Energia Nucleară

I. Generalităţi

Noţiunea de energie nucleară este folosită în două contexte:

• La nivel microscopic, energia nucleară este energia asociată forţelor de coeziune a nucleonilor dată de interacţiunea tare a protonilor şi neutronilor din nucleele atomice.

• La nivel macroscopic, prin energie nucleară se înţelege energia eliberată prin reacţiile de fuziune nucleară din stele şi din bombele cu hidrogen, respectiv cea eliberată prin fisiune nucleară în bombele atomice şi în aplicaţiile civile (centrale nucleare).

Aşadar, definiţia completă a energiei nucleare reprezintă energia eliberată în timpul fisiuni sau fuziunii nucleilor atomici.

Până în anii 1800 principalul combustibil era lemnul, energia lui derivând din energia

solară înmagazinată în plante, în timpul perioadei lor de viaţă. Începând cu Revoluţia

Industrială, oamenii au devenit dependenţi de combustibilul fosili (petrol, cărbuni, gaze naturale) care derivă de asemenea din energia solară înmagazinată. Arderea acestor combustibili produce reacţii chimice ce rezultă prin schimbarea structurii electronilor în atomi. O parte din energia eliberată sub formă de căldură păstrează combustibilul rămas suficient de cald pentru a întreţine reacţia chimică.

În timpul celui de al–II-lea război mondial, oamenii de ştiinţă din Germania şi America s-au întrecut pentru a face o bombă puternică, utilizând energia din nucleul atomilor. În Chicago o echipă de oameni de ştiinţă, condusă de profesorul italian Enrico Fermi, a reuşit să provoace prima reacţie nucleară controlată; reacţie ce dă naştere începutului erei bombei atomice. Ei au găsit o cale de a fisiona nucleul. În acest proces se distingea o cantitate mică de materie, dar în schimb era eliberată o cantitate mare de energie sub formă de căldură. În cazul bombei atomice procesul avea loc foarte rapid, având ca rezultat o explozie bruscă şi devastatoare de energie. În centralele nucleare are loc acelaşi tip de reacţie, dar la o rată mai lentă şi controlată cu grijă.

II. Producerea energiei nucleare

Energia nucleară se mai numeşte şi energie atomică. Energia nucleară poate fi obţinută în 2 moduri diferite: prin fisiunea unui nucleu greu sau prin fuziunea a 2 nuclei uşori.

Reacţiile de fuziune sunt dificil de menţinut pentru că cei 2 nuclei se resping,dar spre deosebire de reacţiile de fisiune,fuziunea nu creează produşi radioactivi.

Energia fiecărui atom este închisă în acesta. Atomul este cea mai mică parte a materiei, dar este compusă din particule şi mai mici numite: protoni, neutroni şi electroni. În jurul centrului atomului se rotesc electroni, prin despărţirea cărora are loc procesul de fuziune nucleară. Prin fuziune nucleară două sau mai multe nuclee atomice uşoare se contopesc într-un nucleu mai greu. Aducerea în contact a celor două nuclee întâmpină repulsia puternică a forţelor nucleare; de aceea amorsarea unei reacţii de fuziune este dificilă, putând fiind realizată, de exemplu prin încălzirea unei plasme la o temperatură de zeci de milioane de grade. În anumite cazuri fuziunea este însoţită de degajarea unei însemnate cantităţi de energie, care va putea fi utilizată prin realizarea reacţiei termonucleare dirijate (exemplu, transformând 1 kg de hidrogen în heliu, prin fuziune se obţine o energie egală cu cea produsă prin arderea a 20000 tone de cărbune). Energia produsă de fuziunea nucleară face apa sa fiarbă, producând aburi care apoi învârt turbinele pentru a genera energie.

Fuziunea nucleară se bazează pe energia eliberată când un element mai greu este format din fuziunea elementelor mai uşoare, de exemplu energia Soarelui este un proces de fuziune care se petrece prin fuziunea unuia sau mai multor izotopi de hidrogen, creând heliu.

Bomba cu hidrogen, una din cele mai puternice şi distructive arme ale umanităţii, funcţionează de asemenea, pe baza principiului de fuziune. Cantitatea de căldură necesară pentru a porni reacţie de fuziune este atât de mare, că e nevoie de folosirea unei bombe atomice pentru furnizarea ei. Nuclee de hidrogen fuzionează, rezultând heliu, proces în care se eliberează o cantitate uriaşă de energie care produce astfel o explozie uriaşă.

În fuziunea nucleară două nuclee atomice cu relaţii uşoare se unesc pentru a forma unul mai greu şi eliberează energie. Cea mai uşoară reacţie de fuziune este aceea dintre 2 izotopi ai hidrogenului şi anume deuteriu şi tritiu. Tritiul este uşor de obţinut, deoarece mările conţin cantităţi mari de deuteriu, dar este nevoie de temperaturi de 100-300 de milioane centigrade în asemenea reacţii şi nici un material nu poate rezista la asemenea căldură. De aceea, combustibilul trebuie ţinut departe de pereţii recipientului prin câmpuri magnetice. Dacă fuziunea nucleară va putea fi pusă în practică, ea va oferi următoarele avantaje:

- va avea o sursă nelimitată de combustibil şi anume deuteriul din oceane.

- nu va exista posibilitatea de accidente în reactoarele nucleare, deoarece cantitatea de combustibil în acesta este foarte mic.

- rezultă reziduuri mult mai puţin radioactive şi mai uşor de mânuit decât cele din reacţiile de fisiune.

Fisiunea nucleară este un proces de despărţire a nucleilor atomici prin bombardament cu neutroni. Acest proces produce o reacţie în lanţ din care neutronii eliberaţi lovesc alţi atomi, eliberând energie şi alţi neutroni, produşi ai fisiunii. O reacţie în lanţ necontrolată, cum este cea din arme nucleare duc la explozii, în timp ce o reacţie controlată sau stabilă ca cea din reactoare generează electricitate. Prima fisiune nucleară controlată a avut loc în 1942.

În cazul unei bombe atomice, reacţiei în lanţ i se permite să continue necontrolată. Din această cauză energia eliberată în timpul procesului de fisiune se acumulează şi provoacă o explozie violentă.

La un reactor nuclear, există bare metalice de reglare care absorb o parte din nucleu, încetinind reacţia şi rata la care se eliberează energia. Numai câteva elemente pot fi utilizate drept combustibil nuclear deoarece, pentru a intra într-o reacţie de fisiune în lanţ, atomii trebuie să aibă nuclee relativ mari şi instabile. Asemenea elemente se numesc materiale fisionabile.

Elementul Uraniu este principalul combustibil utilizat în fisiunea nucleară pentru producerea de energie, deoarece are mai multe proprietăţi favorabile acestei proceduri. Nucleele de uraniu pot fi uşor divizate prin împuşcare cu neutroni. Odată ce un nucleu de uraniu este divizat, mai mulţi neutroni rezultaţi din proces sunt utilizaţi pentru divizarea altor nuclee de uraniu. (figura 1). Unul dintre cele mai larg folosite, la centrale nucleare este 235U care are 92 protoni,143 neutroni în nucleul său. Când un nucleu de 235U este lovit de un neutron, el devine instabil şi se scindează, eliberând energie şi alţi neutroni. Aceştia neutroni rezultaţi scindează alt nucleu de Uraniu. Fisiunea nucleară a unei mase de uraniu produce o energie de peste două milioane de ori mai mare decât cea obişnuită prin arderea unei mase de cărbune de aceeaşi greutate.

Pentru ca o reacţie în lanţ să nu înceteze şi să se producă în continuare, trebuie să existe o cantitate suficient de mare de combustibil. Numai dacă masa lui depăşeşte o anumită valoare numită masă critică, reacţia în lanţ se va autoîntreţine. De exemplu: pentru 235U masa critică este de aproximativ 50 kg.

În bombele atomice se folosesc explozivi obişnuiţi pentru a presa laolaltă 2 bucăţi de material fisionabil, fiecare sub masa critică. Rezultă o masă totală mai mare decât masa critică, astfel încât se produce o reacţie în lanţ şi provoacă o explozie nucleară.

Reactorul nuclear a lui Enrico Fermi era format dintr-o masă de grafit şi bare de combustibil de Uraniu s-a adăugat grafit şi uraniu până când cantitatea de Uraniu a fost suficientă pentru a întreţine o reacţie în lanţ . Grafitul avea rolul de moderator să încetinească neutronii pentru a-i face mai eficienţi în provocarea fisiunii. Asemenea neutroni se numesc neutroni termici deoarece, când sunt încetiniţi ei au aproximativ aceeaşi energie ca şi energia termică a atomilor şi moleculelor din jur. Înainte de oprirea rectorului pentru alimentare aproape 30% din puterea generată de reactor este datorită plutoniului-239 (figura 2).