IX. CHIMIA COMBUSTIBILILOR IX.1. Definirea şi clasificarea combustibililor Prin combustibil se înţelege orice substanţă, sau amestecuri de substanţe, care, în urma unei reacţii chimice de ardere sau în urma unei reacţii nucleare, produce o mare cantitate de căldură. După felul reacţiei prin care se obţine căldura, deosebim combustibili chimici şi combustibili nucleari. Din categoria combustibililor chimici fac parte: cărbunii de pământ, ţiţeiul şi gazele de sondă, gazele naturale, lemnul etc. iar din categoria combustibililor nucleari fac parte: uraniu, thoriu, plutoniu etc. Din punct de vedere industrial, o substanţă poate fi considerată combustibil, numai dacă îndeplineşte următoarele condiţii: să se găsească în natură în cantităţi mari sau să se poată produce uşor pe cale artificială; să aibă temperatura de aprindere scăzută; să nu aibă altă întrebuinţare mai utilă din punct de vedere economic; să nu degaje substanţe corozive, toxice sau nocive în timpul arderii; să-şi menţină constante în timp caracteristicile fizico-chimice şi tehnologice. După starea lor de agregare şi după provenienţa lor, combustibilii chimici se clasifică în: solizi: naturali (turba, lignit, cărbune brun, huilă, antracit, şisturi bituminoase, lemn) şi artificiali (mangal, cocs, semicocs, cocs de petrol, deşeuri combustibile rumeguş, talaş, coji de seminţe etc.). lichizi: naturali (ţiţei), artificiali (benzină, lampant, motorină, păcură, gaze lichefiate) şi sintetici (benzina, lampant, alcooli). gazoşi: naturali (gaze naturale, gaze de sondă) şi artificiali (gaz de apă, gaz de aer, gaz mixt, gaz de cocserie, gaz de cracare, gaz de furnal, hidrogenul, acetilena etc.). IX.2. Compoziţia chimică Combustibilii solizi conţin diferite combinaţii organice ale elementelor C, H, S, O şi N, alături de umiditate, U, şi substanţe minerale care dau cenuşa, M.
În cazul combustibililor solizi, se deosebeşte o masă combustibilă, formată din compuşi ai carbonului, hidrogenului, sulfului, oxigenului şi azotului şi un balast format din umiditate şi cenuşă. Compoziţia combustibilului poate fi determinată prin analiză chimică elementară şi prin analiză tehnică. Prin analiză elementară se determină conţinutul procentual de C, H, N, O şi S din masa organică a combustibilului, iar prin analiză tehnică se determină umiditatea, materiile volatile, cenuşa şi cărbunele fix. Elementul principal al combustibililor solizi este carbonul. Acesta se găseşte în proporţie de 50-95 %, funcţie de natura şi vârsta combustibilului. Prin arderea completă a unui kilogram de carbon se obţine o energie de 33440 kj. Hidrogenul se găseşte în combustibilii solizi între 2-6 %. Acesta este, de asemenea, un element care ridică valoarea termică a combustibilului, întrucât prin arderea sa se degajă o cantitate de căldură mare. Sulful participă cu o pondere de 0,1-7 %, în compoziţia diferiţilor combustibili solizi. În combustibil, sulful se găseşte sub trei forme; în combinaţii organice (sulf organic), sub formă de sulfuri metalice, în special cu fierul (FeS 2, FeS - sulful piritic) şi în combinaţii anorganice oxigenate (de exemplu, sulfaţii). În procesul de ardere intervine numai sulful organic şi cel piritic. Conţinutul de azot este în general mic, nedepăşind 2 %. El este un element nedorit în masa combustibilului. Acesta nu participă la ardere, dar ia căldura pentru a se încălzi până la temperatura cu care gazele arse părăsesc instalaţia de ardere şi prin urmare consumă o parte din căldura degajată la arderea combustibilului. Oxigenul se găseşte în combustibili în proporţie de 2 % (antracit) până la 44 % (lemn). Prezenţa sa în combustibil, conduce la micşorarea valorii termice a acestuia, deoarece fiind combinat mai ales cu carbonul şi hidrogenul, o cantitate din aceste elemente combustibile sunt deja oxidate. Umiditatea combustibililor constituie, de asemenea, un balast, prin faptul că aceasta consumă o cantitate de căldură pentru a trece din stare lichidă în stare de vapori. De asemenea, măreşte volumul şi corozivitatea gazelor de ardere. Cenuşa constituie un balast al combustibilului, întrucât îi micşorează puterea calorică şi uneori poate conduce la dezorganizarea completă a procesului de ardere. Aceasta, fie prin faptul că se acumulează în focar şi împiedică admisia aerului, fie că se topeşte la o temperatură joasă (1150-1700 0 C) şi formează un conglomerat plastic cu înglobarea unor cantităţi de combustibil. De aceea, în practica industrială, întotdeauna, la alegerea sistemului de ardere a combustibililor solizi se ia în considerare cantitatea de cenuşă şi proprietăţile ei.
Combustibilii lichizi, cu câteva excepţii, provin din ţiţei. Aceştia sunt de trei categorii: gaze lichefiate, combustibili distilaţi şi combustibili reziduali. Gazele lichefiate sunt formate din fracţia C 3, din fracţia C 4 sau din amestecuri ale acestor fracţii (prin fracţiile C 3 -C 4 se înţeleg alcanii şi alchenele cu 3 sau 4 atomi de carbon în moleculă). Combustibili lichizi distilaţi sunt: benzina, lampantul şi motorina. Aceştia conţin în principal hidrocarburile C 5 -C 10, C 10 -C 15 şi respectiv C 12 -C 18. Combustibilii reziduali sunt formaţi, în general, din reziduul obţinut la distilarea primară a ţiţeiului şi din reziduurile obţinute la cracarea termică a păcurilor sau a motorinelor. Aceştia au o compoziţie foarte complexă. Combustibilii gazoşi au o compoziţie foarte variată, ce depinde de originea acestora. Astfel, gazele naturale din ţara noastră conţin circa 99 % CH 4, iar gazele combustibile artificiale constau dintr-un amestec de gaze combustibile şi necombustibile. Compoziţia combustibililor gazoşi se exprimă obişnuit în procente volumetrice. Principalele componente combustibile ale acestora sunt: CO, H 2, CH 4, alte hidrocarburi şi H 2 S, iar componentele necombustibile însoţitoare sunt: CO 2, O 2 şi N 2. IX.3. Puterea calorică Prin putere calorică se înţelege cantitatea de căldură care rezultă prin arderea completă a unei unităţi de combustibil. În cazul combustibililor solizi şi lichizi unitatea este kilogramul, iar în cazul celor gazoşi, unitatea este m 3 N. Puterea calorică a combustibililor solizi şi lichizi se exprimă în kj/kg sau kcal/kg, iar a celor gazoşi în kj/m 3 N sau kcal/m 3 N. Deoarece cantitatea de căldură determinată la arderea combustibililor depinde de starea de agregare a apei din produsele de ardere, în practică deosebim putere calorică superioară şi putere calorică inferioară. Puterea calorică superioară (P s ) reprezintă cantitatea de căldură obţinută prin arderea unei unităţi de combustibil, în cazul când produsele de ardere au temperatura de 20 0 C; în acest caz, apa din produsele de ardere fiind lichidă, în puterea calorică determinată se include şi căldura latentă de condensare a vaporilor de apă. Puterea calorică inferioară (P i ) reprezintă cantitatea de căldură la arderea unei unităţi de combustibili în condiţiile în care produsele finale sunt evacuate la o temperatură mai mare decât temperatura de condensare a vaporilor de apă. În acest caz, puterea calorică determinată este mai mică, întrucât o parte din căldura de ardere se consumă prin vaporizarea apei din produsele de ardere.
Din punct de vedere practic, se consideră numai puterea calorică inferioară, întrucât din instalaţiile industriale se elimină produsele de ardere conţinând apa sub formă de vapori. Puterea calorică inferioară, P i, este mai mică decât puterea calorică superioară, P s, aşa cum se vede cu relaţia: L U 9H Pi Ps (9.1.) 100 în care: U - este conţinutul procentual de umiditate; H - este conţinutul procentual de hidrogen şi L - este căldura latentă de vaporizare a apei, kj/kg. Pentru determinarea puterii calorice a unui combustibil se pot utiliza două metode: metoda bazată pe cunoaşterea compoziţiei chimice, folosind unele relaţii empirice, şi metoda experimentală, folosind aparate adecvate acestui scop. Astfel, pentru determinarea puterii calorice inferioare a combustibililor solizi, se aplică următoarea formulă: P 338,58C 1028, 28H 108,68 O S 25,08 U kj / kg (9.2.) i în care: C, H, O, S şi U reprezintă conţinutul procentual de carbon, hidrogen, oxigen, sulf şi umiditate a combustibilului. Această relaţie nu este prea precisă, întrucât nu ia în considerare căldura de descompunere a substanţelor organice din combustibil. Pentru combustibilii gazoşi se aplică relaţia: n 3 Pi PjC j /100 kj / m N j 1 (9.3.) în care: P j - reprezintă puterea calorică inferioară a componenţilor puri, kj/m 3 N şi C j - reprezintă concentraţia componentelor, exprimată în procente volumetrice. Utilizarea acestor relaţii pentru calculul puterii calorice a combustibililor necesită cunoaşterea precisă a compoziţiei chimice a acestora. Determinarea compoziţiei chimice a combustibililor constituie o activitate care necesită o aparatură adecvată şi un mare volum de lucru. Când sorturile de combustibil se schimbă des, metoda devine foarte scumpă. De aceea, se preferă metodele de determinare directă a puterii calorice. Experimental, puterea calorică se determină folosind aparate de construcţii diferite în funcţie de natura combustibilului. Astfel, pentru combustibilii solizi se foloseşte bomba calorimetrică, iar pentru cei gazoşi şi lichizi, calorimetrul Yunckers. Utilizarea acestor aparate se bazează pe principiul calorimetriei, după care cantitatea de căldură care se degajă prin arderea unei cantităţi din combustibilul dat este absorbită de o
cantitate cunoscută de apă căreia i se măsoară variaţia temperaturii. Cunoscând cantitatea de combustibil ars şi ştiind cu cât a crescut temperatura apei folosite, se poate deduce simplu, din ecuaţia de bilanţ termic, puterea calorică a combustibilului. Pentru a avea o măsură unitară de evaluare a resurselor de combustibili sau pentru compararea consumului de diverşi combustibili, s-a introdus noţiunea de combustibil convenţional. Prin acesta se înţelege un combustibil fictiv cu o putere calorică inferioară de 7000 kcal/kg. Raportul dintre puterea calorică inferioară a unui combustibil oarecare şi cea a unui combustibil convenţional se numeşte echivalent caloric al combustibilului respectiv. IX.4. Mecanismul arderii combustibililor În vederea arderii unui combustibil, trebuie să se asigure mai întâi, contactarea acestuia cu oxigenul sau aerul şi apoi să se producă aprinderea. După cum combustibilul şi agentul de ardere au aceeaşi stare de agregare sau se găsesc în stări de agregare diferite, vom deosebi arderea omogenă, respectiv arderea eterogenă. Arderea omogenă are loc în volum, într-un amestec de combustibil şi aer, şi este caracteristică pentru combustibilii gazoşi. Arderea eterogenă are loc la suprafaţa de contact dintre combustibilul în fază solidă şi agentul de ardere în fază gazoasă. Arderea oricărui combustibil este precedată de aprindere. Pentru aprinderea unui combustibil trebuie să fie îndeplinite următoarele condiţii: - să existe o anumită proporţie locală între combustibil şi oxigen; - să existe o sursă de energie pentru încălzirea combustibilului până la temperatura de aprindere. Temperatura de aprindere depinde de natura combustibilului şi reprezintă cea mai joasă temperatură la care începe arderea intensă. Aprinderea combustibilului este precedată întotdeauna de o perioadă de timp, numită perioadă de inducţie, pe durata căreia, sub influenţa temperaturii înalte şi a altor factori, combustibilul suferă procese de descompunere şi oxidare, cu formare de combinaţii mai simple, produse intermediare active ca: radicali, atomi sau molecule semistabile, cu o energie de activare mică, care participă la propagarea reacţiilor de ardere. În cazul combustibililor gazoşi, aprinderea şi arderea are loc prin reacţii înlănţuite, iniţiate teoretic. Când temperatura de încălzire a combustibilului depăşeşte temperatura de aprindere, atunci predomină formarea şi ramificarea lanţurilor reacţiilor de propagare şi are loc aprinderea şi arderea combustibilului.
Un lanţ de reacţii care ia naştere în condiţii nefavorabile de temperatură se întrerupe şi astfel nu are loc aprinderea şi arderea. Combustibilii gazoşi oferind cea mai mare suprafaţă de contact între ei şi oxigen, se aprind foarte uşor; arderea are loc în întreg volumul amestecului de combustibil-aer. La arderea combustibililor lichizi, pentru a se mări suprafaţa de contact cu oxigenul sau aerul, aceştia de pulverizează.. Picăturile formate ( 0,05/ 0,5mm) ajungând în flacără suferă un proces de volatizare, cu formare de gaze care ard în prezenţa oxigenului şi contribuie la ridicarea locală a temperaturii. La o anumită temperatură, are loc un proces de descompunere termică a hidrocarburilor din combustibil cu ruperea legăturilor C-C sau C-H, formându-se în proporţie mică chiar hidrogen şi carbon, urmată de arderea produselor de descompunere. Datorită acestui fapt, înseamnă că, la arderea unui combustibil lichid pulverizat, există o fază gazoasă, una lichidă şi alta solidă, iar flacăra are un caracter eterogen. Arderea combustibililor solizi este un proces eterogen şi se compune din următoarele etape: - încălzirea şi uscarea combustibilului; - descompunerea pirogenetică a combustibilului cu formare de materii volatile şi a cocsului; - arderea materiilor volatile; - arderea cocsului. Materiile volatile formate conţinând hidrocarburi, hidrogen şi oxid de carbon, prin ardere, contribuie la ridicarea temperaturii şi dezvoltarea ulterioară a procesului de ardere. Arderea cocsului începe abia după ce s-a terminat degajarea şi arderea substanţelor volatile. Aceasta se explică prin faptul că, materiile volatile consumând oxigenul pentru arderea lor, creează în jurul combustibilului o pătură săracă de oxigen, astfel că la suprafaţa particulelor solide concentraţia oxigenului este foarte mică. Datorită acestui fapt, arderea carbonului are loc cu o viteză mică şi constituie stadiul limitativ al întregului proces de ardere. IX.5. Combustibili pentru motoare cu ardere internă Combustibilii cei mai folosiţi în motoarele cu ardere internă sunt benzinele şi motorinele. Benzinele sunt combustibili lichizi care se folosesc, în special, la motoarele cu aprindere prin scânteie, iar motorinele sunt combustibili lichizi pentru motoarele cu aprindere prin comprimare. IX.5.1. Benzine
Benzinele comerciale pentru automobile sunt amestecuri de hidrocarburi, C 5 -C 10 (alcani, cicloalcani şi aromatice), împreună cu diverşi aditivi. Benzinele trebuie să satisfacă anumiţi indici de calitate, care să asigure funcţionarea motorului la cele mai variate regimuri. În benzină procentul de carbon este de 80-82 %, iar cel de hidrogen de 14-15 %. Comportarea benzinelor la arderea în motor. Pistonul, în mişcarea sa ascendentă, comprimă amestecul benzină-aer, determinând creşterea presiunii şi a temperaturii. Aprinderea amestecului carburant are loc înainte de terminarea cursei de compresie (avans la aprindere) cu ajutorul unei scântei. Frontul flăcării acţionează el însuşi, ca un piston comprimând, în continuare, amestecul nears. Dacă flacăra rezultată progresează treptat în camera de combustie, consumându-se amestecul final nears, are loc o combustie fără detonaţie, sau arderea normală. Detonaţia apare atunci când în amestecul carburant au loc reacţii de combustie foarte rapide, înaintea frontului flăcării, cu formare de peroxizi într-o concentraţie critică. Produsele reacţiilor în preflacără amorsează faza de detonaţie. Tendinţa unei benzine de a da naştere unei flăcări reci, scade pe măsura creşterii cifrei octanice a benzinei. IX.5.1.1. Cifra octanică Principalul criteriu pentru determinarea calităţii antidetonante a benzinelor este cifra octanică (CO). Cu cât valoarea cifrei octanice este mai mare, cu atât benzina are o rezistenţă mai mare la detonaţie. Cifra octanică se determină prin compararea benzinei cu un combustibil etalon cu cifră octanică cunoscută. Combustibilul dat şi cel etalon trebuie să aibă în condiţii identice de testare, comportare identică la detonaţie. Proprietăţile antidetonante ale combustibilului de încercat, se compară cu proprietăţile antidetonante ale unui amestec de izooctan şi n-heptan. Cifra octanică a unei benzine reprezintă procentul în volume, de izooctan, dintr-un amestec de izooctan şi n-heptan, care are aceeaşi sensibilitate la detonaţie, în condiţii identice de încercare, ca şi combustibilul dat. Dacă, de exemplu, benzina de încercat detonează la fel ca un amestec de 80 % izooctan şi 20 % n-heptan, atunci CO a benzinei va fi 80. Cifra octanică a unui combustibil se determină într-un motor special, cu raport de compresie variabil. În timpul funcţionării motorului cu combustibilul de cercetat se măreşte raportul de compresie până la apariţia fenomenului de detonaţie. Se alimentează apoi motorul păstrând raportul de compresie constant, cu un amestec de izooctan şi n-heptan şi se modifică compoziţia amestecului până ce apare fenomenul de detonaţie.
Procentul în volume, a izooctanului din amestec indică cifra octanică a combustibilului de cercetat. Pentru îmbunătăţirea CO a benzinelor se adaugă substanţe antidetonante ca: tetraetilul de plumb, pentacarbonilul de fier, dietilul de seleniu, tetrabutilul de staniu, metil anilina, iodura de metil etc. Pentru îmbunătăţirea calităţii unei benzine se mai folosesc şi alţi aditivi, cum ar fi: - aditivi pentru combaterea aprinderilor necontrolate (tricrezil-fosfatul, trimetil-fosfatul, metil-fenil-fosfatul); - aditivi antioxidanţi (derivaţi alchilici ai fenolilor); - inhibitori de ruginire (acizi carboxilici, amine); - detergenţi şi agenţi contra gheţii (fosfaţi aminici, amine, amide); - aditivi polifuncţionali (posedă proprietăţi multiple). IX.5.2. Motorine Motorinele sunt fracţii petroliere, cu densitatea cuprinsă între 850 şi 890 kg/m 3 şi cu temperatura de fierbere cuprinsă între 300 şi 370 0 C. Ele provin, în general, de la distilarea atmosferică a ţiţeiului şi constau din amestecuri de hidrocarburi ce au în moleculele lor de la 12 până la 18 atomi de carbon. Motorinele obţinute prin distilarea atmosferică a ţiţeiului se amestecă şi cu rafinatele de la extracţia cu furfurol a hidrocarburilor aromatice din fracţiile corespunzătoare, rezultate la cracarea termică şi catalitică a fracţiilor petroliere grele. De asemenea, unele motorine se obţin prin metode moderne de hidrofinare (hidrogenare catalitică), hidrocracare (cracare catalitică în prezenţa hidrogenului) sau prin sinteză. Puterea calorică inferioară a motorinelor este cuprinsă între 9700 şi 10000 kcal/kg. Din punct de vedere calitativ, motorinele se împart în două clase principale: parafinoase cu punct de congelare ridicat, în jurul temperaturii de 0 0 C şi neparafinoase, cu un punct de congelare scăzut, mult sub temperatura de 0 0 C (-20 0 C). Motorinele auto comerciale româneşti se obţin, în general, prin amestecarea celor două feluri de motorină, într-o proporţie astfel aleasă încât amestecul obţinut să aibă punctul de congelare sub 0 0 C. Motorina se foloseşte, în special, drept combustibil pentru motoare Diesel. La aceste motoare, amestecul carburant motorină-aer se autoaprinde datorită presiunii şi temperaturii din cilindrul motorului. La admisie are loc intrarea în cilindrul motorului numai a aerului. Combustibilul se injectează în aer aproape de sfârşitul cursei de compresie.
Motorinele trebuie să îndeplinească următoarele condiţii: rezistenţă mică la autoaprindere, vaporizare uşoară şi punct de congelare scăzut. Capacitatea de autoaprindere a amestecului motorină-aer, în motoarele Diesel, este condiţionată de compoziţia motorinei. Motorinele bogate în hidrocarburi aromatice şi hidrocarburi cu catene laterale scurte se autoaprind la temperaturi ridicate, în timp ce motorinele cu conţinut ridicat de hidrocarburi parafinice liniare, se aprind la temperaturi mai scăzute, la injectarea lor în cilindru, în volumul de aer încălzit. Comportarea la autoaprindere a motorinei influenţează funcţionarea, randamentul şi durata de exploatare a motorului cu aprindere prin comprimare. Pentru stabilirea comportării la autoaprindere a motorinelor se utilizează temperatura de autoaprindere, cifra cetanică şi indicele Diesel. IX.5.2.1. Indicele Diesel Indicele Diesel este un criteriu mai comod de apreciere a gradului de stabilitate a combustibilului la aprindere, după proprietăţile sale fizice: punctul de anilină şi densitatea relativă. Punctul de anilină este temperatura minimă, la care volume egale de motorină şi anilină proaspăt distilată formează o singură fază (se dizolvă complet una în alta). Temperatura de dizolvare (punctul de anilină) este cu atât mai mare, cu cât cantitatea de hidrocarburi aromatice este mai mică. Cetanul are punctul de anilină 94,4 0 C, iar α-metil naftalina de 17,8 0 C. Densitatea relativă este raportul dintre densitatea combustibilului la + 20 0 C şi cea a apei la 4 0 C. Densitatea combustibilului este cu atât mai mică cu cât conţine mai multe hidrocarburi parafinice şi mai puţine hidrocarburi aromatice. Indicele Diesel se defineşte prin relaţia: ID AB (9.4.) 100 în care, A - este punctul de anilină a motorinei în 0 F şi B - este densitatea relativă a motorinei în grade API (American Petroleum Institute), care este scara aerometrică pentru indicarea densităţii produselor petroliere. Punctul de anilină se determină în grade Celsius şi se transformă în 0 F cu relaţia: 0 9 0 A, F t C 32 (9.5.) 5 Pentru obţinerea valorii densităţii în scara API se foloseşte relaţia:
oapi 141,5 d 131,5 (9.6.) 15,56 15,56 15,56 în care, d 15,56 - este densitatea motorinei la 15,56 0 C raportată la densitatea apei la 15,56 0 C. Cu cât indicele Diesel este mai mare, cu atât sensibilitatea la autoaprindere a motorinei este mai mare. Pentru motorinele provenite din ţiţeiurile româneşti alcanice, indicele Diesel variază între 76 şi 51. IX.6. Hidrogenul Hidrogenul este considerat drept combustibilul ideal, pentru a înlocui combustibilii petrolieri. Au fost realizate deja, motoare care au dat satisfacţii totale la funcţionarea cu hidrogen lichid sau cu hidrogen obţinut din hidruri metalice, din cauza puterii calorice foarte mari (de trei ori puterea calorică a benzinelor), arderea fiind completă şi eficientă şi dispărând aproape complet emisiile poluante. Problemele cele mai mari le ridică depozitarea şi transportul hidrogenului lichid, având în vedere şi inflamabilitatea sa ridicată. În eventualitatea rezolvării acestor dezavantaje, ştiind că costul hidrogenului lichid este apropiat de cel al benzinei, considerând accesibilitatea şi abundenţa sa ca materie primă, apare evidentă folosirea în viitor a hidrogenului drept combustibil pentru motoarele termice. IX.7. Combustibili nucleari Combustibilii nucleari (uraniul, thoriul, plutoniul) produc energia în urma unei reacţii de fisiune nucleară. Spre exemplu, fisiunea nucleului de uraniu se realizează prin 1 bombardarea cu particule elementare neutre neutroni, n 0, când nucleul se rupe în alte nuclee mai mici, cu formare de alţi neutroni şi cu degajare de energie. Reacţia de fisiune (realizată pentru prima dată de O. Hahn şi F. Strassmann în 1938, în Germania)se propagă în lanţ, iar dacă nu este reglată activitatea neutronilor se produce explozia nucleară.
Uraniul se găseşte în scoarţa pământului sub forma unui amestec de 234 235 238 izotopi: U, U şi U, din care uşor fuzionabil cu neutroni lenţi este numai izotopul 235. Acesta se găseşte însă într-o concentraţie de numai 0,7 % în uraniul natural şi de aceea se pune problema obţinerii combustibilului nuclear concentrat în izotopul 235. Concentrarea uraniului natural se face prin metode electromagnetice, difuziune, centrifugare etc., care sunt însă foarte costisitoare. Astfel, separarea prin difuziune fracţionată presupune trecerea uraniului natural în hexafluorură de uraniu 235 şi 238, gaze care se ionizează. Prin trecerea acestui gaz printr-un câmp electric foarte puternic are loc o deplasare cu viteză cosmică a ionilor către un spaţiu vidat (1/1 milion at.) în care acţionează un câmp magnetic foarte puternic. În acest câmp ionii vor fi atraşi în mod diferit. 235 Astfel, ionii de U fiind mai uşori vor fi atraşi după o traiectorie curbată, iar 238 ionii de U mai grei, vor fi deplasaţi mai departe după o traiectorie mai puţin curbată. Thoriul-232 este de trei ori mai răspândit în natură decât uraniul. Prin fisiune cu neutroni trece în uraniu 233 care este folosit drept combustibil nuclear. Th n U 2 e ( ) (9.7.) 232 1 233 0 90 0 92 1 Plutoniul-239 a fost obţinut în 1940 prin bombardarea uraniului natural cu neutroni rapizi şi are costul de circa două ori mai scăzut decât al uraniului îmbogăţit. U n Pu 2 e ( ) (9.8.) 238 1 239 0 92 0 94 1 În cele ce urmează vom prezenta cum se obţine cantitatea foarte mare de energie în urma reacţiei nucleare de fisiune a uraniului. Când un neutron ciocneşte un nucleu de uraniu-235 are loc combinarea lor cu formarea unui nucleu instabil de uraniu-236 care se descompune imediat, în mod spontan, în două fragmente (noi nuclee) şi alţi neutroni. Această fisiune a nucleului este însoţită de emisia unei foarte mari cantităţi de energie, sub formă de energie termică, datorată transformării unei părţi din masă în energie. 12 Cantitatea de energie eliberată este de 20 10 jouli pentru fiecare atom-gram de uraniu descompus, fiind de 12.000.000 de ori mai mare decât energia dezvoltată prin explozia a 235 grame trinitrat de glicerină. S-a calculat că prin folosirea integrală a unei tone de uraniu se obţine o cantitate de căldură echivalentă cu cea a 2.500.000 tone c.c. Transformările care au loc la ciocnirea nucleului de uraniu-235 de către un neutron pot fi redate prin reacţiile nucleare: 141 144 235 1 236 Ba56... Nd60 1 U92 n0 U92 3n 92 89 0 (9.9.) Kr36... Y39
(Ba-bariu, Kr-kripton, Nd-neodim, Y-ytriu). În tabelul 9.1. este prezentat bilanţul energetic al transformării. Tabelul 9.1. Bilanţul energetic al transformării. Intrare Ieşire Elementul U/M Masa Elementul U/M Masa Uraniu-235 g 235,120370 Neodim g 143,950600 Neutronul g 1,008982 Ytriu g 88,937120 3 neutroni g 3,026946 Total 236,129350 Total 235,914700 Diferenţa de masă între produsele intrate şi cele rezultate este de 0,21465 g pentru un atom-gram de uraniu, adică pentru un gram de uraniu ea va fi de 0,21465/235,12037=0,0009127 g. Cantitatea de energie corespunzătoare acestei pierderi de masă se calculează cu ajutorul relaţiei lui Einstein: 2 E m c (9.10.) 10 Unde c - este viteza luminii ( 3 10 cm / s ). Înlocuind în această relaţie valorile 10 lui m şi c se obţine o cantitate de energie de circa 2 10 cal / g U.