aplicatie din perspectiva elevului

Click here to load reader

Post on 30-Jan-2016

33 views

Category:

Documents

0 download

Embed Size (px)

DESCRIPTION

!

TRANSCRIPT

  • Ce implicaii are energia asupra umanitii?Aplicaie din perspectiva elevului

  • REACII NUCLEARECum putem folosi resursele naturale pentru a crea energie?

  • Cuprins

    Scurt istoric .Definirea reaciilor nucleare,clasificare.Reacia de fisiuneReacia de fuziuneUtilizrile energiei nucleareAccidente nucleare.Msuri de protecieImplicaiile energiei nucleare asupra umanitii

  • Scurt istoricRezultatele bombardrii uraniului cu neutroni s-au dovedit a fi interesante i enigmatice. Studiate prima dat de Enrico Fermi n 1934, nu au fost interpretate corect dect dup muli ani.Pe 16 ianuarie 1939, danezul Niesl Bohr ajungea n Statele Unite pentru a locui cteva luni n Princeton, New Jersey, i hotrt s discute, n mod particular, unele probleme abstracte cu Albert Einstein Chiar nainte ca Bohr s prseasc Danemarca (la bordul unei vapor), doi dintre colegii si, Otto Robert Frisch i Lise Meitner (amndoi refugiai din Germania) i-au comunicat bnuiala c absorbia neutronului de nucleul de uraniu conduce uneori la spargerea 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).

  • Particulele sau nucleele din starea final se numesc produi de reacie.Reacii nucleare sunt transformrile suferite de nucleele atomilor bombardai cu particule , i neutroni.Legi de conservare in reacii nucleareLegea conservrii energiei totale relativiste: Wa+Wx=Wy+Wb Legea conservrii sarcinii electrice ZX +Za = ZY + Zb Legea conservrii numrului de nucleoni XA + aA =YA + bA Energia nuclear este produs n urma reaciilor nucleare.Cum se produce energia nuclear?

  • Clasificarea reaciilor nuclearea) Reacii endoenergetice: dac avem energia de reacie Q 0; acestea se petrec cu absorbia unei pri din energia cinetic a particulelor incidente.b) Reacii exoenergetice: dac avem energia de reacie Q 0, n acest caz se elibereaz energie nuclear sub form de energie cinetic; se mai numesc i reacii exoterme, deoarece se elibereaz i energie termic.

  • Exemple de reacii nuclearebombardarea nucleului de azot cu o particul : (reacia numit transmutaie nuclear)147N + 42 178O + 11Hdeci rezult un izotop oxigen i un proton, iar:73Li + 11p 2 42 + Q unde Q 836.109J; 94Be + 42 126C + 10n, 10n este un neutron care se transmut.

  • Clasificarea reaciilor nucleareReacii de fisiune

    Reacii de fuziune

    Fisiunea spontan are loc n mod naturalProbabilitatea de realizare este mult mai mic dect a dezintegrrilor i Fisiunea indusControlatNecontrolat

    fuziuneControlatNecontrolat

  • Un reactor nuclear de fisiune natural poate s apar n unele circumstane care reproduc condiiile dintr-un reactor construit. Singurul reactor nuclear natural cunoscut s-a format acum 2 miliarde de ani la Oklo, n Gabon Africa. Asemenea reactoare nu se mai pot forma pe Pmnt: dezintegrarea radioactiv pe aceast durat imens de timp a redus proporia de U-235 n uraniul natural sub limita cerut pentru a susine o reacie nuclear n lan.Reactoarele nucleare naturale s-au format atunci cnd depozitele de minerale bogate n uraniu au fost inundate de apa freatic, acionnd ca un moderator de neutroni i determinnd iniierea reaciei n lan.

    Fisiunea spontan

  • Definiie:Fisiunea este scindarea unui nucleu greu n dou nuclee medii.Explicaia se poate face cu ajutorul modelului pictur al nucleului un neutron lent (termic) captat de un nucleu greu, i transmite acestuia energia lui de legtur i energia lui cinetic (vezi figura) i ca urmare crete agitaia termic a nucleonilor, nucleul ncepe s vibreze, se alungete nvingnd forele de tensiune superficial, pn cnd forele de respingere electrostatic dintre nucleoni , l rup n dou pri

  • Reacia de fisiune (indus) n lan

    n fisiunea nucleelor de uraniu s-a gsit o reacie, declanat de un neutron, care la rndul ei elibereaz 13 neutroni; prin aceasta procesul furnizeaz proiectile noi i exist posibilitatea ca procesul de fisiune s fie meninut, fr alimentare cu neutroni din exterior, sub forma unei reacii continue pn la epuizarea complet a materialului fisionabil, deci avem o reacie n lan In reacia de fisiune stimulat a izotopului de uraniu 235 rezult un nucleu compus instabil,prin captura unui neutron lent din care se rup nuclee cu A cuprins intre 54-56,respectiv 36-38.

  • Condiii de producere a reaciei de fisiune n lanObinerea unei energii nucleare care s poat fi utilizat n scopuri practicce trebuie ca reacia de fisiune s se autontrin. Aceast condiie poate fi ndeplinit dac se utilizeaz neutronii provenii din procesele de fisiune ca iniiatorii unor noi procese de fisiune, adic s aib loc o reacie n lan. Pentru aceasta este necesar :ncetinirea neutronilor, deoarece probabilitatea de captur a de ctre nuclee este cu att mai mare cu ct viteza lor este mai mic. Numrul neutronilor crete cu volumul de material fisionabil,iar pierderea de neutroni este proporional cu suprafaa materialului fisionabil. Prinmanevrarea acestor doi factori se obine situaia n care numrul neutronilor dintr-o generaie s fie mai mare sau cel puin egal cu al neutronilor din faza precedent.Masa respectiv de material fisionabil se mumete mas criticCnd mai mult de unul din neutronii expulzai din nucleu produc noi fisiuni, numrul fisiunilor n unitatea de timp crete n progresie geometric i are loc explozia nuclear .

  • De unde apare energia?In timpul fisiunii, o parte din mas este convertit n energie.mn + mU235= m1 + m2 + 2mn +mmasa nucleelor masa nucleelor dup fisiune defect de masnainte de fisiune Noile nuclee uoare se regsesc n deeurile radioactive Neutronii eliberai n timpul fisiunii declaneaz urmtoarea reacie de fisiune Energia eliberat este convertit n caldurFilm sau http://www.youtube.com/watch?v=Hmtto9HnLQA

  • Ce este fuziunea ?Cnd nuclee de atomi uori vin n contact, la temperaturi foarte ridicate, ei fuzioneaz i are loc o degajare enorm de energie. n centrul Soarelui sau stelelor, presiunea gravitaional imens, permite ca acest fenomen s aibe loc la temperaturi de aproximativ zece milioane de grade Celsius.La presiunile mult mai mici ce pot fi produse pe Pmant, temperatura necesar producerii fuziunii este 100-150 milioane de grade Celsius. Pentru a se atinge aceast temperatur este necesar o nclzire puternic i o reducere la maximum a pierderilor de cldur prin meninerea particulelor combustibile supranclzite la distan de pereii containerului. Aceasta se obine prin crearea unei "cuti" magnetice realizat de cmpuri magnetice puternice ce mpiedic pierderea de particule.

  • n procesul de fuziune doi atomi uori fuzioneaz (se unesc) pentru a crea unul mai greu. n timpul acestui proces, o cantitate imens de energie este eliberat, rezultat de pe urma forelor puternice ce acioneaz n nucleu.n imaginea de mai jos, deuteriul (un izotop al hidrogenului) fuzioneaz cu tritiul (alt izotop al hidrogenului), rezultnd heliu i un neutron.Reacia de fuziune

    Pentru ca nucleele s se apropie suficient de mult unul de celalalt i s nving forele electrice de respingere, ei trebuie s se ciocneasc la viteze foarte mari. Asta nseamn c particulele trebuie s aib temperaturi foarte ridicate: ntr-un reactor de fuziune temperatura este de 150 milioane grade. La aceast vitez nucleele de hidrogen se mic cu 1000 km/s.

  • Condiii de realizare a reaciei de fuziuneProblema de baz n atingerea fuziunii nucleare este cldura gazului i existena unei cantiti suficiente de nuclee pentru un timp ndelungat pentru a permite eliberarea unei energii suficiente pentru a ncalzi gazul.O alt problema este captarea energiei i convertirea n energie electric. La o temperatura de 100.000 C toti atomii de hidrogen sunt ionizai, gazul fiind compus din nuclee ncarcate pozitiv i electroni liberi ncrcai negativ, stare numit plasma.Plasma cald pentru fuziune nu se poate obine din materiale obinuite. Plasma s-ar raci foarte repede, i pereii vasului ar fi distrui de cldur. Dar plasma poate fi controlata cu ajotorul magneiilor urmand liniile de camp magnetic stand departe de perei.In 1980 a fost realizat un astfel de dispozitiv, n timpul fuziunii temperatura fiind de 3 ori mai mare ca a soarelui.O alt cale posibil de urmat este de a produce fiziune din deuteriu si tritiu pus intr-o sfer mic de sticl care s fie bombardat din mai multe locuri cu un laser pulsnd sau cu raze ionice grele. Acest procedeu produce o implozie a sferei de sticl, producndu-se o reacie termonuclear care aprinde carburantul.

  • Reaciile de fuziune constituie sursa energetic a stelelor de tipul Soarelui. Cel mai abundent element chimic n stele este hidrogenul (70%); urmtorul este heliul (25-30%); alte elemente n jur de 1%. Dup teoriile actuale, stelele se formeaz prin contracia gravitaional a norilor de materie interstelar. n urma contraciei, energia gravitaional eliberat se transform n energie de agitaie termic a particulelor. Astfel, temperatura crete pn la zeci i sute de milioane de grade, cnd ncep reaciile de fuziune termonuclear care creaz fore de presiune ce se opun forelor de contracie gravitaional, ceea ce mrete timpul de via al stelelor.Avnd n vedere proporia mare de hidrogen din stele, reaciile mai probabile sunt acelea n care fuzioneaz nucleele acestui element. Fuziunea nuclear, poate oferi n viitor modalitatea de producere n condiii de siguran a energiei.

    Fuziunea .Reacii nucleare n stele

  • Necesitatea unei surse sigure de energie

    Economia ntregii lumi depinde de asigurarea unei surse de energie sigure i inepuizabile. Astzi aceast cerere este satisfcut n principal de combustibilii fosili (petrol, crbuni i gaze naturale).Surse de energie sigure sunt necesare pentru a menine standardul nostru de via. Cercettorii din ntreaga lume lucreaz pentru a dezvolta o serie de tehnologii de producere n siguran a energiei n condiii acceptabile pentru mediul nconjurator. Fuziunea termonuclear este una dintre ele.Pe termen lung, fuziunea termonuclear va furniza o opiune pentru o surs de energie la scar larg care are un impact mic asupra mediului i rezerve de combustibil sigure. Centralele electrice de fuziune termonuclear vor fi convenabile, n particular, generrii energiei pentru nevoile zonelor dens populate i zonelor industriale. De asemenea ele pot produce hidrogen pentru industria bazat pe hidrogen.

  • Necesitatea unei surse sigure de energieProgresul n fuziunea nuclear este promiator dar nfptuirea de sisteme practice de creare stabile de reacie de fuziune care s produc mai mult energie dect consum va mai lua ceva decenii pentru realizare. Activitatea de experimentare este scump. Totui unele progrese sau obinut n 1991 cnd o cantitate important de energie (1,7 milioane W) a fost produs cu ajutorul reacie de fuziune controlat in Laboratoarele JET din Finlanda. n 1993 cercetatorii de la Universitatea din Princeton au obinut 5.6 milioane W. n ambele cazuri s-a consumat mai mult energie decat s-a creat.Dac reacia de fuziune devine practic ofer o serie de avantaje: o sursa de deuteriu aproape infinit din oceane, imposibilitatea de a produce accidente din cauza cantitii mici de carburant folosit, reziduriile nucleare sunt mai puin radioactive i mai simplu de manipulat.

  • Ce este energia nuclear? Termenul de energie nuclear este folosit n doua contexte: - la nivel microscopic, energia nuclear este energia asociat forelor de coeziune a nucleonilor dat de interaciunea tare a protonilor i neutronilor din nucleele atomice. - la nivel macroscopic prin energie nuclear se nelege energia eliberat prin reaciile de fuziune nuclear din stele si din bombele cu hidrogen, respectiv cea eliberat prin fisiune nuclear n bombele atomice i n aplicaiile civile (centrale nucleare). De-a lungul erei nucleare, energia nuclear a fost folosit n diverse scopuri, mai mult sau mai puin constructive, iar unele dintre acestea au dat natere la anumite incidente.

  • ntrebuinri ale energiei nucleare Obinerea energiei nucleare n prezent, numai fisiunea nuclear este utilizat pentru producerea energiei nucleare O central nuclear este o instalatie complexa de producere a energiei electrice din energie termic, obinut prin intreinerea unei reacii nucleare de fisiune controlat, proces realizat de reactorul nuclear. ntr-un reactor nuclear se obine cldura prin dezintegrarea atomilor radioactivi de U-235. Aceasta este folosit pentru a produce abur care pune n micare rotorul turbinelor, genernd electricitate.U-235 este un izotop relativ rar al uraniului, reprezentnd doar 7% din cantitatea total de uraniu disponibil. Industria energetic nuclear s-a dezvoltat ca o surs potenial de energie, mai ieftin dect cea bazat pe combustibili fosili (carbune, gaze naturale, etc.). Unul dintre factorii cei mai importani care au influenat n mod favorabil dezvoltarea energeticii nucleare a fost cel economic, cheltuielile cu combustibil nuclear fiind mult mai mici (aproximativ 10%) fa de cheltuielile echivalente cu combustibili fosili.

  • bar pentru oprire de urgen bare de control combustibil Protecie biologicieirea vaporilor Intrarea apeiProtecie termiccombustibil bare de control bar pentru oprire de urgen Prile constructive ale unui reactor:

    Combustibilul nuclear substana fisionabil format din bare de uraniu mbogit U-235 sau izotopi artificiali ca Pu-239, Moderatorul este substana n care neutronii 10n sunt ncetinii, prin ciocnirile succesive dintre ei i nucleele moderatorului; neutronii ncetinii, produc mai uor fisiunea nucleelor. Au rol de control al reaciei de fisiune. Cei mai folosii moderatori sunt: apa, apa grea, grafitul, beriliu (apa grea este cel mai bun moderator, ea absoarbe foarte puin neutronii, dar produce o ncetinire mare a acestoraAgentul / fluidul de rcire care circul prin reactor i transport n exterior energia termic degajat n urma reaciei de fisiune. Ca fluid de rcire se folosesc: apa, apa grea, metalele lichide, CO2, etc.Barele de control i barele de securitate sunt substane care absorb neutronii i sunt sub form de bare de bor sau cadmiu.Cuva reactorului confecionat din oel sau font pentru a absorbi radiaiile emise, iar partea exterioar a reactorului este un zid gros de beton, asigurndu-se o bun protecie contra radiaiilor aprute.

  • Aplicaii ale reactoarelor nuclere n centrale nuclearo-electrice: producie de cldur pentru generare de electricitate; producie de cldur pentru nclzire domestic i industrial; producie de hidrogen; la desalinare. n propulsia nuclear: pentru propulsie nuclear marin; exist propuneri pentru rachete termonucleare; exist propuneri pentru rachete propulsate prin puls nuclear. n transmutaie de elemente: la producia de plutoniu, adesea pentru utilizarea n arme nucleare; la obinerea diverilor izotopi radioactivi, cum ar fi americiu pentru detectorii de fum, respectiv cobalt-60, molibden-99 i alii, folosii n medicin. n cercetare: pentru asigurarea unei surse de radiaie cu neutroni i pozitroni (cum ar fi pentru Analiza cu activare neutronic i Datarea cu potasiu-argon); pentru dezvoltarea de tehnologii neclare.

  • Producerea energiei electrice folosind energia nuclear

  • Deeurile radioactiveCentralele nucleare dei ofer energie electric ieftin, au o mare problema, deeurile radioactive.Deeurile radioactive sunt rezultatul activitilor zilnice de ntreinere, reparaii, al opririlor programate sau neprogramate ale centralei i sunt gestionate complet separat de deeurile convenionale.Dup 50 de ani de energetic nuclear ntrebarea cum s se administreze aceste resturi materiale se confrunt cu probleme de securitate i tehnice, una din importantele direcii de aciuni a criticilor industriei nucleare fiind chiar aceste costuri i riscuri pe termen lung

  • Bomba atomic

    n anul 1945, principiul fisiunii nucleare a fost folosit i la un dispozitiv de o cu totul alt natur: bomba atomic. n acest caz, reacia de fisiune nu este ncetinit; ea se amplific i are loc cu degajare uria de energie.

    Ceea ce a fcut ca aceast descoperire s fie una revoluionar era faptul c, atunci cnd se desface, nucleul de uraniu elibereaz doi neuroni, suficient pentru a mai desface nc dou nuclee, elibernd astfel patru neutroni, i aa mai departe, la infinit. Pentru o reacie n lan independent nu era nevoie dect de destul uraniu- o mas critic- pentru ca neutronii produi s nu poate fi eliberai pn nu au produs suficiente alte fisiuni. Rezultatul ciudat al fisiunii este c produce doi atomi mai uori a cror mas combinat este mai mic dect cea a atomului greu care a fost desfcut. Masa se transform n energie conform formulei elaborate de Albert Einstein.

  • Care este principiul de funcionare al bombei atomice?Pentru a crea o bomb atomic trebuia s se gseasc o mas critic de uraniu cunoscut ca uraniu-235, care reprezint doar 0,7% din cantitatea de uraniu din natur. Alt mod de a face bomba era prin folosirea plutoniului, un element care nu exist n natur dar care poate fi obinut prin bombardarea cu neutroni a unei forme mai comune de uraniu, U-238. Bomba care a fost aruncat la Hiroshima folosea uraniu; cea care a distrus Nagasaki folosea plutoniu. n esen, ambele funcionau prin realizarea masei critice n momentul exploziei.

  • Bomba cu hidrogenBombele n care se produc reacii de fuziune nuclear se mai numesc i bombe cu hidrogen. Temperatura necesar declanrii reaciei de fuziune n bomba cu hidrogen este realizat de o bomb atomic, anexat acesteia. Reacia de fuziune odat nceput se autontreine i, ntr-un timp foarte scurt se produce o explozie catastrofal. Spre deosebire de armele atomice aceasta are nevoie de o temperatur ridicata pentru a produce daune i n loc s transforme atomii n elemente cu o mas mai mic aici atomii se unesc i formeaz un element mai greu dect cel initial. Bombe de acest gen au fost testate de SUA, Rusia, Marea Britanie i China care de asemeni dein acest tip de armament. Aceast bomb nu produce radiaii precum cea atomic, de aceea este cunoscut i sub numele de bomb curat. Dup explozia acestui tip de bomb se creaz unde care scad n intensitate cu ct se deprteaz de locul exploziei. Acestea sunt rspunztoare de pagubele produse de bomba cu hidrogen.

    testare bomb cu hidrogen28/2/1954Film sau http://www.youtube.com/watch?v=Qc4M6Zikqlo&feature=related

  • Accidente nuclearepot avea drept cauze: greeli umane de operare care pot duce la pierderea controlului reaciei de fisiune. Astfel numrul de fisiuni n unitatea de timp crete n progresie geometric i se degaj o cantitate foarte mare de cldur. Sistemul de rcire nu poate prelua toat cldura i se produce topirea acestuia. Un alt pericol este depozitarea improprie a deeurilor radioactive. Acestea sunt materiale neutilizabile care emit radiaii peste limita admis.Accidentul nuclear este orice eveniment care afecteaz o instalaie nuclear i care poate provoca iradierea sau contaminarea populaiei i a mediului nconjurtor peste limitele maxime admise. Sursele de accidente nucleare sunt: instalaiile de preparare sau de retratare a combustibilului nuclear, reactoare nucleare energetice sau de cercetare, depozite pentru deeuri radioactive, instalaii pentru testare a armelor nucleare sau depozitarea deeurilor radioactive i nave maritime sau aeriene care transporta substane sau armament radioactiv. Pentru evitarea accidentelor instalaiile nucleare sunt prevzute cu numeroase sisteme de siguran.

  • Accidente nucleareAccidentul s-a petrecut la 28 martie 1979, la Three MileIsland (TMI) in Pennsylvania.Urmarile accidentului Accidentul a nceput cu ne funcionarea unuiechipament ce a cauzat pierderea agentului dercire din zona activ a reactorului, printr-o valv de siguran parial deschis.Operatorii nu au neles corect semnificaiaavariei, i au nchis sistemul de rcire la avarie, al inimii reactorului.Pierderea de agent de rcire a cauzat distrugerea inimii reactorului.Vasul reactorului conine zona activa distrus. O cantitate mic de substan radioactiv ascapat n cladirea de sub anvelopa.Accidentul nu a avut ca rezultat efecte radiologiceasupra mediului si populaiei.

  • Accidente nucleareLa 26 aprilie 1986 are loc cel mai grav accident nuclear ntamplat vreodat, la unitatea 4 a CNE Cernobl din UcrainaOperatorii au dus reactorul ntr-o stare instabil i ca urmare puterea a crescut imens. S-a produs o explozie i grafitul a luat foc; o mare cantitate de substane radioactive au fost aruncate pe osuprafat foarte ntins. Reactorii de tip Cernobil,nu au anvelope. Consecine ale accidentului 47 de oameni au murit pn acumAu fost diagnosticate 4000 cazuri de cancer tiroidian la copii, 9 au murit, alii au fost tratai Se ateapt ca printre cei 600.000 de lucrtori i ceteni din zon, care au fost n zona cea mai contaminat, 4000 s moar de cancer datorit iradierii. 1800 (circa 3%) vor muri de cancer din alte cauze. Exceptnd o suprafa cu raza de 30 km n jurul obiectivului, nivelul de radiaie a redevenit normal.

    Simularea accidentului de la Cernobl

  • Efectele unei explozii nucleare

    Efectele produse de suflul explozieiEfectele produse de radiaia termicEfectele produse de radiaia nuclearMutaiile genetice

  • Msuri de prevenire i diminuare a efectelor polurii radioactive

    n acest scop fiind ratificate conveii i tratate precum: Convenia asupra responsabilitilor civile n domeniul pagubelor nucleare (1963); Convenia privind ratificarea rapid a unui accident nuclear sau urgen radiologic la care a aderat i Romnia prin decretul nr.223/1990. Potrivit acestei convenii statele semnatare trebuie s se informeze reciproc i cu promptitudine asupra tutror datelor despre accidentul nuclear, s coopereze ntre ele i cu Agenia Internaional pentru Energie AtomicMsuri de protecie a populaiei n zonele cu risc nuclear: Informarea populaiei despre natura activitaii nucleare din zon; Amenajarea locurilor de adpostire n caz de accident nuclear, procurarea de mijloace de protecie individual (costume de pnz cauciucat, mnui);Asigurarea unor rezerve de alimente i ap; asigurarea unor truse de prim ajutor; procurarea de surse de iluminat independente. n timpul accidentului nuclear dup semnalul de alrm se sting becurile, se nchid gazele i apa, se scot din priz aparatele electrice care pot produce incendii, se ocup locul de adpostire stabilit. Dup producerea accidentului nuclear se iese din adpost doar n haine de protecie, se evit contactul cu obiectele din jur, se efctueaz controlul dozimetric n vederea aplicrii tratamentului de decontaminare i se execut decontaminarea mbrcmintei i a locuinelor.

  • Implicaiile energiei nucleare asupra umanitiiExistenialeEconomice Sociale Biologice De mediutiinificePolitice

  • bibliografiewww.energianucleara.go.ro/ www.animatedgif.net http://www.descopera.org/energia-nucleara-aplicatii-si-implicatii/ http://www.e-nuclear.eu/images-courses/id-2/http://www.Colorado.EDU/physics/2000/index.pl (Fizica Moderna 2000)http://www.lbl.gov/abc/wallchart/guide.html(Ghid de fizica nucleara, completa) http://www.pahighways.com/graphics/features/TMI2.jpghttp://www.hpwt.de/Kern2e.htmhttp://www.encyclopedia.com/video/kdPwTUp4-VA-hydrogen-bomb-test-at-enewetak.aspx

    *