021 găseam pe site-ul Ambasadei SUA din București un comunicat de presă care mi-a atras imediat atenția. Citez acum doar un fragment din el: ”Compania americană NuScale Power și Societatea Națională Nuclearelectrica din România au convenit să colaboreze în vederea amplasării unei centrale cu reactoare SMR NuScale pe locul unei centrale pe cărbune în curs de dezafectare, cel mai devreme în 2027-2028. Sursa de energie cu zero emisii de dioxid de carbon va contribui la eforturile din planul României de a renunța treptat la producția de energie pe bază de cărbune până în 2032; în plus, consolidează parteneriatul strategic româno-american în domeniul energiei nucleare de uz civil.” SMR este acronimul în limba engleză a sintagmei ”Small Modular Reactors” (reactor modular de mici dimensiuni).

În ciuda stilului, mult prea oficial pentru gusturile mele, comunicatul mi-a atras atenția. Cunoșteam prea puține lucruri despre reactoarele modulare de mici dimensiuni, așa că am pornit o călătorie pe cărările Internetului. Ceea ce am aflat, mi-a stârnit entuziasmul. Da, acum sunt îndreptățit să cred că ne aflăm în fața unei tehnologii aproape revoluționare, care nu peste foarte mult timp va deveni o componentă importantă în producția de energie electrică. Sper să vă conving și pe dumneavoastră că așa este.

Reactoare modulare de mici dimensiuni

Ele nu sunt chiar o noutate, ele fiind folosite de mai multe decenii la bordul submarinelor, portavioanelor și a spărgătoarelor de gheață. Totuși, pentru a putea fi folosite în scopuri civile, a fost necesară dezvoltarea unor soluții tehnologice care să fie fezabile din punct de vedere economic. În principiu, un reactor modular de mici dimensiuni, este un reactor, bazat pe fisiunea nucleară, care generează puteri cuprinse între 10 și 300 MW (reactoarele de la Cernavodă produc, fiecare, o putere electrică de circa 700 MW). Dimensiunea lor scăzută le permite să fie construite în fabrici specializate, după care să fie transportate, complet echipate, la locul în care urmează să funcționeze, reducându-se astfel timpul necesar pentru construirea centralei nucleare. Reactoarele modulare de mici dimensiuni sunt ieftine (dacă le comparăm cu centralele nucleare convenționale), sunt concepute astfel încât  să fie foarte de simple și să aibă un grad de siguranță extrem de ridicat. Ele pot fi folosite atât pentru furnizarea de electricitate în zonele izolate, cât și pentru producerea simultană de energie electrică și apă caldă. Mai pot fi folosite în instalații pentru desalinizarea apei de mare și pentru producerea de hidrogen.

Transportul componentelor reactorului modular de mici dimensiuni al NuScale.

NuScale Power

NuScale a fost înființată în prima decadă a anilor 2000 și s-a bazat pe o serie de cercetări finanțate de către Departamentul pentru Energie al SUA. După încheierea finanțării guvernamentale o parte dintre cercetători au decis să meargă mai departe. Ei au construit un model la scara 1/3 al unui reactor modular de mici dimensiuni și, în 2007, lua ființă compania NuScale.

În anul 2011 NuScale a reușit să aibă o finanțare inițială de 35 milioane de dolari. La acea vreme avea 100 de angajați. În prezent, după ce a cheltuit aproape 800 de milioane de dolari (dintre care 288 milioane de dolari au provenit din fonduri guvernamentale), NuScale are circa 350 de angajați iar reactorul modular de mici dimensiuni proiectat și construit de ea a primit aprobarea finală a Comisiei de Reglementare Nucleară a Departamentului pentru Energie al SUA.

Reactorul modular de mici dimensiuni al NuScale

Un modul al reactorului nuclear realizat de către NuScale este plasat într-un container care are un diametru de 2,7 m și o înălțime de 20 m, care este introdus într-un container de protecție, cu diametrul de 5,6 m și o înălțime de 23,2m. Spațiul dintre cele două containere este vidat, astfel că nu este necesară o protecție termică suplimentară. Fiecare modul poate produce 60 MP putere electrică.

Reactorul nuclear funcționează pe baza energiei termice furnizate de barele de combustibil din miezul reactorului care conțin circa 5% U235. Pentru a controla reacția de fisiune nucleară sunt folosite 24 de bare realizate dintr-un aliaj compus din argint, cadmiu și iridiu. Ele coboară automat în interiorul miezului cu combustibil nuclear și au rolul de a absorbi o parte dintre neutronii rezultați în urma reacțiilor de fisiune, astfel încât energia termică rezultată să nu depășească o anumită valoare.

Această energie încălzește apa care circulă în jurul miezului reactorului. Deoarece containerul reactorului este presurizat, apa rămâne lichidă la temperaturi mult mai mari decât cele 100% de grade Celsius, cu care suntem obişnuiţi la presiunea atmosferică normală. Datorită fenomenului de convecție, apa fierbinte urcă în container și trece printr-un schimbător de căldură elicoidal și își cedează energia către un circuit exterior de apă, transformând-o în vapori supraîncălziți. În urma cedării energiei, apa care trece prin schimbătorul de căldură se răcește și, tot datorită fenomenului de convecție, coboară către baza reactorului, după care se reia procesul pe care l-am descris mai devreme. Este de remarcat simplitatea acestui mecanism. Vă rog să observați că el nu necesită obișnuitele pompe de recirculare folosite în cazul reactoarelor nucleare clasice.

Reactorul nuclear NuScale, secțiune

Vaporii supraîncălziți, despre care vă vorbeam mai sus, pleacă pe un circuit complet separat. Pe drumul lor antrenează o turbină care, la rândul ei, pune în mișcare un generator electric. În etapa următoare, aburii ajung într-o instalație de condensare și revine la starea lichidă, după care, cu ajutorul unei pompe, sunt trimiși din nou către schimbătorul de căldură din interiorul reactorului nuclear. Ca să rezum, la fel ca în cazul reactoarelor nucleare clasice, cele de mici dimensiuni nu sunt altceva decât niște generatoare de aburi ultramoderne.

NuScale susține că reactoarele produse de ea sunt foarte sigure. Specialiștii NuScale susțin că reactorul modular de mici dimensiuni proiectat de ei folosesc un sistem simplu de siguranță pasivă.

În primul rând, dacă apa scapă din interiorul reactorului, reacțiile de fisiune nucleară încetinesc foarte mult, împiedicând ca acestea să o ia razna, cum a fost cazul centralei de la Cernobîl. Motivul? În proiectul NuScale apa joacă și rol de moderator, adică de încetinire a neutronilor rezultați în urma reacțiilor de fisiune, singurii capabili să întrețină reacția de fisiune în lanț.

Principiul de funcționare (simplificat) al reactorului modular de mici dimensiuni al NuScale

În al doilea rând, dacă miezul reactorului nuclear se supraîncălzește, riscând o repetare a accidentului de la Fukushima, barele de control coboară automat, simultan cu automată a unui grup de supape, care lasă apa din reactor să curgă în spațiul vidat dintre containerul exterior și cel interior. Containerul exterior fiind plasat într-un bazin cu apă, cea care iese din reactor se răcește prin cedarea energiei către cea din exterior. În cele din urmă, apa răcită aflată în spațiul dintre cele două containere ajunge la un nivel mai înalt decât nivelul superior al miezului nuclear, asigurând astfel menținerea sub control a temperaturii reactorului.

Așa cum ați remarcat, în ambele situații de mai sus, nu este nevoie de nici o comandă externă. Pur și simplu, felul în care este conceput acest reactor modular de mici dimensiuni face ca el să ”se apere” singur în fața unor probleme majore, care au dat mult de furcă în trecut în cazul reactoarelor clasice, care impuneau folosirea unor sisteme de siguranță foarte complicate.

Centrala nucleară NuScale

O centrală nucleară de tipul celei propuse de către NuScale poate fi ușor adaptată în funcție de necesitățile zonei. Ea poate fi compusă din cel mult 12 reactoare modulare de mici dimensiuni, care sunt amplasate într-o singură clădire, care este construită din beton armat. Separat există un centru de comandă și control, din care este monitorizată funcționarea fiecărui reactor.

Pentru stocarea în condiții de siguranță maximă a combustibilului uzat, centrala nucleară NuScale a conceput un bazin cu apă, adânc de 20 m, construit din beton și căptușit cu oțel inoxidabil. Aici barele cu combustibil uzat rămân cel puțin cinci ani. După trecerea perioadei de stocare subacvatică, în momentul în care temperatura barelor a scăzut suficient de mult, ele sun introduse în butoaie din oțel omologate de către Departamentul pentru Energie al SUA și sunt depozitate, pentru o perioadă de până la 60 de de ani, într-o zonă special amenajată aflată pe teritoriul centralei nucleare. După trecerea perioadei de stocare din zona centralei, combustibilul uzat este preluat de către o agenție specializată a Departamentului pentru Energie al SUA pentru a fi stocat pe termen foarte lung. (Nu știu, deocamdată, cum vor fi depozitate în România deșeurile radioactive rezultate în urma funcționării reactoarelor modulare de mici dimensiuni ale NuScale. Probabil că ele vor urma același traseu ca deșeurile radioactive de la centrala nucleară de la Cernavoda.)


Amplasarea reactoarelor modulare de mici dimensiuni în interiorul centralei NuScale

Pentru viitor, NuScale își propune să folosească bare din combustibil nuclear reciclat, obținute prin procesarea barelor de combustibil nuclear uzat, reducându-se astfel semnificativ cantitatea deșeurilor radioactive care trebuie să fie stocată pe termen foarte lung. Procesul de reciclare este folosit pe scară largă în Franța, de mai multe decenii. Barele din combustibil nuclear reciclat vor conține un amestec de uraniu și oxid de plutoniu.

Încheiere

Datele, pe care am apucat să le studiez până acum, m-au convins. Cel puțin teoretic, vom avea numai de câștigat din construcția viitoarei centrale NuScale. Ea este mult mai ieftină, mai sigură și mai flexibilă decât o centrală nucleară clasică. În plus, ne va ajuta să reducem semnificativ emisiile de gaze cu efect de seră. Rămâne de văzut dacă se va materializa la noi acest proiect atât de ambițios.