Discuţie:Fizica nucleara

De la Concurs incarcare cartela gratis

 Această disciplină se conturează din 1803 prin descoperirile științifice ale lui John Dalton (fizician și chimist englez). El a teoretizat faptul că toate elementele tabelului periodic a lui Dimitri Mendeleev au în structura lor atomi. În 1896, este descoperită radioactivitatea de către Henri Becquerel. Studiul radioactivității atomilor, aprofundat de Marie Curie și Ernest Rutherford, a determinat descoperirea faptului că aceștia au o structură internă, că sunt compuși din ceva. În [1919], Rutherford descoperă prezența protonilor, iar în anul 1939, James Chadwick descoperă și dovedește existența neutronilor în atom. În aceeași perioadă, Werner Heisenberg, fondatorul mecanicii cuantice, avansează teoria conform căreia atomii sunt constituiți din protoni și neutroni.
[modifică]Structura

Structura unui atom este formată din:
câmp electromagnetic unde se găsesc Z electroni grupați în jurul unui nucleu
nucleu, format din nucleoni – denumire generică pentru:
protoni (Z)
2 up quarkuri și 1 down quark
neutroni (N = A – Z)
1 up quark și 2 down quarkuri
Protonii sunt particule încărcate cu energie elementară pozitivă și sunt compuși din două up quarkuri și un down quark. Numărul acestora în atom determină elementul chimic. Masa protonului este de 938 MeV. Sarcina electrica este 1,60x10-19 columbi.
Neutronii nu au valență energetică, valență nulă și sunt compuși dintr-un up quark și două down quarkuri. Numărul de neutroni, determină izotopul elementului chimic. Masa neutronului este de 940 MeV.
[modifică]Detalii
În interiorul atomului există un câmp electric în jurul nucleului. Protonii și neutronii (nucleoni) se află în interioriul nucleului. În câmpul electromagnetic se găsesc un număr Z de electroni pentru a se asigura neutralitatea electrică a nucleului. Dacă numărul electronilor nu este egal cu cel al protonilor, atunci este un ion, pozitiv sau negativ. Numărul nucleilor în atom determină masa atomică a acestuia, notată cu A.
Protonii, neutronii șl electronii fac parte din clasa de fermioni, având spin semiîntreg. Interacțiunea nucleară forte / tare, cea mai puternică din cele patru forțe naturale ale fizicii, are rolul de a menține o coeziune în interiorul nucleului. Cuantica chromodinamică se ocupă cu studiul forței exercitate în interiorul nucleilor. Datorită scalei microscopice, pentru fizica nucleară este folosită mecanica cuantică – știința care se ocupă cu studiul fenomenelor la scară atomică.
Atomii cu același număr de ordine dar cu masă atomică diferită se numesc izotopi, care au proprietăți chimice identice. Pe când prorietățile fizice ale izotopilor sunt diferite acestea fiind influențate de numărul atomic diferit.
Unitate de măsură utilizată în fizica nucleară:
In lungime: 1 fermi = 1 fm = 10-15 m
Energie: 100 keV - 100 MeV
[modifică]Reacții nucleare

Prin aprofundarea practică a fizicii nucleare, s-au identificat mai multe tipuri de reacții nucleare:
fuziune nucleară
Fuziunea nucleară constă în contopirea a două sau mai multe nuclee atomice mai ușoare, într-unul mai mare și mai greu.
fisiune nucleară
Un nucleu greu se scindează în mai multe fragmente – nuclee atomice – mai ușoare, având o masă comparabilă.
difuzie nucleară
radioactivitate
Termenul de radioactivitate a fost inventat de Marie Curie în 1898. Radioactivitatea este un fenomen fizic rezultat din dezintegrarea unui nucleu atomic. Prin dezintegrare, se degajă energia sa sub diferite forme și se propagă, acestea numindu-se radiații. La ora actuală se cunosc radiații de tip: alfa – α, beta – β și gamma – γ. Expunerea la radiații puternice a oamenilor, a animalelor sau a vegetației, poate cauza probleme de sănătate sau moartea vietății supuse.
reacția de tip knock-out

 Centrala Nucleară de la Cernavodă este unica din România.

În prezent (2007) funcționează unitățile I și II, ce produc împreună circa 18% din consumul de energie electrică al țării.

Planul inițial, datând de la începutul anilor 1980, prevedea construcția a cinci unități. Unitatea I a fost terminată în 1996, are o putere electrica instalata de 706 MW si produce anual circa 5 TWh. Unitatea II a fost pornită pe 6 mai, conectată la sistemul energetic național pe 7 august și funcționează la parametrii normali din luna septembrie 2007.

Reactoarele nucleare de la Cernavodă utilizează tehnologia canadiană cunoscută sub acronimul CANDU. Apa grea, folosită drept moderator, este produsa la ROMAG PROD Drobeta-Turnu Severin.sursa: http://ro.wikipedia.org/wiki/Centrala_Nuclear%C4%83_de_la_Cernavod%C4%83

În mod cu totul exceptional, când nivelul Dunării scade mult, iar apa de răcire nu mai poate fi pompată în instalațiile de răcire, reactoarele trebuie oprite. Acest lucru s-a întâmplat, de exemplu, în august-septembrie 2003, când centrala a fost oprită timp de trei săptămâni.

Pentru realizarea Unităților 3 și 4 de la Cernavodă a fost ales modelul unei Companii de Proiect realizată prin parteneriat între statul roman prin intermediul Nuclearelectrica și investitori privați. Cei șase investitori care au depus oferte și au fost selectați sunt: Arcelor Mittal România care va deține 6,2 din acțiunile viitoarei companii, Grupul CEZ Republica Cehă – 9,15%, ENEL Italia – 9,15%, GDF Suez – 9,15%, Iberdrola Spania – 6,2% și RWE Germania – 9,15%, în condițiile în care statul roman va deține 51% din acțiuni. Compania de proiect numita EnergoNuclear a fost înființată în martie 2009, iar cele două unitați se estimează că vor fi puse în funcțiune în 2015-2016. sursa:  http://ro.wikipedia.org/wiki/Centrala_Nuclear%C4%83_de_la_Cernavod%C4%83

Reactorul nuclear este o instalație în care este inițiată o reacție nucleară în lanț, controlată și susținută la o rată staționară (în opoziție cu o bombă nucleară, în care reacția în lanț apare într-o fracțiune de secundă și este complet necontrolată).

Reactoarele nucleare sunt folosite pentru numeroase scopuri. Cea mai semnificativă utilizarea curentă este pentru generarea de putere electrică. Reactoarele de cercetare sunt folosite pentru producerea de izotopi și pentru experimente cu neutroni liberi. Din punct de vedere istoric, prima folosire a reactoarelor nucleare a fost producerea plutoniului pentru bomba atomică. O altă utilizare militară este propulsia submarinelor și a vapoarelor (deși aceasta presupune un reactor mult mai mic decât cel folosit într-o centrală nuclearo-electrică).

În mod curent, toate reactoarele nucleare comerciale sunt bazate pe fisiunea nucleară și sunt considerate problematice datorită nesiguranței lor și riscurilor asupra sănătății. Din contra, alții consideră centrala nucleară ca fiind o metodă sigură și nepoluantă de generare a electricității.

Instalația de fuziune este o tehnologie bazată pe fuziunea nucleară în locul fisiunii nucleare.

Există și alte instalații în care au loc reacții nucleare într-o manieră controlată, incluzând generatoarele termoelectrice radioizotope și bateriile atomice, care generează căldură și putere exploatând dezintegrările radioactive pasive, cum ar fi, de exemplu, instalațiile Farnswoth-Hirsch de producere a radiațiilor neutronice. sursa: http://ro.wikipedia.org/wiki/Reactor_nuclear 

Aplicații

Principalele aplicații ale reactoarelor nucleare sunt:

În centrale nuclearo-electrice: producție de căldură pentru generare de electricitate; producție de căldură pentru încălzire domestică și industrială; producție de hidrogen; la desalinare.

În propulsia nucleară: pentru propulsie nucleară marină; există propuneri pentru rachete termonucleare; există propuneri pentru rachete propulsate prin puls nuclear.

În transmutație de elemente: la producția de plutoniu, adesea pentru utilizarea în arme nucleare; la obținerea diverșilor izotopi radioactivi, cum ar fi americiu pentru detectorii de fum, respectiv cobalt-60, molibden-99 și alții, folosiți în medicină.

În cercetare: pentru asigurarea unei surse de radiație cu neutroni și pozitroni (cum ar fi pentru Analiza cu activare neutronică și Datarea cu potasiu-argon); pentru dezvoltarea de tehnologii neclare. sursa:   http://ro.wikipedia.org/wiki/Reactor_nuclear     

Scurt istoric

Deși omenirea a îmblânzit recent puterea nucleară, primele reactoare nucleare au apărut în mod natural. Cincisprezece reactoare de fisiune naturale au fost găsite în trei depozite separate de minereu la mina Oklo din Gabon, în vestul Africii. Descoperite pentru prima dată de Francis Perrin, acestea sunt numite ca „Reactoarele Fosile Oklo”. Aceste reactoare funcționează de aproximativ 150 milioane de ani, având o putere medie de 100 kW. De asemenea, emisia de căldură, lumină și radiații de la stele se bazează pe fuziunea nucleară. Conceptul unui reactor nuclear natural a fost teoretizat încă din 1956 de Paul Kurola la University of Arkansas.

Enrico Fermi și Leo Szilard, ambii de la University of Chicago, au fost primii care au construit o pilă nucleară și au prezentat o reacție în lanț controlată, pe 2 Decembrie 1942. În 1955 ei și-au împărțit patentul de invenție pentru reactorul nuclear U.S. Patent 2.708.656. sursa: http://ro.wikipedia.org/wiki/Reactor_nuclear

Primul reactor nuclear a fost utilizat pentru a genera plutoniu pentru bomba nucleară. Alte reactoare au fost folosite în navigație pentru propulsarea submarinelor și chiar avioane. La mijlocul lui 1950 Uniunea Sovietică și țările vestice și-au extins cercetările pentru a include și utilizarea nemilitară a atomului. Totuși, ca și programul militar, multe din lucrările nemilitare au fost făcute în secret.

Pe 20 Decembrie 1951, în SUA, a fost generat pentru prima dată curent electric folosind putere nucleară la Experimental Breeder Reactor-I (EBR-1) localizat lângă Arco, statul Idaho. Pe 26 Iunie 1954, la ora 5:30 a început să genereze curent electric prima centrală nucleară sovietică, la Obninsk, Kaluga Oblast. Ea a produs 5 MW, asigurând electricitate pentru 2.000 de case.

Prima centrală nucleară de tip comercial din lume a început să funcționeze pe 17 Octombrie 1956, la Calder Hall. Un alt reactor de putere timpuriu a fost Shippingport Reactor în Pennsylvania (1957).

Chiar înainte de accidentul din 1979 d la Three Mile Island, au fost oprite unele comenzi pentru centrale nucleare în USA din rațiuni economice legate în primul rând de durata lungă de construcție. De altfel din 1978 nu s-au mai construit centrale în SUA; situația s-ar putea schimba după 2010. sursa:  http://ro.wikipedia.org/wiki/Reactor_nuclear     

Spre deosebire de accidentul de la Three Mile Island, accidentul din 1986 de la Cernobîl nu a înăsprit reglementările cu privire la reactoarele din Vest. Acesta deoarece reactoarele de la Cernobîl, de tip RBMK, erau cunoscute ca având un proiect nesigur, fără clădiri de siguranță și operate nesigur, iar Vestul auzite prea puține despre ele. Au fost și precipitări politice: Italia a ținut un referendum în anul următor, 1987, ale cărui rezultate au condus la oprirea a patru centrale nucleare.

În 1992 centrala turcească Turkey Point Nuclear Generation Station a fost lovită direct de uraganul Andrew. Au fost pagube de peste 90 milioane de dolari, cele mai mari la un rezervor de apă și un coș de fum al unei unități funcționând cu combustibili fosili, dar clădirile de protecție nu au avut de suferit.

Prima structură de dezvoltare a sistemelor nucleare de putere utilitare, și anume US Navy, este singura din lume cunoscută ca având o activitatea total curată. US Navy a operat mai multe reactoare decât orice altă entitate, chiar și Soviet Navy, fără incidente majore făcute publice. Două submarine americane, USS Scorpion și Thresher au fost pierdute în mare, din motive ce nu au avut legătură cu reactoarele lor, epavele lor fiind astfel situate încât riscul de poluare nucleară este considerat scăzut.

sursa: http://ro.wikipedia.org/wiki/Reactor_nuclear  

Perspective de viitor

În 2006, centrala Watts Bar 1, era ultimul reactor nuclear comercial operațional pus în funcțiune, în 1997. Acest fapt este adesea citat ca o dovadă a succesului campaniei mondiale pentru închiderea treptată a centralelor nucleare. Oricum, rezistența politică față de centralele nucleare a avut din când în când succes în diferite părți ale Europei, în Noua Zeelandă, în Filipine și în Statele Unite. Cu toate acestea, în SUA și Europa au continuat investițiile în cercetări privind ciclul combustibilului nuclear și, deși unii experți prezic viață scurtă electricității, creșterea prețului combustibilului fosil și preocuparea legate de actualele emisii de gaze și efectul de seră vor înnoi cererea de centrale nucleare. sursa: http://ro.wikipedia.org/wiki/Reactor_nuclear  

Multe țări rămân active în dezvoltarea centralelor nucleare, incluzând aici: Japonia, China și India, toate trei dezvoltând atât tehnologii termice cât și reproducătoare, Coreea de Sud și Statele Uite, ambele dezvoltând numai tehnologii termice, și Africa de Sud și, din nou, China, dezvoltând versiuni ale reactorului de tip PBMR (Pebble Bed Modular Reactor = Reactor modular cu strat granular). Finlanda și Franța își continuă în mod activ programele nucleare; Finlanda are în construcție un nou European Pressurized Reactor. Japonia are un program activ de construcții pentru noi unități ce a început din 2005. În Statele Unite, trei consorții au răspuns încă din 2004 solicitării Department of Energy (Departamentului de Energie) privind Programul Energetic Nuclear 2010 în vederea construirii inclusiv a unui reactor de generația a IV-a, tip VHTR, destinat producerii de electricitate și hidrogen. Pe 22 Septembrie 2005, s-a anunța deja selectarea a două locații din SUA destinate construirii de noi reactoare. Centralele nucleare reprezintă un interes particular pentru China și India, ambele construind reactoare de tip FBR. În politica energetică a Marii Britanii se prevede construirea în viitor cel puțin a unei noi centrale nucleare și menținerea și prelungirea duratei de viață a celor existente deja.sursa: http://ro.wikipedia.org/wiki/Reactor_nuclear  

Tipuri de reactoare

Deși s-au dezvoltat diferite tehnologii de realizare a reactoarele nucleare de fisiune, acestea pot fi împărțite riguros în două clase, depinzând de energia neutronilor utilizată pentru a susține reacția de fisiune în lanț:

•Reactoarele termice (lente) folosesc neutroni termici. Acestea sunt caracterizate ca având materiale de moderare care sunt destinate încetinirii neutronilor până când aceștia ajung la nivelul mediu al energiei cinetice al particulelor din mediul înconjurător. Neutronii termici au o probabilitate mare de ciocnire cu nucleele fisionabile de 235U și, comparativ cu neutronii rapizi rezultați din fisiune, o probabilitate mică de captură din parte nucleelor de 238U. Pe lângă moderator, reactoarele termice au combustibil încapsulat, vase sub presiune, scuturi și instrumentație de monitorare și control pentru toate sistemele reactorului. Multe reactoare de putere de acest tip, ca și primele reactoare de producere a plutoniului au fost reactoare termice având moderator de grafit. Unele reactoare sunt mai termalizate decât altele. Centralele moderate cu grafit (de exemplu reactoarele rusești RBMK) și apă grea (de exemplu reactorul canadian CANDU) tind să fie mult mai termalizate decât cele de tip PWR și BWR, acestea din urmă utilizând ca moderator apa ușoară; datorită gradului mai înalt de termalizare, reactoarele de acest tip trebuie să folosească uraniu natural (neîmbogățit). sursa: http://ro.wikipedia.org/wiki/Reactor_nuclear  

•Reactoarele rapide (FBR) folosesc neutroni rapizi pentru a întreține reacția de fisiune în lanț și sunt caracterizate prin lipsa materialului de moderare. Ele funcționează cu combustibil (uraniu) puternic îmbogățit sau plutoniu, pentru a reduce procentul de U-238 care ar captura neutronii rapizi. Unele reactoare sunt capabile să producă mai mult combustibil decât au consumat, în mod uzual convertind U-238 în Pu-239. Unele stații de putere timpurii au folosit reactoare rapide, cum ar fi cele folosite la propulsia unor submarine și vase rusești, altele se află încă în construcție, dar acest tip de reactor nu a egalat succesul reactoarelor termice în nici un domeniu. sursa: http://ro.wikipedia.org/wiki/Reactor_nuclear  

Reactoarele termice de putere pot fi împărțite și ele în trei tipuri și anume: cu vas de presiune, cu canale combustibile presurizate, respectiv cu răcire cu gaz.

Reactoare cu vase de presiune se întâlnesc în multe centrale comerciale dar și în propulsia unor nave. În acest tip de reactor termic, vasul de presiune joacă, în același timp, și rolul de scut de protecție și, respectiv, de container pentru combustibilul nuclear. Ca scut protector, vasul (recipientul) de presiune este destinat asigurării reactorului nuclear contra cutremurelor sau/și bombardamentelor. El trebuie să fie atât de robust construit, încât în situațiile critice menționate nu are voie nici crăpături (fisuri) să obțină. sursa: http://ro.wikipedia.org/wiki/Reactor_nuclear  

Canalele presurizate sunt folosite în reactoarele de tip RBMK și CANDU. Reactoarele de acest tip prezintă avantajul de a putea fi aprovizionate (încărcate) cu combustibil proaspăt chiar în timpul funcționării.

Reactoarele răcite cu gaz folosesc (prin recirculare) un gaz inert, de obicei heliu, dar pot utiliza și azot sau bioxid de carbon. Utilizarea căldurii variază de la reactor la reactor. Unele reactoare trimit căldura în turbine cu gaz, direct sau prin intermediul unui schimbător de căldură. Reactorul de tip PBMR, de exemplu, este răcit cu gaz.

Atâta timp cât apa servește ca moderator, ea nu poate fi folosită ca fluid de răcire în reactoarele rapide. Cele mai multe reactoare rapide sunt răcite cu metal lichid, de obicei sodiu topit. Ele sunt de două tipuri: cu piscină, respectiv cu buclă. Sistemul de răcire al unui reactor nuclear trebuie să multiplu asigurat. Această siguranță multiplu realizată este imperios necesară, findcă în cazul unei nerăciri a unui reactor în funcțiune se poate ajunge, din cauza supraîncălzirii sale rapide, la topirea reactorului ceea ce ar fi o catastrofă]] nucleară (atomică).sursa: http://ro.wikipedia.org/wiki/Reactor_nuclear