Ati auzit cu siguranta de bombe nucleare (atomice) - un exemplu de uz militar al energiei nucleare. O bomba nucleara este un dispozitiv care implica o reactie in lant necontrolata a materialului fisionabil. Acest proces este extrem de rapid, asadar se acumuleaza energie iar temperatura devine foarte ridicata, ajungand la zeci de milioane de grade.

Little Boy (Image source: U.S. National Archives, RG 77-AEC, declassified in 1960).

La o astfel de temperatura presiunea in materialul fisionabil devine enorma iar dispozitivul explodeaza; pentru ca acest lucru sa fie posibil, bomba trebuie sa aiba o masa critica (chiar o masa supercritica) de material fisionabil. Cu toate acestea, explozia are loc cu mult inainte ca toate nucleele de ²³⁵U sa fie supuse procesului de fisiune - in bomba de la Hiroshima, doar aproximativ 2% din nuclee de uraniu au fisionat. Acest procent a fost insa suficient pentru a produce distrugeri enorme.

Puterea letala a unei astfel de bombe ridica probleme etice importante in ceea ce priveste cercetarea si dezvoltarea unor astfel de arme.

Posibilitatea ca teroristii sa poata obtine si folosi arme nucleare este o provocare uriasa si catastrofala pentru securitatea globala. In aprilie 2010, la summit-ul de securitate nucleara de la Washington, DC, s-a pus accent pe amenintarea terorismului nuclear, iar participantii au făcut acorduri concrete, cum ar fi cresterea gradului de securitate al materialelor nucleare si reducerea accesului la plutoniu si uraniu puternic imbogatit.

Energia nucleara poate fi utilizata in dispozitive foarte mici, cum ar fi bateriile. In explorarea planetelor si a spațiului trebuie sa fie utilizate baterii eficiente si de lunga durata (de fapt, asa-numitele stimulatoare cardiace folosite de persoanele cu afectiuni cardiace grave sunt conduse, de asemenea, de astfel de baterii). Sursele radioactive de putere au fost folosite în acest scop inca din anul 1961.

Exista doua tipuri de astfel de surse:

1) generatori de putere cu radioizotopi termoionici in care este utilizata energia termica nucleara pentru a crea o diferenta de potențial intre doi electrozi metalici.

2) generatori cu radionuclizi termoelectrici (RTG) in care descompunerea caldurii, de exemplu pentru ²³⁸Pu (0.56 W / g), se utilizeaza pentru incalzirea jonctiunii semiconductorilor de tip pn (termocuplu)

Statia Voyager, misiunea Galileo catre Jupiter si misiunea Cassini catre Saturn au surse de tip RTG. Roverele pentru Marte, Spirit si Opportunity au folosit panouri solare pentru electricitate si surse RTG pentru caldura. Rover-ul Curiosity, de asemenea, pentru Marte foloseste surse de tip RTG atat pentru electricitate cat si pentru caldura deoarece panourile solare nu ar putea produce intreaga cantitate de electricitate necesara.

Reactoare nucleare mici, care folosesc fie convertoare termoelectrice fie cu catod au fost construite si sunt in curs de dezvoltare pentru diverse aplicatii ale navelor spatiale, de exemplu, in propulsia lor.

Utilizarea combustibilului nuclear intr-un reactor nuclear are ca rezultat eliberarea de energie, care este de aproximativ 100 de milioane de ori mai mare (10⁸) decat cea care rezulta utilizand o cantitate echivalenta de reactanti chimici!

Pana in prezent au fost dezvoltate doua sisteme de propulsie care utilizeaza reactoare nucleare. Primul, asa-numitul sistem de propulsie nucleara termică (NTR pe scurt - Rachete termice nucleare), consta in incalzirea hidrogenului propulsat, care este stocat la temperaturi scazute, in stare lichida. Hidrogenul gazos aflat la o temperatura de aproximativ 2500 °C este apoi expulzat printr-o piesa de reducere a presiunii. Al doilea sistem, cu propulsie nuclear-electrica (NEP), consta in convertirea energiei nucleare in energie electrica, apoi aceasta energie electrica fiind utilizata pentru alimentarea unui dispozitiv adecvat care accelereaza ionii la viteze foarte mari. Ionii accelerati, care trec printr-un neutralizator in piesa de reducere a presiunii, produc un jet de atomi neutri care parasesc motorul și declanseaza functionarea. Acest tip de propulsie a fost utilizat in numeroase misiuni, in special sovietice, orbitale. Desigur, in special in misiuni pe termen lung, propulsia nucleara este mai avantajoasa decat propulsia chimica.

Utilizarea energiei nucleare in submarine si avioane a fost luata in considerare aproape de la inceputul istoriei reactoarelor nucleare. Pericolul legat de utilizarea reactoarelor nucleare in avioane nu a permis dezvoltarea reala a ideii nici in avioanele civile, nici in cele militare. Dupa cum am vazut, ideea a fost dezvoltata, folosita si este inca in curs de dezvoltare la propulsia navelor spatiale. Propulsia nucleara este utilizata cu succes pe navele maritime si civile moderne.

Primul submarin al SUA cu propulsie nucleara, "Nautilus", a carui constructie a inceput inca din anul 1946, si a fost lansat in anul 1954, a fost primul submarin care a traversat Polul Nord, sub calota de gheata arctica pe data de 23 iulie 1958. Spargatorul de gheata cu propulsie nucleara din fosta Uniune Sovietica, "Arktica", a fost prima nava de suprafata care a ajuns la Polul Nord pe 17 august 1977. SUA au construit, de asemenea, portavioane. Primul, USS Enterprise, a fost lansat in anul 1960. Primul cargobot, NS Savannah, a fost lansat in Statele Unite ale Americii in anul 1959. Japonia a lansat nava comerciala Mutsu in anul 1962.

Reactoarele folosite in aplicatiile navale sunt de tip PWR. Toate submarinele rusesti si toate navele de suprafata sunt alimentate de la doua reactoare. Prin urmare, acestea trebuie sa fie cat mai compacte. La inceput, imbogatirea combustibilului nuclear ²³⁵U a fost realizata in proportie de peste 90%. In ultima vreme, utilizarea acestuia a fost redusa la aproximativ 20-25% in reactoarele din SUA si aproximativ 50% in cele rusesti.

La prima vedere s-ar parea firesc sa se doreasca masini electrice care sa functioneze pe baza energiei nucleare. In special, motorul ar putea functiona mai multi ani fara a fi nevoie sa alimentam. Cu toate acestea, sursa de energie - un reactor nuclear mic, de fapt - ar produce neutroni, care sunt particule extrem de penetrante ale radiatiei ionizante. Aceasta radiatie ar fi daunatoare atat pentru cei aflati in masina cat si pentru pietoni. Pentru a nu expune soferul si pasagerii la radiatii neutronice, scutul biologic al sursei ar trebui sa fie foarte voluminos si foarte greu - lucru care nu se potriveste cu ideea actuala a unui autoturism.

Cu toate acestea, chiar daca s-ar reusi construirea unei astfel de masini care sa ofere siguranta folosind, de exemplu, convertoare termoelectrice eficiente, ar exista problema controlului surselor utilizate.

Ford Nucleon a fost un model de masina dezvoltat de catre Compania Ford Motor in anul 1958 despre cum ar putea arata o masina cu propulsie nucleara. Designul nu a inclus un motor cu ardere interna, ​​mai degraba, vehiculul a fost alcatuit pentru a fi alimentat de la un reactor nuclear mic asezat in partea din spate a vehiculului, avand la baza ipoteza ca acest lucru ar fi posibil datorita dimensiunilor scazute. Masina a fost construita cu un motor cu aburi alimentat de fisiunea uraniului, similar cu modul de lucru in submarinele nucleare.

Hidrogenul joaca un rol tot mai important in chimie, in agricultura (productia de ingrasaminte cu azot), in industria petroliera si poate fi o potentiala sursa de energie, fiind utilizat drept combustibil. Ar fi de asteptat ca, din varietatea de posibile aplicatii ale hidrogenului, utilizarea sa drept combustibil sa devina cea mai populara. Avand in vedere interesul cresterii utilizarii hidrogenului, exista estimari ca energia necesara pentru producerea acestuia poate fi la fel de mare precum productia actuala de energie electrica.

Exista, asadar, un interes foarte mare in surse eficiente de energie, care pot produce hidrogen si folosirea reactoarelor nucleare poate avea un rol esential. Reactoarele pot produce energie electrica pentru efectuarea electrolizei apei. Energia termica nucleara poate fi, de asemenea, utilizata pentru producerea hidrogenului din gazul natural si, in procesele termochimice, din apa. Spre deosebire de procesul chimic care are loc utilizand gaze naturale, reactiile termochimice au avantajul ca dioxidul de carbon nu este produs. Intrucat in ambele cazuri este nevoie de temperaturi relativ ridicate (1000-1300 K), reactoarele de temperatura inalta pot fi utilizate in acest scop. In timpul zilei centralele nucleare ar putea functiona pentru a produce energie, iar pe timpul noptii ar putea produce hidrogen.

Energia nucleara este deja utilizata pentru desalinizarea apei - o problema extrem de importanta deoarece o mare parte a lumii sufera din cauza lipsei apei potabile. Aceasta este o problema grava in special in Asia si Africa de Nord. Astfel de reactoare pot in plus sa produca energie electrica, adica de a functiona ca centrale nucleare mici. Un exemplu de reactor nuclear care are rolul de a produce energie electrica si de a desaliniza apa este BN-350, un reactor rapid din Aktau, Kazahstan. Japonia, Rusia si Canada au experienta in utilizarea reactoarelor nucleare pentru desalinizarea apei, iar Agentia Internatională pentru Energie Atomica promoveaza puternic aceasta utilizare a energiei nucleare. Ideea consta in folosirea centralelor nucleare pentru producerea de energie electrica pentru perioadele de mare cerere, iar in cazul in care cererea scade, de a folosi o parte din energia electrica produsa in desalinizare. Proiecte sunt acum in curs de dezvoltare in India, China, Rusia, Pakistan, Tunisia, Maroc, Egipt, Algeria, Iran, Coreea de Sud, Indonezia și Argentina.

Neutronii sunt particule de mare interes stiintific. Ei sunt neutri din punct de vedere electric, dar actioneaza ca niste magneti mici; spunem ca ei poseda moment magnetic. Neutronul liber se dezintegreaza in proton, electron și un antineutrino, cu un timp de injumatatire de 10.25 minute, asadar neutronii produsi in Soare nu au nici o sansa de a ajunge pe Pamant. Desi se spune ca nu au sarcina electrica, fizicienii inca sunt in cautarea unei mici sarcini; ar fi un eveniment senzational daca o astfel de sarcina ar fi detectata. Pana acum s-a demonstrat ca sarcina trebuie sa fie mai mica decat 10^-21 din sarcina elementara! In acelasi timp se stie ca exista sarcini pozitive si negative intr-un neutron, iar acest lucru ridica intrebarea daca acestea formeaza asa-numitul dipol electric cu sarcini pozitive si negative separate de o distanta mica. Pana in prezent s-a dovedit experimental, tinand cont de posibilitatile existente, ca o astfel de separare trebuie sa fie mai mica de 10^-26cm.

Pentru a efectua aceste studii este nevoie de un flux mare de neutroni, iar reactoarele nucleare sunt extrem de utile, acestea fiind adevarate fabrici de neutroni. Reactoarele proiectate pentru a produce neutroni pentru experimente se numesc reactoare de cercetare. Exista numeroase aplicatii ale reactoarelor de cercetare in domeniul stiintei, medicinei si tehnologiei.

TRIGA Reactorul de cercetare din AERE, in Bangladesh (Image credits: IAEA).

Cele mai populare surse de neutroni pentru cercetare sunt reactoarele aflate la echilibru, care produc neutroni continuu. In cele mai multe dintre ele miezul este cufundat intr-un bazin. Apa din bazin, care face parte din sistemul de racire, actioneaza ca un scut biologic si este, de asemenea, utilizata pe baza de moderator. Toate centralele nucleare folosesc reactoare aflate la echilibru.

Exista, de asemenea, surse de neutroni pulsati care produc pulsuri periodice de neutroni. Unele dintre ele folosesc o reactie de spalatie in loc de fisiune.

Un proces care necesita in prezent o mare abilitate a aparut spontan in natura in urma cu aproximativ două miliarde de ani. In Oklo, o mina de uraniu din Gabon, Africa de Vest, a fost facuta o descoperire senzationala in luna iunie a anului 1972. S-a descoperit ca ²³⁵U exista in minereul de uraniu intr-o proportie substantial mai mica decat 0,72%. Cum ar putea fi explicat aceast lucru?

Deoarece ²³⁵U are un timp de injumatatire mai scurt decat ²³⁸U, abundenta relativa a ²³⁵U in urma cu 2 miliarde de ani ar fi trebuit sa fi fost la nivelul de 3-4% in loc de tipicul 0,72%. Dar o imbogatire cu 3-4% a ²³⁵U este destul de frecventa in reactoarele de putere actuale. Deci, conditiile hidrogeologice (apa este bun moderator al neutronilor si poate fi utilizata de asemenea, ca un reflector!) din jurul minereului de uraniu imbogatit au fost favorabile pentru o reactie continua in lant. Minereul a devenit in mod constant mai sarac in ²³⁵U, astfel încat ceea ce s-a descoperit in anul 1971 a fost ca ²³⁵U a fost consumat de reactoarele naturale de fisiune.

Se estimeaza ca reactoarele (17 reactoare fosile au fost descoperite in Oklo pana acum) functioneaza de aproximativ 1 milion de ani. Studiile au aratat ca reactoarele din Oklo au produs, de asemenea, ²³⁹Pu care se dezintegreaza (dezintegrare alfa) in ²³⁵U, asadar acestea au fost reactoare naturale reproducatoare!. Oklo a fost un dar pentru omenire, deoarece studiile legate de fragmentele de fisiune cu viata lunga imprastiate pe sol ne permit sa estimam eficienta depozitelor subterane a deseurilor nucleare, aflate in prezent in constructie.