Energetica nucleară

 Energia electrică se produce la scară industrială în instalaţii numite centrale electrice. În funcţie de tipul de energie transformată în energie electrică, cele mai importante pot fi:

      µ termocentrale – în care se transformă energie termică, rezultată prin arderea  

          combustibililor;

      µ hidrocentrale – în care se transformă energia potenţială a apei;

      µ nuclearo-electrice – în care se transformă energia rezultată din reacţiile

          nucleare.

Centrala nucleară (CN)

ENERGIE ELECTRICĂ

ENERGIE NUCLEARĂ

                                                 C N

Energia necesară în aceste centrale se obţine în urma reacţiilor nucleare.

Reacţii nucleare – sunt transformările suferite de nucleele atomilor unor substanţe,când sunt bombardate cu particule a, b şi neutroni.

a) dacă energia de reacţie Q < 0, avem reacţii endoenergetice, care se petrec numai cu absorbţia unei părţi din energia cinetică a particulelor incidente.

b) dacă energia de reacţie Q > 0, avem reacţii exoenergetice , în care se eliberează energie nucleară sub formă de energie cinetică, se mai numesc şi reacţii exoterme, deoarece se eliberează energie şi sub formă de căldură.

Într-o reacţie nucleară numărul de nucleoni care intră în reacţie, este egal cu numărul de nucleoni rezultaţi din reacţie.

Exemple: bombardarea nucleului de azot cu o particulă a:

            ¹⁴₇N + ⁴₂a ® ¹⁷₈O + ¹₁H  unde ¹₁H º ¹₁p, deci rezultă un izotop al oxigenului şi un proton, iar reacţia se numeşte transmutaţie nucleară.

⁷₃Li + ¹₁p ® 2 ⁴₂a + Q unde Q » 836.10⁹J;    ⁹₄Be + ⁴₂a ® ¹²₆C + ¹₀n, ¹₀n este un neutron care se transmută.

            Fisiunea nucleară 

În 1934 Enrico Fermi a studiat reacţii pe nuclee grele, la bombardarea acestora cu neutroni, observând că la bombardarea uraniului apar mulţi produşi derivaţi emiţători b^- radioactivi. În experienţele lor Joliot Curie şi Savitch, stimulaţi de Fermi au găsit printre produşii derivaţi un element  b^- activ, pe care l-au luat drept un izotop al radiului.

Otto Hahn şi Strassman au încercat să identifice acest izotop , găsind spre surprinderea lor că activitatea b^- trebuie să aparţină unui nizotop de bariu şi nu se lăsa identificat ca radiu. În publicaţia lor (ianuarie 1939) Hahn şi Strassman trăgeau de aici concluzia , că la bombardarea cu neutroni lenţi nucleul de uraniu se scinda în două fragmente, aproximativ egale ca mărime, eliberându-se în acest proces căldură şi neutroni.

                                               Z/2

              ¹₀n                                                                                        ¹₀n

                                                ®             ®                                       ¹₀n

                                                                                                           ¹₀n

                                              Z/2                                       

                                                                                                      Q >>>

Exemple:             ¹₀n + ²³⁵₉₂U ® ¹⁴⁵₅₆Ba + ⁸⁸₃₆Kr + 3 ¹₀n

                            ¹₀n + ²³⁵₉₂U ® ¹⁴⁰₅₄Xe + ⁹⁴₃₆Sr + 2 ¹₀n

            Fisiunea – este scindarea unui nucleu greu în două nuclee medii.

Explicaţia se poate face cu ajutorul modelului picătură al nucleului – un neutron lent (termic) captat de un nucleu greu, comunică nucleonilor acestuia energia lui de legătură şi energia lui cinetică (vezi figura) şi ca urmare creşte agitaţia termică a nucleonilor, nucleul începe să vibreze, se alungeşte învingând forţele de tensiune superficială, până când forţele de respingere electrostatică dintre nucleoni , îl rup în două părţi.

            Energia din starea de excitare a nucleului care este supus fisiunii se numeşte energie critică; de exemplu ²³⁵₉₂U are W_c = 6,5MeV; ²³⁸₉₂U are W_c = 7MeV. Sunt mai uşor fisionabile nucleele cu un număr de masă impar (²³⁵₉₂U, ²³⁹Pu) cu neutroni lenţi şi ²³⁸₉₂U cu neutroni rapizi.

            Fisiunea nucleară eliberează o însemnată cantitate de energie, care se poate calcula prin diferenţa de masă, fiind de aproximativ 200MeV; deci 1kg ²³⁵₉₂U produce prin fisiune 8.10¹³J, energie care este echivalentă cu arderea a 2500tone de huilă. Neutronii rezultaţi în urma proceselor de fisiune nucleară, dispun de o energie cinetică mare, ei putând îndeplini rolul de particule proiectil, dacă întâlnesc în drumul lor alte nuclee  fisionabile.

            Reacţia în lanţ

            În fisiunea nucleelor de uraniu s-a găsit o reacţie care este declanşată de un neutron şi care la rândul ei eliberează 1-3 neutroni; prin aceasta procesul furnizează proiectile noi şi există posibilitatea ca procesul de fisiune să fie menţinut, fără alimentare cu neutroni din exterior, sub forma unei reacţii continue până la epuizarea completă a materialului fisionabil, deci avem o reacţie în lanţ; lucru care se poate întâmpla la nuclee de ²³⁵₉₂U, ²³³₉₂U, ²³⁹₉₂U unde neutronii expulzaţi provoacă la rândul lor fisiunea altor nuclee. Uraniul natural este format dintr-un amestec de trei izotopi ²³⁵₉₂U(0,714%), ²³⁸₉₂U (99,28%) şi ²³⁴₉₂U(0,00548%, dar la reacţia în lanţ participă exclusiv ²³⁵₉₂U, dar nu toţi neutronii rezultaţi în urma fisiunii pot produce alte fisiuni, o parte dintre ei fiind captaţi de nuclee impuritate, alţii de nuclee de ²³⁸₉₂U, iar altă parte ies din volumul de uraniu.

           

       ¹₀n                                           ¹₀n  ®                                             ¹₀n ®                      ...

 

Pentru a întreţine  reacţia în lanţ, în medie cel puţi unul din neutronii rezultaţi dintr-un nucleu, trebuie să producă o nouă fisiune. La o compoziţie a materialului fisionabil această condiţie este cel puţin egală cu o valoare, numită masă critică.

Când mai mult de unul din neutronii expulzaţi dintr-un nucleu produc noi fisiuni, numărul fisiunilor în unitatea de timp creşte în progresie geometrică şi are loc explozia nucleară.

Dacă numai un singur neutron dintr-un nucleu produce o nouă fisiune, numărul fisiunilor din unitatea de timp rămâne constant şi atunci avem reacţie în lanţ controlată.

            Energia eliberată în urma fisiunii nucleare este de 200MeV, iar la fisiunea tuturor nucleelor dintr-un kg de uraniu, eliberează energia de 4,7.10²⁶MeV = 7,5.10¹³J, deci de 3.10¹⁶ori mai eficace decât huila.

            Fuziunea nucleară

            La fisiune se câştigă energie, deoarece fragmentele nucleare posedă energie de legătură medie per nucleon mai mare decât a nucleului de uraniu şi rezultă ideea că energia eliberată la unirea constituienţilor nucleari  într-un nucleu s-ar putea valorifica.

            Fuziunea nucleară este reacţia nucleară de sinteză a unui nucleu greu, mai satbil, din nuclee mai uşoare.

            Dacă energia de legătură a unui nucleon a nucleelor iniţiale este mai mică decât a

Nucleului final, diferenţa va fi eliberată în cadrul reacţiei; acest lucru este valabil pentru nucleele uşoare: ¹₁H, ²₁D, ³₁T, ³₂He, ⁷₃Li, deoarece din variaţia energiei de legătură per nucleon, în funcţie de numărul de masă A, se constată a fi, ca până la aproximativ A = 6;

DW₁/A – crescător continuu şi care variază mult mai rapid în zona elementelor uşoare, decât în zona elementelor grele şi deci energia degajată în procesul de fisiune va fi mult mai mare decât cea din reacţiile de fisiune (ex: 0,85MeV/nucleon la fisiune şi 4,95MeV/nucleon la fuziune)

            Pentru exemplificare dăm câteva reacţii de sinteză (fuziune) a unor nuclee uşoare şi energia eliberată:

            ¹₁H + ³₁H ® ⁴₂He + 19,8MeV                                  ³₁H + ²₁H ® ⁴₂He + ¹₀n + 17,6MeV

            ²₁H + ²₁H ® ³₁H + ¹₁p + 4,02MeV                           ²₁H + ²₁H ® ³₂He + ¹₀n + 3,25MeV

                                                ³₁H + ²₁H ® ⁴₂He + ¹₁p + 18,3MeV

Pentru a avea loc reacţia de fisiune, nucleele uşoare trebuie să se apropie la o distanţă mai mică de 10^-15m, distanţă la care apar puternic forţele de respingere coulombiană, deci nucleele care se unesc trebuie să aibă o energie cinetică iniţială mare, care se poate obţine prin creşterea temperaturii la valori mari T » 5.10⁹K, de aceea aceste reacţii se mai numesc şi reacţii termonucleare.

            Reactoare nucleare

            Reactorul nuclear este un sistem în care se autoîntreţine reacţia în lanţ, iar energia eliberată la fisiunea nucleelor poate fi folosită în mod controlat.

Primul reactor nuclear a fost construit de Enrico Fermi în anul 1942, în oraşul Chicago, iar Kurceatov în 1946 în fosta URSS.

În clasificarea reactoarelor nucleare avem mai multe criterii:

a)     după energia neutronilor, care produc majoritatea reacţiilor de fisiune, avem reactoare cu: ¨neutroni lenţi şi cu ¨neutroni rapizi;

b)     după structura zonei active, avem reactoare: · omogene (în care combustibilul nuclear este amestecat cu moderatorul, care este apa, apa grea, grafitul); · heterogene (în care combustibilul nuclear este separat de moderator; apare sub formă de bare, iar combustibilul este distribuit în masa moderatorului, formând o reţea geometrică regulată.

c)      după concentraţia nucleelor ²³⁵₉₂U, avem reactoare: ¯} cu uraniu slab îmbogăţit (concentraţie c = 1 – 2%); } uraniu cu îmbogăţire medie (c = 5 – 10%); } cu uraniu puternic îmbogăţit (c > 50%).

d)     după moderatorul folosit, avem reactoare cu: m apă obişnuită; m apă grea; m beriliu; m grafit; m unii compuşi organici.

e)     după puterea reactoarelor, aceştia pot fi: a de putere zero (de la 1w la 1kw); a de putere medie (1 – 50kw); a de putere mare (> 100kw).

Centrale nucleare

Centralele nucleare sunt centralele în care se produce energie electrică pe baza energiei nucleare, obţinute din reacţii nucleare.

c Combustibilul nuclear – substanţa fisionabilă formată din bare de uraniu îmbogăţit

²³⁵₉₂U sau izotopi artificiali ca ²³⁹₉₄Pu, ²³³₉₂U obţinuţi în reactoare, ca produse secundare prin captarea de neutroni¹₀n de către ²³⁸₉₂U şi ²³²₉₁Th; uraniu îmbogăţit fisionează mai uşor dar este mai scump decât uraniul natural.

     c Moderatorul – este substanţa în care neutronii ¹₀n sunt încetiniţi, prin ciocnirile

succesive dintre ei şi nucleele moderatorului; neutronii încetiniţi (lenţi sau termici), produc mai uşor fisiunea nucleelor ²³⁵₉₂U şi sunt captaţi mai greu de ²³⁸₉₂U. Au rol de control al reacţiei de fisiune. Cei mai folosiţi moderatori sunt: apa, apa grea, grafitul, beriliu, dar apa grea este cel mai bun moderator, ea absoarbe foarte puţin neutronii, dar produce o încetinire mare a acestora. Reacţia în lanţ este o reacţie exoenergetică, rezultând o cantitate mare de căldură, care este preluată de agentul de răcire.

c Agentul / fluidul de răcire – care circulă prin reactor şi transportă în exterior energia termică degajată în urma reacţiei de fisiune. Ca fluid de răcire se folosesc: apa, apa grea, metalele lichide, CO₂, etc.

c Barele de control şi barele de securitate – sunt substanţe care absorb neutronii şi sunt sub formă de bare de bor sau cadmiu.

c Cuva reactorului – confecţionată din oţel sau fontă pentru a absorbi radiaţiile emise, iar partea exterioară a reactorului este un zid gros de beton, asigurându-se o bună protecţie contra radiaţiilor apărute.

            România a fost a 11-a ţară din lume, care a instalat în anul 1957 un reactor nuclear cu uraniu îmbogăţit (4,5kg) cu 10% ²³⁵₉₂U sub formă de 16 bare, iar ca moderator, reflectător şi agent de răcire se folosea apa distilată. Acest reactor producea izotopii necesari pentru industrie, materialul fisionabil şi servea la efectuarea de cercetări ştiinţifice în Fizica neutronilor, Fizica solidului şi studiul fenomenelor referitoare la tehnica reactoarelor nucleare.

            Centrala Nucleară Electrică de la Cernavodă – având o putere de 700Mw, fiind prevăzută cu cinci reactoare de tip CANDU (Canadian Deuterium Uranium), cu moderator apa grea (produsă la ROMAG – Drobeta Turnu Severin) şi combustibil uraniu natural.  Primul reactor a fost dat în folosinţă în anul 1996, furnizând 10%din energia electrică a României, iar al doilea reactor este în construcţie.

            În condiţiile normale de funcţionare, prin folosirea unei proiectări şi tehnologii moderne, cât şi datorită existenţei a cinci bariere de protecţie, reactoarele CANDU sunt considerate printre cele mai sigure şi mai puţin poluante din lume, având un impact minim asupra mediului înconjurător. Deşeurile radioactive vor fi ţinute timp de 10 ani în bazine special amenajate în incinta centralei în vederea scăderii radioactivităţii şi a temperaturii, după care vor fi stocate timp de 50 ani într-un depozit intermediar şi apoi transferate într-un depozit definitiv. Pentru alegerea locului de depozitare definitivă se efectuează încă studii geologice privind structura solului şi seismicitatea.

            Bibliografie:

1.      Ioan Ursu – Fizică Atomică

2.      Manualele de Fizică – clasa a VIII-a, aflate în vigoare