	Biologie	Chimie	Didactica	Fizica	Geografie	Informatica
	Istorie	Literatura	Matematica	Psihologie

Fizica

Index » educatie » Fizica
» Fisiunea nucleara - reactie nucleara

Fisiunea nucleara - reactie nucleara

FISIUNEA NUCLEARA

Fisiunea nucleara este un tip special de reactie nucleara in care un nucleu se scindeaza in doua fragmente de dimensiuni comparabile. Totodata se pun in libertate si cativa neutroni, deoarece raportul dintre numarul neutronilor si cel al protonilor din nucleu se micsoreaza o data cu scaderea numarului atomic.

In anul 1939, O.Hahn si F. Strassmann au descoperit fenomenul de fisiune a nucleului de uraniu, prin bombardarea acestuia cu neutroni, punand in evidenta, pe cale chimica, existenta fragmentelor d nuclee semnalata in 1938 de catre Irene Joliot-Curie. Tot in anul 1939, L. Meitner si O. Frisch au explicat rezultatele obtinute de O. Hahn si F. Strassmann, emitand ipoteza fisiunii nucleelor de uraniu. E. Fermi si J. Curie au descoperit ca odata cu fragmentele de fisiune apar si neutroni, fenomen care face posibila realizarea reactiei de fisiune nucleara in lant. E. Fermi a realizat in anul 1942 in S.U.A., prima instalatie a unui reactor nuclear, in care procesul de fisiune s-a dezvoltat prin autointretinere.

In 1945 sunt lansate, la sfarsitul celui d al doilea razboi mondial, doua bombe nucleare deasupra Japoniei: in prima, explozia a fost datorata reactiei in lant in uraniu-235, cealalta in plutoniu 239.

In 1954 in U.R.S.S. este data in exploatare prima centrala atomoelectrica cu puterea de 5000 KW.

In prezent, in multe tari o cantitate importanta de energie electrica este obtinuta pe baza reactoarelor nucleare.

Mecanismul reactiei de fisiune nucleara a fost explicat de Bohr Wheeler si Frenkel pe baza modelului picatura al nucleului.

In urma captarii neutronului, energia de legatura a acestuia in nucleu se distribuie pe toti nucleonii. Nucleul incepe sa oscileze tinand sa se deformeze, luand pe rand formele: sfera, elipsoid, elipsoid alungit, elipsoid strangulat, sfera (fig.6.3.).

Aria suprafetei se modifica luand valori maxime pentru formele

foarte distorsionate elipsoidal alungit (c) si cel strangulat (d).

In nucleul compus se manifesta doua tendinte care se opun: fortele de tensiune superficiala care au tendinta sa pastreze forma sferica a nucleului si fortele Coulomb de respingere intre protoni, care au tendinta sa mareasca deformatia acestuia.

Daca gradul de excitare al nucleului compus este suficient de mare, actiunea fortelor Coulomb este predominanta fata de aceea a fortelor de tensiune superficiala si deformarea creste pana la strangulare aproape completa. Pentru aceasta forma tensiunea superficiala nu mai este suficient de puternica ca sa refaca sfericitatea nucleului si fortele Coulomb maresc separarea dintre cele doua parti terminale ale nucleului pana ce acesta se rupe in doua parti distincte, numite fragmente de fisiune.

Utilizand expresia energiei de legatura a unui nucleu se retin numai termenii ce determina fortele de respingere coulombiana si fortele de tensiune superficiala:

fisiunea nucleara este energetic posibila daca . Din conditia in (6.25) se obtine , numindu-se parametrul de fisiune.

Daca , fisionarea este favorabila energetic. Daca , fisiunea nucleara se poate produce numai daca particula proiectil are o energie cinetica suficient de mare pentru a transfera nucleului energia necesara indeplinirii conditiei .

Un nucleu se poate considera ca este stabil daca energia sa potentiala de repaus este minima. Daca forma initiala, sferica a nucleului se modifica, devenind, de exemplu, elipsoidala, nucleul avand sub aceasta forma energia potentiala U, el va fi stabil daca , indiferent de valoarea lui U. Daca , nucleul revine la forma initiala. Daca , distanta dintre nucleoni creste, deoarece fortele de atractie nucleara scad mai repede cu distanta decat cele de respingere coulombiana, deformarea va atinge la un moment dat o valoare critica, de la care revenirea la forma sferica nu mai este posibila si nucleul se va scinda in doua. Variatia energiei potentiale este data de relatia:

(6.26)

unde este excentricitatea elipsei ce genereaza elipsoidul. Conditia conduce la criteriul fisiunii spontane: . Deci nucleele pentru care parametrul de fisiune , pot fisiona spontan. Fisiunea nucleelor pentru care este posibila daca particula proiectil transfera nucleului o energie suplimentara, numita energie de activare.

PRODUSII DE FISIUNE

In urma unei fisiuni nucleare se pot obtine atat produsi si radiatii prompte (fragmente nucleare, radiatii , particule ) cat si produsi si radiatii intarziate (neutroni, radiatii si emise la dezintegrarea fragmentelor de fisiune).

Fragmentele de fisiune pot fi foarte diferite, constand din izotopi cu . Numarul de masa al fragmentelor de fisiune este cuprins intre 72 si 158.

Fragmentele de fisiune sunt radioactive, deoarece nucleele acestor fragmente se afla in stari puternic excitate, in cele mai multe cazuri se transforma in nuclee stabile prin dezintegrari. De exemplu, in cazul fisiunii , o posibilitate este urmatoarea:

nucleele rezultate in urma fisiunii au un surplus de aproximativ 30% de neutroni fata de configuratia caracteristica nucleelor usoare. In consecinta, fragmentele de fisiune vor emite neutroni care se grupeaza in doua categorii: neutroni prompti emisi intr-un interval de timp de din momentul fisiunii si reprezinta 99% din neutronii emisi in general. Energia acestora este cuprinsa intre1 si 2 MeV.

Fragmentele de fisiune au o viteza initiala de . Ca urmare a unor astfel de viteze mari, fragmentele "pierd" din electronii paturilor atomice devenind puternic ionizate, interactionand puternic cu substanta si avand un parcurs extrem de mic.

Emisia care se produce intr-un interval de s dupa sciziune se numeste emisie prompta, iar cea care are originea in dezexcitarea nuclizilor obtinuti prin fisiune in timpul dezintegrarilor se numeste emisie intarziata.

ENERGIA REZULTATA IN PROCESUL

DE FISIUNE NUCLEARA

Purtatorii de energie ai reactiei de fisiune nucleara sunt fragmentele de fisiune, radiatiile prompte si intarziate, radiatiile , neutronii si neutrinii. Aceasta energie este initial de tip cinetic, pentru ca ulterior datorita interactiunii cu mediul, un procent insemnat sa se transforme in energie calorica. Cantitatea de energie eliberata in procesul de fisiune se poate calcula astfel:

1. Se evalueaza defectul de masa , caruia ii corespunde o energie . La fisionarea nucleelor de se obtine .

2. Cunoscand energia de legatura pe nucleon a nucleului tinta si pentru nucleele rezultate din fisiune, se poate calcula energia degajata.

Calculand in acest mod energia degajata, tot la fisiunea nucleului de cu si pentru nuclizii si , rezulta aceeasi valoare .

REACTIA NUCLEARA DE FISIUNE IN LANT

Obtinerea energiei nucleare necesita autointretinerea in lant a reactiei de fisiune. Conditiile de realizare a reactiei in lant se exprima prin coeficientul de multiplicare k, definit prin raportul:

Daca reactia in lant nu poate avea loc (sistem subcritic), pentru reactia in lant se mentine cu un numar constant de neutroni (sistem critic, cazul reactorilor nucleari), iar pentru numarul neutronilor si deci a actelor de fisiune creste continuu, ceea ce conduce la explozia nucleara (sistem supracritic).

Coeficientul de multiplicare k depinde de natura izotopului, iar pentru un izotop dat de masa substantei fisionabile, de forma geometrica si volumul acesteia. Din momentul emisiei unui neutron prompt si pana la ciocnirea acestuia cu un nou nucleu, acesta parcurge distante de ordinul centimetrilor. Daca volumul substantei fisionabile este mic, neutronul poate parasi volumul respectiv. Ciocnirile de acest gen vor fi cu atat mai mici cu cat este mai mica aria suprafetei ce limiteaza volumul ocupat de substanta fisionabila. Odata cu cresterea cantitatii de material fisionabil creste si coeficientul de multiplicare k.

Cantitatea minima de material fisionabil care, in conditii constructive date, poate asigura realizarea reactiei nucleare de fisiune in lant, la nivel constant, se numeste masa critica.

REACTORUL NUCLEAR

Dispozitivul in care se produce reactia de fisiune in lant controlata se numeste reactor nuclear.

In natura se gaseste practic numai , izotopul reprezentand numai o proportie de .

Se folosesc ca materiale combustibile: materiale fertile si (care servesc la prepararea materialului fisionabil) materiale fisionabile , , . Numai ,se gaseste in natura, celelalte doua se obtin artificial, din si din .

Substanta moderatoare este utilizata pentru transformarea neutronilor rapizi cu viteza , in neutroni lenti (termici) cu viteze de . Uraniul natural fisioneaza si cu neutroni lenti si cu neutroni rapizi cu o energie mai mare de 1,1 MeV.

Sectiunea eficace a reactiei d fisiune nucleara este in primul caz mai mare decat in al doilea si, de aici, aspectul favorabil al termizarii neutronilor. Ca materiale moderatoare pot fi folosite: , grafitul, Be, BeO, compusi organici si hidruri metalice.

Un reactor nuclear este alcatuit din urmatoarele parti:

Zona de reactie, denumita si zona activa sau miezul reactorului, contine un amestec omogen sau eterogen de combustibil nuclear si moderator. In reactivii omogeni se folosesc saruri de uraniu dizolvate in apa grea, iar reactorii eterogeni contin combustibilul nuclear sub forma de bare sau blocuri inconjurate de straturi de moderator,

Reflectorul, care serveste pentru ca o parte din neutronii ce tind sa paraseasca zona activa sa fie reflectati din nou de zona activa. In cazul reactorilor cu neutroni termici se folosesc ca reflector apa, apa grea, bariliul, oxidul de bariliu, grafitul,

Sistemul de racire si transport de caldura consta din tuburi prin care circula agenti de racire ca apa, apa grea, metale lichide, substante organice sau gaze. Agentul de racire preia caldura din zona activa si o transfera vaporilor dintr-o turbina cu abur. Dupa aceasta racire agentul termic ajunge din nou in zona activa a reactorului,

Sistemul d control si reglare a procesului de fisiune. Controlul si reglarea regimului de lucru al unui reactor se realizeaza cu ajutorul unor materiale puternic absorbante de neutroni. Cele mai indicate sunt cadmiul si borul. Ele se dispun sub forma de bare in interiorul zonei active,

Sistemul de protectie. Exista doua tipuri de protectie a reactorului nuclear si anume protectia termica si protectia biologica. Protectia termica se realizeaza prin inconjurarea zonei active cu un strat de otel suficient de gros. Protectia biologica implica mai multe aspecte ca: protectia directa a personalului impotriva radiatiilor emise de reactor si de izotopii radioactivi obtinuti in el; protectia impotriva infestarii mediului inconjurator cu substante radioactive in regim normal de lucru sau in caz de avarie; protectia fata de radioactivitatea deseurilor radioactive rezultate, tratarea si depozitarea lor.

Reactorul nuclear este utilizat in mai multe scopuri:

a. Produce neutroni care se utilizeaza in studiul proprietatilor nucleare sau in obtinerea de izotopi radioactivi artificiali pentru aplicatii;

b. Produce energie ce se utilizeaza in centralele nucleare-electrice;

c. Produce materiale fisionabile care nu se gasesc in natura. Dintre toate nucleele care fisioneaza cu neutroni de energie mica, numai se gaseste in natura. Izotopii de si se obtin din reactii care au loc in reactorul nuclear.

IZOTOPII RADIOACTIVI

SI APLICATIILE LOR

Izotopii radioactivi sau radioizotopii, sunt izotopi au nucleelor naturale sau artificiale, care devin radioactivi prin bombardarea cu particule elementare accelerate, sau se retrag din produsii de fisiune rezultati in reactorii nucleari.

Izotopii radioactivi prezinta avantajul de a fi usor detectati si pusi in evidenta prin radiatiile pe care le emit, ceea ce a condus si la rapida lor utiliza in practica.

Se cunosc urmatoarele procedee de obtinere a radioizotopilor artificiali:

a. bombardarea unui nucleu cu particule obtinute in acceleratoarele de particule. Metoda este eficace, selectiva, insa foarte costisitoare, datorita fluxurilor de particule de mica densitate ce se obtin in prezent in acceleratoarele de particule.

b. Bombardarea nucleelor cu neutroni produsi in reactoarele nucleare.

Exista si reactii in cadrul carora nucleul tinta, in urma captarii neutronului, emite un proton si trece intr-un izotop radioactiv al altui element.

c. Obtinerea radioizotopilor din produsii fisiunii nucleare se bazeaza pe faptul ca fragmentele rezultate in urma fisionarii nucleului de , si sunt radioactive, si sufera cateva tranzitii radioactive cu producerea unor izotopi radioactivi cu diferiti timpi de injumatatire, pana la obtinerea in final a unui nucleu stabil.

Substantele radioactive artificiale pot fi utilizate ca surse de radiatii. Aplicatiile surselor de radiatii depind de faptul daca in procesele respective sunt necesare fluxuri intense de radiatii cand se utilizeaza produse radioactive ale fisiunii fara sa se urmareasca o separare chimica avansata sau se lucreaza cu intensitati de radiatii mai reduse, cand sunt necesari izotopi radioactivi cat mai puri din punct de vedere chimic.

Sa enumeram cateva dintre aplicatiile actuale ale izotopilor radioactivi:

a. Defectoscopia cu radiatii . Permit realizarea controlului nedistructiv in industria constructiilor metalice, a constructiilor de beton armat etc. izotopul folosit in acest scop este .

b. Sterilizarea cu radiatii este utilizata in cazul unor produse farmaceutice, antibioticele, care se descompun la caldura, precum si in cazul unor produs alimentare.

c. Carotajul radioactiv, metoda utilizata in procesul prospectarilor geologice, se bazeaza pe proprietatile moderatoare ale compusilor organici si pe proprietatile de absorbtie ale unor roci. In principiu, aceasta metoda consta in urmatoarele: in gaura produsa prin forare se introduce o sonda continand un cilindru care la capatul inferior are o sursa de neutroni rapizi cu energie de cativa MeV, iar la celalalt capat un detector de radiatii . Detectorul este conectat la o instalatie de masura la suprafata pamantului, el este ecranat pentru a nu inregistra eventuala radiatie emisa de sursa de neutroni. Se determina mai intai curba activitatii fara sursa de neutroni. Apoi se introduce sonda cu sursa de neutroni si se determina din nou activitatea .

Neutronii bombardand elementele continute in roci produc o radiatie suplimentara care este inregistrata. Daca roca are in compozitie elemente usoare (hidrogen sau carbon), neutronii sunt incetiniti, sectiune de captura creste si o data cu aceasta, intensitatea radiatiei emisa. Comparandu-se curbele celor doua activitati se pot trage concluzii cu privire la prezenta hidrocarburilor in rocile respective. Carotajul descris aici este denumit "neutron-gama", se mai practica si carotajele "gama-gama" si "neutron-neutron".

d. Procesele de ionizare pe care le produc radiatiile de franare si electronii pot determina modificari in proprietatile unor polimeri sau produse chimice, modificari care nu pot fi obtinute pe alte cai.

e. Analiza prin activitate este o metoda de inalta sensibilitate pentru identificarea si dozarea urmelor de elemente in diferite materiale. Proba in cantitate mica de se iradiaza cu neutroni sau cu protoni deuteroni. Cu ajutorul metodei spectrometriei se pot determina energiile, intensitatile si timpii de injumatatire ale diferitelor linii spectrale emise de proba iradiata. Aceste informatii permit stabilirea naturii si cantitatile de elemente radioactive continute in proba.

f. Masurarea debitelor lichidelor. Izotopul radioactiv se introduce in lichidul de curgere, iar de-a lungul tubului in care curge lichidul ce antreneaza si radioizotopul, se aseaza doua contoare Geiner - Muller. Se masoara intervalul de timp care separa trecerea radioizotopului intre cele doua contoare plasate la distanta 1 unul de altul. Debitul lichidului se va calcula cu relatia unde S este sectiunea tubului prin care curge lichidul.

g. Masurari de uzura. Se iradiaza cu neutroni sculele d gaurit sau de frezat. Se creeaza astfel mai multi izotopi radioactivi, iar prin examinarea ulterioara cu un contor Geiner-Muller a lubrifiantului si a reziduurilor rezultate, din gradul lor de radioactivitate se poate determina gradul de uzura a sculei respective.

h. Metoda trasorilor radioactivi (sau a atomilor marcati). Metoda se bazeaza pe faptul ca proprietatile chimice si fizice ale izotopilor stabili sunt aceleasi cu proprietatile izotopilor radioactivi.

Prin adaugarea unui izotop radioactiv la elementul stabil care trebuie urmarit, izotopul poate fi detectat cu detectoare de radiatie, in acest fel fiind posibila cunoasterea fazelor prin care trece elementul respectiv in procesele fizico-chimice. Se spune ca izotopul radioactiv "traverseaza" drumul elementului urmarit in procesele respective.

Aceasta metoda permite cercetarea multor procese tehnice, chimice, biologice, fiziologice. Introducerea in organism a unor urme de iod radioactiv permite diagnoza precisa a functionarii tiroidei. De asemenea se pot depista tumorile, deoarece acestea fixeaza fosforul marcat in cantitati mult mai mari decat tesuturile sanatoase. Izotopul radioactiv este utilizat pentru studiul modificarilor patologice ale vaselor sanguine in bolile de circulatie.

i. Stabilirea varstei unor produse din natura.

In urma interactiei radiatiei cosmice cu azotul din atmosfera se formeaza , izotop radioactiv cu timpul de injumatatire ani. Intensitatea radiatiei cosmice fiind constanta, rezulta constanta cantitatii de carbon radioactiv din atmosfera.

Izotopul formeaza bioxidul de carbon care este asimilat de plante la fel ca bioxidul de carbon obisnuit, care contine izotopul . Odata cu hrana, obtinuta din plante izotopul intra in compozitia tesaturilor si diferitelor organe ale tuturor vietatilor. Atat timp cat planta, omul, animalul sunt vii raportul dintre si ramane constant, deoarece orice pierdere este completata prin hranire continua. Dupa moarte, asimilarea bioxidului de carbon inceteaza cantitatea de raman constanta, deoarece este un izotop stabil, iar cantitatea de scade datorita dezintegrarii radioactive a acestui izotop nestabil al carbonului. Raportul scade in timp dupa o relatie de forma , unde t reprezinta in ani timpul care s-a scurs de la moartea substantei vegetale considerate. Prin determinarea raportului s-a putut stabili varsta acestora, cu o eroare de 100 ani la fiecare 2000 ani. In cazul rocilor, pentru a le determina varsta, se tine seama, pe de o parte, de raportul dintre izotopii radioactivi ce intra in componenta lor, iar, pe de alta parte, de raportul izotopilor stabili rezultati.

6.6. INTERACTIA RADIATIILOR NUCLEARE

CU SUBSTANTA

La trecerea unui fascicul de particule (protoni, deuteroni, particule , particule , neutroni, nuclee mai grele) sau de radiatii printr-un mediu, se produc interactii intre fascicul si particulele care alcatuiesc mediul care conduc la atenuarea fasciculului, adica la micsorarea intensitatii lui pe masura ce el patrunde in mediul respectiv.

Atenuarea se datoreaza fie miscarii numarului de particule care strabat, in unitatea de timp, unitatea de arie perpendiculara pe directia de propagare, fie micsorarii energiei fiecarei particule din fascicul.

In primul caz atenuarea este de tip exponential, iar in al doilea caz se numeste atenuare cu parcurs.

In cazul atenuarii exponentiale (fig.6.4.), curba reprezentativa este o curba

Figura

exponentiala asimptota la axa absciselor. este intensitatea fasciculului care cade pe stratul de substanta, iar I intensitatea fasciculului dupa ce strabate distanta x in suprafata.

Atenuarea cu parcurs (fig.6.5.) se caracterizeaza prin aceea ca intensitatea se mentine constanta pe o anumita distanta, ca apoi sa scada foarte repede spre zero. Distanta maxima R parcursa de fascicul in mediul absorbant reprezinta parcursul radiatiei respective in acel mediu. Parcursul depinde de natura particulelor care alcatuiesc fasciculul, de energia lor si de natura mediului absorbant.

Pentru ambele tipuri de atenuare poate fi definita o grosime de strat absorbant numita grosime de injumatatire, ca fiind distanta necesara pentru o atenuare a unui fascicul de radiatie la jumatate din intensitatea fasciculului incident. In cazul atenuarii cu parcurs, grosimea de injumatatire este aproape egala cu parcursul.

6.6.1. INTERACTIA CU SUBSTANTA A PARTICULELOR

GRELE, CU SARCINA ELECTRICA

Din aceasta categorie de particule fac parte protonii, deuteronii, particulele si ionii accelerati. Modul principial prin care o particula incarcata, grea pierde energia in substanta este ciocnirea coulombiana neelastica cu atomii substantei respective. Aceste procese de ciocnire neelastica conduc la ionizare respectiv la excitarea atomilor si se produc cu pierdere de energie a particulei incidente. Energia cinetica scade cu fiecare act de ionizare, particula oprindu-se cand energia a scazut astfel incat nu mai este posibila o ionizare suplimentara. Cu cat energia particulelor incidente este mai mare cu atat parcursul lor este mai mare.

Desi ciocnirile elastice ale particulelor cu atomii substantei nu conduc la pierderi de energie, acestea prezinta importanta deoarece produc o imprastiere a particulelor din fasciculul incident, franarea particulelor grele prin interactia acestora cu nucleele substantei devine importanta numai pentru energii suficient de mari, care depasesc bariera coulombiana de potential. Se considera ca pentru particule cu energii sub 50 MeV, interactia cu nucleele poate fi neglijata.

Parcursul R al particulei prin substanta, depinde de energia, masa si sarcina particulei. Parcursul R se defineste prin relatia:

unde este densitatea mediului transferat, iar reprezinta pierderea de energie pe unitatea de lungime.

6.6.2. INTERACTIA PARTICULELOR

CU SUBSTANTA

Trecerea electronilor si a pozitronilor prin substanta se deosebeste de trecerea celorlalte particule incarcate, datorita masei mici a electronilor si pozitronilor. Electronul si fasciculul de radiatie, din cauza masei mici, la trecerea prin substanta isi va schimba impulsul la fiecare ciocnire.

In cazul particulelor atenuarea se datoreaza atat imprastierii cat si absorbtiei particulelor. Imprastierea, ea insasi e datorita atat interactiei cu nucleele atomilor din materialul in care se propaga particulele, cat si interactiei cu electronii atomici.

Interactia cu nucleele produce deviatii mari ale particulelor din fasciculul incident, pe cand pierderea de energie este datorata, in special, interactiei cu electronii.

Absorbtia se datoreste ionizarii atomilor din mediul strabatut de fascicul. Pierderea de energie a electronilor datorita fenomenelor de ionizare si excitare este valabila pentru electroni cu energia . Electronii cu energii mai mari decat pierd o parte insemnata din energia lor prin radiatie, adica prin emisia unei radiatii X cu spectru continuu (radiatia X de franare).

Prin suprapunerea diferitelor fenomene care conduc la atenuarea particulelor se obtine o atenuare de tip exponential, descrisa de legea:

unde este intensitatea fasciculului incident, x grosimea stratului strabatut, coeficientul de absorbtie liniara.

Curba ce reprezinta aceasta variatie (fig.6.6.) este, deci, o curba exponentiala, care nu este asimptota la axa absciselor, ci o intalneste intr-un punct a carui abscisa R reprezinta parcursul fasciculului in mediul absorbant.

In cazul electronilor de o anumita energie se defineste parcursul maxim, adica grosimea minima de substanta care opreste toti electronii.

In principiu protectia impotriva fasciculelor de radiatii si nu prezinta dificultati deosebite, deoarece parcursul acestor radiatii in substanta este redus. Practic insa, problema nu este simpla. Astfel, de exemplu, radiatiile energice, in special cele de la acceleratoarele de particule, dau nastere unei puternice radiatii de franare, care fiind de natura electromagnetica, are mare putere de patrundere si necesita pentru protectie, ecrane de plumb. O ameliorare a situatiei poate fi obtinuta prin inconjurarea surselor intense si de energii mari, cu straturi din materiale cu Z mic (de exemplu, materiale plastice), deoarece intensitatea radiatiei de franare este proportionala cu .

6.6.3. INTERACTIA RADIATIEI

CU SUBSTANTA

Interactia fotonilor cu substanta, desi este de natura electromagnetica se deosebeste de interactia particulelor incarcate.

Fotonii nu au sarcina si deci nu sufera actiunea fortelor coulombiene. Pe de alta parte, ei nu au masa de repaus, deplasandu-se cu viteza luminii. De aceea nu se vorbeste de incetinirea cuantelor cu substanta. Ei sunt absorbiti de substanta sau imprastiati la unghiuri mari, cu modificare lungimii de unda.

Absorbtia radiatiilor in substanta este datorata in principal urmatoarelor efecte: efectul fotoelectric, efectul Compton si crearea perechii electron-pozitron in campul altei particule din substanta.

a. Efectul fotoelectric este procesul in care atomul absoarbe un foton si emite un electron. Procesul se petrece cu conservarea impulsului.

, este impulsul electronului iar impulsul atomului de recul si a energiei:

este energia cinetica a electronului, energia de recul , energia de ionizare a atomului. Efectul fotoelectric se caracterizeaza prin sectiunea eficace , care are urmatoarele proprietati:

Este proportionala cu , deci creste foarte rapid in cazul elementelor grele, de aceea protectia impotriva radiatiilor se realizeaza din substante cu Z mare;

Pentru energii mult mai mari decat energia de legatura, aceasta scadere devine putin rapida, fiind proportionala cu in regiunile in care energia fotonilor este egala cu energiile de legatura de pe paturile prezinta salturi bruste. In felul acesta absorbtia prin efect fotoelectric este importanta pentru energii mici ale fotonilor devenind neglijabila pentru energii foarte mari.

Efectul Compton devine preponderent in interactia radiatiei cu substanta cand energia fotonilor depaseste energia de ionizare si in cazul materialelor cu z mic. In urma imprastierii Compton fotonul isi modifica lungimea de unda dupa relatia:

iar energia cinetica a fotonului difuzat este:

fotoelectronii sau electronii de recul Compton vor ioniza substanta si vor fi incetiniti;

Producerea de perechi electron-pozitron, reprezinta procesul de absorbtie al fotonului in campul unui nucleu si emisia unui electron si a unui pozitron.

Nucleul va primi un recul, insa energia cinetica acestuia se neglijeaza in bilantul energetic al procesului

Fotonul se transforma in perechea electron-pozitron numai daca energia sa depaseste suma energiilor de repaus ale electronului si pozitronului.

Se constata ca formarea perechilor poate avea loc numai in vecinatatea unui nucleu sau a unui electron. Acest lucru este impus de legea conservarii impulsului. Prezenta nucleului sau a electronului face posibila formarea de perechi deoarece, in acest caz, energia si impulsul cuantei se distribuie in trei particule fara sa se incalce legile de conservare.

Sectiunea eficace de producere a perechilor este proportionala cu practic pentru intreg domeniul de energii.

Pentru cuantele , deoarece ele sunt absorbite sau putin sunt scoase din fascicul intr-o singura interactie, nu exista notiunea de parcurs. Ca rezultat al interactiilor, intensitatea fasciculului scade pe masura ce creste grosimea stratului strabatut. Scaderea intensitatii fasciculului de radiatii la trecerea printr-un strat de grosime dt.

Daca tinem seama de principalele efecte de interactie a radiatiei, coeficientul de atenuare se va putea scrie ca o suma de trei coeficienti corespunzatori, respectiv efectului fotoelectric, efectul Compton si procesul de formare de perechi.

Coeficientul de absorbtie fotoelectric

unde n este numarul de atomi din unitatea de volum, iar sectiunea eficace de producere a fotoelectronilor.

Coeficientul de impartire Compton este:

unde este numarul de nuclee din unitatea de volum.

Pentru ecranarea fluxurilor de radiatii si x, sunt necesare materiale cu Z mare. In laboratoarele de radioizotopi, cel mai folosit material de ecranare este plumbul, deoarece are o capacitate suficienta de ecranare pentru majoritatea cazurilor intalnite in mod obisnuit. In cazul cand sunt necesare ecrane de dimensiuni mari se utilizeaza betoanele grele preparate cu barita, cu oxizi de fier, sau chiar cu deseuri de fier. Pentru aparate speciale de dimensiuni mici, la care ecranul trebuie sa aiba dimensiuni reduse, se pot utiliza wolframul sau uraniul metalic care au o densitate mult mai mare decat plumbul si in consecinta un coeficient de atenuare a radiatiilor mai mare.

In cazurile in care trebuie sa se permita conducerea operatiilor tehnologice efectuate asupra radioizotopilor (de exemplu la manipularea barelor de combustibil), ecranul este transparent, constituit dintr-un strat gros de apa. Pentru vizoarele de la camerele fierbinti (incaperi in care este prezent pericolul de iradiere externa puternica, se utilizeaza sticla groasa cu densitatea mare fabricata cu un adaos substantial de plumb.

6.6.4. INTERACTIA NEUTRONILOR

CU SUBSTANTA

Se poate considera ca forma fundamentala de interactie a neutronilor cu substanta este interactia neutronilor cu nucleele substantei respective.

Neutronii, neavand sarcina electrica, patrund in nucleu, deoarece nu sunt impiedicati de bariera coulombiana de potential, ca particulele purtatoare de sarcina electrica.

Principalele tipuri de interactie cu nucleul sunt: imprastierea elastica , imprastierea inelastica , reactiile nucleare , reactiile de fisiune , captura radioactiva .

In mod obisnuit se defineste o sectiune eficace totala care caracterizeaza toate tipurile de interactiune ale neutronilor cu nucleele

Atenuarea fasciculului de neutroni se face dupa legea:

unde este intensitatea fasciculului initial, numarul de nuclee din unitatea d volum, x distanta strabatuta in strat.

6.6.5. MARIMI DOZIMETRICE

Dozimetria se ocupa cu estimarea cantitativa a gradului de iradiere a substantei sub actiunea radiatiilor nucleare. Unitatile dozimetrice utilizate sunt specifice procesului de producere a radiatiilor, naturii lor si efectelor pe care le produc.

Se introduc, de asemenea, unitati speciale pentru calculul actiunii biologice a radiatiei.

Expunerea sau doza de ioni reprezinta cantitatea de sarcina electrica produsa de radiatia ionizanta in unitatea de masa. De regula, considera expunerea in aer in conditii normale de temperatura si presiune. Se masoara in . Unitatea tolerata este rontgen , cea mai veche unitate de masura pentru doza de iradiere. Rontgenul este definit prin cantitatea de radiatii X sau care produce intr-un kilogram de aer uscat, in conditii normale, un numar de perechi de ioni care poarta o sarcina de

Debitul expunerii este raportul intre expunere si durata expunerii.

Se masoara in . Unitatea tolerata este .

Doza absorbita este energia absorbita in unitatea de masa in mediul supus actiunii unei radiatii nucleare.

Se masoara in gray, unitatea de masura adoptata in SI

Unitatea tolerata este rad-ul, care corespunde unei cantitati de energie de retinuta intr-un kg.

Doza de debit absorbita masoara energia absorbita in unitatea de masa a substantei iradiate, in unitatea de timp.

Unitatile de masura sunt si .

Doza absorbita si doza debit sunt marimi care se utilizeaza direct la fascicule si de electroni. Particulele grele incarcate si neutronii care pot produce reculuri ale ionilor, au un efect distructiv al tesutului, mai mare decat al fotonilor, pentru aceeasi doza absorbita. S-a corelat astfel biologic cu transferul linear de energie. Prin transferul liniar de energie se intelege energia absorbita intr-un volum cu o raza specifica de-a lungul traiectoriei particulei. Marimea care ia in consideratie transferul liniar de energie si alti factori de distributie este echivalentul de doza sau doza biologica.

Echivalentul de doza reprezinta doza absorbita intr-un tesut supus la o radiatie oarecare, care produce acelasi efect biologic ca o doza absorbita corespunzatoare unei radiatii X

unde Q este factorul de calitate corespunzator tipului de radiatie. Astfel pentru radiatia si X, pentru neutroni rapizi si ioni grei si pentru particule .

Unitatea de masura in SI a primit denumirea de sievert (Sv). Un este doza echivalenta pentru tesutul iradiat cu radiatii avand factorul de calitate , atunci cand doza absorbita in acel tesut este gray.

Se mai foloseste ca unitate de masura rem (rontgen equivalent man).

Doza echivalenta este presupusa a avea un caracter cumulativ. Pentru intreg corpul este permisa o iradiere profesionala de saptamana.

Echivalentul dozei efectiv (EDE) reprezinta echivalentul de doza la iradierea unui tesut ce produce acelasi efect biologic ca si iradierea uniforma a intregului corp. spre exemplu, o doza tiroidiana de produce acelasi efect (cancer) ca si o doza de pentru iradierea intregului corp.

Doza angajata reprezinta echivalentul dozei absorbite datorita unui radionuclid pentru un timp total de 50 de ani dupa emisia acestuia in mediul ambiant.

Doza colectiva reprezinta echivalentul dozei efective insumat pentru toata populatia supusa actiunii radiatiei ionizate. Se masoara in om Sv.

Factorul de risc este numarul de cazuri letale pentru o unitate de doza angajata per om (cazuri Sv an).

Comisia Internationala de Protectie Radiologica (ICRP) recomanda ca limita anuala pentru public valoarea de (corespunzator unui risc de deces anual de , mai mic decat alte cauze naturale). Se permite ca doza primita accidental intr-un an sa fie de , cu conditia ca media anuala pe toata durata de viata sa fie de .

Privitor la doza limita anuala pentru personalul din energetica nucleara, tendinta mondiala este de a misca vechile recomandari. Astfel in SUA, Comisia Internationala de Protectie Radiologica pastreaza valoarea de , dar o considera valabila ca o maxima, impunand conditia ca doza acumulata sa nu depaseasca produsul intre varsta si , iar doza medie anuala sa se limiteze la .

Legislatiile din multe tari mai prevad limitari speciale pentru populatia din zonele aferente centralelor nucleare unde, in afara de iradierea datorita emisiunilor de rutina, mai exista un risc probabil datorat incidentelor si accidentelor. In majoritatea tarilor, pentru populatia maxim expusa in zonele adiacente CNE, echivalentul dozei efective datorate CNE este limitat la valoarea .

Relativ la expunerile probabile datorita accidentelor la CNE, se prevede limitarea riscului la valori sub cele pe care publicul le suporta datorita cauzele naturale.

Recent Agentia Internationala pentru Energia Atomica (AIEA) recomanda ca riscul maxim pentru public sa fie limitat la (1 deces anual per , datorat activitatilor energeticii nucleare). Din aceasta cerinta rezulta ca o centrala nucleara trebuie proiectata astfel ca un accident major in care publicul primeste o doza sa nu se intample cu o probabilitate mai mare de an. Referitor la un anumit tip de accident, se recomanda ca probabilitatea acestuia sa nu depaseasca an, daca el genereaza scapari radioactive masive in mediu.

Aplicatii

Sa se calculeze defectul de masa si energia de legatura a nucleului de . Sa se calculeze energia de legatura ce revine unui singur nucleon. Se cunosc: , , .

Rezolvare

Se utilizeaza expresia defectului de masa a unui nucleu:

Energia de legatura a unui nucleu se exprima astfel:

Energia de legatura pe nucleon se defineste prin relatia:

Sa se determine constanta radioactiva a radioizotopului stiind ca in timp de o ora numarul de nuclee radioactive se micsoreaza cu 3,8 %. Elementul derivat in urma dezintegrarii este stabil.

Rezolvare

Se aplica legea dezintegrarilor radioactive

Intensitatea unui fascicul ingust de radiatii scade de opt ori dupa ce strabate un strat de plumb de grosime . Sa se calculeze grosimea stratului de plumb ce reduce intensitatea fasciculului incident la jumatate.

Rezolvare

Se aplica legea de atenuare a radiatiilor :

Politica de confidentialitate