Revista >> Noiembrie 2021 [Nr. 239] >> Cover Story

TRI-VALCEA - Orizonturi noi în cercetări în domeniul tritiului, la ICSI

Dr. ing. Liviu Stefan, dr. fiz. Mihai Varlam – ICSI Rm. Valcea

19 Noiembrie 2021

Una dintre opțiunile UE privind tipul de anvelopă pentru reactorul DEMO este Water Cooled Lithium Lead – WCLL. Mai multe activități care sprijină proiectarea și subiectele legate de funcționarea pe termen lung și fiabilitatea unui astfel de sistem sunt sprijinite în cadrul diferitelor programe ale UE. Pentru a demonstra fezabilitatea unui reactor DEMO care să îndeplinească funcția majoră a autosuficienței tritiului, o atenție deosebită ar trebui acordată dezvoltării tehnologiei de extracție/îndepărtare a tritiului din LiPb - TER. Aceasta include dezvoltarea componentelor unice ale reactorului (pompe, unitate de extracție a tritiului (TEU), sisteme de purificare, dispozitive de umplere și drenare, etc.) și testul întregii instalații pentru a demonstra funcționarea acesteia în condiții normale, oprire și accident. În plus, îmbunătățirea designului și testarea unor tehnologii-cheie - cum ar fi sistemele de extracție T, sistemul de purificare LiPb, sistemul de eliminare a heliului etc. - necesită caracterizare experimentală, machetă la scară medie, la condițiile de operare relevante LiPb DEMO, și validarea funcționării tuturor sistemelor, împreună.
Problema permeabilității izotopilor de hidrogen (în special a tritiului) prin materiale este extrem de importantă pentru ambele tehnologii (fisiune, fuziune), cel puțin în ceea ce privește siguranța radiologică, deoarece permeabilitatea la hidrogen prin structurile metalice structurale și funcționale ale reactoarelor nucleare este relativ mare.

În cazul reactoarelor de fisiune (în special CANDU, unde stocurile de tritiu sunt cele mai mari), pierderile de tritiu în mediul înconjurător datorate permeabilității apar mai ales prin interfața dintre sistemele active de apă grea și agent de răcire, respectiv prin tuburile generatorilor de abur. În cazul reactoarelor de fuziune, potențialul pierderilor de tritiu în mediu (prin permeație) este mult mai mare datorită stocurilor mari de tritiu, temperaturilor foarte ridicate, suprafeței foarte bune de permeabilitate efectivă și faptului că majoritatea structurilor și materialele funcționale ale celor trei mari zone cu potențial ridicat de permeație a tritiului (zona de producție și de plasare în plasmă, zona de generare a tritiului și sistemul de evacuare și reprelucrare a tritiului) sunt metale cu permeabilitate relativ mare la tritiu. În plus, pentru reactoarele de fuziune, controlul pierderilor de tritiu și deuteriu este important pentru a asigura autosuficiența combustibilului. Astfel, reactoarele de fuziune necesită un control al pierderilor de tritiu pe unitatea de producție cu cinci ordine de mărime mai bune decât reactoarele de fisiune, iar acceptarea publică și siguranța energiei de fuziune depind puternic de capacitatea de a controla chimia și permeația tritiului. Esențial pentru minimizarea pierderilor de tritiu în mediu este controlul permeaţiei acestui izotop de hidrogen.
Se alătură celor prezentate şi faptul că dezvoltarea tehnologiilor pentru procesarea deşeurilor radioactive slab şi înalt concentrate constituie un obiectiv prioritar al energeticii nucleare la nivel global, iar promovarea unor cercetări în domeniul separărilor izotopilor hidrogenului contribuie la creşterea managementului izotopilor, deuteriu şi tritiu, prin dezvoltarea unor tehnologii avansate care să fie utilizate la realizarea unor instalaţii tehnologice, compacte, multifuncţionale, de separare, din deşeuri lichide, sub formă de apă uşoară tritiată şi apă grea tritiată, slab şi înalt concentrate în tritiu.
Aceste subiecte sunt de interes şi nu pot fi dezvoltate fără aportul unei infrastructuri minime, de unde se pot dezvolta concepte, proiecte tip, echipamente specifice, tehnologii şi micro-tehnologii, materiale, care să constituie punctul de plecare spre transferuri tehnologice. Se consideră importante şi realizarea unor cercetări în vederea perfecţionării sistemelor de prelevare probe şi a metodelor de măsurare a concentraţiilor izotopilor hidrogenului, în faza gazoasă şi lichidă, ca şi dezvoltarea codurilor de calcul pentru separarea izotopilor hidrogenului, specifice proceselor de separare promovate şi integrarea acestora pentru reprezentarea tehnologiilor promovate.
Nu în ultimul rând, se are în vedere dezvoltarea de tehnologii pentru extracția He-3 din containere de stocare a tritiului (ITC sau gettere) și separarea de tritiu. Aplicabilitatea este imediată, dat fiind faza de construcţie în care se află instalaţia de detritiere de la CNE Cernavoda care va produce, începând cu 2026, primele cantităţi de tritiu. Şi, prin extensie, un alt obiectiv este dezvoltarea proceselor de separare a He-3 din He-4, utilizat ca şi gaz de acoperire în moderatoarele CANDU.
Toate aceste activități menţionate, care reprezintă o mare provocare științifică pentru că încă necesită înțelegerea multor sisteme interconectate de fenomene și materiale, cum ar fi permeația, cinetica chimică, echilibrul termodinamic, fizica suprafeței, transportul în masă etc., sunt prevăzute să devină componente ale viitoarelor activităţi de cercetare-dezvoltare şi proiectare ale proiectului.

Rezultate anticipate
TRI-VÂLCEA va continua activităţile desfăşurate în PESTD, în corelare cu strategia naţională de CDI şi cu strategia generală de cercetare-dezvoltare a ICSI Rm. Vâlcea, dar va activa ca o unitate de elită independentă, cu direcţii de cercetare în utilizarea expertizei existente pentru continuarea dezvoltării sistemelor de management al tritiului, cu noi abordări şi tehnologii pentru managementul deşeurilor radioactive tritiate.
Crearea unei infrastructuri noi, asociată cu instalaţia PESTD pentru cercetare-dezvoltare în domeniul tritiului, va permite extinderea capabilităţilor ICSI pentru fisiune şi fuziune, integrarea cercetărilor în domeniul tritiului din România în contextul internaţional, atragerea de beneficiari pentru proiecte de cercetare şi extinderea participării la proiecte de cercetare pe domeniile de interes.

Sumarizând din documentele proiectului, TRI-VÂLCEA îşi propune următoarele:

Astfel, cercetarea românească şi nu numai va avea la dispoziţie un obiectiv nou, proiectat şi executat la nivelul cerinţelor actuale în domeniul tritiului, cu suficientă flexibilitate pentru dezvoltarea de cercetări noi, încadrate în planurile de perspectivă naţionale şi internaţionale.
Noua infrastructură de cercetare, TRI-VÂLCEA, ca extensie a PESTD, va activa într-o zonă de interfaţă multidisciplinară, având nevoie de informaţii rezultate din teme precum fizică, energetică nucleară, mecanică, electronică, automatizare, etc, astfel încât grupele de cercetători ce vor lucra în aceste laboratoare vor proveni din aceste zone de specializare. Un număr de 14 cercetători din cadrul PESTD vor fi beneficiarii direcţi ai infrastructurii noucreate, la care se adauga alţi 4 noi angajaţi.

O contribuţie aşteptată se referă şi la posibile efecte economice, prin transferuri tehnologice şi asigurarea suportului necesar menţinerii energiei nucleare drept componentă de bază şi sigură în acelaşi timp în mixul energetic al României, creşterea capacităţii de producţie de energie prin domeniul nuclear fiind de dorit pentru asigurarea dezvoltării durabile a României.
Astfel, prin activităţile sale şi mai ales prin rezultate, ICSI, prin ansamblul PESTD TRI-VÂLCEA, va contribui cu siguranţă la menţinerea şi chiar creşterea gradului de acceptanță publică pentru domeniul nuclear, prin reducerea impactului radiologic la operare, atât pentru personal, cât şi pentru populaţie şi mediu.
Un impact semnificativ este cel al colaborărilor externe, întrucât România este parte a programelor de cercetare europene şi deţine posibilităţi de atragere de fonduri din aceste programe.
Prin dezvoltările proprii şi utilizarea standardelor specifice domeniului, instalaţia pilot de la Rm. Vâlcea s-a constituit practic într-o instalaţie europeană, ce poate fi de referinţă în proiecte din cadrul programelor europene EURATOM/JET şi, de asemenea, suport pentru IAEA Viena, privind abordări în domeniu.