Welcome to Wikipedia,

Cezar Marcel DOCA

Constantin PUNOIU

INTRODUCERE N LUMEAREACTOARELOR NUCLEARE DE FISIUNE

CONTRIBUIE LA RO.WIKIPEDIA.ORGEditura Universitii din Piteti 2007ISBN: 978-973-690-684-8CUVNT NAINTE

Aceast carte nu se substituie vreunui tratat, manual sau curs de specialitate: nici de teorie fizic, nici de inginerie, nici mcar de istorie a tiinei i tehnicii.

Lucrarea de fa este parte a contribuiei noastre la wikipedia n limba romn.

Prezentul eseu folosete i, la rndul su, ofer cititorului informaii sub GNU Free Documentation Licence.

AUTORIIInstitutul de Cercetri Nucleare PitetiCUPRINSNOTIE pentru cei care nu au rbdare s citeasc toat cartea. 7SCURT ISTORIC......13ATOMUL.......23NUCLEUL ATOMIC.....31FISIUNEA NUCLEAR.....37REACIA DE FISIUNE N LAN....43COMBUSTIBILI NUCLEARI....47REACTORUL NUCLEAR DE FISIUNE...57STRATEGII I FILIERE.....71DEEURI RADIOACTIVE..... 101CENTRALA NUCLEAROELECTRIC

.. 113ACCIDENTE NUCLEARE..... 117SECURITATE NUCLEAR.... 141CONCLUZII pentru cei care au avut rbdare s citeasc toat cartea. 151BIBLIOGRAFIE...... 155ANEXE....... 157NOTIE

pentru cei ce nu au rbdare s citeasc toat cartea

Atomul este format dintr-un nucleu central nconjurat de un nor de electroni. La rndul su, nucleul atomic conine protoni i, cu excepia nuclidului 1H (hidrogen), neutroni. Botezat electron de George Stoney, aceast particul a fost descoperit i prezentat n 1987 de Johann Emil Wiechert i, independent, trei luni mai trziu, de Joseph John Thomson. Cu o raz mai mic de 10-22 m, electronul face parte din familia fermionilor, grupa leptonilor i este caracterizat prin:

sarcina electric = 1,60217733 10-19 C; masa = 9,10938188(72) 10-31 kg; momentul giromagnetic = 1,0011596521883(42) B; momentul de dipol electric = (0,3 0,8) 10-29 e m; spinul = .

Avnd un timp de via > 131030 s, electronul interacioneaz gravitaional, electromagnetic i prin for nuclear slab, antiparticula sa numindu-se pozitron. Protonul a fost descoperit n 1911 de Ernest Rutherford.

Cu o raz de 0,89(1) 10-15 m, protonul este fermion / hadron / barion / nucleon i se compune din trei quarci: 1 down i 2 up.

Protonul are:

sarcina electric = +1,60217733 10-19 C; masa = 1,67262158(13) 10-27 kg; momentul magnetic = 2,2792847337(29) N; momentul de dipol electric = ( 4 6) 10-26 e m; polarizabilitatea electric = 12,1(0,9) 10-4 fm3; polarizabilitatea magnetic = 2,1(0,9) 10-4 fm3; spinul = .

Timpul de via al protonului este de 1,61025 ani, iar antiparticula sa se numete antiproton.

Neutronul a fost descoperit n 1932 de James Chadwick.

Cu o raz de ~ 110-15 m, neutronul este fermion / hadron / barion / nucleon i se compune din trei quarci: 2 down i 1 up.

Este neutru din punct de vedere electric i are:

masa = 1,67492716 10-27 kg; momentul magnetic de dipol = 1.91304272(45) N; momentul de dipol electric = ( 3,3 4,3) 10-28 e m; polarizabilitatea electric = 0,98(23) 10-3 fm3; spinul = .

Cu un timp de via = 887,0(2,0) s, neutronul liber se dezintegreaz, rezultnd: un proton, un electron i un neutrino; neutronul din nucleul atomic poate avea timp de via de cel puin 1020 ani. Spontan sau n urma ciocnirii de ctre un neutron extern, un nucleu greu se poate scinda, rezultnd cel puin alte dou nuclee mai uoare, numite produi de fisiune, i un numr de neutroni liberi; fenomenul se numete fisiune nuclear. Dac noii neutroni, liberi, contribuie, la rndul lor, la ruperea altor nuclee, atunci avem de a face cu o reacie de fisiune n lan.

n cazul n care numrul acestor scindri succesive crete n timp, n mod necontrolat, fisiunea n lan poate cunoate o evoluie exploziv, fenomenul prezentnd importan practic n special din punct de vedere militar.

ntr-o fisiune nuclear, neutronii liberi sunt generai cu energii cinetice mari, ei mai numindu-se i neutroni rapizi.

Neutronii rapizi pot fi ncetinii (termalizai, moderai) prin ciocniri cu alte nuclee, devenind, astfel, neutroni leni.

Materialul utilizat la ncetinirea neutronilor rapizi se numete moderator, exemple n acest sens fiind grafitul i apa grea (D2O). Atomii ale cror nuclee fisioneaz la ciocnirea cu neutronii rapizi se numesc fisionabili; exemplu: 238U i 240Pu.

Atomii ale cror nuclee fisioneaz la ciocnirea cu neutronii termici se numesc fisili; exemple: 233U, 235U i 239Pu. Analog combustibilului chimic, care este ars pentru a obine energie, combustibil nuclear este orice material care poate fi consumat n reacii de fisiune n lan pentru a obine energie electric.

Cel mai comun tip de combustibil nuclear este reprezentat de elementele fisile grele folosite n reactorul nuclear. Combustibilii nucleari pot fi utilizai sub diferite forme: oxizi (UOX, MOX); metalici (TRIGA, cu actinide); ceramici (nitrur de uraniu, carbur de uraniu); lichizi (sruri anhidre topite, soluii apoase ale srii de uranil). Nu toi combustibilii nucleari sunt folosii n reacii de fisiune n lan; de exemplu: 238Pu este folosit pentru a produce energie n cantiti mici prin dezintegrare radioactiv n generatoarele radiotermale sau pile atomice. Reactorul nuclear de fisiune este o instalaie n care este iniiat o reacie nuclear n lan, controlat i meninut la o rat staionar.

Reactorul nuclear de fisiune poate fi:

reactor termic, dac utilizeaz neutroni termici i, evident, moderator; reactor rapid, dac utilizeaz neutroni rapizi. Cldura degajat ntr-un reactor nuclear este ndeprtat (i utilizat) cu ajutorul unui agent de rcire care poate fi gaz (heliu, bioxid de carbon etc.), sau lichid (ap, topituri). Cele mai cunoscute strategii i filiere de reactoare nucleare de fisiune sunt:

Magnox; Gas-Cooled Reactor (GCR); Advanced Gas-cooled Reactor (AGR); High Temperature Gas-cooled Reactor (HTGR); Very High Temperature Reactor (VHTR); Gas-cooled Fast Reactor (GFR); Light Water Reactor (LWR); Pressurized Water Reactor (PWR); Boiling Water Reactor (BWR); Advanced Boiling Water Reactor (ABWR); Heavy Water Reactor (HWR); Pressurized Heavy Water Reactor (PHWR); Advanced CANDU Reactor (ACR); Reactorul RBMK ( ); Reactorul VVER (o alternativ la reactorul RBMK); SuperCritical Water Reactor (SCWR); Liquid metal cooled reactor, Fast Breeder Reactor (FBR); Liquid Metal Fast Breeder Reactor (LMFBR); Sodium cooled Fast Reactor (SFR); Lead cooled Fast Reactor (LFR); Molten Salt Reactor; Molten Salt Breeder Reactor (MSBR); Advanced Liquid Metal Reactor (sau Integral Fast Reactor); Pebble Bed Reactor (PBR) & Pebble Bed Modular Reactor (PBMR). Conceptul unui reactor nuclear natural a fost teoretizat nc din 1956 de Paul Kurola la University of Arkansas.

Cincisprezece reactoare de fisiune naturale se gsesc n trei depozite separate de minereu la mina Oklo din Gabon, n vestul Africii. Descoperite n septembrie 1972 de Francis Perrin, acestea sunt cunoscute ca Reactoarele Fosile Oklo i funcioneaz de aproximativ 150 milioane de ani, avnd o putere medie de 100 kW. Deeurile radioactive conin elemente chimice radioactive care nu mai au utilizare practic.

Deeurile pot fi de nivel radioactiv:

sczut (Low Level Waste LLW)

intermediar (Intermediate Level Waste ILW)

nalt (High Level Waste HLW). n Statele Unite se mai definete i Deeul transuranic (Transuranic Waste TRUW). Principalele probleme ale managementului deeurilor radioactive HLW se refer la:

stocarea n bazine cu ap uoar (bazine de calmare a combustibilului ars scos dintr-un reactor nuclear); vitrifierea; imobilizarea n roc sintetic (Synroc); depozitarea n straturi geologice; transmutaia; reutilizarea deeului; depozitarea n spaiu extraterestru. n legtur cu instalaiile nucleare i materialele (inclusiv deeurile) radioactive, pot avea i au avut deja loc importante evenimente civile i militare.

Datorit naturii lor diferite, aceste evenimente se mpart n accidente nucleare i accidente cu radiaie.

Pentru a permite comunicarea prompt i coerent a informaiei semnificative din punct de vedere al siguranei n cazul accidentelor nucleare, IAEA Viena a introdus International Nuclear Event Scale (INES).

Scala INES cuprinde 7(8) nivele i anume: Nivelul 7 accident major (accident maxim credibil); Nivelul 6 accident serios; Nivelul 5 accident cu risc n afara locaiei; Nivelul 4 accident fr risc n afara locaiei; Nivelul 3 incident serios; Nivelul 2 incident; Nivelul 1 anomalie; Nivelul 0 deviaie. Mai exist, de asemenea, i evenimente fr relevan n siguran, caracterizate ca fiind n afara scalei. n carte sunt descrise, pe scurt, cele mai documentate: 26 accidente nucleare din domeniul civil, 36 accidente cu radiaii din domeniul civil i 49 accidente nucleare i cu radiaii dn domeniul militar.SCURT ISTORIC

AtomulPrima formulare filozofic a unei idei similare celei de atom a fost dezvoltat de Democrit n Grecia secolului al VI-lea .d.Ch. Ideea s-a pierdut timp de secole, pn la reaprinderea interesului tiinific din epoca Renaterii.

n secolul al XIX-lea, John Dalton a vrut s cunoasc de ce se sparg substanele n constitueni proporionali. Pentru Dalton, fiecare element chimic a fost reprezentat printr-un tip de atom, i vice-versa.

n ultima parte a secolului al XIX-lea, William Crookes a inventat tubul cu raze catodice, realizare ce i-a permis s observe, primul, particule ncrcate negativ.

Aproape de trecerea ctre secolul al XX-lea, J.J. Thomson, n urma cercetrilor sale privind razele catodice, a descoperit c atomii sunt, de fapt, divizibili, fiind parial compui din particule foarte uoare ncrcate negativ (dovedite a avea proprieti identice indiferent de elementul chimic de la care proveneau), ce au fost numite mai trziu electroni. De altfel J.J. Thomson propune primul model de atom, n care electronii sunt distribuii ntr-o structur sferic cu sarcin pozitiv, precum stafidele ntr-un cozonac.

n 1911, Ernest Rutherford a descoperit c electronii orbiteaz un nucleu compact, iar hidrogenul posed cel mai uor nucleu, pe care l-a numit proton (n limba greac, nseamn primul).

Pentru a explica de ce electronii nu cad, n spiral, pe nucleu, Niels Bohr a dezvoltat un model al atomului n care, folosind rezultatele mecanicii cuantice, electronii nu pot s parcurg dect orbite circulare fixate.

Dup descoperirea principiului de incertitudine / imprecizie al lui Werner Heisenberg, conceptul de orbit circular a fost nlocuit cu cel de nor, n interiorul cruia distribuia electronilor a fost descris prin ecuaii probabilistice.

n sfrit, dup descoperirea, n anul 1932, a neutronului, particul neutr din punct de vedere electric, nucleele atomice ale elementelor mai grele dect hidrogenul s-au gsit a fi formate din protoni i neutroni, aceste ultime rezultate completnd concepia modern despre structura atomic.Nucleul atomic

La nceputul secolului al XX-lea fizicienii au descoperit trei tipuri de radiaii provenind din atomi, pe care ei le-au numit radiaii alfa, beta i gamma.

Experimentele din 1911 ale lui Lise Meitner i Otto Hahn, precum i cele ale lui James Chadwick din 1914, concluzionau c interpretarea caracteristicilor spectrale ale dezintegrrii beta ar presupune admiterea neconservrii energiei. Aceast problem a condus la descoperirea, mai trziu, a neutrinului.

n aceeai perioad, Ernest Rutherford a realizat un experiment remarcabil n care Hans Geiger i Ernest Marsden, sub supravegherea lui Rutherford, au bombardat cu particule alfa (nuclee de heliu) o foi subire din aur. Modelul cozonacului cu stafide al lui J.J. Thomson prezicea c particulele alfa ar fi trebuit s ias din foia de aur pe o traiectorie, eventual, puin curbat. Ei au fost surprini s descopere c unele particule au fost mprtiate sub unghiuri mari, n cteva cazuri fiind chiar ntoarse napoi.

Descoperirea a condus la modelul Rutherford, n care atomul are un nucleu foarte mic i foarte dens, constituit din particule grele cu sarcin pozitiv i electroni, nucleul fiind nconjurat de alte sarcini negative. De exemplu, n acest model, azotul (14N) consta dintr-un nucleu cu 14 protoni i 7 electroni, iar nucleul era orbitat de ali 7 electroni.

Modelul lui Rutherford a mers destul de bine pn la studiile privind spinul nuclear, efectuate n 1929 de Franco Rasetti la California Institute of Technology.

nc din 1925 se tia c protonul i electronul au spini . n modelul Rutherford al atomului de 14N, cei 14 protoni i 6 electroni trebuiau s formeze perechi unii cu alii, pentru a-i anula reciproc spinul, astfel nct ultimul electron s confere nucleului un spin .

Rasetti a descoperit c 14N are spin 1.

n 1930, neputnd s ajung n oraul german Tbingen, la o ntlnire pe probleme de radioactivitate, Wolfgang Pauli le trimite participanilor o scrisoare prin care sugera posibilitatea ca n nucleu s existe o a treia particul, pe care el o denumea neutron, mai uoar dect un electron, fr sarcin electric i care nu interacioneaz cu substana (fapt pentru care nici nu fusese nc detectat).

Aceast soluie disperat a rezolvat ambele probleme: cea a conservrii energiei i aceea a spinului nucleului de 14N; mai nti deoarece neutronul lui Pauli transporta cu el extra-energia dezintegrrii beta i apoi pentru c prezena unui extra-neutron n nucleul 14N i conferea acestuia spinul 1.

Neutronul lui Pauli a fost redenumit neutrino, de Enrico Fermi, n 1931, dar abia dup 30 de ani s-a demonstrat, definitiv, c, ntr-adevr, neutrino este emis n dezintegrarea beta.

n 1932 Chadwick a realizat c radiaia pe care o observaser Walther Bothe, Herbert Becker, Irne i Frdric Joliot-Curie se datora unei particule masive pe care el a numit-o neutron.

n acelai an Dmitrij Iwanenko a sugerat c neutronii sunt particule cu spin , c nucleul conine neutroni i c n nucleu nu exist electroni.La rndul su Francis Perrin a sugerat c neutrino nu sunt particule nucleare, dar erau create n timpul dezintegrrii beta.

La sfritul anului 1932 Fermi a trimis o teorie a neutrinului revistei Nature, al crui editor a respins-o deoarece era prea departe de realitate. Fermi a continuat s lucreze la teoria sa i n 1934 a publicat o lucrare care plasa neutrino pe solide fundamente teoretice.

n acelai an, Hideki Yukawa a propus prima teorie semnificativ a forelor nucleare tari pentru a explica meninerea mpreun a nucleonilor.

Cu lucrrile lui Fermi i Yukawa s-a completat modelul modern al atomului.

Centrul atomului const dintr-o regiune (sferic) compact de neutroni i protoni care sunt meninui mpreun de ctre forele nucleare tari. Nucleele instabile pot suferi dezintegrri alfa, n care ele emit nuclee energetice de heliu, sau dezintegrri beta, n care ele emit electroni sau pozitroni.

Dup una dintre aceste dezintegrri, nucleul rezultat poate s se gseasc, la rndul su, ntr-o stare excitat i, n acest caz, se dezintegreaz i el, ctre o stare de baz, emind fotoni de nalt energie (dezintegrare gamma).

Fisiunea nuclearRezultatele bombardrii uraniului cu neutroni s-au dovedit a fi interesante i enigmatice; studiate prima dat de Enrico Fermi i colegii lui n 1934, nu au fost interpretate corect dect mult mai trziu.

Pe 16 ianuarie 1939, danezul Niels Bohr ajungea n Statele Unite pentru a locui cteva luni n Princeton, statul New Jersey. Patru ani mai trziu Bohr a fugit din Danemarca ocupat de naziti. Chiar nainte ca Bohr s prseasc Danemarca, la bordul unui vapor, doi dintre colegii si, Otto Robert Frisch i Lise Meitner, amndoi refugiai din Germania, i-au comunicat bnuiala c absorbia neutronului de ctre nucleul de uraniu conduce uneori la scindarea nucleului n pri aproximativ egale i eliberarea unei enorme cantiti de energie, proces pe care ei l-au botezat fisiune nuclear, asemntor fisiunii / divizrii celulelor vii din biologie.

Aceast ipotez a fost precedat de descoperirea important a lui Otto Hahn i Fritz Strassmann din Germania, publicat n Naturwissenschaften la nceputul lunii Ianuarie 1939, care a demonstrat c un izotop de bariu a fost produs prin bombardarea uraniului. Bohr a promis s in secret interpretarea Meitner / Frisch pn la publicarea lucrrii lor, pentru pstrarea prioritii, dar la bordul vaporului a discutat aceast problem cu Lon Rosenfeld, uitnd s-l roage s-o menin, la rndul su, secret.

Rosenfeld, imediat dup prsirea vaporului, a vorbit despre aceast descoperire tuturor celor de la Princeton University, i de la acetia tirea s-a rspndit n lumea fizicienilor, ajungnd inclusiv la Enrico Fermi, la Columbia University. Dup unele discuii ntre Fermi, John R. Dunning i G.B. Pegram, la Columbia University s-a realizat un experiment de ionizare cu puls de putere de la care se atepta obinerea unor fragmente de nuclee de uraniu.

Pe 29 Ianuarie 1939 a avut loc o conferin de fizic teoretic n Washington D.C., sponsorizat de George Washington University i Carnegie Institution of Washington. Fermi a prsit New York-ul pentru a participa la aceast conferin nainte ca experimentul de fisiune de la Columbia University s fi fost realizat. La conferin, Bohr i Fermi au discutat problema fisiunii i, n particular, Fermi a menionat posibilitatea ca pe durata procesului s fie emii neutroni. Dei acest lucru era doar o presupunere, erau evidente implicaiile sale privind posibilitatea unei reacii nucleare n lan.

Reacia n lan era cunoscut la aceea vreme ca un fenomen chimic, dar procese analoge n fizica nuclear, folosind neutroni, au fost anticipate nc dinainte de 1933 de Leo Szilrd, cu toate c Szilrd nu avea nici o idee cu ce materiale s-ar fi putut iniia un astfel de proces. Acum, dup descoperirea fisiunii elementelor grele, indus de neutroni, s-au publicat numeroase articole senzaionale pe subiectul reaciilor nucleare n lan.

naintea terminrii conferinei din Washington, au fost iniiate mai multe experimente de confirmare a fisiunii, rezultate pozitive fiind raportate pe 15 Februarie 1939 n Physical Review, de patru laboratoare: Columbia University, Carnegie Institution of Washington, Johns Hopkins University, University of California. n acelai timp Bohr a auzit c experimente similare au fost fcute n Copenhaga n jurul datei de 15 Ianuarie; lucrarea lui Frisch trimis revistei Nature este datat 16 Ianuarie 1939 i a aprut n numrul din 18 Februarie.

La Paris, Frdric Joliot a publicat de asemenea primele sale rezultate n Comptes Rendus din 30 Ianuarie 1939. Din acest moment lucrrile pe subiectul fisiunii s-au nmulit astfel nct n Decembrie 1939 numrul acestora ajunsese deja la o sut.

inta major a primelor cercetri de fisiune a fost producerea unei reacii nucleare n lan controlat, care ar fi condus la realizarea unei prime Centrale Nuclearo-Electrice. n vederea atingerii acestui obiectiv s-a procedat la construirea lui Chicago Pile-1, primul reactor nuclear cu fisiune critic din lume realizat de om, care a folosit uraniu, singurul combustibil nuclear disponibil n cantiti utile. n acelai timp a fost demarat i Proiectul Manhattan, destinat fabricrii armelor nucleare.

Reacia de fisiune nuclear n lanConceptul de reacie de fisiune nuclear n lan a fost dezvoltat de Leo Szilrd n 1933, pentru care a solicitat, n anul urmtor, un patent de invenie. n 1936 Leo Szilrd a ncercat s obin o reacie n lan folosind beriliu i indiu, dar a euat.

Prima reacie nuclear n lan artificial, autontreinut, a fost iniiat de Metallurgical Laboratory, condus de Enrico Fermi i Leo Szilrd, sub peluza stadionului Universitii din Chicago, pe 2 Decembrie 1942, n cadrul Proiectului Manhattan.

Producerea n lan a reaciei de fisiune folosind uraniu drept combustibil nuclear este departe de a fi un lucru uor. Vechile reactoare nucleare nu au folosit uraniu mbogit i, prin urmare, a fost necesar utilizarea unei cantiti mari de grafit purificat pe post de material moderator de neutroni. Folosirea apei uoare (n opoziie cu apa grea) ntr-un reactor nuclear presupune utilizarea de combustibil mbogit, obinut prin creterea concentraiei de mai rar rspnditul izotop 235U din minereul natural, acesta din urm coninnd cu precdere izotopul 238U.

n mod normal, reactoarele nucleare presupun includerea, pe post de moderator de neutroni, a unor materiale extrem de pure chimic, cum ar fi: deuteriu (n apa grea), heliu, beriliu sau carbon sub form de grafit. nalta puritate este cerut deoarece multe impuriti chimice, cum ar fi borul, sunt absorbani puternici de neutroni i, astfel, o adevrat otrav pentru reacia n lan.

Mai urma s fie rezolvat problema producerii unor astfel de materiale la scar industrial. Pn n 1940, cantitatea de uraniu metalic produs n SUA a fost de cteva grame i acestea de o puritate nesigur; la fel: cteva kilograme de beriliu metalic, cteva kilograme de ap grea i nici o cantitate de carbon cu puritatea cerut de un moderator.

Problema producerii n cantiti mari a uraniului de puritate nalt a fost rezolvat de Frank Spedding folosind procese thermit (oxidarea aluminiului metalic). n 1942 Ames Laboratory a reuit s produc o cantitate mare de uraniu natural (nembogit) ce ar fi urmat s fie folosit n cercetrile urmtoare. Succesul cu Chicago Pile-1, care folosea uraniu natural, la fel ca toate pilele atomice care produceau plutoniu pentru bomba atomic, se datora, de asemenea, rezultatelor lui Szilrd conform crora numai grafitul foarte pur putea fi folosit ca moderator n reactoarele cu uraniu natural.

n timpul celui de al doilea rzboi mondial, n Germania, nencrederea n calitile grafitului foarte pur a condus la proiectarea unui reactor depinznd de apa grea, produs n Norvegia, dar interzis germanilor n urma atacurilor distrugtoare ale aliailor. Aceste dificulti i-au mpiedicat pe naziti s construiasc un reactor n timpul rzboiului.

Fapt necunoscut pn n anul 1972, cnd fizicianul francez Francis Perrin a descoperit Reactoarele Fosile de la Oklo, natura a luat-o naintea omului n ceea ce privete reacia de fisiune n lan a uraniului nc de acum 2 miliarde de ani. Acest proces a putut folosi ca moderator apa uoar deoarece acum 2 miliarde de ani uraniul natural a fost mult mai bogat n izotopi de 235U dect n zilele noastre.

Reactorul nuclearDei omenirea a mblnzit recent puterea nuclear, primele reactoare nucleare au aprut n mod natural.

Cincisprezece reactoare de fisiune naturale au fost gsite n trei depozite separate de minereu la mina Oklo din Gabon, n vestul Africii. Descoperite pentru prima dat de Francis Perrin, acestea sunt numite ca Reactoarele Fosile Oklo, funcioneaz de aproximativ 150 milioane de ani, avnd o putere medie de 100 kW.

De asemenea, emisia de cldur, lumin i radiaii de la stele se bazeaz pe fuziunea nuclear.

Conceptul unui reactor nuclear natural a fost teoretizat nc din 1956 de Paul Kurola la University of Arkansas.

Enrico Fermi i Leo Szilrd, ambii de la University of Chicago, au fost primii care au construit o pil nuclear i au prezentat o reacie n lan controlat, pe 2 Decembrie 1942. n 1955 ei i-au mprit patentul de invenie pentru reactorul nuclear U.S. Patent 2.708.656.

Primul reactor nuclear a fost utilizat pentru a genera plutoniu pentru bomba atomic (cunoscut i sub numele de bomba nuclear). Alte reactoare au fost folosite n navigaie pentru propulsarea submarinelor i chiar a avioanelor. La mijlocul anilor 50, Uniunea Sovietic i rile vestice i-au extins cercetrile pentru a include i utilizarea nemilitar a atomului. Totui, ca i programul militar, multe din lucrrile nemilitare au fost fcute n secret.

Pe 20 Decembrie 1951, n SUA, a fost generat pentru prima dat curent electric folosind energie nuclear la Experimental Breeder Reactor-I (EBR-1), localizat lng Arco, statul Idaho. Pe 26 Iunie 1954, la ora 5:30 a nceput s genereze curent electric prima central nuclear sovietic, la Obninsk, Kaluga Oblast. Ea a produs 5 MW, asigurnd electricitate pentru 2.000 de case.

Prima central nuclear de tip comercial din lume a nceput s funcioneze pe 17 Octombrie 1956, la Calder Hall. Un alt reactor de putere timpuriu a fost Shippingport Reactor, n Pennsylvania (1957).

Chiar nainte de accidentul din 1979 de la Three Mile Island, au fost oprite unele comenzi pentru centrale nucleare n USA din raiuni economice legate n primul rnd de durata lung de construcie. De altfel din 1978 nu s-au mai construit centrale n SUA; situaia s-ar putea schimba dup 2010.

Spre deosebire de accidentul de la Three Mile Island, accidentul din 1986 de la Cernobl nu a nsprit reglementrile cu privire la reactoarele din Vest. Aceasta deoarece reactoarele de la Cernobl, de tip RBMK, erau cunoscute ca avnd un proiect fr structuri suplimentare de siguran i operate nesigur, iar Vestul auzise prea puine despre ele. Au fost totui i unele precipitri politice: Italia a inut un referendum n anul urmtor, 1987, ale crui rezultate au condus la oprirea a patru centrale nucleare.

n 1992 centrala turceasc Turkey Point Nuclear Generation Station a fost lovit direct de uraganul Andrew. Au fost pagube de peste 90 milioane de dolari, cele mai mari la un rezervor de ap i un co de fum al unei uniti funcionnd cu combustibili fosili, dar cldirile de protecie nu au avut de suferit.

Prima structur de dezvoltare a sistemelor nucleare de putere utilitare, i anume US Navy, este singura din lume cunoscut ca avnd o activitate total curat. US Navy a operat mai multe reactoare dect orice alt entitate, chiar i dect Forele Navale sovietice (actualmente ruseti), fr incidente majore fcute publice. Totui dou submarine americane, USS Scorpion i Thresher, au fost pierdute n ocean, din motive ce nu au avut legtur cu reactoarele din dotare, epavele lor fiind astfel situate nct riscul de poluare nuclear este considerat sczut.

Perspective de viitor

n 2006, centrala Watts Bar 1 era ultimul reactor nuclear comercial operaional pus n funciune, n 1997. Acest fapt este adesea citat ca o dovad a succesului campaniei mondiale pentru nchiderea treptat a centralelor nucleare.

Oricum, rezistena politic fa de centralele nucleare a avut din cnd n cnd succes n diferite pri ale Europei, n Noua Zeeland, n Filipine i n Statele Unite. Cu toate acestea, n SUA i Europa au continuat investiiile n cercetri privind ciclul combustibilului nuclear i, dei unii experi prezic via scurt electricitii, creterea preului combustibilului fosil, precum i preocuprile legate de actualele emisii de gaze i efectul de ser vor nnoi cererea de centrale nucleare.

Folosirea energiei nucleare este controversat din cauza problemei stocrii deeurilor radioactive pe durate de timp nedefinite, a posibilitii de contaminare radioactiv severe ca urmare a unui accident sau a unor aciuni de sabotaj i, nu n ultimul rnd, din cauza posibilitii utilizrii acestor deeuri de ctre unele ri n vederea proliferrii armelor nucleare.

Susintorii energeticii nucleare cred c aceste riscuri sunt mici i pot fi reduse n continuare prin tehnologia noilor reactoare. Mai mult, ei susin c sigurana n domeniul energeticii nucleare este chiar mai bun dect cea din centralele cu combustibili fosili, inclusiv n ceea ce privete eliberarea de deeuri radioactive, acestea fiind cantitativ mai puine dect ntr-o central pe crbune.

Criticii energeticii nucleare, incluznd i cea mai mare parte a gruprilor ecologiste, cred c aceasta este neeconomic, nesntoas i potenial periculoas, mai ales prin comparaie cu sursele regenerabile, i nu sunt convini c noile tehnologii ar putea reduce riscurile i costurile implicate.

O opiune energetic de viitor (i subiect ce va fi abordat, cu siguran, n cadrul aceluiai tip de discuii pro i contra) vor fi centralele electrice bazate pe fuziunea nuclear controlat.

Multe ri rmn active n dezvoltarea centralelor nucleare, incluznd aici: Japonia, China i India, toate trei dezvoltnd att tehnologii termice ct i reproductoare, Coreea de Sud i Statele Unite, ambele dezvoltnd numai tehnologii termice, i Africa de Sud i, din nou, China, dezvoltnd versiuni ale reactorului de tip PBMR (Pebble Bed Modular Reactor = Reactor modular cu strat granular).Finlanda i Frana i continu n mod activ programele nucleare; Finlanda are n construcie un nou European Pressurized Reactor.Din 2005 i Japonia a demarat un program activ de construcii pentru noi uniti.

n Statele Unite, trei consorii au rspuns nc din 2004 solicitrii fcute de Department of Energy privind Programul Energetic Nuclear 2010, n vederea construirii inclusiv a unui reactor de generaia a IV-a, tip VHTR, destinat producerii de electricitate i hidrogen. Pe 22 Septembrie 2005, s-a anunat deja selectarea a dou locaii din SUA destinate construirii de noi reactoare.

Centralele nucleare reprezint un interes particular pentru China i India, ambele construind reactoare de tip FBR.

n politica energetic a Marii Britanii se prevede construirea, n viitor, cel puin a unei noi centrale nucleare i meninerea i prelungirea duratei de via a celor existente deja.ATOMULAtomul este ultima diviziune ce mai poart nc proprietile chimice ale unei substane oarecare (ale unui element chimic).Dac, iniial, cuvntul atom nsemna cea mai mic particul, indivizibil (n limba greac nseamn indivizibil), mai trziu, dup ce termenul a cptat o semnificaie precis n tiin, atomii au fost gsii a fi divizibili i compui din particule i mai mici, subatomice.Cu excepia protiumiului, izotop al hidrogenului, atomii sunt compui din trei tipuri de particule:Electronul

Purtnd numele dat de George Stoney, aceast particul a fost descoperit i prezentat n 1987 de Johann Emil Wiechert i, independent, trei luni mai trziu, de Joseph John Thomson.

Cu o raz mai mic de 10-22 m, electronul face parte din familia fermionilor, grupa leptonilor i are:

sarcina electric = 1,6021773310-19 C;

masa = 9,10938188(72)10-31 kg;

momentul giromagnetic = 1,0011596521883(42) B;

momentul de dipol electric = (0,3 0,8)10-29 e m;

spinul = .

Electronul interacioneaz gravitaional, electromagnetic i prin for nuclear slab, antiparticula sa numindu-se pozitron.ProtonulA fost descoperit n 1911 de Ernest Rutherford. Cu o raz de numai 0,810-15 m, protonul este fermion hadron barion nucleon i se compune din trei quarci: 1 down i 2 up.Protonul are: sarcina electric = +1,6021773310-19 C;

masa = 1,67262158(13)10-27 kg;

momentul magnetic = 2,2792847337(29) N;

momentul de dipol electric = (4 6)10-26 e m;

polarizabilitatea electric = 12,1(0,9)10-4 fm3;

polarizabilitate magnetic = 2,1(0,9)10-4 fm3;

spinul = .

Timpul de via al protonului este de 1,61025 ani, iar antiparticula sa se numete antiproton.

NeutronulA fost descoperit n 1932 de James Chadwick. Cu o raz de aproximativ 10-15 m, neutronul este fermion hadron barion nucleon i se compune din trei quarci: 2 down i 1 up.

Neutronul este, dup cum i spune i numele, neutru din punct de vedere electric i are:

masa = 1,6749271610-27 kg;

momentul magnetic de dipol = 1.91304272(45) N;

momentul de dipol electric = (3,3 4,3)10-28 e m;

polarizabilitatea electric = 0,98(23)10-3 fm3;

spinul = .

Cu un timp de via de 887,0 s, neutronul liber se dezintegreaz, rezultnd: un proton, un electron i un neutrino.

Timpul de via al unui neutron din nucleul atomic este de cel puin 1020 ani.Protonii i neutronii creeaz un nucleu atomic dens i masiv, ei fiind numii i nucleoni. Electronii formeaz un larg nor electronic ce nconjoar nucleul.

Atomii difer prin numrul i tipul de particule subatomice constituente. Atomii care au acelai numr de protoni desemneaz acelai element chimic. Variaia numrului de neutroni din atomii unui element determin izotopii acestuia.

Numrul de protoni i neutroni din nucleul atomic poate fi modificat prin intermediul fuziunii nucleare, a fisiunii nucleare sau a dezintegrrii radioactive, cazuri n care atomul nu mai rmne elementul care era la nceput.Atomii sunt electric neutri dac au acelai numr de protoni i electroni. Numrul de electroni este foarte uor de modificat, din cauza valorii sczute a energiei lor de legtur. Atomii care au un deficit sau un surplus de electroni se numesc ioni.

Electronii care sunt departe de nucleu pot fi transferai unui atom din apropiere sau pot fi folosii n comun de doi sau mai muli atomi. Prin intermediul acestui ultim mecanism atomii sunt legai n molecule i alte tipuri de compui chimici cum ar fi reelele cristaline ionice i covalente.Atomii sunt crmizile fundamentale ale chimiei i ei se conserv n reaciile chimice.

Configuraia electronic

Comportarea chimic a atomilor este determinat de interaciunile dintre electroni. Electronii unui atom rmn n interiorul unor configuraii fixate, predictibile. Aceste configuraii electronice sunt descrise de mecanica cuantic i anume de cinematica electronilor n potenialul electric al nucleului.Un nivel electronic poate avea pn la 2n2 electroni, unde n este numrul cuantic principal al acestuia. Nivelul ocupat cu cel mai mare n este nivelul de valen, chiar dac acesta ar avea un singur electron. n cea mai stabil stare, de baz, electronii unui atom vor umple nivelele acestuia n ordinea cresctoare a energiei.

n unele circumstane, un electron poate fi excitat pe un nivel de energie mai mare (electronul absoarbe energie de la o surs extern i sare pe un nivel mai nalt) lsnd un loc gol n nivelul energetic inferior. Electronii unui atom excitat vor cdea n mod spontan pe nivelul inferior, emind energia excedent sub form de fotoni, pn la revenirea la starea de baz.Electronii de pe cel mai exterior nivel, numii i electroni de valen, au cea mai puternic influen n comportarea chimic a atomului. Electronii de pe nivelele interioare, deci nu cei de valen, joac i ei un rol, cu efecte secundare datorate ecranrii sarcinii pozitive din nucleul atomic.

Pe lng numrul cuantic principal n, unui electron i se mai asociaz: numrul cuantic secundar l (numit i numr cuantic azimutal; descrie momentul unghiular orbital), numrul cuantic magnetic m (descrie direcia vectorului moment unghiular) i numrul cuantic de spin s (descrie direcia momentului unghiular intrinsec al electronului).

Electronii cu valori diferite pentru numerele cuantice l i m aparin la nivele distincte, evideniate prin notaia spectroscopic (configuraii s, p, d i f). n cei mai muli atomi, orbitalii cu numere l diferite nu sunt degenerate exact ci separate printr-o structur fin. Orbitalii cu numere m diferite sunt degenerate dar pot fi separate doar aplicnd un cmp magnetic, ceea ce se numete efect Zeeman. Electronii cu numere s diferite prezint diferene energetice foarte slabe, caracteriznd aa-numita structur (despicare) hiperfin.Dimensiunea atomului, viteze

Atomii sunt mult mai mici dect lungimea de und a luminii pe care ochiul umenesc o poate detecta, fapt pentru care atomii nu pot fi vzui cu nici un fel de microscop optic.

Cu toate acestea, exist alte ci de detectare a poziiilor atomilor pe suprafaa unui solid sau a unui film subire i chiar pentru a obine imagini ale acestora. Este vorba despre: microscoapele electronice (microscopia cu efect de tunel), microscopia atomic (atomic force microscopy), rezonana magnetic nuclear i microscopia cu raze X.

Deoarece norul de electroni nu are o form precis, dimensiunea unui atom nu este uor de definit. Pentru atomii care formeaz reele cristaline solide, distana dintre centrele a doi atomi adiaceni poate fi determinat uor, prin difracie cu raze X, gsindu-se o estimare a dimensiunii atomului.

Pentru orice atom, se poate folosi raza la care se pot gsi cel mai des electronii de pe stratul de valen. De exemplu, dimensiunea atomului de hidrogen este estimat ca fiind de aproximativ 1,0610-10m (de dou ori raza Bohr). A se compara aceast valoare cu dimensiunea protonului (unica particul din nucleul atomului 1H), care este aproximativ 10-15 m. Cu alte cuvinte, raportul dintre dimensiunea atomului de hidrogen i cea a nucleului su este de 100.000:1. Dac un atom ar avea dimensiunea unui stadion de fotbal, atunci nucleul su ar trebui s fie de dimensiunea unei mrgele de sticl.

Aproape toat masa unui atom se gsete n nucleu i aproape tot spaiul din atom este ocupat de electronii si.

Atomii diferitelor elemente variaz n dimensiune, dar dimensiunea (volumul) nu este proporional cu masa atomului.

Atomii grei au tendina general de a fi mai deni. Diametrele atomilor sunt aproximativ aceleai pn la un factor mai mic de trei n cazul atomilor grei, dar cel mai notabil efect al masei asupra dimensiunii este urmtorul: dimensiunea atomic descrete cu creterea masei pentru fiecare linie din tabelul periodic.

Raiunea acestor efecte este aceea c elementele grele au sarcin pozitiv mare n nucleu, care atrage puternic electronii ctre centrul atomului. Aceast for de atracie contracteaz dimensiunea nveliului electronic, astfel nct un numr mai mare de electroni se pot afla ntr-un volum mai mic.

Efectul poate fi remarcabil: de exemplu, atomii elementului mai dens iridium (mas atomic 192) are aproximativ aceeai dimensiune ca atomii de aluminiu (mas atomic 27), fapt ce contribuie la stabilirea raportului densitilor (mai mare de 8) dintre aceste metale.

Temperatura unei colecii de atomi este o msur a energiei medii de micare a acestor atomi, energie cinetic aflat deasupra energiei minime a punctului de zero cerut de mecanica cuantic; la 0 K (= 273,15 oC, zero absolut) atomii ar trebui s nu aib extra-energie peste acest minim. Dac temperatura sistemului crete, energia cinetic a particulelor din sistem crete, deci i viteza de micare crete.La temperatura camerei, atomii / moleculele ce formeaz gazele din aer se mic cu o vitez medie de 500 m/s (aproximativ 1.800 km/h).

Elemente, izotopi i ioniAtomii sunt clasificai n elemente chimice prin numrul atomic Z, care corespunde numrului de protoni din nucleul atomic. De exemplu, toi atomii ce conin ase protoni (Z = 6) sunt clasificai drept carbon. Elementele pot fi sortate, conform tabelului periodic, n ordinea cresctoare a numrului atomic. Aceast metod pune n eviden cicluri repetitive regulate n proprietile chimice i fizice ale respectivelor elemente.Numrul de mas A, sau numrul nucleonic al unui element, este numrul total de protoni i neutroni din atomul acelui element, denumit aa deoarece fiecare proton i neutron au masa de aproximativ 1 uam (uam = unitate atomic de mas). O colecie particular de Z protoni i A Z neutroni se numete nuclid.

Fiecare element poate s aib numeroi nuclizi diferii, cu acelai Z, dar cu un numr variabil de neutroni. Membrii unei astfel de familii de nuclizi se numesc izotopii elementului (izotop = acelai loc, deoarece nuclizii au acelai simbol chimic i ocup acelai loc n tabelul periodic).Cnd se scrie numele unui nuclid particular, numele elementului (care specific Z) este precedat de numrul de mas dac este scris ca indice superior, sau este urmat de numrul de mas dac nu este indiciat superior. De exemplu, nuclidul carbon-14, care poate s fi scris i 14C, este unul dintre izotopii carbonului i conine 6 protoni i 8 neutroni n fiecare atom (numr de mas: 14 = 6 + 8).Cel mai simplu atom, protium, izotop al hidrogenului, are numrul atomic 1 i numrul de mas 1; el const dintr-un proton i un electron.

Izotopul hidrogenului care conine i un neutron se numete deuteriu sau 2H; izotopul hidrogenului cu doi neutroni se numete tritiu sau 3H.

Tritiul este un izotop instabil care se dezintegreaz prin procesul numit radioactivitate.

Muli izotopi ai fiecrui element sunt radioactivi; numrul izotopilor stabili variaz puternic de la un element la altul (de exemplu, staniul are 10 izotopi stabili). Plumbul (Z = 82) este ultimul element care are izotopi stabili. Elementele cu numr atomic 83 (bismut) i mai mare nu au izotopi stabili i sunt toi radioactivi.Virtual, toate elementele mai grele dect hidrogen i heliu au fost create prin fenomenul de nucleosintez din stele i supernove. Sistemul nostru solar s-a format din nori de elemente provenite de la multe astfel de supernove, acum 4,6 miliarde de ani.

Cele mai multe elemente mai uoare dect uraniu (Z = 92) au, fiecare, izotopi stabili sau cel puin radioizotopi cu via suficient de lung ca s poat fi ntlnii n mod natural pe Pmnt.

Dou excepii notabile de elemente uoare dar radioactive cu via scurt sunt techneiu (Z = 43) i promeiu (Z = 61) care se gsesc n mod natural numai n stele. Alte cteva elemente grele cu via scurt, care nu apar pe Pmnt, au fost de asemenea gsite n stele.

Elemente care nu se gsesc n mod natural pe Pmnt au fost create artificial prin bombardament nuclear; pn n anul 2006 s-a ajuns la elementul cu numr atomic 116 numit, temporar, ununhexium. Aceste elemente ultragrele sunt foarte instabile i se dezintegreaz rapid. Atomii care au pierdut sau ctigat electroni se numesc ioni. Ionii se mpart n cationi cu sarcin electric pozitiv (+), i anioni cu sarcin electric negativ ().

Atomii i moleculele

Pentru gaze i unele lichide i solide moleculare (cum ar fi apa i zahrul), moleculele sunt cele mai mici diviziuni de substan ntlnite n mod natural.

Exist ns multe solide i lichide care, dei sunt compuse din atomi, ele nu conin molecule discrete: amintim aici srurile, rocile, metalele solide i lichide.

Astfel, dei moleculele sunt comune pe Pmnt, intrnd n formarea atmosferei i a oceanelor, cea mai mare parte a Pmntului, mai exact cea mai mare parte a crustei, ntreaga manta i tot miezul, nu sunt formate din molecule identificabile, ci, mai degrab, reprezint substan atomic dispus n alte tipuri de aranjamente particulare de ordin microscopic.

Cele mai multe molecule sunt pluri-atomice; de exemplu, molecula de ap este format din doi atomi de hidrogen i un atom de oxigen.

Termenul molecul a fost utilizat iniial ca un sinonim pentru molecula fundamental de gaz, indiferent de structura acestuia. Aceast definiie corespunde doar pentru cteva tipuri de gaze avnd molecule formate dintr-un singur atom; de exemplu: elementele chimice inerte care nu formeaz compui, cum ar fi heliu.

Particule subatomicenainte de 1961 se acceptau ca particule subatomice doar electronii, protonii i neutronii.

Azi se cunoate c protonii i neutronii nii sunt constituii din dou tipuri de particule i mai mici numite quarci: up i down. Protonul este format din doi quarci up i un quarc down, iar neutronul este format din doi quarci down i un quarc up.

Electronul are un partener neutru din punct de vedere electric, aproape fr mas, numit neutrino. Electronul i neutrino sunt leptoni.

Prin urmare, atomii sunt compui numai din quarci i leptoni. Dei nu apar n substana ordinar, alte dou generaii mai grele de quarci i leptoni pot fi generate n ciocnirile de nalt energie.

Este electronul compus i el din altceva ? Dar un quarc ? Cu alte cuvinte, cnd se poate spune c o anume particul este compus din subparticule ?Rspunsul la aceste ntrebri este dat de urmtorul criteriu: un obiect de mas m este compus dac are extensie fizic superioar lungimii sale Compton: C = h/(m.c), unde h ~ 6,610-34 Js este constanta lui Planck, iar prin c ~ 3108 m/s s-a desemnat viteza luminii n vid.

Exemple:

Electronul: diametru < 410-18 m; C ~ 210-16 m; concluzie: electronul nu este compus;

Quarcul up: diametru < 110-16 m; C ~ 1,510-16 m; concluzie: quarcul up nu este compus;

Protonul: diametru ~ 210-15 m; C ~ 210-16 m; concluzie: protonul este compus (evident, din quarci).

Spre comparaie, lungimea Compton a Galaxiei noastre, compuse, este de 10-85 m (evaluat doar prin calcul).O importan deosebit pentru atom o prezint bozonii, adic particulele de transport al forelor de interaciune. Astfel, protonii i neutronii sunt meninui mpreun n nucleu prin intermediul gluonilor ce transport fora nuclear tare. Electronii sunt legai de nucleu prin intermediul fotonilor ce transport fora electromagnetic.

Masa total vizibil n Univers este de 1054 kg (C ~ 10-96 m). Ct este masa (de micare) a unui foton ? Ci N fotoni s-ar cuprinde n masa vizibil a Universului ?Strict vorbind, masa unui foton nu poate fi considerat ca avnd valoare zero. Pe de alt parte, un foton cu lungime de und Compton de ordinul dimensiunii Universului vizibil (C = 1026 m) nu poate fi distins de un foton cu mas zero (C ) prin nici un experiment fizic. Acest rezultat conduce la o valoare a masei fotonului de cel mult 10-69 kg i N ~ 10123.NUCLEUL ATOMICNucleul atomului este o regiune foarte dens din centrul su, constnd din protoni i neutroni. Dimensiunea nucleului este mult mai mic dect dimensiunea atomului nsui. Totui, masa unui atom este determinat n cea mai mare msur doar de masa protonilor i neutronilor i aproape fr nici o contribuie din partea electronilor.

Dimensiunea nucleului

Raza unui nucleon (neutron sau proton) este de ordinul 1 fm = 10-15 m. Raza nuclear poate fi aproximat prin: R = R0 . A1/3 unde A este numrul de mas i R0 = 1,2 fm.

Raza nucleului reprezint 0,01% (1/10.000) din raza atomului. n felul acesta, densitatea nucleului este de 1012 ori mari mare dect densitatea atomului. Un cub solid cu latura de 1 mm umplut cu materie nuclear (nucleoni presai mpreun) ar avea o mas de 200.000 tone. Doar stelele neutronice au asemenea densiti.

Proprietile nucleonilor

Nucleele atomice pot suferi transformri ce afecteaz numrul de protoni i neutroni pe care i conin, proces numit dezintegrare radioactiv. Dac transformrile nucleelor au loc spontan, procesul se numete radioactivitate. Transformrile radioactive au loc ntr-un numr mare de moduri, dar cele mai comune sunt dezintegrarea alfa (emisia unui nucleu de heliu) i dezintegrarea beta (emisia unui electron). Dezintegrrile ce implic electroni sau pozitroni sunt datorate interaciunilor nucleare slabe.

n plus, ca i electronii din atom, i nucleonii din nucleu pot fi adui ntr-o stare excitat, de nalt energie. Este adevrat, aceast tranziie cere de sute de ori mai mult energie dect excitaia electronilor. La revenirea n starea fundamental, nucleul emite un foton de energie foarte nalt, numit i radiaie gamma.

Transformrile nucleare au loc de asemenea i n cadrul aa-numitelor reacii nucleare: n fuziunea nuclear, dou nuclee uoare se unesc ntr-un singur nucleu, mai greu; n fisiunea nuclear, un nucleu greu se divide n dou sau mai multe nuclee, eventual de mase apropiate.

Dezintegrarea nuclearUn nucleu atomic este cu att mai stabil cu ct energia medie de legtur dintre nucleoni este mai mare, situaie ce se ntlnete cu precdere la nucleele coninnd: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, ... ("numere magice") protoni sau neutroni. Izotopul , de exemplu, are 82 protoni i 126 neutroni.

Atunci cnd raportul neutroni / protoni este fie prea mare, fie prea mic fa de cel al numerelor magice, nucleul respectiv este instabil i prezint proprietatea natural de a emite particule (dezintegrare nuclear) sau energie (dezexcitare nuclear) n vederea creterii stabilitii interne.

Prin urmare, dac un nucleu are prea puini sau prea muli neutroni, el poate fi instabil i se va dezintegra dup o perioad de timp oarecare. De exemplu, la cteva secunde dup ce au fost creai, atomii de 16N (7 protoni, 9 neutroni) se dezintegreaz beta ctre atomi de 16O (8 protoni, 8 neutroni). n aceast dezintegrare, fora nuclear slab transform un neutron din nucleul de azot ntr-un proton i un electron. Elementul (atomul) se schimb deoarece iniial a avut apte protoni, fapt pentru care era azot, iar acum are opt protoni, fapt pentru care este oxigen.Multe elemente au izotopi care rmn stabili timp de sptmni, ani sau miliarde de ani.n studiul acestor transformri se utilizeaz urmtoarele noiuni i definiii:

Substanele formate din atomi avnd nuclee instabile (atomi instabili) se numesc radioactive. Se mai folosesc i noiunile de atom radioactiv, respectiv, nucleu radioactiv sau radionuclid. Fluxul de particule sau de energie emis (radiat) de nucleul instabil se numete radiaie.

Procesul n care un nucleu instabil (radioactiv) emite particule sau energie se numete dezintegrare radioactiv.

Strile instabile ale nucleului sunt fie o caracteristic intrinsec, i avem de a face cu o dezintegrare spontan, fie provocate de cauze externe (ciocniri) i avem de a face cu o dezintegrare indus. n ambele cazuri sunt respectate legile de conservare: a energiei, a impulsului, a momentului cinetic i a sarcinii electrice.Dezintegrarea radioactiv fiind un fenomen statistic, se mai definesc:

Activitatea / radioactivitatea (unei surse radioactive cuprinznd o anumit specie de atomi) ca fiind numrul de nuclee dezintegrate ntr-o secund; Timpul de njumtire, ca fiind timpul n care se dezintegreaz 50% dintr-un numr iniial de nuclee instabile (ale unei specii de atomi).

Unitatea de msur pentru activitate este Bq (Bequerel). De obicei se indic cantitatea de substan pentru a obine o activitate de 1 GBq = 1012 Bq, ca n exemplul urmtor:

28Al

m = 9,010-12 g Tl/2 = 2,2 minute131I

m = 2,210-7 g Tl/2 = 8 zile

54Mn

m = 3,510-6 g Tl/2 = 313 zile

137Cs

m = 3,110-4 g Tl/2 = 30 ani

226Ra

m = 0,03 g

Tl/2 = 1600 ani

232Th

m = 247 kg

Tl/2 = 1,41010 ani

n timpul unei dezintegrri radioactive se pot genera i emite:

Radiaii (alfa) = particule formate din doi protoni i doi neutroni, echivalente cu un nucleu de He:

Radiaii (beta) = electroni e- sau pozitroni e+:

Radiaii (gamma) = energie sub form de unde electromagnetice (fotoni):

Radiaii n = neutroni:

Fiecare tip de radiaie este caracterizat, la rndul su, prin energia cinetic nmagazinat, efectele de ionizare, adncimea de ptrundere n diferite materiale, dup cum urmeaz:

Energia radiaiilor emise de radionuclizi variaz ntre 1 keV i civa MeV. La baza ionizrii produs de particulele ( i ( se gsete ciocnirea lor direct cu atomii mediului nconjurtor, fiind mult mai intens n cazul radiaiilor (, i mai slab pentru radiaiile (, pentru acelai nivel de energie nmagazinat. n aer, de exemplu, pe o distan de 1 mm, o particul ( poate produce 5000 perechi de ioni, pe cnd o particula ( doar 10 perechi. Ionizarea datorit radiaiilor ( se poate realiza prin: efect fotoelectric, efect Compton i generare de perechi electron-pozitron. Dac pentru radiaiile (, ( i ( ionizarea are la baz interaciunea lor cu nveliul electronic al atomului "int", n cazul ionizrii produse de neutroni are loc o interaciune direct cu nucleul atomului respectiv.

Adncimea de ptrundere depinde att de energia radiaiei incidente, ct, mai ales, de natura materialului "penetrat", fiind mai mic pentru radiaiile ( i crescnd pentru radiaiile (, ( i neutroni, n aceast ordine. n toate cazurile are loc o diminuare a intensitii radiaiilor odat cu strbaterea materialului respectiv, cea mai puternic fiind pentru particulele (. Astfel, n cazul plumbului, radiaiile ( de 3 MeV ptrund aproximativ 15 mm, n timp ce radiaiile ( de aceeai energie dispar dup 0,5 1 mm. Comparativ, pentru ap, vom avea: 175 mm n cazul radiaiilor ( i 16 17 mm pentru radiaiile ( (la 3 MeV).

n ceea ce privete interaciunea neutronilor cu mediul nconjurtor, aceasta depinde n primul rnd de energia cinetic a particulelor. Din acest motiv se utilizeaz urmtoarea clasificare:

neutroni rapizi, avnd energii peste 8 keV; neutroni leni, avnd energii sub 8 keV; neutroni termici, avnd energii pn la 0,025 eV.

Principala surs de neutroni este reacia de fisiune a atomului de 235U. La ciocnirea lui de ctre un neutron termic, atomul de 235U fisioneaz, rezultnd, n medie, 2,5 neutroni, fenomenul fiind nsoit de degajarea unei cantiti nsemnate de energie (sub form de cldur i radiaii).

Neutronii se mai obin din interaciunea radiaiilor ( de energii mai mari de 2,21 MeV cu nucleele de deuteriu i se obin aa-numiii fotoneutroni, sau, n cazul calibrrii instrumentaiei pentru neutroni, prin interaciunea dintre radiaiile ( i .

Interaciunea dintre neutroni i mediul nconjurtor (mai exact, cu nucleul atomilor mediului) se numete reacie neutronic.

Cele mai ntlnite reacii neutronice sunt: fisiunea, mprtierea elastic i neelastic, reaciile de activare.

Cele mai importante reacii de activare sunt:

reacia neutron - proton, indicat i prin notaia (n, p)

reacia neutron - particul (, indicat i prin notaia (n, ()

reacia neutron - radiaii (, indicat i prin notaia (n, ()

FISIUNEA NUCLEARFisiunea nuclear, cunoscut i sub denumirea de fisiune atomic, este un proces n care nucleul unui atom se scindeaz n dou sau mai multe nuclee mai mici, numite produi de fisiune i, n mod uzual, un numr oarecare de particule individuale.

Aadar, fisiunea este o form de transmutaie elementar.

Particulele individuale pot fi neutroni, fotoni (uzual sub form de raze gamma) i alte fragmente nucleare cum ar fi particulele beta i alfa.

Fisiunea elementelor grele este o reacie exotermic i poate s elibereze cantiti substaniale de energie sub form de radiaii gamma i energie cinetic a fragmentelor (nclzind volumul de material n care fisiunea are loc).Fisiunea nuclear este folosit pentru a produce energie n Centralele Nuclearo-Electrice i pentru fabricarea armelor nucleare.

Fisiunea este util ca surs de energie (putere) deoarece unele materiale, numite combustibili nucleari, pe de o parte genereaz neutroni liberi ca juctori ai procesului de fisiune i, pe de alt parte, li se iniiaz fisiunea la impactul cu (exact aceti) neutroni liberi.

Prin urmare, combustibilii nucleari pot fi utilizai n reacii de fisiune nuclear n lan autontreinute, care elibereaz energie n cantiti controlate ntr-un reactor nuclear, sau necontrolate ntr-o arm nuclear.Cantitatea de energie utilizabil coninut ntr-un combustibil nuclear este de milioane de ori mai mare dect energia utilizabil coninut ntr-o mas similar de combustibil chimic (benzin, de exemplu), acest lucru fcnd fisiunea nuclear o surs foarte tentant de energie; totui produii secundari ai fisiunii nucleare sunt puternic radioactivi, putnd rmne aa chiar i pentru mii de ani, avnd de a face cu importanta problem a deeurilor nucleare.Preocuprile privind acumularea deeurilor i imensul potenial distructiv al armelor nucleare contrabalanseaz calitile dezirabile ale fisiunii ca surs de energie, fapt ce d natere la intense dezbateri politice asupra problemei puterii nucleare.Aspecte fenomenologiceFisiunea nuclear difer de alte forme de dezintegrare radioactiv prin aceea c ea poate fi amorsat i controlat pe calea reaciei n lan: neutronii liberi eliberai de fiecare eveniment de fisiune pot declana n continuare alte evenimente care, la rndul lor, elibereaz mai muli neutroni ce pot determina i mai multe fisiuni .a.m.d.Izotopii chimici care pot s ntrein o reacie de fisiune n lan se numesc combustibili nucleari i se spune c sunt fisili. Cel mai comun combustibil nuclear este 235U (izotopul uraniului cu masa atomic 235) i 239Pu (izotopul plutoniului cu masa atomic 239).

Aceti combustibili se scindeaz n elemente chimice (produi de fisiune) cu mase atomice apropiate de 100. Majoritatea combustibililor nucleari sufer fisiuni spontane extrem de rar, dezintegrndu-se n principal prin reacii alfa / beta timp de milenii.

ntr-un reactor nuclear sau o arm nuclear, cele mai multe evenimente de fisiune sunt induse prin bombardament cu alte particule, de obicei neutroni.Evenimentele tipice de fisiune elibereaz cteva sute de MeV de energie pentru fiecare atom fisionat, acesta fiind i motivul pentru care fisiunea nuclear este folosit ca surs de energie.

Prin contrast, cele mai multe reacii chimice de oxidare (cum ar fi arderea crbunelui sau TNT) elibereaz, n general, cteva zeci de eV per eveniment, astfel nct combustibilul nuclear conine cel puin de zece milioane de ori mai mult energie utilizabil dect combustibilul chimic.

Energia fisiunii nucleare este eliberat ca energie cinetic a produilor i a fragmentelor de fisiune i ca radiaie electromagnetic sub form de radiaii gamma; ntr-un reactor nuclear energia este convertit n cldur prin ciocnirea acestor particule i radiaii cu atomii reactorului i ai fluidului de rcire: ap sau ap grea.Fisiunea nuclear a elementelor grele produce energie deoarece energia de legtur (pe unitatea de mas) a nucleelor cu numere i mase atomice aflate ntre 61Ni i 56Fe este mai mare dect energia specific a nucleelor foarte grele, astfel nct diferena de energie este eliberat atunci cnd nucleele grele sunt scindate n buci.

Masa total a produilor de fisiune dintr-o singur reacie, dup disiparea energiei lor cinetice, este mai mic dect masa iniial a nucleelor combustibile. Excesul de mas m este asociat cu energia eliberat folosind relaia lui Einstein E = mc2.

Prin comparaie, i energia specific de legtur a multor elemente uoare (de la hidrogen pn la magneziu) este de asemenea semnificativ mic, astfel nct dac aceste elemente uoare ar suferi o reacie de fuziune (opus fisiunii), procesul ar fi de asemenea exotermic (cu eliberare de energie).Variaia energiei specifice de legtur cu numrul atomic este datorat interaciunii a dou fore fundamentale ce acioneaz asupra nucleonilor dintr-un nucleu: protoni i neutroni. Nucleonii sunt legai printr-o for nuclear tare, atractiv, care contrabalanseaz repulsia electrostatic dintre protoni.

Totui fora nuclear tare acioneaz numai pe distane extrem de scurte, ntruct se supune potenialului Yukawa. Din aceast cauz nucleele mari sunt mai slab legate pe unitatea de mas dect nucleele mici i scindarea unui nucleu mare n dou sau mai multe nuclee cu dimensiuni intermediare elibereaz energie. n practic, cea mai mare parte a acestei energii apare ca energie cinetic ntruct nuclee rezultate se resping i se ndeprteaz unele de altele cu vitez foarte mare.n evenimentele de fisiune nuclear, nucleele se pot scinda n orice combinaie de nuclee mai uoare, dar cel mai comun eveniment este scindarea n nuclee de mase aproximativ egale, n jur de 120 uam (uniti atomice de mas); funcie de izotopi i proces, cel mai comun eveniment este fisiunea asimetric n care un nucleu rezultat are o mas de aproximativ 90 100 uam i cellalt nucleu de aproximativ 130 140 uam.Deoarece forele nucleare tari acioneaz pe distane mici, nucleele mari trebuie s conin proporional mai muli neutroni dect elementele uoare, care sunt mult mai stabile, avnd un raport proton / neutron aproximativ unitar.

Neutronii suplimentari stabilizeaz elementele grele deoarece ele adaug for de legtur tare fr a se compune cu fora de repulsie proton-proton.

Produii de fisiune au, n medie, aproximativ acelai raport de neutroni i protoni ca i nucleul printe i de aceea sunt n mod normal instabile (deoarece au n mod proporional prea muli neutroni n comparaie cu izotopii stabili de mase similare). Aceasta este cauza fundamental a problemei deeurile nalt radioactive din reactoarele nucleare.

Produii de fisiune tind s fie emitori beta, elibernd, sub aciunea forelor nucleare slabe, electroni rapizi n vederea conservrii sarcinii electrice n urma transformrii neutronilor excedentari n protoni, n interiorul nucleului produsului de fisiune.Cei mai comuni combustibili nucleari, 235U i 239Pu, nu sunt periculoi radiologic prin ei nii: 235U are timpul de njumtire de aproximativ 700 milioane de ani, evenimentele spontane de dezintegrare fiind extrem de rare; chiar dac 239Pu are timpul de njumtire de aproape 24.000 ani, el este un emitor de particule alfa i, deci, nepericulos atta timp ct nu este ingerat.Dup arderea combustibilului nuclear, materialul combustibil rmas este intim mixat cu produi de fisiune puternic radioactivi, care emit particule beta energetice i radiaii gamma.

Unii produi de fisiune au timpi de njumtire de ordinul secundelor; alii au timpi de njumtire de ordinul zecilor sau sutelor de ani, cernd faciliti deosebite de stocare pn la dezintegrarea lor n produi stabili, neradioactivi.Fisiunea spontan i fisiunea indus; reacii n lanMulte elemente grele, cum ar fi uraniu, toriu i plutoniu, sufer ambele tipuri de fisiuni: fisiunea spontan, ca o form a dezintegrrii radioactive i fisiunea indus, o form a reaciei nucleare. Izotopii elementari care fisioneaz cnd sunt lovii de un neutron liber (neutron rapid) se numesc fisionabili; izotopii care fisioneaz cnd sunt lovii cu neutroni leni (neutroni termici) sunt numii fisili. Civa fisili particulari i izotopii uor de obinut (ca 235U i 239Pu) se numesc combustibili nucleari deoarece ei pot s ntrein o reacie n lan i pot fi obinui n cantiti destul de mari pentru a fi utilizai.

Toi izotopii fisionabili i fisili sufer i un numr mic de fisiuni spontane care elibereaz un numr mic de neutroni liberi (rapizi) n interiorul eantionului de combustibil nuclear.

Neutronii emii rapid din combustibil devin neutroni liberi, cu un timp de njumtire de aproape 15 minute nainte s se dezintegreze n protoni i radiaii beta.

n mod normal, neutronii se ciocnesc cu i sunt absorbii de alte nuclee din vecintate, nainte ca dezintegrarea lor s se realizeze. Totui, unii neutroni vor lovi nuclee combustibile i vor induce noi fisiuni, eliberndu-se astfel i mai muli neutroni.

Dac se dispune de o cantitate (concentraie) suficient de combustibil nuclear, sau dac numrul de neutroni eliberai este suficient de mare, atunci neutronii proaspt emii sunt mai muli dect neutronii pierdui i poate s aib loc ntreinerea unei reacii nucleare n lan.Concentraia de combustibil care permite ntreinerea unei reacii nucleare n lan se numete concentraie critic; dac concentrarea de material este format n totalitate de nuclee de combustibil avem de a face cu masa critic.

Cuvntul critic se refer la extremul unei ecuaii difereniale care guverneaz numrul de neutroni liberi prezeni n combustibil; dac sunt mai puini dect masa critic, atunci numrul de neutroni este determinat de dezintegrarea radioactiv; dar dac sunt mai muli neutroni sau cel puin masa critic, atunci numrul neutronilor este controlat mai degrab de fizica reaciei n lan. Valoarea masei critice a unui combustibil nuclear depinde puternic de geometrie i materialele ambiante (nconjurtoare).Nu toi izotopii fisionabili pot ntreine o reacie n lan. De exemplu, 238U, cel mai abundent izotop al uraniului, este fisionabil dar nu fisil: el sufer fisiuni induse cnd este lovit de un neutron energetic cu o energie cinetic de peste 1 MeV.

Dar prea puini neutroni produi de fisiunea 238U sunt suficient de energetici pentru a induce o urmtoare fisiune n 238U, astfel nct nu este posibil o reacie n lan pentru acest izotop. n schimb, bombardnd 238U cu neutroni termici exist posibilitatea ca acetia s fie absorbii, obinndu-se 239U, izotop care se dezintegreaz prin emisie beta ctre 239Pu; acest proces este folosit pentru a obine 239Pu n reactoarele regeneratoare, dar nu contribuie la reacia nuclear n lan.Izotopii fisionabili dar nefisili pot fi folosii ca surs de energie de fisiune fr reacie n lan. Bombardnd 238U cu neutroni rapizi se induc fisiuni i se degaj energie atta timp ct este prezent sursa de neutroni. Acest efect este folosit pentru creterea energiei eliberate de armele termonucleare, prin blindarea bombelor cu 238U ce interacioneaz cu neutronii eliberai de fuziunea nuclear din centrul bombei.

Reactoare de fisiuneReactoarele cu fisiune critic reprezint cel mai comun tip de reactor nuclear. ntr-un astfel de reactor, neutronii produi de fisionarea atomilor combustibilului sunt folosii pentru a induce, n continuare, alte fisiuni i pentru a menine controlul cantitii de energie eliberat. Reactoarele n care se produc fisiuni dar nu fisiuni autontreinute se numesc reactoare de fisiune subcritice. Pentru declanarea fisiunii n acest tip de reactoare se folosesc fie alte dezintegrri radioactive, fie acceleratoare de particule.Reactoarele cu fisiune critic sunt construite pentru trei scopuri principale care, n general, presupun metode diferite de exploatare a cldurii i a neutronilor produi prin reacia de fisiune n lan:

Reactoarele de putere, gndite s produc cldur, indiferent dac ele fac parte din centrale terestre sau din sistemele de putere de pe vapoare i submarine nucleare; Reactoarele de cercetare, gndite s produc neutroni i / sau s activeze surse radioactive destinate cercetrilor tiinifice, medicale, inginereti etc.;

Reactori reproductori, gndii s produc combustibili nucleari n mas plecnd de la ali izotopi mai abundeni; cel mai cunoscut reactor de acest tip creeaz 239Pu (combustibil nuclear) din izotopul natural foarte abundent 238U (nu este combustibil nuclear).Dei, n principiu, orice reactor de fisiune poate s funcioneze n toate cele trei moduri, n practic fiecare reactor este construit numai pentru una dintre aceste trei sarcini. (Contraexemplu: reactorul N de la Hanford, n prezent dezafectat).

Reactoarele de putere convertesc energia cinetic a produilor de fisiune n cldur utilizat la nclzirea unui fluid de lucru care, la rndul su, este trecut printr-un motor termic ce genereaz energie (putere) mecanic sau electric. Fluidul de lucru este, n mod uzual, apa ntr-o turbin cu aburi, dar unele reactoare folosesc i gaze: heliu, azot, bioxid de carbon etc.

Reactoarele de cercetare produc neutroni care sunt folosii n diferite moduri, cldura de fisiune fiind tratat ca un deeu inevitabil.Reactoarele reproductoare sunt specializate din reactoarele de cercetare cu meniunea c materialul ce urmeaz a fi iradiat este combustibilul nsui (un amestec de 238U i 235U).REACIA DE FISIUNE N LANSchematic, o reacie de fisiune nuclear n lan ar putea fi restrns la urmtoarele trei secvene: Un atom de 235U absoarbe un neutron i se scindeaz n doi atomi mai uori (fragmente de fisiune), elibernd trei neutroni i o oarecare cantitate de energie de legtur. Unul din aceti neutroni este absorbit de un atom de 238U i nu mai particip, n continuare, la reacie. Al doilea neutron este pur i simplu pierdut n mediul / materialul nconjurtor, nu se mai ciocnete cu ali atomi de uraniu, fapt pentru care nici el nu mai particip la continuarea reaciei. Al treilea neutron se ciocnete cu un atom de 235U care se scindeaz i elibereaz doi neutroni i, din nou, energie de legtur. Ultimii doi neutroni se ciocnesc fiecare cu cte un atom de 235U care se scindeaz i elibereaz de la unu la trei neutroni ce pot continua reacia.

O reacie nuclear n lan apare atunci cnd, n medie, cel puin o reacie nuclear este cauzat de o reacie nuclear anterioar, acest lucru putnd conduce la o cretere exponenial a numrului de reacii nucleare.O reacie n lan necontrolat n interiorul unei cantiti suficiente de combustibil de fisiune (mas critic) poate s conduc la o eliberare exploziv de energie, acesta fiind, de altfel, modul de funcionare al armelor nucleare.

Reacia n lan poate fi, ns, controlat n mod adecvat i folosit ca surs de energie n reactoarele nucleare.Intuitiv, ecuaiile de fisiune s-ar putea scrie:

235U + 1 neutron = fragmente de fisiune +2,52 neutroni + 189 MeV

239Pu + 1 neutron = fragmente de fisiune +2,95 neutroni + 200 MeV

Nu s-au luat n calcul cei 10 MeV corespunznd greu-detectabililor (i inutilizabililor) neutrini.Cnd un atom greu sufer o fisiune nuclear, acesta se scindeaz n dou sau mai multe fragmente de fisiune. Fiecare dintre aceste fragmente de fisiune este un atom al unui mult mai uor element din tabelul periodic al elementelor.

Prin urmare, un neutron poate s cauzeze o reacie de fisiune nuclear care elibereaz aproximativ 2,5 sau 3 neutroni. Crucial este ci dintre acetia cauzeaz, la rndul lor, alte fisiuni nucleare. Factorul efectiv de multiplicare a neutronilor, k, este numrul mediu de neutroni din aceti 2,5 sau 3 care cauzeaz reacia de fisiune, n opoziie cu neutronii produi de fisiune care sunt absorbii fr s mai cauzeze o nou fisiune i cei pierdui (care prsesc sistemul).Timpul mediu de generare este timpul mediu scurs de la emisia neutronului pn la captura de fisiune. Acest timp este foarte scurt: distana parcurs este aproape ct diametrul masei critice; viteza poate fi de aproximativ 10.000 km/s i distana de 10 cm, astfel nct timpul este de ordinul 10 ns.

Putem distinge urmtoarele cazuri:

k < 1 (mas subcritic):

Plecnd cu o fisiune, avem n medie un total de 1/(1-k) fisiuni. Orice nceput de reacie n lan se stinge imediat.

k = 1 (mas critic):

Plecnd cu un neutron liber, valoarea medie a numrului de neutroni liberi rezultai este 1 n orice moment de timp; n timp exist o oarecare probabilitate ca reacia n lan s se sting, fapt compensat prin existena, n fiecare moment de timp, a mai multor neutroni. k > 1 (mas supercritic):

Plecnd cu un neutron liber, exist probabilitatea nebanal ca acesta s nu cauzeze o fisiune, sau ca un nceput de reacie n lan s se sting. Totui, din moment ce numrul neutronilor liberi este destul de mare, este foarte probabil ca numrul lor s creasc exponenial.

Att numrul de neutroni prezeni n agregat (i astfel rata instantanee a reaciei de fisiune) ct i numrul de fisiuni aprute din momentul nceperii reaciei sunt proporionali cu , unde g este timpul mediu de generare iar t este timpul scurs.

Desigur, aceasta nu poate continua prea mult timp: k descrete cnd cantitatea rmas de material de fisiune descrete; la fel, geometria i densitatea se modific i ele: geometria se modific n mod radical atunci cnd materialul de fisiune rmas este rupt n buci, sau, n alte circumstane, topit i curgnd aiurea etc. Atunci cnd k este aproape de 1, acest calcul supraestimeaz, cumva, rata de dublare.

Cnd nucleul de uraniu absoarbe un neutron el intr ntr-o stare excitat de durat foarte scurt, care dispare apoi pe mai multe ci posibile. n mod tipic, nucleul se dezintegreaz n dou fragmente (produi de fisiune), de obicei izotopi de iod i cesiu, cu expulzarea unui numr de neutroni. Produii de fisiune sunt ei nii instabili, cu durate de via mai lungi sau mai scurte, tipic de ordinul ctorva secunde, i se dezintegreaz producnd neutroni suplimentari.n mod uzual, populaia de neutroni emii se mparte n dou categorii: neutroni prompi i neutroni ntrziai. Procentul neutronilor ntrziai este mai mic de 1% din total.

ntr-un reactor nuclear, pentru a avea un proces stabil, valoarea k trebuie s fie n jur de 1.Cnd se atinge valoarea k = 1 lund n calcul toi neutronii obinui prin fisiune, reacia se numete critic. Aceasta este situaia atins ntr-un reactor nuclear. Acum modificrile de putere sunt mici i controlabile cu ajutorul barelor de control.

Cnd valoarea k = 1 se obine lund n calcul numai neutronii prompi, reacia se numete prompt-critic poate s apar o rat de dublare mult mai mic, depinznd de criticitatea de exces (k 1).

Modificarea de reactivitate necesar pentru a trece de la critic la prompt-critic (adic fracia de neutroni ntrziai) este definit ca un dolar.Valoarea lui k este sporit de reflectorul de neutroni care nconjoar materialul fisil i de asemenea este sporit prin creterea densitii materialului fisil: pe fiecare centimetru parcurs, probabilitatea de ciocnire dintre un nucleu i un neutron este proporional cu densitatea, n timp ce distana parcurs nainte de prsire a sistemului este doar redus de rdcina cubic a densitii.Probabilitatea unei reacii n lan

S presupunem c o fisiune a fost cauzat de ciocnirea dintre un neutron i un nucleu i a produs 3 neutroni. n plus, s presupunem k > 1.Probabilitatea ca un neutron s cauzeze o nou fisiune este k/3.Probabilitatea ca un neutron liber s nu cauzeze o reacie n lan este (1-k/3) (nici o fisiune) plus probabilitatea de a avea a cel puin o fisiune, atta timp ct nici unul dintre cei trei neutroni produi nu cauzeaz o reacie n lan.

Ultima are valoarea de k/3 nmulit cu cubul primei probabiliti menionate, c un neutron liber nu cauzeaz o reacie n lan.

Aceast ecuaie poate fi rezolvat uor i se gsete c probabilitatea unei reacii n lan este care variaz de la 0 pentru k = 1, la 1 pentru k = 3.Pentru valori ale lui k puin mai mari dect 1, probabilitatea unei reacii n lan ajunge la valoarea: ~ k 1.COMBUSTIBILI NUCLEARIAnalog combustibilului chimic care este ars pentru a obine energie, combustibil nuclear este orice material care poate fi consumat pentru a obine energie electric.

Cel mai comun tip de combustibil nuclear este reprezentat de elementele fisile grele care pot fi supuse reaciei de fisiune n lan ntr-un reactor nuclear; denumirea de combustibil nuclear se poate referi att la materialul combustibil ct i la obiectele fizice compuse din material combustibil (de exemplu fasciculele combustibile formate din bare / elemente combustibile).Cei mai des utilizai combustibili nucleari fisili sunt 235U i 239Pu, iar activitile de: extragere din min, mcinare, purificare, utilizare i, n final, depozitare formeaz la un loc aa-numitul: ciclul combustibilului nuclear; ciclul combustibilului nuclear este important prin relevana sa n generaiile de Centrale Nuclearo-Electrice (CNE) i arme nucleare.Nu toi combustibilii nucleari sunt folosii n reacii de fisiune n lan. De exemplu, 238Pu este folosit pentru a produce energie n cantiti mici prin dezintegrare radioactiv n generatoarele radiotermale sau pile atomice. Izotopii uori, cum ar fi 3H (tritiu), sunt folosii n reaciile de fuziune nuclear.

Combustibili sub form de oxiziConductivitatea termic a bioxidului de uraniu este mic i este afectat de porozitate i gradul de ardere. Arderea presupune: formarea produilor de fisiune care ncep s se dizolve n reeaua cristalin (cum ar fi lantanidele), precipitarea produilor de fisiune cum ar fi paladiul, formarea bulelor de gaz de fisiune ca n cazul xenonului sau kriptonului, pericolul iradierii reelei cristaline.Conductivitatea termic sczut poate cauza supranclzirea prii centrale a pastilei de combustibil. Porozitatea conduce la descreterea conductivitii termice a combustibilului i la umflarea acestuia pe durata utilizrii. UOX (Uranium dioxide)

Bioxidul de uraniu este un solid semiconductor de culoare neagr. Poate fi obinut prin reacia dintre nitrat de uranil cu o baz (amoniac) pentru a forma un solid (uranat de amoniu). Acesta este nclzit (calcinat) pentru a forma U3O8 ce poate fi convertit prin nclzire n atmosfer mixt de argon i hidrogen (700 oC) n UO2. La rndul su, UO2 este amestecat cu liant organic i presat sub form de pastile ce sunt, apoi, sinterizate n structur solid. Scopul este de a forma un solid dens cu puini pori. Conductivitatea bioxidului de uraniu este foarte mic n comparaie cu cea a zirconiului metalic i scade cnd temperatura crete. Trebuie notat c fenomenul de coroziune a bioxidului de uraniu n mediu apos este controlat prin procese electrochimice similare coroziunii galvanice a suprafeelor metalice.

MOX (Mixed oxide)

Combustibilul MOX este un amestec de plutoniu i uraniu natural sau uraniu srcit, avnd comportare similar (dar nu identic) cu uraniul mbogit. Combustibilul MOX este o alternativ la combustibilul cu uraniu slab mbogit (LEU) folosit n reactoarele cu ap uoar care predomin actuala generaie de CNE. Utilizarea combustibilului MOX aduce n discuie problema c acesta este, prin el nsui, o surs de surplus de plutoniu obinut prin transmutaie. Reprocesarea curent a combustibilului din CNE pentru a fabrica combustibil de tip MOX are loc n Anglia, Frana i ntr-o msur mai mic n Rusia, India i Japonia. China are planificat s dezvolte reactori rapizi reproductori i, respectiv, tehnologii de reprocesare.Combustibili metaliciCombustibilii metalici au avantajul unei mult mai ridicate conductiviti termice dect cea a combustibililor sub form de oxizi, dar i dezavantajul c nu pot supravieui n aceeai msur temperaturilor nalte.

Combustibil TRIGA

Combustibilul TRIGA este folosit n reactoare TRIGA (Training, Research, Isotopes, General Atomics). Acest tip de combustibil const dintr-o matrice uraniu zirconiu hidrur. El prezint un grad sporit de siguran prin aceea c dac se gsete la temperatur nalt, seciunea transversal a hidrogenului din combustibil este schimbat la energii nalte, permind pierderea de mai muli neutroni, respectiv termalizarea unui numr mai mic de neutroni. Multe reactoare care folosesc combustibil TRIGA au miezuri cu pierderi mari, neutronii pierdui n exces putnd fi utilizai pentru cercetare. Combustibilul cu actinide

ntr-un reactor cu neutroni rapizi, actinidele minore produse prin captur de neutroni n uraniu i plutoniu, pot fi folosite pe post de combustibil. Combustibilul metalic cu actinide este, n mod tipic, un aliaj de zirconiu, uraniu, plutoniu i actinide minore. El poate fi fcut sigur din start prin aceea c expansiunea termic a aliajului de metal va duce la creterea pierderilor de neutroni.

Combustibili ceramici i lichizi Combustibili ceramiciCombustibilii ceramici au avantajul unei nalte conductiviti termice i punct de topire ridicat, dar au tendina s se umfle mai mult dect combustibilul sub form de oxizi i sunt mai puin nelei bine.

Nitrura de uraniu: acesta este combustibilul folosit adesea n reactoarele proiectate de NASA, un avantaj fiind acela c nitrura de uraniu are o conductivitate termic mai bun dect UO2.

Nitrura de uraniu are un punct de topire foarte nalt. Acest combustibil are dezavantajul c, ntruct s-a folosit 15N (n loc de mult mai comunul 14N), se poate genera o cantitate mare de 14C printr-o reacie de tip (n, p). Deoarece azotul cerut pentru un astfel de combustibil este foarte scump este clar c i combustibilul este reprocesat pentru a recupera 15N.Carbura de uraniu: cele mai multe cunotine despre carbura de uraniu se refer la elementul combustibil de tip creion destinat reactorilor rapizi reproductori i studiai intens n perioada anilor 1960-1970. Totui, recent a renscut interesul pentru carbura de uraniu, cel mai notabil fiind combustibilul sub form de particule (cum ar fi particulele TRISO).Conductivitatea termic nalt i punctul nalt de topire transform carbura de uraniu ntr-un combustibil atractiv.

n plus, datorit lipsei oxigenului din acest tip de combustibil (n general, suprapresiunea din combustibili este cauzat de formarea de O2 i alte gaze n prezena radiaiilor) i posibilitii de a-l ngloba n straturi de asemenea ceramice (interfaa ceramic-ceramic prezint unele avantaje structurale i chimice), carbura de uraniu poate fi un candidat ideal de combustibil pentru reactoarele din Generaia a IV-a, cum ar fi reactoarele rapide rcite cu gaz (GFR). Combustibili lichizi

Sruri anhidre topite: acestea includ combustibilii dizolvai n agentul de rcire. Ei au fost folosii n reactoarele cu sruri topite, cel mai adesea sub forma de LiF-BeF2-ThF4-UF4 (72-16-12-0.4 mol%), opernd la temperaturi de 705 oC sau mai mari, cunoscut fiind faptul c punctul de fierbere al topiturii este mai mare de 1400 oC.Soluii apoase ale srii de uranil: reactoarele omogene apoase folosesc o soluie de sulfat de uranil (sau alt sare de uraniu) n ap. Acest tip de reactor omogen nu a fost folosit ca reactor de putere. Unul din dezavantajele sale este c, n caz de accident, combustibilul se poate dispersa foarte uor.

Tipuri comune de combustibili nucleariPentru utilizarea sub form de combustibil nuclear, florura (mbogit) de uraniu, UF6, este convertit n pudr de bioxid de uraniu, UO2, care este procesat sub form de pastile.

Pastilele sunt sinterizate n structuri ceramice solide de uraniu (mbogit). Pastilele sunt apoi introduse, funcie de proiectul fiecrui miez de reactor, n tuburi din aliaje de metale rezistente la coroziune.

Tuburile sunt etanate i se numesc elemente combustibile. Mai multe elemente combustibile sunt grupate n structuri speciale numite fascicule combustibile, folosite la ncrcarea miezului reactorului.

Metalul folosit pentru tuburi depinde de proiectul de reactor; n trecut s-a utilizat oel inoxidabil, dar cele mai multe reactoare folosesc acum aliaj din zirconiu.

Pentru cele mai comune tipuri de reactoare (BWR i PWR) tuburile sunt asamblate n fascicule la distane bine precizate. Aceste fascicule primesc un numr de identificare unic ce permite urmrirea lor pe traseul: fabricaie utilizare depozitare final. Combustibilul PWR

Combustibilul utilizat n reactorul cu ap sub presiune (Pressurized Water Reactor = PWR) const din elemente cilindrice montate n fascicule.

Se folosesc pastile ceramice de oxid de uraniu uor mbogit, introduse n tuburi de zircaloy avnd diametre de aproximativ 1 cm, acestea din urm fiind apoi umplute cu heliu pentru a mbunti transferul de cldur dinspre combustibil ctre teac. ntr-un fascicul combustibil se monteaz cte 179-264 de elemente combustibile, iar n miezul reactorului se introduc ntre 121 i 193 de fascicule. n general, fasciculele combustibile sunt montate sub form de matrice ptratice 1414 sau 1717 de elemente combustibile i au 4 m lungime. Combustibilul BWR

n reactorul cu ap n fierbere (Boiling Water Reactor = BWR), combustibilul este similar celui de tip PWR cu excepia c fasciculele sunt ambalate. Mai exact, fiecare fascicul combustibil este nvelit ntr-o cma subire. Acest lucru este destinat prevenirii unor variaii locale de densitate fa de starea global a neutronicii i termohidraulicii miezului. ntr-un fascicul combustibil BWR sunt aproximativ 500 800 de elemente combustibile. Fiecare element combustibil este umplut cu heliu la o presiune de aproximativ 3 atmosfere (300 kPa). Combustibilul CANDU

Fasciculele combustibile de tip CANDU au aproximativ 0,5 m lungime i 10 cm n diametru. Sunt formate din pastile sinterizate de UO2 (uraniu natural) introduse n tuburi de zirconiu, nchise etan i sudate pe grile de capt. Fiecare fascicul are n jur de 20 kg, iar n miezul reactorului CANDU se introduc cam 4.500 de fascicule.

Cele mai tipice fascicule actuale au cte 37 de elemente combustibile identice aranjate ntr-o structur radial n jurul axei longitudinale (n trecut s-au folosit i alte combinaii geometrice i numr de elemente combustibile).

Fasciculul CANFLEX (0.5 m lungime, 10 cm diametrul, 20 kg mas) are 43 de elemente i nlocuiete fasciculul standard cu 37 de elemente. Proiectul actual de fascicul CANDU nu necesit uraniu mbogit datorit mult mai eficientului moderator ap grea, totui, unele concepte noi se ndreapt ctre un combustibil uor mbogit pentru a uura reducerea dimensiunilor rectorului.Tipuri mai puin comune de combustibili nuclearin unele aplicaii specifice se folosesc alte diferite forme de combustibil nuclear, dar nu n cantitile specifice att de rspndiilor combustibili BWR, PWR i CANDU. Multe dintre aceste tipuri speciale se gsesc numai n reactoarele de cercetare sau n aplicaii militare. Combustibilul TRISO

Combustibilul izotopic tristructural (Tristructural-isotropic = TRISO) este un tip de microparticule combustibile.

Const dintr-un nucleu compus din oxid de uraniu UOn (uneori UC sau UCO), mbrcat ntr-o manta de patru straturi de materiale izotopice. Cele patru straturi sunt formate, dinspre centru spre exterior: din carbon (poros), carbon pirolitic (PyC) dens, ceramic (SiC) pentru a reine produii de fisiune la temperaturi nalte i pentru a da combustibilului TRISO mai mult integritate structural i, din nou, PyC dens.

Particulele combustibile TRISO sunt proiectate s nu se fisureze (s nu se sparg) astfel nct pot s pstreze combustibilul n interiorul reactorului chiar i n cel mai ru scenariu de accident nuclear.Dou astfel de proiecte sunt: reactorul modular cu strat granular (Pebble Bed Modular Reactor = PBMR), n care particulele combustibile sunt disipate ntr-un strat (pat) de grafit, respectiv reactorul prismatic rcit cu gaz (cum ar fi GT-MHR) n care particulele combustibile TRISO sunt plasate compact n blocuri (matrice) de grafit.

Ambele tipuri sunt reactoare de nalt temperatur rcite cu gaz (High-Temperature Gas-cooled Reactor = HTGR), care fac parte din clasa reactoarelor de foarte nalt temperatur (Very High Teperature Reactor = VHTR) specifice proiectelor de reactoare din Generaia a IV-a.Particulele combustibile TRISO au fost dezvoltate iniial n Germania pentru reactoare HTGR. Primul reactor care a folosit combustibil TRISO a fost AVR i prima CNE a fost THTR-300. n prezent, combustibilul TRISO a nceput s fie folosit n reactoare experimentale, HTR-10 n China i HTTR n Japonia.

Combustibilul RBMK

Combustibilul RBMK a fost folosit n proiectele sovietice de reactoare cu oxid de uraniu slab mbogit. Elementele combustibile sunt foarte lungi, de aproximativ 7 m. Centrala Nuclearo-Electric de la Cernobl avea un reactor RBMK de 1 GWe. Combustibilul CerMet

Combustibilul CerMet const din particule de combustibil (uzual oxid de uraniu) ncorporat ntr-o matrice de metal.

Se pare c acest tip de combustibil este folosit n reactoarele militare ale US Navy (submarine).

Are caracteristici performante privind transferul de cldur i poate suporta dilatri mari fr a prezenta pericol n utilizare.

Combustibilul de tip plac

Combustibilul de tip plac a ieit de muli ani din atenia reactoritilor. El este folosit n acest moment numai n reactorul avansat de testare (Advanced Test Reactor = ATR) de la Idaho National Laboratory.Combustibili cu dezintegrare de radioizotopi

Bateria cu radioizotopiTermenii de baterie atomic, baterie nuclear i baterie cu radioizotopi sunt folosii pentru a descrie un dispozitiv care utilizeaz dezintegrarea radioactiv pentru a genera electricitate. Este vorba, n general, de conversiile non-termice, a cror putere de ieire nu depinde (nu este funcie) de diferena de temperatur.

Exist cteva proiecte ce exploateaz particulele alfa i beta. Acestea includ: generatoarele cu ncrcare direct (direct charging generators); bateriile beta-voltaice; bateria nuclear optoelectric i generatorul piezoelectric cu radioizotopi.

Aceste sisteme folosesc radioizotopi care produc particule beta de joas energie sau unele particule alfa de diferite energii. Particulele beta de joas energie sunt necesare pentru a preveni radiaia penetrant de nalt energie Bremsstrahlung care ar cere ecrane grele de protecie.

Au fost testai radioizotopi precum tritiu, nichel-63, promeiu-147 i tecneiu-99. S-au folosit, de asemenea, plutoniu-238, curium-242, curium-244 i stroniu-90.

Generatoare termoelectrice cu radioizotopi

Un generator termoelectric cu radioizotopi (Radioisotope Thermoelectric generator = RTG) este un generator electric simplu, care i obine energia din dezintegrarea radioactiv.

ntr-un astfel de dispozitiv, cldura eliberat prin dezintegrarea unui material radioactiv este convertit n electricitate folosind o reea de termocuple.

Cel mai indicat material radioactiv folosit ntr-un RTG este 238Pu, sub form de bioxid de plutoniu, care are timpul de njumtire de 87,7 ani, o densitate de energie rezonabil i nivele excepional de joase n ce privete radiaiile gamma i de neutroni.

Unele RTG ruseti au folosit 90Sr; acest izotop are un timp de njumtire mult mai scurt, o densitate de energie mai mic, dar este mult mai ieftin.Mai vechile RTG, primele fabricate n 1958 de US Atomic Energy Commission, au folosit 210Po. Acest combustibil ofer densiti de energie fenomenal de mari (un singur gram de 210Po genereaz 140 W termici).

Totui, radioizotopul 210Po are utilizare limitat datorit timpului su de njumtire foarte scurt i produciei de radiaii gamma, fapt pentru care, de altfel, a i fost scos din uz n aceast aplicaie. Uniti de nclzire cu radioizotopi

Unitile de nclzire cu radioizotopi (Radioisotope Heater Unit = RHU) asigur n jur de 1 W de cldur, obinut din dezintegrarea ctorva grame de 238Pu.

Sarcina unei RHU este s asigure o nclzire perfect localizat a unui echipament senzitiv n spaiu extraterestru.

Staia Cassini-Huygens care orbiteaz planeta Saturn conine 82 astfel de uniti (mpreun cu alte 3 RTG principale folosite pe post de generatoare de energie).

Sonda Hygens trimis spre Titan conine 35 de astfel de sisteme.REACTORUL NUCLEAR DE FISIUNEReactorul nuclear de fisiune este o instalaie n care este iniiat o reacie nuclear n lan, controlat i meninut la o rat staionar (n opoziie cu o bomb nuclear, n care reacia n lan apare ntr-o fraciune de secund i este complet necontrolat).

Reactoarele nucleare sunt folosite pentru numeroase scopuri. Cea mai semnificativ utilizarea curent este pentru generarea de energie electric. Reactoarele de cercetare sunt folosite pentru producerea de izotopi i pentru experimente cu neutroni liberi. Din punct de vedere istoric, prima folosire a reactoarelor nucleare a fost producerea plutoniului pentru bomba atomic. O alt utilizare militar este propulsia submarinelor i a vapoarelor, dei aceasta presupune un reactor mult mai mic dect cel folosit ntr-o Central Nuclearo-Electric (CNE).

n mod curent, toate reactoarele nucleare comerciale sunt bazate pe fisiunea nuclear i sunt considerate problematice datorit siguranei lor i a riscurilor asupra sntii. Din contra, alii consider centrala nuclear ca fiind o metod sigur i nepoluant de generare a electricitii.

Instalaia de fuziune este o tehnologie bazat pe fuziunea nuclear n locul fisiunii nucleare.

Exist i alte instalaii n care au loc reacii nucleare ntr-o manier controlat, incluznd generatoarele termoelectrice radioizotope i bateriile atomice, care genereaz cldur i putere exploatnd dezintegrrile radioactive pasive, cum ar fi, de exemplu, instalaiile Farnswoth-Hirsch de producere a radiaiilor neutronice.Aplicaii

n centrale nucleare, pentru:

obinerea cldurii i generarea de electricitate; obinerea de cldur pentru nclzire domestic i industrial; producie de hidrogen; desalinare; n propulsie nuclear i anume:

propulsie nuclear marin; propuneri pentru rachete propulsate termonuclear; propuneri pentru rachete propulsate prin puls nuclear; n transmutaie de elemente, pentru:

producia de plutoniu, adesea pentru utilizarea n arme nucleare; obinerea diverilor izotopi radioactivi, cum ar fi americiu pentru dete