FISIUNEA NUCLEARA

Fisiunea nucleara este un tip special de reactie nucleara in care un nucleu se scindeaza in doua fragmente de dimensiuni comparabile. Totodata se pun in libertate si cativa neutroni, deoarece raportul dintre numarul neutronilor si cel al protonilor din nucleu se micsoreaza o data cu scaderea numarului atomic.

In anul 1939, O.Hahn si F. Strassmann au descoperit fenomenul de fisiune a nucleului de uraniu, prin bombardarea acestuia cu neutroni, punand in evidenta, pe cale chimica, existenta fragmentelor d nuclee semnalata in 1938 de catre Irene Joliot-Curie. Tot in anul 1939, L. Meitner si O. Frisch au explicat rezultatele obtinute de O. Hahn si F. Strassmann, emitand ipoteza fisiunii nucleelor de uraniu. E. Fermi si J. Curie au descoperit ca odata cu fragmentele de fisiune apar si neutroni, fenomen care face posibila realizarea reactiei de fisiune nucleara in lant. E. Fermi a realizat in anul 1942 in S.U.A., prima instalatie a unui reactor nuclear, in care procesul de fisiune s-a dezvoltat prin autointretinere.

In 1945 sunt lansate, la sfarsitul celui d al doilea razboi mondial, doua bombe nucleare deasupra Japoniei: in prima, explozia a fost datorata reactiei in lant in uraniu-235, cealalta in plutoniu 239.

In 1954 in U.R.S.S. este data in exploatare prima centrala atomoelectrica cu puterea de 5000 KW.

In prezent, in multe tari o cantitate importanta de energie electrica este obtinuta pe baza reactoarelor nucleare.

Mecanismul reactiei de fisiune nucleara a fost explicat de Bohr Wheeler si Frenkel pe baza modelului picatura al nucleului.

In urma captarii neutronului, energia de legatura a acestuia in nucleu se distribuie pe toti nucleonii. Nucleul incepe sa oscileze tinand sa se deformeze, luand pe rand formele: sfera, elipsoid, elipsoid alungit, elipsoid strangulat, sfera (fig.6.3.).

Aria suprafetei se modifica luand valori maxime pentru formele

In nucleul compus se manifesta doua tendinte care se opun: fortele de tensiune superficiala care au tendinta sa pastreze forma sferica a nucleului si fortele Coulomb de respingere intre protoni, care au tendinta sa mareasca deformatia acestuia.

Daca gradul de excitare al nucleului compus este suficient de mare, actiunea fortelor Coulomb este predominanta fata de aceea a fortelor de tensiune superficiala si deformarea creste pana la strangulare aproape completa. Pentru aceasta forma tensiunea superficiala nu mai este suficient de puternica ca sa refaca sfericitatea nucleului si fortele Coulomb maresc separarea dintre cele doua parti terminale ale nucleului pana ce acesta se rupe in doua parti distincte, numite fragmente de fisiune.

Utilizand expresia energiei de legatura a unui nucleu se retin numai termenii ce determina fortele de respingere coulombiana si fortele de tensiune superficiala:

(6.25)

fisiunea nucleara este energetic posibila daca . Din conditia in (6.25) se obtine , numindu-se parametrul de fisiune.

Daca , fisionarea este favorabila energetic. Daca , fisiunea nucleara se poate produce numai daca particula proiectil are o energie cinetica suficient de mare pentru a transfera nucleului energia necesara indeplinirii conditiei .

Un nucleu se poate considera ca este stabil daca energia sa potentiala de repaus este minima. Daca forma initiala, sferica a nucleului se modifica, devenind, de exemplu, elipsoidala, nucleul avand sub aceasta forma energia potentiala U, el va fi stabil daca , indiferent de valoarea lui U. Daca , nucleul revine la forma initiala. Daca , distanta dintre nucleoni creste, deoarece fortele de atractie nucleara scad mai repede cu distanta decat cele de respingere coulombiana, deformarea va atinge la un moment dat o valoare critica, de la care revenirea la forma sferica nu mai este posibila si nucleul se va scinda in doua. Variatia energiei potentiale este data de relatia:

                (6.26)

unde este excentricitatea elipsei ce genereaza elipsoidul. Conditia conduce la criteriul fisiunii spontane: . Deci nucleele pentru care parametrul de fisiune , pot fisiona spontan. Fisiunea nucleelor pentru care este posibila daca particula proiectil transfera nucleului o energie suplimentara, numita energie de activare.

PRODUSII DE FISIUNE

In urma unei fisiuni nucleare se pot obtine atat produsi si radiatii prompte (fragmente nucleare, radiatii , particule ) cat si produsi si radiatii intarziate (neutroni, radiatii si emise la dezintegrarea fragmentelor de fisiune).

Fragmentele de fisiune pot fi foarte diferite, constand din izotopi cu . Numarul de masa al fragmentelor de fisiune este cuprins intre 72 si 158.

Fragmentele de fisiune sunt radioactive, deoarece nucleele acestor fragmente se afla in stari puternic excitate, in cele mai multe cazuri se transforma in nuclee stabile prin dezintegrari. De exemplu, in cazul fisiunii , o posibilitate este urmatoarea:

(6.27)

nucleele rezultate in urma fisiunii au un surplus de aproximativ 30% de neutroni fata de configuratia caracteristica nucleelor usoare. In consecinta, fragmentele de fisiune vor emite neutroni care se grupeaza in doua categorii: neutroni prompti emisi intr-un interval de timp de din momentul fisiunii si reprezinta 99% din neutronii emisi in general. Energia acestora este cuprinsa intre1 si 2 MeV.

Fragmentele de fisiune au o viteza initiala de . Ca urmare a unor astfel de viteze mari, fragmentele “pierd” din electronii paturilor atomice devenind puternic ionizate, interactionand puternic cu substanta si avand un parcurs extrem de mic.

Emisia care se produce intr-un interval de s dupa sciziune se numeste emisie prompta, iar cea care are originea in dezexcitarea nuclizilor obtinuti prin fisiune in timpul dezintegrarilor se numeste emisie intarziata.

ENERGIA REZULTATA IN PROCESUL

DE FISIUNE NUCLEARA

Purtatorii de energie ai reactiei de fisiune nucleara sunt fragmentele de fisiune, radiatiile prompte si intarziate, radiatiile , neutronii si neutrinii. Aceasta energie este initial de tip cinetic, pentru ca ulterior datorita interactiunii cu mediul, un procent insemnat sa se transforme in energie calorica. Cantitatea de energie eliberata in procesul de fisiune se poate calcula astfel:

1. Se evalueaza defectul de masa , caruia ii corespunde o energie . La fisionarea nucleelor de se obtine .

2. Cunoscand energia de legatura pe nucleon a nucleului tinta si pentru nucleele rezultate din fisiune, se poate calcula energia degajata.

Calculand in acest mod energia degajata, tot la fisiunea nucleului de cu si pentru nuclizii si , rezulta aceeasi valoare .

REACTIA NUCLEARA DE FISIUNE IN LANT

Obtinerea energiei nucleare necesita autointretinerea in lant a reactiei de fisiune. Conditiile de realizare a reactiei in lant se exprima prin coeficientul de multiplicare k, definit prin raportul:

Daca reactia in lant nu poate avea loc (sistem subcritic), pentru reactia in lant se mentine cu un numar constant de neutroni (sistem critic, cazul reactorilor nucleari), iar pentru numarul neutronilor si deci a actelor de fisiune creste continuu, ceea ce conduce la explozia nucleara (sistem supracritic).

Coeficientul de multiplicare k depinde de natura izotopului, iar pentru un izotop dat de masa substantei fisionabile, de forma geometrica si volumul acesteia. Din momentul emisiei unui neutron prompt si pana la ciocnirea acestuia cu un nou nucleu, acesta parcurge distante de ordinul centimetrilor. Daca volumul substantei fisionabile este mic, neutronul poate parasi volumul respectiv. Ciocnirile de acest gen vor fi cu atat mai mici cu cat este mai mica aria suprafetei ce limiteaza volumul ocupat de substanta fisionabila. Odata cu cresterea cantitatii de material fisionabil creste si coeficientul de multiplicare k.

Cantitatea minima de material fisionabil care, in conditii constructive date, poate asigura realizarea reactiei nucleare de fisiune in lant, la nivel constant, se numeste masa critica.

REACTORUL NUCLEAR

Dispozitivul in care se produce reactia de fisiune in lant controlata se numeste reactor nuclear.

In natura se gaseste practic numai , izotopul reprezentand numai o proportie de .

Se folosesc ca materiale combustibile: materiale fertile si (care servesc la prepararea materialului fisionabil) materiale fisionabile , , . Numai ,se gaseste in natura, celelalte doua se obtin artificial, din si din .

Substanta moderatoare este utilizata pentru transformarea neutronilor rapizi cu viteza , in neutroni lenti (termici) cu viteze de . Uraniul natural fisioneaza si cu neutroni lenti si cu neutroni rapizi cu o energie mai mare de 1,1 MeV.

Sectiunea eficace a reactiei d fisiune nucleara este in primul caz mai mare decat in al doilea si, de aici, aspectul favorabil al termizarii neutronilor. Ca materiale moderatoare pot fi folosite: , grafitul, Be, BeO, compusi organici si hidruri metalice.

Un reactor nuclear este alcatuit din urmatoarele parti:

Zona de reactie, denumita si zona activa sau miezul reactorului, contine un amestec omogen sau eterogen de combustibil nuclear si moderator. In reactivii omogeni se folosesc saruri de uraniu dizolvate in apa grea, iar reactorii eterogeni contin combustibilul nuclear sub forma de bare sau blocuri inconjurate de straturi de moderator,

Reflectorul, care serveste pentru ca o parte din neutronii ce tind sa paraseasca zona activa sa fie reflectati din nou de zona activa. In cazul reactorilor cu neutroni termici se folosesc ca reflector apa, apa grea, bariliul, oxidul de bariliu, grafitul,

Sistemul de racire si transport de caldura consta din tuburi prin care circula agenti de racire ca apa, apa grea, metale lichide, substante organice sau gaze. Agentul de racire preia caldura din zona activa si o transfera vaporilor dintr-o turbina cu abur. Dupa aceasta racire agentul termic ajunge din nou in zona activa a reactorului,

Sistemul d control si reglare a procesului de fisiune. Controlul si reglarea regimului de lucru al unui reactor se realizeaza cu ajutorul unor materiale puternic absorbante de neutroni. Cele mai indicate sunt cadmiul si borul. Ele se dispun sub forma de bare in interiorul zonei active,

Sistemul de protectie. Exista doua tipuri de protectie a reactorului nuclear si anume protectia termica si protectia biologica. Protectia termica se realizeaza prin inconjurarea zonei active cu un strat de otel suficient de gros. Protectia biologica implica mai multe aspecte ca: protectia directa a personalului impotriva radiatiilor emise de reactor si de izotopii radioactivi obtinuti in el; protectia impotriva infestarii mediului inconjurator cu substante radioactive in regim normal de lucru sau in caz de avarie; protectia fata de radioactivitatea deseurilor radioactive rezultate, tratarea si depozitarea lor.

Reactorul nuclear este utilizat in mai multe scopuri:

a.     Produce neutroni care se utilizeaza in studiul proprietatilor nucleare sau in obtinerea de izotopi radioactivi artificiali pentru aplicatii;

b.     Produce energie ce se utilizeaza in centralele nucleare-electrice;

c.      Produce materiale fisionabile care nu se gasesc in natura. Dintre toate nucleele care fisioneaza cu neutroni de energie mica, numai se gaseste in natura. Izotopii de si se obtin din reactii care au loc in reactorul nuclear.