– 2008 ––

Cuprins :

1. Detecţia Radiaţiilor Nucleare....................................................3

2. Descoperirea Radioactivităţii................................................... 4

3. Radioactivitatea Naturala..........................................................6

4. Radioactivitatea Artificiala..................................................... 7Dezintegrarea Nucleelor

5. Istoria Consumului de Energie................................................. 8

6. Începutul erei Atomice........................................................ 9-10Fisiunea Nucleara

Fuziunea Nucleara

7. Reactorul Nuclear.................................................................... 11

8. Întrebuinţări ale energiei nucleare........................................... 12

9. Pro si Contra Energiei Nucleare...............................................13Bomba Atomica

10. Efectele Biologice ale Radiaţiilor – Radioprotecţia..................17

11. Acceleratoare de Particule....................................................28-29 Clasificarea Acceleratoarelor Principii de Accelerare Ciclotronul Betatronul

12. Efectul de Stricţiune (Pinch)......................................................32

13. Descărcări Toroidale..................................................................34 Stellaratorul

2

Detecţia radiaţiilor nucleare

Detectoarele de radiaţii nucleare sunt instrumente complexe folosite la determinarea cantităţii de radiaţie, tipului de radiaţii dintr-un mediu si a unor caracteristici ale acestora (energie, masa, sarcina).

Detectoarele de radiaţii nucleare sunt alcătuite , in principiu , din :- corpul de detecţie (o substanţa care sub acţiunea radiaţiilor nucleare

produce efecte caracteristice),- sistemul de înregistrare (dispozitiv, uneori foarte complex, care permite

evidenţierea caracteristicilor radiaţiilor nucleare : număr, energie, sarcina etc.).

Clasificarea detectoarelor de radiaţii nucleare

Detectoare bazate pe:

A. ionizarea in gaz: contorul Geiger-Muller, camera de ionizare;B. apariţia scintilaţiilor: spintariscopul, detectorul cu scintilaţieC. formarea de perechi electron-gol in cristale SC: detectoarele cu

semiconductoare;D. efectul fotochimic al radiaţiei: emulsia nucleara;E. revenirea mediului la starea normala in vecinătatea ionilor formaţi in

lungul traiectoriei unei particule rapide, încărcate electric, intr-un gaz sau lichid aflate intr-o stare metastabila: camera cu ceata, camera cu bule.

Exemple de detectoare de radiaţii nucleare

- camera cu ceata (Wilson): particulele ionizate pătrund intr-o incinta in care atmosfera este suprasaturata cu vapori (pompa pe care o observaţi in fotografie răceşte adiabatic gazul din incinta si transforma vaporii de alcool in vapori suprasaturaţi); prin condensare se formează picaturi fine de lichid, vizibile cu ochiul liber, care arata traiectoria particulelor;

- contorul Geiger-Muller: este alcătuit dintr-o incinta cilindrica etanşa, un electrod central sub forma unui fir subţire (conectat la un potenţial pozitiv ridicat) si un electrod cilindric (depus chiar pe peretele interior al incintei) legat la masa printr-un rezistor cu rezistenta mare; in interior se afla neom sau argon si un halogen gazos; trecerea unei particule ionizate prin contor determina

3

apariţia unei descărcări, amplificata de faptul ca electronii generaţi după primele ionizări sunt puternic accelerate spre electrodul central filiform si produc noi ionizări, astfel încât se generează o avalanşa.

Pulsul de tensiune apărut pe rezistorul din circuit este înregistrat si poate fi numărat (daca se ataşează dispozitivului un numărător).Pana la stingerea descărcării, contorul nu mai poate înregistra o noua particular.

Scurt Istoric

Henri Antoine Becqurel, savant fizician francez, s-a născut in anul 1852, intr-o familie de fizicieni cunoscuţi. Preocupat foarte mult de probleme de fizica, in special de problema fluorescentei, Becquerel a acordat un deosebit interes descoperirii de către Roentgen a radiaţiilor X, fapt care l-a condus in cele din urma la descoperirea fenomenului radioactivităţii. Importanta acestei descoperiri este relevata de cuvintele marelui savant Albert Einstein : “Fenomenul radioactivităţii este forţa cea mai revoluţionara a progresului tehnic, de la descoperirea focului de către omul preistoric si pana astăzi”.

Descoperirea radioactivităţii

Becquerel, in timpul cercetărilor sale găseşte nişte probe de mineral fluorescent(pehblenda) aşezat pe placi fotografice, dar care nu fuseseră expuse încă la soare. Din curiozitate , el cere ca acestea sa fie developate si descoperă ca mineralul înnegrise si de data aceasta placa fotografica. Deci , pehblenda emitea radiaţii fără ca ea sa fie expusa la lumina soarelui. Repetând experienţa, faptul s-a confirmat : pehblenda emitea in mod natural radiaţii invizibile, care impresionează placa fotografica întocmai ca radiaţiile X ; cercetările ulterioare au arata insa ca ele erau de alta natura, provenind chiar din nucleele unor atomi ai minereului. Becquerel descoperise radioactivitatea. Aceasta descoperire, datorita unei întâmplări s-a dovedit mai târziu a avea o importanta covârşitoare, constituind punctul de plecare pentru o serie de cercetări teoretice si realizări practice care au dus la rezolvarea importantei probleme a eliberării energiei enorme conţinute in nucleele atomilor.

Pehblenda fiind un material constituit dintr-un amestec complex de săruri, se punea problema separării elementului radioactiv. Curând după descoperirea lui Becqurel, doi chimişti francezi, Marie si Pierre Curie, au meritul de a fi separat pentru prima data componenţii determinanţi ai radioactivităţii pehblendei. Studiind împreuna obţinerea de uraniu pur din minereuri, soţii Curie descoperă doua noi elemente radioactive, si anume poloniul si radiul. Au urmat patru ani de munca intensa, in condiţii improprii si dăunătoare sănătăţii lor, in

4

urma cărora, prelucrând tone de minereu au obţinut primul decigram de radiu pur. In anul 1903 li s-a decernat soţilor Curie premiul Nobel pentru fizica.

Soţii Curie precum si fizicianul Ernest Rutheford si francezul Paul-Ulrich Willard au analizat mai profund natura acestor radiaţii si au ajuns la rezultate foarte interesante, care au reprezentat un pas enorm in lupta pentru cunoaşterea constituţiei atomului.

Marie si Pierre Curie sunt un exemplu de oameni de ştiinţa care cu abnegaţie au pus toata ştiinţa si munca lor in slujba progresului omenirii. Perfect conştient de pericolul ce l-ar fi reprezentat folosirea radioactivităţii in detrimentul comunităţii, Pierre Curie socotea cu optimism ca : “Noile descoperiri vor aduce omenirii mai mult bine decât rău”, fiind ferm convins ca aceasta nu depinde decât de oameni si de modul in care vor fi utilizate toate aceste descoperiri.

Experienţa făcuta de Rutheford prin care obţinuse prima transmutaţie artificiala a fost atât de senzaţionala încât mulţi fizicieni din toate tarile s-au preocupat de aceasta problema, folosind particulele alfa ca proiectile, cu care bombardau atomii diverselor elemente chimice. Urmărind mai departe aceste experienţe, doi fizicieni francezi, Frederic Joliot-Curie si soţia sa Irene studiau efectul particulelor alfa emise de poloniul radioactiv asupra unor elemente chimice. Ei păstrau intr-un vas de aluminiu, sarea de poloniu pe care o foloseau. Se ştie ca aluminiul retine cu uşurinţa particulele alfa, totuşi au observat ca in afara vasului existau radiaţii care influenţau aparatele de măsura pe care le foloseau. Analizând radiaţiile acestea, soţii Joliot-Curie au constatat ca ele sunt compuse din neutroni si pozitroni(electroni pozitivi). In cazul in care din cutia de aluminiu se scotea sarea de poloniu, deşi sursa de radiaţii alfa, emisia de neutroni înceta, cutia de aluminiu emitea in continuare pozitroni. Studierea fenomenului a arătat ca prin bombardarea nucleului de aluminiu cu particule alfa, acesta absoarbe doi protoni si doi neutroni, un neutron fiind expulzat. Se formează un nucleu al cărui element care are deci doi protoni si un neutron mai mult decât cel al aluminiului : un nucleu de fosfor cu masa 30 si sarcina 15. Energia acestui nucleu fiind prea mare, el este instabil si emite particule pozitive, trecând cu timpul in elementul siliciu radioactiv cu masa 30 si sarcina 14.

După obţinerea de către Joliot-Curie a primului element radioactiv artificial, siliciul 30, ceea ce a constituit descoperirea radioactivităţii artificiale, a urmat prepararea de către diverşi cercetători a unei serii întregi de radioizotopi artificiali, astăzi fiind cunoscuţi radioizotopi aproape ai tuturor elementelor chimice.

O particularitate a nucleelor unor izotopi radioactivi artificiali o constituie un fenomen care a părut curios la început. In loc sa se observe o emisie gama la unele nuclee cu exces de energie, se observa o emisie de electroni însoţita de o radiaţie roentgen. Fenomenul a fost cercetat si explicat prin aceea ca, la unele nuclee mai grele ce se formează, energia excedentara, in loc sa fie emisa ca

5

radiaţii gama, este transmisa unui electron din primul strat, ce este proiectat in afara atomului. In urma acestui fapt, straturile de electroni se rearanjează, dând naştere radiaţiei roengen. Fenomenul este cunoscut sub denumirea de conversie interna.

Radioactivitatea naturala

Aşa cum s-a arătat, procesul de dezintegrare radioactiva a fost pus in evidenta mai întâi la elementele naturale radioactive.

Radioactivitatea naturala a fost definitiv stabilita la toate elementele care au Z>83. Acestea aparţin unei serii de elemente radioactive care formează o familie radioactiva. Una dintre aceste serii este aceea a uraniului in care capul seriei este 238U.

O alta serie radioactiva naturala este aceea a toriului, care are capul seriei 238Th(1.39*1010ani) si este cunoscuta ca satisfăcând o relaţie de tip 4n. Produsul final stabil este 208Pb.

O a-3-a serie are ca element iniţial părinte 238U(7.1*108ani)si, după o serie de transmutaţii succesive ca in cazurile precedente, se determina cu izotopul stabil al plumbului 207Pb. Aceasta serie satisface relaţia 4n+3.

In cadrul celor trei serii radioactive exista asemănări interesante. Fiecare are cate un descendent, gazul radioactiv(emanaţia) :radon, thoron, actinon. Descendenţii gazoşi radioactivi au permis stabilirea celorlalţi membrii ai seriei.

O data cu perfecţionarea mijloacelor de detecţie a radiaţiilor, s-au găsit si alte radioactivităţii naturale, fără sa mai apară insa ultimele serii ca in cazurile anterioare.

In ultima alternativa, elementele radioactive naturale formează o singura transmutaţie prin care izotopul radioactiv se dezactivează la un nucleu instabil.

Printre izotopii radioactivi ai elementelor care se găsesc in natura amintim :

40K(0.012% ; 1.2*109, beta ; CE)87Rb(27.8%; 6.2*1010ani; beta)147Sm(15.1%; 1.3*1011ani;alfa)115In(95.8%; 6.0*1014ani; beta)190Pt(0.012% ;1012ani; alfa)

In paranteza s-a notat abundenta in %(conţinutul de izotop in element al sau), timpul si emisia(captura electronica, K).

Numărul elementelor radioactive naturale este mult mai mare, insa descoperirea lor este lenta datorita aparaturii de detecţie cu capacităţi reduse.

6

Radioactivitatea artificiala

Pana in 1934 numai elementele radioactive naturale erau cunoscute, insa in anul 1934, Irene si Frederic Joliot au arătat ca aluminiul si magneziul pot deveni radioactive daca sunt bombardate cu particule alfa de la poloniu. După aceasta descoperire, a radioactivităţii induse pe o cale artificiala, s-a pus problema utilizării unor resurse de particule alfa mai energice ţinând seama de bariera de potenţial a nucleelor. Astfel s-au construit acceleratoarele. După descoperirea neutronului, s-a stabilit eficacitatea deosebita a acestuia(in special a neutronului lent) de a produce izotopi radioactivi, respectiv radioactivitatea artificiala. Neutronul prezintă avantajul ca nu are sarcina, deci poate sa pătrundă cu uşurinţa in nucleul ţinta. O data cu folosirea surselor de neutroni ca particule bombardate, numărul izotopilor radioactivi obţinuţi pe cale artificiala a crescut enorm(la 36) Actualmente, radioactivitatea artificiala, respectiv izotopii radioactivi sunt produşi prin bombardarea cu particule cu sarcina, obţinute cu ajutorul acceleratoarelor la energii convenabile, sau cu neutroni, de cele mai multe ori in reactorul nuclear. Acesta din urma este sursa principala de izotopi radioactivi. I ambele cazuri, izotopul radioactiv este produs printr-o reacţie nucleara.

Radiaţia artificiala este folosita in multe ramuri ale activităţii omeneşti. De exemplu, în industrie este folosita pentru controlul proceselor şi a calităţii produselor, iar in scop de studiu, este folosita in institute de cercetare şi învăţământ superior.

Dezintegrarea nucleelor

După ce Becquerel face observaţia ca sărurile de uraniu emit o radiaţie invizibila care trece prin hârtie, lemn, sticla etc., iar mai apoi înnegreşte hârtia fotografica, urmează descoperirea radioactivităţii, soţii Curie observând o comportare similara la săruri ale toriului. Ei separa radiul din U3O8. Proprietăţile radiaţiilor emise sunt studiate de Rutheford, Curie, Bragg, iar mai târziu, prin separări chimice, se stabileşte si comportarea izotopilor rezultaţi. Astfel s-a ajuns la definitivarea unei teorii privind radioactivitatea unor izotopi ai uraniului si toriului, ai descendenţilor acestora, care de asemenea sunt produse radioactive, adică emit si ele radiaţii, fie ele de natura corpusculara(alfa, beta), fie de natura electromagnetica(gama). Totodată Soddy emite legea de deplasare prin care se prevede descendentul rezultat in urma emisiei unei radiaţii nucleare.

Studiile respective au relevat ca radiaţia emisa are ca origine nucleul atomului si ca in urma dezactivării, nucleul îşi schimba conţinutul energetic trecând de pe un nivel energetic superior pe altul inferior.

Ca o concluzie a celor enunţate se poate spune ca, prin dezintegrare, nucleul inutila va trece in alt nucleu(adică emite radiaţii corpusculare) sau daca trece in izomerul sau se va afla pe un nivel energetic inferior.

7

Procesul prin care se face aceasta dezactivare se numeşte dezintegrare radioactiva, radioactivitatea fiind proprietatea unor nuclee de a emite radiaţii nucleare.

Felul in care are loc acesta dezintegrare variază de la un izotop la altul. Astfel s-a observat ca unii izotopi proaspăt separaţi pe cale chimica se dezintegrează foarte repede(234Pa), iar după cca. 10 minute nu se mai poate decela radioactivitate, in timp ce 238U, cu o viteza de dezintegrare mult mai mica, practic îşi menţine greutatea.

Studierea fenomenului in sine a dus la concluzia ca procesul de dezintegrare se supune calculului probabilităţilor.

Fiecare nucleu are o viata a sa si deci o probabilitate de a se dezintegra. Aceasta probabilitate nu depinde de modul in care a apărut nucleul si nici nu poate fi influenţata in prezent de orice mijloc s-ar folosi(presiune, temperatura, reactiv chimic etc.). Singurul factor care-l influenţează este timpul. Se poate astfel atribui o constanta de dezintegrare care indica numărul de nuclee dezintegrate in unitatea de timp. Istoria consumului de energie

Unica sursa de energie care a alimentat civilizaţia noastră pana in acest secol a fost energia solara , înmagazinata sub forma de energie chimica , prin procesul de fotosinteza , in surse regenerative (lemnul, apele , vântul) sau in combustibili fosili (cărbune , petrol , gaze) a căror constanta de formare este de ordinul milioanelor de ani.Am putea spune , fără sa greşim prea mult , ca , sub aspect energetic am fost “sclavii Soarelui” si nu este de mirare ca popoarele din antichitate au făcut din Soare unul dintre principalii zei ai religiilor primitive . Una dintre problemele principale, de a cărei soluţionare depinde dezvoltarea civilizaţiei noastre , problema care a revenit pe I plan al preocupărilor din ultimii ani , este asigurarea cu energia necesara dezvoltării activităţilor de baza care condiţionează evoluţia progresiva a nivelului de trai al populaţiei globului terestru. Cantitatea de energie consumata de omenire a crescut , din epoca primitiva pana acum , de 2,5 milioane de ori .Este evident ca o astfel de creştere , nu poate fi nu poate sa nu conducă la o problema a energiei necesare pentru dezvoltarea viitoare a omeniri .

Începutul erei atomice

După cum am spus pana nu demult am fost “sclavii soarelui” ,dar primul pas către dezrobirea fost făcut de fizicianul Becqerel pe 26 feb. 1898 când acesta a lăsat câteva placi fotografice ferite de lumina , in apropierea unui minereu de uraniu . developându-le le descoperă înnegrite, ca si când ar fi fost expuse la lumina De aici, el a tras concluzia ca minereul de uraniu emite radiaţii

8

necunoscute. De aceea fizicienii francezi Marie Curie si Pierre Curie si-au dedicat mulţi ani cercetării radiaţiilor radioactive . Împreuna, aceşti 3 cercetători au primit premiul Nobel pentru fizica in 1903. Identificarea si cercetarea acestor radiaţii începe sa-i pasioneze pe cercetători.Aşa ca la începutul secolului nostru Rutheford si elevii lui , Chadwick, Cockfroft si Walton au investigat proprietăţile nucleelor cu ajutorul unor particule accelerate artificial la energii cinetice mai mari decât cele ale radiaţiilor, emise de substanţe radioactive.  Fuziunea sta la baza obţinerii energiei nucleare. Acest proces consta in absorbirea unui neutron de către un nucleu atomic de dimensiuni mari cum este cel de uraniu, care va deveni astfel instabil. El se va sparge in mai multe fragmente, cu degajare mare de energie termica, ceea ce accelerează puternic fragmentele rezultate, care ating viteze foarte mari. Datorita vitezei lor mari, aceste fragmente, in urma fisiunii pot pătrunde, la rândul lor in alţi atomi, unde provoacă alte fisiuni.

Fisiunea nucleară

Fisiunea se face prin absorbţia unui neutron de un nucleu greu de uraniu

235, în urma reacţiei rezultând cesiu 140, rubidiu 93, 3 neutroni şi 200 MeV sau 7.7x10-12 calorii. În cadrul unei reacţii de fisiune nucleară este eliberată o cantitate de energie de 10 milioane de ori mai mare decât în cazul unei reacţii chimice obişnuite. Energia eliberată de cantitatea de 1 Kg de uraniu 235 este de 18.7 milioane Kwh de căldură. Neutronii eliberaţi în urma reacţiei reacţionează cu alte nuclee de uraniu, în urma reacţiei neutronii înmulţindu-se. În urma acestui proces se formează o reacţie susţinută sau o reacţie în lanţ care duce la o eliberarea continuă de energie. În mod natural uraniul conţine 0,71 % uraniu 235, restul fiind uraniu 238. O masă de uraniu natural, oricât de mare, nu poate susţine o reacţie în lanţ din cauza faptului că numai uraniul 235 produce uşor fisiunea. Probabilitatea ca un neutron cu o energie de aproximativ 1 MeV să producă fisiune este scăzută, dar probabilitatea poate fi crescută de sute de ori când neutronul este încetinit printr-o serie de coliziuni elastice cu nuclee uşoare ca hidrogen deuteriu sau carbon.

În decembrie 1942 fizicianul italian Enrico Fermi a reuşit să producă prima reacţie nucleară în lanţ la Universitatea din Chicago. Acest lucru a fost reuşit printr-o combinaţie de uraniu natural şi grafit natural, acesta având rolul de a încetini neutronii.

9

Energia nucleară se poate obţine prin fuziunea a doi nuclei uşori în unul mai greu. Energia dată de stele şi de soare provine din reacţii nucleare de fuziune din interiorul lor. În prezenţa unei presiuni enorme şi a unei temperaturi de peste 15 milioane ° C ce este în stele, nucleul de hidrogen se combină ca în ecuaţia de mai jos, dând naştere la majoritatea energiei degajată de soare.

Fuziunea Nucleară

Fuziunea nucleară a fost realizată pentru prima dată prin anii 1930 prin bombardarea unei ţinte conţinând deuteriu, izotopul hidrogenului cu masa 2, cu deuteroni într-un ciclotron. Pentru a accelera raza de deuteroni este necesară folosirea unei imense cantităţi de energie, marea majoritate transformându-se în căldură. Din această cauză fuziunea nu este o cale eficientă de a produce energie. În anii 1950 prima demonstraţie la scară largă a eliberării unei cantităţi mari de energie în urma fuziunii, necontrolată a fost făcută cu ajutorul armelor termonucleare în SUA, URSS, Marea Britanie şi Franţa. Această experienţă a fost foarte scurtă şi nu a putut fi folosită la producerea de energie electrică.

În cadrul fisiunii, neutronul, care nu are sarcină electrică poate interacţiona uşor cu nucleul, în cazul fuziunii, nucleele au amândouă sarcină pozitivă şi în mod natural nu pot interacţiona pentru că se resping conform legii lui Coulomb, lucru care trebuie contacarat. Acest lucru se poate face când temperatura gazului este suficient de mare 50-100 milioane ° C. Într-un gaz de hidrogen greu izotopii deuteriu şi tritiu la aşa temperaturi are loc fuziunea nucleară, eliberându-se aproximativ 17,6 MeV pe element de fuziune.

Energia apare la început ca energie cinetică a lui heliu 4, dar este

transformată repede în căldură. Dacă densitatea de gaz este suficientă, la aceste temperaturi trebuie să fie de 10-5 atm, aproape vid, energia nucleului de heliu 4 poate fi transferată gazului de hidrogen, menţinându-se temperatura înaltă şi realizându-se o reacţie în lanţ.

Problema de bază în atingerea fuziunii nucleare este căldura gazului şi existenţa unei cantităţi suficiente de nuclee pentru un timp îndelungat pentru a permite eliberarea unei energii suficiente pentru a încălzi gazul. O altă problemă este captarea energiei şi convertirea în energie electrică. La o temperatură de 100.000 ° C toţi atomii de hidrogen sunt ionizaţi, gazul fiind compus din nuclee încărcate pozitiv şi electroni liberi încărcaţi negativ, stare numită plasmă.

10

Plasma caldă pentru fuziune nu se poate obţine din materiale obişnuite. Plasma s-ar răci foarte repede, şi pereţii vasului ar fi distruşi de căldură. Dar plasma poate fi controlată cu ajutorul magneţilor urmând liniile de câmp magnetic stând departe de pereţi.

În 1980 a fost realizat un astfel de dispozitiv, în timpul fuziunii temperatura fiind de 3 ori mai mare ca a soarelui.

O altă cale posibilă de urmat este de a produce fiziune din deuteriu şi tritiu pus într-o sferă mică de sticlă care să fie bombardată din mai multe locuri cu un laser pulsând sau cu raze ionice grele. Acest procedeu produce o implozie a sferei de sticlă, producându-se o reacţie termonucleară care aprinde carburantul.

Progresul în fuziunea nucleară este promiţător dar înfăptuirea de sisteme practice de creare stabile de reacţie de fuziune care să producă mai multă energie decât consumă va mai lua ceva decenii pentru realizare. Activitatea de experimentare este scumpă. Totuşi unele progrese sau obţinut în 1991 când o cantitate importantă de energie (1,7 milioane W) a fost produsă cu ajutorul reacţie de fuziune controlată în Laboratoarele JET din Finlanda. În 1993 cercetătorii de la Universitatea din Princeton au obţinut 5.6 milioane W. În ambele cazuri s-a consumat mai multă energie decât s-a creat.

Dacă reacţia de fiziune devine practică oferă o serie de avantaje: o sursă de deuteriu aproape infinită din oceane, imposibilitatea de a produce accidente din cauza cantităţii mici de carburant, reziduurile nucleare sunt mai puţin radioactive şi mai simplu de manipulat.

Reactorul Nuclear

Transmutaţiile radioactive naturale precum si reacţii nucleare produse artificial, prin reacţii de fisiune nucleara au ca rezultat, degajarea unor mari cantităţi de energie pe unitatea de masa a substanţei cu care reacţionează. Posibilitatea utilizării energiei nucleare s-a realizat o data cu descoperirea fisiunii nucleare si procedeul obţinerii reacţiei in lanţ. Reacţia nucleara continua si reglabila se realizează in rectori nucleari (pilele atomice).In reactoare se utilizează uraniu 235

92U. Condiţia necesara pentru decurgerea reacţiei nucleare in lanţ este masa suficienta de uraniu din reactor. Neutronii care se formează in procesul reacţiei nucleare, pot ieşi prin suprafaţa uraniului afara si participa la dezvoltarea reacţiei in lanţ.Pentru ca fracţiunea de aceşti neutroni sa fie mica, in comparaţie cu volumul lui, trebuie ca masa uraniului din reactor sa fie suficient de mare si sa depăşească o anumita masa critica. Pe de alta parte, pentru ca reacţia sa nu decurgă prea violent, trebuie reglat numărul de neutroni, nepermitandu-I să crească prea mult. Aceasta se realizează printr-o absorbţie a neutronilor termici excedentari cu ajutorul unor elemente ca borul (B) si cadmiul (Cd).

11

Un reactor nuclear este alcătuit din:

- spaţiul in care sunt aşezate blocurile de uraniu (23592U) si de moderatori (de

obicei, grafit) A; - reflectorul de neutroni care au părăsit spaţiul in care se desfăşoară reacţia B; - strat de protecţie care protejează spaţiul înconjurător de acţiunea radiaţiilor emise in timpul desfăşurării reacţiei nucleare C; - bare de cadmiu (Cd) sau bor (B) D si E care sunt introduse in volumul A si încetinesc reacţia de fisiune nucleara. Introducerea barelor se face in mod automat, imediat ce puterea reacţiei nucleare depăşeşte o anumita limita. Apa este folosita pentru răcirea blocurilor de uraniu, iar aburul rezultat din fierberea apei pune in mişcare turbina unui generator electric care produce energie electrica.Aceasta ar fi un aspect al obţinerii energiei in reactoarele nucleare, dar cel mai trist aspect îl constituie problema deşeurilor nucleare radioactive si stocarea lor.

Întrebuinţări ale energiei nucleare

In 1990 existau 435 de centrale nucleare operaţionale acoperind 1% din necesarul energetic mondial. Intr-un reactor nuclear se obţine căldura prin dezintegrarea atomilor radioactivi de uraniu-235. Aceasta este folosita pentru a produce abur care pune in mişcare rotorul turbinelor, generând electricitate.U-235 este un izotop relativ rar al uraniului, reprezentând doar 7% din cantitatea totala de uraniu disponibil. Restul este izotopul U-238. Un izotop este o forma a unui element identica chimic cu alţi izotopi, dar cu masa atomica diferita. La fel ca si combustibilii fosili, U-235 nu va dura o veşnicie. Exista un anumit tip de reactor, numit reactor de “creştere”, care transforma U-238 intr-un alt element radioactiv, plutoniu-239. Pu-239 poate fi utilizat pentru a genera căldura. Pana acum doar sase tari au construit astfel de centrale experimentale. Dintre acestea, reactorul

12

nuclear Phoenix are cel mai mare succes. Daca acest tip de reactoare ar deveni uzuale, rezervele mondiale de uraniu ar ajunge mii de ani.

Pro si contra energiei nucleare

Energia nucleara prezintă numeroase avantaje. Este economica: o tona de U-235 produce mai multa energie decât 12 milioane de barili de petrol. Este curata in timpul folosirii si nu poluează atmosfera. Din păcate exista si câteva dezavantaje. Centralele nucleare sunt foarte scumpe. Produc deşeuri radioactive care trebuie sa fie depozitate sute de ani înainte de a deveni inofensive. Un accident nuclear, ca cel produs in1986 la centrala nucleara de la Cernobal, in Ucraina, poate polua zone întinse si poate produce îmbolnăvirea sau chiar moartea a sute de persoane.Cercetările se îndreaptă către descoperirea de noi surse inepuizabile de energie. Unele dintre ele sunt deja utilizate.Energia eoliana (a vântului) a fost folosita de sute de ani la propulsia corabiilor si la acţionarea morilor de vânt. Turbinele eoliene moderne au fost construite sa poată genera electricitate. Doar in California se găsesc 15000 de asemenea turbine. Oamenii de ştiinţa din SUA au calculat ca întreaga cantitate de energie ar putea fi generata de vânt. Energia solara este data de căldura soarelui. Captatoarele solare sub forma unor panouri pot acoperi necesarul energetic al unei case. Celulele de combustie, realizate din siliciu, sunt utilizate pentru producerea energiei in spaţiul cosmic.

Bomba atomica

In anul 1945, principiul fisiunii nucleare a fost folosit si la un dispozitiv de o cu totul alta natura: bomba atomica. In acest caz, reacţia de fisiune nu este încetinita; ea se amplifica si are loc cu degajare uriaşa de energie. Potenţialul acestei arme a fost conştientizat atunci când pe data de 6 august 1945, a fost lansata asupra Hiroshimei bomba atomica supranumita si “Little boy”. O gigantica sfera de foc a început sa se răspândească din punctul iniţial al exploziei. Intr-o clipa au fost ucişi 66 000 de oameni, iar alţi 69 000 au fost răniţi. Pe o zona cu o raza de un kilometru de la locul exploziei, distrugerea a fost totala, Tot ce putea arde pe o raza de mai puţin de 2 kilometri, a ars. Suflul exploziei a făcut pagube majore si la 3 kilometri de locul exploziei. Trei zile mai târziu, pe 9 august 1945, deasupra oraşului japonez Nagasaki a fost detonata o bomba cu plutoniu, supranumita “Fat guy). 39 000 de oameni au fost ucişi, iar alţi 25 000 răniţi. De atunci nu s-a mai folosit niciodată o bomba atomica împotriva oamenilor.

13

Vreme de decenii, radiaţiile ionizate au constituit doar o curiozitate de laborator, cunoscută numai câtorva iniţiaţi. Descoperirea radioactivităţii artificiale şi apoi aceea a fisiunii uraniului, în deceniul al patrulea al acestui secol, au dat un puternic imbold cercetărilor de fizică nucleară. Pentru marele public, energia nucleară a ieşit însă din anonimat abia după aruncarea celor două bombe atomice în 1945 asupra Japoniei.

Construirea rectorilor nucleari şi posibilitatea de a utiliza aceste instalaţii pentru a produce energie electrică în cantitate mare, au transferat apoi problema cercetării radiaţiilor, şi odată cu aceasta şi problema protecţie contra radiaţiilor, în plin domeniu industria şi economic.

Creşterea necontenită a numărului de reactori nucleari şi a puterii acestora necesită aplicarea unor măsuri de securitate pentru a evita eventualele accidente şi consecinţele lor ca de exemplu cel de la Windscale, Anglia în octombrie 1957 când au fost eliminate în mod accidental în atmosferă importante substanţe radioactive care au produs contaminarea solului, a producţiei agricole şi a apei potabile din întreaga regiune.

Prin poluare, sau contaminare, radioactiva, se înţelege prezenţa nedorită sau accidentală, a materialelor radioactive, în interiorul sau la suprafaţa unor factori de mediu (cum sunt apa, aerul, alimentele) sau în organisme vii situaţie în care se depăşeşte conţinutul radioactiv natural propriu al produsului respectiv.

Una din principalele surse de poluare radioactivă a globului pământesc îşi avea provenienţa în exploziile nucleare din atmosferă.

Dacă la 16 iulie 1945 în deşertul Alamogordo, statul New Mexico a avut loc prima explozie experimentală a unei bombe atomice lucrurile nu s-au oprit aici şi la 6 august 1945 ora 8:15 la Hiroshima în Japonia explodează prima bombă aruncată asupra populaţiei, ca măsură militară de distrugere, pentru ca în 9 august 1945 să explodeze cea de-a doua bombă atomică la Nagasaki. În urma acestor două explozii bilanţul a fost:

Hiroshima NagasakiMorţi 78.150 23.753Dispăruţi 13.983 2.924Răniţi 37.425 23.345Atinşi de arsuri 235.650 89.025

În 1956 existau în evidenţa spitalelor 6000 de bolnavi la Hiroshima şi 3000 de bolnavi la Nagasaki cu sechele după iradiere, care necesitau diferite tratamente, la momentul actual în lume existând aproximativ 300000 de persoane ca victime ale exploziilor nucleare.

La 22 ianuarie 1954 marinarii vasului “Fukuriumarii no.5” au sesizat un fenomen neobişnuit, globul de foc al exploziei termonucleare de pe atolul

14

Bikini. Drept urmare toţi membrii echipajului şi peştele prins au fost afectaţi de cenuşa radioactivă atât la suprafaţă cât şi în interiorul organismului.

Altă urmare a acestei explozii a fost căderea ploilor radioactive în luna mai a aceluiaşi an, radioactivitatea menţinându-se la un nivel măsurabil până în septembrie1954.

Imediat după 1954 L. Pauling a demonstrat că izotopul C14 apare în mod artificial cu o frecvenţă crescândă, depunându-se pe sol. Tot el a atras atenţia asupra prezenţei izotopului Sr90 în depunerile atmosferice de pe teritoriul S.U.A.

Poluarea radioactivă a atras atenţia pentru prima oară în mod deosebit în anul 1965 la Salt Lake City în Statele Unite ale Americii, când nouă adolescenţi au fost internaţi în spital datorită unor noduli anormali ai glandei tiroide. Anchetarea cazurilor a condus la constatarea că aceşti copii, cu 15 ani în urmă (1950), au suferit consecinţele unor depuneri atmosferice radioactive provenite de la poligonul din Nevada, aceste depuneri conţinând izotopul I-131.

Studii recente au arătat că datorită tuturor cauzelor de poluare radioactivă, doza de radiaţii pe cap de locuitor a crescut în ultimii 20 de ani de 5 până la 10 ori.

Iradierea îndelungată, chiar cu doze mici, poate produce leucopenii, la malformaţii congenitale, pe când iradierea cu doze mari duce la accentuarea leucopeniei, la eriteme, la hemoragii interne, căderea părului, sterilitatea completă iar în cazurile extreme produce moartea.

Printre principalele surse de poluare radioactivă se numără:a) Utilizarea practică în industrie, medicină, cercetare a diferitelor surse de

radiaţii nucleare, care, ca materiale radioactive, se pot răspândi necontrolate în mediu

b) Exploatări miniere radioactive, la extragere, prelucrare primară, transport şi depozitare, pot contamina aerul, prin gaze şi aerosoli, precum şi apa prin procesul de spălare

c) Metalurgia uraniului sau a altor metale radioactive şi fabricarea combustibilului nuclear, care prin prelucrări mecanice, fizice, chimice, poate cuprinde în cadrul procesului tehnologic şi produşi reziduali gazoşi, lichizi sau solizi stocarea, transportul eventual evacuarea lor pot determina contaminarea mediului

d) Instalaţiile de rafinare şi de retratare a combustibilului nucleare) Reactorii nucleari experimentali sau de cercetare, în care se pot produce

industrial noi materiale radioactive f) Centralele nuclearoelectrice care poluează mai puţin în cursul exploatării

lor corecte, dar mult mai accentuat în cazul unui accident nuclearg) Exploziile nucleare experimentale, efectuate îndeosebi în aer sau în apă

şi subteran, pot contamina vecinătatea poligonului cât şi întregul glob, prin depunerea prafului şi aerosolilor radioactivi, generaţi de către ciuperca exploziei

15

h) Accidentele în transportul aerian, maritim, feroviar sau rutier a celor mai felurite materiale radioactive.

Principalele elemente ce contribuie la poluarea radioactivă sunt clasificate şi după gradul de radioactivitate după cum urmează:

a) Grupa de radiotoxicitate foarte mare: 90Sr, 226Ra, 210Po, 239Pub) Grupa de radiotoxicitate mare: 45Ca, 89Sr, 140Ba, 131I, U naturalc) Grupa de radiotoxicitate medie: 24Na, 32P, 60Co, 82Br, 204 Tl, 22Na, 42K, 55Fed) Grupa de radiotoxicitate mică: 3H, 14C, 51Cr, 201Tl

Clasificarea efectelor biologice

Efectele somatice bine conturate

Precoce Eritem, leucopenie, epilaţie

Întârziată Cancer de piele, osteosarcom

Efectele somatice stocastice

Precoce Tulburări neuro-vegetative

Întârziată Leucemie, cancer tiroidian

Efecte genetice

Prima generaţie

Malformaţii ereditare şi congenitale; reducerea natalităţii

Generaţiile următoare

Malformaţii recesive, diminuarea capacităţii imunobiologice

Dublarea necesităţilor de energie electrică, la fiecare 12-13 ani, a făcut să crească brusc interesul pentru reactorii nucleari, impunând dezvoltarea centralelor nuclearoelectrice, creştere competitivităţii energiei electrice de origine nucleară şi ridicarea continuă a performanţelor atinse de reactorii acestor centrale, ca temperatura şi presiunea agentului transportor de căldură, a puterii instalate pe unitatea de masă a zonei active a reactorului. Însă fără măsuri de radioprotecţie corespunzătoare, reactorii nucleari pot produce şi:

a) contaminarea parţială a mediului ambiant şi anume- a atmosferei, prin produsele de fisiune volatile ca 131I, 133Xe- a apei folosită ca agent de răcire

16

- a solului din vecinătatea care se contaminează cu produse de fisiuneb) o mare cantitate de deşeuri radioactive, a căror evacuare pune probleme grele

pentru a evita contaminarea mediului în care se face evacuarea.Această sursă de energie - energia nucleară – a fost adusă la cunoştinţă

omenirii prin forţa distructivă şi va fi multă vreme privită cu teamă şi suspiciune, întâmpinând destule obstacole în drumul dezvoltării ei în scopuri paşnice. De aceea se impune familiarizarea maselor largi cu probleme nucleare, întrucât aplicaţiile paşnice ale energiei nucleare se dovedesc esenţiale pentru progresele şi evoluţia societăţii umane.

Efectele biologice ale radiaţiilor - radioprotecţia

„Fără radiaţii nu am fi fost şi nu am putea fi, dar cu prea multe radiaţii nu putem trăi”

Activitatea vitală a tuturor sistemelor organizate biologic şi în special a omului, se desfăşoară într-un univers supus acţiunii unei multiple şi variate game de radiaţii, de la cele sesizabile direct cu simţurile noastre, până la cele sesizabile doar prin intermediul unei aparaturi, uneori foarte complicate.

Mediul înconjurător conţine surse naturale de radiaţii, existente de miliarde de ani pe planeta Pământ încă de la formarea acestuia, însoţind apariţia şi evoluţia vieţuitoarelor, inclusiv a omului. Prin activitatea sa economică şi socială de-a lungul timpului, omul a modificat şi modifică sursele naturale de radiaţii, creând astfel o radioactivitate naturală suplimentară.

Radiaţiile sunt de origine şi natură foarte variate, clasificându-le astfel:

radiaţii electromagnetice, X sau de înaltă frecvenţă, având aceiaşi natură ca lumina

radiaţii corpusculare încărcate electric: , , ioni acceleraţi

radiaţii corpusculare neutre electric: neutroni.

Radiaţiile nucleare pot acţiona asupra organismului în trei moduri: acţiune directă, acţiune indirectă şi acţiune la distanţă.

Prin acţiune directă sunt lezate macromoleculele de mare importanţă, chiar vitală (proteine, acizi nucleici) care suferă transformări datorită ionizării sau excitării directe.

Acţiunea indirectă este datorată elementelor care apar în urma proceselor radiochimice. Mediul principal în care se desfăşoară procesele biologice fiind apa, efectele apar datorită ionizării acesteia (apar ioni sau radicali) care

17

acţionează ca agenţi oxidanţi şi reducători asupra unor componente esenţiale celulare, perturbând funcţionarea normală a acestora.

Efectele biologice care apar în urma iradierii, sunt dependente de: doza de radiaţii şi debitul dozei. Efectele biologice ale radiaţiilor pot fi grupate astfel:

Efecte somatice – care apar la nivelul celulelor somatice şi acţionează asupra fiziologiei individului expus, provocând distrugeri care duc fie la moartea rapidă, fie la reducerea semnificativă a speranţei medii de viaţă. Leziunile somatice apar în timpul vieţii individului iradiat şi pot fi imediate sau tardive – efectele somatice imediate sau pe termen scurt, se manifestă la câteva zile , săptămâni sau luni de la iradiere. Aceste efecte sunt de regulă nestochastice (nealeatorii) adică se produc la toţi indivizii expuşi la o doză superioară dozei de prag. Efectele somatice tardive sunt cele care apar după o perioadă mai lungă de timp, de ordinul anilor, numită perioadă de latenţă şi se manifestă în special sub formă de leucemie sau cancer. Aceste efecte sunt de natură stocastică (întâmplătoare) în sensul că este imposibil de evidenţiat o relaţie cauzală directă – probabilitatea producerii unui efect este proporţională cu doza de iradiere. Efecte genetice – care apar în celulele germinale sexuale din testicule sau ovare – aceste mutaţii letale sau subletale la descendenţi se datorează unor efecte imediate ale radiaţiilor cum ar fi: alterarea cromozomilor (translocaţii, apariţia de extrafragmente) ruperea unor segmente de cromatină, alterarea chimică a codului genetic, fie prin acţiunea radicalilor liberi asupra bazelor azotate ale acizilor nucleici, fie prin ruperea lanţului aceloraşi acizi. Gravitatea efectelor mutagene apare prin transmiterea la descendenţi a unor translocaţii cromozomiale, efect biologic, care apare şi la doze mai mici.

Dozele de radiaţii care pot produce apariţia unui minim de mutaţii într-o generaţie de indivizi, într-un ecosistem, dacă sunt menţinute în permanenţă pot conduce la adevărate catastrofe ecologice în generaţiile următoare.

Dozimetrie si radioprotecţieDozimetria – reprezintă totalitatea metodelor de determinare cantitativă a

dozelor de radiaţii în regiunile în care există sau se presupune că există un câmp de radiaţii, cu scopul de a lua măsuri adecvate pentru protecţia personalului ce îşi desfăşoară activitatea în acea zonă.

Radioprotecţia = totalitatea metodelor şi mijloacelor de reducere a efectelor nocive ale radiaţiilor. Sursele de iradiere pot fi: surse externe – aflate în afara organismului şi surse interne – aflate în interiorul organismului.

Protecţia împotriva efectelor nocive ale radiaţiilor, produse de sursele externe, poare fi:

protecţie fizică – realizată prin mijloace de reducere a dozei de expunere, ca: distanţa, ecranarea, timpul de expunere;

protecţie chimică – prin folosirea unor substanţe chimice (cistamina, gamofos, etc.), care se administrează înainte sau după iradierea persoanei;

18

protecţie biochimică – realizată prin folosirea unor preparate sau macromolecule biologice (sânge, plasmă, etc.) care administrate imediat după iradiere, ajută la refacerea celulară;

protecţie biologică – se realizează prin transplantul de celule viabile în măduvă (hematoformatoare).

Reducerea gradului de contaminare radioactivă se poate realiza prin: decontaminare – îndepărtarea izotopilor radioactivi din tubul digestiv (cu alginat de sodiu, fosfat de aluminiu, etc.) şi din arborele traheobronşic (prin spălări cu ser fiziologic; decorporare – eliminarea izotopilor radioactivi fixaţi în diferite organe (cu sare de Zn sau Ca a acidului dietilen – triamino – pentaacetic); diluţie izotopică – administrarea iodurii de potasiu împotriva Iodului – 131, consumarea unor cantităţi mari de apă pentru reducerea fixării tritiului în organism, etc. Măsurile de radioprotecţie, pot fi grupate în: măsuri preventive; măsuri de supraveghere; măsuri de limitare şi lichidare. Efectul nociv al radiaţiilor asupra materiei vii este datorat proprietăţii de a ioniza mediul prin care trec, ionizarea fiind modul dominant de pierdere a energiei de către radiaţii când traversează mediul material. Materia vie este caracterizată prin existenţa unor molecule deosebit de mari ale căror proprietăţi şi funcţionalitate biochimică pot fi ireversibil perturbate. Astfel, un act de ionizare, de trecere a unui electron pe un alt nivel în acest ansamblu, sau de smulgere a lui, provoacă mari schimbări în caracteristicile moleculei respective, schimbări care acumulate la nivelul celulei se pot traduce prin grave dereglări ale metabolismului, culminând cu moartea celulei sau cu erori de structură şi funcţionare a aparatului genetic celular, de tip cancerigen sau mutagen.

Mărimi şi unităţi legate de efectul biologic al radiaţiilorDoza de iradiere – este cantitatea de energie cedată unităţii de masă D = dW/dm; D SI = 1Grey = 1Gy = 1J/kg; D tot = 1rad (rad-ul) = 10-2J/kg; (rad = Radiation Absorbed Doze = doză de radiaţii absorbită) ; 1 rad = 10-2GyExpunerea (dQ/dm) – sarcina electrică totală a ionilor de un semn produsă în urma iradierii în unitatea de masă. Unitatea de măsură este röntgen-ul REchivalentul de doză H = Q.D, unde Q este factorul de calitate al radiaţiei H SI 1Sv (Sievert); H tot = 1Rem; (rem = Röntgen Equivalent Man = Röntgen echivalent pentru om); 1 rem = 10-2SvMărimile dozimetrice menţionate se referă la un timp de expunere oarecare. Dacă se raportează efectul la unitatea de timp se definesc: Debitul dozei = dS/dt; SI = J/kg.sDebitul echivalentului de doză h = dH/dt h SI = 1Sv/sDoza permisă pentru o persoană în funcţie de vârstă, se calculează cu formula:

19

Dmax = 5(N – 18)rem, unde N – numărul de ani ai persoanei.

Metodele de protecţie contra radiaţiilor se împart în:

© Metode active – când sursa radioactivă este înconjurată cu ecrane absorbante, care reduc mult intensitatea radiaţiilor emergente, deci asigură securitatea celor ce se află la limita exterioară a ecranelor.© Metode pasive – când se iau măsuri de genul:

persoanelor li se fixează durate limitate de lucru în spaţiul respectiv li se dau alimente, medicamente antidot, mijloace de protecţie individuală, etc.

Din cercetări medicale rezultă ca:

doza minimă de iradiere globală a întregului organism este sub 20 Rem între 75 – 150 Rem apare boala actinică, cu riscul cazurilor mortale la doză superioară peste 700rem au efect letal.

Datorită efectului cumulativ al iradierii, normele prevăd că o persoană care la o singură iradiere a acumulat toată doza permisă, să zicem într-un an, nu mai are voie să suporte altă iradiere în acel an. Iradierea accidentală cumulată maximă admisă este de 25Rem. Datorită efectelor genetice, pentru femeile gravide, dozele admise sunt mai mici faţă d cele arătate mai sus. Deoarece nu toate părţile organismului sunt la fel de rezistente la iradiere, s-au stabilit doze maxime pentru diferite organe şi părţi ale organismului, precum şi cazul în care radiaţia nu atinge întregul organism, ci doar porţiuni din el.

pentru organe izolate, exceptând cristalinul şi gonadele, doza este de 15Rem/an pentru oase, tiroidă, pielea întregului organism, cu excepţia extremităţilor, doza este de 30Rem/an pentru mâini, antebraţe, picioare şi glezne doza este de 75Rem/an.

Sunt cazuri când unele elemente radioactive pot ajunge să fie integrate de oameni prin apa de băut sau alimente, sau inhalate odată cu aerul. Elementul radioactiv poate intra în circuitul metabolic şi în aceste cazuri însăşi sursa radioactivă se află în organism şi singura protecţie posibilă este folosirea de substanţe care elimină şi insolubilizează elementul respectiv. Poate apărea situaţia ca un element radioactiv, cu toate că este cantitativ sub limita admisă pentru întregul organism, concentraţia sa într-un anume organ să fie suficient de ridicată pentru ca doza de radiaţie permisă pentru organul respectiv să fie depăşită. Astfel de organe care concentrează preferenţial un anume element se numesc organe critice, ca de exemplu: glanda tiroidă pentru iod, sau sistemul osos pentru stronţiu, care este omolog clinic pentru calciu. Pentru a exclude astfel de cazuri, normele de protecţie admit concentraţia limită ale acestor substanţe în apă şi aer.

În tabelul de mai jos, redăm expunerea normală a omului la radiaţii nucleare, astfel încât să vă puteţi calcula fiecare doza naturală:

20

Cauza DetaliuEchivalent doză

Explicaţie

I. Punct geografic

Nivelul mării (se adaugă la fiecare 150m în plus în altitudine)

28 mrem/anRadiaţii cosmice

ZonaCalcaroasăSedimentarăGranitică

50 mrem/an30 mrem/an12 0mrem/an

Radiaţii terestre

Casă din:LemnCărămidăGranit

1 mrem/an20 mrem/an20 mrem/an

Radiaţiile materialelor

II. Alimentaţia

Carne, legume 20 mrem/an

Radiaţiile alimentelor 14

6Ca, 40

19K

III. Mod de viaţă

O călătorie cu avionulTelevizorulExamen radiologic

4 mrem/an3 mrem/an35 mrem/an

Radiaţii cosmice

În funcţie de valoarea dozei biologice a radiaţiilor, apar efectele:

Valoarea(1Sv = 100rem)

Efectele

0 – 0,25 Sv Lipsa oricărei tulburări aparente0,25 – 0,5 Sv Apar schimbări sanguine, ochi injectaţi

0,5 – 1 SvOboseală, ameţeală, cataractă, schimbări sanguine, opacizarea cristalinului, apariţia aluniţelor

1 – 2 SvAmeţeli, oboseală, reducerea numărului de globule roşii, scăderea rezistenţei la infecţii

2 – 4 SvAceleaşi tulburări ca mai sus însoţite de câteva decese între 2 – 6 săptămâni de la iradiere

4 – 6 Sv 50% decese, în intervalul de 30 zile de la iradierePeste 6 Sv 100% decese, în mai puţin de 15 zile de la iradiere

Se ştie de mai mulţi ani că doze mari de radiaţii ionizante, mult mai mari decât radiaţiile de fundal pot cauza cancer şi leucemie la mai mulţi ani de la expunere. Se presupune, datorită experimentelor pe plante şi animale, că radiaţiile ionizante pot provoca mutaţii genetice care afectează generaţiile descendente, cu toate că nu există dovezi în legătură cu radiaţii care provoacă

21

mutaţii la om. La nivele foarte mari de radiaţii, ele pot provoca stări de disconfort şi moartea la săptămâni de la expunere. Nivelul efectelor cauzate de radiaţii depind de mai mulţi factori: doza, frecvenţa dozării, tipul radiaţiei, organul expus, vârsta şi sănătatea. De exemplu, embrionul uman este deosebit de sensibil la radiaţii. Dar care sunt şansele de apariţie al cancerului de la doze mici de iradiere? „Teoria” cu cea mai largă răspândire este că orice doză de iradiere cât de mică presupune riscuri asupra sănătăţii omului. Cu toate acestea, nu există dovezi ştiinţifice în legătură cu riscul dozelor sub 50 mSv pe o durată scurtă de aproximativ 100 mSv pe an, cercetările arată că efectele benefice sunt la fel de posibile ca şi cele adverse. Doze mari, acumulate de radiaţii pot produce cancer, care ar fi observat peste câţiva (până la 20) ani de la expunere. Acest decalaj face imposibil de precizat cu certitudine care din mulţimea de posibili agenţi au cauzat cancerul respectiv. În ţările occidentale aproximativ un sfert din populaţie moare datorită cancerului, având fumatul, factorii dietetici, genetici şi puternica expunere la lumina solară ca principale cauze. Radiaţiile sunt un factor cancerigen slab, dar la expuneri îndelungate cu siguranţă cresc riscurile asupra sănătăţii. Organismul are mecanisme de apărare împotriva pagubelor produse de radiaţii, la fel şi împotriva altor factori cancerigeni. Aceştia pot fi stimulaţi prin expuneri la doze mici de radiaţii sau dimpotrivă la doze foarte mari. Pe de altă parte, doze mari de radiaţii direcţionate spre o tumoare sunt folosite în terapii de iradiere împotriva celulelor canceroase şi prin urmare, deseori se salvează vieţi omeneşti. Adesea se foloseşte împreună cu chimioterapia şi operaţia. Doze mult mai mari sunt folosite pentru înlăturarea bacteriilor dăunătoare din mâncăruri, pentru sterilizarea pansamentelor şi a altor echipamente medicale. Zeci de mii de oameni din ţările dezvoltate lucrează în medii în care pot fi expuşi la doze mari de radiaţii (mai mari decât nivelul radiaţiilor de fundal). Prin urmare ei poartă ecusoane care monitorizează nivelul radiaţiilor la care sunt expuşi. Fişele medicale ale acestor categorii de angajaţi arată că ei au o rată mai mică de mortalitate datorită cancerului sau altor cauze decât restul populaţiei şi în unele cazuri, rate mai mici decât angajaţii care lucrează în medii similare fără a fi expuşi la radiaţii. Ce cantitate de radiaţii ionizante prezintă pericol?

10.000 mSv (10 Sv) pe durată scurtă asupra întregului corp ar cauza stări de vomă şi scăderea bruscă a celulelor albe din sânge şi moartea în câteva săptămâni; între 2 şi 10 Sv pe durată scurtă ar cauza boli de iradiere cu posibilitatea crescută că doza ar putea fi fatală;

1.000 mSv (1 Sv) pe o durată scurtă este chiar deasupra limitei de a cauza boli de iradiere imediate la o persoană cu un fizic mediu, dar cu siguranţă nu ar provoca moartea; dacă o doză mai mare de 1.000 mSv acţionează o perioadă mai lungă de timp, nu există posibilitatea unor probleme

22

medicale imediate, dar creează cu certitudine posibilitatea apariţiei cancerului în anii care vor urma;

peste 100 mSv probabilitatea apariţiei cancerului (în contrast cu severitatea bolilor de iradiere) creşte direct proporţional cu doza;

50 mSv este limita minimă la care există dovezi că produce cancer la adulţi, este de asemenea cea mai mare doză permisă prin lege într-un an de expunere la locul de muncă;

20 mSv/an timp de 5 ani reprezintă limita angajaţilor la radiologie, industria nucleară, extracţia uraniului;

10 mSv/an reprezintă doza maximă la care este supus un miner din minele de uraniu din Australia;

3 mSv/an este doza tipică (mai mare decât cea de fundal) naturală la care este expusă populaţia în America de Nord, inclusiv o medie de 2 mSv/an datorită radonului din aer;

2 mSv/an reprezintă radiaţia de fundal din surse naturale. Aceasta este aproape de doza minimă la care este expus orice om, oriunde pe planetă;

0,3-0,6 mSv/an este intervalul tipic al dozelor de la surse artificiale, cum ar fi cele medicale;

0,05 mSv/an este o fracţiune mică a radiaţiei de fundal care este ţinta pentru nivelul maxim de radiaţie la gardul unei centrale nucleare (doza reală este mult mai mică).

Radiaţiile de fundal care apar în mod natural sunt principala sursă de expunere pentru cei mai mulţi oameni. Nivelele oscilează între 1,5 şi 3,5 mSv/an, dar poate depăşi 50 mSv/an. Cel mai mare nivel de expunere la radiaţii de fundal care a afectat un număr mare de oameni a avut loc în Kerala şi statul Madras (India) unde, aproximativ 140.000 oameni au fost expuşi la o doză de peste 15 mSv/an de radiaţii γ pe lângă o cantitate similară datorită radonului. Nivele comparabile s-au măsurat în Brazilia şi Sudan cu o expunere medie de până la 40 mSv/an. În mai multe locuri din India, Iran şi Europa nivelul radiaţiilor de fundal depăşeşte 50 mSv, până la 260 mSv (în Ramsar, în Iran). Dozele acumulate de-a lungul vieţii datorate radiaţiilor de fundal ajung la mii de mSv. Cu toate acestea, nu există dovezi că ar exista probleme de sănătate datorate nivelului ridicat de radiaţii. Radiaţiile ionizante sunt generate de industrie şi de medicină. Cea mai cunoscută sursă de radiaţii sunt aparatele de radio-grafie, folosite în medicină. Radiaţiile din surse naturale contribuie cu aproximativ 88% din doza anuală asupra oamenilor, pe când procedurile medicale cu 12%. Efectele radiaţiilor naturale nu diferă de cele artificiale. Pentru că expunerea la un nivel ridicat de radiaţii ionizante produce un anumit risc, ar trebui să încercăm să le evităm în întregime? Chiar dacă am vrea, acest lucru este imposibil. Radiaţiile au fost întotdeauna prezente în mediul şi în corpul nostru. Cu toate acestea, putem şi ar trebui să minimalizăm doza de expunere care nu ne este necesară.

23

INDIA

EUROPA

Radiaţiile sunt foarte uşor de detectat. Există o varietate de instrumente simple, sensibile, capabile să detecteze mici cantităţi de radiaţii naturale sau artificiale. Există patru căi prin care oamenii se pot proteja de sursele cunoscute de radiaţii.

1. limitarea duratei expunerii: pentru oamenii care sunt expuşi la radiaţii pe lângă cele de fundal datorită naturii muncii lor, doza este micşorată şi riscul îmbolnăvirii în principiu eliminat prin limitarea duratei expunerii;

2. distanţa: la fel cum căldura unui foc este mai mică cu creşterea distanţei, şi intensitatea radiaţiilor descreşte direct proporţional cu distanţa de la sursă;

3. bariere: barierele de plumb, beton sau apă oferă o protecţie bună împotriva radiaţiilor penetrante cum ar fi radiaţiile γ. Prin urmare, materialele radioactive sunt adesea depozitate sau mânuite în apă sau cu ajutorul roboţilor în camere construite din beton gros sau cu pereţi îmbrăcaţi în plumb;

4. depozitare: materialele radioactive sunt izolate şi ţinute în afara mediului. Izotopii radioactivi (de ex. cei pentru medicină) sunt eliminaţi în încăperi închise, în timp ce reactoarele nucleare funcţionează într-un sistem cu bariere multiple care împiedică scurgerile de material radioactiv. Camerele au o presiune atmosferică scăzută, astfel încât orice scurgere ar avea loc nu ar ieşi din încăpere.

Standardele de protecţie împotriva radiaţiilor sunt bazate pe mentalitatea conservativă că riscul este direct proporţional cu doza, chiar şi la nivele mici, cu toate că nu există dovezi despre riscurile la nivele mici. Această presupunere, numită „ipoteză liniară nelimitată” (linear no-threshold hypothesis) este recomandată ca protecţie împotriva radiaţiilor, propusă pentru stabilirea nivelelor admise de expunere la radiaţii a peroanelor. Această teorie presupune că jumătate dintr-o doză mare (unde efectele au fost observate) va cauza efecte de două ori mai mici, ş.a.m.d. Aceasta duce în eroare dacă este aplicată unui număr mare de oameni expuşi unei doze mari de radiaţii ar putea duce la măsuri inadecvate împotriva iradierii. Cele mai multe dovezi care au condus la standardele de azi provin de la supravieţuitorii bombei atomice din 1945 care au fost expuşi la doze foarte mari pe o durată scurtă de timp. Pentru stabilirea riscului estimativ, s-a presupus că organismul uman poate vindeca efectele expunerii la doze mici, dar pentru nivele mici de iradiere, gradul de protecţie este indiscutabil conservativ. Cele mai multe ţări au propriul sistem de protecţie radiologică care deseori se bazează pe recomandările comisiei internaţionale cu privire la protecţia radiologică (ICRP). Cele trei capitole din recomandările ICRP sunt:

• justificarea: nici o activitate nu trebuie adoptată decât dacă produce un beneficiu pozitiv;• optimizarea: toate expunerile trebuie menţinute la un nivel cât mai mic, acceptabil; • limitarea: expunerea indivizilor nu trebuie să depăşească limitele recomandate;

24

Protecţia împotriva radiaţiilor este bazată pe recomandările ICRP atât pentru categoriile ocupaţionale şi cele publice. Expunerea maximă nu trebuie să depăşească 1 mSv/an, în medie, timp de 5 ani.

Lecţiile Cernobâlului

“Omenirea ar trebui sa-si schimbe optica asupra a ceea ce se poate numi calamitate mondiala”Dillwyn Williams

Am comemorat, de curând, 15 ani de la catastrofa de la Cernobâl, cel mai mare dezastru nuclear din istoria omenirii. Explozia reactorului de la aceasta centrala nucleara din Belarus, în 1986, a dus la eliberarea unor cantităţi enorme de izotopi radioactivi, aproximativ 1 019 becquereli, iar norul radioactiv a afectat zone întinse din Belarus si nordul Ucrainei si o mica parte a teritoriului Rusiei; un grad mai scăzut de radioactivitate a fost depistat pe toata emisfera nordica. La început, răspunsul organizaţiilor internaţionale fata de necesitatea de a studia consecinţele exploziei pe termen lung asupra sănătăţii a fost lipsit de coordonare si nu este nici in prezent adaptat cerinţelor. În 1990, Organizaţia Mondiala a Sănătăţii a primit, din Japonia, 20 de milioane $ (14 milioane £) pentru a investiga efectele asupra sănătăţii, dar donaţia a fost controlata efectiv de către un singur oficial, mulţi bani au fost cheltuiţi fără justificare, iar rezultatele au fost dezamăgitoare. Tot în 1990, Agenţia Internaţionala pentru Energie Atomica a efectuat o investigaţie separata. Rezultatele cu privire la posibilele consecinţe asupra sănătăţii au fost, în general, liniştitoare, cu toate ca se cunoşteau cazuri de neoplasme tiroidiene la copii. SUA si Uniunea Europeana au semnat tratate separate cu guvernele implicate, permiţându-le sa investigheze efectele asupra sănătăţii. La început, Uniunea Europeana si filiala europeana a OMS au jucat un rol principal în atragerea atenţiei asupra incidenţei neoplasmului tiroidian la copii, dar ulterior au apărut studii separate ca, de exemplu, cel al Fundaţiei Memoriale pentru Sănătate Sasakawa din Japonia. S-au implicat, fiecare in parte, si Unesco, Crucea Roşie Internaţionala, precum si mai multe alte organizaţii si state. Au fost obţinute mostre de ţesut tiroidian de către diverse grupuri de cercetători care, uneori, nici nu aveau vreo aprobare guvernamentala; au existat si situaţii în care diferite colective de cercetare si-au publicat rezultatele experimentelor pe tumori fără sa ştie ca aceleaşi date fuseseră obţinute si de alţi autori.

25

În cele din urma, corpul medical al oamenilor de ştiinţa reprezentând asociaţiile internaţionale pentru studierea tiroidei a luat iniţiativa unei coordonări a cercetărilor in domeniu. La treisprezece ani de la data petrecerii incidentului s-a ajuns la un acord între guvernele din Belarus, Federaţia Rusa si Ucraina, împreuna cu Institutul Naţional de Cancer al SUA, Fundaţia Memorială pentru Sănătate Sasakawa din Japonia si OMS, ceea ce a dus la crearea băncilor pentru tumori. În prezent, prin intermediul unui centru de coordonare din Cambridge, cercetătorii au acces la o documentare completa asupra ADN-ului si ARN-ului din ţesuturile tiroidiene normale si tumorale. Lipsa de cooperare dintre organizaţiile internaţionale, manifestata în primii ani de după accidentul de la Cernobâl, a fost influenţata de mai mulţi factori. Unele organizaţii nu doreau sa sprijine studiile pentru care nu primiseră fonduri suficiente, pe de-o parte si din cauza conflictelor dintre personalităţi. OMS Geneva a considerat oportun sa controleze coordonarea internaţionala, dar corpurile de finanţatori s-au opus ideii de a renunţa la control, date fiind problemele cu care se confruntaseră programele OMS anterioare. O prima dificultate majora a reprezentat-o faptul ca multe persoane au anticipat un ritm scăzut de creştere a incidenţei neoplasmului tiroidian, cu o perioada de latenta de 10 ani; ei au manifestat o atitudine reticenta în ceea ce priveşte acceptarea rapoartelor unei creşteri accentuate la patru sau cinci ani după explozie. In anumite situaţii, reticenta părea sa reflecte regula generala conform căreia gradul de rigurozitate a datelor necesare pentru a accepta existenta unei legaturi intre cauza si efect este strâns corelata cu interesul manifestat de indivizi sau de organizaţii fata de rezultatul cercetării. După explozia de la Cernobâl au apărut aproximativ 2 000 de cazuri de neoplasm tiroidian la persoanele care, în perioada expunerii la niveluri radioactive crescute, erau copii sau adolescenti.7-9 Din fericire, nu s-au înregistrat decât puţine decese în cazurile respective (E Demidchik, comunicare personala). Nu trebuie sa ne limitam, însă, numai la efectele la nivel tiroidian, deşi primele emanaţii nocive aveau o concentraţie foarte mare de iod radioactiv. S-a pretins ca in rândul populaţiei expuse s-a înregistrat atât o creştere a incidenţei afecţiunilor de natura imunitară si a malformaţiilor congenitale, cât si o diversitate a formelor de cancer; lipsesc, însă, studiile adecvate. La fel, la copiii ai căror părinţi au fost expuşi la radiaţii, exista dovezi ale creşterii instabilităţii microsatelite.10 Nu sunt cunoscute efectele pe termen lung ale traiului într-un mediu contaminat cu cesiu-137; ar putea apărea si efecte tardive ale iodului radioactiv ca, de exemplu, la nivelul sânului. Este necesar sa se studieze, la nivel internaţional, toate efectele pe care explozia de la Cernobâl le-a exercitat pe termen lung asupra sănătăţii; trebuie incluse confirmări ale diagnosticelor iniţiale, rolul unor determinări sigure si corelarea incidentului cu valorile dozimetrice. Pentru desfăşurarea unui astfel de studiu ar fi necesar sa se aloce doar o mica parte din fondurile pe care Occidentul le oferă Ucrainei pentru a închide si ultimul dintre cele patru

26

reactoare de la Cernobâl. În lipsa unui studiu adecvat nu se va putea face o evaluare autorizata a tuturor consecinţelor; drept urmare, s-ar putea ca unele grupuri sa accepte necondiţionat cele mai grave dintre efectele pretinse, iar altele sa afirme ca pe termen lung nu au fost decelate decât cazuri de neoplasm tiroidian. Un alt exemplu al corelaţiei dintre gradul de rigurozitate a datelor ştiinţifice si interesul fata de rezultatele cercetării ni-l oferă răspunsul la problemele încălzirii globale. Este important sa ne întrebam nu daca exista efectiv o corelaţie intre cauza si efect, ci daca este sau nu posibil ca influenta activităţii umane asupra fenomenului de încălzire globala sa justifice modificarea acestei activităţi. Răspunsul este, categoric, da, si, in acest sens, gradul în care contribuţia activităţii nucleare ar putea reduce încălzirea globala trebuie supus unei dezbateri serioase, bazate pe compararea tuturor efectelor exercitate de generatoarele de energie convenţionala si nucleara asupra sănătăţii. Sunt, insa, greu de depăşit dificultăţile create atât de exagerarea pretinselor consecinţe ale Cernobâlului asupra sănătăţii, cât si de erorile si muşamalizările care apar chiar la nivelul industriei nucleare. Este puţin probabil ca explozia de la Cernobâl sa reprezinte ultimul dezastru nuclear major; indubitabil, vor mai apărea si alte evenimente care sa impună o reacţie la nivel mondial. Agenţiile internaţionale au întâmpinat dificultăţi considerabile în gestionarea unui eveniment cu semnificaţie mondiala, survenit în cadrul unui puteri mondiale izolata ştiinţific si supusa ea însăşi unor uriaşe schimbări economice si politice. Pentru a evita astfel de confuzii, pe viitor e bine sa fie avuta in vedere posibilitatea apariţiei unor situaţii conflictule între suveranitatea tarii unde s-a produs incidentul si importanta lui pentru restul lumii, asigurându-se o investigaţie imparţiala. În ceea ce priveşte consecinţele unor atare incidente asupra sănătăţii, este evident rolul conducător al OMS care, fata de 1986, si-a schimbat considerabil optica in aceasta privinţa. Este oportuna implicarea organizaţiei nu atât in coordonarea, cât in facilitarea cercetărilor, care ar putea sa fie controlate de grupuri de experţi independente, selectate de organizaţiile ştiinţifice internaţionale de profil, precum si de statele care fie sunt interesate direct, fie doar finanţează studiile. Este necesar sa tragem învăţăminte din accidentul de la Cernobâl si sa hotărâm cum anume sa coordonam implicarea statelor lumii în investigarea unor dezastre majore, astfel încât de beneficiile obţinute sa se bucure atât tara afectata, cât si întreaga omenire. Vom reuşi, astfel, sa reducem riscul producerii unor noi dezastre si sa ne dezvoltam capacitatea de-a găsi soluţiile adecvate in cazul in care apar consecinţe nedorite. Cercetările efectuate de DW au fost finanţate de Comisia Europeana. Participarea lui la conferinţe a fost sprijinita de Comisia Europeana, OMS si Fundaţia Sasakawa. A fost implicat în înfiinţarea Băncii de Tumori de la Cernobâl (sprijinita de organizaţiile menţionate, precum si de NCI), fiind si

27

preşedinte al proiectelor ei ştiinţifice. Nu a primit nici o recompensa personala de la nici una dintre organizaţiile menţionate în editorial.

Acceleratoare de particule

Acceleratorul de particule este o instalaţie complexa cu ajutorul căreia particulele încărcate electric sunt accelerate sub acţiunea unor câmpuri electrice si magnetice pana la energii cinetice foarte mari (ajungând pana la sute de GeV).

Iniţial, acceleratoarele au fost utilizate la studiul structurii nucleare si al particulelor elementare; ulterior, ele au fost folosite in industrie si medicina.

Clasificarea acceleratoarelor

1. După forma traiectoriei particulelor; a) liniare; b) ciclice.

2. După caracterul câmpului electric aplicat:a) directe; b) de inducţie; c) rezonante; d) cu unda progresiva.

3. După domeniul energiei particulelor accelerate:a) nerelativiste; b) relativiste.

4. După natura particulelor accelerate:a) pentru electroni; b) pentru protoni.

Principii de accelerare

Accelerarea este bazata pe interacţiunea particulelor încărcate electric cu câmpul electric si cu cel magnetic, care duce la creşterea energiei cinetice a particulelor. In practica sunt folosite doua modalităţi: a) prin trecerea particulelor printr-o diferenţa de potenţial U energia lor cinetica creste cu

(deoarece este relative mica, aceasta trecere se repetă de un număr mare de ori); b) particulele sunt accelerate de un câmp electric obţinut prin variaţia fluxului inducţiei magnetice prin suprafaţa mărginita de traiectorie.

Exemple: Acceleratorul liniar este format din mai mulţi electrozi cilindrici montaţi pe axul unui tub, conectaţi la un generator de înalta frecventa,

28

f. Lungimea ln a electrodului n trebuie calculate astfel încât la ieşirea din el a particulei aceasta sa întâlnească tot un potenţial accelerator.

Pentru cazul nerelativist, energia cinetica la ieşire si lungimea

si

De aceea, obţinerea energiilor mari necesita lungimi kilometrice! De exemplu, acceleratorul liniar de la Standford (California, USA) accelerează electroni pana la 50 GeV si are o lungime de 3,2 km.

Ciclotronul este cel mai simplu accelerator ciclic. Particulele (neralitiviste) sunt menţinute pe traiectorii circulare de un câmp magnetic = constant, transversal (adică perpendicular pe direcţia vitezei). Accelerarea are loc la trecerea particulelor prin spaţial dintre doi duanţi cărora li se aplica o tensiune de înalta frecventa (fig. 5.4).La fiecare trecere, energia cinetica a particulei creste cu si, ca urmare, va creste si raza

traiectoriei:

Energia maxima este limitata de variaţia relativista a masei cu viteza ( =

12 MeV).

Betatronul este un accelerator ciclic pentru electroni. Funcţionează pe principiul transformatorului electric: secundarul este un tor vidat in care se pot mişca electronii injectaţi; sub acţiunea unui câmp magnetic transversal, electronii se mişca pe o traiectorie circulara de raza fixa. Accelerarea este realizata de un câmp electric de inducţie, obţinut prin variaţia inducţiei câmpului magnetic. Durata unui ciclu de accelerare este un sfert din perioada curentului alternative utilizat; electronii efectuează aproximativ un milion de rotaţii, in final energia lor atingând 20 MeV. Când electronii ajung la energia maxima, ei sunt proiectaţi pe o ţinta din metale grele, unele se produc radiaţii X dure (de frânare) folosite in defectoscopie, sterilizare, terapia cancerului.

29

Problema energiilor mari

O data cu pătrunderea in lumea microcosmosului, cercetătorii au avut de întâmpinat o situaţie cu totul neobişnuita. Daca in lumea macroscopica, multe din informaţiile asupra structurii obiectelor erau obţinute direct, prin observaţii cu ochiul liber, explorarea structurii intime a materiei nu se putea face nici cu cele mai puternice microscoape. Ochiul nu poate distinge obiecte mai mici de 6-7 miimi de milimetru, iar microscoapele, nu pot permite observarea dimensiunilor mai mici de 0,5 miimi de milimetru, adică detalii de cca. 5.000 ori mai mari decât diametrul unui atom si de 500 x 106 ori mai mari decât diametrul unui nucleu atomic…

Pentru studierea particulelor subnucleare, pentru investigarea proprietăţilor forţelor nucleare, metodele care se folosesc si in prezent constau in principal din procese de ciocnire, prin bombardarea nucleelor cu particule dotate cu energii suficient de mari pentru a putea pătrunde nucleele atomice. in acest fel studiind modalităţile in care are loc o interacţie, in urma ciocnirii, se pot determina caracteristicile corpurilor care au luat parte, precum si a forţelor care intervin.

Energiile care se imprima particulelor-proiectil, sunt diferenţiate. Energia necesara pentru a "pătrunde" in dimensiunea de 10-10 m este de 0,002 MeV, dar pentru a pătrunde pana la nucleu (10-14 m) este nevoie de o energie de 10.000 de ori mai mare (20 MeV). In ce priveşte pătrunderea in intimitatea nucleului, la dimensiuni de 10-16 m, este nevoie de o energie de 2000 MeV (adică 2 GeV), iar pentru a ajunge in "interiorul" nucleonilor (10-18 m) este nevoie de energii de peste 200 GeV.

Desigur, pentru a putea efectua experienţe in lumea subatomica sunt necesare instalaţii in care sa fie produse particule-proiectil, apoi aceste particule sa fie organizate in fascicule de energii mari (adică sa fie accelerate) si, in fine, sa aibă o posibilitate de a pune in evidenta rezultatele interacţiilor (detectoare de particule). Aceste instalaţii numite acceleratoare, au însoţit cu mult succes pe fizicieni in cercetările lor, rămânând si in prezent principalul instrument de lucru in lumea microcosmosului.

Astfel a apărut o noua ramura a fizicii nucleare, cea a acceleratoarelor, in care tehnicienii, pentru a asigura un singur deziderat principal - fascicule de energii din ce in ce mai mari - au avut de învins obstacole deosebite.

Particulele care sunt accelerate in aceste instalaţii pot fi, după caz : electroni, pozitroni, protoni, antiprotoni, deutoni, precum si nuclee ale unor elemente uşoare sau medii. Totdeauna insa este vorba de particule ce poseda sarcini electrice, asupra cărora pot acţiona oportun forte electrice si magnetice, astfel încât sa le aducă la un nivel energetic ridicat. Neutronii, in schimb, sunt

30

totdeauna produşi fie prin intermediul unor anumite reacţii nucleare, fie prin bombardarea unor nuclee special alese cu proiectile convenabile.

Energiile la care s-a ajuns in zilele noastre, cu acceleratoare moderne, sunt de ordinul zecilor si sutelor de miliarde de electron-volţi. De la instalaţiile simple de accelerare, care puteau fi aşezate pe o masa de laborator, s-a ajuns in zilele noastre la instalaţii complexe uriaşe, extrem de costisitoare, care se întind pe zeci de hectare.

Din condiţiile de realizare a reacţiilor termonucleare rezulta ca este absolut necesar sa se evite pierderile de energie prin radiaţie si prin scăpări de particule accelerate, pentru a se putea acumula in masa de reacţie energia calorica necesara "aprinderii" reacţiei termonucleare. De la început trebuie sa constatam ca pierderile prin radiaţie nu pot fi reduse prin metode electrice sau magnetice, deoarece fotonii, odată emişi, nu sunt influenţaţi de asemenea câmpuri de forţa. Mai mult chiar, utilizarea îngrădirii magnetice a plasmelor termonucleare duce la o "hemoragie" radianta suplimentara a reactorului termonuclear prin radiaţia ciclotronică si sincrotronică ce ia naştere in aceste cazuri. Rămâne deci numai posibilitatea de a reduce pierderile prin scăpări de particule.

Utilizarea câmpurilor electrice pentru eliminarea pierderilor de particule, deci pentru îngrădirea plasmei, nu este aplicabila din următoarele motive :

- din electostatica clasica se ştie (teorema lui Earnshaw) ca nu se poate realiza o configuraţie de conductori electrici al căror câmp electrostatic sa creeze o poziţie de echilibru stabil, nici chiar pentru o singura particula încărcata. Lucrul acesta ar f8I mult mai greu pentru un sistem de mai multe particule ce interacţionează nu numai cu câmpul exterior, ci si intre ele;

- particulele din plasma (ionii si electronii) având sarcini electrice contrare, înseamnă ca o configuraţie a conductorilor externi care ar reuşi sa creeze o groapa de potenţial pentru particule de un semn, ar crea in acelaşi timp un maxim de potenţial pentru particulele de semn contrar, astfel ca s-ar ajunge doar la o polarizare a plasmei ;

- chiar daca particulele de un anumit semn (spre exemplu ionii) ar fi îngrădite, din cauza respingerii electrostatice reciproce ar apare presiuni electrostatice mult mai mari decât cele controlabile prin electrotehnica secolului nostru.

Metodele magnetice promit rezultate mi spectaculoase date fiind particularităţile comportării particulelor electrizate in câmpul magnetic. Totuşi, speranţele iniţiale au fost satisfăcute numai parţial deoarece au ieşit la iveala noi fenomene : derive ale particulelor, oscilaţiile plasmei si diferite instabilităţi, care compromit posibilitatea de a îngrădi plasma chiar pentru intervale de timp de ordinul fracţiunilor de secunda.

31

Întrucât câmpul magnetic este produs prin curenţi electrici, iar variaţia câmpului magnetic va induce câmpuri electrice in plasma, cercetarea devine destul de complicata si de aceea a fost necesara crearea magnetohidrodinamicii, ca noua disciplina ştiinţifica ce se ocupa cu aceste aspecte ale problemei plasmelor.

Efectul de stricţiune (pinch)

Sa ne închipuim ca avem o descărcare intre doi electrozi, intr-o plasma rarefiata astfel ca lungimea tubului de descărcare sa fie mare in raport cu diametrul sau. Electronii se vor scurge de la catod la anod iar ionii pozitivi invers. La egalitate de sarcini pozitive si negative, pe unitatea de volum, intre elementele tubului de descărcare nu vor exista forte de respingere. Tuburile de curent de electroni se vor atrage conform legilor lui Ampere, întrucât reprezintă curenţi paraleli. Acelaşi lucru este valabil si pentru tuburile de curent de electroni. Mai mult chiar, tuburile de curent de semne opuse se vor atrage intre ele, deoarece. Deşi au sensuri de circulaţie opuse, semnul electric fiind si el opus, câmpurile magnetice rezultante vor fi de acelaşi sens.

Bennet (1934) a dat formula:

I0 = 2,5 10-3 T V -1/2

Pentru curentul critic i0 (in amperi) peste care se poate observa efectul de autofocalizare la temperatura T (grade absolute) si la tensiune de accelerare V . Curentul necesar va fi proporţional cu temperatura, deoarece agitaţia termica tinde sa îndepărteze particulele încărcate din tubul de curent stricţionat.

Acest efect, numit apoi efect pinch, a servit ca punct de plecare in construcţia unor maşini termonucleare si pentru dezvoltarea unor noi tehnici magnetohidrodinamice bazate pe particularităţile acestui fenomen.

Fără a intra in detalii teoretice, putem sintetiza efectului de pinch in faptul ca frontul presiunii magnetice acţionează ca un piston asupra întregului gaz din coloana de descărcare. Viteza de avansare a acestui piston magnetic este mai mare decât viteza sunetului in gazul central, rece. La aceasta mişcare supersonica apare unda de soc in frontul căreia densitatea si temperatura prezintă un salt spectaculos.

Pe măsura ce inelul de plasma se strânge, presiunea plasmei create din cauza creşterii densităţii si temperaturii. Din aceasta cauza ar fi de aşteptat ca la un moment dat transferul de energie de la câmpul magnetic la plasma sa înceteze. Dar spre surprinderea cercetătorilor, s-a constatat ca după apariţia undei de soc transferurile de energie sunt mai complete. Efectul acesta este similar concentrării de energie prin implozie si poate duce la rezultate

32

spectaculoase atunci când rata creşterii curentului este mare si viteza ionilor permite crearea unui piston magnetic foarte rapid si eficient. Particulele împinse de acest piston vor primi o viteza egala cu de doua ori viteza pistonului si in acest fel se ajunge la un randament foarte bun in transmiterea energiei.

Întrucât acest efect se produce cu mai mare eficacitate la descărcările rapide, era nevoie de mari tensiuni pe tuburile de descărcare, lucru care nu se putea realiza atât de uşor pe torurile cu descărcare cu inducţie in gaz. De aici a rezultat un interes reînnoit pentru descărcările pe tuburi drepte. Tuburile drepte au dezavantajul ca prezintă riscul pierderilor de particule pe la capete, deoarece ionii si electronii sunt acceleraţi axial de către tensiunea aplicata. Daca dorim sa obţinem o descărcare eficienta si rapida într- un tub drept cu electrozi la capătul tubului va trebui sa aplicam o tensiune foarte mare, daca vrem ca tubul sa nu fie prea lung (lungimea fiind ceruta de condiţia ca energia magnetica sa fie transferata ionilor înainte ca aceştia sa ajungă la electrozi). Pe de alta parte, când potenţialul electric in interiorul tubului este obţinut prin inducţie cu ajutorul unor înfăşurări exterioare, atunci va rezulta un câmp magnetic axial si pierderile de particule electrizate in direcţia liniilor de forţa ale câmpului magnetic – deci in lungul tubului – vor fi de ()2 ori mai mare decât in direcţii perpendiculare pe liniile de forţa ale câmpului magnetic, deci radial fata de tub. Pe de alta parte, timpul de difuzie si pierderile de căldura variază cu distanta la pătrat. De aici rezulta ca lungimea tubului in care pierderile axiale nu întrec pe cele radiale va fi :

l = ()2 r

in care este frecventa ciclotronică a electronilor, iar timpul mediu intre ciocnirile ion-electron. Considerând un câmp magnetic de 20 kGs, 8 106. La o raza a tubului de 5 cm ar rezulta o lungime a tubului de 400 km.

Descărcări toroidale

Dat fiind pericolul topirii electrozilor într- un tub de descărcare drept, precum si acela al canalizării câmpurilor electrice si magnetice spre electrozii solizi in loc de a le retine in plasma, s-a văzut ca s-a recurs la descărcări toroidale. In asemenea geometrii câmpul magnetic variază invers proporţional cu distanta fata de axa de revoluţie a torului

33

Stellaratorul

O geometrie care căuta sa anuleze genul de deriva descris mai sus este geometria in "opt" cunoscuta in literatura de specialitate ca "Stellaratorul", nume ce I-a fost dat de Spitzer (1951). El a propus o metoda de îngrădire a plasmei cu un câmp magnetic exterior intr-o geometrie care sa împiedice separarea de sarcina si deriva din geometriile toroidale simple. Adoptând geometria in "opt" el a avansat următoarele idei.

In primul rând particula intra in câmpul magnetic din direcţii exact opuse in cele doua ramuri ale stellaratorului derivele produse succesiv intr-o ramura vor fi compensate (cel puţin parţial) de derivele din cea de a doua.

Apoi, se ştie ca in geometria toroidală simpla liniile de forţa ale câmpului magnetic axial se închid prin ele insele, adică sunt "degenerate"

ANEXA

34

35

36