RADIOACTIVITATEA

Radioactivitatea este un fenomen fizic prin care nucleul unui atom instabil, numit și radioizotop, se

transformă spontan (dezintegrează) degajând energie sub formă de radia ț ii  diverse (alfa, beta sau

gama), într-un atom mai stabil. Prin dezintegrare atomul pierde și o parte din masă. Termenul de

radioactivitate a fost folosit pentru prima dată de Marie Curie.

Pentru a înțelege fenomenul de radioactivitate trebuie să pornim de la structura atomului care are în

centru un nucleu în jurul căruia orbitează electronii. Nucleul este format din particule încărcate

pozitiv protoni și particule neutre neutroni, denumite generic nucleoni. Toți atomii unui element chimic au

același număr de de protoni, dar pot avea numere diferite de neutroni. În funcție de numărul de nucleoni

elementul chimic are mai multe specii numite izotopi.

În interiorul nucleului acționează două tipuri de forțe : forța de respingere dintre protoni (de natură

electrică) și forța de atracție dintre nucleoni (de natură nucleară). Când cele două forțe sunt în echilibru

izotopul este stabil. Pentru nucleele care conțin neutroni în exces cele două forțe nu mai sunt în echilibru,

iar izotopul este instabil și se dezintegrează spontan prin emisie de radiații.Spre exemplu izotopul 209

83 Bi are 83 de protoni și 126 neutroni și este un izotop stabil. Izotopul 21183Bi are

doi neutroni în plus și este instabil. Pentru a atinge stabilitatea nucleul 21183Bi emite o particulă alfa. Acești

izotopi sunt radioactivi.

Dezintegrarea radioactivă este fenomenul spontan prin care nucleul unui izotop radioactiv instabil emite

radiații nucleare. Procesul nu depinde de temperatură, presiune sau de combinația chimică în care apare

atomul al cărui nucleu suferă dezintegrarea.

REACTOR NUCLEAR

Un reactor nuclear este o instalație tehnologică în care are loc o reac ț ie  de fisiune nucleară în lanț în

condiții controlate, astfel încât să poată fi valorificată căldura generată sau utilizate fascicolele

de neutroni . [1]

Reactoarele nucleare au trei tipuri de aplicații. Cea mai semnificativă aplicație comercială este producerea de energie electrică sau de căldură

(termoficare, procese industriale).

O altă aplicație este propulsia navală (în special pentru scopuri militare).

Există și reactoare nucleare pentru cercetare unde fascicolele de neutroni se folosesc pentru

activități științifice sau pentru producerea de radioizotopi destinați utilizărilor civile (medicină,

industrie, cercetare), sau militare (arme nucleare).

ISTORIC

Enrico Fermi și Leo Szilard, ambii de la University of Chicago, au fost primii care au construit o pilă

nucleară și au prezentat o reacție în lanț controlată, 1942. În 1955 ei și-au împărțit patentul de invenție

pentru reactorul nuclear. Primul reactor nuclear din SUA a fost utilizat pentru a produce plutoniu

pentru arma nucleară. Alte reactoare au fost folosite în propulsia navală (submarine, nave militare).

In SUA, a fost generat pentru prima dată curent electric folosind fisiunea nucleară. Expresia optimismului

față de energia nucleară a fost celebra sintagma a lui Lewis Strauss, presedintele USAEC “too cheap to

meter” (prea ieftin să conteze).

Factori ce au stagnat dezvoltarea

Stagnarea și declinul energeticii nucleare începe la sfârșitul anilor 70 și sunt determinate de mai mulți factori:

Descoperirea in Marea Nordului a uriașe cantități de gaze naturale ce au reprezentat în Europa o

alternativă energetică mai ieftină la energia nucleară;

Detonarea armei nucleare de către India în 1964, reprezentând startul proliferării nucleare în

domeniul militar;

Nașterea mișcării ecologiste ce se opunea în general construcției de noi reactoare;

Introducerea în SUA a unui nou regim de autorizare pentru protecția mediului care a făcut

construcția de centrale nucleare neeconomică;

Accidentele de la Three Miles Island (1979) și Chernobyl (1986) cu consecințe impresionante pentru

imaginea publică a energiei nucleare.

Componentele pincipale ale reactorului nuclear

Combustibilul nuclear Reacția de fisiune în lanț are loc în combustibilul nuclear. Aproape toate

reactoarele nucleare utilizează uraniul drept combustibil.

Moderatorul Moderatorul este necesar pentru încetinirea neutronilor rezultați din fisiune (neutron termici)

pentru a le crește eficiența de producere a unor noi reacții de fisiune. Moderatorul trebuie să fie un

element ușor care permite neutronilor să se ciocnească fără a fi capturați. Ca moderatori se utilizează

apa obișnuită, apa grea (deuterium) sau grafitul.

Agentul de răcire Pentru a menține temperature combustibilului în limite tehnic acceptabile (sub

punctual de topire) căldura eliberată prin fisiune sau prin dezintegrarea radioactivă trebuie extrasă din

reactor cu ajutorul unui agent de răcire (apa obișnuită, apa grea, dioxid de carbon, heliu, metale topite,

etc). Căldura preluată și transferată de agentul de răcire poate alimenta o turbină pentru a genera

electricitate.

Barele de control Barele de control sunt realizate din material ce absorb neutronii precum: borul,

argintul, indiul, cadmiul si hafniul. Ele sunt introduse în reactor pentru a reduce numărul de neutroni și a

opri reacția de fisiune când este necesar, sau pentru a regla nivelul și distribuția spațială a puterii din

reactor.

Clasificarea reactoarelor in depenenta de principala functia pe care o ondeplineste:

reacția nucleară::

- reactoare de fisiune (cu neutroni termici sau cu neutroni rapizi)

- reactoare de fuziune

combustibilul nuclear::

- reactoare cu combustibil solid (oxid de uraniu, oxid plutoniu, oxid de toriu sau combinații)- reactoare cu combustibil lichid (săruri topite de uraniu sau de toriu)

moderatorul:

- reactoare cu apă ușoară;

- reactoare cu apă grea;

- reactoare cu moderator organic (PCB);

- reactoare cu grafit;

- reactoare cu elemente ușoare (Lif, BeF2);

- reactoare fără moderator (cu neutroni rapizi).

agentul :

- reactoare cu apă ușoară (sub presiune sau în fierbere);

- reactoare cu apă grea;

- reactoare cu gaz (heliu, bioxid de carbon, azot);

- reactoare cu metal lichid (sodiu, NaK, plumb, eutectic plumb-bismut, mercur)

- reactoare cu săruri topite (săruri cu fluor)

Funcționarea reactorului nuclear

Funcționarea reactorului nuclear se bazează pe reacția de fisiune indusă de neutroni prin care se

eliberează energie, iar procesul poate fi controlat prin controlul numărului de neutroni disponibili. [5]

U235 + n → 2 fragmente de fisiune + 2 sau 3 neutroni + β, γ + energie

Deoarece neutronii eliberați prin fisiune pot induce alte fisiuni apare posibilitatea perpetuării reacției

(fisiune în lanț). În condiții optime reacția de fisiune se menține la nivel constant și avem o reacție în lanț controlată.

Neutronii expulzați prin fisiune au o energie cinetică ce corespunde unei viteze de circa 13 800 km/s

(neutroni rapizi). Pentru a produce fisiunea uraniului 235neutronii trebuie să aibă energii mult mai mici,

adică să fie în echilibru termic cu mediul înconjurător (neutroni termici). Neutronii rapizi sunt încetiniți prin

ciocnirea cu atomii moderatorului. Hidrogenul (apa ușoară) cu masă egală cu cea a neutronului ar părea

cel mai bun moderator dar el poate absoarbe ușor neutronii scăzând numărul lor. Deuteriul (apa grea) are

avantajul că absoarbe mai puțini neutroni realizând mai ușor perpetuarea reacției în lanț.În reactor numărul de neutroni este rezultatul competiției dintre procesul de fisiune (care generează

neutroni) și a procesesele neproductive de absorbție în materialele reactorului sau de scurgere în afara

reactorului. Autoîntreținerea reacției de fisiune depinde de vitezele proceselor menționate care determină

constanta de multiplicare:

keff = Viteza de producere/(viteza de absorbție în materiale+ viteza de scurgere din reactor)

keff < 1 Numărul de neutroni scade în timp ș reactorul se oprește (reactor subcritic). keff = 1 Reacție în

lanț auto întreținută (reactor critic în stare stațonară) keff > 1 Numărul de neutroni crește permanet

(reactor supercritic). Viteza de scurgere a neutronilor din reactor este invers proporțională cu mărimea

acestuia. Pentru a avea keff = 1 reactorul trebuie să aibă o dimensiune minimă respectiv o masă critică.