Fisiunea nucleara

Fisiuneaeste o reacie nuclear care are drept efect ruperea nucleului n 2 (sau mai multe) fragmente de mas aproximativ egal,neutroni rapizi,radiaiiienergie termic.Elementele care fisioneaz cuneutroni termici, se numescmateriale fisile. Ex.233U,235U,239Pn,241Pu. Elementele care fisioneaz cuneutroni rapizi, se numescmateriale fisionabileiar, cele care prin captur deneutronise transform n materiale fisile, sunt consideratemateriale fertile. Ex.232Th,238U.Ex. fisiune235U:

Un neutron termic este absorbit de un nucleu de uraniu-235, care fisioneaza in alte elemente mai usoare si neutroni rapizi.Energia de fisiune se repartizeaza, ca energie cinetica fragmentelor de fisiune, comportandu-se ca particule cu parcurs mic.Neutroniirezultai din fisiuni se ncadreaz n dou grupe: prompi i ntrziai. Cei prompi sunt eliberai odat cu fragmentele de fisiune (FF) (chiar de ctre FF, dup 10-14s) i au energii de max. 6 MeV, energia probabila fiind de 0,85 MeV. Simultan se emiteradiaia prompt. Neutronii ntrziai sunt emii ca produi de dezexcitare a unor nuclee care apar ca urmare a dezintegrrii -a FF.Fisiunea nuclear, cunoscut i sub denumirea de fisiune atomic, este un proces n care nucleul unuiatomse rupe n dou sau mai multenucleemai mici, numite produi de fisiune i, n mod uzual, un numr oarecare de particule individuale. Aadar, fisiunea este o form de transmutaie elementar. Particulele individuale pot fi neutroni, fotoni (uzual sub form de raze gamma) i alte fragmente nucleare cum ar fi particulele beta i particulele alfa. Fisiunea elementelor grele este o reacie exotermic i poate s elibereze cantiti substaniale de energie sub form de radiaii gamma i energie cinetic a fragmentelor (nclzind volumul de material n care fisiunea are loc).

Fisiunea nuclear este folosit pentru a produce energie n centrale de putere i pentru explozii n armele nucleare. Fisiunea este util ca surs de putere deoarece unele materiale, numite combustibil nuclear, pe de o parte genereaz neutroni ca juctori ai procesului de fisiune i, pe de alt parte, li se iniiaz fisiunea la impactul cu (exact aceti) neutroni liberi. Combustibilii nucleari pot fi utilizai n reacii nucleare n lan auto-ntreinute, care elibereaz energie n cantiti controlate ntr-un reactor nuclear sau n cantiti necontrolate, foarte rapid, ntr-o arm nuclear.Cantitatea de energie liber coninut ntr-un combustibil nuclear este de milioane de ori mai mare dect energia liber coninut ntr-o mas similar de combustibil chimic (benzin, de exemplu), acest lucru fcnd fisiunea nuclear o surs foarte tentant de energie; totui produsele secundare ale fisiunii nucleare sunt puternic radioactive, putnd rmne aa chiar i pentru mii de ani, avnd de a face cu important problem a deeurilor nucleare. Preocuprile privind acumularea deeurilor i imensul potenial distructiv al armelor nucleare contrabalanseaz calitile dezirabile ale fisiunii ca surs de energie, fapt ce d natere la intense dezbateri politice asupra problemei puterii nucleare.

Aspecte fiziceFisiunea nuclear difer de alte forme de dezintegrare radioactiv prin aceea c ea poate fi amorsat i controlat pe calea reaciei n lan: neutroni liberi eliberai de fiecare eveniment de fisiune pot declana n continuare alte evenimente care, la rndul lor elibereaz mai muli neutroni i pot determina mai multe fisiuni. Izotopii chimici care pot s susin o reacie de fisiune n lan se numesc combustibili nucleari i se spune c sunt fisili. Cel mai comun combustibil nucleare este235U (izotopul uraniului cu masa atomic 235) i239Pu (izotopul plutoniului cu masa atomic 239). Aceti combustibili se sparg n elemente chimice (produi de fisiune) cu mase atomice apropiate de 100. Majoritatea combustibililor nucleari sufer fisiuni spontane extrem de rar, dezintegrndu-se n principal prin reacii alfa/beta timp de milenii. ntr-un reactor nuclear sau o arm nuclear, cele mai multe evenimente de fisiune sunt induse prin bombardament cu alte particule cum ar fi neutronii.Evenimentele tipice de fisiune elibereaz cteva sute de MeV de energie pentru fiecare atom fisionat, acesta fiind i motivul pentru care fisiunea nuclear este folosit ca surs de energie. Prin contrast, cele mai multe reacii chimice de oxidare (cum ar fi arderea crbunelui sau TNT) elibereaz, n general, cteva zeci de eV per eveniment, astfel nct combustibilul nuclear conine cel puin de zece milioane de ori mai mult energie utilizabil dect combustibilul chimic. Energia fisiunii nucleare este eliberat ca energie cinetic a produilor i fragmentelor de fisiune i ca radiaie electromagnetic sub form de raze gamma; ntr-un reactor nuclear energia este convertit n cldur prin ciocnirea acestor particulelor i radiaii cu atomii reactorului i ai fluidului de lucru: ap sau ap grea.Fisiunea nuclear a elementelor grele produce energie deoarece energia de legtur (energia de legtur pe unitatea de mas) a nucleelor cu numere i mase atomice aflate ntre61Ni i56Fe este mai mare dect energia specific a nucleelor foarte grele, astfel nct energia este eliberat atunci cnd nucleele grele sunt sparte n buci.Masa total a produilor de fisiune (Mp) dintr-o singur reacie, dup disiparea energiei lor cinetice, este mai mic dect masa iniial a nucleelor combustibile. Excesul de mas m este asociat cu energia eliberat folosind relaia lui Einstein E = mc2. Prin comparaie, i energia specific de legtur a multor elemente uoare (de la hidrogen pn la magneziu) este de asemenea semnificativ mic, astfel nct dac aceste elemente uoare ar suferi o reacie de fuziune (opus fisiunii), procesul ar fi de asemenea exotermic, cu eliberare de energie.Variaia energiei specifice de legtur cu numrul atomic este datorat interaciunii a dou fore fundamentale ce acioneaz asupra nucleonilor ce formeaz nucleul: protoni i neutroni. Nucleonii sunt legai printr-o for nuclear tare, atractiv, care contrabalanseaz repulsia electrostatic dintre protoni. Totui fora nuclear tare acioneaz numai pe distane extrem de scurte, ntruct se supun potenialului Yukawa. Din aceast cauz nucleele mari sunt mai slab legate per unitatea de mas dect nucleele mici i spargerea unui nucleu mare n dou sau mai multe nuclee cu dimensiuni intermediare elibereaz energie. n practic, cea mai mare parte a acestei energii apare ca energie cinetic ntruct nuclee rezultate se resping i se ndeprteaz unele de altele cu vitez foarte mare.n evenimentele de fisiune nuclear, nucleele se pot sparge n orice combinaie de nuclee mai uoare, dar cel mai comun eveniment este spargerea n nuclee de mase aproximativ egale, n jur de 120; funcie de izotopi i proces, cel mai comun eveniment este fisiune asimetric n care un nucleu rezultat are o mas de aproximativ 90 100 uam (uniti atomice de mas) i cellalt nucleu de aproximativ 130 140 uam.Deoarece forele nucleare tari acioneaz pe distane mici, nucleele mari trebuie s conin proporional mai muli neutroni dect elementele uoare, care sunt mult mai stabile cu un raport proton/neutron de 1:1. Neutronii suplimentari stabilizeaz elementele grele deoarece ele adaug for de legtur tare fr a se compune cu fora de repulsie proton-proton. Produii de fisiune au, n medie, aproximativ acelai raport de neutroni i protoni ca i nucleul printe i de aceea sunt n mod normal instabile (deoarece au n mod proporional prea muli neutroni n comparaie cu izotopii stabili de mase similare). Aceasta este cauza fundamental a problemei deeurile nalt radioactive din reactoarele nucleare. Produii de fisiune tind s fie emitori beta, elibernd electroni rapizi n vederea conservrii sarcinii electrice n urma transformrii neutronilor excedentari n protoni, n interiorul nucleului produsului de fisiune.Cei mai comuni combustibili nucleari,235U i239Pu nu sunt periculoi radiologic prin ei nii:235U are timpul de njumtire de aproximativ 700 milioane de ani, evenimentele spontane de dezintegrare fiind extrem de rare; chiar dac239Pu are timpul de njumtire de aproape 24.000 ani, el este un emitor de particule alfa i, deci, nepericulos atta timp ct nu este ingerat. Dup arderea combustibilului nuclear, materialul combustibil rmas este intim mixat cu produi de fisiune puternic radioactivi care emit particule beta energetice i radiaii gamma. Unii produi de fisiune au timpi de njumtire de ordinul secundelor; alii au timpi de njumtire de ordinul zecilor sau sutelor de ani, cernd faciliti deosebite de stocare pn la dezintegrarea lor n produi stabili neradioactivi.Fisiune spontana si fisiune indusa, reactii in lant Multe elemente grele, cum ar fi uraniu, toriu i plutoniu, sufer ambele tipuri de fisiuni: fisiunea spontan, ca o form a dezintegrrii radioactive i fisiunea indus, o form a reaciei nucleare. Izotopii elementari fisioneaz cnd sunt lovii de un neutron liber (rapid) se numesc fisionabili; izotopii care fisioneaz cnd sunt lovii cu neutroni leni (neutroni termici) sunt numii fisili. Civa fisili particulari i izotopii uor de obinut (ca235U i239Pu) se numesc combustibili nucleari deoarece ei pot s susin o reacie n lan i pot fi obinui n cantiti destul de mari pentru a fi utilizai.Toi izotopii fisionabili i fisili sufer i un numr mic de fisiuni spontane care elibereaz un numr mic de neutroni liberi (rapizi) n interiorul eantionului de combustibil nuclear. Neutronii emii rapid din combustibil devin neutroni liberi, cu un timp de njumtire de aproape 15 minute nainte s se dezintegreze n protoni i radiaii beta. n mod normal, neutronii se ciocnesc cu i sunt absorbii de ctre alte nuclee din vecintate nainte ca dezintegrarea lor s se realizeze. Totui, unii neutroni vor lovi nuclee combustibile i vor induce urmtoarele fisiuni, eliberndu-se astfel mai muli neutroni. Dac se dispune de o cantitate (concentrare) suficient de combustibil nuclear, sau dac numrul de neutronii eliberai este suficient de mare, atunci neutronii proaspt emii sunt mai muli dect neutronii pierdui din material i poate s aib loc ntreinerea unei reacii nucleare n lan.Concentraia de combustibil care permite meninerea unei reacii nucleare n lan se numete concentraie critic; dac concentrarea de material este format n totalitate de nuclee de combustibil avem de a face cu masa critic. Cuvntul critic se refer la extremul unei ecuaii difereniale care guverneaz numrul de neutroni liberi prezeni n combustibil; dac sunt mai puini dect masa critic, atunci numrul de neutroni este determinat de dezintegrarea radioactiv; dar dac sunt mai muli neutroni sau cel puin masa critic, atunci numrul neutronilor este controlat mai degrab de fizica reaciei n lan. Valoarea masei critice a unui combustibil nuclear depinde puternic de geometrie i materialele ambiante (nconjurtoare).Nu toi izotopii fisionabili pot susine o reacie n lan. De exemplu,238U, cel mai abundent al uraniului, este fisionabil dar nu fisil: el sufer fisiuni induse cnd este lovit de un neutron energetic cu o energie cinetic de peste 1 MeV . Dar prea puini neutroni produi de fisiunea238U sunt suficient de energetici pentru a induce o urmtoare fisiune n238U, astfel nct nu este posibil o reacie n lan pentru acest izotop. n schimb, bombardnd238U cu neutroni termici exist posibilitatea ca acetia s fie absorbii, obinndu-se239U, izotop care se dezintegreaz prin emisie beta ctre239Pu; acest proces este folosit pentru a obine239Pu n reactoarele regeneratoare, dar nu contribuie la reacia nuclear n lan.Izotopii fisionabili dar nefisili pot fi folosii ca surs de energie de fisiune fr reacie n lan. Bombardnd238U cu neutroni rapizi se induc fisiuni i se degaj energie atta timp ct este prezent sursa de neutroni. Acest efect este folosit pentru creterea energiei eliberate de armele termonucleare, prin blindarea bombelor cu238U ce interacioneaz cu neutronii eliberai de fuziunea nuclear din centrul bombei.Reactoare de fisiuneReactoarele cu fisiune critic reprezint cel mai comun tip de reactor nuclear. ntr-un astfel de reactor, neutronii produi de fisionarea atomilor combustibilului sunt folosii pentru a induce, n continuare, alte fisiuni i pentru a menine controlul cantitii de energie eliberat. Reactoarele n care se produc fisiuni dar nu fisiuni autontreinute se numesc reactoare de fisiune subcritice. Pentru declanarea fisiunii n acest tip de reactoare se folosesc fie dezintegrrile radioactive, fie acceleratoare de particule.Reactoarele cu fisiune critic sunt construite pentru trei scopuri principale care, n general, presupun metode diferite de exploatare a cldurii i a neutronilor produi prin reacia de fisiune n lan: reactoarele de putere, gndite s produc cldur, indiferent dac ele fac parte din centrale terestre sau din sistemele de putere de pe vapoare i submarine nucleare; reactoarele de cercetare, gndite s produc neutroni i/sau s activeze surse radioactive destinate cercetrilor tiinifice, medicale, inginereti etc.; reactoarele reproductoare, gndite s produc combustibili nucleari n mas plecnd de la ali izotopi mai abundeni. Cel mai cunoscut reactor de acest tip creeaz239Pu (combustibil nuclear) din izotopul natural foarte abundent238U (nu este combustibil nuclear).Dei, n principiu, orice reactor de fisiune poate s funcioneze n toate cele trei moduri, n practic fiecare reactor este construit numai pentru una dintre aceste trei sarcini. (Contra-exemplu: reactorul N de la Hanford, n prezent dezafectat). Reactoarele de putere convertesc energia cinetic a produilor de fisiune n cldur utilizat la nclzirea unui fluid de lucru care, la rndul su, este trecut printr-un motor termic ce genereaz energie (putere) mecanic sau electric. Fluidul de lucru este n mod uzual apa ntr-o turbin cu aburi, dar unele reactoare folosesc alte materiale cum ar fi heliu. Reactoarele de cercetare produc neutroni care sunt folosii n diferite moduri, cldura de fisiune fiind tratat ca un deeu inevitabil. Reactoarele reproductoare sunt specializate din reactoarele de cercetare cu meniunea c materialul ce urmeaz a fi iradiat este combustibilul nsui (un amestec de238U i235U).