Fisiunea nuclear

Fisiunea se face prin absoria unui neutron de un nucleu greu de uraniu 235, n urma reaciei rezultnd cesiu 140, rubidiu 93, 3 neutroni i 200 MeV sau 7.7x10-12 calorii. n cadrul unei reacii de fisiune nuclear este eliberat o cantitate de energie de 10 milioane de ori mai mare dect n cazul unei reacii chimice obinuite. Energia eliberat de cantitatea de 1 Kg de uraniu 235 este de 18.7 milioane Kwh de cldur. Neutronii eliberai n urma reaciei reacioneaz cu alte nuclee de uraniu, n urma reaciei neutronii nmulindu-se. n urma acestui proces se formeaz o reacie susinut sau o reacie n lan care duce la o eliberarea continu de energie. n mod natural uraniul conine 0,71 % uraniu 235, restul fiind uraniu 238. O mas de uraniu natural, orict de mare, nu poate susine o reacie n lan din cauza faptului c numai uraniul 235 froduce uor fisiunea. Probabilitatea ca un neutron cu o energie de aproximativ 1 MeV s produc fisiune este sczut, dar probabilitatea poate fi crescut de sute de ori cnd neutronul este ncetinit printr-o serie de coliziuni elastice cu nuclee uoare ca hidrogen deuteriu sau carbon.

n decembrie 1942 fizicianul italian Enrico Fermi a reuit s produc prima reacie nuclear n lan la Universitatea din Chicago. Acest lucru a fost reuit printr-o combinaie de uraniu natural i grafit natural, acesta avnd rolul de a ncetini neutronii.

Energia nuclear se poate obine prin fuziunea a doi nuclei uori n unul mai greu. Energia dat de stele i de soare provine din reacii nucleare de fuziune din interiorul lor. n prezena unei presiuni enorme i a unei temperaturi de peste 15 milioane C ce este n stele, nucleul de hidrogen se combin ca n ecuaia de mai jos, dnd natere la majoritatea energiei degajat de soare.

Fuziunea Nuclear

Fuziunea nuclear a fost realizat pentru prima dat prin anii 1930 prin bombardarea unei inte continnd deuteriu, izotopul hidrogenului cu masa 2, cu deuteroni ntr-un ciclotron. Pentru a ccelera raza de deuteroni este necesar folosirea unei imense cantiti de energie, marea majoritate transformndu-se n cldur. Din aceast cauz fuziunea nu este o cale eficient de a produce energie. n anii 1950 prima demonstraie la scar larg a eliberrii unei cantiti mari de energie n urma fiziunii, necontrolat a fost fcut cu ajutorul armelor termonucleare n SUA, URSS, Marea Britanie i Frana. Aceast experien a fost foarte scurt i nu aputut fi folosit la producerea de energie electric.

n cadrul fisiunii, neutronul, care nu are sarcin electric poate interaciona uor cu nucleul, n cazul fuziunii, nucleele au amndou sarcin pozitiv i n mod natural nu pot interaciona pentru c se resping conform legii lui Coulomb, lucru care

trebuie contacarat. Acest lucru se poate face cnd temperatura gazului este suficient de mare 50-100 milioane C. ntr-un gaz de hidrogen greu izotopii deuteriu i tritiu la aa temperaturi are loc fuziunea nuclear, eliberndu-se aproximativ 17,6 MeV pe element de fuziune.

Energia apare la nceput ca energie cinetic a lui heliu 4, dar este transformat repede n cldur. Dac densitatea de gaz este sufucient, la aceste temperaturi trebuie s fie de 10-5 atm, aproape vid, energia nucleului de heliu 4 poate fi transferat gazului de hidrogen, meninndu-se temperatura nalt i realizndu-se o reacie n lan.

Problema 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 nclzi gazul. O alt problem este captarea energiei i convertirea n energie electric. La o temperatur de 100.000 C toi atomii de hidrogen sunt ionizai, gazul fiind compus din nuclee ncrcate pozitiv i electroni liberi ncrcai negativ, stare numit plasm.

Plasma cald pentru fuziune nu se poate obine din materiale obinuite. Plasma s-ar rci foarte repede, i pereii vasului ar fi distrui de cldur. Dar plasma poate fi controlat cu ajotorul magneiilor urmnd liniile de cmp magnetic stnd departe de perei.

n 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 i tritiu pus ntr-o sfer mic de sticl care s fie bombardat din mai multe locuri cu ul laser pulsnd sau cu raze ionice grele. Acest procedeu produce o implozie a sferei de sticl, producndu-se o reacie termonuclear care aprinde carburantul.

Progresul n fuziunea nuclear este promitor dar nfptuirea de sisteme practice de creare stabile de reactie 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 n Laboratoarele JET din Finlanda. n 1993 cercettorii de la Universitatea din Princeton au obinut 5.6 milioane W. n ambele cazuri s-a consumat mai mult energie dect s-a creat.

Dac reacia de feziune devine practic ofer o serie de avantaje: o surs de deuteriu aproape infinit din oceane, imposibilitatea de a produce accidente din cauza cantitii mici de carburant, reziduriile nucleare sunt mai puin radioactive i mai simplu de manipulat.

Reactorul Nuclear

Transmutatiile radioactive naturale precum si reactii nucleare produse artificial, prin reactii de fisiune nucleara au ca rezultat, degajarea unor mari cantitati de energie pe unitatea de masa a substantei cu care reactioneaza.

Posibilitatea utilizarii energiei nucleare s-a realizat o data cu descoperirea fisiunii nucleare si procedeul obtinerii reactiei in lant. Reactia nucleara continua si reglabila se realizeaza in reactori nucleari (pilele atomice).In reactoare se utilizeaza uraniu 23592U. Conditia necesara pentru decurgerea reactiei nucleare in lant este masa suficienta de uraniu din reactor. Neutronii care se formeaza in procesul reactiei nucleare, pot iesi prin suprafata uraniului afara si participa la dezvoltarea reactiei in lant.Pentru ca fractiunea de acesti neutroni sa fie mica, in comparatie cu volumul lui, trebuie ca masa uraniului din reactor sa fie suficient de mare si sa depaseasca o anumita masa critica. Pe de alta parte, pentru ca reactia sa nu decurga prea violent, trebuie reglat numarul de neutroni, nepermitandu-i s creasca prea mult. Aceasta se realizeaza printr-o absorbtie a neutronilor termici excedentari cu ajutorul unor elemente ca borul (B) si cadmiul (Cd).