Transcript: Reactorul nuclear. Bomba nucleară.

Un ultim concept despre care trebuie să discutăm când vorbim despre criticalitatea unei reacții de fisiune în lanț este așa numita masa critică.
Masa critică este masa minimă de combustibil nuclear care are o valoare respectivă pentru anumite condiții constructive,
pentru a vorbi foarte general, ce poate să asigure realizarea unei reacții de fisiune în lanț critică și staționar.
Deci există o masă minimă pentru a putea avea o reacție de fisiune în lanț critică și staționar.
Ea depinde de modul în care este construită zona de reacție și tipul de combustibil nuclear pe care îl folosim.
Iarăși nu intrăm în detalii matematice, ale modelului matematic, pentru calculul acestei mase critice.
Există aceste modele matematice, dar putem schița ideea de bază a motivului pentru care există o astfel de masă critică.
Există din două motive. În primul rând, există un volum optim al combustibilului nuclear.
Aceasta deoarece neutronii lenți au un anumit drum liber mediu.
Dacă doriți, există un echivalent al lungimii de undă asociate unui neutron lent,
care este foarte important în stabilirea probabilității de interacție cu un alt nucleu.
Ținând cont de această, dacă vreți, lungime de undă, dar termenul mai corect din punct de vedere al teoriei reactorului nuclear,
este, sau dezintegrărilor nucleare în lanț, este drumul liber mediu.
În funcție de valoarea acestui drum liber mediu, volumul trebuie ales în așa fel,
încât dimensiunile zonei de interacție să fie semnificativ mai mare decât acest drum liber mediu.
Deci trebuie să avem un volum astfel încât un neutron odată emis să parcurgă prin materialul nuclear câteva drumuri libere medii.
De asemenea, există o densitate optimă, deoarece densitatea materialului nuclear intră în probabilitatea de captură.
Are sens, odată ce obținem un neutron lent, probabilitatea că el să fie captat de nucleurile de uraniu 235 din jur,
este proporțională cu densitatea lor, cât de multe sunt pe unitatea de volum aceste nuclei.
Deci există o densitate optimă mare, bineînțeles, a acestor nuclei de uraniu 235.
Deci dacă avem o densitate optimă și un volum optim, rezultă că există, trebuie să fie o masă optimă a combustiului nuclear,
care se numește masă critică și care, de nou, se calculează foarte precis prin aceste modele matematici ale reacției de fisiune în lanț.
Pe aceste idei ale reacției de fisiune în lanț și aceste teorii se dezvoltă principala aplicație, care este reactorul nuclear.
Reactorul nuclear este instalația nucleară ce realizează reacția controlată de fisiune în lanț critică cu scopul utilizării energiei degajate.
Deci ce dorim este să realizăm o reacție controlată critică, adică în care K să fie egal cu 1,
care să se auto-întrețină și să producă, într-un interval lung de timp, de ordinul anilor, acea energie de 200 de MeV per fisiune,
pe care să o folosim ca și energie termică și ulterior să transformăm în energie electrică.
Componentele principale, bineînțeles, după cum am spus, este o instalație foarte complexă, dar ca idee principale componente sunt următoare.
Bineînțeles, avem nevoie de combustibil.
Într-un reactor nuclear, combustibilul este sub formă de bare.
Deci avem bare verticale, multe, câteva sute tipic, numărul tipic astfel de bare de combustibil este de câteva sute,
de bare de uraniu îmbogățit, deci vari izotop de uraniu, care, după cum am discutat, sunt imersate într-un moderator.
Deci aceste bare se află într-o cuvă și în interiorul cuvei se află această substanță moderatoare.
Deci barele de uraniu sunt imersate în apă sau apă grea sau alte substanțe cu nuclei ușoare,
iar acest moderator, după cum am spus, este înconjurat de stratul reflector.
Deci această cuvă va fi dublată sau înconjurată de un strat, care o acoperă aproape în totalitate,
reflector care are rolul de a întoarce neutronii înapoi în zona de reacție sau zona activă a reactorului.
În fine, există așa numitele bare de control.
Despre celelalte trei componente nu discut prea mult pentru că am discutat deja.
Despre bare de control nu am discutat.
Trebuie să avem o modalitate de a asigura faptul că criticalitatea reactorului nuclear este exact unul.
Nu vrem să obținem reacții explozive de fisiune într-un reactor nuclear, bineînțeles.
Modalitatea principală, nu singura, dar principală și singura despre care discutăm noi acum,
sunt așa numitele bare de control.
Există nuclee, două nuclee în particular, BOR și Cadmium,
care au o probabilitate foarte mare de a capta neutronii încet.
Deci se folosesc în afara zonei de reacție.
Există așa numite bare de control formate din BOR și Cadmium.
Și acest factor de criticalitate sau fluxul de neutroni din interior este măsurat în mod constant.
Și când el crește peste o valoare admisibilă,
deci criticalitatea reactorului tinde să devină mai mare decât unul,
ceea ce este un pericol, bineînțeles,
atunci imediat încep să se introducă aceste bare de control, bare absorbante de neutron.
Imediat ele, odată ce intră și pe măsură ce intră în zona de reacție,
ele încep să absorbă cantități mari de neutroni,
reducând intensitatea reacției nucleare și restabilind echilibrul.
Și bineînțeles există un sistem de răcire și colectare a energiei termice produce.
Deci în aceste reacții de fisiune se produce energie cinetică,
care înseamnă energie termică a sistemului termodinamic din interiorul reactorului
și această energie termică este evacuată.
Deci avem un sistem în care circulăm apă,
deci se introduce apă în reactor și se scoate apă.
Această apă este încălzită datorită aceste emisii de energie.
Deci obținem la ieșire din reactor o coloană, un jet de aburi foarte încinși,
la temperaturi foarte mari, care intră într-o turbină și generează curentul electric.
Ultimul sistem și foarte important este sistemul de protecție.
Acest întreg reactor este introdus într-o cintă mare
formată din straturi groase de beton și oțel,
care protejează mediul extern de eventuale scurgeri de radiații
sau de alte produse ale reactorului pe care dorim să le păstrăm controlate în interior.
O altă aplicație nedorită sau dorită,
cum doriți, a procesului de fisiune nucleară este bomba nucleară.
Este fisiunea realizată prin reacție explozivă în lanț supracritic
și are bineînțeles ca scop eliberarea destructivă a unei mari cantități de energie.
Deci ne aflăm în cazul în care factorul de multiplicare este intenționat mai mare decât 1
și atunci reacția nucleară de fisiune în lanță este explozivă.
Generăm din ce în ce mai multă energie și combustibil nuclear explodează.
Bineînțeles, cu cât K este mai mare decât 1, cu atât reacția este mai explozivă.
Detonarea bombei presupune realizarea masei critique în condiții de supracriticalitate.
Deci pur și simplu, ca idee, se împarte masa critică în două, foarte generic vorbind,
și în momentul detonării pur și simplu realizăm masa critică.
Deci împingem o parte din combustibil nuclear cu viteză mare în cealaltă parte din combustibil nuclear.
Realizăm masa critică în condiții de supracriticalitate și atunci fisiunea în lanț supracritică are loc și urmează explozia.
Energia eliberată este imensă.
10 kg de uraniu-235 generează o energie echivalentă cu 10 milioane de kilograme de trinitrotoluen,
deci de TNT, de exploziv.
Observați că am spus 10 kg aproximativ egal cu 10 milioane de kilograme
și nu 1 kg aproximativ egal cu 1 milion de kilograme.
Aceasta deoarece 1 kg de uraniu-235 este sub masa critică și n-ar genera nicio explozie.
Deci 1 kg de uraniu-235 nu formează o bombă nucleară pentru că este mai mică decât masa critică,
e doar o cantitate mare, bineînțeles, de substanță radioactivă,
dar nu poate genera o reacție de fisiune în lanț.
Această energie eliberată se manifestă în trei feluri.
O undă termică, deci în centrul exploziei nucleare obținem temperaturi de un ordinul milioanelor de grade Celsius,
iar această undă termică se propagă, bineînțeles.
Obținem de asemenea o undă de șoc mecanică care este extrem de puternică
pe kilometrii sau chiar zeci de kilometri totul, orice construcție sau orice structură este pulverizată
și o undă electromagnetică, raze gama foarte intense.
De asemeni și poate chiar mai important, dintr-o reacție nucleară pe lângă energia eliberată care este imensă
se formează și nori uriași de izotop radioactiv care se plimbă în funcție de direcția vântului și radiază tot în calea lor.
Într-un fel, mai periculos este efectul radioactiv decât efectul de explozie nucleară
pentru că durează mulți zeci de ani după explozii.
Efectul lor are loc la mulți zeci de ani după explozii.
Aceasta este o imagine a unui reactor nuclear.
Sunt țări precum Franța în care cantitatea de energie nucleară este semnificativă.
Aproximativ 70% din energia folosită în Franța este de natură nucleară.
Deci, aceasta ar fi principală aplicație pozitivă a reacției de fisiune în lanț
și, după cum am spus, există și o aplicație extrem de negativă a reacției de fisiune în lanț
și anume bomba nucleară
care a fost folosită la Hiroshima și Nagasaki în cel de-al doilea război mondial.