Nuklearna fisija
From Wikipedia, the free encyclopedia
Nuklearna fisija (lat. — razdvajanje, deljenje) je vrsta nuklearne reakcije, koja nastaje kad se jezgra atoma nekog hemijskog elementa cepaju na dva fisijska produkta ili fisiona fragmenta sličnih masa, uz emisiju jednog ili više neutrona, te velike količine energije čak i po energetskim standardima radioaktivnog raspada. Tokom procesa fisije dolazi do oslobađanja energije, jer je manje energije potrebno za formiranje dva lakša jezgra nego jednog težeg jezgra. Spontana fisija jezgra događa se vrlo sporo, ali kod nekih teških jezgrara moguće je inicirati bržu reakciju fisije delovanjem sporih neutrona na njih. Takva jezgra koja su podložna fisiji sporim neutronima nazivaju se fisibilnim jezgrama. Osim jezgara izotopa uranijuma-233 i uranijuma-235, te plutonijuma-239, fisibilno je i jezgro izotopa plutonijuma-241. Jedini fisibilni izotop koji postoji u prirodi je izotop uranijuma-235. Energija oslobođena fisijom uranijuma-235 iznosi približno 200 . Dva lakša jezgra koje nastaju fisijom su radioaktivna i zovu se fisioni fragmenti ili fisioni produkti.
Da bi se nuklearna fisija mogla koristiti kao energetski izvor potrebno je stvoriti uslove u kojima će se ta reakcija događati kontinuirano. Kontinuiranu fisijsku reakciju moguće je ostvariti, jer se fisijom fisibilnih izotopa stvaraju dva do tri neutrona koji mogu izazvati fisiju u drugim jezgrama fisibilnih izotopa. Takva se reakcija naziva fisibilna nuklearna lančana reakcija. Mase fisionih produkata su najčešće u odnosu 3:2, a verovatnoća da dođe do nuklearne fisije je 2 do 4 puta na 1000 događaja.[1][2]
Nuklearna se fisija kod nekih teških jezgara odvija spontano, kao oblik radioaktivnog raspada, tako da se teška jezgra cepaju na dva dela, tj. X → A + B. Verovatnoća događanja spontane fisije je vrlo mala. Dovođenjem jezgra u pobuđeno stanje verovatnoća fisije se znatno povećava. To je stanje najlakše postići kod neparnih jezgara uranijuma-235, uranijuma-233 i plutonijuma-239, gde apsorpcija i sasvim sporog neutrona dovodi jezgro u pobuđenje dovoljno za fisiju. Jezgra koje su nastala fisijama zovu se fisijski fragmenti ili fisijski produkti. Fisijski produkti su radioaktivni i glavni su izvor radioaktivnosti u istrošenom nuklearnom gorivu. Procesom fisije dolazi do oslobađanja energije, jer je manje energije potrebno za formiranje dva lakša jezgra nego jednog težeg jezgra. Energija oslobođena fisijom jezgra izotopa uranijuma-235 iznosi približno 200 i prenosi se na okolni medijum u obliku toplotne energije. Energija dobijena fisijom jednog kilograma izotopa uranijuma-235 jednaka je energiji koja bi se dobila izgaranjem 1.300 tona ugljenika ili 1.350 tona nafte. Da bi se taj veliki energijski potencijal fisije mogao iskoristiti kao energetski izvor potrebno je omogućiti kontinuirano odvijanje fisijske reakcije. Dva do tri neutrona koji se oslobađaju tokom fisijske reakcije mogu izazvati reakciju fisije na drugim jezgrama fisibilnog izotopa i na taj način nastaviti nuklearnu lančanu reakciju fisije. Tim procesom dolazi do kontinuiranog oslobađanja fisijske energije na kontrolisan način u posebnim uređajima koji se zovu nuklearni reaktori.[3]
Nuklearnu fisiju su otkrili 19. decembra 1938. u Berlinu nemački hemičari Oto Han i Fric Štrasman.[4][5][6]}[7][8][9] Fizičari Liza Majtner i njen nećak Oto Robert Friš su to teoretski objasnili u januaru 1939. Friš je nazvao proces „fisija” po analogiji sa biološkom fisijom živih ćelija. U svojoj drugoj publikaciji o nuklearnoj fisiji u februaru 1939. Han i Štrasman su predvideli postojanje i oslobađanje dodatnih neutrona tokom procesa fisije, otvarajući mogućnost nuklearne lančane reakcije. Za teške nuklide, to je egzotermna reakcija[10][11] koja može osloboditi velike količine energije kao elektromagnetno zračenje i kao kinetička energija fragmenata (zagrevanje rasutog materijala gde se odvija fisija). Kao i nuklearna fuzija, da bi fisija proizvela energiju, ukupna energija vezivanja nastalih elemenata mora biti veća od one početnog elementa. Fisija je oblik nuklearne transmutacije, jer rezultujući fragmenti (ili atomi ćerke) nisu isti element kao originalni roditeljski atom. Dva (ili više) proizvedena jezgra su najčešće uporedivih, ali malo različitih veličina, obično sa odnosom mase proizvoda od oko 3 prema 2, za uobičajene fisijske izotope.[12][13] Većina fisija su binarne fisije (proizvodeći dva naelektrisana fragmenta), ali povremeno (2 do 4 puta na 1000 događaja) nastaju tri pozitivno naelektrisana fragmenta, u ternarnoj fisiji.[14][15][16] Najmanji od ovih fragmenata u ternarnim procesima kreće se u veličini od protona do jezgra argona.
Osim fisije izazvane neutronom, koju ljudi iskorištavaju i eksploatišu, prirodni oblik spontanog radioaktivnog raspada (koji ne zahteva neutron) se takođe naziva fisijom, a javlja se posebno u izotopima sa veoma velikim masenim brojem. Spontanu fisiju su 1940. otkrili Fljorov, Petržak i Kurčatov[17] u Moskvi, u eksperimentu koji je trebalo da potvrdi da je, bez bombardovanja neutronima, brzina fisije uranijuma zanemarljiva, kao što je predvideo Nils Bor; to nije bilo zanemarljivo.[17] Nepredvidiv sastav proizvoda (koji variraju u širokom opsegu i donekle na haotičan način) razlikuje fisiju od procesa čisto kvantnog tunelisanja kao što su emisija protona, alfa raspad i raspad klastera,[18][19][20][21] koji svaki put daju iste proizvode. Nuklearna fisija oslobađa energiju za nuklearne elektrane i pokreće eksploziju nuklearnog oružja. Obe upotrebe su moguće jer određene supstance koje se nazivaju nuklearna goriva podležu fisiji kada ih udare fisioni neutroni, a zauzvrat emituju neutrone kada se raspadnu. Ovo čini moguću samoodrživu nuklearnu lančanu reakciju, oslobađajući energiju kontrolisanom brzinom u nuklearnom reaktoru ili veoma brzom, nekontrolisanom brzinom u nuklearnom oružju. Količina slobodne energije koja se oslobađa pri fisiji je ekvivalentna količini od 235
U je milion puta veća od one koja se oslobađa pri sagorevanju metana ili iz vodoničnih gorivnih ćelija.[22]
Međutim, proizvodi nuklearne fisije su u proseku daleko radioaktivniji od teških elemenata koji se normalno koriste kao gorivo i ostaju takvi tokom znatnog vremena, što dovodi do problema nuklearnog otpada. Međutim, sedam dugovečnih fisionih proizvoda čini samo mali deo fisionih proizvoda.[23][24] Apsorpcija neutrona koja ne dovodi do fisije proizvodi plutonijum (od 238
U) i manjinske aktinide[25][26] (iz oba 235
U i 238
U) čija je radiotoksičnost daleko veća od one dugovečnih fisionih produkata.[27][28] Zabrinutost zbog akumulacije nuklearnog otpada i destruktivnog potencijala nuklearnog oružja su protivteža mirnodobskoj želji da se fisija koristi kao izvor energije. Gorivni ciklus torijuma praktično ne proizvodi plutonijum i formira mnogo manje minornih aktinida, ali 232
U - odnosno njegovi proizvodi raspada - su glavni emiter gama zraka.[29][30][31][32][33] Svi aktinidi su plodni ili fisioni[34] i brzoumnožavajući reaktori mogu ih sve fisionirati,[35][36][37][38] iako samo u određenim konfiguracijama.[39] Nuklearna prerada[40][41][42][43] ima za cilj da povrati upotrebljivi materijal iz istrošenog nuklearnog goriva[44][45][46] kako bi se omogućilo da zalihe uranijuma (i torijuma) traju duže i da bi se smanjila količina „otpada”. Industrijski izraz za proces koji obavlja fisiju svih ili skoro svih aktinida je „zatvoreni ciklus goriva“.[47][48][49][50]