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.
q1v3vq
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.
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*A1/3 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 TauE care este de ordinul secundelor
.Adica produsul n*TauE 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 TauE=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 TauE=10-11s ; TauE
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.