Energia Atomica

Incepand din 1939 oameni au inceput sa descopere o alta cale de a produce energie fara autiliza puterea apei sau a combustibililor fosili.Aceasta noua cale este extragerea energiei care exista in interiorul atomului de uraniu.Energia obtinuta pe aceasta cale se numeste eneregie atomica.energia atomica a fost folosita prima data in 1945 pentru bombe.

Astazi am inceput sa folosim acest tip de energie pentru producerea de electricitate.Energia atomica este extrasa din atomul de uraniu prin impartirea acestuia in doua parti aproape egale.Acest proces de impartire a atomului in doua parti aproape egale se numeste fisiune.Cand atomul se imparte o parte din masa sau greutatea sa ,se transforma in energie.Impartit in mici cantitati ,uraniul produce mari cantitati de energie.

Utilizarile energiei atomice

In 1954 a fost lansat primul submarin care a folosit propusia nucleara ,numit Nautilus.In 1957 in California un reactor nuclear a fost utilizat pentru a produce energie electrica pentru civili.In 1959 ,Savannah este prima nava comerciala care foloseste puterea nucleara pentru a naviga.In 1961 energia nucleara a fost folosita pentru prima data in spatiu la un satelit.In 1962 o sursa de energie nucleara a fost realizata si in Antartica eliberand electricitate.

DESEN 2A 2B

Arzand atatea vagoane de tren(25) pline cu carbune ,ele produc tot atata energie cat produce obucata de uraniu de marimea unei mingi de golf(desen A).Copacii reprezinta cat

de mult combustibil fosil a mai ramas pe Pamant in comparatie cu combustibilul nuclear existent reprezentat prin becuri.

Centralele atomice pot produce pana la un milion kW.O cantitate de 453,6g de uraniu cand este divizat va produce atata energie cat 25 de vagoane pline cu carbune care vor fi arse.In USA rezervele de combustibili fosili sunt limitate ,acesta fiind un alt motiv pentru a folosi energia atomica.

Energia atomica poate fi folosita si in scopuri destructive ,bomba atomica fiind folosita de doua ori la Hiroshima si Nagasaki.

Fuziunea:energia secolului XXI

IMPACTUL FUZIUNII

Controlul fuziunii nucleare este una din cele cateva optiuni de a optine energie capabila sa faca fata cereri de energie din secolul XXI.

Conform ultimelor estimeri ,populatia lumii va creste ,ajungand la 10 miliarde aproximativ ,pana la jumatatea secolului XXI.

In 1990 ,energia primara consumata pe cap de locuitor pe an in tarile industrializate a fost aproape 2,2 *10¹¹ joule sau 5,1 tone petrol si aproape de 10 ori mai putin in tarile mai putin industrializate .Dependent de scenariul evolutiei cererii mondiale de energie ,consumul ar putea creste cu un factor ,doi ,sau trei pana in anul 2050.

Sursele de energie care ar fi capabile sa acopere substantial nevoile energetice sunt urmatoarele:

-combustibili fosili :care au in componenta carbon precum petrolul si gazele ,aceste rezerve diminuandu-se considerabil in secolul urmator;

-energia nucleara :fisiune si fuziune;

-energia regenerabila :energia hidro-electrica ,solara ,eoliana ,energia produsa de valuri ,geotermala etc.

Combustibili fosili au avut un puternic impact asupra mediului inconjurator ;ei au creat probleme ca ploaia acida si cresterea cantitati de CO2.Sursele de energie regenerabile sunt capabile sa acopere o mare parte din cererea de energie ,dar sunt de o capacitate mult prea mica pentru a reprezenta un interes pentru industrie,ele depinzand foarte mult de surse care se afla in diferite zone geografice.Uzinele nucleare genereaza si ele probleme cu stocarea nivelului inalt de radiatii care rezulta .Optiunea pentru dezvoltarea acestui tip nou de energie este necesara ,acordand in special atentie aspectelor de securitate ,de mediu si economice.Fuziunea nucleara este una din optiuni ,chiar daca raman bariere de depasit in acest domeniu ata de complex al fuziuni nucleare.Fuziunea consta in aducerea pe Pamant a acestui combustibil prin realizarea de reactoare de fuziune capabile sa satiafaca o mare parte din cerereade energie de pe planeta.Combustibilul necesar se gaseste din abundenta pe Pamant :deuteliu se gaseste in apa oceanelor si in mari iar tritiu poate fi extras din litiu.Sistemul este inerent sigur datorita faptului ca reactorul contine in orice moment o cantitate de combustibil suficienta doar pentru cateva secunde din operatie ;in plus este in concordanta cu mediul pe care nu il polueaza in timpul functionarii.Pentru selectarea materialelor de constructii cu un mic nivel al activitatii ,nu este necesar sa se stocheze in structura elemente radioactive pentru sute de ani[A1] .

REACTII NUCLEARE

Nucleul atomului este alcatuit din protoni si neutroni care se gasesc intr-un spatiu foarte mic .Aceste blocuri comune ale tuturor nuclrilor se numesc nucleoni .Protonii si neutronii poseda o masa aproape identica ,care este de 1836 de ori mai mare ca masa electronului.Marimea nucleului este data ,aproximativ ,de relatia:

R=r*A^1/3 unde r=1,5*10^-13cm si A este numarul de nucleoni din nucleu.

Z este numarul de protoni din nucleu ;variatia A-Z pentru orice Z dat duce la fenomenul izotopilor.Doi izotopi ai hidrogenului :deuteliu si tritiu sunt relevanti pentru fuziune in acest moment.Deseori izotopii sunt radioactivi si se transforma spontan in alte elemente .Tritiu da nastere la emisii beta (cu o energie medie de 5,7keV si o energie maxima de 18,6keV) si au viata medie de 12,35 ani.Acum acest fenomen nu este de mare importanta pentru fuziune ,deoarece procesul de fuziune se petrece foarte repede iar dezintegrarea are loc foarte des.

In interiorul nucleilor fortele de respingere intre protonii incarcati pozitiv sunt mult mai mici decat fortele de atractie care tin nucleii laolalta .Pentru extragerea nucleonilor din nucleu este necesara o cantitate mica de energie ;cand nucleonul este capturat de nucleu tot aceeasi cantitate de energie este necesara .Energia necesara depinde si de greutatea atomica A ,dar exista si o maxima valoare in jur de 8MeV pentru nuclei apropiati de fier.In fisiune elementele grele cu energiile de legatura de pana la 8MeV se impart in nuclei mai usori realizand astfel energie ,din moment ce nucleii rezultati sunt mai aproape de unul de fier.

In fuziune ,doi nuclei se combina pentru a forma unul apropiat de fier .Procesul urmator este unul a carui cauza o reprezinta dorinta de a avea nuclei de fier foarte tarziu ,la sfersitul vietii lor .In fuziune si fusiune se realizeaza o mare cantitate de energie echivalenta cu reducerea din masa totala de nuclei produsi cu respectarea masei initiale .Diferenta de masa se transforma in energie in acord cu faimoasa ecuatie a lui Einstein :

E=m*c²

Forma nucleilor cu mai multi constituenti este necesara pentru ai puna destul de aproape pentru ca fortele nucleare de atractie sa existe .In aceasta ordine ei trebuie sa invinga fortele de respingere Coulomb care prin actiunile lor reprezinta o bariera pentru fortele de atractie nucleare care trebuie sa existe .Forta de respingere Coulomb este proportionala cu incarcatura nucleului de interactie si de aceea plasma provenita din familia atomilor hidrogen sunt mai adecvati pentru arealiza fuziunea .Exista variate reactii de fuziune care pot fi folositoare .Toate reactiile care implica izotopi de hidrogen ,reactia deuteliu-tritiu reprezinta o sectiune importanta pentru temperaturi relativ scazute si pentru aceasta este mult mai usor de realizat intr-un mediu controlat .Reactia produce un neutron puternic incarcat energetic si heliu .

Pe planeta noastrs deuteliu se goseste din abundenta in apa marii(30g/cm³) ,dar tritiu nu exista in stare naturala deoarece radioactivitatea sa are timpul de injumatatire de 12,36 ani si pentru aceasta este necesar sa fie produs .Intr-un reactor nuclear de fuziune ,neutronii care poarta 80% din energia produsa vor fi absorbiti de manta care converge catre partea centrala a reactorului ,unde litiu va fi transformat in tritiu si heliu .

Litiul natural(92%7Li y 7,5%6Li) este un element care se gaseste din abundenta in scoarta terestra(30 ppm) in timp ce concentratii mai mici se gasesc si in mari .Lungimea mantalei trebuie sa fie suficient de mare pentru aincetini neutronii(avand 14MeV) care sunt produsi in procesul de fuziune .Neutronii se combina cu litiu pentru aforma tritiul .In procesul de incetinire a neutronilor mantaua se incalzeste si agentul de racire care circula prin ea ,transfera caldura spre o zona exterioara reactorului unde este utilizat pentru vaporizarea apei care in final este transformata in energie electrica printr-o tehnica conventionala.

Folosirea combustibilului deuteliu pur este un obiectiv care are urmatoarele avantaje:nu este radioactiv ,nu este necesara folosirea unei mantale din ce in ce mai maripoentru producerea energiei si induce un nivel scazut de radioactivitate in componentele structurii .Reactia produce heliu-3 si un neutron sau tritiu si un proton :

Reactia deuteliu-heliu-3 este atractiva pentru ca nu produce neutroni .Heliu-3 este rar pe Pamant ,dar se gaseste din abundenta pe Luna.

FUZIUNEA PLASMEI

Pentru a invinge respingerea electrostatica dintre nucleii care nu vor sa fuzioneze decat incondtii de laborator este necesara incarcarea lor cu multa energie ;aceasta poate fi realizata prin incalzirea lor la temperaturi foarte inalte .

In aceste conditii materia este intr-o stare gazoasa si are un comportament colectiv de ionizare care se cheama plasma .99% din Univers este format din plasma sau materie ionizata ,dar in natura exista omare varietate de plasme care nu au neaparat conditiile de temperatura ridicata necesara pentru fuziune .

Pentru a obtine un rezultat net pozitiv in reactorul de fuziune esta necesar ca plasma sa fie incalzita la temperaturi ridicate si sa marim densitatile n de ordinul 10²⁰ particule/m³ ,intr-un timp Tau_E care este de ordinul secundelor .Adica produsul n*Tau_E trebuie sa fie mai mare decat o valoare minima data de criteriul Lawson la temperaturi de ordinul sutelor de milioane de grade .Scopul final al realizarii fuziunii este este realizarea conditiilor de explozie pentru a pastra plasma fierbinte intr-o maniera sustinuta .Intr-un reactor cu deuteliu-tritiu energia cinetica a deseurilor de heliu va mentine temperatura necesara pentru continuarea reactiilor fara cerere de incalzire externa .

Doua experimente realizate in vederea atingerii acestui scop sunt investigate :fuziune prin limitare magnetica prin care plasma fierbinte este limitata prin campuri magnetice care se comporta ca o capcana magnetica pentru particulele incarcate ale plasmei ;in aceasta schema n=10²⁰m^-3 si Tau_E=1pana la 5 secunde ;fuziune prin limitare inertiala ,in care ocapsula de un minut de combustibil este puternic comprimata (cu mai mult de 1000 de ori densitatea fluidului) pana ce combustibilul se aprinde in interiorul capsulei si flama se propaga catre exterior unde combustibilul este mai rece .Faza de ardere dureaza doar atata timp cat combustibilul este limitat de propria inertie .Limitarea inertiala nu poate fi stationara - in acast caz n=10³¹m^-3 si Tau_E=10^-11s ; Tau_E reprezinta timpul de expansiune libera a materiei.

Una din caracteristicile plasmei este ca poate fi izolata prin campuri magnetice .Efectiv particulele incarcate din plasma sunt fortate sa descrie traiectorii spirale in jurul liniilor de camp magnetic.

Ecuatia miscarii particulei este :

m=

m-masa particulei

e-incarcaturi(potential,tensiune)

c-viteza luminii

Componenta paralela a lui V cu B nu este afectata de B dar particula se misca circular in jurul lui B centrata pe o linie de camp cu oraza rL

V₁-componenta perpendiculara pe B

Suma miscarilor circulare si a translatiei de-alungul lui B cu viteza v ,provoaca otraiectorie elicoidala cu un moment magnetic

unde

Momentul electric al particulei se conserva astfel incat energia magnetica aparticulei creste odata cu campul magnetic .

Cu toate acestea ciocnirile dintre particule se produc in zone si suprafeta din jurul liniilor de camp magnetic ,rezultand intr-o pierdere asociata de izolare magnetica .Aceste ciocniri sunt inevitabile ,dar ele nu impiedica ca particulele sa ramana izolate .

In prezent cercetarea in domeniul fuziunii prin izolare magnetica este cea mai avansata cu privire la constructia unui reactor defuziune.