Cum scoatem energie din atomi

Răspunsul, pe scurt, e următorul: E=mc². Formulă pe care o vedeți, de altfel, în dreapta, formată din echipajul portavionului USS Enterprise, prima navă cu propulsie nucleară din lume. Da, este vorba de formula relativistă a echivalenței masei cu energia, opera tăticului fizicii secolului XX, Albert Einstein. Care, de altfel, nu și-a recunoscut niciodată copilul ăsta, mecanica cuantică.

Un pic mai pe larg, răspunsul nu e la fel de frumos și simplu, dar nici imposibil de înțeles. Exceptîndu-l, poate, pe expertul în rocket science Sebastian Lăzăroiu. Care-i treaba? Atomii sînt formați din nucleu (încărcat pozitiv) și un nor de electroni în jur (deci, sarcină negativă). Nucleul ăla, la rîndul lui, e format din protoni (ăia cu +) și neutroni care, după cum le spune și numele, n-au nici o sarcină electrică. Poate vă întrebați cum naiba stau toți protonii ăia împreună, îngrămădiți în atom (adică ceva de vreo 1.000.000.000.000.000 de ori mai mic decît 1 metru). Ei bine, îi ține legați una dintre forțele fundamentale ale naturii, forța nucleară tare, care dealtfel acționează pe distanțe foaaaaarte mici. Prezența neutronilor o ajută mult pe forța asta, și așa se face că o mulțime de protoni și neutroni pot sta grămadă într-un spațiu foarte mic și într-o structură oarecum stabilă, nucleul. Nucleul este cel care dă “natura” unui element, prin numărul de protoni. 1 proton=hidrogen. 2 protoni=heliu… 92 de protoni= uraniu. În jurul protonilor ăstora pot să se aciueze mai mulți neutroni, dînd naștere izotopilor. Astfel, în natură există, de exemplu, ²³⁵U, cu 92 de protoni și 235-92=143 de neutroni, și ²³⁸U, cu 92 de protoni și 146 de neutroni. Asta va fi important mai la vale.

Ei bine, în anumite circumstanțe, cînd un atom din ăștia mai grei este bombardat cu neutroni, devine instabil și se sparge (cel mai frecvent) în două părți mai mici, adică doi nuclei mai ușori. Dar dați naibii de rapizi. Măsurătorile arată că dintr-un nucleu de uraniu care stă oarecum pe loc ies un nucleu de kripton și unul de bariu, care gonesc prin spațiu cu ceva gen 3% din viteza luminii, dar și trei neutroni, cam la fel de rapizi, plus ceva raze gamma (cam cel mai nasol tip de radiație pentru noi, oamenii). (Pentru conformitate, majoritatea cifrelor și imaginilor folosite în textul ăsta sînt de pe wikipedia, mai precis din următoarele articole: http://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_fission, http://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_reactor_technology și unde mai e cazul, voi pomeni sursa în continuare.)

Așaaa. Un nucleu de uraniu, lăsat de capul lui, are o șansă oarecare de a se sparge în două conform descrierii de mai sus. Asta se cheamă “fisiune spontană” și s-a întîmplat suficient de frecvent în istoria de patru miliarde de ani a Pămîntului încît să elimine mai toate elementele mai grele din tabelul periodic (dada, ăla al lui Mendeleev). După cum spuneam, în fisiune se mai generează vreo trei neutroni. Dacă ăștia își pierd suficient de mult din viteză, iar unul dintre ei dă peste alt nucleu de uraniu, îl rupe și pe ăla. Și mai apar trei neutroni. Și tot așa. Cu o precizare importantă: din tot uraniul prezent în natură, cel mai frecvent izotop, ăla cu 238 în față, halește neutronul și nu se întîmplă mai nimic. Celălalt, care e prezent doar în proporție de 0,7%, se sparge liber în două ca în povestea de mai sus.

Dat fiind că uraniul mai “inert” e prezent atît de mult în natură, cei trei neutroni care ar scăpa din spargerea unui nucleu de uraniu mai “fîșneț” au o șansă relativ mică să dea peste altul la fel. Deci toată treaba se fîsîie.

Cu totul alfel se prezintă situația cînd uraniul e purificat, iar neutronii încetiniți (“termalizați” le spunem noi). Șansa unui neutron lent de a se izbi într-un nucleu de ²³⁵U și de a genera, prin fisionarea celui din urmă, alți trei neutroni, care la rîndul lor lovesc în alți nuclei de uraniu etc. e suficient de mare încît să se ajungă la o reacție autosusținută, căreia fizicienii îi spun “reacție în lanț”, pentru că exact asta este.

Cînd începe o reacție în lanț din asta, se formează rapid mulți nuclei de elemente mai ușoare, cu viteze foarte mari, mulți neutroni și multă energie radiativă sub forma razelor gamma. “De unde atîta energie?” vă veți întreba, pe bună dreptate. Și vă răspund cum spuneam mai sus: din E=mc².

Ca un nucleu de uraniu să stea “legat”, are nevoie de o anumită cantitate de energie. Așa stă el în “groapa” notată cu (1) din figură. Cînd e lovit de neutron, primește încă nițică energie, suficient cît să sară din mica “groapă” (1). Se rupe-n două, iar cele două produse de reacție ajung la alte poziții (2 și 3), mai stabile ca cea a uraniului, deci de energie mai mică. Mai la vale, cum ar fi. Și cum energia e echivalentă cu masa, au mase mai mici. Interesant este că cei doi nuclei (plus cei trei neutroni) au în total masa mai mică decît masa nucleului inițial de uraniu, deci diferența de masă, înmulțită cu viteza luminii la pătrat, reprezintă niște energie eliberată. Sub forma energiei cinetice, adică a unei viteze foarte mari a celorlalți doi nuclei proaspăt creați. Viteza mare se traduce în temperatură mai mare. Iar temperatura mare înseamnă o uriașă cantitate de energie termică eliberată. Padabum! Avem energie într-o formă utilizabilă! Și nu oricum, ci o uriașă cantitate: un kil de uraniu poate elibera, prin metoda de mai sus, de vreo trei milioane de ori mai multă energie decît se obține din arderea obișnuită a unui kil obișnuit de cărbune obișnuit.

Ei bine, asta nu e chiar tot. Ceea ce avem deocamdată, conform descrierii de mai sus, este o bombă atomică. Și nici măcar, doar principiul de funcționare a fost, vag, descris în povestea asta. Ca să obținem energie în scopuri pașnice, e nevoie de controlarea reacției în lanț despre care vorbeam. Dar asta vine la următoarea lecție, adică mîine.