(O reacție de fisiune indusă. Un neutron este absorbit de un nucleu de uraniu-235, transformându-l rapid într-un nucleu de uraniu-236 excitat, cu energia de excitație furnizată de energia cinetică a neutronului plus forțele care leagă neutronul. Uraniu-236, la rândul său, se sparge în elemente mai ușoare care se deplasează rapid (produse de fisiune) și eliberează o cantitate mică de neutroni liberi. În același timp, se produc și una sau mai multe „raze gamma prompte” (nereprezentate).)
În fizica nucleară și în chimia nucleară, fisiunea nucleară este fie o reacție nucleară, fie un proces de dezintegrare radioactivă în care nucleul unui atom se împarte în părți mai mici (nuclee mai ușoare). Procesul de fisiune produce deseori neutroni liberi și fotoni gamma, și eliberează o cantitate foarte mare de energie chiar și prin standardele energetice ale dezintegrării radioactive.
Dezintegrarea nucleară a elementelor grele a fost descoperită la 17 decembrie 1938 de către germanul Otto Hahn și asistentul său Fritz Strassmann și explicată teoretic în ianuarie 1939 de Lise Meitner și nepotul său Otto Robert Frisch. Frisch a numit procesul prin analogie cu fisiunea biologică a celulelor vii. Este o reacție exotermă care poate elibera cantități mari de energie atât ca radiație electromagnetică cât și ca energie cinetică a fragmentelor (încălzirea materialului în masă unde care are loc fisiunea). Pentru ca fisiunea să producă energie, energia totală de legare a elementelor rezultate trebuie să fie mai puțin negativă (o energie mai mare) decât cea a elementului de pornire.
Fisiunea este o formă de transmutare nucleară, deoarece fragmentele rezultate nu sunt aceleași elemente ca atomul inițial. Cele două nuclee produse sunt cel mai adesea de dimensiuni comparabile, dar ușor diferite, de obicei cu un raport de masă de produse de aproximativ 3 până la 2, pentru izotopii fisili. Majoritatea fisiunilor sunt fisiuni binare (producând două fragmente încărcate), dar ocazional (de 2 până la 4 ori la 1000 de evenimente), se produc trei fragmente încărcate pozitiv, într-o fisiune ternară. Cel mai mic dintre aceste fragmente în procesele ternare variază de la un proton la un nucleu de argon.
În afară de fisiunea indusă de un neutron, controlată și exploatată de oameni, o formă naturală de dezintegrare radioactivă spontană (care nu necesită un neutron) este denumită de asemenea fisiune, și apare în special în izotopi cu număr mare de masă. Fiziunea spontană a fost descoperită în 1940 de Flyorov, Petrjak și Kurchatov la Moscova, când au decis să confirme că, fără bombardament cu neutroni, rata de fisiune a uraniului era într-adevăr neglijabilă, așa cum a prezis Niels Bohr; nu a fost așa.
Compoziția imprevizibilă a produselor (care variază într-o manieră probabilistică și oarecum haotică) distinge fisiunea de la procesele de tunelări cuantice pure, cum ar fi emisia de protoni, dezintegrarea alfa și dezintegrarea clusterului, care dau aceleași produse de fiecare dată. Fisiunea nucleară produce energie pentru energia nucleară și inițiază explozia armelor nucleare. Ambele utilizări sunt posibile deoarece anumite substanțe numite combustibili nucleari suferă fisiune atunci când sunt lovite de neutroni de fisiune și, la rândul lor, emit neutroni când fisionează. Acest lucru face posibilă o reacție în lanț nucleară auto-susținută, care eliberează energie într-un ritm controlat într-un reactor nuclear sau într-un ritm foarte rapid, necontrolat, într-o armă nucleară.
Cantitatea de energie liberă din combustibilul nuclear este de milioane de ori cantitatea de energie liberă conținută într-o cantitate similară de combustibil chimic, cum ar fi benzina, făcând fisiunea nucleară o sursă de energie foarte densă. Cu toate acestea, produsele de fisiune nucleară sunt, în medie, mult mai radioactive decât elementele grele din care sunt în mod obișnuit divizate ca și combustibil, și rămân așa pentru perioade semnificative de timp, dând naștere unei probleme de deșeuri nucleare. Preocupările legate de acumularea deșeurilor nucleare și de potențialul distructiv al armelor nucleare reprezintă o contrabalansare a dorinței pașnice de a folosi fisiunea ca sursă de energie și dau naștere unei dezbateri politice continue asupra energiei nucleare.
Mecanismul
(Produsul de fisiune rezultat în masă pentru fisiunea neutronică termică a U-235, Pu-239, o combinație a celor două reactoare tipice de putere nucleară, și U-233 utilizat în ciclul toriului.)
Fisiunea nucleară poate să apară fără bombardarea cu neutroni ca un tip de dezintegrare radioactivă. Acest tip de fisiune (numit fisiune spontană) este rară, cu excepția câtorva izotopi grei. În dispozitivele nucleare construite, în mod esențial toate fisiunile nucleare apar ca o „reacție nucleară” – un proces condus de bombardament care rezultă din coliziunea a două particule subatomice. În reacțiile nucleare, o particulă subatomică se ciocnește cu un nucleu atomic și provoacă modificări. Reacțiile nucleare sunt determinate de mecanica bombardamentului, nu de dezintegrarea exponențială relativ constantă și de timpul de înjumătățire caracteristic proceselor radioactive spontane.
Multe tipuri de reacții nucleare sunt cunoscute în prezent. Fisiunea nucleară diferă semnificativ de alte tipuri de reacții nucleare, prin faptul că aceasta poate fi amplificată și uneori controlată printr-o reacție în lanț nucleară (un tip de reacție în lanț generală). Într-o astfel de reacție, neutronii eliberați de fiecare eveniment de fisiune pot declanșa încă mai multe evenimente, care la rândul lor eliberează mai mulți neutroni și produc mai multe fisiuni.
Izotopii elementului chimic care pot susține o reacție în lanț de fisiune sunt numiți combustibili nucleari și se spune că sunt fisili. Cei mai comuni combustibili nucleari sunt 235U (izotopul uraniului cu o masă atomică de 235 și utilizat în reactoarele nucleare) și 239Pu (izotopul plutonului cu o masă atomică de 239). Acești combustibili se separă într-o gamă bimodală de elemente chimice cu mase atomice centrale în apropierea a 95 și 135 u (produse de fisiune). Majoritatea combustibililor nucleari suferă doar o fisiune spontană foarte încet, dezintegrându-se, în schimb, în principal prin intermediul unui lanț de dezintegrare alfa-beta pe perioade de milenii și eoni. Într-un reactor nuclear sau în arme nucleare, majoritatea covârșitoare a evenimentelor de fisiune sunt induse de bombardament cu o altă particulă, un neutron, care este produs în sine de evenimentele de fisiune anterioare.
Fisiunile nucleare în combustibilii fisili sunt rezultatul energiei de excitație nucleară produsă atunci când un nucleu fisionabil captează un neutron. Această energie, rezultată din captarea neutronilor, este rezultatul forței nucleare atractive care acționează între neutron și nucleu. Este suficient să deformăm nucleul într-o „picătură” dublu lobată, până la punctul în care fragmentele nucleare depășesc distanțele la care forța nucleară poate ține împreună două grupuri de nucleoni încărcați și atunci când se întâmplă aceste două fragmente se completează separarea lor și apoi sunt înlăturate mai departe de încărcăturile lor repulsive, într-un proces care devine ireversibil cu o distanță din ce în ce mai mare. Un proces similar apare în izotopii fisionabili (cum ar fi uraniul-238), dar pentru a fi descompuși, acești izotopi necesită energie suplimentară furnizată de neutronii rapizi (cum ar fi cei produși prin fuziunea nucleară în armele termonucleare).
Modelul picăturii de lichid a nucleului atomic prezice produse de fisiune cu dimensiuni egale ca rezultat al deformării nucleare. Modelul păturii nucleare, mai sofisticat, este necesar pentru a explica mecanic traseul către un rezultat mai favorabil din punct de vedere energetic, în care un produs de fisiune este puțin mai mic decât celălalt. O teorie a fisiunii pe baza modelului păturii a fost formulată de Maria Goeppert Mayer.
Cel mai des întâlnit proces de fisiune este fisiunea binară, cu produșii de fisiune menționați mai sus la 95±15 și 135±15 u. Cu toate acestea, procesul binar apare doar pentru că este cel mai probabil. În oricxare din 2 până la 4 fisiuni la 1000 într-un reactor nuclear, un proces numit fisiune ternară produce trei fragmente încărcate pozitiv (plus neutroni), iar cel mai mic dintre acestea poate varia de la o sarcină și o masă mici de un proton (Z = 1), până la un fragment mare precum argonul (Z = 18). Cele mai obișnuite fragmente mici, totuși, sunt compuse în proporție de 90% din nuclee de heliu-4 de cu mai multă energie decât particulele alfa din dezintegrarea alfa (așa-numitele ”alfa de interval mare” la ~ 16 MeV) plus nuclee de heliu-6 și tritoni (nucleele de tritiu). Procesul ternar este mai puțin obișnuit, dar în cele din urmă se ajunge la producerea unui heliu-4 semnificativ și a acumulării de gaz de tritiu în tijele de combustibil ale reactoarelor nucleare moderne.
Lasă un răspuns