INSTALAŢII NUCLEARE

Conform standardelor IAEA sunt considerate instalatii nucleare:

► reactorii nucleari

► instalatii mari pentru prepararea, imbogatirea, fabricarea, tratareasau stocarea combustibilului nuclear

► Instalatii mari continand materiale radioactive sau fisionabile

► acceleratorii de particule

Acceleratorii de particule

permit transferul de energie cinetică unui fascicul de particule încărcate (protoni, deuteroni, particule α, ioni grei, etc.) prin aplicarea unui câmp electric cu scopul de a produce reacţii nucleare

Caracteristici esenţiale ale fasciculelor de particule încărcate dintr-un accelerator: (i) particulele componente ale fasciculului au energie cinetică mult mai mare decât

energia termică(ii) particulele au o împrăştiere mică în energie(iii) fasciculul de particule se mişcă preponderent într-o singură direcţie

Procesul de accelerare - transferul de energie de la sarcinile externe, la fasciculul de particule încărcate, prin intermediul forţelor electromagnetice. Există o plajă largă de acceleratori de particule care produc fascicule cu intensităţi de la ordinul nanoamperilor (10-9A) până la intensităţi de ordinulmegaamperilor (106 A) şi o plajă de accelerare cuprinsă între câţiva eV până la TeV(1012 eV). Speciile particulelor încărcate care sunt accelerate sunt cuprinseîntr-un domeniu larg de mase, pleacând de la electroni până la ioni grei, cu un factor de masă de circa 106.

Clasificarea acceleratorilor de particule

Modul de accelerareelectrostatici - gradientul potenţialului electrostaticelectromagnetici - variaţia în timp a câmpului electromagnetic

Forma traiectoriei particulelor accelerateliniariciclici

Tipul particulelor accelerateacceleratori de electroni (betatroane) protoniioni grei.

Energia particulelor accelerateenergie medie (până la energii de ordinul zecilor de MeV/nucleon energie înaltă (energii de ordinul sutelor de MeV/nucleon) energie foarte înaltă (energii de ordinul GeV/nucleon)

Principiul fundamental - acţiunea câmpurilor electrice şi magnetice asuprasarcinilor electrice aflate în mişcare

Câmp electric de intensitate Er

particulă de masă de repaus m0 şi sarcină q care se mişcă cu viteza vr

variaţia energiei sale cinetice Ec; qvEdt

dEc =

Câmp magnetic de inducţie Br

viteza particulei perpendiculară pe liniile de câmp

RmvqvB

2

=Miscare circulara

raza traiectoriei

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛−

==

2

2

0

cv1qB

vmqBmvR

m - masa de mişcarec - viteza luminii

câmp electric - energia particulei încărcatecâmp magnetic - controlul traiectoriei

Acceleratori în cascadă (Crockcroft-Walton; 1932 )

generator de tensiune de tip multiplicator de tensiuneun tub de accelerarecameră de reacţie

multiplicator de tensiune – cresterea energiei cinetice a particulelor accelerate

nqVEc =

sistem de n capacităţi şi n redresori, care asigură o multiplicare de n ori a tensiuniialternative date de secundarultransformatorului

acceleratori direcţi - particula proiectil se mişcă într-un câmp electric constant, petot parcursul tubului de accelerar

Aplicatie - Generatorul de neutroni

Dispozitiv nuclear de obtinere a fluxurilor de neutroni de 1010-1012 n/cm2 ·s în urma generării reacţiilor de fuziuneD-D sau D-T:

)MeV1.14(n)MeV5.3(HeTD

)MeV45.2(n)MeV82.0(HeDD10

42

31

21

10

32

21

21

+→+

+→+

reacţii nucleare - puternic exoenergetice; 3.27 MeV, 17.6 MeVtensiuni de accelerare cuprinse între 100 kV-150 kV

Producţia de neutroni per particulă proiectil

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

∆σ≅

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛σ

= ∫dxdE

E)E(ndE

dxdE

)E(nY 1E

E

2

1

n-densitatea nucleelor din ţintăE1-energia iniţială a ionilor de deuteriuE2-energia finală a ionilor de deuteriuσ(E) –secţiunea eficace a reacţiei nucleardE/dx- pierderea liniară de energie (puterea de stopare) a ionilor de deuteriu în ţintă∆E - semilărgimea peak-ului energetic

►Moleculele de deuteriu trec printr-ofolie încălzită de paladium în sursa se ioni, la o presiune este joasă (0.01-0.02 torr)

► Ionizarea moleculelor de deuteriu însursa de ioni, se face fie prinbombardament electronic, fie prinaplicarea un câmp electric de înaltăfrecvenţă, obţinându-se ioni pozitivide deuteriu D+ şi electroni, care suntextraşi la energii joase (circa 2.5 keV) şi dirijaţi în tubul de accelerare

► Ţintele de deuteriu sau tritium, se obţin prinadsorbţia moleculelor de deuteriu sau tritiu pefolii subţiri din titan sau zirconiu

Acceleratori electrostatici (van de Graaff -1931)

Principiul generatorului van de Graaff-fenomenul de încărcare cu sarcinielectrice a unei sfere metalice, în interiorulacesteia se găseşte o altă sferă încărcatăelectric; -încărcarea continuă cu sarcini a sfereiinterioare, pe sfera exterioară se pot acumula sarcini cu tensiune electrostaticăfoarte ridicată (~ 5-10 MV)

Potenţialul - creat se aplică de-a lungulunui tub de accelerare, prin care, ioniiproduşi în sursa de ioni sunt acceleraţi

ic EqUE +=

Acceeratorul Tandem

-variantă îmbunătăţită a acceleratorului van de Graaff-permite dublarea energiei de accelerare a ionilor, prin folosirea unui sistem de schimbare de sarcină a ionilor acceleraţi

ic EqUE += 2două trepte de accelerare ► energia lor cinetică

Ciclotronul

Câmp magneticqBmvrqvB

rmv2

=⇒= m2qB

r2v

π=

π=νfrecvenţa

energie cinetică pt. o rotatie Ec= qVpentru n rotaţii energia câştigată va fi Ec=nqV

tensiunea de înaltă frecvenţă aplicată celor doi duanţi egală cu frecvenţa de rotaţie a sarcinei

( )⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛===

mq

2Br

m2rBq

2mvE

22max

2max

222maxc

( ) K2

Br 2max = termen “K” al ciclotronului şi se exprimă în MeV

Betatronul

Accelerator ciclic de electroni - legea inducţiei electromagnetice - acţiunea unuicâmp electric cu liniile de câmp circulare şi închise, asupra fasciculului de electroni aflaţi în mişcare

Perpendicular pe planul traiectoriei, există un câmp magnetic variabil în timp şi cu o anumită configuraţie spaţială care permite atât accelerarea electronilor cât şi ghidarealor, astfel încât traiectoria lor să se afle în permanenţă în lungul liniilor de câmp electric

Accelerarea. Datorită variaţiei în timp a câmpului magnetic, ia naştere un câmpelectric de inducţie (rotaţional) tangent tot timpul la traiectoria parcursă de electroni, care conduce la creşterea energiei lor cinetice

Stabilitatea razei traiectoriei circulare, este asigurată de faptul că, pe masură cecreşte energia cinetică a electronilor, creşte şi intensitatea câmpului magnetic director

Structura - un electromagnet care accelerează electronii şi crează in acelaşitimp câmpul magnetic cu distribuţianecesară focalizării şi ghidării fascicululuide electroni. Între piesele polare ale electromagnetului (întrefierul) se găseştecamera de accelerare sub forma unui tub toroidal construit dintr-un material izolator(ceramică sau sticlă) prin care circulăelectronii

Electromagnetul conţine o bobină primarăalimentată direct la reţeua de curentalternativ, iar rolul de bobină secundară, este îndeplinit de camera de accelerare

Accelerarea electronilor are loc în intervalulîn care, atât câmpul magnetic cât şi derivataacestuia în raport cu timpul, au acelaşi semn

Pentru a avea un câştig de energie cinetică constant la fiecare rotaţie, este necesarca legea de variaţie a câmpului electric să fie o funcţie liniară de timp. Pentru aceastase foloseşte un circuit magnetic alimentat la o sursă sinusoidală, astfel încât inducţiacâmpului magnetic să aibă o dependenţă periodică de timp

energie cinetică maximă

tsinB)t(B ω=

BREc ⋅⋅= 300max

exemplu - o raza de 1m şi o inducţie B=0.33 T, energia cinetică maxima a electronilor este de circa 100 MeV

Electronii acceleraţi, sunt deflectaţi la sfârşitul perioadei de accelerare şi focalizaţi peo ţintă metalică greu fuzibilă (de exemplu wolfram) şi ca urmare a frânarii se producradiaţii X dure

radiaţia X este emisă după direcţia de incidenţă a fascicului (radiaţie sincrotronică).

Acceleratorul liniar

acţiunea câmpurilor electrice variabile în timp asupra sarcinii electricetuburi de accelerare de mărimi crescătoare numite tuburi de drift - accelerareasarcinilor se face ciclic, pe o pe o traiectorie liniară

Condiţia ca sarcina să fie în fază cu polaritatea câmpului .constc2v

L

n

n =⋅λ

=

Ln-este lungimea tubului de drift, vn-viteza particulei în tubul respectivλ-lungimea de undă a oscilaţiei câmpului electric alternativc-viteza luminii

În spaţiul dintre doi electrozi, particula se găseşteîntodeauna în aceeaşi fază cu câmpul electric şi va fi accelerată.

În interiorul tuburilor de drift, câmpul electric este nul, iar în spaţiile dintre doi electrozi consecutivi, câmpul este alternativ, cu o frecvenţă egală cu ceaa generatorului de radiofrecvenţă

Energia cinetică câştigată de particulă după ce străbate n tuburi de drift

UqnEc ⋅⋅=

Alimentarea tuburilor de drift poate fi făcută cuun generator de tensiune alternativă de înaltăfrecvenţă sau cu un generator de microunde(magnetron) care lucrează in regim de undăprogresivă

- sincrotronul, la care campul magnetic variaza, astfel incat raportul m*v/B sa fie constant;

- sincrociclotronul (fazotronul), la care frecventa variaza, astfel incat produsul m*v*f sa fie constant;

- sincrotronul de protoni (sincrofazotronul), la care se produce atat variatia frecventei, cat si variatia campului magnetic, astfel incat m*f/B sa fie constant