Energia Nucleară

“O descoperire in sine nu este niciodata buna sau rea… Bun sau rau este numai modul in care oamenii o folosesc.”

Karl Winnacker

În timpul celui de-al doilea război mondial, oamenii de ştiinţă din Germania şi America s-au întrecut pentru a face o bombă puternică, utilizând energia din nucleele atomilor. De atunci, oamenii au învăţat să folosească energia nucleară pentru e genera electricitate.

În Chicago, SUA, o echipă de oameni de ştiinţă condusă de profesorul italian Enrico Fermi a reuşit să provoace prima reacţie nucleară controlată. Era anul 1942, şi această realizare a condus la dezvoltarea bombei atomice. Ceea ce au reuşit să facă oamenii de ştiinţă adesea numim “scindarea atomului”. Dar, pentru a fi mai precişi, ei au găsit o cale de a scinda nucleul – masa de protoni şi neutroni din centrul unui atom. În acest proces se distrugea o cantitate mică de materie. Dar, aşa cum prezisese fizicianul Albert Einstein, în locul ei era eliberata 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.

- Fisiunea nucleară

Scindarea nucleului unui atom se numeşte fisiune nucleară. Aceasta este provocată prin bombardarea combustibilului cu neutroni. Un neutron loveşte un nucleu, determinându-l să se scindeze şi să emită mai mulţi neutroni. Aceştia lovesc alte nuclee, provocând alte scindări şi eliberarea altor neutroni. Această succesiune se numeşte reacţie în lanţ. În cazul unei bombe atomice, reacţiei în lanţ i se permite să continue necontrolată. Acesta este motivul pentru care energia eliberată în timpul procesului de fisiune se acumulează pentru a provoca o explozie violentă. La un reactor nuclear, bare de reglare metalice absorb o parte din neutroni, încetinind reacţia şi rata la care se eliberează energia.

- Materiale fisionabile

Numai câteva elemente pot fi utilizate drept combustibili nucleari deoarece, pentru a intra într-o reacţie de fisiune în lanţ, atomii trebuie să aibă nuclee relativ mari şi instabile.

Asemenea elemente sunt cunoscute sub numele de materiale fisionabile. Unul dintre cele mai larg folosite la centralele nucleare este uraniu-235, care are 92 de protoni si 143 de neutroni în nucleul său. Fisiunea nucleară a unei mase de uraniu produce o energie de peste două milioane de ori mai mare decât cea obţinută prin arderea unei mase de carbune de aceeaşi greutate.

Chiar şi în cazul unui material fisionabil adecvat, o reacţie în lanţ va înceta dacă este prezentă numai o cantitate mică din material. Numai dacă masa depăşeste o anumită valoare, numita masă critică, reacţia în lanţ se va autoîntreţine. De exemplu, în cazul uraniului-235 masa critică este de aproximativ 50kg.

Pentru bombele atomice se folosesc explozivi obişnuiţi pentru a presa laolaltă două bucăţi de material fisionabil, fiecare sub masa critică. Masa totală este mai mare decât masa critică, astfel încât o reacţie în lanţ se creează repede şi provoacă o explozie nucleară.

Reactorul nuclear al lui Enrico Fermi constă dintr-o masa de grafit şi bare de combustibil de uraniu. S-a mai adăugat grafit şi uraniu până când cantitatea de uraniu prezentă a fost suficientă pentru a întreţine o reacţie în lanţ. Grafitul avea rolul unui moderator – un material care încetineşte neutronii pentru a-i face mai eficienţi în provocarea fisiunii. Pe masură ce neutronii se lovesc de nucleele moderatorului, pierd energie şi încetinesc, aşa cum o bila de biliard încetineste daca se loveşte de alta.

Asemenea neutroni sunt cunoscuţi sub numele de neutroni termici, deoarece, când sunt încetiniţi, ei au aproximativ aceeasi energie ca şi energia termică a atomilor şi moleculelor din jur. Barele de reglare din cadmiu au fost inserate în masa de grafit şi uraniu pentru a controla rata reacţiei prin absorbţia unor neutroni.

Uraniul din pila lui Fermi constă din 0,7% uraniu-235 si 99,3%uraniu-238(92 protoni si 146 neutroni / atom). Când uraniul-238 absorbea un neuron, nucleul rezultat de uraniu-239 nu fisiona. În schimb, el emitea fotoni sub formă de radiaţii gamma, iar apoi emitea electroni (particule cu o încarcatura de electricitate negativă) când doi dintre neutronii săi deveneau protoni. Nucleul rezultat, cu 94 de protoni şi 145 de neutroni, era un izotop al unui element necunoscut înainte – plutoniu-239, descoperit în anul 1942.

- Reactoare moderne

Majoritatea reactoarelor nucleare moderne sunt reactoare cu neutroni termici pentru că ele utilizează un moderator pentru a încetini neutronii rapizi. Cele trei moderatoare utilizate în reactoarele moderne cu neutroni termici sunt grafitul, care constă din carbon pur, apa “grea”, care conţine izotopul stabil de hidrogen numit deuteriu (utlizat deasemenea şi drept combustibil pentru armele nucleare), în locul hidrogenului obişnuit, şi apa “usoară”, sau obişnuită.

Dintre cele trei moderatoare, iniţial era preferat grafitul, în special în Marea Britanie, şi este utilizat în reactoarele Magnox răcite cu gaz, în reactoarele avansate răcite cu gaz şi reactoarele de înaltă temperatură răcite cu heliu. Utilizarea apei grele a fost mai ales dezvoltată în Canada.

Principalul său avantaj este acela că risipeşte cel mai puţini neutroni. Utilizarea apei uşoare permite construcţia reactoarelor compacte. Acestea sunt utilizate la acţionarea submarinelor şi a unor nave spaţiale.