Fisiune nucleară

De la Wikipedia, enciclopedia liberă

Fisiunea nucleară, cunoscută şi sub denumirea de fisiune atomică, este un proces în care nucleul unui atom se rupe în două sau mai multe nuclee mai mici, numite produşi de fisiune şi, în mod uzual, un număr oarecare de particule individuale. Aşadar, fisiunea este o formă de transmutaţie elementară. Particulele individuale pot fi neutroni, fotoni (uzual sub formă de raze gamma) şi alte fragmente nucleare cum ar fi particulele beta şi particulele alfa. Fisiunea elementelor grele este o reacţie exotermică şi poate să elibereze cantităţi substanţiale de energie sub formă de radiaţii gamma şi energie cinetică a fragmentelor (încălzind volumul de material în care fisiunea are loc).

Fisiunea nucleară este folosită pentru a produce energie în centrale de putere şi pentru explozii în armele nucleare. Fisiunea este utilă ca sursă de putere deoarece unele materiale, numite combustibil nuclear, pe de o parte generează neutroni ca „jucători” ai procesului de fisiune şi, pe de altă parte, li se iniţiază fisiunea la impactul cu (exact aceşti) neutroni liberi. Combustibilii nucleari pot fi utilizaţi în reacţii nucleare în lanţ auto-întreţinute, care eliberează energie în cantităţi controlate într-un reactor nuclear sau în cantităţi necontrolate, foarte rapid, într-o armă nucleară.

Cantitatea de energie liberă conţinută într-un combustibil nuclear este de milioane de ori mai mare decât energia liberă conţinută într-o masă similară de combustibil chimic (benzină, de exemplu), acest lucru făcând fisiunea nucleară o sursă foarte tentantă de energie; totuşi produsele secundare ale fisiunii nucleare sunt puternic radioactive, putând rămâne aşa chiar şi pentru mii de ani, având de a face cu importantă problemă a deşeurilor nucleare. Preocupările privind acumularea deşeurilor şi imensul potenţial distructiv al armelor nucleare contrabalansează calităţile dezirabile ale fisiunii ca sursă de energie, fapt ce dă naştere la intense dezbateri politice asupra problemei puterii nucleare.

Cuprins 1 Aspecte fizice 2 Fisiune spontană şi fisiunea indusă; reacţii în lanţ 3 Reactoare de fisiune 4 Scurt istoric

[modifică] Aspecte fizice

Fisiunea nucleară diferă de alte forme de dezintegrare radioactivă prin aceea că ea poate fi amorsată şi controlată pe calea reacţiei în lanţ: neutroni liberi eliberaţi de fiecare eveniment de fisiune pot declanşa în continuare alte evenimente care, la rândul lor eliberează mai mulţi neutroni şi pot determina mai multe fisiuni. Izotopii chimici care pot să susţină o reacţie de fisiune în lanţ se numesc combustibili nucleari şi se spune că sunt fisili. Cel mai comun combustibil nucleare este ²³⁵U (izotopul uraniului cu masa atomică 235) şi ²³⁹Pu (izotopul plutoniului cu masa atomică 239). Aceşti combustibili se sparg în elemente chimice (produşi de fisiune) cu mase atomice apropiate de 100. Majoritatea combustibililor nucleari suferă fisiuni spontane extrem de rar, dezintegrându-se în principal prin reacţii alfa/beta timp de milenii. Într-un reactor nuclear sau o armă nucleară, cele mai multe evenimente de fisiune sunt induse prin bombardament cu alte particule cum ar fi neutronii.

Evenimentele tipice de fisiune eliberează câteva sute de MeV de energie pentru fiecare atom fisionat, acesta fiind şi motivul pentru care fisiunea nucleară este folosită ca sursă de energie. Prin contrast, cele mai multe reacţii chimice de oxidare (cum ar fi arderea cărbunelui sau TNT) eliberează, în general, câteva zeci de eV per eveniment, astfel încât combustibilul nuclear conţine cel puţin de zece milioane de ori mai multă energie utilizabilă decât combustibilul chimic. Energia fisiunii nucleare este eliberată ca energie cinetică a produşilor şi fragmentelor de fisiune şi ca radiaţie electromagnetică sub formă de raze gamma; într-un reactor nuclear energia este convertită în căldură prin ciocnirea acestor particulelor şi radiaţii cu atomii reactorului şi ai fluidului de lucru: apă sau apă grea.

Fisiunea nucleară a elementelor grele produce energie deoarece energia de legătură (energia de legătură pe unitatea de masă) a nucleelor cu numere şi mase atomice aflate între ⁶¹Ni şi ⁵⁶Fe este mai mare decât energia specifică a nucleelor foarte grele, astfel încât energia este eliberată atunci când nucleele grele sunt sparte în bucăţi.

Masa totală a produşilor de fisiune (Mp) dintr-o singură reacţie, după disiparea energiei lor cinetice, este mai mică decât masa iniţială a nucleelor combustibile. Excesul de masă Δm este asociat cu energia eliberată folosind relaţia lui Einstein E = Δmc². Prin comparaţie, şi energia specifică de legătură a multor elemente uşoare (de la hidrogen până la magneziu) este de asemenea semnificativ mică, astfel încât dacă aceste elemente uşoare ar suferi o reacţie de fuziune (opusă fisiunii), procesul ar fi de asemenea exotermic, cu eliberare de energie.

Variaţia energiei specifice de legătură cu numărul atomic este datorată interacţiunii a două forţe fundamentale ce acţionează asupra nucleonilor ce formează nucleul: protoni şi neutroni. Nucleonii sunt legaţi printr-o forţă nucleară tare, atractivă, care contrabalansează repulsia electrostatică dintre protoni. Totuşi forţa nucleară tare acţionează numai pe distanţe extrem de scurte, întrucât se supun potenţialului Yukawa. Din această cauză nucleele mari sunt mai slab legate per unitatea de masă decât nucleele mici şi spargerea unui nucleu mare în două sau mai multe nuclee cu dimensiuni intermediare eliberează energie. În practică, cea mai mare parte a acestei energii apare ca energie cinetică întrucât nuclee rezultate se resping şi se îndepărtează unele de altele cu viteză foarte mare.

În evenimentele de fisiune nucleară, nucleele se pot sparge în orice combinaţie de nuclee mai uşoare, dar cel mai comun eveniment este spargerea în nuclee de mase aproximativ egale, în jur de 120; funcţie de izotopi şi proces, cel mai comun eveniment este fisiune asimetrică în care un nucleu rezultat are o masă de aproximativ 90 – 100 uam (umităţi atomice de masă) şi celălalt nucleu de aproximativ 130 – 140 uam.

Deoarece forţele nucleare tari acţionează pe distanţe mici, nucleele mari trebuie să conţină proporţional mai mulţi neutroni decât elementele uşoare, care sunt mult mai stabile cu un raport proton/neutron de 1:1. Neutronii suplimentari stabilizează elementele grele deoarece ele adaugă forţă de legătură tare fără a se compune cu forţa de repulsie proton-proton. Produşii de fisiune au, în medie, aproximativ acelaşi raport de neutroni şi protoni ca şi nucleul „părinte” şi de aceea sunt în mod normal instabile (deoarece au în mod proporţional prea mulţi neutroni în comparaţie cu izotopii stabili de mase similare). Aceasta este cauza fundamentală a problemei deşeurile înalt radioactive din reactoarele nucleare. Produşii de fisiune tind să fie emiţători beta, eliberând electroni rapizi în vederea conservării sarcinii electrice în urma transformării neutronilor excedentari în protoni, în interiorul nucleului produsului de fisiune.

Cei mai comuni combustibili nucleari, ²³⁵U şi ²³⁹Pu nu sunt periculoşi radiologic prin ei înşişi: ²³⁵U are timpul de înjumătăţire de aproximativ 700 milioane de ani, evenimentele spontane de dezintegrare fiind extrem de rare; chiar dacă ²³⁹Pu are timpul de înjumătăţire de aproape 24.000 ani, el este un emiţător de particule alfa şi, deci, nepericulos atâta timp cât nu este ingerat. După „arderea” combustibilului nuclear, materialul combustibil rămas este intim mixat cu produşi de fisiune puternic radioactivi care emit particule beta energetice şi radiaţii gamma. Unii produşi de fisiune au timpi de înjumătăţire de ordinul secundelor; alţii au timpi de înjumătăţire de ordinul zecilor sau sutelor de ani, cerând facilităţi deosebite de stocare până la dezintegrarea lor în produşi stabili neradioactivi.

[modifică] Fisiune spontană şi fisiunea indusă; reacţii în lanţ

Multe elemente grele, cum ar fi uraniu, toriu şi plutoniu, suferă ambele tipuri de fisiuni: fisiunea spontană, ca o formă a dezintegrării radioactive şi fisiunea indusă, o formă a reacţiei nucleare. Izotopii elementari fisionează când sunt loviţi de un neutron liber (rapid) se numesc fisionabili; izotopii care fisionează când sunt loviţi cu neutroni lenţi (neutroni termici) sunt numiţi fisili. Câţiva fisili particulari şi izotopii uşor de obţinut (ca ²³⁵U şi ²³⁹Pu) se numesc combustibili nucleari deoarece ei pot să susţină o reacţie în lanţ şi pot fi obţinuţi în cantităţi destul de mari pentru a fi utilizaţi.

Toţi izotopii fisionabili şi fisili suferă şi un număr mic de fisiuni spontane care eliberează un număr mic de neutroni liberi (rapizi) în interiorul eşantionului de combustibil nuclear. Neutronii emişi rapid din combustibil devin neutroni liberi, cu un timp de înjumătăţire de aproape 15 minute înainte să se dezintegreze în protoni şi radiaţii beta. În mod normal, neutronii se ciocnesc cu şi sunt absorbiţi de către alte nuclee din vecinătate înainte ca dezintegrarea lor să se realizeze. Totuşi, unii neutroni vor lovi nuclee combustibile şi vor induce următoarele fisiuni, eliberându-se astfel mai mulţi neutroni. Dacă se dispune de o cantitate (concentrare) suficientă de combustibil nuclear, sau daca numărul de neutronii eliberaţi este suficient de mare, atunci neutronii proaspăt emişi sunt mai mulţi decât neutronii pierduţi din material şi poate să aibă loc întreţinerea unei reacţii nucleare în lanţ.

Concentraţia de combustibil care permite menţinerea unei reacţii nucleare în lanţ se numeşte concentraţie critică; dacă concentrarea de material este formată în totalitate de nuclee de combustibil avem de a face cu masa critică. Cuvântul „critic” se referă la extremul unei ecuaţii diferenţiale care guvernează numărul de neutroni liberi prezenţi în combustibil; dacă sunt mai puţini decât masa critică, atunci numărul de neutroni este determinat de dezintegrarea radioactivă; dar dacă sunt mai mulţi neutroni sau cel puţin masa critică, atunci numărul neutronilor este controlat mai degrabă de fizica reacţiei în lanţ. Valoarea masei critice a unui combustibil nuclear depinde puternic de geometrie şi materialele ambiante (înconjurătoare).

Nu toţi izotopii fisionabili pot susţine o reacţie în lanţ. De exemplu, ²³⁸U, cel mai abundent al uraniului, este fisionabil dar nu fisil: el suferă fisiuni induse când este lovit de un neutron energetic cu o energie cinetică de peste 1 MeV . Dar prea puţini neutroni produşi de fisiunea ²³⁸U sunt suficient de energetici pentru a induce o următoare fisiune în ²³⁸U, astfel încât nu este posibilă o reacţie în lanţ pentru acest izotop. În schimb, bombardând ²³⁸U cu neutroni termici există posibilitatea ca aceştia să fie absorbiţi, obţinându-se ²³⁹U, izotop care se dezintegrează prin emisie beta către ²³⁹Pu; acest proces este folosit pentru a obţine ²³⁹Pu în reactoarele regeneratoare, dar nu contribuie la reacţia nucleară în lanţ.

Izotopii fisionabili dar nefisili pot fi folosiţi ca sursă de energie de fisiune fără reacţie în lanţ. Bombardând ²³⁸U cu neutroni rapizi se induc fisiuni şi se degajă energie atâta timp cât este prezentă sursa de neutroni. Acest efect este folosit pentru creşterea energiei eliberate de armele termonucleare, prin blindarea bombelor cu ²³⁸U ce interacţionează cu neutronii eliberaţi de fuziunea nucleară din centrul bombei.

[modifică] Reactoare de fisiune

Reactoarele cu fisiune critică reprezintă cel mai comun tip de reactor nuclear. Într-un astfel de reactor, neutronii produşi de fisionarea atomilor combustibilului sunt folosiţi pentru a induce, în continuare, alte fisiuni şi pentru a menţine controlul cantităţii de energie eliberată. Reactoarele în care se produc fisiuni dar nu fisiuni autoîntreţinute se numesc reactoare de fisiune subcritice. Pentru declanşarea fisiunii în acest tip de reactoare se folosesc fie dezintegrările radioactive, fie acceleratoare de particule.

Reactoarele cu fisiune critică sunt construite pentru trei scopuri principale care, în general, presupun metode diferite de exploatare a căldurii şi a neutronilor produşi prin reacţia de fisiune în lanţ:

• reactoarele de putere, gândite să producă căldură, indiferent dacă ele fac parte din centrale terestre sau din sistemele de putere de pe vapoare şi submarine nucleare;

• reactoarele de cercetare, gândite să producă neutroni şi/sau să activeze surse radioactive destinate cercetărilor ştiinţifice, medicale, inginereşti etc.;

• reactoarele reproducătoare, gândite să producă combustibili nucleari în masă plecând de la alţi izotopi mai abundenţi. Cel mai cunoscut reactor de acest tip creează ²³⁹Pu (combustibil nuclear) din izotopul natural foarte abundent ²³⁸U (nu este combustibil nuclear).

Deşi, în principiu, orice reactor de fisiune poate să funcţioneze în toate cele trei moduri, în practică fiecare reactor este construit numai pentru una dintre aceste trei sarcini. (Contra-exemplu: reactorul N de la Hanford, în prezent dezafectat). Reactoarele de putere convertesc energia cinetică a produşilor de fisiune în căldură utilizată la încălzirea unui fluid de lucru care, la rândul său, este trecut printr-un motor termic ce generează energie (putere) mecanică sau electrică. Fluidul de lucru este în mod uzual apa într-o turbină cu aburi, dar unele reactoare folosesc alte materiale cum ar fi heliu. Reactoarele de cercetare produc neutroni care sunt folosiţi în diferite moduri, căldura de fisiune fiind tratată ca un deşeu inevitabil. Reactoarele reproducătoare sunt specializate din reactoarele de cercetare cu menţiunea că materialul ce urmează a fi iradiat este combustibilul însuşi (un amestec de ²³⁸U şi ²³⁵U).

[modifică] Scurt istoric

Rezultatele bombardării uraniului cu neutroni s-au dovedit a fi interesante şi enigmatice. Studiate prima dată de Enrico Fermi şi colegii lui în 1934, nu au fost interpretate corect decât după mulţi ani mai târziu.

Pe 16 ianuarie 1939, danezul Niesl Bohr ajungea în Statele Unite pentru a locui câteva luni în Princeton, New Jersey, şi hotărât să discute, în mod particular, unele probleme abstracte cu Albert Einstein. (Patru ani mai târziu Bohr a fugit din Danemarca ocupată de nazişti). Chiar înainte ca Bohr să părăsească Danemarca (la bordul unei vapor), doi dintre colegii săi, Otto Robert Frisch şi Lise Meitner (amândoi refugiaţi din Germania) i-au comunicat bănuiala că absorbţia neutronului de nucleul de uraniu conduce uneori la spargerea nucleului în părţi aproximativ egale şi eliberarea unei enorme cantităţi de energie, proces pe care ei l-au botezat „fisiune nucleară” (asemănător fisiunii/divizării celulelor vii din biologie).

Această ipoteză a fost precedată de descoperirea importantă a lui Otto Hahn şi Frizz Strassmann din Germania (publicată în Naturwissenschaften la începutul lui Ianuarie 1939) care a demonstrat că un izotop de bariu a fost produs prin bombardarea uraniului. Bohr a promis să păstreze secretă interpretarea Meitner/Frsch până la publicarea lucrării lor, pentru păstrarea priorităţii, dar la bordul vaporului a discutat această problemă cu Léon Rosenfeld uitând să-l roage s-o păstreze secretă. Rosenfeld, imediat după părăsirea vaporului a vorbit despre această descoperire tuturor celor de la Princeton University, şi de la aceştia ştirea s-a răspândit în lumea fizicienilor, ajungând inclusiv la Enrico Fermi la Columbia University. După unele discuţii între Fermi, John R. Dunning şi G.B. Pegram, la Columbia University s-a realizat un experiment de ionizare cu puls de putere de la care se aştepta obţinerea unor fragmente de nuclee de uraniu. Pe 29 Ianuarie 1939 a avut loc o conferinţă de fizică teoretică în Washington D.C., sponsorizată de George Washington University şi Carnegie Institution of Washington.

Fermi a părăsit New York-ul pentru a participa la această conferinţă înainte ca experimentul de fisiune de la Columbia University să fi fost realizat. La conferinţă, Bohr şi Fermi au discutat problema fisiunii şi, în particular, Fermi a menţionat posibilitatea ca pe durata procesului să fie emişi neutroni. Deşi acest lucru era doar o presupunere, erau evidente implicaţiile sale privind posibilitatea unei reacţii nucleare în lanţ. „Reacţia în lanţ” era cunoscută la aceea vreme ca un fenomen chimic, dar procese analoge în fizica nucleară, folosind neutroni, au fost anticipate încă dinainte de 1933 de Leo Szilard, cu toate că Szilard nu avea nici o idee cu ce materiale s-ar fi putut iniţia un astfel de proces. Acum, după descoperirea fisiunii elementelor grele, indusă de neutroni, s-au publicat numeroase articole senzaţionale pe subiectul reacţiilor nucleare în lanţ. Înaintea terminării conferinţei din Washington, au fost iniţiate mai multe experimente de confirmare a fisiunii, rezultate pozitive fiind raportate de patru laboratoare (Columbia University, Carnegie Institution of Washington, Johns Hopkins University, University of California) pe 15 Februarie 1939 în Physical Review. În acelaşi timp Bohr a auzit că experimente similare au fost făcute în Copenhaga în jurul datei de 15 Ianuarie (Lucrarea lui Frisch trimisă revistei Nature este datată 16 Ianuarie 1939 şi a apărut în numărul din 18 Februarie). La Paris, Frédéric Joliot a publicat de asemenea primele sale rezultate în Comptes Rendus din 30 Ianuarie 1939. Din acest moment lucrările pe subiectul fisiunii s-au înmulţit astfel încât în Decembrie 1939 numărul acestora ajunsese deja la o sută.

Ţinta majoră a primelor cercetări de fisiune a fost producerea unei reacţii nucleare în lanţ controlată, care ar fi condus la realizarea unei prime centrale nuclearo-electrice. Aceasta a condus la construirea lui Chicago Pile-1, primul reactor nuclear cu fisiune critică din lume realizat de om (care a folosit uraniu, singurul combustibil nuclear disponibil în cantităţi utile) şi la proiectul Manhattan destinat dezvoltării armelor nucleare.

Producerea în lanţ a reacţiei de fisiune folosind uraniu drept combustibil nuclear este departe de a fi un lucru uşor. Vechile reactoare nucleare nu au folosit uraniu îmbogăţit şi, prin urmare, a fost necesară utilizarea unei cantităţi mari de grafit purificat pe post de material moderator de neutroni. Folosirea apei uşoare (în opoziţie cu apa grea) într-un reactor nuclear presupune utilizarea de combustibil îmbogăţit (obţinut prin creşterea conţinutului mai rar răspânditului izotop ²³⁵U din minereul natural conţinând cu precădere izotopul ²³⁸U). În mod normal, reactoarele presupun includerea, pe post de moderator de neutroni, a materialelor extrem de pure chimic cum ar fi deuteriu (în apa grea), heliu, beriliu sau carbon sub formă de grafit. (Înalta puritate este cerută deoarece multe impurităţi chimice, cum ar fi borul, sunt absorbanţi puternici de neutroni şi, astfel, o adevărată „otravă” pentru reacţia în lanţ).

Mai urma să fie rezolvată problema producerii unor astfel de materiale la scară industrială. Până în 1940, cantitatea de uraniu metalic produsă în SUA a fost de câteva grame şi acestea de o puritate nesigură; la fel: câteva kilograme de beriliu metalic, câteva kilograme de apă grea şi nici o cantitate de carbon cu puritatea cerută de un moderator.

Problema producerii în cantităţi mari a uraniului de puritate înaltă a fost rezolvată de Frank Spedding folosind procese thermit (oxidarea aluminiului metalic). În 1942 Ames Laboratory a reuşit să producă o cantitate mare de uraniu natural (neîmbogăţit) ce ar fi urmat să fie folosit în cercetările următoare. Succesul cu Chicago Pile-1 care folosea uraniu natural, la fel ca toate „pilele” atomice care produceau plutoniu pentru bomba atomică, se datorau de asemenea rezultatelor lui Szilard cobform cărora grafitul foarte pur poate fi folosit ca moderator în „pilele” cu uraniu natural. În timpul celui de al doilea război mondial, în Germania, neîncrederea în calităţile grafitului foarte pur a condus la proiectarea unui reactor depinzând de apa grea, produsă în Norvegia, dar „interzisă” germanilor în urma atacurilor distrugătoare ale aliaţilor. Aceste dificultăţi i-au împiedicat pe nazişti să construiască un reactor în timpul războiului.

Fapt necunoscut până în anul 1972, când fizicianul francez Francis Perrin a descoperit „Reactoarele Fosile de la Oklo”, natura a luat-o înaintea omului în ceea ce priveşte reacţia de fisiune în lanţ a uraniului încă de acum 2 miliarde de ani. Acest proces a putut folosi ca moderator apa uşoară deoarece acum 2 miliarde de ani uraniul natural a fost mult mai bogat în izotopi de ²³⁵U decât în zilele noastre.