Reactorul nuclear

Pentru ca un reactor nuclear să fie funcțional trebuie să conțină o masă critică de combustibil, adică o cantitate de combustibil nuclear ce poate asigura o reacție de fisiune în lanț critică și staționară (k=1).

Principalele elemente ale reactorului nuclear sunt:

1. Barele de combustibil;
2. Moderatorul (apă grea, grafit, beriliu, etc.) cu rol de a încetini neutronii rapizi;
3. Reflectorul (beriliu, grafit, etc.) cu rol de a nu permite neutronilor să părăsească incinta reactoruliu.
4. Barele de control (bor, cadmiu) cu rol de a controla reacția nucleară;
5. Sistemul de răcire scoate eenrgia termică din reactor;
6. Sistemul de protecție(beton, oțel).

Bomba nucleară

Bomba nucleară constă într-un ansamblu ce conține două sau mai multe mase subcritice de combustibil nuclear care atunci când sunt unite produc o reacție în lanț supracritică explozivă.

Reacția de fisiune în lanț

Fisiunea nucleară constă în dezintegrarea unui nucleu radioactiv cu număr de masă mare în două sau mai multe nuclee intermediare și alte particule.

$U_{92}^{235}+n_0^1\to U_{92}^{*236}\to B{a}_{56}^{114}+K{r}_{36}^{89}+3n_0^1+200MeV$

Reacția de fisiune în lanț constă în multiple generații de fisiuni care se induc una pe alta.

Coeficientul de multiplicare reprezintă raportul dintre numărul de neutroni aparținând la două genenrații succesive.

$k=\frac{număr de neutroni din generația k}{număr de neutroni din generația k-1}$

Un coeficient de multiplicare mai mic decât unitatea înseamnă o reacție subcritică ce se stinge. Un coeficient de multiplicare egal cu unitatea înseamnă o reacție critică ce se autoîntreține staționar. Un coeficient de multiplicare mai mare decât unitatea însemană o reacție supracritică ce se autoîntreține exploziv.

Coeficientul de multiplicare depinde de numărul mediu de neutroni produși pe generație, de fracția de neutroni lenți, de fracțiile de neutroni care evadează și care sunt absorbiți.

Fracția de neutroni lenți poate fi controlată cu ajutorul moderatorului, iar fracția de neutroni care evadează cu ajutorul reflectorului.

Fuziunea nucleară

Fuziunea nucleară constă în contopirea a două nuclee ușoare pentru formarea unui nucleu mai greu și emisia de energie.

$H_1^2+H_1^3\to H{e}_2^4+n_0^1+17,6MeV$

Pentru a putea realiza acest lucru este nevoie de o plasmă cu temperatura de ordinul sutelor de milioane de Kelvin.

Reactorul TOKAMAK

Reactorul TOKAMAK este un reactor de formă toroidală în interiorul căruia, sub influența unor câmpuri electromagnetice cu frecvență mare, plasma de deuteriu și tritiu suferă efectul de stricțiune se supraîncălzește și produce reacții de fuziune ce se autoîntrețin.

Neutronii rezultați în urma reacției de fuziune părăsesc torul, deoarece nu au sarcină electrică, iar energia lor cinetică poate fi colectată pentru a produce energie electrică.

Nașterea și moarte unei stele

Stelele se nasc din nori imenși de hidrogen care sub influența gravitației formează protostele (sfere masive) în interiorul cărora sub influența gravitației temperatura și presiunea ajung până la valorile care întrețin procesul de fuziune nucleară.

Pe timpul viații unei stele forțele de gravitație sunt echilibrate de forțele de presiune determinate de procesele de fuziune ce au loc în interiorul stelei. În funcție de masa stelei pe timpul vieții ei, care poate fi de miliarde de ani, în interiorul stelei au loc reacții succesive de fuziune în care hidrogenul se transformă în heliu, apoi heliul în carbon, carbonul în oxigen, siliciu sau fier.

Când fuziunea determină formarea în stea a elementelor chimice cu mase ce corespund platoului de stabilitate, reacțiile de fuziune nu mai pot învinge forțele de gravitație și steaua colapsează. În funcție de masa sa, o stea poate sfârși ca pitică albă care se stinge până la urmă, stea neutronică sau gaură neagră. Stelele neutronice și găurile negre apar în urma exploziei stelelor masive, explozii numite supernove.