Fisiunea nucleara
Cercetarile efectuate asupra reactiilor nucleare au inceput treptat sa dea roade. Unul dintre cele mai spectaculoase rezultate a fost realizarea reactorilor nucleari, care stau astazi la baza energeticii nucleare.
Calea pana la centralele nuclearo-electrice a fost, insa, destul de lunga, dar daca privim in trecut, nu foarte lenta in comparatie cu intregul drum parcurs de la descoperirea radioactivitatii si pana la realizarea primelor uzine nucleare .
Totul a inceput cu descoperirea reactiei de fisiune a uraniului, in 1939. Fisiunea nucleara, cum i se spune in mod curent, este reactia prin care un neutron "sparge" un nucleu greu in doua sau mai multe fragmente, cu emisia mai multor neutroni. Ea poate avea loc cu oricare nucleu greu, dar practic se produce numai la nuclee cu A>230, si cu orice fel de particule.
Fizicienii sovietici G.N. Flerov si K.A. Petrajac au aratat in 1940, ca procesul se poate produce fie spontan, fie prin bombardarea intentionata a nucleelor grele. Fenomenul spontan se produce abia de la valori A>250.
Nucleonii strans impachetati in nucleu sunt supusi fortelor de legatura, carora le corespunde energia de legatura. Variatia energei de legatura medii pe nucleon in functie de A, arata ca energia de legatura este mai mare la nucleele usoare si scade lent spre nucleele grele. Nucleele grele sunt mai vulnerabile.
Asa cum se arata la reactiile rezonate, nucleonul este particula cea mai indicata pentru realizarea fisiunii nucleare, deoarece el nu mai trebuie sa invinga si fortele coulombiene pentru a patrunde in nucleu.
Prin urmare, sa presupunem ca intr-un nucleu greu (nu neaparat uraniu) patrunde un neutron lent; dupa ce isi distribuie enrgia la nucleonii nucleului tinta, care devine astfel excitat, neutronul este "asimilat" de catre acesta.
Pana aici procesul seamana cu oricare dintre reactiile ce decurg prin nucleu compus. Pentru ca el sa fie un proces de fisiune trebuie ca energia de excitatie sa fie egala cu energia de critica (de instabilitate) a picaturii. Cu alte cuvinte, daca nucleul este asimilat cu o picatura (pentru simplitate se ia cazul sferic) si neutronul are energia de excitatie Eex=Ecr , nucleul se va alungi si apoi se va scinda in doua picaturi ca in figura :
Teoria fisiunii a fost elaborata de catre N. Bohr si J.A. Wheeler. Ei au stabilit limitele de 230 si 250 pt numarul de masa, la care incepea fisiunea provocata respectiv spontana. S-a constatat ca cea mai redusa energie de excitatie (≈7 MeV) o prezinta izotopii uraniului, plutoniului si californiului. Daca particula incidenta este neutronul, atunci se deosebesc urmatoarele cazuri:
− izotopii U si U precum si Pu si Pu fisioneaza sub actiunea neutronilor lenti, deoarece energia de excitare este la acestia mai mica sau cel mult egala cu energia de legatura pe nucleon (≈7 MeV) si chiar sub actiunea neutronilor foarte lenti, daca Eex este cel mult de ordinul de marime al energiei de legatura a electronului.
izotopul U fisioneaza numai cu neutronii rapizi, deoarece energia de legatura pe nucleon este de 6,46MeV, in timp ce energia de excitare este de ≈7 MeV deci neutronul incident trebuie sa aiba o energie de cel putin 0,54MeV.
In consecinta, cele mai indicate elemente pentru fisiunea nucleara sunt U si U, celelalte elemente fisionabile negasindu-se in natura. Dintre cei doi izotopi naturali ai uraniului, U se gaseste in proportie mai mare (99,3%) decat U dar daca ne gandim ca ei sunt amestecati in substante uranifere si ca proportia de amestec de izotopi U + U este de 4 parti la 1 milion parti de minereu, precum si la faptul ca separarea lor este complicata si foarte costisitoare, problema nu este deloc simpla. Daca sunt separati U este mai avantajos, deoarece fisioneaza cu neutroni termici.
Produsele fisiunii (fragmentele de fisiune)
In urma fisiunii rezulta doua nuclee care foarte rar au mase egale - fisiunea simetrica are un randament de cel mult 0,1%. Pe langa aceste fragmente se elibereaza si un numar de neutroni mai mare decat cel initial.
Se observa ca procesul de fisiune, pe langa faptul in sine, deschide si doua serii radioactive, una care incepe cu teluriul sisfarseste cu izotopul stabil Ba si alta cu capul de serie un izotop al zirconiului si terminandu-se cu Mo.
In cazul de mai inainte fisiunea este nesimetrica, adica cele doua fragmente au mase foarte diferite. Dar aceasta nu este singura posibilitate de fisionare a U.
Vom folosi, curbele de distributie a fragmentelor de fisiune pentru principalele trei elemente folosite in mod curent in reactorii nucleari, in scopul de a releva care sunt randamentele reactiei de fisiune.
Asa cum se vede si in figura de mai sus, fisiunea este un proces insotit de o puternica radioactivitate.
Distributia fragmentelor
dupa numarul de masa
Neutronii prompti
Dupa cum le spune si numele, sunt eliberati direct in procesul de fisiune. Faptul ca apare un numar mai mare de neutroni decat au intrat in reactie se datoreste raportului dintre numarul de neutroni Nn si si numarul de protoni Np care, imediat dupa fisiune, este inca mai mare la fragmentele rezultate si numai treptat, prin dezintegrari B- succesive, devine mai mic, tinzand spre starea de stabilitate. Numarul mediu de neutroni prompti depinde de tipul nucleului fisionat, de fragmentele rezultate si, evident, de energia cinetica a neutronului incident.
|
| |||||
Neutronii intarziati
Apar atunci cand energia de excitatie a fragmentelor de fisiune este mai mica decat este necesar pentru a se putea emite un neutron. In acest caz, fragmentele se dezexciteaza mai intai prin emiterea de radiatii si abia dupa aceea se emit neutroni.
Ceea ce este extrem de important in procesul de fisiune se refera la energie.
S-a calculat exact energia degajata la un act de fisiune. Este vorba de diferenta dintre energia de legatura si energia fragmentelor. Dm=E/c2
Energia pentru 235U se distribuie pe :
Produsele de fisiune 166MeV
Radiatia g de fisiune 6MeV
Radiatia b 7MeV
Neutrini 11MeV
Radiatie g intarziata 6MeV
Neutroni 5MeV
In total 200MeV/act de fisiune , care se regasesc in energia cinetica a produselor de fisiune si a particulelor emise.
S-a calculat ca 1Kg de 235U degaja prin fisiune 5·1026MeV 1016J. Aceasta ar fi caldura eliberata prin arderea a circa 300000t de combustibil conventional (carbune).
Realizarea fisiunii controlate
Desi intre anul descoperirii fisiunii uraniului si anul 1954, cand s-a pus in functiune prima centrala nuclearo-electrica, nu este o distanta mare in timp, acestia au fost anii "densi" caci simpla constatare a fenomenului si cu atat mai mult de obtinereaenergiei electrice din energie degajata.
Prima idee care le-a venit in minte fizicienilor atunci cand au aflat ca in urma fisiunii rezulta un numar sporit de neutroni, a fost aceea a folosirii ulterioare a acestora pentru producerea altor acte de fisiune.
Neutronii eliberati, fiind in general foarte rapizi nu erau potriviti pentru fisiunea nuclear, calculele aratand ca sectiunea eficace a procesului este mare pentru neutronii termici ( 1000barni) si scade rapid cu cresterea energiei neutronilor.
Acesti neutroni pot iesi, pur si simplu, din materialul fisionabil sau, daca pierd energie prin ciocniri succesive, pot fi capturati de nucleele de impuritati (sau chiar de nucleele fisionabile)
Pentru producerea reactiei in lant trebuie indeplinite anumite conditii:
Neutronii de fisiune sa aiba energii corespunzatoare pentru a putea provoca noi fisiuni
In masa de material (combustibil nuclear) sa se gaseasca cat mai multe nuclee fisionabile; gradul de puritate al acestuia sa fie cat mai mare
Pe vremea cand cercetatorii se gandeau cum sa reabiliteze reactia in lant controlata se puneau probleme ca: de unde trebuie luat neutronul declansator si ce trebuie facut pentru ca neutronii rezultati apoi sa fie adusi la viteze utile?
Problema "celui dintai" neutron s-a rezolvat usor: nucleele de uraniu fisioneaza si spontan, iar daca nu se intampla aceasta, un neutron se poate gasi printre produsele de interactie ale radiatiei cosmice cu substanta. Ulterior s-au realizat si surse artificiale de neutroni.
Reactiile in lant sunt caracterizate printr-un coeficient de multiplicare K , egal cu raportul dintre numarul de neutroni dintr-o generatie si numarul de neutroni din generatia precedenta.
Sistemele realizabile se grupeaza in:
subcritice (reactia nu se poate autointretine; k < 1)
critice (reactia se autointretine; k = 1)
supracritice (reactia devine exploziva)
Reactorul Nuclear
Este o mare deosebire intre primul reactor nuclear realizat de E. Fermi, in 1942 si toate tipurile existente in prezent. "Pila" lui Fermi pare un biet "cuptor", pe langa sofisticatele instalatii existente astazi.
Reactorul se compune din:
zona activa
perete inconjurator
schimbatorul de caldura
aparatura de control
Zona activa
Este elementul fundamental al oricarui reactor nuclear. Aici se afla combustibilul nuclear si moderatorul fie sub forma unui amestec omogen, fie eterogen.
Ca in orice proces, se urmareste ca consumul de material fisionabil sa fie cat mai mic; pentru obtinerea conditiei de criticitate cu o masa de combustibil cat mai redusa, in afara de moderator se mai foloseste si o substanta reflectatoare de neutroni, cu care se inconjoara zona activa, reducandu-se astfel pierderile. Daca se alege si o geometrie convenabila, randamentul creste. Reflectorii, sunt de regula, compusi din aceleasi substante ca si moderatorii (apa - obisnuita sau grea, oxid de beriliu, grafit) din motive lesne de inteles (nu trebuie sa se absoarba neutronii). La reactorii cu neutroni rapizi procedeul difera.
Zona activa mai contine si o serie de materiale care fac parte din structura propriu-zisa a instalatiei cum ar fi tecile barelor cu material fisionabil si de control, cand exista; diferite conducte canale pentru iradieri .
Controlul procesului de fisiune
Este necesar pentru mentinerea conditiei de criticitate, se efectueaza cu ajutorul unor materiale absorbante de neutroni care sa nu se activeze prea intrens in urma proceselor din zona activasi nici sa nu se deteroreze prea repede (topire, corodare). In cazul reactorilor termici se folosesc cadmiul si borul. Aceste materiale sunt confectionate sub forma de bare si se folosesc pentru control (bare de control) sau in caz de avarie (bare de avarie).
Barele de avarie sunt actionate automatizat (deoarece atunci cand reactorul ajunge la nivel supracritic puterea creste vertiginos, ceea ce -daca nu se folosesc prompt barele de avarie- duce la distrugerea reactorului prin topirea moderatorului.
Timpuyl in care trebuie sa actioneze un sistem de control este foarte scurt, datorita vitezei mari de cresterea numarului de neutroni in regim supracritic. S-a calculat ca intr-o secunda numarul neutronilor creste de e10 ori. Barele de control pot fi actionate si manual deoarece nu prezinta un pericol pentru personalul respectiv. Rolul barelor de control este foarte important caci cu ajutorul lor reactorii pot fi trecuti in regim subcritic din regim critic si invers.
Schimbatorul de frecventa
Se compune din sistemul de racire si sistemul de transfer al caldurii spre exterior.
Prin sistemul de racire trebuie sa fie vehiculat sub presiune un agent de racire, care sa aiba capacitatea calorica mica, sa fie foarte fluid, sa aiba stabilitate termica, sa se activeze cat mai putin, sa nu absoarba neutroni (sau foarte putini) , sa nu corodeze instalatia etc. .
S-a ajuns la concluzia ca in cazul reactorilor de mica putere agentii de racire cei mai acceptabili sunt apa obisnuita si apa grea, care sunt cele mai des folosite.
La reactorii de putere sau cu neutroni rapizi se folosesc si metale lichide, gaze si substante lichide organice.
Atat sistemul de racire cat si schimbatorul de caldura sunt circuite inchise. Acest sistem de transfer de caldura are dezavantajul ca apar in mod inert pierderi de caldura.
Bibliografie: Natalia Fiuciuc
"In lumea Atomului"
Ed. Albatros, Bucuresti 1983
|
