Fisiunea nucleară în lanţ

1. Fisiunea nucleară în lanţ Geniul 1-a fãcut pe Einstein creatorul teoriei relativitãţii şi în egalã mãsurã gînditorul care a intuit geneza energiei nucleare. În 1905, el publicã în revista “Annalen der Physik” o notã de numai douã pagini şi jumã­tate în care formuleazã o întrebare fundamentalã: “ este inerţia unni corp dependentã de conţinutul sãu de energie?” . Rãspunsul dat de Eins­tein era pozitiv: “Masa unui corp este o mãsurã a conţinutului sãu de energie. Dacã energia se modificã, atunci şi masa se va modifica în rnod corespunzãtor”. Matematic, aceastã idee a fost transpusã în celebra formulã: E = m*c2 care aratã cã energia E conţinutã de un corp este egalã cu masa lui m înmul­ţitã cu pãtratul vitezei luminii (c = 300 000 km/s). Einstein însuşi a calculat cã o variaţie de masã de un gram poate conduce la eliberarea unei şenergii uriaşe de 9 * 10 J. Posibilitatea verificãrii experimentale a venit o datã cu descope­rirea fisiunii nucleare. Prin natura sa, aceastã reacţie implicã o variaţie de masã suficient de sensibilã pentru a testa teoria lui Einstein.

2. 2.1RISCUL NUCLEAR ŞI ACCEPTAREA LUI SOCIALĂ Aşa cum a fost cu maşina cu abur, cu dezvoltarea automobilului, cu trenul,, cu avionul şi multe altele, aşa e acum cu energia nuclearã, mai ales dupã catastrofele nucleare de la Hiroshima şi Nagasaki, şi respectiv dupã accidentele nucleare de la Three Mile Island şi Cernobîl. Este riscul nuclear compatibil cu. celelalte riscuri tehnologiee accep­tate de societate, sau nu? Aceasta este întrebarea pe care şi-o pun oa­menii din tot mai multe ţãri la ora actualã şi la care specialiştii rãspund prin realizarea unor sisteme tot mai eficiente de securitate nuclearã şi prin dezvoltarea unei adevãrate filozofii a prevenirii şi limitãrii riscului nuclear. Primul studiu cuprinzãtor al securitãţii reactorilor nucleari, respec­tiv al evaluãrii riscului nuclear al exploatãrii acestor instalaţii energetice extrem de complexe, a fost întreprins de un colectiv larg de specialişti americani, sub îndrumarea profesorului N. Rassmussen de la Massa­chussetts Institute of Technology. Obiectivul principal al acestui studiu a fost acela de a face o esti­mare realistã a riscului nuclear generat de reactorii PWR şi BWR şi de a compara acest risc cu alte riscuri de origine nenuclearã, la care este expusã societatea de astãzi. Informaţiile obţinute astfel pot fi de folos în argumentarea încrederii pe care societatea o poate avea în CNE. Rezultatele acestui studiu sugereazã cã riscul accidentelor nucleare potenţiale pentru public este relativ mic. Respectiv: a) probabilitatea de producere a accidentelor la o CNE este mult mai micã decît în cazul multor altor accidente de origine nenuclearã avînd consecinţe compa­rabile; b) consecinţele posibile ale accidentelor potenţiale la o CNE nu de­pãşesc, în general, consecinţele accidentelor nenucleare, iar în multe cazuri sînt cu mult mai mici decît ele. O ilustrare graficã a aces­tor concluzii este prezentatã în fig. 1.1, unde se comparã riscul accidente­lor nucleare considerate pentru 100 de reactori nucleari, cu riscul altor sisteme tehnologice sau evenimente naturale la care societatea noastrã este expusã.

4. Statisticile vin însã în sprijinul energeticii nucleare. Toate aceidentele produse pînã acum în CNE sînt comparabile cu accidentele produse de celelalte activitãţi umane, pe care societatea le-a asimilat. Percepţia riscului este însã diferitã. De exemplu, este mai impresionant un accident mare, care conduce la 100 de decese, decît 100 de acci­dente mici, fiecare cu un singur deces, deşi rezultatul global este acelaşi. ~n aceste condiţii se impune gãsirea unei baze comune de înţelegere şi evaluare a securitãţii tehnologice a diferitelor activitãţi umane şi a ris­cului pe care îl aduc ele. O întrebare de genul “a fi sau a nu fi” referitoare la energetica nuclearã este deja depãşitã. Energetica nuclearã existã şi societatea noastrã va trebui sã înveţe sã coexiste cu ea, dar în condiţii de securitate din ce în ce mai bune. Aşa cum spunea Marie Curie “în viaţã nu este nimic de temut, ci numai de înţeles”.

5. 2.2 FISIUNEA NUCLEARĂ Hahn şi Strassmann descoperã fenomenul de fisiune nuclearã. Bombardat cu neutroni, nucleul de uraniu se desface în douã nuclee mai mici, fenomen similar ca formã diviziunii celulare. Reacţia de fisiune nu­clearã se poate declanşa spontan, sau poate fi in­dusã în anumite nuclee şi respectiv anumite condiţii energetice.

6. A . Fisiunea spontanã Nucleul fisioneazã spon­tan, fãrã vreo cauzã apa­rentã de naturã externã. Este o reacţie rar întîlnitã şi posibilã numai pentru nuclee cu masã atomicã în jur de 232 u. Probabilita­tea acestei reacţii creşte o­datã cu numărul atomic de masã. Se crede cã, nu­mãrul de elemente grele este finit tocmai datoritã instabilitãţii lor virtuale faţã de dezintegrarea prin fisiune spontanã. Tim­pul de înjumãtãţire pentru U-235 este de 1,2*1017 ani, iar pentru U-238 de 5,5*1015 ani; viteza de dezintegrare are valorile de 0,3*10-3 şi respec­tiv 6,9*10-3atomi/g*s. Deşi fisiunea spontanã nu constituie o componentã energeticã semnificativã în zona activã a reactorului nuclear, ea nu poate fi total ignoratã deoarece reprezintã o sursã necontrolabilã de neutroni în reactor.

7. B.Fisiunea indusã. Reacţia poate fi indusã prin captura unui neutron; subliniem faptul cã numai anumite nuclee pot fisiona totuşi. Energia neu­tronilor capturaţi poate fi cuprinsã între l0 MeV şi valorile corespunzã­toare energiei termice. Aceasta din urmã este energia unui neutron liber, aflat în echilibru termic cu atomii şi moleculele mediului înconjurãtor. Neutronii care au astfel de energii se numesc neutroni termici. La 20°C energia termicã are valoarea de 0,025 eV. Nuclizii care fisioneazã cu neutronii rapizi, respectiv neutroni cu energii mai mari de 1,2 MeV se numesc fisionabili. Cei care fisioneazã preponderent cu neutroni termici se numesc f isili. Dintre aceştia, se folosesc în ingineria nuclearã numai izotopii uraniului U-233, U-235 şi cei ai plutoniului Pu-239, Pu-241. Izotopul U-238 deşi este fisionabil cu neu­troni rapizi, nu este fisil.

8. Pentru funcţionarea reactorului nuclear el pre­zintã însã o proprietate deosebitã: prin capturarea unui neutron se poate transforma progresiv în Pu-239, care este un element fisil. Schema de principiu a acestui proces este de forma: Datoritã acestei proprietãţi, izotopul U-238 se numeşte f ertil. Printr-un proces similar, izotopul fertil Th-232 se transfarmã în izotopul fisil U-233:

9. Elementul intermediar în acest caz este protactiniu. Ca rezultat al fisiunii se formeazã douã noi nuclee, numite fragmente de fisiune. Deşi sîntem tentaţi sã credem cã fisiunea nucleului iniţial se face în douã fragmente identice, în rea­litate ele sînt diferite. Se cunosc aproa­pe 300 de nuclizi care sînt posibile fragmente de fisiune. Frecvenţa de apariţie a lor depinde de o serie de factori ,dintre care cel mai important este ni­velul energetic al neutronului incident. În fig. 2 se prezinta frecvenţa de apariţie a fragmentelor de fisiune pentru diferite numere atomice de masã, exprimatã în %. În literatura de de specialitate, astfel de curbe se nu­mesc “curbe de randament” a procesului de fisiune . Se poate observa cã ambele frag­mente de fisiune pot fi destul de mari, comparabile chiar cu nucleul iniţial. O probabilitate mare de apariţie o au fragmentele de fisiune cu masa atomicã în zona 70-160; valoarea maximã se înregistreazã pentru masele de 95 şi 137. Fisiunea simetricã (fragmente egale) este puţin probabilã. Cercetãrile au arãtat cã fragmentele de fisiune sînt radioactive. Acea­sta deoarece ele pãstreazã practic acelaşi raport nucleonic N/Z ca şi nu­cleul iniţial, fapt ce le face instabile datoritã numãrului relativ mare de neutroni pe care îl conţin. Reducerea valorii raportului N/Z, pentru fie­care din fragmentele produse, se face prin dezintegrãri radioactive succe­sive, de tipul ( sau ). Un exemplu tipic este considerat în schema de mai jos, unde s-au considerat ca fragmente de fisiune şi :

10. Nucleele de La-139 şi Mo-95 sînt stabile. Toate elementele acestui lanţ de dezintegrãri radioactive se numesc generic produse de fisiune. Timpul lor de înjumãtãţire variazã între valori de microsecunde şi valori de mii de ani. Fragmentele de fisiune sînt produse în stare energeticã excitatã, fapt pentru care emit instantaneu doi sau trei neutroni şi radiaţii . Îi vom denumi neutroni prompţi şi fotoni prompţi.

11. Din numãrul total al neutronilor de fisiune, peste 99% sînt neutroni prompţi, eliberaţi într-o fracţiune de 10-14 s. Ceilalţi neutroni (sub 1%) sînt întîrziaţi. Ei provin din dezintegrarea radioactivã a produselor de fisiune, care se numesc din acest motiv precursori ai neutronilor întîrziaţi. Se cunosc apraximativ 20 de precursori, împãrţiţi în 6 grupe în funcţie de timpul lor de înjumãtãţire. Deşi procentul de neutroni întîrziaţi este foarte mic (0,65 % la U-235 şi 0,21% la Pu-239), prezenţa lor în reactorul nuclear are o importanţã vitalã în comportarea lui dinamicã. Energia eliberatã la fisiunea unui nucleu este de aproximativ 202 MeV. Valoarea exactã a ei depinde de nucleul fisil şi de fragmentele de fisiune rezultate.

12. Reacţia de fisiune nuclearã în lanţ La fisiunea termicã a U-235 se elibereazã un numãr de neutroni va­riind între 0 şi 5 Numãrul mediu de neutroni emişi de fi­siune este v=2,432. Dacã dintre aceşti neutroni, existã cel puţin unul care sã inducã o altã reacţie de fisiune nuclearã se vor elibera alţi neutroni, care la rîndul lor pot continua producerea reacţiilor de fisiune. Se obţine astfel, într-un interval de timp dat şi într-un mediu care conţine nuclee fisile, o reacţie de fisiune în lanţ. Aceasta constituie procesul energetic fundamental dezvoltat într-un reactor . Ne amintim cã prin fisiunea unui singur nucleu se elibereazã aproximativ 200 MeV. Fisi­onarea integralã a 1 g de izotop U-235 într-un reactor nuclear produce o energie echivalentã cu funcţionarea reactorului la puterea de 1 MW, timp de o zi (24 ore). Într-adevãr, o energie fantasticã, dacã ne gîndim cã pentru producerea ei într-o centralã termoelectricã clasicã sînt necesare aproxi­mativ 2570 kg de cãrbune. În realitate, o reacţie de fisiune nuclearã în lanţ nu se poate dezvolta şi autoîntreţine într-o cantitate de material fisil de 1 g. Aceasta datoritã volumului foarte mic pe care acest material îl ocupã şi deci scurgerilor foarte mari de neutroni în afara lui. De asemenea, nu toţi neutronii ab­sorbiţi produc fisiuni, unii dintre ei se pierd prin fenomenul capturii ra­dioactive (n, ).

13. Cantitatea minimã de material capabilã de a asigura o reacţie de fi­siune nuclearã în lanţ autoîntreţinutã se numeşte masã critică. Valoarea acesteia pentru un reactor nuclear depinde de caracteristicile nucleare ale combustibilului folosit, de dimensiunile geometrice şi forma reactoru­lui, precum şi de alţi factori care influenţeazã balanţa neutronilor. De exemplu, masa criticã U-235 poate varia între aproximativ 1 kg, pentru un sistem omogen constînd dintr-un amestec de apã şi uraniu conţinînd 90% izotop fisil, şi aproximativ 200 kg material fisil prezent în peste 30 tone de uraniu natural implementat într-o matrice de grafit. Uraniul natural singur, conţinînd aproximativ 0,72% U-235 nu poate susţine niciodatã o reacţie de fisiune în lanţ, oricît de mare ar fi masa acestuia, datoritã pro­porţiei mari de neutroni absorbiţi în mod parazit în U-238. Variaţia densitãţii de neutroni într-un reactor nuclear este datã de ecuaţia:

14. Pentru realizarea unei reacţii de fisiune nuclearã în lanţ caracteri­ţtã printr-o densitate constantã de neutroni, este necesar ca: Reducerea scãpãrilor de neutroni se face odatã cu creşterea dimen­siunilor reactorului nuclear. La limitã, cînd reactorul are un volum infi­nit, scãpãrile de neutroni sînt nule. Susţinerea reacţiei de fisiune nuclearã în lanţ este condiţionatã în acest caz numai de raportul dintre absorbţiile parazite de neutroni şi cele utile (care conduc la noi fisiuni). Cantitativ, aceasta se poate exprima cu ajutorul f actorului (coef icientului) de mul­tiplicare k, definit astfel:

15. Pentru o reacţie de fisiune în lant staţionarã, densitatea neutronilor n(t) este constantã, k =1 şi ansamblul nuclear este critic. Pentru o reacţie de fisiune în lanţ divergentã, densitatea neutronilor n (t) creşte, k > 1 şi ansamblul nuclear este supracritic. Altfel, reacţia este convergentã, n(t) scade, k <1 şi ansamblul este subcritic (fig. 3). Pentru a putea funcţiona, un reactor nuclear trebuie sã ajungã într-o stare criticã. Pentru k>>1 recţia în lanţ se desfşoară exploziv. Valorile lui k depind de următorii factori:ă ·0 - probabilitatea ca un neutron rapid sa producă fisiunea nucleului (factor de fisiune rapidă) ·- probabilitatea de a se evita captura de rezonanţă a neutronului cu energia de ~7 eV de către ·f - probabilitatea fisionării nucleelor de sub acţiunea neutronilor termici (factor de utilizare termic) ·- numărul mediu de neutroni rapizi produşi într-un act elementar de fisiune Pentru un material fisionabil din uraniu natural, de dimensiuni infinite k=f*p*0* < 1 adică reacţia de fisiune nu se va autoîntreţine.

16. Dacă însă se foloseşte un moderator, iar zona activă este de dimensiuni geometrice finite, atunci pentru o dimensiune critica se determină condiţia: kcritic= h*P unde, P este probabilitatea ca un neutron să nu depaşească zona activă a reactorului.

17. Bibliografie:referate.roreferate.clopotel.ro Costina Alina Clasa a XII-C