Doca - Introducere in lumea reactoarelor.pdf

Loading ...
Global Do...
News & Politics
Cezar Marcel DOCA
Constantin PĂUNOIU
INTRODUCERE ÎN LUMEA
REACTOARELOR NUCLEARE DE FISIUNE
CONTRIBUŢIE LA RO.WIKIPEDIA.ORG
Editura Universităţii din Piteşti – 2007
ISBN: 978-973-690-684-8
CUVÂNT ÎNAINTE
Această carte nu se substituie vreunui tratat, manual sau curs de  
specialitate: nici de teorie fizică, nici de inginerie, nici măcar de istorie a  
ştiinţei şi tehnicii.
Lucrarea de faţă este parte a contribuţiei noastre la wikipedia în  
limba română.
Prezentul eseu foloseşte şi, la rândul său, oferă cititorului informaţii  
sub GNU Free Documentation Licence.
AUTORII
Institutul de Cercetări Nucleare Piteşti
CUPRINS
NOTIŢE
    pentru cei care nu au răbdare să citească toată cartea
. 
  7
SCURT ISTORIC
.
.
.
.
.
.
13
ATOMUL
.
.
.
.
.
.
.
23
NUCLEUL ATOMIC .
.
.
.
.
31
FISIUNEA NUCLEARĂ
.
.
.
.
.
37
REACŢIA DE FISIUNE ÎN LANŢ .
.
.
.
43
COMBUSTIBILI NUCLEARI
.
.
.
.
47
REACTORUL NUCLEAR DE FISIUNE
.
.
.
57
STRATEGII ŞI FILIERE
.
.
.
.
.
71
DEŞEURI RADIOACTIVE .
.
.
.
.         101
CENTRALA NUCLEARO–ELECTRICĂ
.
.         113
ACCIDENTE NUCLEARE .
.
.
.
.         117
SECURITATE NUCLEARĂ .
.
.
.         141
CONCLUZII
   pentru cei care au avut răbdare să citească toată cartea
.         151
BIBLIOGRAFIE
.
.
.
.
.
.         155
ANEXE
.
.
.
.
.
.
.         157
NOTIŢE
NOTIŢE
pentru cei ce nu au răbdare să citească toată cartea
• Atomul este format dintr-un nucleu central înconjurat de un nor de 
electroni.
• La  rândul  său,  nucleul  atomic conţine  protoni  şi,  cu  excepţia 
nuclidului 1H (hidrogen), neutroni.
• Botezată  electron de  George  Stoney,  această  particulă  a  fost 
descoperită  şi  prezentată  în  1987  de  Johann  Emil  Wiechert  şi, 
independent, trei luni mai târziu, de Joseph John Thomson.
• Cu o rază mai  mică de 10-22 m,  electronul  face  parte  din  familia 
fermionilor, grupa leptonilor şi este caracterizat prin:
-
sarcina electrică = –1,60217733 × 10-19 C;
- masa = 9,10938188(72) × 10-31 kg;
- momentul giromagnetic = –1,0011596521883(42) μB;
- momentul de dipol electric = (–0,3 ± 0,8) × 10-29 e m;
-
spinul = ½.
• Având  un  timp  de  viaţă  >  13×1030 s,  electronul  interacţionează 
gravitaţional,  electromagnetic  şi  prin  forţă  nucleară  slabă, 
antiparticula sa numindu-se pozitron.
• Protonul a fost descoperit în 1911 de Ernest Rutherford.
• Cu o rază de 0,89(1) × 10-15 m, protonul este fermion /  hadron / 
barion / nucleon şi se compune din trei quarci: 1 down şi 2 up.
• Protonul are:
-
sarcina electrică = +1,60217733 × 10-19 C;
- masa = 1,67262158(13) × 10-27 kg;
- momentul magnetic = 2,2792847337(29) μN;
- momentul de dipol electric = (– 4 ± 6) × 10-26 e m;
-
polarizabilitatea electrică = 12,1(0,9) × 10-4 fm3;
- 5 -
NOTIŢE
-
polarizabilitatea magnetică = 2,1(0,9) × 10-4 fm3;
-
spinul = ½.
• Timpul de viaţă al protonului este de 1,6×1025 ani, iar antiparticula sa 
se numeşte antiproton.
• Neutronul a fost descoperit în 1932 de James Chadwick.
• Cu o rază de ~ 1×10-15 m, neutronul este fermion / hadron / barion / 
nucleon şi se compune din trei quarci: 2 down şi 1 up.
• Este neutru din punct de vedere electric şi are:
- masa = 1,67492716 × 10-27 kg;
- momentul magnetic de dipol = –1.91304272(45) μN;
- momentul de dipol electric = (– 3,3 ± 4,3) × 10-28 e m;
-
polarizabilitatea electrică = 0,98(23) × 10-3 fm3;
-
spinul = ½.
• Cu un timp de viaţă = 887,0(2,0) s, neutronul liber se dezintegrează, 
rezultând:  un  proton,  un  electron  şi  un  neutrino;  neutronul  din 
nucleul atomic poate avea timp de viaţă de cel puţin 1020 ani.
• Spontan sau în urma ciocnirii de către un neutron extern, un nucleu 
greu se poate scinda, rezultând cel puţin alte două nuclee mai uşoare, 
numite produşi de fisiune, şi un număr de neutroni liberi; fenomenul 
se numeşte fisiune nucleară.
• Dacă noii neutroni, liberi, contribuie, la rândul lor, la ruperea altor 
nuclee, atunci avem de a face cu o reacţie de fisiune în lanţ.
•
În cazul în care numărul acestor scindări succesive creşte în timp, în 
mod necontrolat, fisiunea în lanţ poate cunoaşte o evoluţie explozivă, 
fenomenul  prezentând importanţă practică în  special  din punct  de 
vedere militar.
•
Într-o  fisiune  nucleară,  neutronii  liberi  sunt  generaţi  cu  energii 
cinetice mari, ei mai numindu-se şi neutroni rapizi.
• Neutronii rapizi pot fi încetiniţi (termalizaţi, moderaţi) prin ciocniri 
cu alte nuclee, devenind, astfel, neutroni lenţi.
• Materialul  utilizat  la  încetinirea  neutronilor  rapizi  se  numeşte 
moderator, exemple în acest sens fiind grafitul şi apa grea (D2O).
• Atomii ale căror nuclee fisionează la ciocnirea cu neutronii rapizi se 
numesc fisionabili; exemplu: 238U şi 240Pu.
- 6 -
NOTIŢE
• Atomii ale căror nuclee fisionează la ciocnirea cu neutronii termici 
se numesc fisili; exemple: 233U, 235U şi 239Pu.
• Analog combustibilului chimic, care este ars pentru a obţine energie, 
combustibil  nuclear este  orice  material  care poate  fi  consumat în 
reacţii de fisiune în lanţ pentru a obţine energie electrică.
• Cel  mai  comun  tip  de  combustibil  nuclear  este  reprezentat  de 
elementele fisile grele folosite în reactorul nuclear.
• Combustibilii nucleari pot fi utilizaţi sub diferite forme:
-
oxizi (UOX, MOX);
- metalici (TRIGA, cu actinide);
-
ceramici (nitrură de uraniu, carbură de uraniu);
-
lichizi (săruri anhidre topite, soluţii apoase ale sării de uranil).
• Nu toţi  combustibilii  nucleari  sunt  folosiţi  în reacţii  de fisiune în 
lanţ;  de  exemplu:  238Pu  este  folosit  pentru  a  produce  energie  în 
cantităţi  mici  prin  dezintegrare  radioactivă  în  generatoarele 
radiotermale sau pile atomice.
• Reactorul nuclear de fisiune este o instalaţie în care este iniţiată o 
reacţie nucleară în lanţ, controlată şi menţinută la o rată staţionară.
• Reactorul nuclear de fisiune poate fi:
-
reactor  termic,  dacă  utilizează  neutroni  termici  şi,  evident, 
moderator;
-
reactor rapid, dacă utilizează neutroni rapizi.
• Căldura degajată într-un reactor nuclear este îndepărtată (şi utilizată) 
cu ajutorul unui  agent de răcire care poate fi gaz (heliu, bioxid de 
carbon etc.), sau lichid (apă, topituri).
• Cele  mai  cunoscute  strategii  şi  filiere  de  reactoare1 nucleare  de 
fisiune sunt:
- Magnox;
- Gas-Cooled Reactor (GCR);
- Advanced Gas-cooled Reactor (AGR);
- High Temperature Gas-cooled Reactor (HTGR);
- Very High Temperature Reactor (VHTR);
- Gas-cooled Fast Reactor (GFR);
1 Conform  DEX,  pluralul  substantivului  reactor este  reactoare;  în  limbajul  uzual  al 
„reactoriştilor” români se  foloseşte  şi  plurarul  reactori,  mai  ales  în  sintagmele  reactori  
rapizi şi  reactori  reproducători,  în  loc  de  reactoare  rapide,  respectiv,  reactoare 
reproducătoare.
- 7 -
NOTIŢE
-
Light Water Reactor (LWR);
-
Pressurized Water Reactor (PWR);
-
Boiling Water Reactor (BWR);
- Advanced Boiling Water Reactor (ABWR);
- Heavy Water Reactor (HWR);
-
Pressurized Heavy Water Reactor (PHWR);
- Advanced CANDU Reactor (ACR);
-
Reactorul RBMK (Реактор Большой Мощности Канальный);
-
Reactorul VVER (o alternativă la reactorul RBMK);
-
SuperCritical Water Reactor (SCWR);
-
Liquid metal cooled reactor, Fast Breeder Reactor (FBR);
-
Liquid Metal Fast Breeder Reactor (LMFBR);
-
Sodium cooled Fast Reactor (SFR);
-
Lead cooled Fast Reactor (LFR);
- Molten Salt Reactor;
- Molten Salt Breeder Reactor (MSBR);
- Advanced Liquid Metal Reactor (sau Integral Fast Reactor);
-
Pebble  Bed  Reactor  (PBR)  &  Pebble  Bed  Modular  Reactor 
(PBMR).
• Conceptul  unui  reactor  nuclear  natural a  fost  teoretizat  încă  din 
1956 de Paul Kurola la University of Arkansas.
• Cincisprezece reactoare de fisiune naturale se găsesc în trei depozite 
separate de minereu la mina Oklo din Gabon, în vestul Africii.
• Descoperite  în  septembrie  1972  de  Francis  Perrin,  acestea  sunt 
cunoscute ca Reactoarele Fosile Oklo şi funcţionează de aproximativ 
150 milioane de ani, având o putere medie de 100 kW.
• Deşeurile radioactive conţin elemente chimice radioactive care nu 
mai au utilizare practică.
• Deşeurile pot fi de nivel radioactiv:
-
scăzut (Low Level Waste – LLW)
-
intermediar (Intermediate Level Waste – ILW)
-
înalt (High Level Waste – HLW).
•
În Statele Unite se mai defineşte şi Deşeul transuranic (Transuranic 
Waste – TRUW).
• Principalele  probleme  ale  managementului  deşeurilor  radioactive 
HLW se referă la:
-
stocarea  în  bazine  cu  apă  uşoară  (bazine  de  calmare  a 
combustibilului ars scos dintr-un reactor nuclear);
- 8 -
NOTIŢE
-
vitrifierea;
-
imobilizarea în rocă sintetică (Synroc);
-
depozitarea în straturi geologice;
-
transmutaţia;
-
reutilizarea deşeului;
-
depozitarea în spaţiu extraterestru.
•
În legătură cu instalaţiile nucleare şi materialele (inclusiv deşeurile) 
radioactive, pot avea şi au avut deja loc importante evenimente civile 
şi militare.
• Datorită naturii lor diferite, aceste evenimente se împart în accidente 
nucleare şi accidente cu radiaţie.
• Pentru  a  permite  comunicarea  promptă  şi  coerentă  a  informaţiei 
semnificative din punct de vedere al siguranţei în cazul accidentelor 
nucleare,  IAEA Viena a introdus  International Nuclear Event Scale 
(INES).
• Scala INES cuprinde 7(8) nivele şi anume:
- Nivelul 7 – accident major (accident maxim credibil);
-
Nivelul 6 – accident serios;
-
Nivelul 5 – accident cu risc în afara locaţiei2;
-
Nivelul 4 – accident fără risc în afara locaţiei;
-
Nivelul 3 – incident serios;
-
Nivelul 2 – incident;
-
Nivelul 1 – anomalie;
-
Nivelul 0 – deviaţie.
• Mai există, de asemenea, şi evenimente fără relevanţă în siguranţă, 
caracterizate ca fiind în afara scalei.
•
În carte sunt descrise, pe scurt, cele mai documentate: 26 accidente 
nucleare din domeniul civil, 36 accidente cu radiaţii din domeniul 
civil şi 49 accidente nucleare şi cu radiaţii dn domeniul militar.
2 În această lucrare, substantivul locaţie este folosit exclusiv cu semnificaţiile: loc,  
localizare, amplasament, ca rezultat al traducerii în limba română a englezescului location
- 9 -
SCURT ISTORIC
SCURT ISTORIC
Atomul
Prima formulare filozofică a unei idei similare celei de atom a fost 
dezvoltată  de  Democrit  în  Grecia  secolului  al  VI-lea  î.d.Ch.  Ideea  s-a 
pierdut timp de secole, până la reaprinderea interesului ştiinţific din epoca 
Renaşterii.
În secolul al XIX-lea, John Dalton a vrut să cunoască de ce se sparg 
substanţele  în  constituenţi  proporţionali.  Pentru  Dalton,  fiecare  element 
chimic a fost reprezentat printr-un tip de atom, şi vice-versa.
În ultima parte a secolului al XIX-lea, William Crookes a inventat 
tubul cu raze catodice, realizare ce i-a permis să observe, primul, particule 
încărcate negativ.
Aproape de trecerea către secolul al XX-lea, J.J. Thomson, în urma 
cercetărilor sale privind razele catodice, a descoperit că atomii sunt, de fapt, 
divizibili, fiind parţial compuşi din particule foarte uşoare încărcate negativ 
(dovedite a avea proprietăţi identice indiferent de elementul chimic de la 
care  proveneau),  ce  au  fost  numite  mai  târziu  electroni.  De  altfel  J.J. 
Thomson propune primul model de atom, în care electronii sunt distribuiţi 
într-o  structură  sferică  cu  sarcină  pozitivă,  precum  „stafidele  într-un 
cozonac”.
În 1911, Ernest  Rutherford a descoperit  că electronii  orbitează un 
nucleu  compact,  iar  hidrogenul  posedă  cel  mai  uşor  nucleu,  pe  care  l-a 
numit proton (în limba greacă, προτου înseamnă primul).
Pentru a explica de ce electronii „nu cad, în spirală, pe nucleu”, Niels 
Bohr a dezvoltat un model al atomului în care, folosind rezultatele mecanicii 
cuantice, electronii nu pot să parcurgă decât orbite circulare fixate.
După descoperirea principiului  de  incertitudine /  imprecizie  al  lui 
Werner Heisenberg, conceptul de  orbită circulară a fost înlocuit cu cel de 
nor, în interiorul căruia distribuţia electronilor a fost descrisă prin ecuaţii 
probabilistice.
- 10 -
SCURT ISTORIC
În sfârşit, după descoperirea, în anul 1932, a neutronului, particulă 
neutră din punct de vedere electric, nucleele atomice ale elementelor mai 
grele decât hidrogenul s-au găsit a fi formate din protoni şi neutroni, aceste 
ultime rezultate completând concepţia modernă despre structura atomică.
Nucleul atomic
La începutul secolului al XX-lea fizicienii au descoperit trei tipuri de 
radiaţii  provenind din atomi,  pe care ei  le-au numit  radiaţii  alfa,  beta şi 
gamma.
Experimentele din 1911 ale lui Lise Meitner şi Otto Hahn, precum şi 
cele  ale  lui  James  Chadwick  din  1914,  concluzionau  că  interpretarea 
caracteristicilor  spectrale  ale  dezintegrării  beta  ar  presupune  admiterea 
neconservării  energiei.  Această  problemă  a  condus  la  descoperirea,  mai 
târziu, a neutrinului.
În  aceeaşi  perioadă,  Ernest  Rutherford  a  realizat  un  experiment 
remarcabil în care Hans Geiger şi Ernest Marsden, sub supravegherea lui 
Rutherford, au bombardat cu particule alfa (nuclee de heliu) o foiţă subţire 
din aur. Modelul „cozonacului cu stafide” al lui J.J. Thomson prezicea că 
particulele alfa ar fi trebuit să iasă din foiţa de aur pe o traiectorie, eventual, 
puţin curbată. Ei au fost surprinşi să descopere că unele particule au fost 
împrăştiate sub unghiuri mari, în câteva cazuri fiind chiar întoarse înapoi.
Descoperirea a condus la modelul Rutherford, în care atomul are un 
nucleu foarte  mic şi  foarte  dens,  constituit  din particule grele  cu sarcină 
pozitivă şi  electroni,  nucleul fiind înconjurat  de alte sarcini negative.  De 
exemplu, în acest model, azotul (14N) consta dintr-un nucleu cu 14 protoni şi 
7 electroni, iar nucleul era orbitat de alţi 7 electroni.
Modelul  lui  Rutherford  a  „mers”  destul  de  bine  până  la  studiile 
privind spinul  nuclear,  efectuate  în  1929 de Franco Rasetti  la  California 
Institute of Technology.
Încă din 1925 se ştia că protonul şi electronul au spini ½. În modelul 
Rutherford  al  atomului  de  14N,  cei  14  protoni  şi  6  electroni  trebuiau  să 
formeze perechi unii cu alţii, pentru a-şi anula reciproc spinul, astfel încât 
ultimul electron să confere nucleului un spin ½.
Rasetti a descoperit că 14N are spin 1.
În  1930,  neputând  să  ajungă  în  oraşul  german  Tübingen,  la  o 
întâlnire  pe  probleme  de  radioactivitate,  Wolfgang  Pauli  le  trimite 
participanţilor  o  scrisoare  prin  care  sugera  posibilitatea  ca  în  nucleu  să 
existe o a treia particulă, pe care el o denumea „neutron”, mai uşoară decât 
- 11 -
SCURT ISTORIC
un electron,  fără  sarcină electrică şi  care nu interacţionează cu substanţa 
(fapt pentru care nici nu fusese încă detectată).
Această  soluţie  disperată  a  rezolvat  ambele  probleme:  cea  a 
conservării energiei şi aceea a spinului nucleului de 14N; mai întâi deoarece 
„neutronul” lui Pauli transporta cu el extra-energia dezintegrării beta şi apoi 
pentru că prezenţa unui „extra-neutron” în nucleul  14N îi conferea acestuia 
spinul 1.
„Neutronul” lui Pauli a fost redenumit neutrino, de Enrico Fermi, în 
1931,  dar  abia  după  30  de  ani  s-a  demonstrat,  definitiv,  că,  într-adevăr, 
neutrino este emis în dezintegrarea beta.
În  1932  Chadwick  a  realizat  că  radiaţia  pe  care  o  observaseră 
Walther Bothe, Herbert Becker, Irène şi Frédéric Joliot-Curie se datora unei 
particule masive pe care el a numit-o neutron.
În acelaşi an Dmitrij Iwanenko a sugerat că neutronii sunt particule 
cu spin ½, că nucleul conţine neutroni şi că în nucleu nu există electroni.
La rândul său Francis Perrin a sugerat că neutrino nu sunt particule 
nucleare, dar erau create în timpul dezintegrării beta.
La sfârşitul anului 1932 Fermi a trimis o teorie a neutrinului revistei 
Nature, al cărui editor a respins-o deoarece era „prea departe de realitate”. 
Fermi a continuat să lucreze la teoria sa şi în 1934 a publicat o lucrare care 
plasa neutrino pe solide fundamente teoretice.
În acelaşi an, Hideki Yukawa a propus prima teorie semnificativă a 
forţelor nucleare tari pentru a explica menţinerea împreună a nucleonilor.
Cu lucrările lui Fermi şi Yukawa s-a completat modelul modern al 
atomului.
Centrul  atomului  constă  dintr-o  regiune  (sferică)  compactă  de 
neutroni şi protoni care sunt menţinuţi împreună de către forţele nucleare 
tari. Nucleele instabile pot suferi dezintegrări alfa, în care ele emit nuclee 
energetice  de  heliu,  sau  dezintegrări  beta,  în  care  ele  emit  electroni  sau 
pozitroni.
După  una  dintre  aceste  dezintegrări,  nucleul  rezultat  poate  să  se 
găsească, la rândul său, într-o stare excitată şi, în acest caz, se dezintegrează 
şi el, către o stare de bază, emiţând fotoni de înaltă energie (dezintegrare 
gamma).
Fisiunea nucleară
- 12 -
SCURT ISTORIC
Rezultatele  bombardării  uraniului  cu  neutroni  s-au  dovedit  a  fi 
interesante şi enigmatice; studiate prima dată de Enrico Fermi şi colegii lui 
în 1934, nu au fost interpretate corect decât mult mai târziu.
Pe 16 ianuarie 1939, danezul Niels Bohr ajungea în Statele Unite 
pentru a locui câteva luni în Princeton, statul New Jersey.  Patru ani mai 
târziu Bohr a fugit din Danemarca ocupată de nazişti. Chiar înainte ca Bohr 
să părăsească Danemarca, la bordul unui vapor, doi dintre colegii săi, Otto 
Robert  Frisch  şi  Lise  Meitner,  amândoi  refugiaţi  din  Germania,  i-au 
comunicat  bănuiala  că  absorbţia  neutronului  de  către  nucleul  de  uraniu 
conduce  uneori  la  scindarea  nucleului  în  părţi  aproximativ  egale  şi 
eliberarea unei enorme cantităţi de energie, proces pe care ei l-au botezat 
fisiune nucleară, asemănător fisiunii / divizării celulelor vii din biologie.
Această  ipoteză a  fost  precedată  de descoperirea  importantă  a  lui 
Otto  Hahn  şi  Fritz  Strassmann  din  Germania,  publicată  în 
Naturwissenschaften la începutul lunii Ianuarie 1939, care a demonstrat că 
un izotop de bariu a fost produs prin bombardarea uraniului. Bohr a promis 
să ţină secretă interpretarea Meitner / Frisch până la publicarea lucrării lor, 
pentru  păstrarea  priorităţii,  dar  la  bordul  vaporului  a  discutat  această 
problemă cu Léon Rosenfeld, uitând să-l roage s-o menţină, la rândul său, 
secretă.
Rosenfeld, imediat după părăsirea vaporului, a vorbit despre această 
descoperire tuturor celor de la Princeton University, şi de la aceştia ştirea s-a 
răspândit  în  lumea  fizicienilor,  ajungând  inclusiv  la  Enrico  Fermi,  la 
Columbia University. După unele discuţii între Fermi, John R. Dunning şi 
G.B. Pegram, la Columbia University s-a realizat un experiment de ionizare 
cu puls de putere de la care se aştepta obţinerea unor fragmente de nuclee de 
uraniu.
Pe 29 Ianuarie 1939 a avut loc o conferinţă de fizică teoretică în 
Washington  D.C.,  sponsorizată  de  George  Washington  University  şi 
Carnegie Institution of Washington. Fermi a părăsit New York-ul pentru a 
participa  la  această  conferinţă  înainte  ca  experimentul  de  fisiune  de  la 
Columbia  University  să  fi  fost  realizat.  La  conferinţă,  Bohr  şi  Fermi  au 
discutat problema fisiunii şi, în particular, Fermi a menţionat posibilitatea ca 
pe  durata  procesului  să  fie  emişi  neutroni.  Deşi  acest  lucru  era  doar  o 
presupunere, erau evidente implicaţiile sale privind posibilitatea unei reacţii 
nucleare în lanţ.
„Reacţia  în  lanţ”  era  cunoscută  la  aceea  vreme  ca  un  fenomen 
chimic,  dar procese analoge în fizica nucleară,  folosind neutroni,  au fost 
anticipate încă dinainte de 1933 de Leo Szilárd, cu toate că Szilárd nu avea 
- 13 -
SCURT ISTORIC
nici o idee cu ce materiale s-ar fi putut iniţia un astfel de proces. Acum, 
după  descoperirea  fisiunii  elementelor  grele,  indusă  de  neutroni,  s-au 
publicat numeroase articole senzaţionale pe subiectul reacţiilor nucleare în 
lanţ.
Înaintea terminării conferinţei din Washington, au fost iniţiate mai 
multe experimente de confirmare a fisiunii, rezultate pozitive fiind raportate 
pe 15 Februarie 1939 în Physical Review, de patru laboratoare: Columbia 
University, Carnegie Institution of Washington, Johns Hopkins University, 
University  of  California.  În  acelaşi  timp  Bohr  a  auzit  că  experimente 
similare au fost făcute în Copenhaga în jurul datei de 15 Ianuarie; lucrarea 
lui Frisch trimisă revistei Nature este datată 16 Ianuarie 1939 şi a apărut în 
numărul din 18 Februarie.
La  Paris,  Frédéric  Joliot  a  publicat  de  asemenea  primele  sale 
rezultate  în  Comptes  Rendus  din  30  Ianuarie  1939.  Din  acest  moment 
lucrările pe subiectul fisiunii s-au înmulţit astfel încât în Decembrie 1939 
numărul acestora ajunsese deja la o sută.
Ţinta majoră a primelor cercetări de fisiune a fost  producerea unei  
reacţii nucleare în lanţ controlată, care ar fi condus la realizarea unei prime 
Centrale  Nuclearo-Electrice.  În  vederea  atingerii  acestui  obiectiv  s-a 
procedat la construirea lui Chicago Pile-1, primul reactor nuclear cu fisiune 
critică din lume realizat de om, care a folosit uraniu, singurul combustibil 
nuclear  disponibil  în  cantităţi  utile.  În  acelaşi  timp  a  fost  demarat  şi 
Proiectul Manhattan, destinat fabricării armelor nucleare.
Reacţia de fisiune nucleară în lanţ
Conceptul de reacţie de fisiune nucleară în lanţ a fost dezvoltat de 
Leo Szilárd în 1933, pentru care a solicitat, în anul următor, un patent de 
invenţie. În 1936 Leo Szilárd a încercat să obţină o reacţie în lanţ folosind 
beriliu şi indiu, dar a eşuat.
Prima  reacţie  nucleară  în  lanţ  artificială,  autoîntreţinută,  a  fost 
iniţiată de Metallurgical Laboratory, condus de Enrico Fermi şi Leo Szilárd, 
sub peluza stadionului Universităţii din Chicago, pe 2 Decembrie 1942, în 
cadrul Proiectului Manhattan.
Producerea  în  lanţ  a  reacţiei  de  fisiune  folosind  uraniu  drept 
combustibil  nuclear  este  departe  de a  fi  un lucru uşor.  Vechile reactoare 
nucleare  nu  au  folosit  uraniu  îmbogăţit  şi,  prin  urmare,  a  fost  necesară 
utilizarea unei cantităţi mari de grafit purificat pe post de material moderator 
de neutroni. Folosirea apei uşoare (în opoziţie cu apa grea) într-un reactor 
- 14 -
SCURT ISTORIC
nuclear presupune utilizarea de combustibil îmbogăţit, obţinut prin creşterea 
concentraţiei de mai rar răspânditul izotop 235U din minereul natural, acesta 
din urmă conţinând cu precădere izotopul 238U.
În mod normal, reactoarele nucleare presupun includerea, pe post de 
moderator de neutroni, a unor materiale extrem de pure chimic, cum ar fi: 
deuteriu (în apa grea), heliu, beriliu sau carbon sub formă de grafit. Înalta 
puritate este cerută deoarece multe impurităţi chimice, cum ar fi borul, sunt 
absorbanţi puternici de neutroni şi, astfel, o adevărată otravă pentru reacţia 
în lanţ.
Mai  urma  să  fie  rezolvată  problema  producerii  unor  astfel  de 
materiale  la  scară  industrială.  Până în  1940,  cantitatea de  uraniu metalic 
produsă în SUA a fost de câteva grame şi acestea de o puritate nesigură; la 
fel: câteva kilograme de beriliu metalic, câteva kilograme de apă grea şi nici 
o cantitate de carbon cu puritatea cerută de un moderator.
Problema producerii în cantităţi mari a uraniului de puritate înaltă a 
fost  rezolvată  de  Frank  Spedding  folosind  procese thermit (oxidarea 
aluminiului  metalic).  În  1942  Ames  Laboratory  a  reuşit  să  producă  o 
cantitate mare de uraniu natural (neîmbogăţit) ce ar fi urmat să fie folosit în 
cercetările  următoare.  Succesul  cu  Chicago  Pile-1,  care  folosea  uraniu 
natural,  la  fel  ca  toate  „pilele”  atomice  care  produceau  plutoniu  pentru 
bomba atomică,  se  datora,  de  asemenea,  rezultatelor  lui  Szilárd  conform 
cărora numai grafitul foarte pur putea fi folosit ca moderator în reactoarele 
cu uraniu natural.
În  timpul  celui  de  al  doilea  război  mondial,  în  Germania, 
neîncrederea în calităţile grafitului foarte pur a condus la proiectarea unui 
reactor  depinzând  de  apa  grea,  produsă  în  Norvegia,  dar  „interzisă” 
germanilor în urma atacurilor distrugătoare ale aliaţilor. Aceste dificultăţi i-
au împiedicat pe nazişti să construiască un reactor în timpul războiului.
Fapt necunoscut până în anul 1972, când fizicianul francez Francis 
Perrin a descoperit  Reactoarele Fosile de la Oklo, natura a luat-o înaintea 
omului în ceea ce priveşte reacţia de fisiune în lanţ a uraniului încă de acum 
2  miliarde  de  ani.  Acest  proces  a  putut  folosi  ca  moderator  apa  uşoară 
deoarece acum 2 miliarde de ani uraniul natural a fost mult mai bogat în 
izotopi de 235U decât în zilele noastre.
Reactorul nuclear
- 15 -
SCURT ISTORIC
Deşi omenirea a îmblânzit recent puterea nucleară, primele reactoare 
nucleare au apărut în mod natural.
Cincisprezece  reactoare  de  fisiune  naturale  au  fost  găsite  în  trei 
depozite separate de minereu la  mina Oklo din Gabon, în  vestul  Africii. 
Descoperite  pentru  prima dată  de Francis  Perrin,  acestea  sunt  numite  ca 
Reactoarele Fosile Oklo, funcţionează de aproximativ 150 milioane de ani, 
având o putere medie de 100 kW.
De asemenea,  emisia  de  căldură,  lumină şi  radiaţii  de  la  stele  se 
bazează pe fuziunea nucleară.
Conceptul unui reactor nuclear natural a fost teoretizat încă din 1956 
de Paul Kurola la University of Arkansas.
Enrico Fermi şi Leo Szilárd, ambii de la University of Chicago, au 
fost primii care au construit o pilă nucleară şi au prezentat o reacţie în lanţ 
controlată,  pe  2  Decembrie  1942.  În  1955  ei  şi-au  împărţit  patentul  de 
invenţie pentru reactorul nuclear U.S. Patent 2.708.656.
Primul reactor nuclear a fost utilizat pentru a genera plutoniu pentru 
bomba  atomică  (cunoscută  şi  sub  numele  de  bomba  nucleară).  Alte 
reactoare au fost  folosite  în  navigaţie  pentru propulsarea submarinelor  şi 
chiar a avioanelor. La mijlocul anilor ’50, Uniunea Sovietică şi ţările vestice 
şi-au extins cercetările pentru a include şi utilizarea nemilitară a atomului. 
Totuşi, ca şi programul militar, multe din lucrările nemilitare au fost făcute 
în secret.
Pe 20 Decembrie 1951, în SUA, a fost  generat pentru prima dată 
curent electric folosind energie nucleară la Experimental Breeder Reactor-I 
(EBR-1), localizat lângă Arco, statul Idaho. Pe 26 Iunie 1954, la ora 5:30 a 
început  să  genereze  curent  electric  prima  centrală  nucleară  sovietică,  la 
Obninsk, Kaluga Oblast. Ea a produs 5 MW, asigurând electricitate pentru 
2.000 de case.
Prima  centrală  nucleară  de  tip  comercial  din  lume  a  început  să 
funcţioneze pe 17 Octombrie 1956, la Calder Hall. Un alt reactor de putere 
timpuriu a fost Shippingport Reactor, în Pennsylvania (1957).
Chiar înainte de accidentul din 1979 de la Three Mile Island, au fost 
oprite unele comenzi pentru centrale nucleare în USA din raţiuni economice 
legate în primul rând de durata lungă de construcţie. De altfel din 1978 nu s-
au mai construit centrale în SUA; situaţia s-ar putea schimba după 2010.
Spre deosebire de accidentul de la Three Mile Island, accidentul din 
1986 de la Cernobîl nu a înăsprit reglementările cu privire la reactoarele din 
Vest.  Aceasta  deoarece  reactoarele  de  la  Cernobîl,  de  tip  RBMK,  erau 
cunoscute ca având un proiect fără  structuri  suplimentare de siguranţă şi 
operate nesigur, iar Vestul auzise prea puţine despre ele. Au fost totuşi şi 
- 16 -
SCURT ISTORIC
unele precipitări politice: Italia a ţinut un referendum în anul următor, 1987, 
ale cărui rezultate au condus la oprirea a patru centrale nucleare.
În 1992 centrala turcească Turkey Point Nuclear Generation Station 
a fost lovită direct de uraganul Andrew. Au fost pagube de peste 90 milioane 
de dolari, cele mai mari la un rezervor de apă şi un coş de fum al unei unităţi 
funcţionând cu combustibili fosili, dar clădirile de protecţie nu au avut de 
suferit.
Prima  structură  de  dezvoltare  a  sistemelor  nucleare  de  putere 
utilitare, şi anume US Navy, este singura din lume cunoscută ca având o 
activitate total curată. US Navy a operat mai multe reactoare decât orice altă 
entitate, chiar şi decât Forţele Navale sovietice (actualmente ruseşti), fără 
incidente  majore  făcute  publice.  Totuşi  două  submarine  americane,  USS 
Scorpion şi Thresher, au fost pierdute în ocean, din motive ce nu au avut 
legătură cu reactoarele din dotare, epavele lor fiind astfel situate încât riscul 
de poluare nucleară este considerat scăzut.
Perspective de viitor
În 2006, centrala  Watts Bar 1 era ultimul reactor nuclear comercial 
operaţional  pus  în  funcţiune,  în  1997.  Acest  fapt  este  adesea  citat  ca  o 
dovadă  a  succesului  campaniei  mondiale  pentru  închiderea  treptată  a 
centralelor nucleare.
Oricum, rezistenţa politică faţă de centralele nucleare a avut din când 
în când succes în diferite părţi ale Europei, în Noua Zeelandă, în Filipine şi 
în Statele Unite. Cu toate acestea, în SUA şi Europa au continuat investiţiile 
în cercetări privind ciclul combustibilului nuclear şi, deşi unii experţi prezic 
viaţă scurtă electricităţii, creşterea preţului combustibilului fosil, precum şi 
preocupările legate de actualele emisii de gaze şi efectul de seră vor înnoi 
cererea de centrale nucleare.
Folosirea energiei nucleare este controversată din cauza problemei 
stocării deşeurilor radioactive pe durate de timp nedefinite, a posibilităţii de 
contaminare radioactivă severe ca urmare a unui accident sau a unor acţiuni 
de  sabotaj  şi,  nu în  ultimul rând,  din  cauza posibilităţii  utilizării  acestor 
deşeuri de către unele ţări în vederea proliferării armelor nucleare.
Susţinătorii energeticii nucleare cred că aceste riscuri sunt mici şi pot 
fi reduse în continuare prin tehnologia noilor reactoare. Mai mult, ei susţin 
că siguranţa în domeniul energeticii nucleare este chiar mai bună decât cea 
din centralele cu combustibili fosili, inclusiv în ceea ce priveşte eliberarea 
- 17 -
SCURT ISTORIC
de  deşeuri  radioactive,  acestea  fiind  cantitativ  mai  puţine  decât  într-o 
centrală pe cărbune.
Criticii  energeticii  nucleare,  incluzând  şi  cea  mai  mare  parte  a 
grupărilor  ecologiste,  cred  că  aceasta  este  neeconomică,  nesănătoasă  şi 
potenţial periculoasă, mai ales prin comparaţie cu sursele regenerabile, şi nu 
sunt  convinşi  că  noile  tehnologii  ar  putea  reduce  riscurile  şi  costurile 
implicate.
O  opţiune  energetică  de  viitor  (şi  subiect  ce  va  fi  abordat,  cu 
siguranţă,  în  cadrul  aceluiaşi  tip  de  discuţii  „pro”  şi  „contra”)  vor  fi 
centralele electrice bazate pe fuziunea nucleară controlată.
Multe  ţări  rămân  active  în  dezvoltarea  centralelor  nucleare, 
incluzând aici: Japonia, China şi India, toate trei dezvoltând atât tehnologii 
termice  cât  şi  reproducătoare,  Coreea  de  Sud  şi  Statele  Unite,  ambele 
dezvoltând numai tehnologii termice, şi Africa de Sud şi, din nou, China, 
dezvoltând  versiuni  ale  reactorului  de  tip  PBMR  (Pebble  Bed  Modular 
Reactor = Reactor modular cu strat granular).
Finlanda şi  Franţa îşi  continuă în mod activ programele nucleare; 
Finlanda are în construcţie un nou European Pressurized Reactor.
Din 2005 şi Japonia a demarat un program activ de construcţii pentru noi 
unităţi.
În Statele Unite, trei consorţii  au răspuns încă din 2004 solicitării 
făcute de Department of Energy privind Programul Energetic Nuclear 2010, 
în vederea construirii inclusiv a unui reactor de generaţia a IV-a, tip VHTR, 
destinat producerii de electricitate şi hidrogen. Pe 22 Septembrie 2005, s-a 
anunţat deja selectarea a două locaţii din SUA destinate construirii de noi 
reactoare.
Centralele nucleare reprezintă un interes particular pentru China şi 
India, ambele construind reactoare de tip FBR. 
În  politica  energetică  a  Marii  Britanii  se  prevede  construirea,  în 
viitor,  cel  puţin a unei  noi centrale nucleare şi  menţinerea şi  prelungirea 
duratei de viaţă a celor existente deja.
- 18 -
ATOMUL
ATOMUL
Atomul este ultima diviziune ce mai poartă încă proprietăţile chimice 
ale unei substanţe oarecare (ale unui element chimic).
Dacă,  iniţial,  cuvântul  atom însemna  cea  mai  mică  particulă, 
indivizibilă (în limba greacă ατομος înseamnă indivizibil), mai târziu, după 
ce termenul a căpătat o semnificaţie precisă în ştiinţă, atomii au fost găsiţi a 
fi divizibili şi compuşi din particule şi mai mici, subatomice.
Cu  excepţia  protiumiului,  izotop  al  hidrogenului,  atomii  sunt 
compuşi din trei tipuri de particule:
Electronul
Purtând  numele  dat  de  George  Stoney,  această  particulă  a  fost 
descoperită şi prezentată în 1987 de Johann Emil Wiechert şi, independent, 
trei luni mai târziu, de Joseph John Thomson.
Cu o rază mai  mică de 10-22 m,  electronul  face parte  din familia 
fermionilor, grupa leptonilor şi are:
-
sarcina electrică = –1,60217733×10-19 C;
- masa = 9,10938188(72)×10-31 kg;
- momentul giromagnetic = –1,0011596521883(42) μB;
- momentul de dipol electric = (–0,3 ± 0,8)×10-29 e m;
-
spinul = ½.
Electronul interacţionează gravitaţional, electromagnetic şi prin forţă 
nucleară slabă, antiparticula sa numindu-se pozitron.
- 19 -
ATOMUL
Protonul
A fost descoperit în 1911 de Ernest Rutherford. Cu o rază de numai 
0,8×10-15 m, protonul este fermion → hadron → barion → nucleon şi se 
compune din trei quarci: 1 down şi 2 up.
Protonul are:
-
sarcina electrică = +1,60217733×10-19 C;
- masa = 1,67262158(13)×10-27 kg;
- momentul magnetic = 2,2792847337(29) μN;
- momentul de dipol electric = (–4 ± 6)×10-26 e m;
-
polarizabilitatea electrică = 12,1(0,9)×10-4 fm3;
-
polarizabilitate magnetică = 2,1(0,9)×10-4 fm3;
-
spinul = ½.
Timpul de viaţă al protonului este de 1,6×1025 ani, iar antiparticula sa 
se numeşte antiproton.
Neutronul
A  fost  descoperit  în  1932  de  James  Chadwick.  Cu  o  rază  de 
aproximativ 10-15 m, neutronul este fermion → hadron → barion → nucleon 
şi se compune din trei quarci: 2 down şi 1 up.
Neutronul este, după cum îi spune şi numele, neutru din punct de 
vedere electric şi are:
- masa = 1,67492716×10-27 kg;
- momentul magnetic de dipol = –1.91304272(45) μN;
- momentul de dipol electric = (–3,3 ± 4,3)×10-28 e m;
-
polarizabilitatea electrică = 0,98(23)×10-3 fm3;
-
spinul = ½.
Cu un timp de viaţă de 887,0 s,  neutronul liber se dezintegrează, 
rezultând: un proton, un electron şi un neutrino.
Timpul de viaţă al unui neutron din nucleul atomic este de cel puţin 
1020 ani.
Protonii şi neutronii creează un nucleu atomic dens şi masiv, ei fiind 
numiţi şi nucleoni. Electronii formează un larg nor electronic ce înconjoară 
nucleul.
Atomii  diferă  prin  numărul  şi  tipul  de  particule  subatomice 
constituente. Atomii care au acelaşi număr de protoni desemnează acelaşi 
- 20 -
ATOMUL
element  chimic.  Variaţia  numărului  de  neutroni  din  atomii  unui  element 
determină izotopii acestuia.
Numărul de protoni şi neutroni din nucleul atomic poate fi modificat 
prin  intermediul  fuziunii  nucleare,  a  fisiunii  nucleare sau a  dezintegrării  
radioactive,  cazuri  în  care  atomul  nu  mai  rămâne  elementul  care  era  la 
început.
Atomii  sunt  electric  neutri  dacă  au  acelaşi  număr  de  protoni  şi 
electroni.  Numărul  de  electroni  este  foarte  uşor  de  modificat,  din  cauza 
valorii scăzute a energiei lor de legătură. Atomii care au un deficit sau un 
surplus de electroni se numesc ioni.
Electronii care sunt departe de nucleu pot fi transferaţi unui atom din 
apropiere  sau pot  fi  folosiţi  în  comun de  doi  sau mai  mulţi  atomi.  Prin 
intermediul acestui ultim mecanism atomii sunt legaţi în molecule şi alte 
tipuri de compuşi chimici cum ar fi reţelele cristaline ionice şi covalente.
Atomii sunt „cărămizile” fundamentale ale chimiei şi ei se conservă 
în reacţiile chimice.
Configuraţia electronică
Comportarea chimică a  atomilor este  determinată de interacţiunile 
dintre electroni. Electronii unui atom rămân în interiorul unor configuraţii 
fixate, predictibile. Aceste configuraţii electronice sunt descrise de mecanica 
cuantică  şi  anume  de  cinematica  electronilor  în  potenţialul  electric  al 
nucleului.
Un nivel  electronic  poate  avea până la  2n2 electroni,  unde  n este 
numărul cuantic principal al acestuia. Nivelul ocupat cu cel mai mare n este 
nivelul de valenţă, chiar dacă acesta ar avea un singur electron. În cea mai 
stabilă stare, de bază, electronii unui atom vor umple nivelele acestuia în 
ordinea crescătoare a energiei.
În unele circumstanţe,  un electron poate fi  excitat  pe un nivel  de 
energie mai mare (electronul absoarbe energie de la o sursă externă şi sare 
pe  un  nivel  mai  înalt)  lăsând  un  loc  gol în  nivelul  energetic  inferior. 
Electronii unui atom excitat vor „cădea” în mod spontan pe nivelul inferior, 
emiţând energia excedentă sub formă de fotoni, până la revenirea la starea 
de bază.
Electronii de pe cel mai exterior nivel, numiţi şi electroni de valenţă, 
au cea mai puternică influenţă în comportarea chimică a atomului. Electronii 
de pe nivelele interioare, deci nu cei de valenţă, joacă şi ei un rol, cu efecte 
secundare datorate ecranării sarcinii pozitive din nucleul atomic.
- 21 -
ATOMUL
Pe lângă numărul cuantic principal n, unui electron i se mai asociază: 
numărul  cuantic  secundar l (numit  şi  număr  cuantic  azimutal;  descrie 
momentul unghiular orbital),  numărul cuantic magnetic m (descrie direcţia 
vectorului moment unghiular) şi numărul cuantic de spin s (descrie direcţia 
momentului unghiular intrinsec al electronului).
Electronii cu valori diferite pentru numerele cuantice l şi m aparţin la 
nivele distincte, evidenţiate prin notaţia spectroscopică (configuraţii s, p, d 
şi f). În cei mai mulţi atomi, orbitalii cu numere l diferite nu sunt degenerate 
exact ci separate printr-o structură fină. Orbitalii cu numere m diferite sunt 
degenerate dar pot fi separate doar aplicând un câmp magnetic, ceea ce se 
numeşte  efect  Zeeman.  Electronii  cu  numere  s diferite  prezintă  diferenţe 
energetice  foarte  slabe,  caracterizând  aşa-numita  structură  (despicare) 
hiperfină.
Dimensiunea atomului, viteze
Atomii sunt mult mai mici decât lungimea de undă a luminii pe care 
ochiul umenesc o poate detecta, fapt pentru care atomii nu pot fi văzuţi cu 
nici un fel de microscop optic.
Cu toate acestea, există alte căi de detectare a poziţiilor atomilor pe 
suprafaţa unui solid sau a unui film subţire şi chiar pentru a obţine imagini 
ale acestora. Este vorba despre: microscoapele electronice (microscopia cu 
efect de tunel), microscopia atomică (atomic force microscopy), rezonanţa 
magnetică nucleară şi microscopia cu raze X.
Deoarece  norul  de electroni  nu are  o  formă precisă,  dimensiunea 
unui  atom  nu  este  uşor  de  definit.  Pentru  atomii  care  formează  reţele 
cristaline  solide,  distanţa  dintre  centrele  a  doi  atomi  adiacenţi  poate  fi 
determinată  uşor,  prin  difracţie  cu  raze  X,  găsindu-se  o  estimare  a 
dimensiunii atomului.
Pentru orice atom, se poate folosi raza la care se pot găsi cel mai des 
electronii de pe stratul de valenţă. De exemplu, dimensiunea atomului de 
hidrogen este estimată ca fiind de aproximativ 1,06×10-10 m (de două ori 
raza Bohr). A se compara această valoare cu dimensiunea protonului (unica 
particulă din nucleul atomului  1H), care este aproximativ 10-15 m. Cu alte 
cuvinte, raportul dintre dimensiunea atomului de hidrogen şi cea a nucleului 
său este de 100.000:1. Dacă un atom ar avea dimensiunea unui stadion de 
fotbal, atunci nucleul său ar trebui să fie de dimensiunea unei mărgele de 
sticlă.
- 22 -
ATOMUL
Aproape toată masa unui atom se găseşte în nucleu şi aproape tot  
spaţiul din atom este ocupat de electronii săi.
Atomii diferitelor elemente variază în dimensiune, dar dimensiunea 
(volumul) nu este proporţională cu masa atomului.
Atomii  grei  au  tendinţa  generală  de  a  fi  mai  denşi.  Diametrele 
atomilor sunt aproximativ aceleaşi până la un factor mai mic de trei în cazul 
atomilor  grei,  dar  cel  mai  notabil  efect  al  masei  asupra dimensiunii  este 
următorul: dimensiunea atomică descreşte cu creşterea masei pentru fiecare 
linie din tabelul periodic.
Raţiunea  acestor  efecte  este  aceea  că  elementele  grele  au  sarcină 
pozitivă  mare  în  nucleu,  care  atrage  puternic  electronii  către  centrul 
atomului.  Această  forţă  de  atracţie  contractează  dimensiunea  învelişului 
electronic, astfel încât un număr mai mare de electroni se pot afla într-un 
volum mai mic.
Efectul poate fi remarcabil: de exemplu, atomii elementului mai dens 
iridium (masă atomică 192) are aproximativ aceeaşi dimensiune ca atomii 
de aluminiu (masă atomică 27), fapt ce contribuie la stabilirea raportului 
densităţilor (mai mare de 8) dintre aceste metale.
Temperatura unei colecţii de atomi este o măsură a energiei medii de 
mişcare a acestor atomi, energie cinetică aflată deasupra energiei minime a 
punctului de zero cerută de mecanica cuantică; la 0 K (= –273,15 oC, zero 
absolut) atomii ar trebui să nu aibă extra-energie peste acest minim. Dacă 
temperatura  sistemului  creşte,  energia  cinetică  a  particulelor  din  sistem 
creşte, deci şi viteza de mişcare creşte.
La temperatura camerei, atomii / moleculele ce formează gazele din 
aer se mişcă cu o viteză medie de 500 m/s (aproximativ 1.800 km/h).
Elemente, izotopi şi ioni
Atomii sunt clasificaţi în elemente chimice prin  numărul atomic Z, 
care corespunde numărului de protoni din nucleul atomic. De exemplu, toţi 
atomii  ce  conţin  şase  protoni  (Z =  6)  sunt  clasificaţi  drept  carbon. 
Elementele pot fi sortate, conform tabelului periodic, în ordinea crescătoare 
a  numărului  atomic.  Această  metodă  pune  în  evidenţă  cicluri  repetitive 
regulate în proprietăţile chimice şi fizice ale respectivelor elemente.
Numărul de masă A,  sau numărul nucleonic al  unui element,  este 
numărul total de protoni şi neutroni din atomul acelui element, denumit aşa 
deoarece fiecare proton şi neutron au masa de aproximativ 1 uam (uam = 
- 23 -
ATOMUL
unitate  atomică  de  masă).  O  colecţie  particulară  de  Z protoni  şi  A –  Z 
neutroni se numeşte nuclid.
Fiecare element poate să aibă numeroşi nuclizi diferiţi, cu acelaşi Z, 
dar  cu un număr variabil  de neutroni.  Membrii  unei  astfel  de  familii  de 
nuclizi  se  numesc  izotopii  elementului  (izotop  =  acelaşi  loc,  deoarece 
nuclizii au acelaşi simbol chimic şi ocupă acelaşi loc în tabelul periodic).
Când  se  scrie  numele  unui  nuclid  particular,  numele  elementului 
(care specifică Z) este precedat de numărul de masă dacă este scris ca indice 
superior, sau este urmat de numărul de masă dacă nu este indiciat superior. 
De exemplu, nuclidul carbon-14, care poate să fi scris şi 14C, este unul dintre 
izotopii carbonului şi conţine 6 protoni şi 8 neutroni în fiecare atom (număr 
de masă: 14 = 6 + 8).
Cel mai simplu atom, protium, izotop al hidrogenului, are numărul 
atomic 1 şi numărul de masă 1; el constă dintr-un proton şi un electron.
Izotopul hidrogenului care conţine şi un neutron se numeşte deuteriu 
sau 2H; izotopul hidrogenului cu doi neutroni se numeşte tritiu sau 3H.
Tritiul  este  un  izotop  instabil  care  se  dezintegrează  prin  procesul 
numit radioactivitate.
Mulţi izotopi ai fiecărui element sunt radioactivi; numărul izotopilor 
stabili variază puternic de la un element la altul (de exemplu, staniul are 10 
izotopi  stabili).  Plumbul  (Z =  82)  este  ultimul  element  care  are  izotopi 
stabili. Elementele cu număr atomic 83 (bismut) şi mai mare nu au izotopi 
stabili şi sunt toţi radioactivi.
Virtual, toate elementele mai grele decât hidrogen şi heliu au fost 
create  prin  fenomenul  de  nucleosinteză din  stele  şi  supernove.  Sistemul 
nostru solar s-a format din nori de elemente provenite de la multe astfel de 
supernove, acum 4,6 miliarde de ani.
Cele  mai  multe  elemente  mai  uşoare  decât  uraniu  (Z =  92)  au, 
fiecare, izotopi stabili sau cel puţin radioizotopi cu viaţă suficient de lungă 
ca să poată fi întâlniţi în mod natural pe Pământ.
Două excepţii notabile de elemente uşoare dar radioactive cu viaţă 
scurtă sunt techneţiu (Z = 43) şi promeţiu (Z = 61) care se găsesc în mod 
natural numai în stele. Alte câteva elemente grele cu viaţă scurtă, care nu 
apar pe Pământ, au fost de asemenea găsite în stele.
Elemente care nu se găsesc în mod natural pe Pământ au fost create 
artificial  prin  bombardament  nuclear;  până  în  anul  2006  s-a  ajuns  la 
elementul  cu  număr  atomic  116  numit,  temporar,  „ununhexium”.  Aceste 
elemente ultragrele sunt foarte instabile şi se dezintegrează rapid. 
- 24 -
ATOMUL
Atomii care au pierdut sau câştigat electroni se numesc ioni. Ionii se 
împart  în  cationi  cu  sarcină  electrică  pozitivă  (+),  şi  anioni  cu  sarcină 
electrică negativă (–).
Atomii şi moleculele
Pentru gaze şi unele lichide şi solide moleculare (cum ar fi apa şi 
zahărul), moleculele sunt cele mai mici diviziuni de substanţă întâlnite în 
mod natural.
Există însă multe solide şi lichide care, deşi sunt compuse din atomi, 
ele nu conţin molecule discrete: amintim aici sărurile, rocile, metalele solide 
şi lichide.
Astfel, deşi moleculele sunt comune pe Pământ, intrând în formarea 
atmosferei şi a oceanelor, cea mai mare parte a Pământului, mai exact cea 
mai mare parte a crustei, întreaga manta şi tot miezul, nu sunt formate din 
molecule  identificabile,  ci,  mai  degrabă,  reprezintă  substanţă  atomică 
dispusă în alte tipuri de aranjamente particulare de ordin microscopic.
Cele mai multe molecule sunt pluri-atomice; de exemplu, molecula 
de apă este formată din doi atomi de hidrogen şi un atom de oxigen.
Termenul  moleculă a  fost  utilizat  iniţial  ca  un  sinonim  pentru 
„molecula fundamentală” de gaz, indiferent de structura acestuia. Această 
definiţie  corespunde doar  pentru câteva tipuri  de gaze  având „molecule” 
formate dintr-un singur atom; de exemplu: elementele chimice inerte care nu 
formează compuşi, cum ar fi heliu.
Particule subatomice
Înainte de 1961 se acceptau ca particule subatomice doar electronii, 
protonii şi neutronii.
Azi  se  cunoaşte  că  protonii  şi  neutronii  înşişi  sunt  constituiţi  din 
două tipuri de particule şi mai mici numite quarci: up şi down. Protonul este 
format din doi quarci up şi un quarc down, iar neutronul este format din doi 
quarci down şi un quarc up.
Electronul  are  un  partener  neutru  din  punct  de  vedere  electric, 
aproape fără masă, numit neutrino. Electronul şi neutrino sunt leptoni.
Prin urmare, atomii sunt compuşi numai din quarci şi leptoni. Deşi 
nu apar  în  substanţa  ordinară,  alte  două generaţii  mai  grele de  quarci  şi 
leptoni pot fi generate în ciocnirile de înaltă energie.
- 25 -
ATOMUL
Este electronul compus şi el din altceva ? Dar un quarc ? Cu alte 
cuvinte,  când  se  poate  spune  că  o  anume  particulă  este  compusă din 
subparticule ?
Răspunsul la aceste întrebări este dat de următorul criteriu: un obiect  
de masă m este compus dacă are extensie fizică superioară lungimii sale  
Compton:  λC = h/(m.c), unde  h ~ 6,6×10-34 Js este constanta lui Planck, iar 
prin c ~ 3×108 m/s s-a desemnat viteza luminii în vid.
Exemple:
- Electronul:  diametru  <  4×10-18 m;  λC ~  2×10-16 m;  concluzie: 
electronul nu este compus;
- Quarcul up: diametru < 1×10-16 m;  λC ~ 1,5×10-16 m; concluzie: 
quarcul up nu este compus;
- Protonul:  diametru  ~  2×10-15 m;  λC ~  2×10-16 m;  concluzie: 
protonul este compus (evident, din quarci).
Spre comparaţie,  lungimea Compton a Galaxiei noastre,  compuse, 
este de 10-85 m (evaluată doar prin calcul).
O  importanţă  deosebită  pentru  atom  o  prezintă  bozonii,  adică 
particulele  de  transport  al  forţelor  de  interacţiune.  Astfel,  protonii  şi 
neutronii sunt menţinuţi împreună în nucleu prin intermediul  gluonilor ce 
transportă  forţa  nucleară  tare.  Electronii  sunt  legaţi  de  nucleu  prin 
intermediul fotonilor ce transportă forţa electromagnetică.
Masa totală vizibilă în Univers este de 1054 kg (λC ~ 10-96 m). Cât este 
masa (de mişcare) a unui  foton ? Câţi  N fotoni „s-ar  cuprinde” în masa 
vizibilă a Universului ?
Strict  vorbind,  masa  unui  foton  nu  poate  fi  considerată  ca  având 
valoare zero. Pe de altă parte, un foton cu lungime de undă Compton de 
ordinul dimensiunii Universului vizibil (λC = 1026 m) nu poate fi distins de 
un foton cu masă zero (λC → ∞) prin nici un experiment fizic. Acest rezultat 
conduce la o valoare a masei fotonului de cel mult 10-69 kg şi N ~ 10123.
- 26 -
NUCLEUL ATOMIC
NUCLEUL ATOMIC
Nucleul  atomului  este  o  regiune  foarte  densă  din  centrul  său, 
constând din protoni şi neutroni. Dimensiunea nucleului este mult mai mică 
decât dimensiunea atomului însuşi. Totuşi, masa unui atom este determinată 
în cea mai mare măsură doar de masa protonilor şi neutronilor şi aproape 
fără nici o contribuţie din partea electronilor.
Dimensiunea nucleului
Raza unui nucleon (neutron sau proton) este de ordinul 1 fm = 10-15 
m. Raza nucleară poate fi aproximată prin: R = R0 . A1/3 unde A este numărul 
de masă şi R0 = 1,2 fm.
Raza  nucleului  reprezintă  0,01% (1/10.000)  din raza  atomului.  În 
felul acesta, densitatea nucleului este de 1012 ori mari mare decât densitatea 
atomului.  Un  cub  solid  cu  latura  de  1  mm umplut  cu  materie  nucleară 
(nucleoni presaţi împreună) ar avea o masă de 200.000 tone. Doar stelele 
neutronice au asemenea densităţi.
Proprietăţile nucleonilor
Nucleele  atomice pot  suferi  transformări  ce afectează  numărul  de 
protoni şi neutroni pe care îi conţin, proces numit dezintegrare radioactivă. 
Dacă  transformările  nucleelor  au  loc  spontan,  procesul  se  numeşte 
radioactivitate.  Transformările  radioactive  au  loc  într-un  număr  mare  de 
moduri, dar cele mai comune sunt dezintegrarea alfa (emisia unui nucleu de 
heliu) şi dezintegrarea beta (emisia unui electron). Dezintegrările ce implică 
electroni sau pozitroni sunt datorate interacţiunilor nucleare slabe.
În plus, ca şi electronii din atom, şi nucleonii din nucleu pot fi aduşi 
într-o stare excitată, de înaltă energie. Este adevărat, această tranziţie cere de 
- 27 -
NUCLEUL ATOMIC
sute de ori mai multă energie decât excitaţia electronilor. La revenirea în 
starea fundamentală, nucleul emite un foton de energie foarte înaltă, numit 
şi radiaţie gamma.
Transformările  nucleare  au  loc  de  asemenea  şi  în  cadrul  aşa-
numitelor reacţii nucleare: în fuziunea nucleară, două nuclee uşoare se unesc 
într-un  singur  nucleu,  mai  greu;  în  fisiunea  nucleară,  un  nucleu  greu  se 
divide în două sau mai multe nuclee, eventual de mase apropiate.
Dezintegrarea nucleară
Un nucleu atomic este cu atât  mai  stabil  cu cât  energia medie de 
legătură dintre nucleoni este mai mare, situaţie ce se întâlneşte cu precădere 
la  nucleele  conţinând:  2,  8,  20,  28,  50,  82,  126,  ...  ("numere  magice") 
protoni  sau neutroni.  Izotopul  
Pb
208
82
,  de  exemplu,  are  82 protoni  şi  126 
neutroni.
Atunci când raportul neutroni / protoni este fie prea mare, fie prea 
mic  faţă  de  cel  al  numerelor  magice,  nucleul  respectiv  este  instabil  şi 
prezintă proprietatea naturală de a emite particule (dezintegrare nucleară) 
sau energie (dezexcitare nucleară) în vederea creşterii stabilităţii interne.
Prin urmare, dacă un nucleu are prea puţini sau prea mulţi neutroni, 
el poate fi instabil şi se va dezintegra după o perioadă de timp oarecare. De 
exemplu, la câteva secunde după ce au fost creaţi, atomii de 16N (7 protoni, 
9 neutroni) se dezintegrează beta către atomi de 16O (8 protoni, 8 neutroni). 
În  această  dezintegrare,  forţa  nucleară  slabă  transformă  un  neutron  din 
nucleul de azot într-un proton şi un electron. Elementul (atomul) se schimbă 
deoarece iniţial a avut şapte protoni, fapt pentru care era „azot”, iar acum 
are opt protoni, fapt pentru care este „oxigen”.
Multe elemente au izotopi care rămân stabili timp de săptămâni, ani 
sau miliarde de ani.
În studiul  acestor  transformări  se utilizează următoarele noţiuni şi 
definiţii:
-
Substanţele  formate  din  atomi  având  nuclee  instabile  (atomi 
instabili) se numesc radioactive. Se mai folosesc şi noţiunile de 
atom radioactiv, respectiv, nucleu radioactiv sau radionuclid.
-
Fluxul  de  particule  sau  de  energie  emis  (radiat)  de  nucleul 
instabil se numeşte radiaţie.
-
Procesul în care un nucleu instabil (radioactiv) emite particule 
sau energie se numeşte dezintegrare radioactivă.
- 28 -
NUCLEUL ATOMIC
Stările instabile ale nucleului sunt fie o caracteristică intrinsecă, şi 
avem de a face cu o dezintegrare spontană, fie provocate de cauze externe 
(ciocniri) şi avem de a face cu o dezintegrare indusă. În ambele cazuri sunt 
respectate  legile  de  conservare:  a  energiei,  a  impulsului,  a  momentului 
cinetic şi a sarcinii electrice.
Dezintegrarea radioactivă fiind un fenomen statistic, se mai definesc:
- Activitatea / radioactivitatea (unei surse radioactive cuprinzând o 
anumită specie de atomi) ca fiind numărul de nuclee dezintegrate 
într-o secundă;
- Timpul de înjumătăţire, ca fiind timpul în care se dezintegrează 
50% dintr-un număr iniţial de nuclee instabile (ale unei specii de 
atomi).
Unitatea de măsură pentru activitate este Bq (Bequerel). De obicei se 
indică cantitatea de substanţă pentru a obţine o activitate de 1 GBq = 1012 
Bq, ca în exemplul următor:
28Al
m = 9,0×10-12 g 
Tl/2 = 2,2 minute
131I
m = 2,2×10-7 g 
Tl/2 = 8 zile
54Mn
m = 3,5×10-6 g 
Tl/2 = 313 zile
137Cs
m = 3,1×10-4 g 
Tl/2 = 30 ani
226Ra
m = 0,03 g 
Tl/2 = 1600 ani
232Th
m = 247 kg 
Tl/2 = 1,4×1010 ani
În timpul unei dezintegrări radioactive se pot genera şi emite:
• Radiaţii  α (alfa)  =  particule  formate  din  doi  protoni  şi  doi 
neutroni, echivalente cu un nucleu de He:
He
Th
U
4
2
234
90
238
92
+
→

He
Th
U
4
2
231
90
235
92
+
→

He
Ra
Th
4
2
228
88
232
90
+
→

He
Ru
Ra
4
2
222
86
226
88
+
→

• Radiaţii β (beta) = electroni e- sau pozitroni e+:
- 29 -
NUCLEUL ATOMIC
−
+
→

e
Ca
K
40
20
40
19
−
+
→

e
Bi
Pb
214
83
214
82
−
+
→

e
U
Pa
234
92
234
91
−
+
→

e
Ne
Na
22
10
22
11
• Radiaţii
 γ 
(gamma)  =  energie  sub  formă  de  unde 
electromagnetice (fotoni):
Hg
Hg
Au
198
80
keV
411
198
80
keV
960
e
198
79
→

→

γ
−
Ni
Ni
Ni
Co
60
28
MeV
33
,1
60
28
MeV
17
,1
60
28
keV
320
e
60
27
→

→

→

γ
γ
−
• Radiaţii n = neutroni:
n
H
H
1
0
1
1
2
1
+
→

+γ
n
C
Be
He
1
0
12
6
9
4
4
2
+
→

+
Fiecare tip de radiaţie este caracterizat, la rândul său, prin energia 
cinetică  înmagazinată,  efectele  de  ionizare,  adâncimea  de  pătrundere  în 
diferite materiale, după cum urmează:
-
Energia radiaţiilor emise de radionuclizi variază între 1 keV şi 
câţiva MeV.
-
La  baza  ionizării  produsă  de  particulele  α şi  β se  găseşte 
ciocnirea lor directă cu atomii mediului înconjurător, fiind mult 
mai intensă în cazul radiaţiilor α, şi mai slabă pentru radiaţiile β, 
pentru acelaşi nivel de energie înmagazinată. În aer, de exemplu, 
pe o distanţă de 1 mm, o particulă α poate produce 5000 perechi 
de ioni, pe când o particula β doar 10 perechi. Ionizarea datorită 
radiaţiilor  γ se  poate  realiza  prin:  efect  fotoelectric,  efect 
Compton şi generare de perechi electron-pozitron. Dacă pentru 
- 30 -
NUCLEUL ATOMIC
radiaţiile  α,  β şi  γ ionizarea  are  la  bază  interacţiunea  lor  cu 
învelişul electronic al atomului "ţintă", în cazul ionizării produse 
de  neutroni  are  loc  o  interacţiune  direct  cu  nucleul  atomului 
respectiv.
- Adâncimea  de  pătrundere  depinde  atât  de  energia  radiaţiei 
incidente, cât, mai ales, de natura materialului "penetrat", fiind 
mai mică pentru radiaţiile  α şi crescând pentru radiaţiile  β,  γ şi 
neutroni, în această ordine. În toate cazurile are loc o diminuare a 
intensităţii radiaţiilor odată cu străbaterea materialului respectiv, 
cea  mai  puternică  fiind  pentru  particulele  α.  Astfel,  în  cazul 
plumbului, radiaţiile γ de 3 MeV pătrund aproximativ 15 mm, în 
timp ce radiaţiile  β de aceeaşi energie dispar după 0,5 ÷ 1 mm. 
Comparativ, pentru apă, vom avea: 175 mm în cazul radiaţiilor γ 
şi 16 ÷ 17 mm pentru radiaţiile β (la 3 MeV).
În ceea ce priveşte interacţiunea neutronilor cu mediul înconjurător, 
aceasta depinde în primul rând de energia cinetică a particulelor. Din acest 
motiv se utilizează următoarea clasificare:
-
neutroni rapizi, având energii peste 8 keV;
-
neutroni lenţi, având energii sub 8 keV;
-
neutroni termici, având energii până la 0,025 eV.
Principala  sursă  de  neutroni  este  reacţia  de fisiune a  atomului  de 
235U. La ciocnirea lui de către un neutron termic, atomul de 235U fisionează, 
rezultând, în medie, 2,5 neutroni, fenomenul fiind însoţit de degajarea unei 
cantităţi însemnate de energie (sub formă de căldură şi radiaţii).
Neutronii se mai obţin din interacţiunea radiaţiilor  γ de energii mai 
mari  de  2,21  MeV  cu  nucleele  de  deuteriu  şi  se  obţin  aşa-numiţii 
fotoneutroni,  sau,  în  cazul  calibrării  instrumentaţiei  pentru  neutroni,  prin 
interacţiunea dintre radiaţiile α şi Be
9
4
.
Interacţiunea dintre neutroni şi  mediul înconjurător (mai exact,  cu 
nucleul atomilor mediului) se numeşte reacţie neutronică.
Cele  mai  întâlnite  reacţii  neutronice  sunt:  fisiunea,  împrăştierea 
elastică şi neelastică, reacţiile de activare.
Cele mai importante reacţii de activare sunt:
- 31 -
NUCLEUL ATOMIC
•
reacţia neutron - proton, indicată şi prin notaţia (n, p)
p
N
O
n
1
1
16
7
16
8
1
0
+
→

+
•
reacţia neutron - particulă α, indicată şi prin notaţia (n, α)
He
Li
B
n
4
2
7
3
10
5
1
0
+
→

+
•
reacţia neutron - radiaţii γ, indicată şi prin notaţia (n, γ)
γ
+
→

+
H
H
n
2
1
1
2
1
0
γ
+
→

+
H
H
n
3
1
2
1
1
0
γ
+
→

+
Ar
Ar
n
41
18
40
18
1
0
γ
+
→

+
U
U
n
239
92
238
92
1
0
- 32 -
FISIUNEA NUCLEARĂ
FISIUNEA NUCLEARĂ
Fisiunea nucleară,  cunoscută şi sub denumirea de fisiune atomică, 
este un proces în care nucleul unui atom se scindează în două sau mai multe 
nuclee  mai  mici,  numite  produşi  de  fisiune şi,  în  mod  uzual,  un  număr 
oarecare de particule individuale.
Aşadar, fisiunea este o formă de transmutaţie elementară.
Particulele individuale pot  fi  neutroni,  fotoni (uzual sub formă de 
raze gamma) şi alte fragmente nucleare cum ar fi particulele beta şi alfa.
Fisiunea  elementelor  grele  este  o  reacţie  exotermică şi  poate  să 
elibereze cantităţi substanţiale de energie sub formă de radiaţii gamma şi 
energie  cinetică  a  fragmentelor  (încălzind  volumul  de  material  în  care 
fisiunea are loc).
Fisiunea nucleară este folosită pentru a produce energie în Centralele 
Nuclearo-Electrice şi pentru fabricarea armelor nucleare.
Fisiunea  este  utilă  ca  sursă  de  energie  (putere)  deoarece  unele 
materiale, numite  combustibili nucleari,  pe de o parte generează neutroni 
liberi ca „jucători” ai procesului de fisiune şi, pe de altă parte, li se iniţiază 
fisiunea la impactul cu (exact aceşti) neutroni liberi.
Prin urmare, combustibilii nucleari pot fi utilizaţi în reacţii de fisiune 
nucleară  în  lanţ autoîntreţinute,  care  eliberează  energie  în  cantităţi 
controlate într-un reactor nuclear, sau necontrolate într-o armă nucleară.
Cantitatea  de  energie  utilizabilă  conţinută  într-un  combustibil 
nuclear este de milioane de ori mai mare decât energia utilizabilă conţinută 
într-o masă  similară  de  combustibil  chimic  (benzină,  de  exemplu),  acest 
lucru  făcând  fisiunea  nucleară  o  sursă  foarte  tentantă  de  energie;  totuşi 
produşii  secundari  ai  fisiunii  nucleare  sunt  puternic  radioactivi,  putând 
rămâne  aşa  chiar  şi  pentru  mii  de  ani,  având  de  a  face  cu  importanta 
problemă a deşeurilor nucleare.
Preocupările  privind  acumularea  deşeurilor  şi  imensul  potenţial 
distructiv  al  armelor  nucleare  contrabalansează  calităţile  dezirabile  ale 
- 33 -
FISIUNEA NUCLEARĂ
fisiunii ca sursă de energie, fapt ce dă naştere la intense dezbateri politice 
asupra problemei puterii nucleare.
Aspecte fenomenologice
Fisiunea nucleară diferă  de alte  forme de dezintegrare radioactivă 
prin aceea că ea poate fi  amorsată şi  controlată pe calea reacţiei  în lanţ: 
neutronii  liberi  eliberaţi  de  fiecare  eveniment  de  fisiune  pot  declanşa  în 
continuare alte evenimente care, la rândul lor, eliberează mai mulţi neutroni 
ce pot determina şi mai multe fisiuni ş.a.m.d.
Izotopii chimici care pot să întreţină o reacţie de fisiune în lanţ se 
numesc  combustibili  nucleari  şi  se  spune  că  sunt  fisili.  Cel  mai  comun 
combustibil nuclear este  235U (izotopul uraniului cu masa atomică 235) şi 
239Pu (izotopul plutoniului cu masa atomică 239).
Aceşti  combustibili  se  scindează în elemente  chimice  (produşi  de 
fisiune)  cu  mase  atomice  apropiate  de  100.  Majoritatea  combustibililor 
nucleari suferă fisiuni spontane extrem de rar, dezintegrându-se în principal 
prin reacţii alfa / beta timp de milenii.
Într-un  reactor  nuclear  sau  o  armă  nucleară,  cele  mai  multe 
evenimente de fisiune sunt induse prin bombardament cu alte particule, de 
obicei neutroni.
Evenimentele  tipice  de  fisiune  eliberează  câteva  sute  de  MeV de 
energie  pentru  fiecare  atom fisionat,  acesta  fiind  şi  motivul  pentru  care 
fisiunea nucleară este folosită ca sursă de energie.
Prin contrast, cele mai multe reacţii chimice de oxidare (cum ar fi 
arderea cărbunelui sau TNT) eliberează, în general, câteva zeci de eV per 
eveniment,  astfel  încât  combustibilul  nuclear  conţine  cel  puţin  de  zece 
milioane de ori mai multă energie utilizabilă decât combustibilul chimic.
Energia  fisiunii  nucleare  este  eliberată  ca  energie  cinetică  a 
produşilor şi a fragmentelor de fisiune şi ca radiaţie electromagnetică sub 
formă de radiaţii gamma; într-un reactor nuclear energia este convertită în 
căldură prin ciocnirea acestor particule şi radiaţii cu atomii reactorului şi ai 
fluidului de răcire: apă sau apă grea.
Fisiunea  nucleară  a  elementelor  grele  produce  energie  deoarece 
energia de legătură (pe unitatea de masă) a nucleelor cu numere şi mase 
atomice  aflate  între  61Ni şi  56Fe este  mai  mare  decât  energia  specifică  a 
nucleelor foarte grele, astfel încât diferenţa de energie este eliberată atunci 
când nucleele grele sunt scindate în bucăţi.
- 34 -
FISIUNEA NUCLEARĂ
Masa  totală  a  produşilor  de  fisiune  dintr-o  singură  reacţie,  după 
disiparea energiei lor cinetice, este mai mică decât masa iniţială a nucleelor 
combustibile. Excesul de masă Δm este asociat cu energia eliberată folosind 
relaţia lui Einstein E = Δm×c2.
Prin comparaţie, şi energia specifică de legătură a multor elemente 
uşoare (de la hidrogen până la magneziu) este de asemenea semnificativ 
mică, astfel încât dacă aceste elemente uşoare ar suferi o reacţie de fuziune 
(opusă  fisiunii),  procesul  ar  fi  de  asemenea  exotermic  (cu  eliberare  de 
energie).
Variaţia  energiei  specifice  de  legătură  cu  numărul  atomic  este 
datorată  interacţiunii  a  două  forţe  fundamentale  ce  acţionează  asupra 
nucleonilor dintr-un nucleu: protoni şi neutroni. Nucleonii sunt legaţi printr-
o forţă nucleară tare, atractivă, care contrabalansează repulsia electrostatică 
dintre protoni.
Totuşi  forţa  nucleară tare  acţionează numai pe distanţe extrem de 
scurte, întrucât se supune potenţialului Yukawa. Din această cauză nucleele 
mari  sunt  mai  slab  legate  pe  unitatea  de  masă  decât  nucleele  mici  şi 
scindarea unui nucleu mare în două sau mai multe nuclee cu dimensiuni 
intermediare eliberează energie.  În practică, cea mai mare parte a acestei 
energii apare ca energie cinetică întrucât nuclee rezultate se resping şi se 
îndepărtează unele de altele cu viteză foarte mare.
În evenimentele de fisiune nucleară, nucleele se pot scinda în orice 
combinaţie  de  nuclee  mai  uşoare,  dar  cel  mai  comun  eveniment  este 
scindarea în nuclee de mase aproximativ egale, în jur de 120 uam (unităţi 
atomice de masă); funcţie de izotopi şi proces, cel mai comun eveniment 
este fisiunea asimetrică în care un nucleu rezultat are o masă de aproximativ 
90 ÷ 100 uam şi celălalt nucleu de aproximativ 130 ÷ 140 uam.
Deoarece forţele nucleare tari acţionează pe distanţe mici, nucleele 
mari  trebuie să  conţină proporţional  mai  mulţi  neutroni  decât  elementele 
uşoare,  care  sunt  mult  mai  stabile,  având  un  raport  proton  /  neutron 
aproximativ unitar.
Neutronii  suplimentari  stabilizează  elementele  grele  deoarece  ele 
adaugă forţă de legătură tare fără a se compune cu forţa de repulsie proton-
proton.
Produşii  de  fisiune  au,  în  medie,  aproximativ  acelaşi  raport  de 
neutroni şi protoni ca şi nucleul „părinte” şi de aceea sunt în mod normal 
instabile (deoarece au în mod proporţional prea mulţi neutroni în comparaţie 
cu  izotopii  stabili  de  mase  similare).  Aceasta  este  cauza  fundamentală  a 
problemei deşeurile înalt radioactive din reactoarele nucleare.
- 35 -
FISIUNEA NUCLEARĂ
Produşii de fisiune tind să fie emiţători beta, eliberând, sub acţiunea 
forţelor  nucleare  slabe,  electroni  rapizi  în  vederea  conservării  sarcinii 
electrice  în  urma  transformării  neutronilor  excedentari  în  protoni,  în 
interiorul nucleului produsului de fisiune.
Cei  mai  comuni  combustibili  nucleari,  235U  şi  239Pu,  nu  sunt 
periculoşi  radiologic  prin  ei  înşişi:  235U  are  timpul  de  înjumătăţire  de 
aproximativ  700 milioane de  ani,  evenimentele  spontane  de  dezintegrare 
fiind extrem de rare; chiar dacă 239Pu are timpul de înjumătăţire de aproape 
24.000 ani, el este un emiţător de particule alfa şi, deci, nepericulos atâta 
timp cât nu este ingerat.
După  „arderea”  combustibilului  nuclear,  materialul  combustibil 
rămas este intim mixat cu produşi de fisiune puternic radioactivi, care emit 
particule beta energetice şi radiaţii gamma.
Unii  produşi  de  fisiune  au  timpi  de  înjumătăţire  de  ordinul 
secundelor; alţii au timpi de înjumătăţire de ordinul zecilor sau sutelor de 
ani, cerând facilităţi deosebite de stocare până la dezintegrarea lor în produşi 
stabili, neradioactivi.
Fisiunea spontană şi fisiunea indusă; reacţii în lanţ
Multe  elemente  grele,  cum ar  fi  uraniu,  toriu  şi  plutoniu,  suferă 
ambele  tipuri  de  fisiuni:  fisiunea  spontană,  ca  o  formă  a  dezintegrării 
radioactive  şi  fisiunea  indusă,  o  formă  a  reacţiei  nucleare.  Izotopii 
elementari  care  fisionează  când sunt  loviţi  de  un  neutron  liber  (neutron 
rapid) se  numesc  fisionabili;  izotopii  care  fisionează când sunt  loviţi  cu 
neutroni lenţi (neutroni termici) sunt numiţi fisili. Câţiva fisili particulari şi 
izotopii uşor de obţinut (ca  235U şi  239Pu) se numesc combustibili nucleari 
deoarece ei pot să întreţină o reacţie în lanţ şi pot fi  obţinuţi în cantităţi 
destul de mari pentru a fi utilizaţi.
Toţi  izotopii  fisionabili  şi  fisili  suferă  şi  un număr mic de fisiuni 
spontane  care  eliberează  un  număr  mic  de  neutroni  liberi  (rapizi)  în 
interiorul eşantionului de combustibil nuclear.
Neutronii  emişi  rapid din combustibil  devin neutroni liberi,  cu un 
timp de înjumătăţire  de aproape 15 minute  înainte  să  se  dezintegreze în 
protoni şi radiaţii beta.
În  mod normal,  neutronii  se  ciocnesc cu şi  sunt  absorbiţi  de alte 
nuclee din vecinătate, înainte ca dezintegrarea lor să se realizeze. Totuşi, 
unii  neutroni  vor  lovi  nuclee  combustibile  şi  vor  induce  noi  fisiuni, 
eliberându-se astfel şi mai mulţi neutroni.
- 36 -
FISIUNEA NUCLEARĂ
Dacă  se  dispune  de  o  cantitate  (concentraţie)  suficientă  de 
combustibil nuclear, sau dacă numărul de neutroni eliberaţi este suficient de 
mare, atunci neutronii proaspăt emişi sunt mai mulţi decât neutronii pierduţi 
şi poate să aibă loc întreţinerea unei reacţii nucleare în lanţ.
Concentraţia  de  combustibil  care  permite  întreţinerea  unei  reacţii 
nucleare  în  lanţ  se  numeşte  concentraţie  critică;  dacă  concentrarea  de 
material este formată în totalitate de nuclee de combustibil avem de a face 
cu masa critică.
Cuvântul „critic” se referă la extremul unei ecuaţii diferenţiale care 
guvernează numărul de neutroni liberi  prezenţi  în  combustibil;  dacă sunt 
mai puţini decât masa critică, atunci numărul de neutroni este determinat de 
dezintegrarea radioactivă;  dar dacă sunt  mai  mulţi  neutroni  sau cel  puţin 
masa critică, atunci numărul neutronilor este controlat mai degrabă de fizica 
reacţiei în lanţ. Valoarea masei critice a unui combustibil nuclear depinde 
puternic de geometrie şi materialele ambiante (înconjurătoare).
Nu toţi izotopii fisionabili pot întreţine o reacţie în lanţ. De exemplu, 
238U, cel  mai  abundent  izotop al  uraniului,  este  fisionabil  dar nu fisil:  el 
suferă fisiuni induse când este lovit de un neutron energetic cu o energie 
cinetică de peste 1 MeV.
Dar prea puţini neutroni produşi de fisiunea  238U sunt suficient de 
energetici pentru a induce o următoare fisiune în  238U, astfel încât nu este 
posibilă o reacţie în lanţ pentru acest izotop. În schimb, bombardând 238U cu 
neutroni termici există posibilitatea ca aceştia să fie absorbiţi, obţinându-se 
239U, izotop care se dezintegrează prin emisie beta către 239Pu; acest proces 
este  folosit  pentru  a  obţine  239Pu  în  reactoarele  regeneratoare,  dar  nu 
contribuie la reacţia nucleară în lanţ.
Izotopii fisionabili dar nefisili pot fi folosiţi ca sursă de energie de 
fisiune fără  reacţie  în  lanţ.  Bombardând  238U cu neutroni  rapizi  se induc 
fisiuni şi se degajă energie atâta timp cât este prezentă sursa de neutroni. 
Acest  efect  este  folosit  pentru  creşterea  energiei  eliberate  de  armele 
termonucleare,  prin  blindarea  bombelor  cu  238U  ce  interacţionează  cu 
neutronii eliberaţi de fuziunea nucleară din centrul bombei.
Reactoare de fisiune
Reactoarele cu fisiune critică reprezintă cel mai comun tip de reactor 
nuclear.  Într-un astfel  de reactor,  neutronii  produşi  de fisionarea atomilor 
combustibilului sunt folosiţi pentru a induce, în continuare, alte fisiuni şi 
pentru a menţine controlul cantităţii de energie eliberată. Reactoarele în care 
- 37 -
FISIUNEA NUCLEARĂ
se  produc  fisiuni  dar  nu  fisiuni  autoîntreţinute  se  numesc  reactoare  de 
fisiune subcritice.  Pentru declanşarea fisiunii  în acest  tip de reactoare se 
folosesc fie alte dezintegrări radioactive, fie acceleratoare de particule.
Reactoarele  cu  fisiune  critică  sunt  construite  pentru  trei  scopuri 
principale care, în general, presupun metode diferite de exploatare a căldurii 
şi a neutronilor produşi prin reacţia de fisiune în lanţ:
- Reactoarele  de  putere,  gândite  să  producă  căldură,  indiferent 
dacă ele fac parte din centrale terestre sau din sistemele de putere 
de pe vapoare şi submarine nucleare;
- Reactoarele de cercetare, gândite să producă neutroni şi / sau să 
activeze  surse  radioactive  destinate  cercetărilor  ştiinţifice, 
medicale, inginereşti etc.;
- Reactori reproducători, gândiţi să producă combustibili nucleari 
în  masă  plecând  de  la  alţi  izotopi  mai  abundenţi;  cel  mai 
cunoscut reactor de acest tip creează 239Pu (combustibil nuclear) 
din  izotopul  natural  foarte  abundent  238U (nu este  combustibil 
nuclear).
Deşi,  în principiu, orice reactor de fisiune poate să funcţioneze în 
toate cele trei moduri, în practică fiecare reactor este construit numai pentru 
una dintre aceste trei sarcini. (Contraexemplu: reactorul N de la Hanford, în 
prezent dezafectat).
Reactoarele  de  putere  convertesc  energia  cinetică  a  produşilor  de 
fisiune în căldură utilizată la încălzirea unui fluid de lucru care, la rândul 
său,  este  trecut  printr-un  motor  termic  ce  generează  energie  (putere) 
mecanică  sau  electrică.  Fluidul  de  lucru  este,  în  mod  uzual,  apa  într-o 
turbină cu aburi, dar unele reactoare folosesc şi gaze: heliu, azot, bioxid de 
carbon etc.
Reactoarele de cercetare produc neutroni care sunt folosiţi în diferite 
moduri, căldura de fisiune fiind tratată ca un deşeu inevitabil.
Reactoarele  reproducătoare  sunt  specializate  din  reactoarele  de 
cercetare  cu  menţiunea  că  materialul  ce  urmează  a  fi  iradiat  este 
combustibilul însuşi (un amestec de 238U şi 235U).
- 38 -
REACŢIA DE FISIUNE ÎN LANŢ
REACŢIA DE FISIUNE ÎN LANŢ
Schematic, o reacţie de fisiune nucleară în lanţ ar putea fi restrânsă la 
următoarele trei secvenţe:
- Un atom de 235U absoarbe un neutron şi se scindează în doi atomi 
mai  uşori  (fragmente  de  fisiune),  eliberând  trei  neutroni  şi  o 
oarecare cantitate de energie de legătură.
- Unul din aceşti neutroni este absorbit de un atom de  238U şi nu 
mai participă, în continuare, la reacţie. Al doilea neutron este pur 
şi simplu pierdut în mediul / materialul înconjurător, nu se mai 
ciocneşte cu alţi atomi de uraniu, fapt pentru care nici el nu mai 
participă la continuarea reacţiei. Al treilea neutron se ciocneşte 
cu un atom de 235U care se scindează şi eliberează doi neutroni şi, 
din nou, energie de legătură.
- Ultimii doi neutroni se ciocnesc fiecare cu câte un atom de 235U 
care se scindează şi eliberează de la unu la trei neutroni ce pot 
continua reacţia.
O reacţie nucleară în lanţ apare atunci când, în medie, cel puţin o 
reacţie nucleară este cauzată de o reacţie nucleară anterioară,  acest lucru 
putând conduce la o creştere exponenţială a numărului de reacţii nucleare.
O reacţie în lanţ necontrolată în interiorul unei cantităţi suficiente de 
combustibil  de  fisiune  (masă  critică)  poate  să  conducă  la  o  eliberare 
explozivă de energie, acesta fiind, de altfel, modul de funcţionare al armelor 
nucleare.
Reacţia în lanţ poate fi, însă, controlată în mod adecvat şi folosită ca 
sursă de energie în reactoarele nucleare.
Intuitiv, ecuaţiile de fisiune s-ar putea scrie:
235U + 1 neutron = fragmente de fisiune +2,52 neutroni + 189 MeV
239Pu + 1 neutron = fragmente de fisiune +2,95 neutroni + 200 MeV
- 39 -
REACŢIA DE FISIUNE ÎN LANŢ
Nu s-au luat în calcul cei 10 MeV corespunzând greu-detectabililor 
(şi inutilizabililor) neutrini.
Când un atom greu suferă o fisiune nucleară, acesta se scindează în 
două sau mai multe fragmente de fisiune. Fiecare dintre aceste fragmente de 
fisiune este un atom al unui mult mai uşor element din tabelul periodic al 
elementelor.
Prin  urmare,  un  neutron  poate  să  cauzeze  o  reacţie  de  fisiune 
nucleară care eliberează aproximativ 2,5 sau 3 neutroni. Crucial este câţi 
dintre aceştia cauzează, la rândul lor, alte fisiuni nucleare. Factorul efectiv 
de multiplicare a neutronilor,  k, este numărul mediu de neutroni din aceşti 
2,5 sau 3 care cauzează reacţia de fisiune, în opoziţie cu neutronii produşi de 
fisiune care sunt absorbiţi fără să mai cauzeze o nouă fisiune şi cei pierduţi 
(care părăsesc sistemul).
Timpul  mediu  de  generare  este  timpul  mediu  scurs  de  la  emisia 
neutronului până la captura de fisiune. Acest timp este foarte scurt: distanţa 
parcursă  este  aproape  cât  diametrul  masei  critice;  viteza  poate  fi  de 
aproximativ 10.000 km/s şi distanţa de 10 cm, astfel încât timpul este de 
ordinul 10 ns.
Putem distinge următoarele cazuri:
•
k < 1 (masă subcritică):
Plecând cu o fisiune, avem în medie un total de 1/(1-k) fisiuni. Orice 
început de reacţie în lanţ se stinge imediat.
•
k = 1 (masă critică):
Plecând cu un neutron liber, valoarea medie a numărului de neutroni 
liberi rezultaţi este 1 în orice moment de timp; în timp există o oarecare 
probabilitate ca reacţia în lanţ să se stingă, fapt compensat prin existenţa, în 
fiecare moment de timp, a mai multor neutroni.
•
k > 1 (masă supercritică):
Plecând cu un neutron liber, există probabilitatea nebanală ca acesta 
să nu cauzeze o fisiune, sau ca un început de reacţie în lanţ să se stingă. 
Totuşi, din moment ce numărul neutronilor liberi este destul de mare, este 
foarte probabil ca numărul lor să crească exponenţial.
Atât  numărul  de  neutroni  prezenţi  în  agregat  (şi  astfel  rata 
instantanee  a  reacţiei  de  fisiune)  cât  şi  numărul  de  fisiuni  apărute  din 
- 40 -
REACŢIA DE FISIUNE ÎN LANŢ
momentul  începerii  reacţiei  sunt  proporţionali  cu  
(
)
g
/
t
1
k
e −
,  unde  g este 
timpul mediu de generare iar t este timpul scurs.
Desigur, aceasta nu poate continua prea mult timp: k descreşte când 
cantitatea  rămasă  de  material  de  fisiune  descreşte;  la  fel,  geometria  şi 
densitatea se modifică şi ele: geometria se modifică în mod radical atunci 
când  materialul  de  fisiune  rămas  este  rupt  în  bucăţi,  sau,  în  alte 
circumstanţe, topit şi curgând aiurea etc. 
Atunci când k este aproape de 1, acest calcul supraestimează, cumva, 
„rata de dublare”.
Când  nucleul  de  uraniu  absoarbe  un  neutron  el  intră  într-o  stare 
excitată de durată foarte scurtă, care dispare apoi pe mai multe căi posibile. 
În  mod  tipic,  nucleul  se  dezintegrează  în  două  fragmente  (produşi  de 
fisiune),  de  obicei  izotopi  de iod  şi  cesiu,  cu expulzarea  unui  număr de 
neutroni. Produşii de fisiune sunt ei înşişi instabili, cu durate de viaţă mai 
lungi sau mai scurte, tipic de ordinul câtorva secunde, şi se dezintegrează 
producând neutroni suplimentari.
În  mod  uzual,  populaţia  de  neutroni  emişi  se  împarte  în  două 
categorii:  neutroni  prompţi şi  neutroni  întârziaţi.  Procentul  neutronilor 
întârziaţi este mai mic de 1% din total.
Într-un reactor  nuclear,  pentru a avea un proces stabil,  valoarea  k 
trebuie să fie în jur de 1.
Când se atinge valoarea k = 1 luând în calcul toţi neutronii obţinuţi 
prin fisiune, reacţia se numeşte  critică. Aceasta este situaţia atinsă într-un 
reactor nuclear. Acum modificările de putere sunt mici şi controlabile cu 
ajutorul barelor de control.
Când  valoarea  k =  1  se  obţine  luând  în  calcul  numai  neutronii 
prompţi, reacţia se numeşte prompt-critică – poate să apară o rată de dublare 
mult mai mică, depinzând de criticitatea de exces (k – 1).
Modificarea de reactivitate necesară pentru a trece de la  critică la 
prompt-critică (adică  fracţia  de  neutroni  întârziaţi)  este  definită  ca  „un 
dolar”.
Valoarea lui k este sporită de reflectorul de neutroni care înconjoară 
materialul  fisil  şi  de  asemenea  este  sporită  prin  creşterea  densităţii 
materialului fisil: pe fiecare centimetru parcurs, probabilitatea de ciocnire 
dintre un nucleu şi un neutron este proporţională cu densitatea, în timp ce 
distanţa  parcursă  înainte  de  părăsire  a  sistemului  este  doar  redusă  de 
rădăcina cubică a densităţii.
Probabilitatea unei reacţii în lanţ
- 41 -
REACŢIA DE FISIUNE ÎN LANŢ
Să presupunem că o fisiune a  fost  cauzată de ciocnirea dintre un 
neutron şi un nucleu şi a produs 3 neutroni. În plus, să presupunem k > 1.
Probabilitatea ca un neutron să cauzeze o nouă fisiune este k/3.
Probabilitatea ca un neutron liber să nu cauzeze o reacţie în lanţ este 
(1-k/3) (nici o fisiune) plus probabilitatea de a avea a cel puţin o fisiune, 
atâta timp cât nici unul dintre cei trei neutroni produşi nu cauzează o reacţie 
în lanţ.
Ultima  are  valoarea  de  k/3  înmulţit  cu  cubul  primei  probabilităţi 
menţionate, că un neutron liber nu cauzează o reacţie în lanţ.
Această ecuaţie poate fi rezolvată uşor şi se găseşte că probabilitatea 
unei reacţii în lanţ este 
(
) 3
k
/
12
5
,
0
5
,
1
−
−
 care variază de la 0 pentru k = 
1, la 1 pentru k = 3.
Pentru valori ale lui  k puţin mai mari  decât 1,  probabilitatea unei 
reacţii în lanţ ajunge la valoarea: ~ k – 1.
- 42 -
COMBUSTIBILI NUCLEARI
COMBUSTIBILI NUCLEARI
Analog combustibilului chimic care este ars pentru a obţine energie, 
combustibil  nuclear este  orice  material  care  poate  fi  consumat  pentru  a 
obţine energie electrică.
Cel  mai  comun  tip  de  combustibil  nuclear  este  reprezentat  de 
elementele fisile grele care pot fi supuse reacţiei de fisiune în lanţ într-un 
reactor  nuclear;  denumirea de combustibil  nuclear  se  poate referi  atât  la 
materialul  combustibil  cât  şi  la  obiectele  fizice  compuse  din  material 
combustibil  (de  exemplu  fasciculele  combustibile  formate  din  bare  / 
elemente combustibile).
Cei mai des utilizaţi combustibili nucleari fisili sunt 235U şi 239Pu, iar 
activităţile de: extragere din mină, măcinare, purificare, utilizare şi, în final, 
depozitare formează la un loc aşa-numitul:  ciclul combustibilului nuclear; 
ciclul combustibilului nuclear este important prin relevanţa sa în generaţiile 
de Centrale Nuclearo-Electrice (CNE) şi arme nucleare.
Nu toţi  combustibilii  nucleari  sunt  folosiţi  în reacţii  de fisiune în 
lanţ. De exemplu, 238Pu este folosit pentru a produce energie în cantităţi mici 
prin dezintegrare radioactivă în generatoarele radiotermale sau pile atomice. 
Izotopii  uşori,  cum ar  fi  3H (tritiu),  sunt  folosiţi  în  reacţiile  de  fuziune 
nucleară.
Combustibili sub formă de oxizi
Conductivitatea  termică  a  bioxidului  de  uraniu  este  mică  şi  este 
afectată  de  porozitate  şi  gradul  de  ardere.  Arderea  presupune:  formarea 
produşilor de fisiune care încep să se dizolve în reţeaua cristalină (cum ar fi 
lantanidele), precipitarea produşilor de fisiune cum ar fi paladiul, formarea 
bulelor de gaz de fisiune ca în cazul xenonului sau kriptonului, pericolul 
iradierii reţelei cristaline.
- 43 -
COMBUSTIBILI NUCLEARI
Conductivitatea  termică  scăzută  poate  cauza  supraîncălzirea  părţii 
centrale  a  pastilei  de  combustibil.  Porozitatea  conduce  la  descreşterea 
conductivităţii termice a combustibilului şi la umflarea acestuia pe durata 
utilizării.
• UOX (Uranium dioxide)
Bioxidul de uraniu este un solid semiconductor de culoare neagră. 
Poate  fi  obţinut  prin  reacţia  dintre  nitrat  de  uranil  cu  o  bază  (amoniac) 
pentru a forma un solid (uranat de amoniu). Acesta este încălzit (calcinat) 
pentru a forma U3O8 ce poate fi convertit prin încălzire în atmosferă mixtă 
de argon şi hidrogen (700 oC) în UO2. La rândul său, UO2 este amestecat cu 
liant  organic  şi  presat  sub  formă de  pastile  ce  sunt,  apoi,  sinterizate  în 
structură  solidă.  Scopul  este  de  a  forma  un  solid  dens  cu  puţini  pori. 
Conductivitatea bioxidului de uraniu este foarte mică în comparaţie cu cea a 
zirconiului  metalic  şi  scade  când  temperatura  creşte.  Trebuie  notat  că 
fenomenul de coroziune a bioxidului de uraniu în mediu apos este controlat 
prin  procese  electrochimice  similare  coroziunii  galvanice  a  suprafeţelor 
metalice.
• MOX (Mixed oxide)
Combustibilul MOX este un amestec de plutoniu şi uraniu natural 
sau uraniu sărăcit, având comportare similară (dar nu identică) cu uraniul 
îmbogăţit. Combustibilul MOX este o alternativă la combustibilul cu uraniu 
slab îmbogăţit (LEU) folosit în reactoarele cu apă uşoară care predomină 
actuala  generaţie  de  CNE.  Utilizarea  combustibilului  MOX  aduce  în 
discuţie  problema  că  acesta  este,  prin  el  însuşi,  o  sursă  de  surplus  de 
plutoniu obţinut prin transmutaţie. Reprocesarea curentă a combustibilului 
din CNE pentru a fabrica combustibil de tip MOX are loc în Anglia, Franţa 
şi într-o măsură mai mică în Rusia, India şi Japonia. China are planificat să 
dezvolte reactori rapizi reproducători şi, respectiv, tehnologii de reprocesare.
Combustibili metalici
Combustibilii  metalici  au  avantajul  unei  mult  mai  ridicate 
conductivităţi termice decât cea a combustibililor sub formă de oxizi, dar şi 
dezavantajul că nu pot supravieţui în aceeaşi măsură temperaturilor înalte.
• Combustibil TRIGA
- 44 -
COMBUSTIBILI NUCLEARI
Combustibilul  TRIGA este  folosit  în  reactoare  TRIGA (Training, 
Research, Isotopes, General Atomics). Acest tip de combustibil constă dintr-
o matrice uraniu – zirconiu – hidrură. El prezintă un grad sporit de siguranţă 
prin aceea că dacă se găseşte la temperatură înaltă, secţiunea transversală a 
hidrogenului  din  combustibil  este  schimbată  la  energii  înalte,  permiţând 
pierderea de mai mulţi neutroni, respectiv termalizarea unui număr mai mic 
de neutroni. Multe reactoare care folosesc combustibil TRIGA au miezuri cu 
„pierderi  mari”,  neutronii  pierduţi  în  exces  putând  fi  utilizaţi  pentru 
cercetare.
• Combustibilul cu actinide
Într-un  reactor  cu  neutroni  rapizi,  actinidele  minore  produse  prin 
captură  de  neutroni  în  uraniu  şi  plutoniu,  pot  fi  folosite  pe  post  de 
combustibil. Combustibilul metalic cu actinide este, în mod tipic, un aliaj de 
zirconiu, uraniu, plutoniu şi actinide minore. El poate fi făcut sigur din start 
prin aceea că expansiunea termică a aliajului de metal va duce la creşterea 
pierderilor de neutroni.
Combustibili ceramici şi lichizi
• Combustibili ceramici
Combustibilii ceramici au avantajul unei înalte conductivităţi termice 
şi  punct  de  topire  ridicat,  dar  au  tendinţa  să  se  umfle  mai  mult  decât 
combustibilul sub formă de oxizi şi sunt mai puţin înţeleşi bine.
Nitrura  de  uraniu:  acesta  este  combustibilul  folosit  adesea  în 
reactoarele proiectate de NASA, un avantaj fiind acela că nitrura de uraniu 
are o conductivitate termică mai bună decât UO2.
Nitrura  de  uraniu  are  un  punct  de  topire  foarte  înalt.  Acest 
combustibil are dezavantajul că, întrucât s-a folosit 15N (în loc de mult mai 
comunul 14N), se poate genera o cantitate mare de 14C printr-o reacţie de tip 
(n,  p).  Deoarece  azotul  cerut  pentru  un astfel  de combustibil  este  foarte 
scump este clar că şi combustibilul este reprocesat pentru a recupera 15N.
Carbura  de  uraniu:  cele  mai  multe  cunoştinţe  despre  carbura  de 
uraniu se referă la elementul combustibil de tip „creion” destinat reactorilor 
rapizi reproducători şi studiaţi intens în perioada anilor 1960-1970. Totuşi, 
- 45 -
COMBUSTIBILI NUCLEARI
recent a renăscut interesul pentru carbura de uraniu, cel mai notabil fiind 
combustibilul sub formă de particule (cum ar fi particulele TRISO).
Conductivitatea termică înaltă şi punctul înalt de topire transformă 
carbura de uraniu într-un combustibil atractiv.
În plus,  datorită  lipsei  oxigenului  din acest  tip de combustibil  (în 
general, suprapresiunea din combustibili este cauzată de formarea de O2 şi 
alte gaze în prezenţa radiaţiilor) şi posibilităţii de a-l îngloba în straturi de 
asemenea  ceramice  (interfaţa  ceramică-ceramică  prezintă  unele  avantaje 
structurale  şi  chimice),  carbura  de  uraniu  poate  fi  un  candidat  ideal  de 
combustibil pentru reactoarele din Generaţia a IV-a, cum ar fi reactoarele 
rapide răcite cu gaz (GFR).
• Combustibili lichizi
Săruri  anhidre  topite:  acestea  includ  combustibilii  dizolvaţi  în 
agentul de răcire. Ei au fost folosiţi în reactoarele cu săruri topite, cel mai 
adesea sub forma de LiF-BeF2-ThF4-UF4 (72-16-12-0.4 mol%), operând la 
temperaturi  de 705  oC sau mai mari,  cunoscut fiind faptul că punctul de 
fierbere al topiturii este mai mare de 1400 oC.
Soluţii  apoase  ale  sării  de  uranil:  reactoarele  omogene  apoase 
folosesc o soluţie de sulfat de uranil (sau altă sare de uraniu) în apă. Acest 
tip  de  reactor  omogen  nu  a  fost  folosit  ca  reactor  de  putere.  Unul  din 
dezavantajele  sale  este  că,  în  caz  de  accident,  combustibilul  se  poate 
dispersa foarte uşor.
Tipuri comune de combustibili nucleari
Pentru  utilizarea  sub  formă  de  combustibil  nuclear,  florura 
(îmbogăţită) de uraniu, UF6, este convertită în pudră de bioxid de uraniu, 
UO2, care este procesată sub formă de pastile.
Pastilele  sunt  sinterizate  în  structuri  ceramice  solide  de  uraniu 
(îmbogăţit). Pastilele sunt apoi introduse, funcţie de proiectul fiecărui miez 
de reactor, în tuburi din aliaje de metale rezistente la coroziune.
Tuburile  sunt  etanşate  şi  se  numesc  elemente  combustibile.  Mai 
multe  elemente  combustibile  sunt  grupate  în  structuri  speciale  numite 
fascicule combustibile, folosite la încărcarea miezului reactorului.
Metalul  folosit  pentru  tuburi  depinde  de  proiectul  de  reactor;  în 
trecut s-a utilizat oţel inoxidabil, dar cele mai multe reactoare folosesc acum 
aliaj din zirconiu.
- 46 -
COMBUSTIBILI NUCLEARI
Pentru cele mai comune tipuri de reactoare (BWR şi PWR) tuburile 
sunt  asamblate  în  fascicule  la  distanţe  bine  precizate.  Aceste  fascicule 
primesc un număr de identificare unic ce permite urmărirea lor pe traseul: 
fabricaţie – utilizare – depozitare finală.
• Combustibilul PWR
Combustibilul utilizat în reactorul cu apă sub presiune (Pressurized 
Water Reactor = PWR) constă din elemente cilindrice montate în fascicule.
Se  folosesc  pastile  ceramice  de  oxid  de  uraniu  uşor  îmbogăţit, 
introduse în tuburi de zircaloy având diametre de aproximativ 1 cm, acestea 
din  urmă fiind  apoi  umplute  cu  heliu  pentru  a  îmbunătăţi  transferul  de 
căldură  dinspre  combustibil  către  teacă.  Într-un  fascicul  combustibil  se 
montează câte 179-264 de elemente combustibile, iar în miezul reactorului 
se introduc între 121 şi 193 de fascicule. În general, fasciculele combustibile 
sunt montate sub formă de matrice pătratice 14×14 sau 17×17 de elemente 
combustibile şi au 4 m lungime.
• Combustibilul BWR
În  reactorul  cu  apă  în  fierbere  (Boiling  Water  Reactor  =  BWR), 
combustibilul este similar celui de tip PWR cu excepţia că fasciculele sunt 
„ambalate”.  Mai  exact,  fiecare  fascicul  combustibil  este  învelit  într-o 
„cămaşă” subţire. Acest lucru este destinat prevenirii unor variaţii locale de 
densitate faţă de starea globală a neutronicii  şi  termohidraulicii  miezului. 
Într-un fascicul combustibil BWR sunt aproximativ 500 ÷ 800 de elemente 
combustibile. Fiecare element combustibil este umplut cu heliu la o presiune 
de aproximativ 3 atmosfere (300 kPa).
• Combustibilul CANDU
Fasciculele  combustibile  de  tip  CANDU  au  aproximativ  0,5  m 
lungime şi 10 cm în diametru. Sunt formate din pastile sinterizate de UO2 
(uraniu natural) introduse în tuburi de zirconiu, închise etanş şi sudate pe 
grile de capăt. Fiecare fascicul are în jur de 20 kg, iar în miezul reactorului 
CANDU se introduc cam 4.500 de fascicule.
Cele mai tipice fascicule actuale au câte 37 de elemente combustibile 
identice aranjate într-o structură radială în jurul axei longitudinale (în trecut 
s-au  folosit  şi  alte  combinaţii  geometrice  şi  număr  de  elemente 
combustibile).
- 47 -
COMBUSTIBILI NUCLEARI
Fasciculul  CANFLEX  (0.5  m  lungime,  10  cm  diametrul,  20  kg 
masă)  are  43  de  elemente  şi  înlocuieşte  fasciculul  standard  cu  37  de 
elemente. Proiectul actual de fascicul CANDU nu necesită uraniu îmbogăţit 
datorită mult mai eficientului moderator – apă grea, totuşi, unele concepte 
noi  se  îndreaptă  către  un  combustibil  uşor  îmbogăţit  pentru  a  uşura 
reducerea dimensiunilor rectorului.
Tipuri mai puţin comune de combustibili nucleari
În  unele  aplicaţii  specifice  se  folosesc  alte  diferite  forme  de 
combustibil  nuclear,  dar  nu  în  cantităţile  specifice  atât  de  răspândiţilor 
combustibili BWR, PWR şi CANDU. Multe dintre aceste tipuri speciale se 
găsesc numai în reactoarele de cercetare sau în aplicaţii militare.
• Combustibilul TRISO
Combustibilul  izotopic  tristructural  (Tristructural-isotropic  = 
TRISO) este un tip de microparticule combustibile.
Constă dintr-un nucleu compus din oxid de uraniu UOn (uneori UC 
sau UCO), îmbrăcat într-o manta de patru straturi de materiale izotopice. 
Cele  patru straturi  sunt  formate,  dinspre centru spre  exterior:  din carbon 
(poros), carbon pirolitic (PyC) dens, ceramică (SiC) pentru a reţine produşii 
de fisiune la temperaturi înalte şi pentru a da combustibilului TRISO mai 
multă integritate structurală şi, din nou, PyC dens.
Particulele combustibile TRISO sunt proiectate să nu se fisureze (să 
nu  se  spargă)  astfel  încât  pot  să  păstreze  combustibilul  în  interiorul 
reactorului chiar şi în cel mai rău scenariu de accident nuclear.
Două  astfel  de  proiecte  sunt:  reactorul  modular  cu  strat  granular 
(Pebble Bed Modular Reactor = PBMR), în care particulele combustibile 
sunt disipate într-un strat (pat) de grafit, respectiv reactorul prismatic răcit 
cu gaz (cum ar fi GT-MHR) în care particulele combustibile TRISO sunt 
plasate compact în blocuri (matrice) de grafit.
Ambele  tipuri  sunt  reactoare  de  înaltă  temperatură  răcite  cu  gaz 
(High-Temperature Gas-cooled Reactor = HTGR), care fac parte din clasa 
reactoarelor de foarte înaltă temperatură (Very High Teperature Reactor = 
VHTR) specifice proiectelor de reactoare din Generaţia a IV-a.
Particulele  combustibile  TRISO  au  fost  dezvoltate  iniţial  în 
Germania pentru reactoare HTGR. Primul reactor care a folosit combustibil 
TRISO  a  fost  AVR  şi  prima  CNE  a  fost  THTR-300.  În  prezent, 
- 48 -
COMBUSTIBILI NUCLEARI
combustibilul  TRISO a început  să  fie  folosit  în  reactoare  experimentale, 
HTR-10 în China şi HTTR în Japonia.
• Combustibilul RBMK
Combustibilul  RBMK  a  fost  folosit  în  proiectele  sovietice  de 
reactoare cu oxid de uraniu slab îmbogăţit.  Elementele combustibile sunt 
foarte lungi, de aproximativ 7 m. Centrala Nuclearo-Electrică de la Cernobîl 
avea un reactor RBMK de 1 GWe. 
• Combustibilul CerMet
Combustibilul  CerMet  constă  din  particule  de  combustibil  (uzual 
oxid de uraniu) încorporat într-o matrice de metal.
Se pare că acest tip de combustibil este folosit în reactoarele militare 
ale US Navy (submarine).
Are caracteristici performante privind transferul de căldură şi poate 
suporta dilatări mari fără a prezenta pericol în utilizare.
• Combustibilul de tip placă
Combustibilul  de  tip  placă  a  ieşit  de  mulţi  ani  din  atenţia 
reactoriştilor. El este folosit în acest moment numai în reactorul avansat de 
testare (Advanced Test Reactor = ATR) de la Idaho National Laboratory.
Combustibili cu dezintegrare de radioizotopi
• Bateria cu radioizotopi
Termenii  de  baterie  atomică,  baterie  nucleară  şi  baterie  cu 
radioizotopi  sunt  folosiţi  pentru  a  descrie  un  dispozitiv  care  utilizează 
dezintegrarea  radioactivă  pentru  a  genera  electricitate.  Este  vorba,  în 
general, de conversiile non-termice, a căror putere de ieşire nu depinde (nu 
este funcţie) de diferenţa de temperatură.
Există câteva proiecte ce exploatează particulele alfa şi beta. Acestea 
includ:  generatoarele  cu  încărcare  directă  (direct  charging  generators); 
bateriile  beta-voltaice;  bateria  nucleară  optoelectrică  şi  generatorul 
piezoelectric cu radioizotopi.
- 49 -
COMBUSTIBILI NUCLEARI
Aceste sisteme folosesc radioizotopi care produc particule beta de 
joasă energie sau unele particule alfa de diferite energii. Particulele beta de 
joasă energie sunt necesare pentru a preveni radiaţia penetrantă de înaltă 
energie Bremsstrahlung care ar cere ecrane grele de protecţie.
Au fost testaţi radioizotopi precum tritiu, nichel-63, promeţiu-147 şi 
tecneţiu-99. S-au folosit, de asemenea, plutoniu-238, curium-242, curium-
244 şi stronţiu-90.
• Generatoare termoelectrice cu radioizotopi
Un  generator  termoelectric  cu  radioizotopi  (Radioisotope 
Thermoelectric generator = RTG) este un generator electric simplu, care îşi 
obţine energia din dezintegrarea radioactivă.
Într-un astfel de dispozitiv, căldura eliberată prin dezintegrarea unui 
material  radioactiv  este  convertită  în  electricitate  folosind  o  reţea  de 
termocuple.
Cel mai indicat material radioactiv folosit într-un RTG este 238Pu, sub 
formă de bioxid de plutoniu, care are timpul de înjumătăţire de 87,7 ani, o 
densitate de energie rezonabilă şi nivele excepţional de joase în ce priveşte 
radiaţiile gamma şi de neutroni.
Unele  RTG  ruseşti  au  folosit  90Sr;  acest  izotop  are  un  timp  de 
înjumătăţire mult mai scurt, o densitate de energie mai mică, dar este mult 
mai ieftin.
Mai vechile RTG, primele fabricate în 1958 de US Atomic Energy 
Commission, au folosit  210Po. Acest combustibil oferă densităţi de energie 
fenomenal de mari (un singur gram de 210Po generează 140 W termici).
Totuşi, radioizotopul 210Po are utilizare limitată datorită timpului său 
de înjumătăţire foarte scurt şi producţiei de radiaţii gamma, fapt pentru care, 
de altfel, a şi fost scos din uz în această aplicaţie.
• Unităţi de încălzire cu radioizotopi
Unităţile de încălzire cu radioizotopi (Radioisotope Heater Unit  = 
RHU) asigură în jur de 1 W de căldură, obţinută din dezintegrarea câtorva 
grame de 238Pu.
- 50 -
COMBUSTIBILI NUCLEARI
Sarcina unei RHU este să asigure o încălzire perfect localizată a unui 
echipament senzitiv în spaţiu extraterestru.
Staţia  Cassini-Huygens  care  orbitează  planeta  Saturn  conţine  82 
astfel  de unităţi  (împreună cu  alte  3  RTG principale  folosite  pe  post  de 
generatoare de energie).
Sonda Hygens trimisă spre Titan conţine 35 de astfel de sisteme.
- 51 -
REACTORUL NUCLEAR DE FISIUNE
REACTORUL NUCLEAR DE FISIUNE
Reactorul nuclear de fisiune3 este o instalaţie în care este iniţiată o 
reacţie  nucleară  în  lanţ,  controlată  şi  menţinută  la  o  rată  staţionară  (în 
opoziţie cu o bombă nucleară, în care reacţia în lanţ apare într-o fracţiune de 
secundă şi este complet necontrolată).
Reactoarele  nucleare  sunt  folosite  pentru  numeroase  scopuri.  Cea 
mai  semnificativă  utilizarea  curentă  este  pentru  generarea  de  energie 
electrică. Reactoarele de cercetare sunt folosite pentru producerea de izotopi 
şi pentru experimente cu neutroni liberi. Din punct de vedere istoric, prima 
folosire a reactoarelor nucleare a fost producerea plutoniului pentru bomba 
atomică. O altă utilizare militară este propulsia submarinelor şi a vapoarelor, 
deşi  aceasta  presupune  un  reactor  mult  mai  mic  decât  cel  folosit  într-o 
Centrală Nuclearo-Electrică (CNE).
În mod curent, toate reactoarele nucleare comerciale sunt bazate pe 
fisiunea nucleară şi sunt considerate problematice datorită siguranţei lor şi a 
riscurilor asupra sănătăţii.  Din contra,  alţii  consideră centrala nucleară ca 
fiind o metodă sigură şi nepoluantă de generare a electricităţii.
Instalaţia de fuziune este o tehnologie bazată pe fuziunea nucleară în locul 
fisiunii nucleare.
Există şi alte instalaţii în care au loc reacţii nucleare într-o manieră 
controlată, incluzând generatoarele termoelectrice radioizotope şi bateriile 
atomice,  care  generează  căldură  şi  putere  exploatând  dezintegrările 
radioactive pasive, cum ar fi, de exemplu, instalaţiile Farnswoth-Hirsch de 
producere a radiaţiilor neutronice.
3 Peste tot în această lucrare, prin sintagma reactor nuclear s-a făcut referinţă exclusiv la 
reactorul nuclear de fisiune.
- 52 -
REACTORUL NUCLEAR DE FISIUNE
Aplicaţii
•
În centrale nucleare, pentru:
-
obţinerea căldurii şi generarea de electricitate;
-
obţinerea  de  căldură  pentru  încălzire  domestică  şi 
industrială;
-
producţie de hidrogen;
-
desalinare;
•
În propulsie nucleară şi anume:
-
propulsie nucleară marină;
-
propuneri pentru rachete propulsate termonuclear;
-
propuneri pentru rachete propulsate prin puls nuclear;
•
În transmutaţie de elemente, pentru:
-
producţia  de plutoniu,  adesea  pentru  utilizarea  în  arme 
nucleare;
-
obţinerea  diverşilor  izotopi  radioactivi,  cum  ar  fi 
americiu pentru detectorii de fum, respectiv 60Co, 99Mo şi 
alţii, folosiţi în medicină;
•
În cercetare, incluzând:
-
asigurarea unei surse de radiaţie cu neutroni şi pozitroni, 
de exemplu, pentru „Analiza cu activare neutronică” şi 
„Datarea cu potasiu-argon”;
-
dezvoltarea de tehnologii neclare.
Tipuri de reactoare
Deşi  s-au  dezvoltat  diferite  tehnologii  de  realizare  a  reactoarele 
nucleare de fisiune, acestea pot fi împărţite riguros în două clase, depinzând 
de energia neutronilor utilizaţi pentru a întreţine reacţia de fisiune în lanţ:
• Reactoarele termice (lente)
Folosesc  neutroni  termici.  Acestea  sunt  caracterizate  ca  având 
materiale  de moderare  ce sunt  destinate  încetinirii  neutronilor  până când 
aceştia ajung la nivelul mediu al energiei cinetice al particulelor din mediul 
- 53 -