Baza societății noastre: aburul

V-ați gândit vreodată că unele dintre cele mai moderne tehnologii ale noastre se bazează pe abur? Da, abur, apă fiartă și evaporată pentru a o transforma, practic, într-un aer comprimat care pune în mișcare pistoanele unui motor sau palele unei turbine, respectiva mișcare fiind folosită pentru a genera curent electric, pentru a pune în mișcare alte piese și sisteme șamd.

Practic, întreaga planetă folosește aceeași tehnologie ca atunci când voi suflați spre o morișcă de jucărie și o faceți să se învârtă.

Totul a pornit în 1781, când James Watt a inventat un motor care era pus în mișcare continuă de aburul ce provenea de la un boiler unde fierbea apă. Invenția asta a fost crucială pentru civilizația noastră deoarece motoarele respective au putut fi utilizate apoi în tot felul de soluții (pompe de apă, locomotive, benzi de producție în fabrici, prese – tot ce numim acum Revoluția Industrială practic de acolo a pornit).

Un exemplu perfect este locomotiva cu aburi. Se pun cărbuni în foc, aceștia încălzesc și transformă apa în aburi, forța aburului împinge niște pistoane ce pun în mișcare roțile. Aburul este apoi transformat în apă prin condensare, așa că o parte din această “materie primă” este recuperată și refolosită.

Toate vapoarele cu aburi folosesc același principiu. Aburul pune în mișcare elicele sau zbaturile din apă. Și nu vă gândiți doar la Titanic; inclusiv portavioanele nucleare de astăzi folosesc aburul pentru a funcționa.

Am zis nucleare? Da. Asta mi se pare cea mai ironică treabă legată de tehnologia centralelor nucleare. Acestea sunt un sistem foarte avansat, bazat pe cea mai înaltă fizică și chimie dezvoltată până acum pe Pământ, iar tot ce fac este să genereze abur.

O mare paranteză acum. Puteți sări peste ea, dacă vreți, e destul de geeky.

În mare vorbind, o centrală nucleară funcționează în modul următor: nucleul atomilor de uraniu este spart (materialele radioactive sunt mai predispuse la asta) și în acest proces eliberează radiație, neutroni și căldură. Neutronii aceștia lovesc alți atomi de uraniu din jurul lor și îi sparg și pe aceia, așa că reacția continuă singură și se amplifică rapid odată ce ai pus acolo o masă suficientă de uraniu (de unde și termenul “masă critică” – dacă-i prea puțin se stinge singură, ca un incendiu ce nu are ce consuma).

Ca să controlezi reacția, o parte din neutroni sunt “capturați” de materiale ce au această proprietate, de exemplu grafitul sau apa grea, și deci controlezi numărul lor. În reactoare, se folosește uraniu pus în formă de bare lungi și printre ele se circulă apă grea sau se introduc sau se scot bare din grafit, de unde și acele imagini din filme când cineva trebuie să apese un cilindru în reactor pentru a împiedica explozia acestuia (sau să scoată bara de uraniu).

Funcționarea unei centrale nucleare este, desigur, mult mai complicată de atât. Reacția nucleară are o inerție mare, trebuie anticipat din timp cât material moderator bagi sau scoți din reactor. De asemenea, uraniul se transformă în alte elemente, grafitul mai trece și el prin niște reacții chimice, apar niște substanțe (xenon, iod șamd) care “otrăvesc” reacția nucleară și trebuie eliminate (sau neutralizate prin alte reacții) din reactor. Se mai pune apoi problema opririi reactorului în caz de probleme, care de obicei se face prin inundarea acestuia cu boron.

Asta-i varianta simplistă, sunt zeci de modele de reactoare nucleare, toate se bazează pe fizică și chimie cu zeci de factori ce le pot influența buna funcționare. De exemplu totul se complică pentru că neutronii eliberați prin fisiune au o viteză/energie prea mare pentru a determina fisiunea în alți atomi, așa că întâi trebuie încetiniți cu o substanță de moderare, a cărei cantitate trebuie continuu modificată. O altă problemă este să faci rost de primii neutroni ce produc fisiunea în uraniu, că aceștia nu se cumpără de la colțul străzii. Asta înseamnă alte sisteme, reacții chimice și fenomene fizice.

Bun, și cum ajunge reacția aceasta nucleară, atât de precis controlată, să producă energie electrică pentru televizorul de pe peretele meu? Simplu, reactorul nuclear produce și multă căldură, iar acea căldură încălzește apă, o transformă în abur, aburul pune în mișcare un rotor care produce curentul electric…

Toată acea fizică și chimie de top, toată treaba cu neutroni, apă grea, xenon, boron are ca unic scop fierberea apei de către fisiunea atomilor de uraniu. Asta se întâmplă și la Cernavodă, se încălzește apă. De ce folosim centrale nucleare? Pentru că o cantitate mică de uraniu poate încălzi o cantitate mare de apă, ca să zic așa, iar în plus nu poluează (decât în caz de accident). Un kilogram de uraniu poate fi folosit pentru a genera tot atâta energie electrică precum 14 tone de cărbune. Tone!

By U.S.NRC. – http://www.nrc.gov/reading-rm/basic-ref/students/animated-pwr.html, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2320214

Există reactoare nucleare și pe vapoare și pe submarine. Toate merg pe același sistem, căldura rezultată din reacția nucleară fierbe apa și aburul este folosit apoi pentru a mișca generatoare electrice.

Mi se pare foarte ironic totul. Tehnologii avansate la reactor și la consumator, dar metoda cea mai simplă de a pune electronii în mișcare spre priză rămâne folosirea aburului ca element intermediar.

Personal sunt convins că, în Star Trek, motorul warp folosește antimaterie pentru a genera suficientă căldură cu care fierbe apa în cele două nacele ale navei și aruncă abur în spate, propulsând nava cu viteză mare.