Scurt Istoric

Henri Antoine Becqurel, savant fizician francez, s-a nascut in anul 1852, intr-o familie de fizicieni cunoscuti. Preocupat foarte mult de probleme de fizica, in special de problema fluorescentei, Becquerel a acordat un deosebit interes descoperirii de catre Roentgen a radiatiilor X, fapt care l-a condus in cele din urma la descoperirea fenomenului radioactivitatii. Importanta acestei descoperiri este relevata de cuvintele marelui savant Albert Einstein : "Fenomenul radioactivitatii este forta cea mai revolutionara a progresului tehnic, de la descoperirea focului de catre omul preistoric si pana astazi".

Descoperirea radioactivitatii

Becquerel, in timpul cercetarilor sale gaseste niste probe de mineral fluorescent(pehblenda) asezat pe placi fotografice, dar care nu fusesera expuse inca la soare. Din curiozitate , el cere ca acestea sa fie developate si descopera ca mineralul innegrise si de data aceasta placa fotografica. Deci , pehblenda emitea radiatii fara ca ea sa fie expusa la lumina soarelui. Repetand experienta, faptul s-a confirmat : pehblenda emitea in mod natural radiatii invizbile, care impresioneaza placa fotografica intocmai ca radiatiile X ; cercetarile ulterioare au arata insa ca ele erau de alta natura, provenind chiar din nucleele unor atomi ai minereului. Becquerel descoperise radioactivitatea. Aceasta descoperire, datorita unei intamplari s-a dovedit mai tarziu a avea o importanta covarsitoare, constituind punctul de plecare pentru o serie de cercetari teoretice si realizari practice care au dus la rezolvarea importantei probleme a eliberarii energiei enorme continute in nucleele atomilor.

Pehblenda fiind un material constituit dintr-un amestec complex de saruri, se punea problema separarii elementului radioactiv. Curand dupa descoperirea lui Becqurel, doi chimisti francezi, Marie si Pierre Curie, au meritul de a fi separat pentru prima data componentii determinanti ai radioactivitatii pehblendei. Studiind impreuna obtinerea de uraniu pur din minereuri, sotii Curie descopera doua noi elemente radioactive, si anume poloniul si radiul. Au urmat patru ani de munca intensa, in conditii improprii si daunatoare sanatatii lor, in urma carora, prelucrand tone de minereu au obtinut primul decigarm de radiu pur. In anul 1903 li s-a decernat sotilor Curie premiul Nobel pentru fzica.

Sotii Curie precum si fizicianul Ernest Rutheford si francezul Paul-Ulrich Willard au analizat mai profound natura acestor radiatii si au ajuns la rezultate foarte interesante, care au reprezentat un pas enorm in lupta pentru cunoasterea constitutiei atomului.

Marie si Pierre Curie sunt un exemplu de oameni de stiinta care cu abnegatie au pus toata stiinta si munca lor in slujba progresului omenirii. Perfect constient de pericolul ce l-ar fi reprezentat folosirea radioactivitatii in detrimentul comunitatii, Pierre Curie socotea cu optimism ca : "Noile descoperiri vor aduce omenirii mai mult bine decat rau", fiind ferm convins ca aceasta nu depinde decat de oameni si de modul in care vor fi utilizate toate aceste descoperiri.

Experienta facuta de Rutheford prin care obtinuse prima transmutatie artificiala a fost atat de senzationala incat multi fizicieni din toate tarile s-au preocupat de aceasta problema, folosind particulele alfa ca proiectile, cu care bombardau atomii diverselor elemente chimice. Urmarind mai departe aceste experiente, doi fizicieni francezi, Frederic Joliot-Curie si sotia sa Irene studiau efectul particulelor alfa emise de poloniul radioactiv asupra unor elemente chimice. Ei pastrau intr-un vas de aluminiu, sarea de poloniu pe care o foloseau. Se stie ca aluminiul retine cu usurinta particulele alfa, totusi au observat ca in afara vasului existau radiatii care influentau aparatele de masura pe care le foloseau. Analizand radiatiile acestea, sotii Joliot-Curie au constatat ca ele sunt compuse din neutroni si pozitroni(electroni pozitivi). In cazul in care din cutia de aluminiu se scotea sarea de poloniu, desi sursa de radiatii alfa, emisia de neutroni inceta, cutia de aluminiu emitea in continuare pozitroni. Studierea fenomenului a aratat ca prin bombardarea nucleului de aluminiu cu particule alfa, acesta absoarbe doi protoni si doi neutroni, un neutron fiind expulzat. Se formeaza un nucleu al carui element care are deci doi protoni si un neutron mai mult decat cel al aluminiului : un nucleu de fosfor cu masa 30 si sarcina 15. Energia acestui nucleu fiind prea mare, el este instabil si emite particule pozitive, trecand cu timpul in elementul siliciu radioactiv cu masa 30 si sarcina 14.

Dupa obtinerea de catre Joliot-Curie a primului element radioactiv artificial, siliciul 30, ceea ce a constituit descoperirea radioactivitatii artificiale, a urmat prepararea de catre diversi cercetatori a unei serii intregi de radioizotopi artificiali, astazi fiind cunoscuti radioizotopi aproape ai tuturor elementelor chimice.

O particularitate a nucleelor unor izotopi radioactivi artificiali o constituie un fenomen care a parut curios la inceput. In loc sa se observe o emisie gama la unele nuclee cu exces de energie, se observa o emisie de electroni insotita de o radiatie roentgen. Fenomenul a fost cercetat si explicat prin aceea ca, la unele nuclee mai grele ce se formeaza, energia excedentara, in loc sa fie emisa ca radiatii gama, este transmisa unui electron din primul strat, ce este proiectat in afara atomului. In urma acestui fapt, straturile de electroni se rearanjeaza, dand nastere radiatiei roengen. Fenomenul este cunoscut su denumirea de conversie interna.

Radioactivitatea naturala

Asa cum s-a aratat, procesul de dezintegrare radioactiva a fost pus in evidenta mai intai la elementele naturale radioactive.

Radioactivitatea naturala a fost definitiv stabilita la toate elementele care au Z>83. Acestea apartin unei serii de elemente radioactive care formeaza o familie radioactiva. Una dintre aceste serii este aceea a uraniului in care capul seriei este ²³⁸U.

O alta serie radioactiva naturala este aceea a toriului, care are capul sriei ²³⁸Th(1.39*10¹⁰ani) si este cunoscuta ca satisfacand o relatie de tip 4n. Produsul final satbil este ²⁰⁸Pb.

O a-3-a serie are ca element initial parinte ²³⁸U(7.1*10⁸ani)si, dupa o serie de transmutatii successive ca in cazurile precedente, se determina cu izotopul stabil al plumbului ²⁰⁷Pb. Aceasta serie satiface relatia 4n+3.

In cadrul celor trei serii radioactive exista asemanari interesante. Fiecare are cate un descendent, gazul radioactiv(emanatia) :radon, thoron,actinon. Descendentii gazosi radioactivi au permis stabilirea celorlalti membrii ai seriei.

O data cu perfectionarea mijloacelor de detectie a radiatiilor, s-au gasit si alte radioactivitati naturale, fara sa mai apara insa ultimele serii ca in cazurile anterioare.

In ultima alternativa, elementele radioactive naturale formeaza o singura transmutatie prin care izotopul radioactiv se dezactiveaza la un nucleu instabil.

Printre izotopii radioactivi ai elementelor care se gasesc in natura amintim :

⁴⁰K(0.012% ; 1.2*10⁹, beta ; CE)

Rb(27.8%; 6.2*10¹⁰ani; beta)

¹⁴⁷Sm(15.1%; 1.3*10¹¹ani;alfa)

¹¹⁵In(95.8%; 6.0*10¹⁴ani; beta)

¹⁹⁰Pt(0.012% ;10¹²ani; alfa)

In paranteza s-a notat abundenta in %(continutul de izotop in element al sau), timpul si emisia(captura electronica,K).

Numarul elementelor radioactive naturale este mult mai mare, insa descoperirea lor este lenta datorita aparaturii de detectie cu capacitati reduse.

Radioactivitatea artificiala

Pana in 1934 numai elementele radioactive naturale erau cunoscute, insa in anul 1934, Irene si Frederic Joliot au aratat ca aluminiul si magneziul pot deveni radioactive daca sunt bombardate cu particule alfa de la poloniu. Dupa aceasta descoperire, a radioactivitatii induse pe o cale artificiala, s-a pus problema utilizarii unor resurse de particule alfa mai energice tinand seama de bariera de potential a nucleelor. Astfel s-au construit acceleratoarele. Dupa descoperirea neutronului, s-a stabilit eficacitatea deosebita a acestuia(in special a neutronului lent) de a produce izotopi radioactivi, respectiv radioactiviatatea artificiala. Neutronul prezinta avantajul ca nu are sarcina, deci poate sa patrunda cu usurinta in nucleul tinta. O data cu folosirea surselor de neutroni ca particule bombardante, numarul izotopilor radioactivi obtinuti pe cale artificiala a crescut enorm(la 36)

Actualmente, radioactivaitatea artificiala, respectiv izotopii radioactivi sunt produsi prin bombardarea cu particule cu sarcina, obtinute cu ajutorul acceleratoarelor la energii convenabile, sau cu neutroni, de cele mai multe ori in reactorul nuclear. Acesta din urma este sursa principala de izotopi radioactivi. I ambele cazuri, izotopul radioactiv este produs printr-o reactie nucleara.

Radiatia artificiala este folosita in multe ramuri ale activitatii omenesti. De exemplu, in industrie este folosita pentru controlul proceselor si a calitatii produselor, iar in scop de studiu, este folosita in institute de cercetare si invatamant superior.

Dezintegrarea nucleelor

Dupa ce Becquerel face observatia ca sarurile de uraniu emit o radiatie invizibila care trece prin hartie, lemn, sticla etc., iar mai apoi innegreste hartia fotografica, urmeaza descoperirea radioactivitatii, sotii Curie observand o comportare similara la saruri ale toriului. Ei separa radiul din U₃O₈. Proprietatile radiatiilor emise sunt studiate de Rutheford, Curie, Bragg, iar mai tarziu, prin separari chimice, se stabileste si comportarea izotopilor rezultati. Astfel s-a ajuns la definitivarea unei teorii privind radioactivitatea unor izotopi ai uraniului si toriului, ai descendentilor acestora, care de asemenea sunt produse radioactive, adica emit si ele radiatii, fie ele de natura corpusculara(alfa, beta), fie de natura electromagnetica(gama). Totodata Soddy emite legea de deplasare prin care se prevede descendentul rezultat in urma emisiei unei radiatii nucleare.

Studiile respective au relevat ca radiatia emisa are ca origine nucleul atomului si ca in urma dezactivarii, nucleul isi schimba continutul energetic trecand de pe un nivel energetic superior pe altul inferior.

Ca o concluzie a celor enuntate se poate spune ca, prin dezintegrare, nucleul initila va trece in alt nucleu(adica emite radiatii corpusculare) sau daca trece in izometrul sau se va afla pe un nivel energetic inferior.

Procesul prin care se face aceasta dezactivare se numeste dezintegrare radioactiva, radioactivitatea fiind proprietatea unor nuclee de a emite radiatii nucleare.

Felul in care are loc acesta dezintegrare variaza de la un izotop la altul. Astfel s-a observat ca unii izotopi proaspat separati pe cale chimica se dezintegreaza foarte repede(²³⁴Pa), iar dupa cca. 10 minute nu se mai poate decela radioactivitate, in timp ce ²³⁸U, cu o viteza de dezintegrare mult mai mica, practic isi mentine greutatea.

Studierea fenomenului in sine a dus la concluzia ca procesul de dezintegrare se supune calculului probabilitatilor.

Fiecare nucleu are o viata a sa si deci o probabilitate de a se dezintegra. Aceasta probabilitate nu depinde de modul in care a aparut nucleul si nici nu poate fi influentata in prezent de orice mijloc s-ar folosi(presiune, temperatura, reactiv chimic etc). Singurul factor care-l influenteaza este timpul. Se poate astfel atribui o constanta de dezintegrare care indica numarul de nuclee dezintegrate in unitatea de timp.

Istoria consumului de energie

Unica sursa de energie care a alimentat civilizatia noastra pana in acest secol a fost energia solara , inmagazinata sub forma de energie chimica , prin procesul de fotosinteza , in surse regenerative (lemnul, apele , vintul) sau in combustibili fosili (carbune , petrol , gaze) a caror constanta de formare este de ordinul milioanelor de ani.

Am putea spune , fara sa gresim prea mult , ca , sub aspect energetic am fost "sclavii Soarelui" si nu este de mirare ca popoarele din antichitate au facut din Soare unul dintre principalii zei ai religiilor primitive . 

Una dintre problemele principale, de a carei solutionare depinde dezvoltarea civilizatiei noastre , problema care a revenit pe I plan al preocuparilor din ultimii ani , este asigurarea cu energia necesara dezvoltarii activitatilor de baza care conditioneaza evolutia progresiva a nivelului de trai al populatiei globului terestru. Cntitatea de energie consumata de omenire a crescut , din epoca primitiva pana acum , de 2,5 milioane de ori .Este evident ca o astfel de crestere , nu poate fi nu poate sa nu conduca la o problema a energiei necesare pentru dezvoltarea viitoare a omeniri .

Inceputul erei atomice

Dupa cum am spus pana nu demult am fost "sclavii soarelui" ,dar primul pas catre dezrobirea fost facut de fizicianul Becqerel pe 26 feb. 1898 cand acesta a lasat cateva placi fotografice ferite de lumina , in apropierea unui minereu de uraniu . developandu-le le descopera innegrite, ca si cand ar fi fost expuse la lumina De aici, el a tras concluzia ca minereul de uraniu emite radiatii necunoscute. De aceea fizicienii francezi Marie Curie si Pierre Curie si-au dedicat multi ani cercetarii radiatiilor radioactive . Impreuna, acesti 3 cercetatori au primit premiul Nobel pentru fizica in 1903. Identificarea si cercetarea acestor radiatii incepe sa-i pasioneze pe cercetatori.

Asa ca la inceputul secolului nostru Ruthefort si elevii lui , Chadwick, Cockfroft si Walton au investigat proprietatile nucleelor cu ajutorul unor particule accelerate artificial la energii cinetice mai mari decat cele ale radiatiilor, emise de substante radioactive. 

Fuziunea sta la baza obtinerii energiei nucleare. Acest proces consta in absorbirea unui neutron de catre un nucleu atomic de dimensiuni mari cum este cel de uraniu, care va deveni astfel instabil. El se va sparge in mai multe fragmente, cu degajare mare de energie termica, ceea ce accelareza puternic fragmentele rezultate, care ating viteze foarte mari. Datorita vitezei lor mari, aceste fragmente, in urma fisiunii pot patrunde, la randul lor in alti atomi, unde provoaca alte fisiuni.

Fisiunea nucleara

Fisiunea se face prin absortia unui neutron de un nucleu greu de uraniu 235, in urma reactiei rezultand cesiu 140, rubidiu 93, 3 neutroni si 200 MeV sau 7.7x10-12 calorii. In cadrul unei reactii de fisiune nucleara este eliberata o cantitate de energie de 10 milioane de ori mai mare decat in cazul unei reactii chimice obisnuite. Energia eliberata de cantitatea de 1 Kg de uraniu 235 este de 18.7 milioane Kwh de caldura. Neutronii eliberati in urma reactiei reactioneaza cu alte nuclee de uraniu, in urma reactiei neutronii inmultindu-se. In urma acestui proces se formeaza o reactie sustinuta sau o reactie in lant care duce la o eliberarea continua de energie.

In mod natural uraniul contine 0,71 % uraniu 235, restul fiind uraniu 238. O masa de uraniu natural, oricat de mare, nu poate sustine o reactie in lant din cauza faptului ca numai uraniul 235 froduce usor fisiunea. Probabilitatea ca un neutron cu o energie de aproximativ 1 MeV sa produca fisiune este scazuta, dar probabilitatea poate fi crescuta de sute de ori cand neutronul este incetinit printr-o serie de coliziuni elastice cu nuclee usoare ca hidrogen deuteriu sau carbon.

In decembrie 1942 fizicianul italian Enrico Fermi a reusit sa produca prima reactie nucleara in lant la Universitatea din Chicago. Acest lucru a fost reusit printr-o combinatie de uraniu natural si grafit natural, acesta avand rolul de a incetini neutronii.

Energia nucleara se poate obtine prin fuziunea a doi nuclei usori in unul mai greu. Energia data de stele si de soare provine din reactii nucleare de fuziune din interiorul lor. In prezenta unei presiuni enorme si a unei temperaturi de peste 15 milioane ° C ce este in stele, nucleul de hidrogen se combina ca in ecuatia de mai jos, dand nastere la majoritatea energiei degajata de soare.

Fuziunea Nucleara

Fuziunea nucleara a fost realizata pentru prima data prin anii 1930 prin bombardarea unei tinte conttinand deuteriu, izotopul hidrogenului cu masa 2, cu deuteroni intr-un ciclotron. Pentru a ccelera raza de deuteroni este necesara folosirea unei imense cantitati de energie, marea majoritate transformandu-se in caldura. Din aceasta cauza fuziunea nu este o cale eficienta de a produce energie. In anii 1950 prima demonstratie la scara larga a eliberarii unei cantitati mari de energie in urma fiziunii, necontrolata a fost facuta cu ajutorul armelor termonucleare in SUA, URSS, Marea Britanie si Franta. Aceasta experienta a fost foarte scurta si nu aputut fi folosita la producerea de energie electrica.

In cadrul fisiunii, neutronul, care nu are sarcina electrica poate interactiona usor cu nucleul, in cazul fuziunii, nucleele au amandoua sarcina pozitiva si in mod natural nu pot interactiona pentru ca se resping conform legii lui Coulomb, lucru care trebuie contacarat. Acest lucru se poate face cand temperatura gazului este suficient de mare 50-100 milioane ° C.

Intr-un gaz de hidrogen greu izotopii deuteriu si tritiu la asa temperaturi are loc fuziunea nucleara, eliberandu-se aproximativ 17,6 MeV pe element de fuziune.

Energia apare la inceput ca energie cinetica a lui heliu 4, dar este transformata repede in caldura. Daca densitatea de gaz este sufucienta, la aceste temperaturi trebuie sa fie de 10-5 atm, aproape vid, energia nucleului de heliu 4 poate fi transferata gazului de hidrogen, mentinandu-se temperatura inalta si realizandu-se o reactie in lant.

Problema de baza in atingerea fuziunii nucleare este caldura gazului si existenta unei cantitati suficiente de nuclee pentru un timp indelungat pentru a permite eliberarea unei energii suficiente pentru a incalzi gazul. O alta problema este captarea energiei si convertirea in energie electrica. La o temperatura de 100.000 ° C toti atomii de hidrogen sunt ionizati, gazul fiind compus din nuclee incarcate pozitiv si electroni liberi incarcati negativ, stare numita plasma.

Plasma calda pentru fuziune nu se poate obtine din materiale obisnuite. Plasma s-ar raci foarte repede, si peretii vasului ar fi distrusi de caldura. Dar plasma poate fi controlata cu ajotorul magnetiilor urmand liniile de camp magnetic stand departe de pereti.

In 1980 a fost realizat un astfel de dispozitiv, in timpul fuziunii temperatura fiind de 3 ori mai mare ca a soarelui.

O alta cale posibila de urmat este de a produce fiziune din deuteriu si tritiu pus intr-o sfera mica de sticla care sa fie bombardata din mai multe locuri cu ul laser pulsand sau cu raze ionice grele. Acest procedeu produce o implozie a sferei de sticla, paroducandu-se o reactie termonucleara care aprinde carburantul.

Progresul in fuziunea nucleara este promitator dar infaptuirea de sisteme practice de creare stabile de reactie de fuziune care sa produca mai multa energie decat consuma va mai lua ceva decenii pentru realizare. Activitatea de experimentare este scumpa. Totusi unele progrese sau obtinut in 1991 cand o cantitate importanta de energie (1,7 milioane W) a fost produsa cu ajutorul reactie de fuziune controlata in Laboratoarele JET din Finlanda. In 1993 cercetatorii de la Universitatea din Princeton au obtinut 5.6 milioane W. In ambele cazuri s-a consumat mai multa energie decat s-a creat.

Daca reactia de feziune devine practica ofera o serie de avantaje: o sursa de deuteriu aproape infinita din oceane, imposibilitatea de a produce accidente din cauza cantitatii mici de carburant, reziduriile nucleare sunt mai putin radioactive si 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).

Un reactor nuclear este alcatuit din:

- spatiul in care sunt asezate blocurile de uraniu (²³⁵₉₂U) si de moderatori (de obicei, grafit) A;

- reflectorul de neutroni care au parasit spatiul in care se desfasoar" reactia B;

- strat de protectie care protejeaza spatiul inconjurator de actiunea radiatiilor emise in timpul desfasurarii reactiei nucleare C;

- bare de cadmiu (Cd) sau bor (B) D si E care sunt introduse in volumul A si incetinesc reactia de fisiune nucleara. Introducerea barelor se face in mod automat, imediat ce puterea reactiei nucleare depaseste o anumita limita. Apa este folosita pentru racirea blocurilor de uraniu, iar aburul rezultat din fierberea apei pune in miscare turbina unui generator electric care produce energie electrica.

Aceasta ar fi un aspect al obtinerii energiei in reactoarele nucleare, dar cel mai trist aspect il constituie problema deseurilor nucleare radioactive si stocarea lor.

Intrebuintari ale energiei nucleare

In 1990 existau 435 de centrale nucleare operationale acoperind 1% din necesarul energetic mondial.

Intr-un reactor nuclear se obtine caldura prin dezintegrarea atomilor radioactivi de uraniu-235. Aceasta este folosita pentru a produce abur care pune in miscare rotorul turbinelor, generand electricitate.U-235 este un izotop relativ rar al uraniului, reprezentand doar 7% din cantitatea totala de uraniu disponibil.

Restul este izotopul U-238. Un izotop este o forma a unui element identica chimic cu alti izotopi, dar cu masa atomica diferita. La fel ca si combustibilii fosili, U-235 nu va dura o vesnicie. Exista un anumit tip de reactor, numit reactor de "crestere", care transforma U-238 intr-un alt element radioactiv, plutoniu-239. Pu-239 poate fi utilizat pentru a genera caldura. Pana acum doar sase tari au construit astfel de centrale experimentale. Dintre acestea, reactorul nuclear Phenix are cel mai mare succes. Daca acest tip de reactoarear deveni uzuale, rezervele mondiale de uraniu ar ajunge mii de ani.

Pro si contra energiei nucleare

Energia nucleara prezinta numeroase avantaje. Este economica: o tona de U-235 produce mai multaa energie decat 12 milioane de barili de petrol. Eate curata in timpul folosirii si nu polueaza atmosfera. Din pacate exista si cateva dezavantaje. Centralele nucleare sunt foarte scumpe. Produc deseuri radioactive care trebuie sa fie depozitate sute de ani inainte de a deveni inofensive. Un accident nuclear, ca cel produs in1986 la centrala nucleara de la Cernobal, in Ucraina, poate polua zone intinse si poate produce imbolnavirea sau chiar moartea a sute de persoane.

Cercetarile se indreapa catre descoperirea de noi surse inepuizabile de energie. Unele dintre ele sunt deja utilizate.

Energia eoliana (a vantului) afost folosita de sute de ani la propulsia corabiilor si la actionarea morilor de vant. Turbinele eoliene moderne au fost construite sa poata genera electricitate. Doar in california se gasesc 15000 de asemenea turbine. Oamenii de stiinta din SUA au calculat ca intreaga cantitate de energie ar putea fi generata de vant. Energia solara este data de caldura soarelui. Captatoarele solare sub forma unor panouri pot acoperi necesarul energetic al unei case. Celulele de combustie, realizate din siliciu, sunt utilizate pentru producerea energiei in spatiul cosmic.

Bomba atomica

In anul 1945, principiul fisiunii nucleare a fost folosit si la un dispozitiv de o cu totul alta natura: bomba atomica. In acest caz, reactia de fisiune nu este incetinita; ea se amplifica si are loc cu degajare uriasa de energie. Potentialul acestei arme a fost constientizat atunci cand pe data de 6 august 1945, a fost lansata asupra Hiroshimei bomba atomica supranumita si "Little boy". O gigantica sfera de foc a inceput sa se raspandeasca din punctul initial al exploziei. Intr-o clipa au fost ucisi 66 000 de oameni, iar alti 69 000 au fost raniti. Pe o zona cu o raza de un kilometru de la locul exploziei, distrugerea a fost totala, Tot ce putea arde pe o raza de mai putin de 2 kilometri, a ars. Suflul exploziei a facut pagube majore si la 3 kilometri de locul exploziei.

Trei zile mai tarziu, pe 9 august 1945, deasupra orajului japonez Nagasaki a fost detonata o bomba cu plutoniu, supranumita "Fat guy). 39 000 de oameni au fost ucisi, iar alti 25 000 raniti. De atunci nu s-a mai folosit niciodata o bomba atomica inpotriva oamenilor.

Vreme de decenii, radiatiile ionizate au constituit doar o curiozitate de laborator, cunoscuta numai catorva initiati. Descoperirea radioactivitatii artificiale si apoi aceea a fisiunii uraniuli, in deceniul al patrulea al acestui secol, au dat un puternic imbold cercetarilor de fizica nucleara. Pentru marele public, energia nucleara a iesit insa din anonimat abia dupa aruncarea celor doua bombe atomice in 1945 asupra Japoniei.

Constuirea reactorilor nucleari si posibilitatea de a utiliza aceste instalatii pentru a produce energie electrica in cantitate mare, au transferat apoi problema cercetarii radiatiilor, si odata cu aceasta si problema protectie contra radiatiilor, in plin domeniu industria si economic.

Cresterea necontenita a numarului de reactori nucleari si a puterii acestora necesita aplicarea unor masuri de securitate pentru a evita eventualele accidente si consecintele lor ca de exemplu cel de la Windscale, Anglia in octombrie 1957 cand au fost eliminate in mod accidental in atmosfera importante substante radioactive care au produs contaminarea solului, a productiei agricole si a apei potabile din intreaga regiune.

Prin poluare, sau contaminare, radioactiva, se intelege prezenta nedorita sau accidentala, a materialelor radioactive, in interiorul sau la suprafata unor factori de mediu (cum sunt apa, aerul, alimentele) sau in organisme vii situatie in care se depaseste continutul radioactiv natural propriu al produsului respectiv.

Una din principalele surse de poluare radioactiva a globului pamantesc isi avea provenienta in exploziile nucleare din atmosfera.

Daca la 16 iulie 1945 in desertul Alamogordo, statul New Mexico a avut loc prima explozie experimentala a unei bombe atomice lucrurile nu s-au oprit aici si la 6 august 1945 ora 8:15 la Hiroshima in Japonia explodeaza prima bomba aruncata asupra populatiei, ca masura militara de distrugere, pentru ca in 9 august 1945 sa explodeze cea de-a doua bomba atomica la Nagasaki. In urma acestor doua explozii bilantul a fost:

In 1956 existau in evidenta spitalelor 6000 de bolnavi la Hiroshima si 3000 de bolnavi la Nagasaki cu sechele dupa iradiere, care necesitau diferite tratamente, la momentul actual in lume existand aproximativ 300000 de persoane ca victime ale exploziilor nucleare.

La 22 ianuarie 1954 marinarii vasului "Fukuriumarii no.5" au sesizat un fenomen neobisnuit, globul de foc al exploziei termonucleare de pe atolul Bikini. Drept urmare toti membrii echipajului si pestele prins au fost afectati de cenusa radioactiva atat la suprafata cat si in interiorul organismului.

Alta urmare a acestei explozii a fost caderea ploilor radiactive in luna mai a aceluiasi an, radioactivitatea mentinandu-se la un nivel masurabil pana in septembrie1954.

Imediat dupa 1954 L. Pauling a demonstrat ca izotopul C¹⁴ apare in mod artificial cu o frecventa crescanda, depunandu-se pe sol. Tot el a atras atentia asupra prezentei izotopului Sr⁹⁰ in depunerile atmosferice de pe teritoriul S.U.A.

Poluarea radioactiva a atras atentia pentru prima oara in mod deosebit in anul 1965 la Salt Lake City in Statele Unite ale Americii, cand noua adolescenti au fost internati in spital datorita unor noduli anormali ai glandei tiroide. Anchetarea cazurilor a condus la constatarea ca acesti copii, cu 15 ani in urma (1950), au suferit consecintele unor depuneri atmosferice radioactive provenite de la poligonul din Nevada, aceste depuneri continand izotopul I-131.

Studii recente au aratat ca datorita tuturor cauzelor de poluare radioactiva, doza de radiatii pe cap de locuitor a crescut in ultimii 20 de ani de 5 pana la 10 ori.

Iradierea indelungata, chiar cu doze mici, poate produce leucopenii, la malformatii congenitale, pe cand iradierea cu doze mari duce la accentuarea leucopeniei, la eriteme, la hemoragii interne, caderea parului, sterilitatea completa iar in cazurile extreme produce moartea.

Printre principalele surse de poluare radioactiva se numara:

a)              Utilizarea practica in industrie, medicina, cercetare a diferitelor surse de radiatii nucleare, care, ca materiale radioactive, se pot raspandi necontrolate in mediu

b)             Exploatari miniere radioactive, la extragere, prelucrare primara, transport si depozitare, pot contamina aerul, prin gaze si aerosoli, precum si apa prin procesul de spalare

c)              Metalurgia uraniului sau a altor metale radioactive si fabricarea combustibilului nuclear, care prin prelucrari mecanice, fizice, chimice, poate cuprinde in cadrul procesului tehnologic si produsi reziduali gazosi, lichizi sau soliziS stocarea, transportul eventual evacuarea lor pot determina contaminarea mediului

d)             Instalatiile de rafinare si de retratare a combustibilului nuclear

e)      Reactorii nucleari experimentali sau de cercetare, in care se pot produce industrial noi materiale radioactive

f)               Centralele nuclearoelectrice care polueaza mai putin in cursul exploatarii lor corecte, dar mult mai accentuat in cazul unui accident nuclear

g)              Exploziile nucleare experimentale, efectuate indeosebi in aer sau in apa si subteran, pot contamina vecinatatea poligonului cat si intregul glob, prin depunerea prafului si aerosolilor radioactivi, generati de catre ciuperca exploziei

h)     Accidentele in transportul aerian, maritim, feroviar sau rutier a celor mai felurite materiale radioactive.

Principalele elemente ce contribuie la poluarea radioactiva sunt clasificate si dupa gradul de radioactivitate dupa cum urmeaza:

a)      Grupa de radiotoxicitate foarte mare: ⁹⁰Sr, ²²⁶Ra, ²¹⁰Po, ²³⁹Pu

b)     Grupa de radiotoxicitate mare: ⁴⁵Ca, ⁸⁹Sr, ¹⁴⁰Ba, ¹³¹I, U natural

c)     Grupa de radiotoxicitate medie: ²⁴Na, ³²P, ⁶⁰Co, ⁸²Br, ²⁰⁴ Tl, ²²Na, ⁴²K, ⁵⁵Fe

d)     Grupa de radiotoxicitate mica: ³H, ¹⁴C, ⁵¹Cr, ²⁰¹Tl

Dublarea necesitatilor de energie electrica, la fiecare 12-13 ani, a facut sa creasca brusc interesul pentru reactorii nucleari, impunand dezvoltarea centralelor nuclearoelectrice, crestere competitivitatii energiei electrice de origine nucleara si ridicarea continua a performantelor atinse de reactorii acestor centrale, ca temperatura si presiunea agentului transportor de caldura, a puterii instalate pe unitatea de masa a zonei active a reactorului. Insa fara masuri de radioprotectie corespunzatoare, reactorii nucleari pot produce si:

a)             contaminarea partiala a mediului ambiant si anume

a atmosferei, prin produsele de fisiune volatile ca ¹³¹I, ¹³³Xe

a apei folosita ca agent de racire

a solului din vecinatatea care se contamineaza cu produse de fisiune

b) o mare cantitate de deseuri radioactive, a caror evacuare pune probleme grele

pentru a evita contaminarea mediului in care se face evacuarea.

Aceasta sursa de energie - energia nucleara - a fost adusa la cunostinta omenirii prin forta distructiva si va fi multa vreme privita cu teama si suspiciune, intampinand destule obstacole in drumul dezvoltarii ei in scopuri pasnice. De aceea se impune familiarizarea maselor largi cu probleme nucleare, intrucat aplicatiile pasnice ale energiei nucleare se dovedesc esentiale pentru progresele si evolutia societatii umane.

Efectele biologice ale radiatiilor - radioprotectia

"Fara radiatii nu am fi fost si nu am putea fi, dar cu prea multe radiatii nu putem trai"

Activitatea vitala a tuturor sistemelor organizate biologic si in special a omului, se desfasoara intr-un univers supus actiunii unei multiple si variate game de radiatii, de la cele sesizabile direct cu simturile noastre, pana la cele sesizabile doar prin intermediul unei aparaturi, uneori foarte complicate.

Mediul inconjurator contine surse naturale de radiatii, existente de miliarde de ani pe planeta Pamant inca de la formarea acestuia, insotind aparitia si evolutia vietuitoarelor, inclusiv a omului. Prin activitatea sa economica si sociala de-a lungul timpului, omul a modificat si modifica sursele naturale de radiatii, creand astfel o radioactivitate naturala suplimentara.

Radiatiile sunt de origine si natura foarte variate, clasificandu-le astfel:

u radiatii electromagnetice, X sau g de inalta frecventa, avand aceiasi natura ca lumina

v radiatii corpusculare incarcate electric: a b, ioni accelerati

w radiatii corpusculare neutre electric: neutroni.

Radiatiile nucleare pot actiona asupra organismului in trei moduri: actiune directa, actiune indirecta si actiune la distanta.

Prin actiune directa sunt lezate macromoleculele de mare importanta, chiar vitala (proteine, acizi nucleici) care sufera transformari datorita ionizarii sau excitarii directe.

Actiunea indirecta este datorata elementelor care apar in urma proceselor radiochimice. Mediul principal in care se desfasoara procesele biologice fiind apa, efectele apar datorita ionizarii acesteia (apar ioni sau radicali) care actioneaza ca agenti oxidanti si reducatori asupra unor componente esentiale celulare, perturband functionarea normala a acestora.

Efectele biologice care apar in urma iradierii, sunt dependente de: doza de radiatii si debitul dozei. Efectele biologice ale radiatiilor pot fi grupate astfel:

N Efecte somatice - care apar la nivelul celulelor somatice si actioneaza asupra fiziologiei individului expus, provocand distrugeri care duc fie la moartea rapida, fie la reducerea semnificativa a sperantei medii de viata.  Leziunile somatice apar in timpul vietii individului iradiat si pot fi imediate sau tardive - efectele somatice imediate sau pe termen scurt, se manifesta la cateva zile , saptamani sau luni de la iradiere. Aceste efecte sunt de regula nestochastice (nealeatorii) adica se produc la toti indivizii expusi la o doza superioara dozei de prag. Efectele somatice tardive sunt cele care apar dupa o perioada mai lunga de timp, de ordinul anilor, numita perioada de latenta si se manifesta in special sub forma de leucemie sau cancer. Aceste efecte sunt de natura stochastica (intamplatoare) in sensul ca este imposibil de evidentiat o relatie cauzala directa - probabilitatea producerii unui efect este proportionala cu doza de iradiere.

N Efecte genetice - care apar in celulele germinale sexuale din testicule sau ovare - aceste mutatii letale sau subletale la descendenti se datoreaza unor efecte imediate ale radiatiilor cum ar fi: alterarea cromozomilor (translocatii, aparitia de extrafragmente) ruperea unor segmente de cromatina, alterarea chimica a codului genetic, fie prin actiunea radicalilor liberi asupra bazelor azotate ale acizilor nucleici, fie prin ruperea lantului acelorasi acizi. Gravitatea efectelor mutagene apare prin transmiterea la descendenti a unor translocatii cromozomiale, efect biologic, care apare si la doze mai mici.

Dozele de radiatii care pot produce aparitia unui minim de mutatii intr-o generatie de indivizi, intr-un ecosistem, daca sunt mentinute in permanenta pot conduce la adevarate catastrofe ecologice in generatiile urmatoare.

Dozimetrie si radioprotectie

Dozimetria - reprezinta totalitatea metodelor de determinare cantitativa a dozelor de radiatii in regiunile in care exista sau se presupune ca exista un camp de radiatii, cu scopul de a lua masuri adecvate pentru protectia personalului ce isi desfasoara activitatea in acea zona.

Radioprotectia = totalitatea metodelor si mijloacelor de reducere a efectelor nocive ale radiatiilor. Sursele de iradiere pot fi: surse externe - aflate in afara organismului si surse interne - aflate in interiorul organismului.

Ø Protectia impotriva efectelor nocive ale radiatiilor, produse de sursele externe, poare fi:

protectie fizica - realizata prin mijloace de reducere a dozei de expunere, ca: distanta, ecranarea, timpul de expunere;

protectie chimica - prin folosirea unor substante chimice (cistamina, gamofos, etc.), care se administreaza inainte sau dupa iradierea persoanei;

protectie biochimica - realizata prin folosirea unor preparate sau macromolecule biologice (sange, plasma, etc.) care administrate imediat dupa iradiere, ajuta la refacerea celulara;

protectie biologica - se realizeaza prin transplantul de celule viabile in maduva (hematoformatoare).

Ø Reducerea gradului de contaminare radioactiva se poate realiza prin: decontaminare - indepartarea izotopilor radioactivi din tubul digestiv (cu alginat de sodiu, fosfat de aluminiu, etc.) si din arborele traheobronsic (prin spalari cu ser fiziologic; decorporare - eliminarea izotopilor radioactivi fixati in diferite organe (cu sare de Zn sau Ca a acidului dietilen - triamino - pentaacetic); dilutie izotopica - administrarea iodurii de potasiu impotriva Iodului - 131, consumarea unor cantitati mari de apa pentru reducerea fixarii tritiului in organism, etc.

Masurile de radioprotectie, pot fi grupate in:

J masuri preventive;

J masuri de supraveghere;

J masuri de limitare si lichidare.

Efectul nociv al radiatiilor asupra materiei vii este datorat proprietatii de a ioniza mediul prin care trec, ionizarea fiind modul dominant de pierdere a energiei de catre radiatii cand traverseaza mediul material. Materia vie este caracterizata prin existenta unor molecule deosebit de mari ale caror proprietati si functionalitate biochimica pot fi ireversibil perturbate. Astfel, un act de ionizare, de trecere a unui electron pe un alt nivel in acest ansamblu, sau de smulgere a lui, provoaca mari schimbari in caracteristicile moleculei respective, schimbari care acumulate la nivelul celulei se pot traduce prin grave dereglari ale metabolismului, culminand cu moartea celulei sau cu erori de structura si functionare a aparatului genetic celular, de tip cancerigen sau mutagen.

Marimi si unitati legate de efectul biologic al radiatiilor

Doza de iradiere - este cantitatea de energie cedata unitatii de masa D = dW/dm;

< D >_SI = 1Grey = 1Gy = 1J/kg; < D >_tot = 1rad (rad-ul) = 10^-2J/kg; (rad = Radiation Absorbed Doze = doza de radiatii absorbita) ; 1 rad = 10^-2Gy

Expunerea (dQ/dm) - sarcina electrica totala a ionilor de un semn produsa in urma iradierii in unitatea de masa. Unitatea de masura este röntgen-ul R

Echivalentul de doza H = Q.D, unde Q este factorul de calitate al radiatiei

< H >_SI 1Sv (Sievert); < H >_tot 1Rem; (rem = Röntgen Equivalent Man = röntgenu echivalent pentru om); 1 rem = 10^-2Sv

Marimile dozimetrice mentionate se refera la un timp de expunere oarecare. Daca se raporteaza efectul la unitatea de timp se definesc:

Debitul dozei  d = dS/dt;  < d >_SI = J/kg.s

Debitul echivalentului de doza h = dH/dt < h >_SI = 1Sv/s

Doza permisa pentru o persoana in functie de varsta, se calculeaza cu formula:

D_max = 5(N - 18)rem, unde N - numarul de ani ai persoanei.

Metodele de protectie contra radiatiilor se impart in:

© Metode active - cand sursa radioactiva este inconjurata cu ecrane absorbante, care reduc mult intensitatea radiatiilor emergente, deci asigura securitatea celor ce se afla la limita exterioara a ecranelor.

Metode pasive - cand se iau masuri de genul:

V persoanelor li se fixeaza durate limitate de lucru in spatiul respectiv

V li se dau alimente, medicamente antidot, mijloace de protectie individuala, etc.

Din cercetari medicale rezulta ca:

Q doza minima de iradiere globala a intregului organism este sub 20 Rem

Q intre 75 - 150 Rem apare boala actinica, cu riscul cazurilor mortale la doza superioara

Q peste 700rem au efect letal.

Datorita efectului cumulativ al iradierii, normele prevad ca o persoana care la o singura iradiere a acumulat toata doza permisa, sa zicem intr-un an, nu mai are voie sa suporte alta iradiere in acel an. Iradierea accidentala cumulata maxima admisa este de 25Rem. Datorita efectelor genetice, pentru femeile gravide, dozele admise sunt mai mici fata d cele aratate mai sus. Deoarece nu toate partile organismului sunt la fel de rezistente la iradiere, s-au stabilit doze maxime pentru diferite organe si parti ale organismului, precum si cazul in care radiatia nu atinge intregul organism, ci doar portiuni din el.

pentru organe izolate, exceptand cristalinul si gonadele, doza este de 15Rem/an

pentru oase, tiroida, pielea intregului organism, cu exceptia extremitatilor, doza este de 30Rem/an

pentru maini, antebrate, picioare si glezne doza este de 75Rem/an.

Sunt cazuri cand unele elemente radioactive pot ajunge sa fie integrate de oameni prin apa de baut sau alimente, sau inhalate odata cu aerul. Elementul radioactiv poate intra in circuitul metabolic si in aceste cazuri insasi sursa radioactiva se afla in organism si singura protectie posibila este folosirea de substante care elimina si insolubilizeaza elementul respectiv. Poate aparea situatia ca un element radioactiv, cu toate ca este cantitativ sub limita admisa pentru intregul organism, concentratia sa intr-un anume organ sa fie suficient de ridicata pentru ca doza de radiatie permisa pentru organul respectiv sa fie depasita. Astfel de organe care concentreaza preferential un anume element se numesc organe critice, ca de exemplu: glanda tiroida pentru iod, sau sistemul osos pentru strontiu, care este omolog clinic pentru calciu. Pentru a exclude astfel de cazuri, normele de protectie admit concentratia limita ale acestor substante in apa si aer.

In tabelul de mai jos, redam expunerea normala a omului la radiatii nucleare, astfel incat sa va puteti calcula fiecare doza naturala:

In functie de valoarea dozei biologice a radiatiilor, apar efectele:

Se stie de mai multi ani ca doze mari de radiatii ionizante, mult mai mari decat radiatiile de fundal pot cauza cancer si leucemie la mai multi ani de la expunere. Se presupune, datorita experimentelor pe plante si animale, ca radiatiile ionizante pot provoca mutatii genetice care afecteaza generatiile descendente, cu toate ca nu exista dovezi in legatura cu radiatii care provoaca mutatii la om. La nivele foarte mari de radiatii, ele pot provoca stari de disconfort si moartea la saptamani de la expunere.

Nivelul efectelor cauzate de radiatii depind de mai multi factori: doza, frecventa dozarii, tipul radiatiei, organul expus, varsta si sanatatea. De exemplu, embrionul uman este deosebit de sensibil la radiatii.

Dar care sunt sansele de aparitie al cancerului de la doze mici de iradiere? "Teoria" cu cea mai larga raspandire este ca orice doza de iradiere cat de mica presupune riscuri asupra sanatatii omului. Cu toate acestea, nu exista dovezi stiintifice in legatura cu riscul dozelor sub 50 mSv pe o durata scurta de aproximativ 100 mSv pe an, cercetarile arata ca efectele benefice sunt la fel de posibile ca si cele adverse.

Doze mari, acumulate de radiatii pot produce cancer, care ar fi observat peste cativa (pana la 20) ani de la expunere. Acest decalaj face imposibil de precizat cu certitudine care din multimea de posibili agenti au cauzat cancerul respectiv. In tarile occidentale aproximativ un sfert din populatie moare datorita cancerului, avand fumatul, factorii dietetici, genetici si puternica expunere la lumina solara ca principale cauze. Radiatiile sunt un factor cancerigen slab, dar la expuneri indelungate cu siguranta cresc riscurile asupra sanatatii.

Organismul are mecanisme de aparare impotriva pagubelor produse de radiatii, la fel si impotriva altor factori cancerigeni. Acestia pot fi stimulati prin expuneri la doze mici de radiatii sau dimpotriva la doze foarte mari.

Pe de alta parte, doze mari de radiatii directionate spre o tumoare sunt folosite in terapii de iradiere impotriva celulelor canceroase si prin urmare, deseori se salveaza vieti omenesti. Adesea se foloseste impreuna cu chimioterapia si operatia. Doze mult mai mari sunt folosite pentru inlaturarea bacteriilor daunatoare din mancaruri, pentru sterilizarea pansamentelor si a altor echipamente medicale.

Zeci de mii de oameni din tarile dezvoltate lucreaza in medii in care pot fi expusi la doze mari de radiatii (mai mari decat nivelul radiatiilor de fundal). Prin urmare ei poarta ecusoane care monitorizeaza nivelul radiatiilor la care sunt expusi. Fisele medicale ale acestor categorii de angajati arata ca ei au o rata mai mica de mortalitate datorita cancerului sau altor cauze decat restul populatiei si in unele cazuri, rate mai mici decat angajatii care lucreaza in medii similare fara a fi expusi la radiatii. Ce cantitate de radiatii ionizante prezinta pericol?

10.000 mSv (10 Sv) pe durata scurta asupra intregului corp ar cauza stari de voma si scaderea brusca a celu-lelor albe din sange si moartea in cateva saptamani; intre 2 si 10 Sv pe durata scurta ar cauza boli de iradiere cu posibilitatea crescuta ca doza ar putea fi fatala;

1.000 mSv (1 Sv) pe o durata scurta este chiar deasupra limitei de a cauza boli de iradiere imediate la o persoana cu un fizic mediu, dar cu siguranta nu ar provoca moartea; daca o doza mai mare de 1.000 mSv actioneaza o perioada mai lunga de timp, nu exista posibilitatea unor probleme medicale imediate, dar creeaza cu certitudine posibilitatea aparitiei cancerului in anii care vor urma;

peste 100 mSv probabilitatea aparitiei cancerului (in contrast cu severitatea bolilor de iradiere) creste direct proportional cu doza;

50 mSv este limita minima la care exista dovezi ca produce cancer la adulti, este de asemenea cea mai mare doza permisa prin lege intr-un an de expunere la locul de munca;

20 mSv/an timp de 5 ani reprezinta limita angajatilor la radiologie, industria nucleara, extractia uraniului;

10 mSv/an reprezinta doza maxima la care este supus un miner din minele de uraniu din Australia;

3 mSv/an este doza tipica (mai mare decat cea de fundal) naturala la care este expusa populatia in America de Nord, inclusiv o medie de 2 mSv/an datorita radonului din aer;

2 mSv/an reprezinta radiatia de fundal din surse naturale. Aceasta este aproape de doza minima la care este expus orice om, oriunde pe planeta

0,3-0,6 mSv/an este intervalul tipic al dozelor de la surse artificiale, cum ar fi cele medicale;

0,05 mSv/an este o fractiune mica a radiatiei de fundal care este tinta pentru nivelul maxim de radiatie la gardul unei centrale nucleare (doza reala este mult mai mica).

EUROPA