Fisiunea nucleară reprezintă un fenomen controlat de om. Fuziunea nucleară însă, este deocamdată doar un deziderat, dar unul care odată împlinit ar schimba soarta speciei umane într-un mod nemaiîntâlnit în istorie. Urmăriţi filmul din acest articol pentru a înţelege modul în care cele două fenomene funcţionează...
FISIUNEA NUCLEARĂ
Să considerăm un sistem alcătuit din Terra şi o rachetă, cu cele două lucruri legate prin intermediul gravitaţiei. Dacă avem în vedere faptul că e nevoie de o anume energie pentru a desprinde racheta de la sol, atunci numim energie de legătură cuantumul de energie necesar separării complete a rachetei de Pământ.
Similar, în lumea nucleelor atomice, energia de legătură este dată de cantitatea de energie necesară pentru separarea completă a protonilor şi neutronilor, denumiţi colectiv nucleoni.
Fisiunea şi fuziunea nucleare
Există două forţe care acţionează în interiorul nucleului atomic. Pe de o parte, o forţă nucleară tare - mai exact un reziduu al forţei nucleare tari care ţine quarcurile laolaltă - acţionează ca o forţă de atracţie între nucleoni, iar pe de altă parte, sarcina electrică a protonilor face ca aceştia să se respingă reciproc.
Forţa tare este mult mai puternică decât cea electrică pe distanţe foarte mici, de până la două ori şi jumătate diametrul unui proton, dar la distanţe mai mari forţa electrică are valori superioare. Pe măsură ce numărul nucleonilor unui atom creşte, adică pe măsură ce avansăm în cadrul tabelului periodic al elementelor, la început, fiecare nucleu atomic are o energie de legătură ceva mai mare decât precedentul (numărul nucleonilor creşte, deci atracţia creşte şi ea).
Acest grafic arată evoluţia valorii energiei de legătură în funcţie de numărul de nucleoni din nucleu.
Energiile de legătură ale nucleelor atomice
Această creştere a valorii energiei de legătură continuă până se ajunge la elementele fier şi nichel, acolo unde vorbim de un număr de 60 de nucleoni. În acest punct, raza nucleului este mai mare decât 2,5 x diametrul unui proton, care este exact distanţa la care forţa electromagnetică de respingere începe să domine în duelul său cu forţa reziduală tare. Deci, pe măsură ce se adaugă nucleoni după acest punct, forţa electrică începe să câştige în încercările sale de a dezagrega nucleul atomic, fiecare nucleon adăugat fiind din ce în ce mai slab legat în interiorul nucleului.
Când se ajunge la plumb şi bismut nucleul conţine deja 207 nucleoni, forţa electrică este mai puternică, iar nucleele atomice şi mai masive de atât sunt instabile, descompunându-se în mod natural, deşi procesul acesta poate dura destul de mult. Aceste nuclee masive pot reveni la un aranjament mai stabil în diverse moduri. Pot converti neutroni în protoni în procesul de dezintegrare radioactivă de tip beta, pot elimina grupuri de 4 nucleoni simultan în dezintegrarea de tip alfa ori pot pur şi simplu să se descompună în două nuclee mai uşoare, dar mai stabile. Acest din urmă fenomen poartă numele de fisiune nucleară.
Fisiunea este diferită de celelalte forme de dezintegrare nucleară, întrucât poate fi valorificată şi controlată prin intermediul unei reacţii în lanţ. Să vedem ce înseamnă acest lucru din perspectivă energetică.
Forţele dintre nucleoni
Potrivit graficului care indică energiile de legătură, uraniul U (235) are asociată o energie de legătură egală cu 7.6 MeV pentru fiecare nucleon, de unde rezultă un total de 235 x 7.6 Mev = 1786 MeV, bariul (144) are 144 x 8.3MeV = 1195 MeV, iar kriptonul(89) are 89 x 8.8MeV = 783 MeV. Neutronii suplimentari nu au asociată o energie de legătură. Astfel că de fiecare dată când un nucleu de uraniu fisionează se câştigă în jur de 192 MeV de energie !
Numai că în mod natural uraniul U-235 are nevoie de miliarde de ani pentru a se descompune, astfel că este de dorit ca acest proces să fie cumva accelerat. Acest lucru se realizează prin bombardarea uraniului cu neutroni la viteze mici. Uraniul U-235 absoarbe neutronii şi se transformă în uraniu U-236. Apoi se descompune în kripton-92, bariu-141 şi 3 neutroni liberi. Aceşti 3 neutroni au rol în descompunerea unor atomi învecinaţi de uraniu U-235 în alte nuclee-fiică şi încă mai mulţi neutroni, iar procesul se repetă şi este amplificat.
Putem pune un asemenea dispozitiv în apă şi, drept urmare, mişcarea nucleelor-fiică şi a neutronilor liberi va fi încetinită de apă, care, în consecinţă, se va încălzi. În final, putem transforma aburul în energie electrică. Acesta este, pe scurt, mecanismul de funcţionare a centralelor nucleare.
Fisiunea nucleară a uraniului U-235
FUZIUNEA NUCLEARĂ
Încă de când Einstein a demonstrat echivalenţa masei şi energiei, fizicienii au exprimat masa de repaus a particulelor, precum protonii, neutronii şi electronii, în unităţi de energie. Două unităţi de măsură utilizate în acest scop sunt electron-voltul (eV) şi vărul său - milionul de electron-volţi (MeV). Folosind aceste unităţi de măsură, iată despre ce cifre discutăm: masa de repaus a protonului este egală cu 938.272 MeV, iar masa de repaus a neutronului este egală cu 939.566 MeV.
Să mai aruncăm o privire pe graficul cu energiile de legătură corespunzătoare diferitelor nuclee atomice şi să ne referim şi la fuziunea nucleară. Dacă am putea face ca un nucleu de deuteriu, care este compus dintr-un proton şi un neutron, să fuzioneze cu un nucleu de tritiu care are în componenţă un proton şi doi neutroni, am obţine heliu, un neutron suplimentar şi ceva energie, având astfel la dispoziţie bazele teoretice ale unui dispozitiv cu care am putea produce energie. Să facem calculele şi să vedem despre ce energie este vorba.
Energia de legătură a deuteriului este în jur de 2 MeV. Iar energia de legătură a tritiului este în jur de 8 MeV. Astfel că la intrarea în sistem avem în total 10 MeV. Energia de legătură a heliului este de 28 MeV, iar neutronul liber are zero energie de legătură. Scăzând cei 10 MeV din 28 MeV, rezultă că fiecare reacţie de fuziune este însoţită de eliberarea a 18 MeV de energie.
Fuziunea deuteriu-tritiu
Randamentul este foarte bun, numai că există o problemă. Aducerea protonilor din deuteriu şi tritiu suficient de aproape astfel încât să fuzioneze sub acţiunea forţei nucleare tari este un lucru extrem de greu realizabil pe Terra. Vorbim de energia care alimentează Soarele şi toate celelalte stele, numai că în cazul acestora gravitaţia enormă menţine "combustibilul nuclear" la locul său în timp ce temperaturile extrem de mari imprimă nucleelor o viteză suficientă pentru a înfrânge repulsia electrică dintre ele.
Dacă am putea construi în laborator o stea în miniatură - un micro-Soare, atunci am fi foarte aproape de a găsi o soluţie pentru problemele energetice ale planetei noastre. Şi deşi acest deziderat nu a fost încă atins, s-au înregistrat continuu progrese.
Există un izotop al heliului, heliul-3, similar tritiului. Acesta ar putea substitui tritiul în reacţia descrisă anterior, cu aceleaşi rezultate sub aspect energetic. Care ar fi diferenţa? Diferenţa constă în faptul că se estimează că pe suprafaţa Lunii există aproximativ 1 milion de tone de heliu-3, uşor de exploatat. 25 de tone ar fi suficiente pentru a satisface în proporţie de 100% nevoile energetice ale SUA pentru un an întreg. Iar 25 de tone este din întâmplare şi încărcătura maximă suportată de o navetă spaţială. Iată de ce ne vom întoarce pe Lună!
___________
Notă: articolul de mai sus este reproducerea aproximativă a textului folosit în film.
Traducerea: Scientia.ro.
Credit: www.cassiopeiaproject.com (inclusiv pentru imaginile folosite în articol).
