m4h19he
Fisiunea se face prin absortia unui neutron de un nucleu greu de uraniu 235,
in urma reactiei rezultand cesiu 140, rubidiu 93, 3 neutroni si
200 MeV sau 7.7x10-12 calorii. In cadrul unei reactii de fisiune nucleara
este eliberata o cantitate de energie de 10 milioane de ori mai mare decat
in cazul unei reactii chimice obisnuite. Energia eliberata de cantitatea
de 1 Kg de uraniu 235 este de 18.7 milioane Kwh de caldura. Neutronii eliberati
in urma reactiei reactioneaza cu alte nuclee de uraniu, in urma
reactiei neutronii inmultindu-se. In urma acestui proces se formeaza
o reactie sustinuta sau o reactie in lant care duce la o eliberarea continua
de energie.
In mod natural uraniul contine 0,71 % uraniu 235, restul fiind uraniu
238. O masa de uraniu natural, oricat de mare, nu poate sustine o reactie
in lant din cauza faptului ca numai uraniul 235 froduce usor fisiunea.
Probabilitatea ca un neutron cu o energie de aproximativ 1 MeV sa produca fisiune
este scazuta, dar probabilitatea poate fi crescuta de sute de ori cand
neutronul este incetinit printr-o serie de coliziuni elastice cu nuclee
usoare ca hidrogen deuteriu sau carbon.
In decembrie 1942 fizicianul italian Enrico Fermi a reusit sa produca
prima reactie nucleara in lant la Universitatea din Chicago. Acest lucru
a fost reusit printr-o combinatie de uraniu natural si grafit natural, acesta
avand rolul de a incetini neutronii.
Energia nucleara se poate obtine prin fuziunea a doi nuclei usori in unul
mai greu. Energia data de stele si de soare provine din reactii nucleare de
fuziune din interiorul lor. In prezenta unei presiuni enorme si a unei
temperaturi de peste 15 milioane ° C ce este in stele, nucleul de
hidrogen se combina ca in ecuatia de mai jos, dand nastere la majoritatea
energiei degajata de soare.
Fuziunea Nucleara
Fuziunea nucleara a fost realizata pentru prima data prin anii 1930 prin bombardarea
unei tinte conttinand deuteriu, izotopul hidrogenului cu masa 2, cu deuteroni
intr-un ciclotron. Pentru a ccelera raza de deuteroni este necesara folosirea
unei imense cantitati de energie, marea majoritate transformandu-se in
caldura. Din aceasta cauza fuziunea nu este o cale eficienta de a produce energie.
In anii 1950 prima demonstratie la scara larga a eliberarii unei cantitati
mari de energie in urma fiziunii, necontrolata a fost facuta cu ajutorul
armelor termonucleare in SUA, URSS, Marea Britanie si Franta. Aceasta
experienta a fost foarte scurta si nu aputut fi folosita la producerea de energie
electrica.
In cadrul fisiunii, neutronul, care nu are sarcina electrica poate interactiona
usor cu nucleul, in cazul fuziunii, nucleele au amandoua sarcina
pozitiva si in mod natural nu pot interactiona pentru ca se resping conform
legii lui Coulomb, lucru care trebuie contacarat. Acest lucru se poate face
cand temperatura gazului este suficient de mare 50-100 milioane °
C.
Intr-un gaz de hidrogen greu izotopii deuteriu si tritiu la asa temperaturi
are loc fuziunea nucleara, eliberandu-se aproximativ 17,6 MeV pe element
de fuziune.
Energia apare la inceput ca energie cinetica a lui heliu 4, dar este
transformata repede in caldura. Daca densitatea de gaz este sufucienta,
la aceste temperaturi trebuie sa fie de 10-5 atm, aproape vid, energia nucleului
de heliu 4 poate fi transferata gazului de hidrogen, mentinandu-se temperatura
inalta si realizandu-se o reactie in lant.
Problema de baza in atingerea fuziunii nucleare este caldura gazului si
existenta unei cantitati suficiente de nuclee pentru un timp indelungat
pentru a permite eliberarea unei energii suficiente pentru a incalzi gazul.
O alta problema este captarea energiei si convertirea in energie electrica.
La o temperatura de 100.000 ° C toti atomii de hidrogen sunt ionizati, gazul
fiind compus din nuclee incarcate pozitiv si electroni liberi incarcati
negativ, stare numita plasma.
Plasma calda pentru fuziune nu se poate obtine din materiale obisnuite. Plasma
s-ar raci foarte repede, si peretii vasului ar fi distrusi de caldura. Dar plasma
poate fi controlata cu ajotorul magnetiilor urmand liniile de camp
magnetic stand departe de pereti.
In 1980 a fost realizat un astfel de dispozitiv, in timpul fuziunii
temperatura fiind de 3 ori mai mare ca a soarelui.
O alta cale posibila de urmat este de a produce fiziune din deuteriu si tritiu
pus intr-o sfera mica de sticla care sa fie bombardata din mai multe locuri
cu ul laser pulsand sau cu raze ionice grele. Acest procedeu produce o
implozie a sferei de sticla, paroducandu-se o reactie termonucleara care aprinde
carburantul.
Progresul in fuziunea nucleara este promitator dar infaptuirea de
sisteme practice de creare stabile de reactie de fuziune care sa produca mai
multa energie decat consuma va mai lua ceva decenii pentru realizare.
Activitatea de experimentare este scumpa. Totusi unele progrese sau obtinut
in 1991 cand o cantitate importanta de energie (1,7 milioane W)
a fost produsa cu ajutorul reactie de fuziune controlata in Laboratoarele
JET din Finlanda. In 1993 cercetatorii de la Universitatea din Princeton
au obtinut 5.6 milioane W. In ambele cazuri s-a consumat mai multa energie
decat s-a creat.
Daca reactia de feziune devine practica ofera o serie de avantaje: o sursa de
deuteriu aproape infinita din oceane, imposibilitatea de a produce accidente
din cauza cantitatii mici de carburant, reziduriile nucleare sunt mai putin
radioactive si mai simplu de manipulat.
Interactiunea fotonilor nucleari g cu semiconductori, cu particulele atomice
din care sunt compusi acestia este identica cu interactiunea electronilor si
a fotonilor nucleari X, indiferent de substanta sau materia cu care interactioneaza.
1 - Efectul fotoelectric (absorbtie). Particulele radiatiei g smulg electroni
din stratul K sau L, consumandu-si complet energia. Electronii eliberati se
numesc fotoelectroni.
2- Efectul Compton (imprastiere). Particulele radiatiei g se ciocnesc de electronii
invelisului electronic al atomului pe care ii smulg din structura atomului,
trasmitandu-i numai o parte din energia sa. Particulele radiatiei g sunt deviate
de la directia lor initiala, avand o frecventa mai mica E' = hn'.
Electronii smulsi din invelisul electronic, in urma ciocniri lor cu particulele
radiatiei g se numesc electroni Compton.
3 - Formarea de perechi. Interactiunea fotonilor g cu nucleonii, respectiv protonii
si neutronii va genera perechi de particule subatomice.
In cazul interactiunii fotonilor nucleari g (o) cu protonii, acestia emit perechi
de particule electroni (-e)-pozitroni (+e) si se transforma in neutroni si trec
de pe orbita fundamentala pe o orbita superioara, iar datorita acestei interactiuni
atomul a trecut din starea fundamentala in starea de excitatie.
Electroni (-e) sunt particule incarcate din punct de vedere electric negativ
si formeaza radiatiile b, iar pozitroni (+e) sunt particule incarcate din punct
de vedere electric pozitiv si alcatuiesc radiatiile a.
Aceste particule avand sarcini electrice diferite se atrag si se neutralizeaza
reciproc printr-un proces de anihilare A, in urma caruia rezulta doua particule
(o) neutre din punct de vedere electric care sunt emise sub forma unor cuante
de radiatii g moi care sunt identice si au caracteristici asemanatoare cu radiatiile
g radioactive emise de nuclee atomice in procesul dezintegrari nucleare radioactive.
La revenirea neutronilor de pe orbita superioara, pe orbita fundamentala, acestia
emit fotonii nucleari (of) gd duri si diferenta de energie dintre cele doua
orbite nucleare.
In cazul interactiunii fotonilor nucleari g (o) cu neutronii, acestia emit perechi
de particule electroni (-e)-neutrini (on) si se transforma in protoni si trec
de pe orbita fundamentala pe o orbita superioara.
Electroni (-e) sunt particule incarcate din punct de vedere electric negativ
formeaza radiatiile b, iar neutrini (on) fiind particule neutre din punct de
vedere electric alcatuiesc radiatiile g moi.
Protoni nu au o situatie stabila pe aceasta orbita superioara si revin pe orbita
fundamentala, emitand fotonii nucleari (of) gd duri si diferenta de energie
dintre cele doua orbite nucleare.
In acest caz, atomul trece din starea de excitatie in starea fundamentala.
Fotonii nucleari emisi sunt particule neutre din punct de vedere electric si
reprezinta diferenta de energie dintre cele dou“ orbite.
Din aceasta prezentare rezulta ca, radiatiile radioactive a, b si g sunt alcatuite
din particule inarcate din punct de vedere electric sau neutre din punct de
vedere electric:
- pozitronii, particule subatomice care au sarcina electrica pozitiva
- electronii, particule subatomice care au sarcina electrica negativa
- neutrini, particule subatomice neutre din punct de vedere electric
- fotoni nucleari, particule neutre din punct de vedere electric.
Toate aceste particule interactioneaza cu substanta care este alcatuita din
molecule, atomi care la randul lor sunt constituite tot din particule incarcate
din punct de vedere electric sau neutre din punct de vedere electric, respectiv:
- electronii din invelisul electronic al atomului care sunt incarati din punct
de vedere electric negativ
- protoni care au sarcina electrica pozitiva
- neutronii care sunt neutri din punct de vedere electric.
In acest caz, interactiunea sarcinilor electrice pozitive, negative si neutre
a radiatiilor radioactive a, b si g cu particulele semiconductorilor din bateriile
fototermoelectrice va produce absorbtia si transformarea lor in curent electric
continuu.
Reactorul Nuclear
Transmutatiile radioactive naturale precum si reactii nucleare produse artificial,
prin reactii de fisiune nucleara au ca rezultat, degajarea unor mari cantitati
de energie pe unitatea de masa a substantei cu care reactioneaza.
Posibilitatea utilizarii energiei nucleare s-a realizat o data cu descoperirea
fisiunii nucleare si procedeul obtinerii reactiei in lant. Reactia nucleara
continua si reglabila se realizeaza in reactori nucleari (pilele atomice).
In reactoare se utilizeaza uraniu 23592U. Conditia necesara pentru decurgerea
reactiei nucleare in lant este masa suficienta de uraniu din reactor.
Neutronii care se formeaza in procesul reactiei nucleare, pot iesi prin suprafata
uraniului afara si participa la dezvoltarea reactiei in lant.
Pentru ca fractiunea de acesti neutroni sa fie mica, in comparatie cu volumul
lui, trebuie ca masa uraniului din reactor sa fie suficient de mare si sa depaseasca
o anumita masa critica. Pe de alta parte, pentru ca reactia sa nu decurga prea
violent, trebuie reglat numarul de neutroni, nepermitandu-i s“ creasca
prea mult. Aceasta se realizeaza printr-o absorbtie a neutronilor termici excedentari
cu ajutorul unor elemente ca borul (B) si cadmiul (Cd).
Un reactor nuclear este alcatuit din:
- spatiul in care sunt asezate blocurile de uraniu (23592U) si de moderatori
(de obicei, grafit) A;
- reflectorul de neutroni care au parasit spatiul in care se desfasoar“
reactia B;
- strat de protectie care protejeaza spatiul inconjurator de actiunea radiatiilor
emise in timpul desfasurarii reactiei nucleare C;
- bare de cadmiu (Cd) sau bor (B) D si E care sunt introduse in volumul A si
incetinesc reactia de fisiune nucleara. Introducerea barelor se face in mod
automat, imediat ce puterea reactiei nucleare depaseste o anumita limita. Apa
este folosita pentru racirea blocurilor de uraniu, iar aburul rezultat din fierberea
apei pune in miscare turbina unui generator electric care produce energie electrica.
Aceasta ar fi un aspect al obtinerii energiei in reactoarele nucleare, dar cel
mai trist aspect il constituie problema deseurilor nucleare radioactive si stocarea
lor.