10. Reactorul nuclear. Deseurile radioative. Atenuarea radioactiva. Interactiunea radiatiilor radioactive α, β si γ cu semiconductori. Generatorul nuclear fototermoelectric.

Transmutatiile radioactive naturale precum si reactii nucleare produse artificial, prin reactii de fisiune nucleara au ca rezultat, degajarea unor mari cantitati de energie pe unitatea de masa a substantei cu care reactioneaza.

Posibilitatea utilizarii energiei nucleare s-a realizat o data cu descoperirea fisiunii nucleare si procedeul obtinerii reactiei in lant. Reactia nucleara continua si reglabila se realizeaza in reactori nucleari (pilele atomice).

In reactoare se utilizeaza uraniu ²³⁵₉₂U. Conditia necesara pentru decurgerea reactiei nucleare in lant este masa suficienta de uraniu din reactor.

Neutronii care se formeaza in procesul reactiei nucleare, pot iesi prin suprafata uraniului afara si participa la dezvoltarea reactiei in lant.

Pentru ca fractiunea de acesti neutroni sa fie mica, in comparatie cu volumul lui, trebuie ca masa uraniului din reactor sa fie suficient de mare si sa depaseasca o anumita masa critica. Pe de alta parte, pentru ca reactia sa nu decurga prea violent, trebuie reglat numarul de neutroni, nepermitandu-i s“ creasca prea mult. Aceasta se realizeaza printr-o absorbtie a neutronilor termici excedentari cu ajutorul unor elemente ca borul (B) si cadmiul (Cd).

Un reactor nuclear este alcatuit din: - spatiul in care sunt asezate blocurile de uraniu (²³⁵₉₂U) si de moderatori (de obicei, grafit) A, - reflectorul de neutroni care au parasit spatiul in care se desfasoar“ reactia B, - strat de protectie care protejeaza spatiul inconjurator de actiunea radiatiilor emise in timpul desfasurarii reactiei nucleare C, - bare de cadmiu (Cd) sau bor (B) D si E care sunt introduse in volumul A si incetinesc reactia de fisiune nucleara. Introducerea barelor se face in mod automat, imediat ce puterea reactiei nucleare depaseste o anumita limita. Apa este folosita pentru racirea blocurilor de uraniu, iar aburul rezultat din fierberea apei pune in miscare turbina unui generator electric care produce energie electrica.

Aceasta ar fi un aspect al obtinerii energiei in reactoarele nucleare, dar cel mai trist aspect il constituie problema deseurilor nucleare radioactive si stocarea lor.

O uzina de preparare a minereurilor radioactive sau o centrala electrica nucleara, in afara de elementul utilizabil, produce si o cantitate imensa de produse secundare sau inutilizabile, denumite deseuri radioactive. Se stie ca,deseurile radioactive ca si minereul sau substanta radioactiva constituie un pericol pentru sanatatea omului.

Gradul de periculozitate se datoreaza duratei, uneori chiar mii de ani in care deseurile isi pastreaza proprietatile radioactive.

Depozitarea deseurilor radioactive este o problema mondiala si de actualitate, ca sa nu mai vorbim de accidentele grave produse prin explozia unor astfel de centrale nucleare sau numai prin deteriorarea unor accesorii din instalatiile complexe ale acestor centrale nucleare.

Explozia centralei nucleare de la Cernobal din fosta U.R.S.S. a produs o catastrofa ecologica radioactiva de proportii incalculabile, afectand peste 5 000 000 de oamenii din multe partii ale Europei.

La exact doua zile dupa aceasta catastrofa radioactiva, cineva s-a gandit sa organizeze Crosul Olimpic la Bucuresti. Foarte multi oameni au participat la acest Cros Olimpic, insotiti de rude si prieteni. Practic a fost o alergare care pornit din Piata Presei Libere, iar sosirea s-a facut la o scoal“ din cartierul Pajura. O cursa care a avut loc pe un traseu de aproximativ un kilometru.

Organizatori au stabilit pornirea cursei la ora 8 dimineata, dar plecarea in cursa a avut loc la ora 13.

Semnalul de pornire l-a dat insasi presedintele Comitetului Olimpic European, cetatean de origine rusa care ne-a scos in strada din intreprinderi de la ora 6 dimineata. Cursa practic a durat 15 minute cu premiere cu tot.

A fost o organizare total neinspirata pentru acel moment, deoarece zeci de mii de Bucuresteni au stat intr-o ploaie radioactiva mai mult de 7 ore pentru a alerga intr-o cursa a imbolnavirilor cu reziduuri radioactive scapate in urma exploziei nucleare de la Cernobal.

Nici acum dupa zecii de ani de la aceasta catastrofa nucleara, nu inteleg la ce a folosit acel Cros Olimpic?

Ce ratiunii umane a determinat scoaterea masiva a oamenilor in strada si organizarea acelei alergari?

Se stie ca, in asemenea situatii oameni trebuie sfatuiti sa stea cat mai mult timp posibil in casa, in spatii inchise si sa fie informati de pericolul imbolnaviri incurabile prin contaminarea cu radiatii si reziduuri radioactive, iar periodic sa raporteze evolutia radioactivitatii nucleare din atmosfera si numai la scaderea intensitati radioactive din atmosfera la parametri normali, numai atunci se putea iesi si circula cu siguranta afara din casa.

Deseurile radioactive obtinute in reactoarele nucleare sunt inchise in recipiente din materiale foarte rezistente la conditiile de impact termic si radiant.

Specialistii sunt de parere ca, cea mai sigura solutie este stocarea recipientelor in depozite geologice sapate in straturi de roca compacta la adancimi foarte mari sau stocarea lor la suprafata, in instalatii special construite si tinute sub observatie. O alta solutie este depozitarea deseurilor radioactive in adancul marilor si oceanelor.

Toate acestea constituie solutii de moment, deoarece in urma incalzirii puternice datorata dezintegrarii nucleare radioactive materialul recipientilor se deterioreaza in timp si continutul lor ar reactiona cu mediul inconjurator.

Contaminarea poate fi extrem de periculoasa pentru sanatatea omului prin acumularea elementelor radioactive in flora si fauna terestra si marina, ce constituie resursele de hrana ale omenirii.

Energia nucleara emisa de deseurile radioactive prin procesul dezintegrarii nucleare radioactive sub forma de radiatii radioactive ar putea fi absorbita de un ansamblu de baterii fototermoelectrice Bf si transformata direct in curent electric continuu.

Daca ne gandim la timpul de injumatatire in care se dezintegreaza jumatate din num“rul nucleelor atomice ale unei substante radioactive, ar rezulta ca, utilizand o asemenea sursa de energie am avea energie electrica o vreme indelungata si fara investitii uriase.

Sa presupunem ca, avem la dispozitie un gram de radiu.

Va trece un timp bine stabilit si anume 1590 ani, pana cand jumatate din nucleele existente vor fi dezintegrate, iar pana cand jumatatea de gram ramasa se va dezintegra iarasi, vor mai trece alti 1590 ani si asa mai departe.

Se cunoaste faptul ca, radiatiile radioactive care trec prin anumite substante sunt atenuate.

Radiatia care trece printr-un strat subtire de substanta ii scade intensitatea radioactiva dI, care este proportionala cu intensitatea I la iesire din stratul cu grosimea dx al substantei strabatute.

Factorul de proportionalitate este caracteristic pentru fiecare radiatie in parte si se numeste coeficient deatenuare liniar m _l (1/cm).Astfel avem:

dI = - I .m_l. dx

Integrand aceasta ecuatie rezulta legea atenuarii:

-m_l x

I = I_o . e

unde I_o si I reprezinta numarul de particule b, respectiv g, inregistrate inainte si respectiv dupa trecerea prin stratul de grosime x.

In calcul utilizam distanta de injumatatire d_1/2.

Distanta de injumatatire d_1/2 este distanta parcursa de radiatia radioactiva in mediul atenuant pana la care intensitatea radiatiei se reduce la jumatate.

Valoarea ei se obtine din ecuatia legi atenuari, unde:

I = I_o/2

Atunci x este distanta de injumatatire

d_1/2 = 0, 693/m

La trecerea radiatiilor radioactive a, b si g prin substanta se produc mai multe fenomene de interactiune.

Pentru aceasta este necesar sa vedem fenomenele de interactiune dintre radiatiile radioactive a, b si g emise de aceste minereuri radioactive cu semiconductori.

Radiatia radioactiva a este alcatuita din pozitronii, particule subatomice inarcate din punct de vedere electric pozitiv.

In general interactiunea radiatiilor a cu substanta-materia este de o intensitate foarte redusa, poate provoca fluorescenta sau fosforescenta unor anumite substante cum ar fi, sulfura de zinc, ionizeaza aerul si gazele facandu-le bune conducatoare de electricitate si strabat straturi foarte subtiri de corpuri opace pentru lumin“.

1- Ionizarea. La trecerea prin semiconductori particulele a pozitronii se ciocnesc cu atomii acestuia, iar in urma ciocnirii, pierd o parte din energie ducand la ionizarea atomilor intalniti in calea lor.

Radiatia radioactiva b este formata din electroni subatomici (identici cu cei din invelisul electronic al atomului), particule incarcate din punct de vedere electric negativ.

Interactiunea radiatiei b cu semiconductori este de trei feluri:

1- Ionizarea. La trecerea prin semiconductori particulele radiatiei b (electronii) se ciocnesc cu atomii acestuia, iar in urma ciocnirii, pierd o parte din energie (franare prin ionizare) ducand la ionizarea atomilor intalniti in calea lor.

2 - Imprastierea. Particulele radiatiei b ciocnindu-se de atomii semiconductorilor isi schimba directia de deplasare.

3 - Radiatia. Particulele radiatiei b trec prin campul columbian al nucleului atomic al semiconductorilor, unde sunt franate in interiorul sau de un nucleon care va emite o radiatie X sau Rontgen.

Radiatia radioactiva g este alcatuita din neutrini, particule neutre din punct de vedere electric care formeaza radiatia radioactiva g moale si fotoni nucleari, particule neutre din punct de vedere electric care formeaza radiatia radioactiva g dura.

Interactiunea fotonilor nucleari g cu semiconductori, cu particulele atomice din care sunt compusi acestia este identica cu interactiunea electronilor si afotonilor nucleari X, indiferent de substanta sau materia cu care interactioneaza.

1 - Efectul fotoelectric (absorbtie). Particulele radiatiei g smulg electroni din stratul K sau L, consumandu-si complet energia. Electronii eliberati se numesc fotoelectroni.

2- Efectul Compton (imprastiere). Particulele radiatiei g se ciocnesc de electronii invelisului electronic al atomului pe care ii smulg din structura atomului, trasmitandu-i numai o parte din energia sa. Particulele radiatiei g sunt deviate de la directia lor initiala, avand o frecventa mai mica E' = hn'.

Electronii smulsi din invelisul electronic, in urma ciocniri lor cu particulele radiatiei g se numesc electroni Compton.

3 - Formarea de perechi. Interactiunea fotonilor g cu nucleonii, respectiv protonii si neutronii va genera perechi de particule subatomice.

In cazul interactiunii fotonilor nucleari g (o) cu protonii, acestia emit perechi de particule electroni (-e)-pozitroni (+e) si se transforma in neutroni si trec de pe orbita fundamentala pe o orbita superioara, iar datorita acestei interactiuni atomul a trecut din starea fundamentala in starea de excitatie.

Electroni (-e) sunt particule incarcate din punct de vedere electric negativ si formeaza radiatiile b, iar pozitroni (+e) sunt particule incarcate din punct de vedere electric pozitiv si alcatuiesc radiatiile a.

Aceste particule avand sarcini electrice diferite se atrag si se neutralizeaza reciproc printr-un proces de anihilare A, in urma caruia rezulta doua particule (o) neutre din punct de vedere electric care sunt emise sub forma unor cuante de radiatii g moi care sunt identice si au caracteristici asemanatoare cu radiatiile g radioactive emise de nuclee atomice in procesul dezintegrari nucleare radioactive.

La revenirea neutronilor de pe orbita superioara, pe orbita fundamentala, acestia emit fotonii nucleari (of) gd duri si diferenta de energie dintre cele doua orbite nucleare.

In cazul interactiunii fotonilor nucleari g (o) cu neutronii, acestia emit perechi de particule electroni (-e)-neutrini (_on) si se transforma in protoni si trec de pe orbita fundamentala pe o orbita superioara.

Electroni (-e) sunt particule incarcate din punct de vedere electric negativ formeaza radiatiile b, iar neutrini (_on) fiind particule neutre din punct de vedere electric alcatuiesc radiatiile g moi.

Protoni nu au o situatie stabila pe aceasta orbita superioara si revin pe orbita fundamentala, emitand fotonii nucleari (of) gd duri si diferenta de energie dintre cele doua orbite nucleare.

In acest caz, atomul trece din starea de excitatie in starea fundamentala.

Fotonii nucleari emisi sunt particule neutre din punct de vedere electric si reprezinta diferenta de energie dintre cele dou“ orbite.

Din aceasta prezentare rezulta ca, radiatiile radioactive a, b si g sunt alcatuite din particule inarcate din punct de vedere electric sau neutre din punct de vedere electric:

- pozitronii, particule subatomice care au sarcina electrica pozitiva

- electronii, particule subatomice care au sarcina electrica negativa

- neutrini, particule subatomice neutre din punct de vedere electric

- fotoni nucleari, particule neutre din punct de vedere electric.

Toate aceste particule interactioneaza cu substanta care este alcatuita din molecule, atomi care la randul lor sunt constituite tot din particule incarcate din punct de vedere electric sau neutre din punct de vedere electric, respectiv:

- electronii din invelisul electronic al atomului care sunt incarati din punct de vedere electric negativ

- protoni care au sarcina electrica pozitiva

- neutronii care sunt neutri din punct de vedere electric.

In acest caz, interactiunea sarcinilor electrice pozitive, negative si neutre a radiatiilor radioactive a, b si g cu particulele semiconductorilor din bateriile fototermoelectrice va produce absorbtia si transformarea lor in curent electric continuu.

In cazul deseurilor nucleare radioactive trebuie sa se aiba in vedere faptul ca, acestea au o radioactivitate mai redusa, decat cea a unui minereu sau preparat nuclear radioactiv, iar interactiunea lor cu celulele panourilor fototermoelectrice nu afecteaza in mod substantial randamentul unei astfel de interactiuni si transformari.

Cunoscand toate acestea putem construi un generator nuclear, folosind bateriile fototermoelectrice care absorb si transforma deseurile nucleare radioactive in curent electric continuu.

Un astfel de generator nuclear fototermoelectric se compune din: - deseurile, minereu sau substanta radioactiva 1, - glob confectionat din cuart care este transparent pentru orice tip de radiatie electromagnetica in care se depun deseurile sau materiale radioactiv 2, - suportul metalic format din opt tije metalice reglabile de sustinere a globului de cuart 3, - ansamblul de baterii fototermoelectrice 4, - bornele electrice ale bateriilor fototermoelectrice 5, - primul strat protector 6, - al doilea strat protector care constituie si carcasa generatorului nuclear fototermoelectric 7.

Am facut precizarea ca, in acest generator nuclear se poate folosi ca agent energetic deseurile radioactive rezultate in urma unor reactii de fisiune nucleara produse in reactoare nucleare, dar la fel de bine se poate utiliza si minereu de radiu (Ra) care este un metal moale argintiu si care are o luminescenta vizibila chiar la lumina zilei sau a altor metale sau substante capabile sa emit“ energia nucleara radioactiva.

Deseurile sau minereurile radioactive se gasesc in partea interioara a generatorului nuclear fototermoelectric si sunt stocate, inmagazinate in globul de cuart care este montat pe un suport de sustinere care se gaseste in mijlocul ansamblului de baterii fototermoelectrice in zona activa.

Generatorul nuclear fototermoelectric intra in stare de functiune odata cu introducerea globului de cuart umplut cu deseuri, minereu sau substante radioactive in interiorul ansamblului de baterii fototermoelectrice. Temperatura de lucru in interiorul generatorului este mai ridicata decat a mediului inconjurator, datorita faptului ca, procesul dezintegrari nucleare radioactive este insotit de o degajare continua de energie.

Acest generator nuclear fototermoelectric prezinta, datorita sistemului sau de functionare o securitate si o siguranta maxima pentru protejarea oamenilor si a mediului inconjurator, impotriva radiatiilor radioactive. De asemenea, poate avea dimensiuni foarte reduse, dar aceasta nu inseamna ca, nu s-ar putea construi si generatoare de dimensiuni mai mari si cu un randament mult mai mare, atat al panourilor fototermoelectrice cat si prin folosirea unor minereuri radioactive cu grad inalt de emitenta nucleara radioactiva.

Aceste generatoare s-ar putea folosi pentru autonomia unor masini electrice, avioane, nave cosmice sau pentru alimentarea cu energia electrica a unor consumatori electrici casnici, radio, televizoare, aparate de incalzire, iluminare, etc.