Energia electrica se produce la scara industriala in instalatii numite centrale electrice. In functie de tipul de energie transformata in energie electrica, cele mai importante pot fi:
termocentrale - in care se transforma energie termica, rezultata prin arderea
combustibililor;
hidrocentrale - in care se transforma energia potentiala a apei;
nuclearo-electrice - in care se transforma energia rezultata din reactiile
nucleare.
Centrala nucleara (CN)
C N
Energia necesara in aceste centrale se obtine in urma reactiilor nucleare.
Reactii nucleare - sunt transformarile suferite de nucleele atomilor unor substante,cand sunt bombardate cu particule , si neutroni.
a) daca energia de reactie Q 0, avem reactii endoenergetice, care se petrec numai cu absorbtia unei parti din energia cinetica a particulelor incidente.
b) daca energia de reactie Q 0, avem reactii exoenergetice , in care se elibereaza energie nucleara sub forma de energie cinetica, se mai numesc si reactii exoterme, deoarece se elibereaza energie si sub forma de caldura.
Intr-o reactie nucleara numarul de nucleoni care intra in reactie, este egal cu numarul de nucleoni rezultati din reactie.
Exemple: bombardarea nucleului de azot cu o particula :
147N + 42 178O + 11H unde 11H 11p, deci rezulta un izotop al oxigenului si un proton, iar reactia se numeste transmutatie nucleara.
73Li + 11p 2 42 + Q unde Q 836.109J; 94Be + 42 126C + 10n, 10n este un neutron care se transmuta.
Fisiunea nucleara
In 1934 Enrico Fermi a studiat reactii pe nuclee grele, la bombardarea acestora cu neutroni, observand ca la bombardarea uraniului apar multi produsi derivati emitatori - radioactivi. In experientele lor Joliot Curie si Savitch, stimulati de Fermi au gasit printre produsii derivati un element - activ, pe care l-au luat drept un izotop al radiului.
Otto Hahn si Strassman au incercat sa identifice acest izotop , gasind spre surprinderea lor ca activitatea - trebuie sa apartina unui nizotop de bariu si nu se lasa identificat ca radiu. In publicatia lor (ianuarie 1939) Hahn si Strassman trageau de aici concluzia , ca la bombardarea cu neutroni lenti nucleul de uraniu se scinda in doua fragmente, aproximativ egale ca marime, eliberandu-se in acest proces caldura si neutroni.
Z/2
10n 10n
10n
10n
Z/2
Q
Exemple: 10n + 23592U 14556Ba + 8836Kr + 3 10n
10n + 23592U 14054Xe + 9436Sr + 2 10n
Fisiunea - este scindarea unui nucleu greu in doua nuclee medii.
Explicatia se poate face cu ajutorul modelului picatura al nucleului - un neutron lent (termic) captat de un nucleu greu, comunica nucleonilor acestuia energia lui de legatura si energia lui cinetica (vezi figura) si ca urmare creste agitatia termica a nucleonilor, nucleul incepe sa vibreze, se alungeste invingand fortele de tensiune superficiala, pana cand fortele de respingere electrostatica dintre nucleoni , il rup in doua parti.
Energia din starea de excitare a nucleului care este supus fisiunii se numeste energie critica; de exemplu 23592U are Wc = 6,5MeV; 23892U are Wc = 7MeV. Sunt mai usor fisionabile nucleele cu un numar de masa impar (23592U, 239Pu) cu neutroni lenti si 23892U cu neutroni rapizi.
Fisiunea nucleara elibereaza o insemnata cantitate de energie, care se poate calcula prin diferenta de masa, fiind de aproximativ 200MeV; deci 1kg 23592U produce prin fisiune 8.1013J, energie care este echivalenta cu arderea a 2500tone de huila. Neutronii rezultati in urma proceselor de fisiune nucleara, dispun de o energie cinetica mare, ei putand indeplini rolul de particule proiectil, daca intalnesc in drumul lor alte nuclee fisionabile.
Reactia in lant
In fisiunea nucleelor de uraniu s-a gasit o reactie care este declansata de un neutron si care la randul ei elibereaza 1-3 neutroni; prin aceasta procesul furnizeaza proiectile noi si exista posibilitatea ca procesul de fisiune sa fie mentinut, fara alimentare cu neutroni din exterior, sub forma unei reactii continue pana la epuizarea completa a materialului fisionabil, deci avem o reactie in lant; lucru care se poate intampla la nuclee de 23592U, 23392U, 23992U unde neutronii expulzati provoaca la randul lor fisiunea altor nuclee. Uraniul natural este format dintr-un amestec de trei izotopi 23592U(0,714%), 23892U (99,28%) si 23492U(0,00548%, dar la reactia in lant participa exclusiv 23592U, dar nu toti neutronii rezultati in urma fisiunii pot produce alte fisiuni, o parte dintre ei fiind captati de nuclee impuritate, altii de nuclee de 23892U, iar alta parte ies din volumul de uraniu.
10n 10n 10n
Pentru a intretine reactia in lant, in medie cel puti unul din neutronii rezultati dintr-un nucleu, trebuie sa produca o noua fisiune. La o compozitie a materialului fisionabil aceasta conditie este cel putin egala cu o valoare, numita masa critica.
Cand mai mult de unul din neutronii expulzati dintr-un nucleu produc noi fisiuni, numarul fisiunilor in unitatea de timp creste in progresie geometrica si are loc explozia nucleara.
Daca numai un singur neutron dintr-un nucleu produce o noua fisiune, numarul fisiunilor din unitatea de timp ramane constant si atunci avem reactie in lant controlata.
Energia eliberata in urma fisiunii nucleare este de 200MeV, iar la fisiunea tuturor nucleelor dintr-un kg de uraniu, elibereaza energia de 4,7.1026MeV = 7,5.1013J, deci de 3.1016ori mai eficace decat huila.
Fuziunea nucleara
La fisiune se castiga energie, deoarece fragmentele nucleare poseda energie de legatura medie per nucleon mai mare decat a nucleului de uraniu si rezulta ideea ca energia eliberata la unirea constituientilor nucleari intr-un nucleu s-ar putea valorifica.
Fuziunea nucleara este reactia nucleara de sinteza a unui nucleu greu, mai satbil, din nuclee mai usoare.
Daca energia de legatura a unui nucleon a nucleelor initiale este mai mica decat a
Nucleului final, diferenta va fi eliberata in cadrul reactiei; acest lucru este valabil pentru nucleele usoare: 11H, 21D, 31T, 32He, 73Li, deoarece din variatia energiei de legatura per nucleon, in functie de numarul de masa A, se constata a fi, ca pana la aproximativ A = 6;
W1/A - crescator continuu si care variaza mult mai rapid in zona elementelor usoare, decat in zona elementelor grele si deci energia degajata in procesul de fisiune va fi mult mai mare decat cea din reactiile de fisiune (ex: 0,85MeV/nucleon la fisiune si 4,95MeV/nucleon la fuziune)
Pentru exemplificare dam cateva reactii de sinteza (fuziune) a unor nuclee usoare si energia eliberata:
11H + 31H 42He + 19,8MeV 31H + 21H 42He + 10n + 17,6MeV
21H + 21H 31H + 11p + 4,02MeV 21H + 21H 32He + 10n + 3,25MeV
31H + 21H 42He + 11p + 18,3MeV
Pentru a avea loc reactia de fisiune, nucleele usoare trebuie sa se apropie la o distanta mai mica de 10-15m, distanta la care apar puternic fortele de respingere coulombiana, deci nucleele care se unesc trebuie sa aiba o energie cinetica initiala mare, care se poate obtine prin cresterea temperaturii la valori mari T 5.109K, de aceea aceste reactii se mai numesc si reactii termonucleare.
Reactoare nucleare
Reactorul nuclear este un sistem in care se autointretine reactia in lant, iar energia eliberata la fisiunea nucleelor poate fi folosita in mod controlat.
Primul reactor nuclear a fost construit de Enrico Fermi in anul 1942, in orasul Chicago, iar Kurceatov in 1946 in fosta URSS.
In clasificarea reactoarelor nucleare avem mai multe criterii:
a) dupa energia neutronilor, care produc majoritatea reactiilor de fisiune, avem reactoare cu: .neutroni lenti si cu .neutroni rapizi;
b) dupa structura zonei active, avem reactoare: . omogene (in care combustibilul nuclear este amestecat cu moderatorul, care este apa, apa grea, grafitul); . heterogene (in care combustibilul nuclear este separat de moderator; apare sub forma de bare, iar combustibilul este distribuit in masa moderatorului, formand o retea geometrica regulata.
c) dupa concentratia nucleelor 23592U, avem reactoare: cu uraniu slab imbogatit (concentratie c = 1 - 2%); uraniu cu imbogatire medie (c = 5 - 10%); cu uraniu puternic imbogatit (c 50%).
d) dupa moderatorul folosit, avem reactoare cu: apa obisnuita; apa grea; beriliu; grafit; unii compusi organici.
e) dupa puterea reactoarelor, acestia pot fi: de putere zero (de la 1w la 1kw); de putere medie (1 - 50kw); de putere mare ( 100kw).
Centrale nucleare
Centralele nucleare sunt centralele in care se produce energie electrica pe baza energiei nucleare, obtinute din reactii nucleare.
Schema de principiu al unei centrale nucleare, se poate reprezenta astfel:
(energie (energie (energie termica) (energie (energie electrica)
nucleara) termica) mecanica)
Parti constructive:
Combustibilul nuclear - substanta fisionabila formata din bare de uraniu imbogatit
23592U sau izotopi artificiali ca 23994Pu, 23392U obtinuti in reactoare, ca produse secundare prin captarea de neutroni10n de catre 23892U si 23291Th; uraniu imbogatit fisioneaza mai usor dar este mai scump decat uraniul natural.
Moderatorul - este substanta in care neutronii 10n sunt incetiniti, prin ciocnirile
succesive dintre ei si nucleele moderatorului; neutronii incetiniti (lenti sau termici), produc mai usor fisiunea nucleelor 23592U si sunt captati mai greu de 23892U. Au rol de control al reactiei de fisiune. Cei mai folositi moderatori sunt: apa, apa grea, grafitul, beriliu, dar apa grea este cel mai bun moderator, ea absoarbe foarte putin neutronii, dar produce o incetinire mare a acestora. Reactia in lant este o reactie exoenergetica, rezultand o cantitate mare de caldura, care este preluata de agentul de racire.
Agentul / fluidul de racire - care circula prin reactor si transporta in exterior energia termica degajata in urma reactiei de fisiune. Ca fluid de racire se folosesc: apa, apa grea, metalele lichide, CO2, etc.
Barele de control si barele de securitate - sunt substante care absorb neutronii si sunt sub forma de bare de bor sau cadmiu.
Cuva reactorului - confectionata din otel sau fonta pentru a absorbi radiatiile emise, iar partea exterioara a reactorului este un zid gros de beton, asigurandu-se o buna protectie contra radiatiilor aparute.
Romania a fost a 11-a tara din lume, care a instalat in anul 1957 un reactor nuclear cu uraniu imbogatit (4,5kg) cu 10% 23592U sub forma de 16 bare, iar ca moderator, reflectator si agent de racire se folosea apa distilata. Acest reactor producea izotopii necesari pentru industrie, materialul fisionabil si servea la efectuarea de cercetari stiintifice in Fizica neutronilor, Fizica solidului si studiul fenomenelor referitoare la tehnica reactoarelor nucleare.
