7/30/2019 Curs Energie Nucleara

1/6

ENERGIA NUCLEAR

, numit i energiaatomic este definit ca energiaeliberat n procesele care afecteaz nucleul atomic. Aceste procese se numescreacii nucleare.Energia nuclear poate fi obinut n 2 moduri diferite: prin

fisiunea unui nucleu greu sau prin fuziunea a dou nuclee uoare. Reaciile defuziune sunt dificil de meninut pentru c cele dou nuclee se resping, dar spredeosebire de reaciile de fisiune, fuziunea nu creeaz produi radioactivi.

Energia nuclear este aplicabil n urmtoarele domenii:a) Aplicaii militare:

arma nuclear ( bomba atomic, bomba termonuclear) propulsia nuclear (submarine, portavioane etc.)

b) Aplicaii civile: producerea de energie electric i/sau termic (termoficare, cldur de

proces) utilizarea radioizotopilor i a radiaiilor nucleare (alfa, beta i gama) nagricultur i industria alimentar, medicin (diagnostic i tratamentulcancerului), industrie (gamagrafie, detectori, trasori, etc.), cercetareatiin ific (trasori, datare, poluarea mediului, etc.).

Industriile care utilizeaz radioizotopi i radiaii nucleare sunt: industria automobilelor, la testarea calitii oelurilor aviaie, la detectarea defectelor la motoarele cu reacie mine i petrol, la identificarea i evaluarea cantitilor de petrol, gaze

naturale i minereuri industria ambalajelor, la msurarea grosimii tablei de aluminiu pentru doze industria construciilor, la detectarea defectelor n suduri construcii de autostrzi, la msurarea densit ii straturilor de material.

REACII NUCLEARE

Scindarea nucleului unui atom se numete fisiune nucleara. Aceasta esteprovocat prin bombardarea combustibilului cu neutroni. Un neutron loveteun nucleu, determinndu-l sa se scindeze i s emit mai muli neutroni.Acetia lovesc alte nuclee, provocnd alte scindri i eliberarea altor neutroni.Aceasta succesiune se numete reacie n lan. n cazul unei bombe atomice,reaciei n lan i se permite sa continue necontrolata. Acesta este motivulpentru care energia eliberata n timpul procesului de fisiune se acumuleazpentru a provoca o explozie violenta. La un reactor nuclear, sunt folosite barede reglare metalice care absorb o parte din neutroni, ncetinind reacia i ratala cere se elibereaz energie.

Numai cteva elemente pot fi utilizate drept combustibili nuclearideoarece, pentru a intra ntr-o reacie de fisiune n lan, atomii trebuie sa aibnuclee relativ mari si instabile. Asemenea elemente sunt cunoscute sub numele

http://ro.wikipedia.org/wiki/Energiehttp://ro.wikipedia.org/wiki/Atomhttp://ro.wikipedia.org/wiki/Nucleuhttp://ro.wikipedia.org/wiki/Energiehttp://ro.wikipedia.org/wiki/Atomhttp://ro.wikipedia.org/wiki/Nucleu

7/30/2019 Curs Energie Nucleara

2/6

de materiale fisionabile. Unul dintrecele mai larg folosite la centralelenucleare este uraniu 235, care are 92de protoni si 143 de neutroni nnucleul sau. Fisiunea nucleara a uneimase de uraniu produce o energie de

peste doua milioane de ori mai maredect cea obinut prin arderea uneimase de crbune de aceeaigreutate.

Chiar i n cazul unui materialfisionabil adecvat, o reacie n lan vanceta daca este prezent numai ocantitate mica din material. Numaidac masa depete o anumita

valoare, numita masa critica, reacia n lan se vaautontreine. De exemplu, in cazul uraniului 235 masa criticaeste de aproximativ 50kg.

Pentru bombele atomice se folosesc explozivi obinuii pentru a presalaolalt dou buci de material fisionabil, fiecare sub masa critica. Masa totaleste mai mare dect masa critica, astfel nct o reacie n lan se creeazrepede i provoac o explozie nucleara.

Reactorul nuclear al lui Enrico Fermi (primul savant care a nceputcercetrile n domeniul fisiunii nucleare n anul 1934) consta dintr-o mas de

grafit si bare de combustibil de uraniu. S-a mai adugat grafit si uraniu panacnd cantitatea de uraniu prezenta a fost suficient pentru a ntreine o reacien lan. Grafitul avea rolul unui moderator un material care ncetineteneutronii pentru a-i face mai eficieni in provocarea fisiunii. Pe msur ceneutronii se lovesc de nucleele moderatorului, pierd energie i se ncetinesc,aa cum o bil de biliard se ncetinete daca se lovete de alta.

Asemenea neutroni sunt cunoscui sub numele de neutroni termici,deoarece, cnd sunt ncetinii, ei au aproximativ aceeai energie ca si energiatermica a atomilor i moleculelor din jur. Barele de reglare din cadmiu au fostinserate n masa de grafit i uraniu pentru a controla rata reaciei prinabsorbia unor neutroni.

Uraniul din pila lui Fermi consta din 0,7% uraniu 235 si 99,3% uraniu238 (92 protoni si 146 neutroni per atom). Cnd uraniul 238 absorbea unneuron, nucleul rezultat de uraniu 239 nu fisiona. n schimb, el emitea fotonisub forma de radiaii gamma, iar apoi emitea electroni (particule cu oncrctur de electricitate negativa) cnd doi dintre neutronii si deveneauprotoni. Nucleul rezultat, cu 94 de protoni si 145 de neutroni, era un izotop al

unui element necunoscut nainte plutoniu 239, descoperit in anul 1942.

7/30/2019 Curs Energie Nucleara

3/6

n fuziunea nucleara, dou nuclee atomice relativ uoare se unesc pentrua forma unul mai greu i elibereaz energie. Cea mai uoar reacie defuziune de utilizat ca sursa de energie este aceea dintre doi izotopi dehidrogen, deutreiu i tritiu, ale cror nuclee fuzioneaz pentru a forma unnucleu de heliu. Tritiul este uor de obinut, iar mrile conin cantiti mari de

deuteriu, dar este nevoie de temperaturi de 1-3 de milioane de grade nasemenea reacii i nici un material nu poate sa reziste la o asemenea cldur,astfel n ct combustibilul trebuie inut departe de pereii recipientului sau princmpuri magnetice.

Experimentele din anii 1990 cu un dispozitiv de fuziune pentru testri,Joint European Torus, a confirmat faptul ca aceasta tehnica funcioneaz i unreactor de fuziune experimental poate fi construit cndva la nceputul sec.XXII.

DEZINTEGRAREA RADIOACTIV

Dezintegrarea radioactiv este fenomenul spontan prin care nucleul unuiizotop radioactiv instabil emite radiaii nucleare. n funcie de radiaia emisputem avea dezintegrare alfa, beta sau gama. Transformarea unui elementradioactiv n alt element prin dezintegrare se mai numete i transmutaienuclear natural.

Procesul nu depinde de temperatur, presiune sau de combinaia chimicn care apare atomul al crui nucleu sufer dezintegrarea. Pe de alt parte,

dezintegrarea este un fenomen aleator: nu se poate determina cnd se vadezintegra un anumit nucleu atomic, dei pentru o populaie mare de nucleede un anumit tip se poate estima cte nuclee vor suferi dezintegrarea ntr-unanumit interval de timp.Cantitatea de substan variaz dup o lege exponenial:

,unde:

este cantitatea iniial de substan (dat ca mas sau ca numr de atomi),

este cantitatea rmas (dat sub aceeai form),este timpul scurs de la nceputul experimentului,este o mrime numit perioad de njumtire, specific speciei de atomi,

i reprezint timpul dup care dintr-o cantitate dat de substan radioactivrmne jumtate din cantitatea iniial.

De remarcat c asta nseamn c prin dezintegrare radioactiv osubstan radioactiv nu dispare niciodat complet. Practic, dup 100-200 deperioade de njumtire dintr-o cantitate egal cu masa Pmntului ar rmneun singur atom. Timpul de njumtire variaz n limite foarte largi, de la

fraciuni de secund pn la miliarde de ani. Printre cele mai lungi perioade denjumtire le au izotopii U92238 , U92

235 , Th90

232 i K19

40 .

http://ro.wikipedia.org/wiki/Temperatur%C4%83http://ro.wikipedia.org/wiki/Presiunehttp://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=Aleator&action=edit&redlink=1http://ro.wikipedia.org/wiki/Mas%C4%83http://ro.wikipedia.org/wiki/Temperatur%C4%83http://ro.wikipedia.org/wiki/Presiunehttp://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=Aleator&action=edit&redlink=1http://ro.wikipedia.org/wiki/Mas%C4%83

7/30/2019 Curs Energie Nucleara

4/6

este procesul prin care din nucleul atomic se emite oparticul alfa (doi protoni i doi neutroni), cu apariia unui atom avnd numrulatomic diminuat cu 2 i numrul de mas diminuat cu 4.

HeThU 24

90

234

92

238+

este procesul prin care nucleul atomic emiteparticule beta (electron sau pozitron) pentru a obine numrul optim de protoni

i neutroni. Exist dou tipuri de dezintegrare beta: beta minus (-

) cnd seemite un electron i beta plus (+) cnd se emite un pozitron. La dezintegrareabeta minus se mai emite o particul antineutrino n timp ce la dezintegrareabeta plus se emite o particul neutrino

noantineutrieBaCs 56137

55

137++

neutrinoeNeNa 1022

11

22++ +

numit i tranziie izomeric este procesul princare nucleul avnd o stare excitat metastabil (izomer) emite radiaie gamapentru a reveni la starea stabil cu energie mai sczut. Starea izomer poateapare n urma dezintegrrii alfa sau beta sau prin alte reacii nucleare. Cel maistabil nucleu izomer este Ta73180m care are o abunden de 1/8300 i un timp denjumtire de 10 15 ani, sensibil mai mare dect vrsta universului.

Dintr-o substan radioactiva nu toate nucleele se dezintegreaz nacelai moment , ci dezintegrrile se fac treptat dup o lege cu caracterstatistic . Stabilirea legii dezintegrrii radioactive se face pe baza faptuluiexperimental c , pentru un nucleu radioactiv dat , se dezintegreaz ntr-osecund aceeai fraciune din numrul nucleelor prezente . Constanta de

material ( depinde de natura elementului care se dezintegreaz ) carereprezint fraciunea din numrul nucleelor prezente ce se dezintegreaz ntr-osecunda se numete constanta de dezintegraresau constanta radioactiva . Senoteaz cu si se msoar n s-1 .

Dac notm cu dN numrul de nuclee ce se dezintegreaz n intervalulde timp dt , raportul dN/dt reprezint numrul de nuclee ce se dezintegreazn unitate de timp si se numete viteza de dezintegrare sau activitatearadioactiv. Activitatea radioactiva se msoar n sistem internaional ndezintegrri pe secunda [ 1 dez/s = 1 Bq(Becquerel)] .

dt

dN

t

N

t

=

= 0

lim

n definiia activitii se introduce semnul minus deoarece N = N(t + t) -N(t) < 0 ( numrul de nuclee nedezintegrate scade n timp ). Viteza dedezintegrare este cu att mai mare cu ct numrul de nuclee nedezintegrateeste mai mare , deci

Ndt

dN=

Pentru a gsi legea dezintegrrii radioactive separam variabilele siintegrm

dtN

dN=

http://ro.wikipedia.org/wiki/Electronhttp://ro.wikipedia.org/wiki/Pozitronhttp://ro.wikipedia.org/wiki/Electronhttp://ro.wikipedia.org/wiki/Pozitronhttp://ro.wikipedia.org/wiki/Antineutrinohttp://ro.wikipedia.org/wiki/Neutrinohttp://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=Dezintegrarea_alfa&action=edit&redlink=1http://ro.wikipedia.org/wiki/Dezintegrarea_betahttp://ro.wikipedia.org/wiki/Electronhttp://ro.wikipedia.org/wiki/Pozitronhttp://ro.wikipedia.org/wiki/Electronhttp://ro.wikipedia.org/wiki/Pozitronhttp://ro.wikipedia.org/wiki/Antineutrinohttp://ro.wikipedia.org/wiki/Neutrinohttp://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=Dezintegrarea_gama&action=edit&redlink=1

7/30/2019 Curs Energie Nucleara

5/6

=N

N

tdt

N

dN

00

tN

NN

00

ln =

N - reprezint numrul de nuclee ramase nedezintegrate dup timpul tNo - numrul de nuclee nedezintegrate existente iniial

Legea dezintegrrii radioactive da posibilitatea sa se calculeze catenuclee se dezintegreaz ntr-un interval de timp , fr a putea nsa indica careanume nucleu se va dezintegra ntr-un anumit moment . De aceea este o legestatistica.

n fizic se utilizeaz doua noiuni foarte importante :1)

Consideram un interval de timp cuprins ntre t i t + dt , numrul nucleelorcare au trit pn la momentul t este egal cu numrul nucleelor ce s-audezintegrat n intervalul de timp dt i este Ndt . Fiecare din aceste nuclee este

suma duratei de viata a fiecarui nucleu. t + t + . . . + t de Ndt ori , decitNdt este durata de via a tuturor nucleelor . Durata medie de via afiecrui nucleu este :

=0

0

1Ndtt

N

==00

0

0dttedtte

N

N tt

1

=

Durata medie de via este inversul constantei de dezintegrare .2) T

Timpul dup care se dezintegreaz n medie jumtate din numrul iniial denuclee ale unui preparat radioactiv .

2

0NN =

TeNN = 0

0

2

Te =2

1

ln 1 - ln 2 = - T ; ln 1 = 0 , deciln 2 = T

T = ln 2/ = 0, 693 /sau T = ln 2

Radiaia ionizant nu poate fi vzut, auzit sau simit. Ea poate fi nsmsurat, folosind diferite tipuri de instrumente. Msurnd cantitatea deradiaie, oamenii pot detecta sursele de radiaie i pot lua masurile necesarepentru evitarea efectelor acestora.

7/30/2019 Curs Energie Nucleara

6/6

Cantitatea de radiaie emis de un material radioactiv se msoar nuniti de activitate : 1 Bq nseamn o dezintegrare pesecunda. De exemplu, corpul uman are o radioactivitate medie de aprox. 120Bq per kilogram.

Pe msur ce radiaia trece prin material, inclusiv prin esuturi vii, eainteracioneaz cu atomii, transfernd o parte din energia sa. Energia pierdutde radiaia ionizant este absorbita de materialul sau esutul viu pe care ltraverseaz. Energia cedata unei anumite cantiti de esut se numete dozabsorbit i se exprim n . 1 Gy este echivalentul a 1Joule/kilogram.

Radiaiile au capaciti diferite de a produce defecte esuturilor. Pentru a

lua n considerare acest lucru, doza absorbita se multiplica cu un factor f,obinndu-se astfel doza echivalenta. Doza echivalenta se exprim. (Alta unitate de msur pentru doza echivalent este rem-ul ; 1 Sv =

100 rem).Prin urmare:

f = 1 pentru radiaii beta si gama f = 20 pentru radiaii alfa

1 Bq = o dezintegrare / secund

1 Gy = 1 joule / kilogram

1 Sv = f x Gy