2008

Cuprins :

1. 2. 3. 4.

Detecia Radiaiilor Nucleare....................................................3 Descoperirea Radioactivitii................................................... 4 Radioactivitatea Naturala..........................................................6 Radioactivitatea Artificiala..................................................... 7 Dezintegrarea Nucleelor Istoria Consumului de Energie................................................. 8 nceputul erei Atomice........................................................ 9-10 Fisiunea Nucleara Fuziunea Nucleara Reactorul Nuclear.................................................................... 11 ntrebuinri ale energiei nucleare........................................... 12

5. 6.

7. 8.

9. Pro si Contra Energiei Nucleare...............................................13 Bomba Atomica 10. Efectele Biologice ale Radiaiilor Radioprotecia..................17 11. Acceleratoare de Particule....................................................28-29 Clasificarea Acceleratoarelor Principii de Accelerare Ciclotronul Betatronul 12. Efectul de Striciune (Pinch)......................................................32 13. Descrcri Toroidale..................................................................34 Stellaratorul

2

Detecia radiaiilor nucleareDetectoarele de radiaii nucleare sunt instrumente complexe folosite la determinarea cantitii de radiaie, tipului de radiaii dintr-un mediu si a unor caracteristici ale acestora (energie, masa, sarcina). Detectoarele de radiaii nucleare sunt alctuite , in principiu , din : - corpul de detecie (o substana care sub aciunea radiaiilor nucleare produce efecte caracteristice), - sistemul de nregistrare (dispozitiv, uneori foarte complex, care permite evidenierea caracteristicilor radiaiilor nucleare : numr, energie, sarcina etc.). Clasificarea detectoarelor de radiaii nucleare Detectoare bazate pe:A. B. C. D. E.

ionizarea in gaz: contorul Geiger-Muller, camera de ionizare; apariia scintilaiilor: spintariscopul, detectorul cu scintilaie; formarea de perechi electron-gol in cristale SC: detectoarele cu semiconductoare; efectul fotochimic al radiaiei: emulsia nucleara; revenirea mediului la starea normala in vecintatea ionilor formai in lungul traiectoriei unei particule rapide, ncrcate electric, intr-un gaz sau lichid aflate intr-o stare metastabila: camera cu ceata, camera cu bule.

Exemple de detectoare de radiaii nucleare-

-

camera cu ceata (Wilson): particulele ionizate ptrund intr-o incinta in care atmosfera este suprasaturata cu vapori (pompa pe care o observai in fotografie rcete adiabatic gazul din incinta si transforma vaporii de alcool in vapori suprasaturai); prin condensare se formeaz picaturi fine de lichid, vizibile cu ochiul liber, care arata traiectoria particulelor; contorul Geiger-Muller: este alctuit dintr-o incinta cilindrica etana, un electrod central sub forma unui fir subire (conectat la un potenial pozitiv ridicat) si un electrod cilindric (depus chiar pe peretele interior al incintei) legat la masa printr3

un rezistor cu rezistenta mare; in interior se afla neom sau argon si un halogen gazos; trecerea unei particule ionizate prin contor determina apariia unei descrcri, amplificata de faptul ca electronii generai dup primele ionizri sunt puternic accelerate spre electrodul central filiform si produc noi ionizri, astfel nct se genereaz o avalana. Pulsul de tensiune aprut pe rezistorul din circuit este nregistrat si poate fi numrat (daca se ataeaz dispozitivului un numrtor). Pana la stingerea descrcrii, contorul nu mai poate nregistra o noua particular.

Scurt IstoricHenri Antoine Becqurel, savant fizician francez, s-a nscut in anul 1852, intr-o familie de fizicieni cunoscui. Preocupat foarte mult de probleme de fizica, in special de problema fluorescentei, Becquerel a acordat un deosebit interes descoperirii de ctre Roentgen a radiaiilor X, fapt care l-a condus in cele din urma la descoperirea fenomenului radioactivitii. Importanta acestei descoperiri este relevata de cuvintele marelui savant Albert Einstein : Fenomenul radioactivitii este fora cea mai revoluionara a progresului tehnic, de la descoperirea focului de ctre omul preistoric si pana astzi. Descoperirea radioactivitii Becquerel, in timpul cercetrilor sale gsete nite probe de mineral fluorescent(pehblenda) aezat pe placi fotografice, dar care nu fuseser expuse nc la soare. Din curiozitate , el cere ca acestea sa fie developate si descoper ca mineralul nnegrise si de data aceasta placa fotografica. Deci , pehblenda emitea radiaii fr ca ea sa fie expusa la lumina soarelui. Repetnd experiena, faptul s-a confirmat : pehblenda emitea in mod natural radiaii invizibile, care impresioneaz placa fotografica ntocmai ca radiaiile X ; cercetrile 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 ntmplri s-a dovedit mai trziu a avea o importanta covritoare, constituind punctul de plecare pentru o serie de cercetri teoretice si realizri practice care au dus la rezolvarea importantei probleme a eliberrii energiei enorme coninute in nucleele atomilor. Pehblenda fiind un material constituit dintr-un amestec complex de sruri, se punea problema separrii elementului radioactiv. Curnd dup descoperirea lui Becqurel, doi chimiti francezi, Marie si Pierre Curie, au meritul de a fi separat pentru prima data componenii determinani ai radioactivitii pehblendei. Studiind mpreuna obinerea de uraniu pur din minereuri, soii Curie descoper doua noi elemente radioactive, si anume poloniul si radiul. Au urmat

4

patru ani de munca intensa, in condiii improprii si duntoare sntii lor, in urma crora, prelucrnd tone de minereu au obinut primul decigram de radiu pur. In anul 1903 li s-a decernat soilor Curie premiul Nobel pentru fizica. Soii Curie precum si fizicianul Ernest Rutheford si francezul Paul-Ulrich Willard au analizat mai profund natura acestor radiaii si au ajuns la rezultate foarte interesante, care au reprezentat un pas enorm in lupta pentru cunoaterea constituiei atomului. Marie si Pierre Curie sunt un exemplu de oameni de tiina care cu abnegaie au pus toata tiina si munca lor in slujba progresului omenirii. Perfect contient de pericolul ce l-ar fi reprezentat folosirea radioactivitii in detrimentul comunitii, Pierre Curie socotea cu optimism ca : Noile descoperiri vor aduce omenirii mai mult bine dect ru, fiind ferm convins ca aceasta nu depinde dect de oameni si de modul in care vor fi utilizate toate aceste descoperiri. Experiena fcuta de Rutheford prin care obinuse prima transmutaie artificiala a fost att de senzaionala nct muli fizicieni din toate tarile s-au preocupat de aceasta problema, folosind particulele alfa ca proiectile, cu care bombardau atomii diverselor elemente chimice. Urmrind mai departe aceste experiene, doi fizicieni francezi, Frederic Joliot-Curie si soia sa Irene studiau efectul particulelor alfa emise de poloniul radioactiv asupra unor elemente chimice. Ei pstrau intr-un vas de aluminiu, sarea de poloniu pe care o foloseau. Se tie ca aluminiul retine cu uurina particulele alfa, totui au observat ca in afara vasului existau radiaii care influenau aparatele de msura pe care le foloseau. Analiznd radiaiile acestea, soii 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, dei sursa de radiaii alfa, emisia de neutroni nceta, cutia de aluminiu emitea in continuare pozitroni. Studierea fenomenului a artat ca prin bombardarea nucleului de aluminiu cu particule alfa, acesta absoarbe doi protoni si doi neutroni, un neutron fiind expulzat. Se formeaz un nucleu al crui element care are deci doi protoni si un neutron mai mult dect 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, trecnd cu timpul in elementul siliciu radioactiv cu masa 30 si sarcina 14. Dup obinerea de ctre Joliot-Curie a primului element radioactiv artificial, siliciul 30, ceea ce a constituit descoperirea radioactivitii artificiale, a urmat prepararea de ctre diveri cercettori a unei serii ntregi de radioizotopi artificiali, astzi fiind cunoscui radioizotopi aproape ai tuturor elementelor chimice. O particularitate a nucleelor unor izotopi radioactivi artificiali o constituie un fenomen care a prut curios la nceput. In loc sa se observe o emisie gama la unele nuclee cu exces de energie, se observa o emisie de electroni nsoita de o radiaie roentgen. Fenomenul a fost cercetat si explicat prin aceea ca, la unele5

nuclee mai grele ce se formeaz, energia excedentara, in loc sa fie emisa ca radiaii gama, este transmisa unui electron din primul strat, ce este proiectat in afara atomului. In urma acestui fapt, straturile de electroni se rearanjeaz, dnd natere radiaiei roengen. Fenomenul este cunoscut sub denumirea de conversie interna. Radioactivitatea naturala Aa cum s-a artat, procesul de dezintegrare radioactiva a fost pus in evidenta mai nti la elementele naturale radioactive. Radioactivitatea naturala a fost definitiv stabilita la toate elementele care au Z>83. Acestea aparin unei serii de elemente radioactive care formeaz 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 238 Th(1.39*1010ani) si este cunoscuta ca satisfcnd o relaie de tip 4n. Produsul final stabil este 208Pb. O a-3-a serie are ca element iniial printe 238U(7.1*108ani)si, dup o serie de transmutaii succesive ca in cazurile precedente, se determina cu izotopul stabil al plumbului 207Pb. Aceasta serie satisface relaia 4n+3. In cadrul celor trei serii radioactive exista asemnri interesante. Fiecare are cate un descendent, gazul radioactiv(emanaia) :radon, thoron, actinon. Descendenii gazoi radioactivi au permis stabilirea celorlali membrii ai seriei. O data cu perfecionarea mijloacelor de detecie a radiaiilor, s-au gsit si alte radioactivitii naturale, fr sa mai apar insa ultimele serii ca in cazurile anterioare. In ultima alternativa, elementele radioactive naturale formeaz o singura transmutaie prin care izotopul radioactiv se dezactiveaz la un nucleu instabil. Printre izotopii radioactivi ai elementelor care se gsesc in natura amintim : 40 K(0.012% ; 1.2*109, beta ; CE) 87 Rb(27.8%; 6.2*1010ani; beta) 147 Sm(15.1%; 1.3*1011ani;alfa) 115 In(95.8%; 6.0*1014ani; beta) 190 Pt(0.012% ;1012ani; alfa) In paranteza s-a notat abundenta in %(coninutul de izotop in element al sau), timpul si emisia(captura electronica, K). Numrul elementelor radioactive naturale este mult mai mare, insa descoperirea lor este lenta datorita aparaturii de detecie cu capaciti reduse.

6

Radioactivitatea artificiala Pana in 1934 numai elementele radioactive naturale erau cunoscute, insa in anul 1934, Irene si Frederic Joliot au artat ca aluminiul si magneziul pot deveni radioactive daca sunt bombardate cu particule alfa de la poloniu. Dup aceasta descoperire, a radioactivitii induse pe o cale artificiala, s-a pus problema utilizrii unor resurse de particule alfa mai energice innd seama de bariera de potenial a nucleelor. Astfel s-au construit acceleratoarele. Dup descoperirea neutronului, s-a stabilit eficacitatea deosebita a acestuia(in special a neutronului lent) de a produce izotopi radioactivi, respectiv radioactivitatea artificiala. Neutronul prezint avantajul ca nu are sarcina, deci poate sa ptrund cu uurina in nucleul inta. O data cu folosirea surselor de neutroni ca particule bombardate, numrul izotopilor radioactivi obinui pe cale artificiala a crescut enorm(la 36) Actualmente, radioactivitatea artificiala, respectiv izotopii radioactivi sunt produi prin bombardarea cu particule cu sarcina, obinute 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 reacie nucleara. Radiaia artificiala este folosita in multe ramuri ale activitii omeneti. De exemplu, n industrie este folosita pentru controlul proceselor i a calitii produselor, iar in scop de studiu, este folosita in institute de cercetare i nvmnt superior. Dezintegrarea nucleelor Dup ce Becquerel face observaia ca srurile de uraniu emit o radiaie invizibila care trece prin hrtie, lemn, sticla etc., iar mai apoi nnegrete hrtia fotografica, urmeaz descoperirea radioactivitii, soii Curie observnd o comportare similara la sruri ale toriului. Ei separa radiul din U3O8. Proprietile radiaiilor emise sunt studiate de Rutheford, Curie, Bragg, iar mai trziu, prin separri chimice, se stabilete si comportarea izotopilor rezultai. Astfel s-a ajuns la definitivarea unei teorii privind radioactivitatea unor izotopi ai uraniului si toriului, ai descendenilor acestora, care de asemenea sunt produse radioactive, adic emit si ele radiaii, fie ele de natura corpusculara(alfa, beta), fie de natura electromagnetica(gama). Totodat Soddy emite legea de deplasare prin care se prevede descendentul rezultat in urma emisiei unei radiaii nucleare. Studiile respective au relevat ca radiaia emisa are ca origine nucleul atomului si ca in urma dezactivrii, nucleul i schimba coninutul energetic trecnd de pe un nivel energetic superior pe altul inferior.

7

Ca o concluzie a celor enunate se poate spune ca, prin dezintegrare, nucleul inutila va trece in alt nucleu(adic emite radiaii corpusculare) sau daca trece in izomerul sau se va afla pe un nivel energetic inferior. Procesul prin care se face aceasta dezactivare se numete dezintegrare radioactiva, radioactivitatea fiind proprietatea unor nuclee de a emite radiaii nucleare. Felul in care are loc acesta dezintegrare variaz de la un izotop la altul. Astfel s-a observat ca unii izotopi proaspt separai pe cale chimica se dezintegreaz foarte repede(234Pa), iar dup cca. 10 minute nu se mai poate decela radioactivitate, in timp ce 238U, cu o viteza de dezintegrare mult mai mica, practic i menine greutatea. Studierea fenomenului in sine a dus la concluzia ca procesul de dezintegrare se supune calculului probabilitilor. Fiecare nucleu are o viata a sa si deci o probabilitate de a se dezintegra. Aceasta probabilitate nu depinde de modul in care a aprut nucleul si nici nu poate fi influenata in prezent de orice mijloc s-ar folosi(presiune, temperatura, reactiv chimic etc.). Singurul factor care-l influeneaz este timpul. Se poate astfel atribui o constanta de dezintegrare care indica numrul de nuclee dezintegrate in unitatea de timp. Istoria consumului de energie Unica sursa de energie care a alimentat civilizaia noastr pana in acest secol a fost energia solara , nmagazinata sub forma de energie chimica , prin procesul de fotosinteza , in surse regenerative (lemnul, apele , vntul) sau in combustibili fosili (crbune , petrol , gaze) a cror constanta de formare este de ordinul milioanelor de ani. Am putea spune , fr sa greim prea mult , ca , sub aspect energetic am fost sclavii Soarelui si nu este de mirare ca popoarele din antichitate au fcut din Soare unul dintre principalii zei ai religiilor primitive . Una dintre problemele principale, de a crei soluionare depinde dezvoltarea civilizaiei noastre , problema care a revenit pe I plan al preocuprilor din ultimii ani , este asigurarea cu energia necesara dezvoltrii activitilor de baza care condiioneaz evoluia progresiva a nivelului de trai al populaiei 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 cretere , nu poate fi nu poate sa nu conduc la o problema a energiei necesare pentru dezvoltarea viitoare a omeniri . nceputul erei atomice Dup cum am spus pana nu demult am fost sclavii soarelui ,dar primul pas ctre dezrobirea fost fcut de fizicianul Becqerel pe 26 feb. 1898 cnd acesta

8

a lsat cteva placi fotografice ferite de lumina , in apropierea unui minereu de uraniu . developndu-le le descoper nnegrite, ca si cnd ar fi fost expuse la lumina De aici, el a tras concluzia ca minereul de uraniu emite radiaii necunoscute. De aceea fizicienii francezi Marie Curie si Pierre Curie si-au dedicat muli ani cercetrii radiaiilor radioactive . mpreuna, aceti 3 cercettori au primit premiul Nobel pentru fizica in 1903. Identificarea si cercetarea acestor radiaii ncepe sa-i pasioneze pe cercettori. Aa ca la nceputul secolului nostru Rutheford si elevii lui , Chadwick, Cockfroft si Walton au investigat proprietile nucleelor cu ajutorul unor particule accelerate artificial la energii cinetice mai mari dect cele ale radiaiilor, emise de substane radioactive. Fuziunea sta la baza obinerii energiei nucleare. Acest proces consta in absorbirea unui neutron de ctre 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 accelereaz puternic fragmentele rezultate, care ating viteze foarte mari. Datorita vitezei lor mari, aceste fragmente, in urma fisiunii pot ptrunde, la rndul lor in ali atomi, unde provoac alte fisiuni. Fisiunea nuclear

Fisiunea se face prin absorbia unui neutron de un nucleu greu de uraniu 235, n urma reaciei rezultnd cesiu 140, rubidiu 93, 3 neutroni i 200 MeV sau 7.7x10-12 calorii. n cadrul unei reacii de fisiune nuclear este eliberat o cantitate de energie de 10 milioane de ori mai mare dect n cazul unei reacii chimice obinuite. Energia eliberat de cantitatea de 1 Kg de uraniu 235 este de 18.7 milioane Kwh de cldur. Neutronii eliberai n urma reaciei reacioneaz cu alte nuclee de uraniu, n urma reaciei neutronii nmulindu-se. n urma acestui proces se formeaz o reacie susinut sau o reacie n lan care duce la o eliberarea continu de energie. n mod natural uraniul conine 0,71 % uraniu 235, restul fiind uraniu 238. O mas de uraniu natural, orict de mare, nu poate susine o reacie n lan din cauza faptului c numai uraniul 235 produce uor fisiunea. Probabilitatea ca un neutron cu o energie de aproximativ 1 MeV s produc fisiune este sczut, dar probabilitatea poate fi crescut de sute de ori cnd neutronul este ncetinit printro serie de coliziuni elastice cu nuclee uoare ca hidrogen deuteriu sau carbon. n decembrie 1942 fizicianul italian Enrico Fermi a reuit s produc prima reacie nuclear n lan la Universitatea din Chicago. Acest lucru a fost9

reuit printr-o combinaie de uraniu natural i grafit natural, acesta avnd rolul de a ncetini neutronii. Energia nuclear se poate obine prin fuziunea a doi nuclei uori n unul mai greu. Energia dat de stele i de soare provine din reacii nucleare de fuziune din interiorul lor. n prezena unei presiuni enorme i a unei temperaturi de peste 15 milioane C ce este n stele, nucleul de hidrogen se combin ca n ecuaia de mai jos, dnd natere la majoritatea energiei degajat de soare.

Fuziunea Nuclear Fuziunea nuclear a fost realizat pentru prima dat prin anii 1930 prin bombardarea unei inte coninnd deuteriu, izotopul hidrogenului cu masa 2, cu deuteroni ntr-un ciclotron. Pentru a accelera raza de deuteroni este necesar folosirea unei imense cantiti de energie, marea majoritate transformndu-se n cldur. Din aceast cauz fuziunea nu este o cale eficient de a produce energie. n anii 1950 prima demonstraie la scar larg a eliberrii unei cantiti mari de energie n urma fuziunii, necontrolat a fost fcut cu ajutorul armelor termonucleare n SUA, URSS, Marea Britanie i Frana. Aceast experien a fost foarte scurt i nu a putut fi folosit la producerea de energie electric. n cadrul fisiunii, neutronul, care nu are sarcin electric poate interaciona uor cu nucleul, n cazul fuziunii, nucleele au amndou sarcin pozitiv i n mod natural nu pot interaciona pentru c se resping conform legii lui Coulomb, lucru care trebuie contacarat. Acest lucru se poate face cnd temperatura gazului este suficient de mare 50-100 milioane C. ntr-un gaz de hidrogen greu izotopii deuteriu i tritiu la aa temperaturi are loc fuziunea nuclear, eliberndu-se aproximativ 17,6 MeV pe element de fuziune.

Energia apare la nceput ca energie cinetic a lui heliu 4, dar este transformat repede n cldur. Dac densitatea de gaz este suficient, la aceste temperaturi trebuie s fie de 10-5 atm, aproape vid, energia nucleului de heliu 4 poate fi transferat gazului de hidrogen, meninndu-se temperatura nalt i realizndu-se o reacie n lan. Problema de baz n atingerea fuziunii nucleare este cldura gazului i existena unei cantiti suficiente de nuclee pentru un timp ndelungat pentru a permite eliberarea unei energii suficiente pentru a nclzi gazul. O alt problem este captarea energiei i convertirea n energie electric. La o temperatur de10

100.000 C toi atomii de hidrogen sunt ionizai, gazul fiind compus din nuclee ncrcate pozitiv i electroni liberi ncrcai negativ, stare numit plasm. Plasma cald pentru fuziune nu se poate obine din materiale obinuite. Plasma s-ar rci foarte repede, i pereii vasului ar fi distrui de cldur. Dar plasma poate fi controlat cu ajutorul magneilor urmnd liniile de cmp magnetic stnd departe de perei. n 1980 a fost realizat un astfel de dispozitiv, n timpul fuziunii temperatura fiind de 3 ori mai mare ca a soarelui. O alt cale posibil de urmat este de a produce fiziune din deuteriu i tritiu pus ntr-o sfer mic de sticl care s fie bombardat din mai multe locuri cu un laser pulsnd sau cu raze ionice grele. Acest procedeu produce o implozie a sferei de sticl, producndu-se o reacie termonuclear care aprinde carburantul. Progresul n fuziunea nuclear este promitor dar nfptuirea de sisteme practice de creare stabile de reacie de fuziune care s produc mai mult energie dect consum va mai lua ceva decenii pentru realizare. Activitatea de experimentare este scump. Totui unele progrese sau obinut n 1991 cnd o cantitate important de energie (1,7 milioane W) a fost produs cu ajutorul reacie de fuziune controlat n Laboratoarele JET din Finlanda. n 1993 cercettorii de la Universitatea din Princeton au obinut 5.6 milioane W. n ambele cazuri s-a consumat mai mult energie dect s-a creat. Dac reacia de fiziune devine practic ofer o serie de avantaje: o surs de deuteriu aproape infinit din oceane, imposibilitatea de a produce accidente din cauza cantitii mici de carburant, reziduurile nucleare sunt mai puin radioactive i mai simplu de manipulat. Reactorul Nuclear Transmutaiile radioactive naturale precum si reacii nucleare produse artificial, prin reacii de fisiune nucleara au ca rezultat, degajarea unor mari cantiti de energie pe unitatea de masa a substanei cu care reacioneaz. Posibilitatea utilizrii energiei nucleare s-a realizat o data cu descoperirea fisiunii nucleare si procedeul obinerii reaciei in lan. Reacia nucleara continua si reglabila se realizeaz in rectori nucleari (pilele atomice). In reactoare se utilizeaz uraniu 23592U. Condiia necesara pentru decurgerea reaciei nucleare in lan este masa suficienta de uraniu din reactor. Neutronii care se formeaz in procesul reaciei nucleare, pot iei prin suprafaa uraniului afara si participa la dezvoltarea reaciei in lan. Pentru ca fraciunea de aceti neutroni sa fie mica, in comparaie cu volumul lui, trebuie ca masa uraniului din reactor sa fie suficient de mare si sa depeasc o anumita masa critica. Pe de alta parte, pentru ca reacia sa nu decurg prea violent, trebuie reglat numrul de neutroni, nepermitandu-I s creasc prea mult.

11

Aceasta se realizeaz printr-o absorbie a neutronilor termici excedentari cu ajutorul unor elemente ca borul (B) si cadmiul (Cd). Un reactor nuclear este alctuit din:

- spaiul in care sunt aezate blocurile de uraniu (23592U) si de moderatori (de obicei, grafit) A; - reflectorul de neutroni care au prsit spaiul in care se desfoar reacia B; - strat de protecie care protejeaz spaiul nconjurtor de aciunea radiaiilor emise in timpul desfurrii reaciei nucleare C; - bare de cadmiu (Cd) sau bor (B) D si E care sunt introduse in volumul A si ncetinesc reacia de fisiune nucleara. Introducerea barelor se face in mod automat, imediat ce puterea reaciei nucleare depete o anumita limita. Apa este folosita pentru rcirea blocurilor de uraniu, iar aburul rezultat din fierberea apei pune in micare turbina unui generator electric care produce energie electrica. Aceasta ar fi un aspect al obinerii energiei in reactoarele nucleare, dar cel mai trist aspect l constituie problema deeurilor nucleare radioactive si stocarea lor. ntrebuinri ale energiei nucleare In 1990 existau 435 de centrale nucleare operaionale acoperind 1% din necesarul energetic mondial. Intr-un reactor nuclear se obine cldura prin dezintegrarea atomilor radioactivi de uraniu-235. Aceasta este folosita pentru a produce abur care pune in micare rotorul turbinelor, genernd electricitate.U-235 este un izotop relativ rar al uraniului, reprezentnd doar 7% din cantitatea totala de uraniu disponibil. Restul este izotopul U-238. Un izotop este o forma a unui element identica chimic cu ali izotopi, dar cu masa atomica diferita. La fel ca si combustibilii fosili, U-235 nu va dura o venicie. Exista un anumit tip de reactor, numit

12

reactor de cretere, care transforma U-238 intr-un alt element radioactiv, plutoniu-239. Pu-239 poate fi utilizat pentru a genera cldura. Pana acum doar sase tari au construit astfel de centrale experimentale. Dintre acestea, reactorul 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 prezint numeroase avantaje. Este economica: o tona de U235 produce mai multa energie dect 12 milioane de barili de petrol. Este curata in timpul folosirii si nu polueaz atmosfera. Din pcate exista si cteva dezavantaje. Centralele nucleare sunt foarte scumpe. Produc deeuri radioactive care trebuie sa fie depozitate sute de ani nainte de a deveni inofensive. Un accident nuclear, ca cel produs in1986 la centrala nucleara de la Cernobal, in Ucraina, poate polua zone ntinse si poate produce mbolnvirea sau chiar moartea a sute de persoane. Cercetrile se ndreapt ctre descoperirea de noi surse inepuizabile de energie. Unele dintre ele sunt deja utilizate. Energia eoliana (a vntului) a fost folosita de sute de ani la propulsia corabiilor si la acionarea morilor de vnt. Turbinele eoliene moderne au fost construite sa poat genera electricitate. Doar in California se gsesc 15000 de asemenea turbine. Oamenii de tiina din SUA au calculat ca ntreaga cantitate de energie ar putea fi generata de vnt. Energia solara este data de cldura 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 spaiul 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, reacia de fisiune nu este ncetinita; ea se amplifica si are loc cu degajare uriaa de energie. Potenialul acestei arme a fost contientizat atunci cnd pe data de 6 august 1945, a fost lansata asupra Hiroshimei bomba atomica supranumita si Little boy. O gigantica sfera de foc a nceput sa se rspndeasc din punctul iniial al exploziei. Intr-o clipa au fost ucii 66 000 de oameni, iar ali 69 000 au fost rnii. 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 puin de 2 kilometri, a ars. Suflul exploziei a fcut pagube majore si la 3 kilometri de locul exploziei.

13

Trei zile mai trziu, pe 9 august 1945, deasupra oraului japonez Nagasaki a fost detonata o bomba cu plutoniu, supranumita Fat guy). 39 000 de oameni au fost ucii, iar ali 25 000 rnii. De atunci nu s-a mai folosit niciodat o bomba atomica mpotriva oamenilor. Vreme de decenii, radiaiile ionizate au constituit doar o curiozitate de laborator, cunoscut numai ctorva iniiai. Descoperirea radioactivitii artificiale i apoi aceea a fisiunii uraniului, n deceniul al patrulea al acestui secol, au dat un puternic imbold cercetrilor de fizic nuclear. Pentru marele public, energia nuclear a ieit ns din anonimat abia dup aruncarea celor dou bombe atomice n 1945 asupra Japoniei. Construirea rectorilor nucleari i posibilitatea de a utiliza aceste instalaii pentru a produce energie electric n cantitate mare, au transferat apoi problema cercetrii radiaiilor, i odat cu aceasta i problema protecie contra radiaiilor, n plin domeniu industria i economic. Creterea necontenit a numrului de reactori nucleari i a puterii acestora necesit aplicarea unor msuri de securitate pentru a evita eventualele accidente i consecinele lor ca de exemplu cel de la Windscale, Anglia n octombrie 1957 cnd au fost eliminate n mod accidental n atmosfer importante substane radioactive care au produs contaminarea solului, a produciei agricole i a apei potabile din ntreaga regiune. Prin poluare, sau contaminare, radioactiva, se nelege prezena nedorit sau accidental, a materialelor radioactive, n interiorul sau la suprafaa unor factori de mediu (cum sunt apa, aerul, alimentele) sau n organisme vii situaie n care se depete coninutul radioactiv natural propriu al produsului respectiv. Una din principalele surse de poluare radioactiv a globului pmntesc i avea proveniena n exploziile nucleare din atmosfer. Dac la 16 iulie 1945 n deertul Alamogordo, statul New Mexico a avut loc prima explozie experimental a unei bombe atomice lucrurile nu s-au oprit aici i la 6 august 1945 ora 8:15 la Hiroshima n Japonia explodeaz prima bomb aruncat asupra populaiei, ca msur militar de distrugere, pentru ca n 9 august 1945 s explodeze cea de-a doua bomb atomic la Nagasaki. n urma acestor dou explozii bilanul a fost: Hiroshima 78.150 13.983 37.425 235.650 Nagasaki 23.753 2.924 23.345 89.025

Mori Disprui Rnii Atini de arsuri

n 1956 existau n evidena spitalelor 6000 de bolnavi la Hiroshima i 3000 de bolnavi la Nagasaki cu sechele dup iradiere, care necesitau diferite14

tratamente, la momentul actual n lume existnd aproximativ 300000 de persoane ca victime ale exploziilor nucleare. La 22 ianuarie 1954 marinarii vasului Fukuriumarii no.5 au sesizat un fenomen neobinuit, globul de foc al exploziei termonucleare de pe atolul Bikini. Drept urmare toi membrii echipajului i petele prins au fost afectai de cenua radioactiv att la suprafa ct i n interiorul organismului. Alt urmare a acestei explozii a fost cderea ploilor radioactive n luna mai a aceluiai an, radioactivitatea meninndu-se la un nivel msurabil pn n septembrie1954. Imediat dup 1954 L. Pauling a demonstrat c izotopul C14 apare n mod artificial cu o frecven crescnd, depunndu-se pe sol. Tot el a atras atenia asupra prezenei izotopului Sr90 n depunerile atmosferice de pe teritoriul S.U.A. Poluarea radioactiv a atras atenia pentru prima oar n mod deosebit n anul 1965 la Salt Lake City n Statele Unite ale Americii, cnd nou adolesceni au fost internai n spital datorit unor noduli anormali ai glandei tiroide. Anchetarea cazurilor a condus la constatarea c aceti copii, cu 15 ani n urm (1950), au suferit consecinele unor depuneri atmosferice radioactive provenite de la poligonul din Nevada, aceste depuneri coninnd izotopul I-131. Studii recente au artat c datorit tuturor cauzelor de poluare radioactiv, doza de radiaii pe cap de locuitor a crescut n ultimii 20 de ani de 5 pn la 10 ori. Iradierea ndelungat, chiar cu doze mici, poate produce leucopenii, la malformaii congenitale, pe cnd iradierea cu doze mari duce la accentuarea leucopeniei, la eriteme, la hemoragii interne, cderea prului, sterilitatea complet iar n cazurile extreme produce moartea. Printre principalele surse de poluare radioactiv se numr: a) Utilizarea practic n industrie, medicin, cercetare a diferitelor surse de radiaii nucleare, care, ca materiale radioactive, se pot rspndi necontrolate n mediu b) Exploatri miniere radioactive, la extragere, prelucrare primar, transport i depozitare, pot contamina aerul, prin gaze i aerosoli, precum i apa prin procesul de splare c) Metalurgia uraniului sau a altor metale radioactive i fabricarea combustibilului nuclear, care prin prelucrri mecanice, fizice, chimice, poate cuprinde n cadrul procesului tehnologic i produi reziduali gazoi, lichizi sau solizi stocarea, transportul eventual evacuarea lor pot determina contaminarea mediului d) Instalaiile de rafinare i de retratare a combustibilului nuclear e) Reactorii nucleari experimentali sau de cercetare, n care se pot produce industrial noi materiale radioactive f) Centralele nuclearoelectrice care polueaz mai puin n cursul exploatrii lor corecte, dar mult mai accentuat n cazul unui accident nuclear15

g) Exploziile nucleare experimentale, efectuate ndeosebi n aer sau n ap i subteran, pot contamina vecintatea poligonului ct i ntregul glob, prin depunerea prafului i aerosolilor radioactivi, generai de ctre ciuperca exploziei h) Accidentele n transportul aerian, maritim, feroviar sau rutier a celor mai felurite materiale radioactive. Principalele elemente ce contribuie la poluarea radioactiv sunt clasificate i dup gradul de radioactivitate dup cum urmeaz: a) Grupa de radiotoxicitate foarte mare: 90Sr, 226Ra, 210Po, 239Pu b) Grupa de radiotoxicitate mare: 45Ca, 89Sr, 140Ba, 131I, U natural c) Grupa de radiotoxicitate medie: 24Na, 32P, 60Co, 82Br, 204 Tl, 22Na, 42 K, 55Fe d) Grupa de radiotoxicitate mic: 3H, 14C, 51Cr, 201Tl Clasificarea efectelor biologice Efectele somatice bine conturate Efectele somatice stocastice Efecte genetice Precoce ntrziat Precoce ntrziat Prima generaie Generaiile urmtoare Eritem, leucopenie, epilaie Cancer de piele, osteosarcom Tulburri neuro-vegetative Leucemie, cancer tiroidian Malformaii ereditare i reducerea natalitii Malformaii recesive, capacitii imunobiologice congenitale; diminuarea

Dublarea necesitilor de energie electric, la fiecare 12-13 ani, a fcut s creasc brusc interesul pentru reactorii nucleari, impunnd dezvoltarea centralelor nuclearoelectrice, cretere competitivitii energiei electrice de origine nuclear i ridicarea continu a performanelor atinse de reactorii acestor centrale, ca temperatura i presiunea agentului transportor de cldur, a puterii instalate pe unitatea de mas a zonei active a reactorului. ns fr msuri de radioprotecie corespunztoare, reactorii nucleari pot produce i:

16

a) contaminarea parial a mediului ambiant i anume - a atmosferei, prin produsele de fisiune volatile ca 131I, 133Xe - a apei folosit ca agent de rcire - a solului din vecintatea care se contamineaz cu produse de fisiune b) o mare cantitate de deeuri radioactive, a cror evacuare pune probleme grele pentru a evita contaminarea mediului n care se face evacuarea. Aceast surs de energie - energia nuclear a fost adus la cunotin omenirii prin fora distructiv i va fi mult vreme privit cu team i suspiciune, ntmpinnd destule obstacole n drumul dezvoltrii ei n scopuri panice. De aceea se impune familiarizarea maselor largi cu probleme nucleare, ntruct aplicaiile panice ale energiei nucleare se dovedesc eseniale pentru progresele i evoluia societii umane.

Efectele biologice ale radiaiilor - radioproteciaFr radiaii nu am fi fost i nu am putea fi, dar cu prea multe radiaii nu putem tri Activitatea vital a tuturor sistemelor organizate biologic i n special a omului, se desfoar ntr-un univers supus aciunii unei multiple i variate game de radiaii, de la cele sesizabile direct cu simurile noastre, pn la cele sesizabile doar prin intermediul unei aparaturi, uneori foarte complicate. Mediul nconjurtor conine surse naturale de radiaii, existente de miliarde de ani pe planeta Pmnt nc de la formarea acestuia, nsoind apariia i evoluia vieuitoarelor, inclusiv a omului. Prin activitatea sa economic i social de-a lungul timpului, omul a modificat i modific sursele naturale de radiaii, crend astfel o radioactivitate natural suplimentar. Radiaiile sunt de origine i natur foarte variate, clasificndu-le astfel: radiaii electromagnetice, X sau de nalt frecven, avnd aceiai natur ca lumina radiaii corpusculare ncrcate electric: , , ioni accelerai radiaii corpusculare neutre electric: neutroni. Radiaiile nucleare pot aciona asupra organismului n trei moduri: aciune direct, aciune indirect i aciune la distan.17

Prin aciune direct sunt lezate macromoleculele de mare importan, chiar vital (proteine, acizi nucleici) care sufer transformri datorit ionizrii sau excitrii directe. Aciunea indirect este datorat elementelor care apar n urma proceselor radiochimice. Mediul principal n care se desfoar procesele biologice fiind apa, efectele apar datorit ionizrii acesteia (apar ioni sau radicali) care acioneaz ca ageni oxidani i reductori asupra unor componente eseniale celulare, perturbnd funcionarea normal a acestora. Efectele biologice care apar n urma iradierii, sunt dependente de: doza de radiaii i debitul dozei. Efectele biologice ale radiaiilor pot fi grupate astfel: Efecte somatice care apar la nivelul celulelor somatice i acioneaz asupra fiziologiei individului expus, provocnd distrugeri care duc fie la moartea rapid, fie la reducerea semnificativ a speranei medii de via. Leziunile somatice apar n timpul vieii individului iradiat i pot fi imediate sau tardive efectele somatice imediate sau pe termen scurt, se manifest la cteva zile , sptmni sau luni de la iradiere. Aceste efecte sunt de regul nestochastice (nealeatorii) adic se produc la toi indivizii expui la o doz superioar dozei de prag. Efectele somatice tardive sunt cele care apar dup o perioad mai lung de timp, de ordinul anilor, numit perioad de laten i se manifest n special sub form de leucemie sau cancer. Aceste efecte sunt de natur stocastic (ntmpltoare) n sensul c este imposibil de evideniat o relaie cauzal direct probabilitatea producerii unui efect este proporional cu doza de iradiere. Efecte genetice care apar n celulele germinale sexuale din testicule sau ovare aceste mutaii letale sau subletale la descendeni se datoreaz unor efecte imediate ale radiaiilor cum ar fi: alterarea cromozomilor (translocaii, apariia de extrafragmente) ruperea unor segmente de cromatin, alterarea chimic a codului genetic, fie prin aciunea radicalilor liberi asupra bazelor azotate ale acizilor nucleici, fie prin ruperea lanului acelorai acizi. Gravitatea efectelor mutagene apare prin transmiterea la descendeni a unor translocaii cromozomiale, efect biologic, care apare i la doze mai mici. Dozele de radiaii care pot produce apariia unui minim de mutaii ntr-o generaie de indivizi, ntr-un ecosistem, dac sunt meninute n permanen pot conduce la adevrate catastrofe ecologice n generaiile urmtoare. Dozimetrie si radioprotecie Dozimetria reprezint totalitatea metodelor de determinare cantitativ a dozelor de radiaii n regiunile n care exist sau se presupune c exist un cmp de radiaii, cu scopul de a lua msuri adecvate pentru protecia personalului ce i desfoar activitatea n acea zon. Radioprotecia = totalitatea metodelor i mijloacelor de reducere a efectelor nocive ale radiaiilor. Sursele de iradiere pot fi: surse externe aflate n afara organismului i surse interne aflate n interiorul organismului.

18

Protecia mpotriva efectelor nocive ale radiaiilor, produse de sursele externe, poare fi: protecie fizic realizat prin mijloace de reducere a dozei de expunere, ca: distana, ecranarea, timpul de expunere; protecie chimic prin folosirea unor substane chimice (cistamina, gamofos, etc.), care se administreaz nainte sau dup iradierea persoanei; protecie biochimic realizat prin folosirea unor preparate sau macromolecule biologice (snge, plasm, etc.) care administrate imediat dup iradiere, ajut la refacerea celular; protecie biologic se realizeaz prin transplantul de celule viabile n mduv (hematoformatoare). Reducerea gradului de contaminare radioactiv se poate realiza prin: decontaminare ndeprtarea izotopilor radioactivi din tubul digestiv (cu alginat de sodiu, fosfat de aluminiu, etc.) i din arborele traheobronic (prin splri cu ser fiziologic; decorporare eliminarea izotopilor radioactivi fixai n diferite organe (cu sare de Zn sau Ca a acidului dietilen triamino pentaacetic); diluie izotopic administrarea iodurii de potasiu mpotriva Iodului 131, consumarea unor cantiti mari de ap pentru reducerea fixrii tritiului n organism, etc. Msurile de radioprotecie, pot fi grupate n: msuri preventive; msuri de supraveghere; msuri de limitare i lichidare. Efectul nociv al radiaiilor asupra materiei vii este datorat proprietii de a ioniza mediul prin care trec, ionizarea fiind modul dominant de pierdere a energiei de ctre radiaii cnd traverseaz mediul material. Materia vie este caracterizat prin existena unor molecule deosebit de mari ale cror proprieti i funcionalitate biochimic pot fi ireversibil perturbate. Astfel, un act de ionizare, de trecere a unui electron pe un alt nivel n acest ansamblu, sau de smulgere a lui, provoac mari schimbri n caracteristicile moleculei respective, schimbri care acumulate la nivelul celulei se pot traduce prin grave dereglri ale metabolismului, culminnd cu moartea celulei sau cu erori de structur i funcionare a aparatului genetic celular, de tip cancerigen sau mutagen. Mrimi i uniti legate de efectul biologic al radiaiilor Doza de iradiere este cantitatea de energie cedat unitii de mas D = dW/dm; < D > SI = 1Grey = 1Gy = 1J/kg; < D > tot = 1rad (rad-ul) = 10-2J/kg; (rad = Radiation Absorbed Doze = doz de radiaii absorbit) ; 1 rad = 10-2Gy Expunerea (dQ/dm) sarcina electric total a ionilor de un semn produs n urma iradierii n unitatea de mas. Unitatea de msur este rntgen-ul R Echivalentul de doz H = Q.D, unde Q este factorul de calitate al radiaiei19

< H > SI 1Sv (Sievert); < H > tot = 1Rem; (rem = Rntgen Equivalent Man = Rntgen echivalent pentru om); 1 rem = 10-2Sv Mrimile dozimetrice menionate se refer la un timp de expunere oarecare. Dac se raporteaz efectul la unitatea de timp se definesc: Debitul dozei = dS/dt; < > SI = J/kg.s Debitul echivalentului de doz h = dH/dt < h > SI = 1Sv/s Doza permis pentru o persoan n funcie de vrst, se calculeaz cu formula: Dmax = 5(N 18)rem, unde N numrul de ani ai persoanei. Metodele de protecie contra radiaiilor se mpart n: Metode active cnd sursa radioactiv este nconjurat cu ecrane absorbante, care reduc mult intensitatea radiaiilor emergente, deci asigur securitatea celor ce se afl la limita exterioar a ecranelor. Metode pasive cnd se iau msuri de genul: persoanelor li se fixeaz durate limitate de lucru n spaiul respectiv li se dau alimente, medicamente antidot, mijloace de protecie individual, etc. Din cercetri medicale rezult ca: doza minim de iradiere global a ntregului organism este sub 20 Rem ntre 75 150 Rem apare boala actinic, cu riscul cazurilor mortale la doz superioar peste 700rem au efect letal. Datorit efectului cumulativ al iradierii, normele prevd c o persoan care la o singur iradiere a acumulat toat doza permis, s zicem ntr-un an, nu mai are voie s suporte alt iradiere n acel an. Iradierea accidental cumulat maxim admis este de 25Rem. Datorit efectelor genetice, pentru femeile gravide, dozele admise sunt mai mici fa d cele artate mai sus. Deoarece nu toate prile organismului sunt la fel de rezistente la iradiere, s-au stabilit doze maxime pentru diferite organe i pri ale organismului, precum i cazul n care radiaia nu atinge ntregul organism, ci doar poriuni din el. pentru organe izolate, exceptnd cristalinul i gonadele, doza este de 15Rem/an pentru oase, tiroid, pielea ntregului organism, cu excepia extremitilor, doza este de 30Rem/an pentru mini, antebrae, picioare i glezne doza este de 75Rem/an. Sunt cazuri cnd unele elemente radioactive pot ajunge s fie integrate de oameni prin apa de but sau alimente, sau inhalate odat cu aerul. Elementul radioactiv poate intra n circuitul metabolic i n aceste cazuri nsi sursa radioactiv se afl n organism i singura protecie posibil este folosirea de substane care elimin i insolubilizeaz elementul respectiv. Poate aprea situaia ca un element radioactiv, cu toate c este cantitativ sub limita admis20

pentru ntregul organism, concentraia sa ntr-un anume organ s fie suficient de ridicat pentru ca doza de radiaie permis pentru organul respectiv s fie depit. Astfel de organe care concentreaz preferenial un anume element se numesc organe critice, ca de exemplu: glanda tiroid pentru iod, sau sistemul osos pentru stroniu, care este omolog clinic pentru calciu. Pentru a exclude astfel de cazuri, normele de protecie admit concentraia limit ale acestor substane n ap i aer. n tabelul de mai jos, redm expunerea normal a omului la radiaii nucleare, astfel nct s v putei calcula fiecare doza natural: Echivalent Cauza Detaliu Explicaie doz I. Punct Nivelul mrii (se adaug la fiecare Radiaii 28 mrem/an geografic 150m n plus n altitudine) cosmice 50 mrem/an Calcaroas 30 mrem/an Radiaii Zona Sedimentar 12 terestre Granitic 0mrem/an Lemn 1 mrem/an Radiaiile Cas din: Crmid 20 mrem/an materialelo Granit 20 mrem/an r Radiaiile II. Carne, legume 20 mrem/an alimentelor Alimentaia 14 40 6Ca, 19K 4 mrem/an O cltorie cu avionul III. Mod de 3 mrem/an Radiaii Televizorul via 35 cosmice Examen radiologic mrem/an n funcie de valoarea dozei biologice a radiaiilor, apar efectele: Valoarea (1Sv = Efectele 100rem) 0 0,25 Sv Lipsa oricrei tulburri aparente 0,25 0,5 Sv Apar schimbri sanguine, ochi injectai Oboseal, ameeal, cataract, schimbri sanguine, 0,5 1 Sv opacizarea cristalinului, apariia alunielor Ameeli, oboseal, reducerea numrului de globule 1 2 Sv roii, scderea rezistenei la infecii Aceleai tulburri ca mai sus nsoite de cteva 2 4 Sv decese ntre 2 6 sptmni de la iradiere 4 6 Sv 50% decese, n intervalul de 30 zile de la iradiere Peste 6 Sv 100% decese, n mai puin de 15 zile de la iradiere21

Se tie de mai muli ani c doze mari de radiaii ionizante, mult mai mari dect radiaiile de fundal pot cauza cancer i leucemie la mai muli ani de la expunere. Se presupune, datorit experimentelor pe plante i animale, c radiaiile ionizante pot provoca mutaii genetice care afecteaz generaiile descendente, cu toate c nu exist dovezi n legtur cu radiaii care provoac mutaii la om. La nivele foarte mari de radiaii, ele pot provoca stri de disconfort i moartea la sptmni de la expunere. Nivelul efectelor cauzate de radiaii depind de mai muli factori: doza, frecvena dozrii, tipul radiaiei, organul expus, vrsta i sntatea. De exemplu, embrionul uman este deosebit de sensibil la radiaii. Dar care sunt ansele de apariie al cancerului de la doze mici de iradiere? Teoria cu cea mai larg rspndire este c orice doz de iradiere ct de mic presupune riscuri asupra sntii omului. Cu toate acestea, nu exist dovezi tiinifice n legtur cu riscul dozelor sub 50 mSv pe o durat scurt de aproximativ 100 mSv pe an, cercetrile arat c efectele benefice sunt la fel de posibile ca i cele adverse. Doze mari, acumulate de radiaii pot produce cancer, care ar fi observat peste civa (pn la 20) ani de la expunere. Acest decalaj face imposibil de precizat cu certitudine care din mulimea de posibili ageni au cauzat cancerul respectiv. n rile occidentale aproximativ un sfert din populaie moare datorit cancerului, avnd fumatul, factorii dietetici, genetici i puternica expunere la lumina solar ca principale cauze. Radiaiile sunt un factor cancerigen slab, dar la expuneri ndelungate cu siguran cresc riscurile asupra sntii. Organismul are mecanisme de aprare mpotriva pagubelor produse de radiaii, la fel i mpotriva altor factori cancerigeni. Acetia pot fi stimulai prin expuneri la doze mici de radiaii sau dimpotriv la doze foarte mari. Pe de alt parte, doze mari de radiaii direcionate spre o tumoare sunt folosite n terapii de iradiere mpotriva celulelor canceroase i prin urmare, deseori se salveaz viei omeneti. Adesea se folosete mpreun cu chimioterapia i operaia. Doze mult mai mari sunt folosite pentru nlturarea bacteriilor duntoare din mncruri, pentru sterilizarea pansamentelor i a altor echipamente medicale. Zeci de mii de oameni din rile dezvoltate lucreaz n medii n care pot fi expui la doze mari de radiaii (mai mari dect nivelul radiaiilor de fundal). Prin urmare ei poart ecusoane care monitorizeaz nivelul radiaiilor la care sunt expui. Fiele medicale ale acestor categorii de angajai arat c ei au o rat mai mic de mortalitate datorit cancerului sau altor cauze dect restul populaiei i n unele cazuri, rate mai mici dect angajaii care lucreaz n medii similare fr a fi expui la radiaii. Ce cantitate de radiaii ionizante prezint pericol? 10.000 mSv (10 Sv) pe durat scurt asupra ntregului corp ar cauza stri de vom i scderea brusc a celulelor albe din snge i moartea n cteva

22

INDIA

sptmni; ntre 2 i 10 Sv pe durat scurt ar cauza boli de iradiere cu posibilitatea crescut c doza ar putea fi fatal; 1.000 mSv (1 Sv) pe o durat scurt este chiar deasupra limitei de a cauza boli de iradiere imediate la o persoan cu un fizic mediu, dar cu siguran nu ar provoca moartea; dac o doz mai mare de 1.000 mSv acioneaz o perioad mai lung de timp, nu exist posibilitatea unor probleme medicale imediate, dar creeaz cu certitudine posibilitatea apariiei cancerului n anii care vor urma; peste 100 mSv probabilitatea apariiei cancerului (n contrast cu EUROPA severitatea bolilor de iradiere) crete direct proporional cu doza; 50 mSv este limita minim la care exist dovezi c produce cancer la aduli, este de asemenea cea mai mare doz permis prin lege ntr-un an de expunere la locul de munc; 20 mSv/an timp de 5 ani reprezint limita angajailor la radiologie, industria nuclear, extracia uraniului; 10 mSv/an reprezint doza maxim la care este supus un miner din minele de uraniu din Australia; 3 mSv/an este doza tipic (mai mare dect cea de fundal) natural la care este expus populaia n America de Nord, inclusiv o medie de 2 mSv/an datorit radonului din aer; 2 mSv/an reprezint radiaia de fundal din surse naturale. Aceasta este aproape de doza minim la care este expus orice om, oriunde pe planet; 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 fraciune mic a radiaiei de fundal care este inta pentru nivelul maxim de radiaie la gardul unei centrale nucleare (doza real este mult mai mic). Radiaiile de fundal care apar n mod natural sunt principala surs de expunere pentru cei mai muli oameni. Nivelele oscileaz ntre 1,5 i 3,5 mSv/an, dar poate depi 50 mSv/an. Cel mai mare nivel de expunere la radiaii de fundal care a afectat un numr mare de oameni a avut loc n Kerala i statul Madras (India) unde, aproximativ 140.000 oameni au fost expui la o doz de peste 15 mSv/an de radiaii pe lng o cantitate similar datorit radonului. Nivele comparabile s-au msurat n Brazilia i Sudan cu o expunere medie de pn la 40 mSv/an. n mai multe locuri din India, Iran i Europa nivelul radiaiilor de fundal depete 50 mSv, pn la 260 mSv (n Ramsar, n Iran). Dozele acumulate de-a lungul vieii datorate radiaiilor de fundal ajung la mii de mSv. Cu toate acestea, nu exist dovezi c ar exista probleme de sntate datorate nivelului ridicat de radiaii. Radiaiile ionizante sunt generate de industrie i de medicin. Cea mai cunoscut surs de radiaii sunt aparatele de radio-grafie, folosite n medicin. Radiaiile din surse naturale contribuie cu aproximativ 88% din doza anual

23

asupra oamenilor, pe cnd procedurile medicale cu 12%. Efectele radiaiilor naturale nu difer de cele artificiale. Pentru c expunerea la un nivel ridicat de radiaii ionizante produce un anumit risc, ar trebui s ncercm s le evitm n ntregime? Chiar dac am vrea, acest lucru este imposibil. Radiaiile au fost ntotdeauna prezente n mediul i n corpul nostru. Cu toate acestea, putem i ar trebui s minimalizm doza de expunere care nu ne este necesar. Radiaiile sunt foarte uor de detectat. Exist o varietate de instrumente simple, sensibile, capabile s detecteze mici cantiti de radiaii naturale sau artificiale. Exist patru ci prin care oamenii se pot proteja de sursele cunoscute de radiaii. 1. limitarea duratei expunerii: pentru oamenii care sunt expui la radiaii pe lng cele de fundal datorit naturii muncii lor, doza este micorat i riscul mbolnvirii n principiu eliminat prin limitarea duratei expunerii; 2. distana: la fel cum cldura unui foc este mai mic cu creterea distanei, i intensitatea radiaiilor descrete direct proporional cu distana de la surs; 3. bariere: barierele de plumb, beton sau ap ofer o protecie bun mpotriva radiaiilor penetrante cum ar fi radiaiile . Prin urmare, materialele radioactive sunt adesea depozitate sau mnuite n ap sau cu ajutorul roboilor n camere construite din beton gros sau cu perei mbrcai n plumb; 4. depozitare: materialele radioactive sunt izolate i inute n afara mediului. Izotopii radioactivi (de ex. cei pentru medicin) sunt eliminai n ncperi nchise, n timp ce reactoarele nucleare funcioneaz ntr-un sistem cu bariere multiple care mpiedic scurgerile de material radioactiv. Camerele au o presiune atmosferic sczut, astfel nct orice scurgere ar avea loc nu ar iei din ncpere. Standardele de protecie mpotriva radiaiilor sunt bazate pe mentalitatea conservativ c riscul este direct proporional cu doza, chiar i la nivele mici, cu toate c nu exist dovezi despre riscurile la nivele mici. Aceast presupunere, numit ipotez liniar nelimitat (linear no-threshold hypothesis) este recomandat ca protecie mpotriva radiaiilor, propus pentru stabilirea nivelelor admise de expunere la radiaii a peroanelor. Aceast teorie presupune c jumtate dintr-o doz mare (unde efectele au fost observate) va cauza efecte de dou ori mai mici, .a.m.d. Aceasta duce n eroare dac este aplicat unui numr mare de oameni expui unei doze mari de radiaii ar putea duce la msuri inadecvate mpotriva iradierii. Cele mai multe dovezi care au condus la standardele de azi provin de la supravieuitorii bombei atomice din 1945 care au fost expui la doze foarte mari pe o durat scurt de timp. Pentru stabilirea riscului estimativ, s-a presupus c organismul uman poate vindeca efectele expunerii la doze mici, dar pentru nivele mici de iradiere, gradul de protecie este indiscutabil conservativ.

24

Cele mai multe ri au propriul sistem de protecie radiologic care deseori se bazeaz pe recomandrile comisiei internaionale cu privire la protecia radiologic (ICRP). Cele trei capitole din recomandrile ICRP sunt: justificarea: nici o activitate nu trebuie adoptat dect dac produce un beneficiu pozitiv; optimizarea: toate expunerile trebuie meninute la un nivel ct mai mic, acceptabil; limitarea: expunerea indivizilor nu trebuie s depeasc limitele recomandate; Protecia mpotriva radiaiilor este bazat pe recomandrile ICRP att pentru categoriile ocupaionale i cele publice. Expunerea maxim nu trebuie s depeasc 1 mSv/an, n medie, timp de 5 ani.

Leciile CernobluluiOmenirea ar trebui sa-si schimbe optica asupra a ceea ce se poate numi calamitate mondiala Dillwyn Williams

Am comemorat, de curnd, 15 ani de la catastrofa de la Cernobl, cel mai mare dezastru nuclear din istoria omenirii. Explozia reactorului de la aceasta centrala nucleara din Belarus, n 1986, a dus la eliberarea unor cantiti enorme de izotopi radioactivi, aproximativ 1 019 becquereli, iar norul radioactiv a afectat zone ntinse din Belarus si nordul Ucrainei si o mica parte a teritoriului Rusiei; un grad mai sczut de radioactivitate a fost depistat pe toata emisfera nordica. La nceput, rspunsul organizaiilor internaionale fata de necesitatea de a studia consecinele exploziei pe termen lung asupra sntii a fost lipsit de coordonare si nu este nici in prezent adaptat cerinelor. n 1990, Organizaia Mondiala a Sntii a primit, din Japonia, 20 de milioane $ (14 milioane ) pentru a investiga efectele asupra sntii, dar donaia a fost controlata efectiv de ctre un singur oficial, muli bani au fost cheltuii fr justificare, iar rezultatele au fost dezamgitoare. Tot n 1990, Agenia Internaionala pentru Energie Atomica a efectuat o investigaie separata. Rezultatele cu privire la posibilele consecine asupra sntii au fost, n general, linititoare, cu toate ca se cunoteau cazuri de neoplasme tiroidiene la copii. SUA si Uniunea Europeana au semnat tratate separate cu guvernele implicate, permindu-le sa investigheze efectele asupra sntii. La nceput, Uniunea Europeana si filiala europeana a OMS au jucat un rol principal n atragerea ateniei asupra incidenei25

neoplasmului tiroidian la copii, dar ulterior au aprut studii separate ca, de exemplu, cel al Fundaiei Memoriale pentru Sntate Sasakawa din Japonia. Sau implicat, fiecare in parte, si Unesco, Crucea Roie Internaionala, precum si mai multe alte organizaii si state. Au fost obinute mostre de esut tiroidian de ctre diverse grupuri de cercettori care, uneori, nici nu aveau vreo aprobare guvernamentala; au existat si situaii n care diferite colective de cercetare si-au publicat rezultatele experimentelor pe tumori fr sa tie ca aceleai date fuseser obinute si de ali autori. n cele din urma, corpul medical al oamenilor de tiina reprezentnd asociaiile internaionale pentru studierea tiroidei a luat iniiativa unei coordonri a cercetrilor in domeniu. La treisprezece ani de la data petrecerii incidentului s-a ajuns la un acord ntre guvernele din Belarus, Federaia Rusa si Ucraina, mpreuna cu Institutul Naional de Cancer al SUA, Fundaia Memorial pentru Sntate Sasakawa din Japonia si OMS, ceea ce a dus la crearea bncilor pentru tumori. n prezent, prin intermediul unui centru de coordonare din Cambridge, cercettorii au acces la o documentare completa asupra ADN-ului si ARN-ului din esuturile tiroidiene normale si tumorale. Lipsa de cooperare dintre organizaiile internaionale, manifestata n primii ani de dup accidentul de la Cernobl, a fost influenata de mai muli factori. Unele organizaii nu doreau sa sprijine studiile pentru care nu primiser fonduri suficiente, pe de-o parte si din cauza conflictelor dintre personaliti. OMS Geneva a considerat oportun sa controleze coordonarea internaionala, dar corpurile de finanatori s-au opus ideii de a renuna la control, date fiind problemele cu care se confruntaser programele OMS anterioare. O prima dificultate majora a reprezentat-o faptul ca multe persoane au anticipat un ritm sczut de cretere a incidenei neoplasmului tiroidian, cu o perioada de latenta de 10 ani; ei au manifestat o atitudine reticenta n ceea ce privete acceptarea rapoartelor unei creteri accentuate la patru sau cinci ani dup explozie. In anumite situaii, reticenta prea sa reflecte regula generala conform creia gradul de rigurozitate a datelor necesare pentru a accepta existenta unei legaturi intre cauza si efect este strns corelata cu interesul manifestat de indivizi sau de organizaii fata de rezultatul cercetrii. Dup explozia de la Cernobl au aprut aproximativ 2 000 de cazuri de neoplasm tiroidian la persoanele care, n perioada expunerii la niveluri radioactive crescute, erau copii sau adolescenti.7-9 Din fericire, nu s-au nregistrat dect puine decese n cazurile respective (E Demidchik, comunicare personala). Nu trebuie sa ne limitam, ns, numai la efectele la nivel tiroidian, dei primele emanaii nocive aveau o concentraie foarte mare de iod radioactiv. S-a pretins ca in rndul populaiei expuse s-a nregistrat att o cretere a incidenei afeciunilor de natura imunitar si a malformaiilor congenitale, ct si o diversitate a formelor de cancer; lipsesc, ns, studiile adecvate. La fel, la copiii ai cror prini au fost expui la radiaii, exista dovezi ale creterii instabilitii microsatelite.10 Nu sunt cunoscute efectele pe termen lung ale26

traiului ntr-un mediu contaminat cu cesiu-137; ar putea aprea si efecte tardive ale iodului radioactiv ca, de exemplu, la nivelul snului. Este necesar sa se studieze, la nivel internaional, toate efectele pe care explozia de la Cernobl le-a exercitat pe termen lung asupra sntii; trebuie incluse confirmri ale diagnosticelor iniiale, rolul unor determinri sigure si corelarea incidentului cu valorile dozimetrice. Pentru desfurarea unui astfel de studiu ar fi necesar sa se aloce doar o mica parte din fondurile pe care Occidentul le ofer Ucrainei pentru a nchide si ultimul dintre cele patru reactoare de la Cernobl. n lipsa unui studiu adecvat nu se va putea face o evaluare autorizata a tuturor consecinelor; drept urmare, s-ar putea ca unele grupuri sa accepte necondiionat cele mai grave dintre efectele pretinse, iar altele sa afirme ca pe termen lung nu au fost decelate dect cazuri de neoplasm tiroidian. Un alt exemplu al corelaiei dintre gradul de rigurozitate a datelor tiinifice si interesul fata de rezultatele cercetrii ni-l ofer rspunsul la problemele nclzirii globale. Este important sa ne ntrebam nu daca exista efectiv o corelaie intre cauza si efect, ci daca este sau nu posibil ca influenta activitii umane asupra fenomenului de nclzire globala sa justifice modificarea acestei activiti. Rspunsul este, categoric, da, si, in acest sens, gradul n care contribuia activitii nucleare ar putea reduce nclzirea globala trebuie supus unei dezbateri serioase, bazate pe compararea tuturor efectelor exercitate de generatoarele de energie convenionala si nucleara asupra sntii. Sunt, insa, greu de depit dificultile create att de exagerarea pretinselor consecine ale Cernoblului asupra sntii, ct si de erorile si muamalizrile care apar chiar la nivelul industriei nucleare. Este puin probabil ca explozia de la Cernobl sa reprezinte ultimul dezastru nuclear major; indubitabil, vor mai aprea si alte evenimente care sa impun o reacie la nivel mondial. Ageniile internaionale au ntmpinat dificulti considerabile n gestionarea unui eveniment cu semnificaie mondiala, survenit n cadrul unui puteri mondiale izolata tiinific si supusa ea nsi unor uriae schimbri economice si politice. Pentru a evita astfel de confuzii, pe viitor e bine sa fie avuta in vedere posibilitatea apariiei unor situaii conflictule ntre suveranitatea tarii unde s-a produs incidentul si importanta lui pentru restul lumii, asigurndu-se o investigaie impariala. n ceea ce privete consecinele unor atare incidente asupra sntii, este evident rolul conductor al OMS care, fata de 1986, si-a schimbat considerabil optica in aceasta privina. Este oportuna implicarea organizaiei nu att in coordonarea, ct in facilitarea cercetrilor, care ar putea sa fie controlate de grupuri de experi independente, selectate de organizaiile tiinifice internaionale de profil, precum si de statele care fie sunt interesate direct, fie doar finaneaz studiile. Este necesar sa tragem nvminte din accidentul de la Cernobl si sa hotrm cum anume sa coordonam implicarea statelor lumii n investigarea unor dezastre majore, astfel nct de beneficiile obinute sa se bucure att tara27

afectata, ct si ntreaga omenire. Vom reui, astfel, sa reducem riscul producerii unor noi dezastre si sa ne dezvoltam capacitatea de-a gsi soluiile adecvate in cazul in care apar consecine nedorite. Cercetrile efectuate de DW au fost finanate de Comisia Europeana. Participarea lui la conferine a fost sprijinita de Comisia Europeana, OMS si Fundaia Sasakawa. A fost implicat n nfiinarea Bncii de Tumori de la Cernobl (sprijinita de organizaiile menionate, precum si de NCI), fiind si preedinte al proiectelor ei tiinifice. Nu a primit nici o recompensa personala de la nici una dintre organizaiile menionate n editorial.

Acceleratoare de particule

Acceleratorul de particule este o instalaie complexa cu ajutorul creia particulele ncrcate electric sunt accelerate sub aciunea unor cmpuri electrice si magnetice pana la energii cinetice foarte mari (ajungnd pana la sute de GeV). Iniial, acceleratoarele au fost utilizate la studiul structurii nucleare si al particulelor elementare; ulterior, ele au fost folosite in industrie si medicina.

Clasificarea acceleratoarelor1. 2. 3. 4.

Dup forma traiectoriei particulelor; a) liniare; b) ciclice. Dup caracterul cmpului electric aplicat: a) directe; b) de inducie; c) rezonante; d) cu unda progresiva. Dup domeniul energiei particulelor accelerate: a) nerelativiste; b) relativiste. Dup natura particulelor accelerate: a) pentru electroni; b) pentru protoni.

Principii de accelerareAccelerarea este bazata pe interaciunea particulelor ncrcate electric cu cmpul electric si cu cel magnetic, care duce la creterea energiei cinetice a particulelor. In practica sunt folosite doua modaliti: a) prin trecerea particulelor printr-o diferena de potenial U energia lor cinetica creste cu28

E =| q | U (deoarece E este relative mica, aceasta trecere se repet de un numr

mare de ori); b) particulele sunt accelerate de un cmp electric obinut prin variaia fluxului induciei magnetice prin suprafaa mrginita de traiectorie. Exemple: Acceleratorul liniar este format din mai muli electrozi cilindrici montai pe axul unui tub, conectai la un generator de nalta frecventa, f. Lungimea ln a electrodului n trebuie calculate astfel nct la ieirea din el a particulei aceasta sa ntlneasc tot un potenial accelerator. Pentru cazul nerelativist, energia cinetica la ieire si lungimea

ln sunt : E nmax =

n max

| q|

T U ln =n = v si 2

1 qU | | = n ln 2 2 f m

1

1 2

De aceea, obinerea energiilor mari necesita lungimi kilometrice! De exemplu, acceleratorul liniar de la Standford (California, USA) accelereaz electroni pana la 50 GeV si are o lungime de 3,2 km. Ciclotronul este cel mai simplu accelerator ciclic. Particulele (neralitiviste) sunt meninute pe traiectorii circulare de un cmp magnetic B = constant, transversal (adic perpendicular pe direcia vitezei). Accelerarea are loc la trecerea particulelor prin spaial dintre doi duani crora li se aplica o tensiune de nalta frecventa (fig. 5.4). La fiecare trecere, energia cinetica a particulei creste cu E =| q | U si, ca urmare, va creste si raza traiectoriei: Emax

q 2B 2R 2 = 2m

max

Energia maxima este limitata de variaia relativista a masei cu viteza ( Emx = a 12 MeV). Betatronul este un accelerator ciclic pentru electroni. Funcioneaz pe principiul transformatorului electric: secundarul este un tor vidat in care se pot mica electronii injectai; sub aciunea unui cmp magnetic transversal, electronii se mica pe o traiectorie circulara de raza fixa. Accelerarea este realizata de un cmp electric de inducie, obinut prin variaia induciei cmpului magnetic. Durata unui29

ciclu de accelerare este un sfert din perioada curentului alternative utilizat; electronii efectueaz aproximativ un milion de rotaii, in final energia lor atingnd 20 MeV. Cnd electronii ajung la energia maxima, ei sunt proiectai pe o inta din metale grele, unele se produc radiaii X dure (de frnare) folosite in defectoscopie, sterilizare, terapia cancerului.

Problema energiilor mari O data cu ptrunderea in lumea microcosmosului, cercettorii au avut de ntmpinat o situaie cu totul neobinuita. Daca in lumea macroscopica, multe din informaiile asupra structurii obiectelor erau obinute direct, prin observaii 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 67 miimi de milimetru, iar microscoapele, nu pot permite observarea dimensiunilor mai mici de 0,5 miimi de milimetru, adic detalii de cca. 5.000 ori mai mari dect diametrul unui atom si de 500 x 106 ori mai mari dect diametrul unui nucleu atomic Pentru studierea particulelor subnucleare, pentru investigarea proprietilor forelor 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 ptrunde nucleele atomice. in acest fel studiind modalitile in care are loc o interacie, in urma ciocnirii, se pot determina caracteristicile corpurilor care au luat parte, precum si a forelor care intervin. Energiile care se imprima particulelor-proiectil, sunt difereniate. Energia necesara pentru a "ptrunde" in dimensiunea de 10-10 m este de 0,002 MeV, dar pentru a ptrunde pana la nucleu (10-14 m) este nevoie de o energie de 10.000 de ori mai mare (20 MeV). In ce privete ptrunderea in intimitatea nucleului, la dimensiuni de 10-16 m, este nevoie de o energie de 2000 MeV (adic 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 experiene in lumea subatomica sunt necesare instalaii in care sa fie produse particule-proiectil, apoi aceste particule sa fie organizate in fascicule de energii mari (adic sa fie accelerate) si, in fine, sa aib o posibilitate de a pune in evidenta rezultatele interaciilor (detectoare de particule). Aceste instalaii numite acceleratoare, au nsoit cu mult succes pe fizicieni in cercetrile lor, rmnnd si in prezent principalul instrument de lucru in lumea microcosmosului. Astfel a aprut 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 nvins obstacole deosebite.

30

Particulele care sunt accelerate in aceste instalaii pot fi, dup caz : electroni, pozitroni, protoni, antiprotoni, deutoni, precum si nuclee ale unor elemente uoare sau medii. Totdeauna insa este vorba de particule ce poseda sarcini electrice, asupra crora pot aciona oportun forte electrice si magnetice, astfel nct sa le aduc la un nivel energetic ridicat. Neutronii, in schimb, sunt totdeauna produi fie prin intermediul unor anumite reacii 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-voli. De la instalaiile simple de accelerare, care puteau fi aezate pe o masa de laborator, s-a ajuns in zilele noastre la instalaii complexe uriae, extrem de costisitoare, care se ntind pe zeci de hectare. Din condiiile de realizare a reaciilor termonucleare rezulta ca este absolut necesar sa se evite pierderile de energie prin radiaie si prin scpri de particule accelerate, pentru a se putea acumula in masa de reacie energia calorica necesara "aprinderii" reaciei termonucleare. De la nceput trebuie sa constatam ca pierderile prin radiaie nu pot fi reduse prin metode electrice sau magnetice, deoarece fotonii, odat emii, nu sunt influenai de asemenea cmpuri de fora. Mai mult chiar, utilizarea ngrdirii magnetice a plasmelor termonucleare duce la o "hemoragie" radianta suplimentara a reactorului termonuclear prin radiaia ciclotronic si sincrotronic ce ia natere in aceste cazuri. Rmne deci numai posibilitatea de a reduce pierderile prin scpri de particule. Utilizarea cmpurilor electrice pentru eliminarea pierderilor de particule, deci pentru ngrdirea plasmei, nu este aplicabila din urmtoarele motive : - din electostatica clasica se tie (teorema lui Earnshaw) ca nu se poate realiza o configuraie de conductori electrici al cror cmp electrostatic sa creeze o poziie de echilibru stabil, nici chiar pentru o singura particula ncrcata. Lucrul acesta ar f8I mult mai greu pentru un sistem de mai multe particule ce interacioneaz nu numai cu cmpul exterior, ci si intre ele; - particulele din plasma (ionii si electronii) avnd sarcini electrice contrare, nseamn ca o configuraie a conductorilor externi care ar reui sa creeze o groapa de potenial pentru particule de un semn, ar crea in acelai timp un maxim de potenial 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 ngrdite, din cauza respingerii electrostatice reciproce ar apare presiuni electrostatice mult mai mari dect cele controlabile prin electrotehnica secolului nostru.

31

Metodele magnetice promit rezultate mi spectaculoase date fiind particularitile comportrii particulelor electrizate in cmpul magnetic. Totui, speranele iniiale au fost satisfcute numai parial deoarece au ieit la iveala noi fenomene : derive ale particulelor, oscilaiile plasmei si diferite instabiliti, care compromit posibilitatea de a ngrdi plasma chiar pentru intervale de timp de ordinul fraciunilor de secunda. ntruct cmpul magnetic este produs prin cureni electrici, iar variaia cmpului magnetic va induce cmpuri electrice in plasma, cercetarea devine destul de complicata si de aceea a fost necesara crearea magnetohidrodinamicii, ca noua disciplina tiinifica ce se ocupa cu aceste aspecte ale problemei plasmelor. Efectul de striciune (pinch) Sa ne nchipuim ca avem o descrcare intre doi electrozi, intr-o plasma rarefiata astfel ca lungimea tubului de descrcare 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 descrcare nu vor exista forte de respingere. Tuburile de curent de electroni se vor atrage conform legilor lui Ampere, ntruct reprezint cureni paraleli. Acelai 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. Dei au sensuri de circulaie opuse, semnul electric fiind si el opus, cmpurile magnetice rezultante vor fi de acelai 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 proporional cu temperatura, deoarece agitaia termica tinde sa ndeprteze particulele ncrcate din tubul de curent stricionat. Acest efect, numit apoi efect pinch, a servit ca punct de plecare in construcia unor maini termonucleare si pentru dezvoltarea unor noi tehnici magnetohidrodinamice bazate pe particularitile acestui fenomen. Fr a intra in detalii teoretice, putem sintetiza efectului de pinch in faptul ca frontul presiunii magnetice acioneaz ca un piston asupra ntregului gaz din coloana de descrcare. Viteza de avansare a acestui piston magnetic este mai mare dect viteza sunetului in gazul central, rece. La aceasta micare supersonica apare unda de soc in frontul creia densitatea si temperatura prezint un salt spectaculos.32

Pe msura ce inelul de plasma se strnge, presiunea plasmei create din cauza creterii densitii si temperaturii. Din aceasta cauza ar fi de ateptat ca la un moment dat transferul de energie de la cmpul magnetic la plasma sa nceteze. Dar spre surprinderea cercettorilor, s-a constatat ca dup apariia undei de soc transferurile de energie sunt mai complete. Efectul acesta este similar concentrrii de energie prin implozie si poate duce la rezultate spectaculoase atunci cnd rata creterii curentului este mare si viteza ionilor permite crearea unui piston magnetic foarte rapid si eficient. Particulele mpinse 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. ntruct acest efect se produce cu mai mare eficacitate la descrcrile rapide, era nevoie de mari tensiuni pe tuburile de descrcare, lucru care nu se putea realiza att de uor pe torurile cu descrcare cu inducie in gaz. De aici a rezultat un interes rennoit pentru descrcrile pe tuburi drepte. Tuburile drepte au dezavantajul ca prezint riscul pierderilor de particule pe la capete, deoarece ionii si electronii sunt accelerai axial de ctre tensiunea aplicata. Daca dorim sa obinem o descrcare eficienta si rapida ntr- un tub drept cu electrozi la captul tubului va trebui sa aplicam o tensiune foarte mare, daca vrem ca tubul sa nu fie prea lung (lungimea fiind ceruta de condiia ca energia magnetica sa fie transferata ionilor nainte ca acetia sa ajung la electrozi). Pe de alta parte, cnd potenialul electric in interiorul tubului este obinut prin inducie cu ajutorul unor nfurri exterioare, atunci va rezulta un cmp magnetic axial si pierderile de particule electrizate in direcia liniilor de fora ale cmpului magnetic deci in lungul tubului vor fi de ( )2 ori mai mare dect in direcii perpendiculare pe liniile de fora ale cmpului magnetic, deci radial fata de tub. Pe de alta parte, timpul de difuzie si pierderile de cldura variaz cu distanta la ptrat. De aici rezulta ca lungimea tubului in care pierderile axiale nu ntrec pe cele radiale va fi : l = ( )2 r in care este frecventa ciclotronic a electronilor, iar timpul mediu intre ciocnirile ion-electron. Considernd un cmp magnetic de 20 kGs, 8 106. La o raza a tubului de 5 cm ar rezulta o lungime a tubului de 400 km.

Descrcri toroidale

33

Dat fiind pericolul topirii electrozilor ntr- un tub de descrcare drept, precum si acela al canalizrii cmpurilor electrice si magnetice spre electrozii solizi in loc de a le retine in plasma, s-a vzut ca s-a recurs la descrcri toroidale. In asemenea geometrii cmpul magnetic variaz invers proporional cu distanta fata de axa de revoluie a torului Stellaratorul O geometrie care cuta 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 ngrdire a plasmei cu un cmp magnetic exterior intr-o geometrie care sa mpiedice separarea de sarcina si deriva din geometriile toroidale simple. Adoptnd geometria in "opt" el a avansat urmtoarele idei. In primul rnd particula intra in cmpul magnetic din direcii exact opuse in cele doua ramuri ale stellaratorului derivele produse succesiv intr-o ramura vor fi compensate (cel puin parial) de derivele din cea de a doua. Apoi, se tie ca in geometria toroidal simpla liniile de fora ale cmpului magnetic axial se nchid prin ele insele, adic sunt "degenerate"

ANEXA34

35

36