reaCţiile nuCleare a. reacţiile nucleare. Caracteristici generale Reacţiile nucleare reprezintă transformările unor nuclee în altele ca rezultat al interacţiunii cu diferite particule sau nuclee. Notăm cu X nucleul primar, numit și nucleu-ţintă, care este ciocnit de particula-proiectil a. Produse ale interacţiunii respective sunt nucleul rezidual Y și particula (sau particulele) b rezultată(e) din reacţie. Ecuaţia reacţiei se prezintă, de obicei, sub forma: X + a → Y + b. (7.18) Reacţia se produce dacă particula-proiectil pătrun de în regiunea în care acţionează forţele nucleare ale nucleului-ţintă, adică se apropie de acesta la distanţe de circa 10–15 m. Particulele-proiectil, încărcate cu sarcină electrică pozitivă, trebuie să posede energii cinetice suficiente pentru a învinge forţele de respingere electrică din partea sarcinii po zi tive a nucleului și a se apropia la distanţa menţio nată. Asupra particulelor-proiectil neutre nu acţio nează forţe electrice de respingere, de aceea ele pot pătrunde în nucleu chiar având viteze mici. Prima reacţie nucleară (7.3) în condiţii de laborator a fost realizată, după cum s-a relevat mai sus (tema 7.1), de către Rutherford în anul 1919. O altă reacţie nucleară a condus la descoperirea neutronului (a. 1932) de către fizicianul englez James Chadwick (1891–1974):
În anul 1934, soţii Irène și Frederick Joliot-Curie au realizat reacţia (7.12) care a avut ca rezultat descoperirea radioactivităţii artificiale. În aceste trei reacţii, particulele-proiectil sunt parti cule α emise de surse radioactive. În prezent se realizează reacţii nucleare utilizându-se fascicule de particule accelerate în instalaţii construite special în acest scop. În reacţiile nucleare se respectă legile de conservare a sarcinii electrice, a numărului de nucleoni, a impulsului, a energiei, precum și unele legi de conser vare specifice microcosmosului. Anali zând ecuaţiile reacţiilor nucleare, ne convingem ușor de conservarea sarcinii electrice prin însumarea indicilor de jos ai simbolurilor de ambele părţi ale săgeţii și de conservarea numărului de nucleoni însumând în mod similar indicii de sus.
Din punct de vedere energetic, reacţiile nucleare sunt caracterizate de energia de reacţie care se exprimă prin diferenţa dintre suma maselor particulelor X și a care intră în reacţie (7.18) și suma maselor particulelor Y și b ce rezultă din reacţie. Pentru energia de reacţie Q se obţine o formulă similară expresiei (7.7) pentru energia de legătură a nucleului: Q = (mX + ma – mY – mb)c2. (7.19) Dacă energia de reacţie este pozitivă, Q > 0, reacţia decurge cu degajare de energie, fiind numită exoener getică, iar dacă Q < 0, reacţia necesită absorbţie de energie și este numită endoenergetică. Situaţia este similară cu cea din cazul reacţiilor chimice. Să analizăm un caz concret de reacţie nucleară:
Masele izotopilor sunt u, = 4,00260u, u și masa neutro nului u. Substituind în (7.19) și calcu lând, obţinem Q = 0,00114u·c2 = 1,062 MeV, unde s-a ţinut seamă că 1u·c2 = 931,5 MeV. Constatăm că energia de reacţie nucleară este de milioane de ori mai mare decât cele degajate în reacţiile chimice care sunt de ordinul a câţiva electron-volţi (eV). Observăm că Q > 0, adică reacţia este exoener getică. b. Fisiunea nucleelor de uraniu La finele anului 1938, savanţii germani Otto Hahn (1879–1968) și Fritz Strassman (1902–1980) au descoperit că în urma bombardării cu un fascicul de neutroni lenţi a eșantionului izotopului de uraniu în acesta apar nuclee de bariu, element ce se află în partea de mijloc a sistemului periodic. Interpretarea corectă a acestor rezultate a fost propusă la începutul anului 1939 de către fiziciana austriacă Lise Meitner (1878–1968) și fizicianul englez Otto Robert Frish (1904–1979). Ei au presupus că neutronii provoacă fisiunea nucleelor de uraniu – divizarea lor în câte două fragmente ce prezintă nuclee ale unor elemente mai ușoare. În același an, F. Joliot-Curie și colaboratorii săi L. Kowarski și H. von Halban au stabilit că la fisiune se emit 2-3 neutroni. Prezentăm exemple concrete de reacţii de fisiune. Nucleul primar , absorbind un neutron lent, se transformă în izotopul în stare excitată (asteriscul denotă starea excitată a izotopului). Nucleul în această stare este nestabil și dezintegrează conform
112
uneia din ecuaţiile de tipul prezentat (aducem doar 3 din mai multe ecuaţii posibile):
(7.20)
Pentru a ne imagina modul în care se produce fisiunea, vom ţine seama de faptul că raza de acţiune a forţelor nucleare este mică, iar a celor de inter acţiune electrică este mare. După absorbirea neutro nului lent, nucleul rezultat în stare excitată are un surplus de energie. În urma mișcării nucleonilor, forma nucleului devine alungită. Aria cercului de mijloc, în plan perpendicular pe direcţia în care s-a produs alungirea, este mai mică decât cea din cazul formei sferice. Ca urmare, rezultantele forţelor nucleare care menţin împreună cele două părţi ale nucleului se micșorează. Forţele de respingere elec tri că dintre protonii acestor părţi le îndepărtează, între ele se formează o „gâtuitură”
care continuă să se subţie și, în fine, se rupe. Nucleul primar s-a divizat în două și au fost emiși 2-3 neutroni. Nucleele obţi nute în urma fisiunii sunt radioactive și după o serie de dezintegrări se transformă în nuclee stabile. Estimările arată că energia degajată la fisionarea unui nucleu de uraniu este de circa 210 MeV. Valoa rea obţinută este foarte mare, de zeci de milioane de ori mai mare decât cea degajată într-o reacţie chimică (vezi problema rezolvată de la sfârș itul temei). c. reacţia în lanţ. reactorul nuclear Neutronii ce însoţesc fiecare act de fisiune a nucleelor pot produce, la rândul lor, scindarea altor nuclee. Dacă cei 2 neutroni emiși după primul act de fisiune vor produce următoarele 2 acte, se vor obţine deja 4 neutroni. Dacă fiecare din ei va produce câte o fisiune, se vor obţine 8 neutroni etc. Numărul de neutroni crește de la o generaţie la alta (fig. 7.5), producându-se o reacţie în lanţ. Reacţie în lanţ este numită reacţia în care neutronii rezultaţi din fisiunea nucleelor stimulează fisiunea altor nuclee.
Masa minimă de substanţă la care are loc reacţia în lanţ se numeşte masă critică. La mase mai mici decât aceasta crește partea de neutroni care trece pe lângă nuclee și iese în afara substanţei radioactive fără a provoca fisiunea nuclee lor. Evident, izotopul poate fi păstrat numai în cantităţi mai mici decât masa critică. Aceasta poate fi micșorată folosind înve lișuri din substanţe care reflectă neutronii, de exemplu, din beriliu. Astfel, în cazul uraniului aceasta poate fi redusă până la câteva sute de grame. Reacţia nedirijată de fisiune în lanţ se produce în bomba atomică (denumirea corectă, bombă nucleară), în care două fragmente de uraniu , având fiecare masa mai mică decât cea critică, dar suma maselor lor fiind mai mare decât aceasta, se află în interiorul unui înveliș metalic. La momentul respectiv, fragmentele de uraniu sunt suprapuse. Se obţine un corp cu masa mai mare decât cea critică și are loc explozia nucleară. Reacţia dirijată de fisiune în lanţ se realizează în reactorul nuclear, a cărui schemă este prezentată în figura 7.6. Regiunea în care se produce reacţia în
Fig. 7.5
Fig. 7.6
113
lanţ este numită zonă activă. Uraniul natural conţine doar circa 0,7% de izotop fisionabil , restul de 99,3% revenind izotopului . Prin separarea izotopilor se obţine uraniu bogat în izotopul fisionabil, numit uraniu îmbogăţit. Fisiunea acestui izotop se produce mult mai eficient sub acţiunea neutronilor lenţi cu viteze de circa 2·103 m/s. Neutronii emiși în urma fisiunii au viteze mult mai mari, de ordinul
107 m/s. Pentru reducerea vitezelor acestora se folosește moderatorul (apa, apa grea, grafitul sau un amestec al lor). La mișcarea prin moderator neutronii rapizi pierd din energie, devenind lenţi. Ca rezultat, numărul de nuclee ce fisionează se mărește considerabil. Acești factori determină structura zonei active: ea reprezintă un sistem de blocuri sau bare de uraniu (1) plasate în spaţiul cu moderator (2). Zona activă este înconjurată de un înveliș reflector (3), mai frecvent din beriliu, care reflectă neutronii și îi întoarce în zona activă, intensificând astfel fisiunea nucleelor. În exteriorul acestuia se află învelișul protector de radiaţie (4) din beton armat. Funcţionarea reactorului este dirijată cu ajutorul barelor de control (5) din compuși ai cadmiului sau borului care absorb puternic neutronii lenţi. Intro duse complet, barele absorb un număr mare de neutroni, astfel încât reacţia în lanţ nu se produce. Pentru a o iniţia, barele sunt scoase parţial până se produce reacţia în regim staţionar. În cazul în care accidental intensitatea reacţiei se mărește brusc, barele de control sunt introduse automat în zona activă și reacţia este întreruptă. Energia degajată în zona activă este preluată de un agent termic (6), consumată apoi la producerea vaporilor de apă care pun în funcţiune turbinele staţiilor electrice. Reactoarele nucleare pun în funcţiune, de asemenea, spărgătoa rele de gheaţă, submarinele etc. Primul reactor nuclear în lume a fost construit la Chicago (SUA) sub conducerea lui Enrico Fermi (1901–1954), fiind pus în funcţiune la 2 decembrie 1942. În Europa, primul reactor nuclear a fost construit în anul 1946, în URSS, sub conducerea lui Igor Kurciatov (1903–1960). În prezent sunt construite și funcţionează mai mult de o mie de reactoare, cele mai multe dintre ele fiind componente ale unor centrale nucleare elec trice. Acestea produc circa 6% din energia electrică consumată în lume, iar în ţări ca Franţa și Suedia – mai mult de jumătate din energia consumată.
d. Fuziunea termonucleară Cantităţi mari de energie se degajă la sinteza nucleelor situate la începutul sistemului periodic prin fuziunea (contopirea) nucleelor mai ușoare. Să considerăm, de exemplu, fuziunea nucleelor de deuteriu și tritiu (7.21) Calculăm energia degajată în această reacţie (la ea participă 5 nucleoni) pornind de la formula (7.19) și ţinând cont de faptul că 1 u · c2 = 931,5 MeV. Masele particulelor participante sunt: m = 2,01355 u, m = 3,01550 u, m = 4,00150 u și m = 1,00866 u. Efectuând calculele respective, obţinem pentru energia ce revine la 5 nucleoni valoarea de 17,6 MeV. Astfel, în reacţia de fuziune nucleară (7.21) energia de legătură pe nucleon variază cu 17,6 MeV: 5 nucleoni ≈ ≈3,5 MeV/nucleon. Această energie este degajată. Comparând această valoare a energiei degajate pe nucleon (3,5 MeV/nucleon) în reacţia de fuziune cu energia degajată pe nucleon în reacţia de fisiune a uraniului 210 MeV: 235 nucleoni (0,9 MeV/nucleon), constatăm că în cazul reacţiei de fuziune se degajă pentru fiecare nucleon energie de circa 4 ori mai mare decât la fisiunea uraniului. Acest rezultat demonstrează eficienţa reacţiilor de fuziune nucleară ca surse de energie. Trebuie să se ţină seama și de rezervele enorme de deuteriu în natură în apele mărilor și oceanelor. Ele satisfac necesităţile populaţiei Terrei în energie pentru câteva sute de milioane de ani. Tritiul nu există în natură, el poate fi obţinut prin reacţie nucleară: (7.22) Un avantaj mare al utilizării reacţiilor de fuziune nucleară este că în ele nu se obţin deșeuri radioactive. Realizarea în practică a reacţiilor de fuziune este mult mai dificilă decât a celei de fisiune, deoarece nucleele izotopilor hidrogenului sunt încărcaţi cu sarcini electrice pozitive, deci ele se resping. Reacţia de fuziune se va produce dacă nucleele vor fi apropiate unul de altul la distanţe de ordinul razei forţelor nucleare (circa 10–15 m). Rezultă că nucleele trebuie să posede energii cinetice suficiente pentru a învinge forţele de respingere electrostatică la apropierea lor. Aceste energii pot fi obţinute prin încălzire până la temperaturi foarte înalte, de circa 107K. Din această cauză reacţiile date sunt numite reacţii de fuziune termonucleară.
114
Calculaţi energia degajată în urma fisiunii nucleelor dintro cantitate de uraniu cu masa de 1 g. Determinaţi masa cărbunelui cu puterea calorică de 30 MJ/kg care trebuie arsă pentru a obţine aceeaşi energie. rezolvare: Energia degajată la fisiunea unui nucleu de uraniu Q = 210 MeV. Având în vedere că 1 eV = 1,6·10–19 J, obţinem Q = 210 · 106 · 1,6 · 10–19 J = = 3,36 · 10–11 J.
În natură asemenea temperaturi posedă Soarele și stelele. Reacţiile de fuziune termonucleară produc energia radiaţiei emise de ele. Masele nucle elor rezultate din reacţie sunt mai mici decât ale celor care fuzionează. Prin urmare, masa Soarelui se micșorează în fiecare secundă cu circa 4 milioane de tone. Pe Soare se consumă în fiecare secundă circa
100 milioane de tone de hidrogen, rezervele respective fiind suficiente pentru a-i susţine activi tatea timp de 100 miliarde de ani. Prioritatea reacţiilor de fuziune termonucleară faţă de reacţiile de fisiune menţionate au plasat problema realizării practice a fuziunii termonucleare dirijate în centrul atenţiei savanţilor. Soluţiona rea ei este foarte dificilă. Pentru ca nucleele izoto pilor de
hidrogen să poată fuziona, sunt necesare tem pe raturi foarte înalte. La aceste temperaturi substanţa se află în stare ionizată, cunoscută sub numele de plasmă. Problema fiind de o importanţă deosebită pen tru asigurarea omenirii cu energie, necesită concentrarea eforturilor savanţilor din diferite ţări. În acest scop, la 28 iunie 2005, Uniunea Europeană, SUA, Rusia, China, Japonia și Coreea de Sud au luat decizia de a construi împreună (către anul 2015) un reactor expe rimental termonuclear internaţional la Cada rache (Franţa) pentru a cerceta și a realiza fuziunea termonucleară dirijată. În prezent lucrările de construcție a reactorului continuă, iar primele experimente de fuziune termonucleară sunt preconizate pentru anul 2025.
se dă: A = 235, 1 u = 1,66 · 10–27 kg, m = 10–3 kg, q = 3 · 107 J/kg E – ?, mc – ?
Problemă rezolvată
Masa unui nucleu de uraniu m0 = A · u = 235 · 1,66 · 10-27 kg = = 3,90 · 10-25 kg. Numărul nucleelor de uraniu în masa m este N = La fisiunea lor sa degajat energia E = NQ = Q = 8,62 · 1010 J. Masa de cărbune ce trebuie arsă pentru a obţine aceeaşi cantitate de energie
Comparaţi: 1 g de uraniu şi 2,87 tone de cărbune!
Verificaţi-vă cunoştinţele 1. Folosind regulile de conservare, stabiliţi natura particuleiproiectil a din următoarea reacţie nucleară:
2. Din ce substanţă X se obţine aurul în următoarea reacţie nucleară: X + 3. Determinaţi izotopul Y obţinut ca rezultat al următoarei reacţii:
4. Stabiliţi natura particulei b emise în reacţia:
5. Cum se poate stabili dacă întro reacţie nucleară energia este degajată sau absorbită?
6. Calculaţi energia degajată în următoarea reacţie nucleară:
Masele particulelor implicate în reacţie sunt: = 10,01294 u, = 1,00866 u, = 7,01601 u şi = 4,00260 u. 7. Care reacţie de fisiune este numită reacţie în lanţ? 8. Ce reprezintă masa critică? Cum veţi explica necesitatea introducerii acestei noţiuni? 9. În ce constă necesitatea îmbogăţirii uraniului folosit în reactoarele nucleare? 10. Care este rolul moderatorului în reactoarele nucleare? 11. În ce constă reacţia de fuziune nucleară? Din ce cauză ea este numită termonucleară? 12. Care sunt avantajele reacţiilor de fuziune termonucleară faţă de cele de fisiune a uraniu
În anul 1934, soţii Irène și Frederick Joliot-Curie au realizat reacţia (7.12) care a avut ca rezultat descoperirea radioactivităţii artificiale. În aceste trei reacţii, particulele-proiectil sunt parti cule α emise de surse radioactive. În prezent se realizează reacţii nucleare utilizându-se fascicule de particule accelerate în instalaţii construite special în acest scop. În reacţiile nucleare se respectă legile de conservare a sarcinii electrice, a numărului de nucleoni, a impulsului, a energiei, precum și unele legi de conser vare specifice microcosmosului. Anali zând ecuaţiile reacţiilor nucleare, ne convingem ușor de conservarea sarcinii electrice prin însumarea indicilor de jos ai simbolurilor de ambele părţi ale săgeţii și de conservarea numărului de nucleoni însumând în mod similar indicii de sus.
Din punct de vedere energetic, reacţiile nucleare sunt caracterizate de energia de reacţie care se exprimă prin diferenţa dintre suma maselor particulelor X și a care intră în reacţie (7.18) și suma maselor particulelor Y și b ce rezultă din reacţie. Pentru energia de reacţie Q se obţine o formulă similară expresiei (7.7) pentru energia de legătură a nucleului: Q = (mX + ma – mY – mb)c2. (7.19) Dacă energia de reacţie este pozitivă, Q > 0, reacţia decurge cu degajare de energie, fiind numită exoener getică, iar dacă Q < 0, reacţia necesită absorbţie de energie și este numită endoenergetică. Situaţia este similară cu cea din cazul reacţiilor chimice. Să analizăm un caz concret de reacţie nucleară:
Masele izotopilor sunt u, = 4,00260u, u și masa neutro nului u. Substituind în (7.19) și calcu lând, obţinem Q = 0,00114u·c2 = 1,062 MeV, unde s-a ţinut seamă că 1u·c2 = 931,5 MeV. Constatăm că energia de reacţie nucleară este de milioane de ori mai mare decât cele degajate în reacţiile chimice care sunt de ordinul a câţiva electron-volţi (eV). Observăm că Q > 0, adică reacţia este exoener getică. b. Fisiunea nucleelor de uraniu La finele anului 1938, savanţii germani Otto Hahn (1879–1968) și Fritz Strassman (1902–1980) au descoperit că în urma bombardării cu un fascicul de neutroni lenţi a eșantionului izotopului de uraniu în acesta apar nuclee de bariu, element ce se află în partea de mijloc a sistemului periodic. Interpretarea corectă a acestor rezultate a fost propusă la începutul anului 1939 de către fiziciana austriacă Lise Meitner (1878–1968) și fizicianul englez Otto Robert Frish (1904–1979). Ei au presupus că neutronii provoacă fisiunea nucleelor de uraniu – divizarea lor în câte două fragmente ce prezintă nuclee ale unor elemente mai ușoare. În același an, F. Joliot-Curie și colaboratorii săi L. Kowarski și H. von Halban au stabilit că la fisiune se emit 2-3 neutroni. Prezentăm exemple concrete de reacţii de fisiune. Nucleul primar , absorbind un neutron lent, se transformă în izotopul în stare excitată (asteriscul denotă starea excitată a izotopului). Nucleul în această stare este nestabil și dezintegrează conform
112
uneia din ecuaţiile de tipul prezentat (aducem doar 3 din mai multe ecuaţii posibile):
(7.20)
Pentru a ne imagina modul în care se produce fisiunea, vom ţine seama de faptul că raza de acţiune a forţelor nucleare este mică, iar a celor de inter acţiune electrică este mare. După absorbirea neutro nului lent, nucleul rezultat în stare excitată are un surplus de energie. În urma mișcării nucleonilor, forma nucleului devine alungită. Aria cercului de mijloc, în plan perpendicular pe direcţia în care s-a produs alungirea, este mai mică decât cea din cazul formei sferice. Ca urmare, rezultantele forţelor nucleare care menţin împreună cele două părţi ale nucleului se micșorează. Forţele de respingere elec tri că dintre protonii acestor părţi le îndepărtează, între ele se formează o „gâtuitură”
care continuă să se subţie și, în fine, se rupe. Nucleul primar s-a divizat în două și au fost emiși 2-3 neutroni. Nucleele obţi nute în urma fisiunii sunt radioactive și după o serie de dezintegrări se transformă în nuclee stabile. Estimările arată că energia degajată la fisionarea unui nucleu de uraniu este de circa 210 MeV. Valoa rea obţinută este foarte mare, de zeci de milioane de ori mai mare decât cea degajată într-o reacţie chimică (vezi problema rezolvată de la sfârș itul temei). c. reacţia în lanţ. reactorul nuclear Neutronii ce însoţesc fiecare act de fisiune a nucleelor pot produce, la rândul lor, scindarea altor nuclee. Dacă cei 2 neutroni emiși după primul act de fisiune vor produce următoarele 2 acte, se vor obţine deja 4 neutroni. Dacă fiecare din ei va produce câte o fisiune, se vor obţine 8 neutroni etc. Numărul de neutroni crește de la o generaţie la alta (fig. 7.5), producându-se o reacţie în lanţ. Reacţie în lanţ este numită reacţia în care neutronii rezultaţi din fisiunea nucleelor stimulează fisiunea altor nuclee.
Masa minimă de substanţă la care are loc reacţia în lanţ se numeşte masă critică. La mase mai mici decât aceasta crește partea de neutroni care trece pe lângă nuclee și iese în afara substanţei radioactive fără a provoca fisiunea nuclee lor. Evident, izotopul poate fi păstrat numai în cantităţi mai mici decât masa critică. Aceasta poate fi micșorată folosind înve lișuri din substanţe care reflectă neutronii, de exemplu, din beriliu. Astfel, în cazul uraniului aceasta poate fi redusă până la câteva sute de grame. Reacţia nedirijată de fisiune în lanţ se produce în bomba atomică (denumirea corectă, bombă nucleară), în care două fragmente de uraniu , având fiecare masa mai mică decât cea critică, dar suma maselor lor fiind mai mare decât aceasta, se află în interiorul unui înveliș metalic. La momentul respectiv, fragmentele de uraniu sunt suprapuse. Se obţine un corp cu masa mai mare decât cea critică și are loc explozia nucleară. Reacţia dirijată de fisiune în lanţ se realizează în reactorul nuclear, a cărui schemă este prezentată în figura 7.6. Regiunea în care se produce reacţia în
Fig. 7.5
Fig. 7.6
113
lanţ este numită zonă activă. Uraniul natural conţine doar circa 0,7% de izotop fisionabil , restul de 99,3% revenind izotopului . Prin separarea izotopilor se obţine uraniu bogat în izotopul fisionabil, numit uraniu îmbogăţit. Fisiunea acestui izotop se produce mult mai eficient sub acţiunea neutronilor lenţi cu viteze de circa 2·103 m/s. Neutronii emiși în urma fisiunii au viteze mult mai mari, de ordinul
107 m/s. Pentru reducerea vitezelor acestora se folosește moderatorul (apa, apa grea, grafitul sau un amestec al lor). La mișcarea prin moderator neutronii rapizi pierd din energie, devenind lenţi. Ca rezultat, numărul de nuclee ce fisionează se mărește considerabil. Acești factori determină structura zonei active: ea reprezintă un sistem de blocuri sau bare de uraniu (1) plasate în spaţiul cu moderator (2). Zona activă este înconjurată de un înveliș reflector (3), mai frecvent din beriliu, care reflectă neutronii și îi întoarce în zona activă, intensificând astfel fisiunea nucleelor. În exteriorul acestuia se află învelișul protector de radiaţie (4) din beton armat. Funcţionarea reactorului este dirijată cu ajutorul barelor de control (5) din compuși ai cadmiului sau borului care absorb puternic neutronii lenţi. Intro duse complet, barele absorb un număr mare de neutroni, astfel încât reacţia în lanţ nu se produce. Pentru a o iniţia, barele sunt scoase parţial până se produce reacţia în regim staţionar. În cazul în care accidental intensitatea reacţiei se mărește brusc, barele de control sunt introduse automat în zona activă și reacţia este întreruptă. Energia degajată în zona activă este preluată de un agent termic (6), consumată apoi la producerea vaporilor de apă care pun în funcţiune turbinele staţiilor electrice. Reactoarele nucleare pun în funcţiune, de asemenea, spărgătoa rele de gheaţă, submarinele etc. Primul reactor nuclear în lume a fost construit la Chicago (SUA) sub conducerea lui Enrico Fermi (1901–1954), fiind pus în funcţiune la 2 decembrie 1942. În Europa, primul reactor nuclear a fost construit în anul 1946, în URSS, sub conducerea lui Igor Kurciatov (1903–1960). În prezent sunt construite și funcţionează mai mult de o mie de reactoare, cele mai multe dintre ele fiind componente ale unor centrale nucleare elec trice. Acestea produc circa 6% din energia electrică consumată în lume, iar în ţări ca Franţa și Suedia – mai mult de jumătate din energia consumată.
d. Fuziunea termonucleară Cantităţi mari de energie se degajă la sinteza nucleelor situate la începutul sistemului periodic prin fuziunea (contopirea) nucleelor mai ușoare. Să considerăm, de exemplu, fuziunea nucleelor de deuteriu și tritiu (7.21) Calculăm energia degajată în această reacţie (la ea participă 5 nucleoni) pornind de la formula (7.19) și ţinând cont de faptul că 1 u · c2 = 931,5 MeV. Masele particulelor participante sunt: m = 2,01355 u, m = 3,01550 u, m = 4,00150 u și m = 1,00866 u. Efectuând calculele respective, obţinem pentru energia ce revine la 5 nucleoni valoarea de 17,6 MeV. Astfel, în reacţia de fuziune nucleară (7.21) energia de legătură pe nucleon variază cu 17,6 MeV: 5 nucleoni ≈ ≈3,5 MeV/nucleon. Această energie este degajată. Comparând această valoare a energiei degajate pe nucleon (3,5 MeV/nucleon) în reacţia de fuziune cu energia degajată pe nucleon în reacţia de fisiune a uraniului 210 MeV: 235 nucleoni (0,9 MeV/nucleon), constatăm că în cazul reacţiei de fuziune se degajă pentru fiecare nucleon energie de circa 4 ori mai mare decât la fisiunea uraniului. Acest rezultat demonstrează eficienţa reacţiilor de fuziune nucleară ca surse de energie. Trebuie să se ţină seama și de rezervele enorme de deuteriu în natură în apele mărilor și oceanelor. Ele satisfac necesităţile populaţiei Terrei în energie pentru câteva sute de milioane de ani. Tritiul nu există în natură, el poate fi obţinut prin reacţie nucleară: (7.22) Un avantaj mare al utilizării reacţiilor de fuziune nucleară este că în ele nu se obţin deșeuri radioactive. Realizarea în practică a reacţiilor de fuziune este mult mai dificilă decât a celei de fisiune, deoarece nucleele izotopilor hidrogenului sunt încărcaţi cu sarcini electrice pozitive, deci ele se resping. Reacţia de fuziune se va produce dacă nucleele vor fi apropiate unul de altul la distanţe de ordinul razei forţelor nucleare (circa 10–15 m). Rezultă că nucleele trebuie să posede energii cinetice suficiente pentru a învinge forţele de respingere electrostatică la apropierea lor. Aceste energii pot fi obţinute prin încălzire până la temperaturi foarte înalte, de circa 107K. Din această cauză reacţiile date sunt numite reacţii de fuziune termonucleară.
114
Calculaţi energia degajată în urma fisiunii nucleelor dintro cantitate de uraniu cu masa de 1 g. Determinaţi masa cărbunelui cu puterea calorică de 30 MJ/kg care trebuie arsă pentru a obţine aceeaşi energie. rezolvare: Energia degajată la fisiunea unui nucleu de uraniu Q = 210 MeV. Având în vedere că 1 eV = 1,6·10–19 J, obţinem Q = 210 · 106 · 1,6 · 10–19 J = = 3,36 · 10–11 J.
În natură asemenea temperaturi posedă Soarele și stelele. Reacţiile de fuziune termonucleară produc energia radiaţiei emise de ele. Masele nucle elor rezultate din reacţie sunt mai mici decât ale celor care fuzionează. Prin urmare, masa Soarelui se micșorează în fiecare secundă cu circa 4 milioane de tone. Pe Soare se consumă în fiecare secundă circa
100 milioane de tone de hidrogen, rezervele respective fiind suficiente pentru a-i susţine activi tatea timp de 100 miliarde de ani. Prioritatea reacţiilor de fuziune termonucleară faţă de reacţiile de fisiune menţionate au plasat problema realizării practice a fuziunii termonucleare dirijate în centrul atenţiei savanţilor. Soluţiona rea ei este foarte dificilă. Pentru ca nucleele izoto pilor de
hidrogen să poată fuziona, sunt necesare tem pe raturi foarte înalte. La aceste temperaturi substanţa se află în stare ionizată, cunoscută sub numele de plasmă. Problema fiind de o importanţă deosebită pen tru asigurarea omenirii cu energie, necesită concentrarea eforturilor savanţilor din diferite ţări. În acest scop, la 28 iunie 2005, Uniunea Europeană, SUA, Rusia, China, Japonia și Coreea de Sud au luat decizia de a construi împreună (către anul 2015) un reactor expe rimental termonuclear internaţional la Cada rache (Franţa) pentru a cerceta și a realiza fuziunea termonucleară dirijată. În prezent lucrările de construcție a reactorului continuă, iar primele experimente de fuziune termonucleară sunt preconizate pentru anul 2025.
se dă: A = 235, 1 u = 1,66 · 10–27 kg, m = 10–3 kg, q = 3 · 107 J/kg E – ?, mc – ?
Problemă rezolvată
Masa unui nucleu de uraniu m0 = A · u = 235 · 1,66 · 10-27 kg = = 3,90 · 10-25 kg. Numărul nucleelor de uraniu în masa m este N = La fisiunea lor sa degajat energia E = NQ = Q = 8,62 · 1010 J. Masa de cărbune ce trebuie arsă pentru a obţine aceeaşi cantitate de energie
Comparaţi: 1 g de uraniu şi 2,87 tone de cărbune!
Verificaţi-vă cunoştinţele 1. Folosind regulile de conservare, stabiliţi natura particuleiproiectil a din următoarea reacţie nucleară:
2. Din ce substanţă X se obţine aurul în următoarea reacţie nucleară: X + 3. Determinaţi izotopul Y obţinut ca rezultat al următoarei reacţii:
4. Stabiliţi natura particulei b emise în reacţia:
5. Cum se poate stabili dacă întro reacţie nucleară energia este degajată sau absorbită?
6. Calculaţi energia degajată în următoarea reacţie nucleară:
Masele particulelor implicate în reacţie sunt: = 10,01294 u, = 1,00866 u, = 7,01601 u şi = 4,00260 u. 7. Care reacţie de fisiune este numită reacţie în lanţ? 8. Ce reprezintă masa critică? Cum veţi explica necesitatea introducerii acestei noţiuni? 9. În ce constă necesitatea îmbogăţirii uraniului folosit în reactoarele nucleare? 10. Care este rolul moderatorului în reactoarele nucleare? 11. În ce constă reacţia de fuziune nucleară? Din ce cauză ea este numită termonucleară? 12. Care sunt avantajele reacţiilor de fuziune termonucleară faţă de cele de fisiune a uraniu
Niciun comentariu:
Trimiteți un comentariu