Continuam astazi scurta incursiune in lumea atomului, dupa ce in prima parte am vorbit despre nucleu si radiatiile rezultate la descompunerea atomilor.
Descompunerea radioactiva, despre care am vorbit pana acum, este un fenomen natural, statistic, prin care anumiti atomi incearca sa ajunga la o configuratie stabila pe termen nedefinit. Aplicabilitatea acestui fenomen, insa, nu este ceea ce numim efectiv “energie nucleara”. Energia produsa este, in general, redusa, iar fenomenul nu este controlabil (in timp, pe masura ce elementele parcurg lantul de descompunere, raman din ce in ce mai putini atomi care sa produca energie). Nu putem varia puterea. Aici trebuie sa folosim fisiunea nucleara si sa o diferentiem de descompunere naturala.
Fisiunea nucleara
Bun, ca sa intelegem ce reprezinta fisiunea, revenim la analogia noastra cu ciorba. Avem un atom care mai are putin si da in foc, deci o cratita mare care ocazional mai da in foc. Ce se intampla daca noi luam un ingredient si il azvarlim in cratita? Pai, o umplem mai mult, si da si mai mult pe afara. Daca o aruncam si mai tare, o parte din ciorba va sari de la impact in afara. Si daca o aruncam suficient de tare, cratita va crapa in mai multe bucatele.
Acesta este principiul fisiunii nucleare. Luam un atom fisionabil si il lovim cu un neutron. Atomul ori va ingloba neutronul si va intra intr-o configuratie instabila, astfel scindand, sau il va ingloba si se transforma intr-un alt element (fenomen denumit “transmutatie nucleara”).
Aici trebuie sa facem diferenta dintre un element fisionabil si unul fisil. Un element fisionabil se va scinda absorbind un neutron, indiferent de energie neutronului (cat de repede se misca). Un element fisil nu va fisiona daca neutronul se misca prea incet (neutronii lenti se mai numesc termici), dar il poate absorbi, devening astfel fisionabil (nu tot timpul, dar vom ignora cazurile speciale).
Sa luam cazul practic al uraniului. Uraniul natural este compus in proportie de 99 la suta din U-238, si mai putin de 0.7 la suta U-235. Restul sunt izotopi ramasite (U-234, U-236, etc).
U-235 poate fi bombardat cu un neutron lent, iar el se va transforma in U-236, care este extrem de instabil (durata de injumatatire de ordinul secundelor) si care se va scinda in doi atomi (relativ rapizi) si trei neutroni. Acei trei neutroni pot, la randul lor, sa fie incetiniti (termenul folosit este “moderati”, dar vom vorbi despre asta imediat), si absorbiti de alti atomi de U-235. Rezultatul este o cascada de dezintegrari in care uraniul este “ars” si produce atomi foarte rapizi (fierbinti), plus neutroni care provoaca alte fisiuni. Aceasta este o reactie nucleara.
U-238, in schimb, nu poate absorbi neutroni lenti, dar poate fi “spart” daca neutronul este foarte rapid. Rezultatul sunt alti neutroni rapizi, plus elementele nou-create din fostul nucleu.Este deci fisil dar nu fisionabil.
De asemenea, poate absorbi un neutron si se transforma in plutoniu 239. Pu-239 are caracteristici similare cu U-235, adica este fisionabil (de fapt, dupa cum vom vedea, este mai usor fisionabil) si se rupe cand absoarbe INCA un neutron lent, producand elemente noi (denumiti “produsi de fisiune”) si doi neutroni care pot continua reactia. Deci putem produce elemente fisionabile din elemente fisile.
Acum, trebuie sa vorbim despre moderare. In esenta, unele nuclee sunt mai predispuse sa fie lovite de catre un neutron decat altele. Dar aceasta predispozitie nu se pastreaza la orice viteza a neutronului. Vom face aici diferenta dintre neutroni termici si neutroni rapizi.
Neutronii termici se numesc termici pentru ca viteza lor de deplasare este similara cu viteza de vibratie a atomilor din structura. Vorbim deci de viteze de ordinul a cateva mii de kilometrii pe ora.
Fisiune
Neutronii rapizi au viteze mult superioare (de ordinul a zecimi din viteza luminii). Ei sunt extrem de greu de absorbit de catre majoritatea nucleelor. Cu alte cuvinte, “sectiunea transversala” a unui nucleu variaza in functie de viteza neutronului.Aceasta sectiune transversala se masoara in “barn”, care inseamna “hambar” in engleza (expresia englezeasca ‘broad side of a barn‘).
La viteze mari, sectiunea transversala variaza putin de la nucleu la altul (20 barn pt Pu-239 vs 30 barn pt U-235), dar la viteze mici e extrem de mare pentru elementele fisionabile si nesemnificativ de mica pentru restul.
Energie neutroni vs sectiune
Deci, pentru a produce energie, am vrea sa marim sansa ca un element sa inglobeze un neutron si sa se scindeze. Ca atare, folosim elemente fisionabile, iar cele mai folosite sunt U-235 si Pu-239. Exsita si altele, insa toate elementele mai grele decat uraniul (plutoniu, californium, einsteinium, neptumium, etc) sunt produse prin bombardamentul uraniului cu neutroni (transmutatia de care vorbeam mai devreme). Ca atare ele sunt denumite “elemente artificiale”. Ele au existat in trecut si in minereuri, dar datorita duratei de injumatatire reduse, s-au scindat pe parcursul celor 4 miliarde de ani cat are planeta.
Bun, deci elementele fisile sunt numai anumiti izotopi. Cum se folosesc ei? In principiu, daca aduni o gramada de U-235 la un loc, unii dintre acei atomi se vor descompune natural, producand neutroni. Acei neutroni vor fi absorbiti de catre atomii de uraniu din jur, facandu-i sa se scindeze. Deci cu cat sunt mai multi atomi la un loc si mai dens impachetati, cu atat creste sansa ca aceasta reactie sa continue in lant.
Pentru a mari sansele reactiei, neutronii pot fi moderati, adica incetiniti. Ei isi pierd energia intrand in coliziune cu nuclee ale unor substante usoare. Uneori pot fi absorbiti de aceste substante, inducand o transmutatie (ceea ce se intampla spre exemplu cu litiul, care devine astfel heliu), alteori pot ricosa din respectivele nuclee. Cum ricosarea face ca neutronul sa-si cedeze o parte din energie, el incetineste. Ricosari succesive face ca viteza neutronului sa scada de la mii de kilometrii pe secunda (cat are cand se formeaza) pana la zeci de kilometrii pe secunda (viteza termica).
Substantele acestea usoare care tind sa ricoseze neutroni poarta numele de “moderatori”. Cea mai des folosita astfel de substanta este apa, pentru ca e ieftina, usor de obtinut si purificat (nu vrei sa aibe minerale sau impuritati care pot absorbi neutroni suferind transmutatii) si contine doi atomi de hidrogen. Teoretic, am putea folosi doar hidrogen, dar in stare gazoasa este foarte putin dens, deci efectul de moderare este scazut (pt ca sansa ca un neutron sa se loveasca de unul dintre atomi este redus).
Putem astfel clasifica elementele dupa efectul pe care il au asupra acestor neutroni:
- elemente usoare care reduc prin coliziuni inelastice energia neutronilor se numesc moderatori. Spre exemplu hidrogen si tot ce contine o cantitate mare de hidrogen.
- elemente grele unde coliziunile au un aspect mai degraba inelastic (neutronul ricoseaza fara a pierde multa energie) se numesc “reflectoare de neutroni”. Ele sunt bune si ca o forma de ecranare. Plumbul este exemplul de baza.
- elementele fisionabile care produc neutroni cand sunt lovite se numesc “combustibili nucleari”. Exemple ar fi U-235, Pu-239, Am-242m, U-233, etc
- elemente fisile care se sparg cand neutronii sunt rapizi (sansa mica pt ca sectiune transversala mica) si care prin absorbtia unui neutron lent pot deveni fisionabile (sau pot deveni mai putin fisionabile, depinde de sansa). Exemple ar fi U-238, Th-232, etc
- elemente care absorb neutronul si devin altceva se numesc “otravuri neutronice”. Absorbind neutroni, ele scad foarte tare sansele ca reactia sa continue, in esenta inabusind-o. Exemple ar fi Li-6, C-12, etc. Majoritatea elementelor intra in categoria asta.
Un ultim lucru pe care trebuie sa il discutam este conceptul de masa critica. Dupa cum am descris mai sus, cu cat aduni mai mult U-235 (de fapt poate functiona orice element fisionabil) cu atat reactia devine mai puternica, si temperatura creste. Teoretic poate continua pana cand majoritatea uraniului a fost consumat, sau pana cand produsii de fisiune (care, dupa acum am mentionat mai sus, sunt majoritar otravuri neutronice) inabusesc reactia. Daca reusesti sa aduni suficient uraniu la un loc destul de repede, reactia devine auto-suficienta si … exploziva.
Valoarea critica nu depinde numai de masa propriu-zisa, ci si de forma pe care o ia acea masa. Daca forma este un fir sau o foiae intinsa, ea devine extrem de mare. Daca forma este de sfera, ea e minimalizata. Tabelul urmator prezinta valorile de masa critica si diametrul pe care ar trebui sa-l aibe o sfera de acea masa:
| Element | Durata de injumatatire (an) | Masa critica (kg) | Diametru (cm) |
|---|---|---|---|
| uranium-233 | 159,200 | 15 | 11 |
| uranium-235 | 703,800,000 | 52 | 17 |
| neptunium-236 | 154,000 | 7 | 8.7 |
| neptunium-237 | 2,144,000 | 60 | 18 |
| plutonium-238 | 87.7 | 9.04–10.07 | 9.5–9.9 |
| plutonium-239 | 24,110 | 10 | 9.9 |
| plutonium-240 | 6561 | 40 | 15 |
| plutonium-241 | 14.3 | 12 | 10.5 |
| plutonium-242 | 375,000 | 75–100 | 19–21 |
| americium-241 | 432.2 | 55–77 | 20–23 |
| americium-242 | 141 | 9–14 | 11–13 |
| americium-243 | 7370 | 180–280 | 30–35 |
| curium-243 | 29.1 | 7.34–10 | 10–11 |
| curium-244 | 18.1 | 13.5–30 | 12.4–16 |
| curium-245 | 8500 | 9.41–12.3 | 11–12 |
| curium-246 | 4760 | 39–70.1 | 18–21 |
| curium-247 | 15,600,000 | 6.94–7.06 | 9.9 |
| berkelium-247 | 1380 | 75.7 | 11.8-12.2 |
| berkelium-249 | 0.9 | 192 | 16.1-16.6 |
| californium-249 | 351 | 6 | 9 |
| californium-251 | 900 | 5.46 | 8.5 |
| californium-252 | 2.6 | 2.73 | 6.9 |
| einsteinium-254 | 0.755 | 9.89 | 7.1 |
Valorile astea stabilesc si masele minime ale armelor atomice (fisiune nucleara necontrolata). Problema e ca multe dintre elementele care ar face combustibil nuclear bun sunt elemente artificiale, care trebuiesc creeate in acceleratoare sau reactoare. Procedeul este scump, si de aceea, principalul element folosit este plutoniul pt arme nucleare (produs in instalatii specializate care sunt reactoare modificate) si uraniu pentru reactoare.
O arma atomica functioneaza pe principiul aducerii la un loc al unei mase critice de element fisionabil. Pentru ca neutronii sunt extrem de rapizi, reactia tinde sa separe masa de combustibil (cu alte cuvinte, daca incet pui kilogram peste kilogram de U-235 la un loc, la un moment dat, cand aproape ai masa critica, temepratura va fi atat de mare, incat uraniul deja adunat se vaporizeaza si se expulzeaza cu mare forta, inainte ca vasta majoritate a atomilor sa apuce sa se scindeze; fenomenul poarta numele de “fizzle” adica “fasaiala” in loc de explozie). Pentru asta, bombele atomice folosesc doua designuri:
- design tip tun, in care o armatura de uraniu este accelerata catre o masa tinta de uraniu. Cand cele doua masa sunt impreunate, ele ajung prompt critice si explodeaza. Acesta este mecanismul primelor bombe primitive, cum au fost dispozitivele de la Hiroshima si Nagasaki. Este cel mai usor de contruit, dar arma rezultata este mare (contine o teava de tun practic), grea, necesita un element de mare puritate (U-235 cu grad de imbogatire de 99 la suta; extrem de scump de realizat) si nu poate folosi elemente cu masa critica mai mica (plutoniul produce fizzile pentru ca este prea reactiv si nu lasa armatura sa se apropie de tinta, ci se vaporizeaza si ejecteaza materialul). Tipul acesta de arme a fost abandonat aproape total dupa anii 50.
- design tip imploziv in care o sfera de material fisionabil este comprimata de un strat concentric de explozibil conventional. Nu e mare de spus aici decat ca rezulta in arme mult mai reduse ca marime, mai eficiente, si care pot folosi elemente transuranice ca si material fisionabil. Astazi, folosesc plutoniu.
Arme nucleare
Mai trebuie sa adaugam ca majoritatea armelor nucleare moderne sunt dispozitive de tip “boosted fission” adica sunt partial bazate pe reactii termonucleare (fuziune in loc de fisiune), insa acest aspect nu ne intereseaza in cadrul acestor articole. Armele nucleare moderne au un design minimalist, folosesc putin material fisionabil si au puteri explosive de ordinul sutelor de kilotone (suficient de mari cat sa acopere zone mari, dar suficient de mici cat sa nu-si radieze majoritatea energiei in atmosfera si sa incapa pe varful rachetelor). Ele reprezinta culminarea unor eforturi de cercetare care au costat PIB-uri intregi realizate in anii 50-60-70-80 si sunt o tehnologie matura. La aceste eforturi in domeniul militar s-au racordat si programele spatiale astronucleare, pentru ca puteau beneficia de fonduri de cercetare (de altfel, multi dintre cercetatorii care au lucrat la ele lucrau si la arme, dupa cum vom vedea).
Daca o explozie nucleara se bazeaza pe o reactie rapida, prompta si necontrolata sa unei mase critice de material fisionabil, un reactor foloseste o eliberare treptata de energie.
In esenta, un reactor are un miez tot timpul o masa critica de uraniu, insa aceasta ia forma unor tije. Aceste tije schimba neutroni intre ele, sparate fiind de intervale de apa. De obicei, apa respectiva este si un moderator (incetineste neutronii) dar si un lichid de racire (se incalzeste si entreneaza turbine). In unele cazuri, blocuri de grafit sunt folosite pe post de moderatori (carbonul fiind tot un element usor) iar apa doar pe post de racire (per total astfel de sisteme sunt considerate, insa, perimate, pentru ca blocurile sunt fixe, si deci nu poti varia efectul de moderatie decat prin tije; este exemplul faimos al centralei de la Chernobal).
Puterea reactiei este variata de catre operatori prin insertia sau scoaterea acestor tije. Cand scoti combustibil, slabesti reactia, cand il introduci, o accelerezi, in functie de cate energie doresti. De asemnea, o poti varia prin marirea sau miscorarea moderatiei (moderatie scazuta = absorbtie scazuta = fisiune redusa) folosind asa-numitele tije de control (de obicei continand carbon sau bor).
Mai sunt multe aspecte de retinut despre reactoare, insa ele nu tin de lucrarea de fata. Numarul de design-uri este masiv iar conditiile de operare constituie un domeniu de sine statator care ar necesita propria sa serie de lucrari.
Deci, in concluzie:
- materialele fisionabile isi elibereaza energia folosind scindare atomica indusa artificial
- unele materiale fisionabile pot fi obtinute din materiale fisile dar non-fisionabile
- armele atomice se bazeaza pe o reactie masiva nucleara necontrolata printr-o adunare rapida de material la masa sau densitate critica. Conteaza VITEZA.
- reactoarele nucleare se bazeaza pe o reactie nucleara controlata, treptata, care produce energie in timp, printr-un echilibru intre caldura emisa si nivelul reactiei. Prea multa caldura, si se topeste reactorul, prea putina si nu e eficient. Conteaza CONTROLUL.
Astfel putem incheia notiunile introductive despre inginerie nucleara. Insa, inainte sa vorbim despre designurile astro-nucleare propriu-zise, trebuie sa aduce in vorba rachetele ca si vehicule orbitale. Ce sunt, cum sunt, si de ce nu zburdam prin spatiu ca Duck Dodgers? Vom vedea in episodul urmator.
Marian Dumitriu (Checkmate)
Surse:
1. Jungmin Kang, Frank N. von Hippel – U-232 and the Proliferation Resistance 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= )
16. Nuclear weapon design ( https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_weapon_design )