FISIUNEA NUCLEARA, FUZIUNEA NUCLEARA

Exista elemente chimice cu nuclee masive, precum uraniul si plutoniul, care se dezintegreaza in mod spontan dand astfel nastere unor nuclee cu o mai mare stabilitate. Fenomenul poarta numele de radioactivitate si este insotit de eliberarea mai multor tipuri de radiatie

Descompunerea radioactiva este un proces care se desfasoara aleatoriu in timp si care poate fi descris doar prin metode statistice. Desi este imposibil de prezis momentul la care un atom al unui radioizotop va suferi o dezintegrare nucleara, pentru mai multi atomi ce constituie un oarecare lucru se poate determina timpul dupa care jumatate din cantitatea materialului radioactiv se va descompune, numit in literatura de specialitate perioada de injumatatire a acelui izotop.

Exista diverse tipuri de particule radioactive, toate putand fi atat benefice, cat si periculoase pentru om, in functie de nivelul sau timpul de expunere.

Fisiunea nucleara reprezinta un fenomen controlat de om. Fuziunea nucleara insa, este deocamdata doar un deziderat, dar unul care odata implinit ar schimba soarta speciei umane intr-un mod nemaiintalnit in istorie. Urmariti filmul din acest articol pentru a intelege modul in care cele doua fenomene functioneaza

FISIUNEA NUCLEARA

Sa consideram un sistem alcatuit din Terra si o racheta, cu cele doua lucruri legate prin intermediul gravitatiei. Daca avem in vedere faptul ca e nevoie de o anume energie pentru a desprinde racheta de la sol, atunci numim energie de legatura cuantumul de energie necesar separarii complete a rachetei de Pamant.

Similar, in lumea nucleelor atomice, energia de legatura este data de cantitatea de energie necesara pentru separarea completa a protonilor si neutronilor, denumiti colectiv nucleoni.

Exista doua forte care actioneaza in interiorul nucleului atomic. Pe de o parte, o forta nucleara tare - mai exact un reziduu al fortei nucleare tari care tine quarcurile laolalta - actioneaza ca o forta de atractie intre nucleoni, iar pe de alta parte, sarcina electrica a protonilor face ca acestia sa se respinga reciproc.

Forta tare este mult mai puternica decat cea electrica pe distante foarte mici, de pana la doua ori si jumatate diametrul unui proton, dar la distante mai mari forta electrica are valori superioare. Pe masura ce numarul nucleonilor unui atom creste, adica pe masura ce avansam in cadrul tabelului periodic al elementelor, la inceput, fiecare nucleu atomic are o energie de legatura ceva mai mare decat precedentul (numarul nucleonilor creste, deci atractia creste si ea).

Acest grafic arata evolutia valorii energiei de legatura in functie de numarul de nucleoni din nucleu.

Energiile de legatura ale nucleelor atomice

Aceasta crestere a valorii energiei de legatura continua pana se ajunge la elementele fier si nichel, acolo unde vorbim de un numar de 60 de nucleoni. In acest punct, raza nucleului este mai mare decat 2,5 x diametrul unui proton, care este exact distanta la care forta electromagnetica de respingere incepe sa domine in duelul sau cu forta reziduala tare. Deci, pe masura ce se adauga nucleoni dupa acest punct, forta electrica incepe sa castige in incercarile sale de a dezagrega nucleul atomic, fiecare nucleon adaugat fiind din ce in ce mai slab legat in interiorul nucleului.

Cand se ajunge la plumb si bismut nucleul contine deja 207 nucleoni, forta electrica este mai puternica, iar nucleele atomice si mai masive de atat sunt instabile, descompunandu-se in mod natural, desi procesul acesta poate dura destul de mult. Aceste nuclee masive pot reveni la un aranjament mai stabil in diverse moduri. Pot converti neutroni in protoni in procesul de dezintegrare radioactiva de tip beta, pot elimina grupuri de 4 nucleoni simultan in dezintegrarea de tip alfa ori pot pur si simplu sa se descompuna in doua nuclee mai usoare, dar mai stabile. Acest din urma fenomen poarta numele de fisiune nucleara.

Fisiunea este diferita de celelalte forme de dezintegrare nucleara, intrucat poate fi valorificata si controlata prin intermediul unei reactii in lant. Sa vedem ce inseamna acest lucru din perspectiva energetica.

Fortele dintre nucleoni

Potrivit graficului care indica energiile de legatura, uraniul U (235) are asociata o energie de legatura egala cu 7.6 MeV pentru fiecare nucleon, de unde rezulta un total de 235 x 7.6 Mev = 1786 MeV, bariul (144) are 144 x 8.3MeV = 1195 MeV, iar kriptonul(89) are 89 x 8.8MeV = 783 MeV. Neutronii suplimentari nu au asociata o energie de legatura. Astfel ca de fiecare data cand un nucleu de uraniu fisioneaza se castiga in jur de 192 MeV de energie !

Numai ca in mod natural uraniul U-235 are nevoie de miliarde de ani pentru a se descompune, astfel ca este de dorit ca acest proces sa fie cumva accelerat. Acest lucru se realizeaza prin bombardarea uraniului cu neutroni la viteze mici. Uraniul U-235 absoarbe neutronii si se transforma in uraniu U-236. Apoi se descompune in kripton-92, bariu-141 si 3 neutroni liberi. Acesti 3 neutroni au rol in descompunerea unor atomi invecinati de uraniu U-235 in alte nuclee-fiica si inca mai multi neutroni, iar procesul  se repeta si este amplificat.

Putem pune un asemenea  dispozitiv in apa si, drept urmare, miscarea nucleelor-fiica si a neutronilor liberi va fi incetinita de apa, care, in consecinta, se va incalzi. In final, putem transforma aburul in energie electrica. Acesta este, pe scurt, mecanismul de functionare a centralelor nucleare.

Fisiunea nucleara a uraniului U-235

FUZIUNEA NUCLEARA

Inca de cand Einstein a demonstrat echivalenta masei si energiei, fizicienii au exprimat masa de repaus a particulelor, precum protonii, neutronii si electronii, in unitati de energie. Doua unitati de masura utilizate in acest scop sunt electron-voltul (eV) si varul sau - milionul de electron-volti (MeV). Folosind aceste unitati de masura, iata despre ce cifre discutam: masa de repaus a protonului este egala cu 938.272 MeV, iar masa de repaus a neutronului este egala cu 939.566 MeV.

Sa mai aruncam o privire pe graficul cu energiile de legatura corespunzatoare diferitelor nuclee atomice si sa ne referim si la fuziunea nucleara. Daca am putea face ca un nucleu de deuteriu, care este compus dintr-un proton si un neutron, sa fuzioneze cu un nucleu de tritiu care are in componenta un proton si doi neutroni, am obtine heliu, un neutron suplimentar si ceva energie, avand astfel la dispozitie bazele teoretice ale unui dispozitiv cu care am putea produce energie. Sa facem calculele si sa vedem despre ce energie este vorba.

Energia de legatura a deuteriului este in jur de 2 MeV. Iar energia de legatura a tritiului este in jur de 8 MeV. Astfel ca la intrarea in sistem avem in total 10 MeV. Energia de legatura a heliului este de 28 MeV, iar neutronul liber are zero energie de legatura. Scazand cei 10 MeV din 28 MeV, rezulta ca fiecare reactie de fuziune este insotita de eliberarea a 18 MeV de energie.

Fuziunea deuteriu-tritiu

Randamentul este foarte bun, numai ca exista o problema. Aducerea protonilor din deuteriu si tritiu suficient de aproape astfel incat sa fuzioneze sub actiunea fortei nucleare tari este un lucru extrem de greu realizabil pe Terra. Vorbim de energia care alimenteaza Soarele si toate celelalte stele, numai ca in cazul acestora gravitatia enorma mentine 'combustibilul nuclear' la locul sau in timp ce temperaturile extrem de mari imprima nucleelor o viteza suficienta pentru a infrange repulsia electrica dintre ele.

Daca am putea construi in laborator o stea in miniatura - un micro-Soare, atunci am fi foarte aproape de a gasi o solutie pentru problemele energetice ale planetei noastre. Si desi acest deziderat nu a fost inca  atins, s-au inregistrat continuu progrese.

Exista un izotop al heliului, heliul-3, similar tritiului. Acesta ar putea substitui tritiul in reactia descrisa anterior, cu aceleasi rezultate sub aspect energetic. Care ar fi diferenta? Diferenta consta in faptul ca se estimeaza ca pe suprafata Lunii exista aproximativ 1 milion de tone de heliu-3, usor de exploatat. 25 de tone ar fi suficiente pentru a satisface in proportie de 100% nevoile energetice ale SUA pentru un an intreg. Iar 25 de tone este din intamplare si incarcatura maxima suportata de o naveta spatiala.
Iata de ce ne vom intoarce pe Luna!