Stele verzi – pe umerii atomului (episodul 1)

Cuvant inainte

Seara buna! In urma cu ceva timp, am spus ca voi redacta un fel de lista a solutiilor propulsive pe baza de fisiune nucleara care au fost dezvoltate de-a lungul istoriei. Ca de obicei, fiind un prea mare fan al tehnologiei nucleare, si un prea mic om al organizarii, mi-am asumat un rol mult mai dificil decat parea la prima vedere. Tehnologiile nucleare spatiale care au ajuns intr-un stadiu avansat de studiu sunt multe, extrem de diverse, cu o intreaga panoplie de sisteme adiacente. Vorbim aici in speta de motoare, dar orice nou tip de motor care este propus unui guvern (SUA, URSS, etc) pentru finantare trebuie sa propuna si o arhitectura de misiune. Adica o misiune ipotetica care sa utilizeze acel motor. Scopul fiind de a compara parametrii misiunii cu ai celor deja existente sau propuse in trecut. Cu alte cuvinte, o exemplificare concreta a faptului ca motorul propus e o idee buna, care merita o fasie micuta din banii greu munciti ai contribuabililor. :).

Dat fiind faptul ca astfel de motoare si-au inceput parcursul de dezvoltare inca din zorii erei atomice, e usor sa ne dam seama ca solutiile propuse de-a lungul timpului au fost multe, diferite, cu scopuri diferite, si adesea de nisa pentru era lor. De aceea vedem concepte in anii 50 care vorbeau de ajuns pe Luna, apoi in anii 60-70 pe Marte, apoi pentru statii si sateliti, armele spatiale ale erei Reagan, si in final sonde de explorare. In ziua de astazi, din pacate, domeniul astronuclear este muribund. Majoritatea prototipurilor pentru noi reactoare spatiale sunt de dimensiuni reduse (si vom vedea mai tarziu ca asta este o mare hiba) si cu capabilitati modeste. Fondurile alocate acestor proiecte sunt minuscule comparativ cu eforturile pline de entuziasm si bine finantate ale epocii cursei spatiale. Iar standurile si instalatiile de testare sunt modeste (chestiune de finantare, dar si simplul fapt ca multe dintre fostele instalatii sunt ori prea mari, ori lasate in paragina). Cele mai bune vesti ale domeniului vin din Rusia, dar si acolo efortul este comparativ mic si, cel putin in opinia mea, nu vor avea decat rezultate modeste (capabilitatile financiare ale Rusiei fiind mult inferioare Vestului, chiar si cu o literatura si body of work bogat in spate).

Principala problema, de fapt, este ca actualele agentii spatiale isi propun foarte putin, iar guvernele le limiteaza puternic cultura si finantarea pentru a le incuraja sa fie modeste in viziune (si a folosi acest lucru apoi pentru a justifica eventuale viitoare taieri publicului; e uimitor cat de distructiv poate fi controlul absolut asupra unei astfel de agentii). Adesea guvernele manifesta inertie mare comparativ cu populatiile, iar entuziasmul pentru dezvoltarile SpaceX si Blue Origin arata ca, dincolo de mandate, publicului inca ii place sa viseze, si ca atitudinea guverneleor fata de programele spatiale adesea nu este conforma cu viziunea alegatorilor Si e bine, pentru ca e ceea ce ne face oameni.

Inainte sa ne ocupam de primele sisteme concrete, insa, trebuie sa introducem conceptul de tehnologie nucleara. Cum functioneaza ea si de unde misticismul care inconjoara intreg domeniul.
 

Nucleul

Dupa cum ii spune si numele, tehnologiile nucleare sunt tehnologii care utilizeaza, intr-un fel sau altul, energiile din nucleul atomic. Nucleul atomic este acea parte a atomului care constituie centrul unui atom. El este compus din particle denumite “nucleoni”, si care sunt de doua mari feluri: protoni (particule incarcate pozitiv) si neutroni (particule cu sarcina neutra – zero). Pentru ca protonii sunt toti incarcati poztiv, si un nucleu poate contine mai mult de un proton, in mod normal ar trebui ca ei sa se respinga intre ei, si nucleul sa se dezintegreze. Motivul pentru care acest fenomen nu se petrece este fiindca neutronii actioneaza ca un liant, si dupa cum vom vedea imediat, mediaza anumite fenomene care previn aceasta tendinta de respingere.

Structura atomului

Energia chimica deriva din invelisul electronic al unui atom (lipsa unor electroni si completarea lor prin “imprumut” de la atomii invecinati dau nastere structurilor de atomi denumite molecule). Acest invelis ia forma unor orbite strabatute de catre electroni (particule incarcate negativ, cu masa de aproximativ o mie de ori mai mica decat a unui proton). Un atom neutru are acelasi numar de electroni in invelis cat are protoni in nucleu. Reactiile chimice NU actioneaza asupra nucleului.

Asta e teoria. Practica…e ceva mai dificila. In realitate, nucleul e mai degraba ca o supa, in care constituentii protonilor si neutronilor (cuarci) sunt tinuti impreuna prin medierea unor particule, mediere care ia forma unui schimb continuu de particule (gluoni). Aceast schimb continuu de particule da nastere unor campuri de forte (forta nucleara tare, slaba si electromagnetica); desi noi le calculam discret, particula cu particula, de fapt ele sunt ca niste jeturi de apa sau benzi rulante care leaga cuarcii intre ei, cu o structura continua si schimbatoare fiindca se petrece in intervale de timp extrem de mici. Astfel, desi structura atomului ramane teoretic constanta in orice instanta de timp, particulele isi schimba tot timpul rolul (neutronul devine proton si invers), pastrand insa echilibrul numeric intre ele (mai putini protoni ar insemna ca elementul de fapt se schimba, conform tabelului lui Mendeleev).

Complexitatea acestor interactiuni nu e inca pe deplin inteleasa, si tine de multe domenii avangardiste de cercetare in domeniul fizicii particulelor si fizicii cuantice. Important este, insa, sa retinem ca stabilitatea unui element depinde de configuratia neutronilor si protonilor din nucleau. Si ca desi aparent static, nucleul este o ciorba care fierbe.

Ei bine, in cazul anumitor configuratii de nucleu, multumita fenomenelor de tunelare cuantica si a anizotropiilor spontante, nucleul poate nimeri intr-o configuratie care este brusc instabila. Ca o cratita care fierbe pe aragaz, ocazional poate iesi o bula mai mare care arunca putina ciorba in afara ei. Asta este, de fapt, fenomenul denumit radioactivitate: nucleul intra intr-o configuratie instabila si, pentru a se echilibra, arunca niste bucatele din sine (sau niste energie; Einstein a aratat ca masa si energia sunt acelasi lucru) in exterior. Ce ramane e “mai putin” (un alt element, cu o masa atomica mai mica), iar ce arunca in afara se numeste radiatie (si de obicei e mult mai mic decat ce ramane, si mult mai rapid).

Asta nu se intampla in cazul tuturor atomilor si configuratiilor. Anumiti atomi sunt predispusi sa dea in foc la un anumit interval de timp, altii nu vor da niciodata. Cum vine asta? Ca sa dau un exemplu, voi folosi un atom de hidrogen. Nucleul de hidrogen contine tot timpul un proton (altfel nu ar fi hidrogen). De obicei are doar acel proton in nucleu (protiu), alteori are pe langa el si un neutron (deuteriu) si alteori are doi neutroni (tritiu). Mai mult de doi nu poate avea, fiindca aceeasi fizica cuantica ne spune ca un astfel de nucleu ar avea timp de existenta zero (practic, nu s-ar lipi particulele alea intre ele deloc). Izotopii unui element sunt practic familii de nuclee care au acelasi numar de protoni (deci chimic sunt identici; spre exemplu protiul, deuteriul si tritiul fac parte din “familia” elementului denumit colocvial hidrogen, dar cu un numar variabil de neutroni; alcatuiesc acelasi compus chimic si au acelasi numar de protoni si electroni).

Daca iau si calculez stabilitatea unui atom de tritiu, ma folosesc de ce contine. Un proton si doi neutroni. Le bag masele si interactiunile in ecuatii, si la final obtin ca statistic (fizica cuantica e practic fizica statistica) atomul acela are 50 la suta sansa ca in 12.3 ani sa ajunga intr-o configuratie non-viabila. Si se scindeaza, aruncand un electron si devenind un izotop de heliu (heliu-3). Asta se numeste “timp de injumatatire”. Daca am un pahar cu apa in care atomii de hidrogen sunt doar tritiu, in 12.3 ani, jumatate din acel pahar va contine oxigen plus heliu (ele nu se combina), iar restul va fi apa. Daca mai astept inca 12.3 ani, nu mai am decat un sfert apa (jumatate din jumatate), si daca mai astept inca 12.3, o optime (jumatate din jumatate din jumatate).

Daca fac acelasi calcul in cazul deuteriului, introduc masa si interactiunile unui singur proton si a unui singur neutron in ecuatii. Calculand timpul de injumatatire, imi rezulta… infinit. 🙂 Deci acel izotop e stabil. Ca sa continui analogia culinara, elementul e oala, iar diferitele retete de ciorba sunt ce contine oala. Poti pune mult in oala, si sansa sa dea pe dinafara e mai mare. Poti pune putin, si sfaraie (si tot sare afara). Sau poti pune cat trebuie si sta cuminte.

Majoritatea izotopilor sunt instabili (si deci radioactivi), iar majoritatea izotopilor radioactivi au durate de injumatatire care se masoara in ore sau minute. De aceea, daca va intrebati de ce nu vedeti chestii radioactive cu duiumul in viata de zi cu zi, raspunsul e ca majoritatea covarsitoare a izotopilor radioactivi, pe parcursul miliardelor de ani (deci perioade de mii de miliarde de ori mai mari decat timpii lor de injumatatire) au avut timp sa dispara. Nu au disparut complet, dar ce are timp de injumatatire mai mic de cateva sute de mii de ani (plutoniul si tot ce e mai sus in tabel de el) nu mai exista in natura decat ca si ramasita. Ca regula generala, atomii pe masura ce devin mai grei capata din ce in ce mai multi izotopi radioactivi, pana cand ajung la un moment dat ca intreaga familie sa nu aibe DECAT configuratii de nucleu instabile. Atunci putem spune ca ELEMENTUL (adica orice izotop din acea familie) este instabil. Orice ar contine oala, ea va da pe dinafara.

“Bine man, dar cum se manifesta asta in viata de zi cu zi?” Ei bine, cea mai de baza descriere a radioactivitatii ar fi “metale/pietre care se autoincalzesc”. Pt ca radiatia emisa de ei se loveste de ceilalti atomi si ii incalzesc (caldura in fizica este o stare de agitatie a atomilor, care zornaie ca nebunii din ce in ce mai tare pe masura ce creste temperatura).

Suna…foarte straniu si non-spectaculos…. pana ce realizezi ca pt a incalzi ceva ori o pui la soare (care e de fapt tot radiatie nucleara) ori arzi ceva langa ea. Sa se incalzeasca o piatra singura, fara foc sau lumina? Un om de acum o suta de ani ar ridica din sprancene foarte sceptic. Energia nucleara este prima forma de energie controlabila a omenirii care nu necesita un proces chimic. E important sa retinem descrierea asta mai tarziu cand vom vorbi despre motoarele astro-nucleare.

Dar ciorba care da pe din-afara? Energia fiecarei particule de radiatie se masoara in electron-volti, abreviat eV, care e de fapt o subdiviziune de Joule. Fiindca particulele pot inmagazina multa energie se folosesc diviziuni superioare (kilo-electron-volti – KeV sau mega-electron-volti – MeV). Ei bine, radiatia de descompunere poate fi de multe feluri, dar trei mari tipuri predomina:

1. Descompunere alpha
2. Descompunere beta
3. Descompunere gamma

Radiatii

 

Descompunerea nucleului

1. Descompunere alpha. Se emite o particula alpha, care poate fi doi protoni si doi neutroni, sau poate fi doi protoni si un singur neutron. Cititorii care stiu niste chimie vor observa ca particula alpha e de fapt un nucleu de heliu! Tot ce ii lipseste pt a fi atom sunt electronii care sa se invarta in jurul lui. In natura, d-aia vedem pungi de heliu in porii minereurilor de uraniu: sunt foste particule alpha care s-au lovit de unul sau mai multi atomi si le-au “furat” din electroni.

Radiatia alpha are enorm de multa energie, in mare parte fiindca e foarte masiva (Ec=mv^2/2; m (masa) e mare, iar viteza, desi e mai mica celelalte tipuri de radiatie, tot e de ordinul a 5-10-20 la suta din viteza luminii). Ea pierde energia foarte repede, insa tocmai fiindca particulele astea sunt masive si fac zob tot ce intalnesc, cedand astfel energie. La fel ca un proiectil de la o pusca cu teava lisa, e masiva si face multe pagube dar nu penetreaza adanc.

Traseul prin aer e de ordinul centimetrilor, si teoretic o poti ecrana cu o foaie de hartie sau cu straturile superficiale de piele moarta. Daca radiatia e prea puternica, s-ar putea sa te trezesti ca iti ia foc spontan hartia 🙂 (energie mare, dupa cum am spus; ea trebuie sa se duca undeva). Nu e periculoasa decat daca substanta care o emite intra in corp (prin plamani sau mancare). Buba de fapt e ca multe dintre substantele care o emit sunt metale grele (uraniu, plutoniu, poloniu, etc) si sunt absorbite usor in organism (la fel ca plumbul, mercurul sau cadmiul; nu de alta, dar chiar ignorand radiactivitatea, multe sunt toxice de la mama lor, din chimie). Pagubele pentru o molecula de ADN sunt substantiale multumita energiei cinetice mari; partea buna este ca e un candidat promitator pentru terapie alpha tintita (targeted alpha radiotherapy).
Particula e incarcata pozitiv si o poti devia cu un camp magnetic (la ce inertie are, insa, campul trebuie sa fie puternic pt o deviere serioasa).
 

2. Descompunere beta. Se emite o particula beta, care e un electron. Simplu ca buna ziua! Fiindca particula e muuuult mai usoara, penetreaza mai adanc. Ecranarea e destul de simpla, dar trebuie sa fie mai consistenta. Traseul prin organism e de ordinul micrometrilor, suficient, insa, pentru a face pagube ADN-ului, motiv pentru care se foloseste adesea in radioterapie. De asemenea, daca inglobezi substanta emitatoare intr-un strat de semiconductori, electronul se transforma in curent electric si ai obtinut o baterie betavoltaica (puterea e redusa dar durata de viata e de ordinul zecilor de ani).

E cea mai des intalnita descompunere si de obicei nu are multa energie, ca atare pericolul nu e teribil de mare, decat la cantitati substantiale.

La fel ca la particula alpha, poate fi deviata de un camp magnetic. Are sarcina negativa, si o poti ecrana cu substante bune conducatoare de sarcina electrica (exemplul clasic e o folie de aluminiu).

Radiatii

3. Descompunere gamma. E cea mai faimoasa si des asociata cu energia nucleara. Ce se emite e de fapt un foton de radiatie electromagnetica (adica o particula de lumina). Ca atare, masa e zero, iar ecuatia de mai sus nu se mai aplica. Nu e o radiatie corpusculara (adica compusa din particule de materie) ci electromagnetica. In schimb, intreaga energie e continuta in lungimea de unda a fotonului de lumina (cu cat lumgimea de unda e mai mica/frecventa e mai mare, cu atat energia e mai mare). Fiindca spectrul e gamma, lungimea de unda e minuscula, de ordinul nanometrilor. Fiind asa mica particula, ea poate interactiona cu alte chestii de un ordin de marime similar, cum ar fi protoni sau neutroni sau electroni.

Este EXTREM de penetranta, si pentru a te proteja de ea, nu ai alta optiune decat sa te distantezi (fiind lumina, ea pierde din energie geometric functie de distanta fata de emitator; o particula alpha sau beta, daca esti in vid si te nimeresti in calea ei, are aceeasi energie la 10 cm cum are la 100 de km) sau sa te protejezi cu cat mai multa masa intre tine si ea. De aceea se folosesc elemente grele pentru ecranare, precum plumb sau uraniu saracit. Chiar si asa, nu faci decat sa o atenuezi; cativa fotoni tot timpul ajung la tine. De altfel, noi constant suntem bombardati de fotoni gamma din univers sau din vreun zacamant din China. Doar ca energia lor individuala e mica, si avem mecanisme pentru a repara pagubele la nivel celular. De ce interactioneaza asa putin? Pentru ca trebuie sa loveasca DIRECT nucleul unui atom (atomul e mai mult spatiu gol; atomul de hidrogen de mai sus are un singur proton in nucleu; daca atomul e de marimea unui teren de fotbal, nucleul ar fi cat o gamalie de ac in mijlocul terenului; tinta e deci minuscula, si de obicei radiatia trece prin el ca prin spatiu gol).

Lumina nu are sarcina electrica, deci un camp magnetic nu ajuta. De asemenea, fiindca nu prea interactioneaza cu chestii la scara mare, nu pierde multa energie deranjand atomii pe langa care trece, si deci e cea mai putin ionizanta dintre aceste radiatii. Poate fi absorbita si apoi emisa din nou de un atom (directie aleatoare, poate sa se si intoarca din drum, dar directia neta e dinspre sursa), cu o pierdere de energie (care se duce in miscarea atomului, adica ii mareste temperatura materialului aruncand atomul cat colo). Energia poate fi mica (keV) sau mare (MeV).

Lista nu e completa. Mai sunt emisii de neutrini (a nu se confunda cu neutroni; neutrinii sunt particule minuscule extrem de rapide, care nu interactioneaza cu materia decat prin impact direct cu nucleul, la fel ca la radiatia gamma; pot trece printr-un bloc de plumb mai greu decat o galaxie fara sa stie ca era vreodata acolo), emisii de pozitroni (antielectroni; da, unele descompuneri radioactive produc antimaterie), emisii de protoni sau neutroni (urmeaza mai jos). Insa vasta majoritate a descompunerilor sunt de aceste trei feluri.

E de retinut ca doar fiindca un element instabil emite si se transforma in unul mai usor, nu inseamna ca respectivul element mai usor este el insusi stabil. De obicei, un izotop urmeaza un “lant de descompuneri”, in care produsul final este stabil, iar cei intermediari au timpi de injumatatire variabili. Ca si regula generala, elementele mai stabile se gasesc in cantitati mai mari (se acumuleaza pana cand rata de descompunere e egala cu cea de productie din elemente mai grele), iar cele care apartin aceluiasi lant de descompunere sunt la un loc in minerale.

De asemenea, un izotop se poate descompune in mai multe feluri (cu alte cuvinte, are mai multe configuratii instabile ale nucleului). Unele pot emite gamma 95 la suta din timp, si beta 5 la suta. Fiecare tip de emisie duce la alt lant de descompunere. Totul e statistica!

Descompunere

 

Va urma.

Marian Dumitriu (Checkmate)

Surse:
1. Jungmin Kang, Frank N. von Hippel – U-232 and the ProliferationResistance of U-233 in Spent Fuel, Science & Global Security, Volume 9 pp 1-32, 2001
2. http://nuclearweaponarchive.org/Nwfaq/Nfaq6.html#nfaq6.2

3. https://science.sciencemag.org/content/160/3831/953
4. https://www.osti.gov/servlets/purl/1132518
5. TRW Space Technology Laboratories – Mission oriented advanced nuclear system parameters study, 1965
6. https://www.osti.gov/servlets/purl/4098602

7. Bussard report, 1953
8. W.H. Robbins, H.B. Finger – An Historical Perspective of the NERVA Nuclear Rocket Engine Technology Program, 1991
9. James A Dewar – To the end of the solar system : the story of the nuclear rocket, 2015
10. Solid Core NTR ( https://beyondnerva.com/nuclear-thermal-propulsion/solid-core-ntr/ )
11. NTR Hot Fire Testing Part I: Rover and NERVA Testing ( https://beyondnerva.com/2018/06/18/ntr-hot-fire-testing-part-i-rover-and-nerva-testing/ )
12. http://www.projectrho.com/public_html/rocket/enginelist2.php#id–Nuclear_Thermal
13. David S. Portee – Think Big: A 1970 Flight Schedule for NASA’s 1969 Integrated Program Plan ( https://spaceflighthistory.blogspot.com/2016/01/thinking-big-traffic-model-for-nasa.html )
14. David S. Portee blog ( http://spaceflighthistory.blogspot.com/2016/02 )
15. Scott Lowther Nerva articles ( http://www.aerospaceprojectsreview.com/blog/?s=nerva&searchsubmit= )