Surse de radiații și tehnici de protecție

. Energia de legătură a nucleului.

Menţinerea electronilor în jurul nucleului este explicată cu ajutorul forţelor coulombiene (electrice) de atracţie între sarcinile negative ale electronilor şi cele pozitive ale protonilor din nucleu.

Explicaţia stabilităţii nucleelor se bazează pe existenţa unor forţe nucleare de legătură, care acţionează atât între protoni şi neutroni, cât şi între particule de acelaşi fel - protoni sau neutroni.

Forţele de legătură se realizează prin eliberarea unei energii de legătură. Aceasta a fost explicată cu ajutorul teoriei relativităţii restrânse a lui A. Einstein.

Astfel, la formarea unui nucleu, energia de legătură apare ca urmare a transformării unei cantităţi de masă în energie.

Conform teoriei relativităţii restrânse acest defect de masă s-a transformat în energie de legătură pentru nucleul considerat.

Eleg=Amc2 [MeVJ (1.2)

Funcţie de semnul energiei de legătură se poate aprecia stabilitatea nucleelor de substanţă:

= dacă E!eg > 0 atunci nucleul este stabil.

= dacă Eieg < 0, nucleul este instabil.

3.Proprietăţile neutronilor

Anumite reacţii nucleare, precum dezintegrarea nucleelor radioactive artificial, pe lângă emisiile de particule a care conţin neutroni, sunt însoţite şi de emisii de. neutroni individuali.

Cunoaşterea proprietăţilor neutronilor are importanţă prin faptul că, fiind particule fară sarcină electrică, nu sunt supuse forţelor electrostatice, putând astfel traversa câmpurile electrice şi barierele de potenţial ale nucleelor. In felul acesta neutronii pot interacţiona uşor cu nucleele materialelor fisionabile şi pot genera reacţii nucleare.

Masa unui neutron este mai mare decât suma maselor protonului şi electronului. Perioada de înjumătăţire a neutronilor este de aproximativ 20 minute.

O proprietate foarte importantă a neutronilor este nivelul energiei cinetice cu care aceştia se deplasează. După acesta se deosebesc:

-neutroni rapizi care au viteză de deplasare foarte mare,

- Intermediari mai pot fi:

• neutroni lenţi, E = 0,025... l.OeV;

• neutroni epitermici, E - l,0eV...2MeV.

• neutroni ultrarapizi, E > 20MeV.

Neutronii termici au această denumire întrucât energia cinetică cu care se deplasează este aproximativ egală cu energia mediului, determinată de temperatura absolută a acestuia.

Neutronii rapizi sunt acei neutroni care sunt emişi direct din reacţiile nucleare. Energia cinetică a acestora este foarte mare:

In reacţiile nucleare de fisiune din reactoarele nucleare, bazate pe interacţiunea neutronilor cu nucleele de combustibil, neutronii termici au importanţă mult mai mare decât neutronii rapizi, întrucât datorită probabilităţii mai mari de interacţiune, este nesesară o densitate mai mică de neutroni pentru menţinerea vitezei de reacţie.

Neutronii termici nu rezultă însă direct din reacţiile nucleare, ci provin din neutronii rapizi cărora li s-a micşorat energia. Procesul de transformare a neutronilor rapizi în neutroni termici prin micşorarea energiei acestora, se realizează prin frânarea neutronilor rapizi la trecerea prin anumite substanţe numite moderatoare.

4. Reacţia nucleară de fisiune

Energetica nucleară foloseşte, la ora actuală, ca sursă primară de energie, energia degajată sub formă de căldură prin reacţiile de fisiune nucleară.

Procesele de fisiune nucleară au loc prin acţiunea neutronilor asupra nucleelor unor izotopi de metale grele fisionabile. Materialele care conţin aceste elemente fisionabile se numesc combustibili nucleari.

Declanşarea procesului de fisiune nucleară a unui nucleu fisionabil se bazează pe interacţiunea dintre un neutron şi nucleul respectiv.

Intr-o masă de combustibil nuclear, un neutron emis de o sursă internă, sau provenit de la o sursă externă, poate să producă următoarele interacţiuni:

a) nu întâlneşte nici un nucleu şi părăseşte volumul considerat, fiind pierdut;

- întâlneşte un nucleu cu care se ciocneşte şi apoi îşi continuă deplasarea pe altă direcţie, în acest caz interacţiunea se numeşte de împrăstiere. (elastică ,neelastică, cu emiterea de radiaţii y )

• întâlneşte un nucleu în interiorul căruia pătrunde, în acest caz interacţiunea se numeşte absorbţia neutronului. Funcţie de evoluţia ulterioară a nucleului excitat, absorbţia poate fi:

= de captură - nucleul rezultat devine un izotop stabil

= de fisiune - în urma absorbţiei neutronului, nucleul iniţial fisionează în fragmente mai uşoare.

Dintre aceste interacţiuni, pentru energetica nucleară, prezintă interes deosebit absorbţia de fisiune. Pentru explicarea procesului foarte complex al fisiunii nucleare se poate apela la modelul nucleului sferic, sub forma unei picături de lichid. în acest model se presupune că forţele nucleare tind să menţină nucleul în formă sferică, precum acţionează tensiunea superficială la o picătură de lichid.

Atunci când un neutron, '0n, suferă o interacţiune de absorbţie din partea unui nucleu de f2U, rezultă un nucleu excitat de f2U. Dacă energia de excitaţie este prea mică pentru a produce fisiunea, atunci forţele nucleare de legătură readuc nucleul la forma sferică, iar dacă energia de excitaţie depăşeşte o valoare critică, nucleul fisionează, spărgându-se în două fragmente, F, şi F2. Fragmentele de fisiune au exces de neutroni şi ca urmare aproape toate sunt radioactive.

5. Reactia de fisiune nucleară în lanţ

Fiecare proces de fisiune devine o sursă internă de neutroni. La rândul lor, aceşti neutroni pot interacţiona cu alte nuclee fisionabile, în felul acesta declanşându-se aşa-numita reacţie de fisiune în lanţ.

In oricare reactor nuclear masa de combustibil este finită şi se găseşte în spaţiu zonei active care cuprinde şi alte materiale. Aceasta înseamnă că neutronii rapizi emişi în urma proceselor de fisiune intră în interacţiune cu tot mediul zonei active a reactorului nuclear, format din combustibilul nuclear, substanţa moderatoare, agentul de răcire, materialele de structură. Reacţia de fisiune în lanţ este posibilă numai dacă numărul de neutroni capabili să producă noi reacţii de fisiune este suficient de mare astfel încât numărul de fisiuni în unitatea de timp să nu scadă.

Pentru aprecierea gradului de stabilitate a reacţiei de fisiune în lanţ, se analizează ciclul de evoluţie a unei generaţii de neutroni.

Diferitele componente ale ciclului neutronilor pot fi influenţate prin structura zonei active şi prin materialele aflate în aceasta la fiecare moment.

O caracteristică esenţială privind stabilitatea reacţiei în lanţ o reprezintă cantitatea de combustibil nuclear cuprinsa in zona activă. Astfel, există o aşa- numită masă critică de combustibil nuclear sub care reacţia în lanţ nu se poate desfăşură. Aceasta întrucât, la cantităţi de combustibil mai mici decât masa critică, scăpările de neutroni în afara zonei active sunt prea mari.

Necesitatea menţinerii stabile a reacţiei de fisiune în lanţ, precum şi posibilitatea modificării intensităţii acesteia, impune ca reactoarele nucleare să dispună de sisteme de reglare care pot modifica valorile componentelor ciclului neutronilor.

Practic, sistemele de reglare se bazează pe modificarea progresivă a cantităţii de substanţe absorbante de neutroni aflate în zona activă. Este vorba de aşa-numitele bare de reglare, confecţionate din materiale puternic absorbante de neutroni, care se introduc sau se extrag din zona activă, funcţie de necesităţi.

Pe acelaşi principiu funcţionează şi sistemele de oprire rapidă a reactorului: bare de oprire care se introduc rapid în zona activă, sau substanţe lichide, absorbante de neutroni, care se injectează în zona activă.

6. Secţiunea eficace de interacţiune Definirea noţiunii de secţiune eficace de interacţiune este necesară pentru aprecierea probabilităţii ca neutronii să interacţioneze cu nucleele de substanţă dintr-un anumit volum al zonei active a reactorului nuclear, prin: (ciocnire elastică, ciocnire neelastică, absorbţie de captură sau absorbţie de fisiune). In acest sens se consideră un flux de neutroni de intensitate J(x), care străbate un anumit material după direcţia x. După străbaterea unei distanţe elementare dx, fluxul de neutroni se micşorează, (poza), întrucât: -o parte dintre neutroni au suferit o împrăştiere - elastică sau neelastică -o altă parte dintre neutroni au suferit din partea nucleelor materialului străbătut o absorbţie de captură sau o absorbţie de fisiune. Ca urmare apare o variaţie negativă a fluxului de neutroni, care se poate exprima.