Fisiune | Fizică | St. Charles

OBIECTIVE DE ÎNVĂȚARE
Exemplu 1. Calculul energiei eliberate prin fisiune
Strategie
Soluție
Discuție
Exemplu 2. Calcularea energiei dintr-un kilogram de combustibil fisionabil
Strategie
Soluție
Discuție
Explorări PhET: fisiunea nucleară
Rezumat al secțiunii
Întrebări conceptuale
Probleme &Exerciții
Glosar
Soluții alese la probleme &Exerciții

OBIECTIVE DE ÎNVĂȚARE

La sfârșitul acestei secțiuni, veți fi capabili să:

Definiți fisiunea nucleară.
Să discutați cum reacționează combustibilul de fisiune și să descrieți ce produce.
Să descrieți reacțiile în lanț controlate și necontrolate.

Fisiunea nucleară este o reacție în care un nucleu este divizat (sau fisurat). Fisiunea controlată este o realitate, în timp ce fuziunea controlată este o speranță pentru viitor. Sute de centrale nucleare de fisiune din întreaga lume atestă faptul că fisiunea controlată este practică și, cel puțin pe termen scurt, economică, după cum se vede în figura 1. În timp ce energia nucleară a prezentat un interes scăzut timp de zeci de ani, după TMI și Cernobîl (și acum Fukushima Daiichi), preocupările crescânde legate de încălzirea globală au readus energia nucleară pe tapet ca alternativă energetică viabilă. La sfârșitul anului 2009, existau 442 de reactoare în funcțiune în 30 de țări, furnizând 15% din energia electrică mondială. Franța furnizează peste 75% din energia electrică pe bază de energie nucleară, în timp ce SUA au 104 reactoare în funcțiune care furnizează 20% din energia electrică. Australia și Noua Zeelandă nu au niciunul. China construiește centrale nucleare în ritmul de un început în fiecare lună.

Figura 1. Oamenii care locuiesc în apropierea acestei centrale nucleare nu au nicio expunere măsurabilă la radiații care să poată fi atribuite centralei. Aproximativ 16% din energia electrică din lume este generată prin fisiune nucleară controlată în astfel de centrale. Turnurile de răcire sunt cele mai proeminente caracteristici, dar nu sunt unice pentru energia nucleară. Reactorul se află în mica clădire în formă de cupolă din stânga turnurilor. (credit: Kalmthouts)

Fisiunea este opusul fuziunii și eliberează energie doar atunci când nucleele grele sunt divizate. După cum s-a menționat în Fuziune, energia este eliberată dacă produsele unei reacții nucleare au o energie de legătură pe nucleon (BE/A) mai mare decât nucleele mamă. Figura 2 arată că BE/A este mai mare pentru nucleele de masă medie decât pentru nucleele grele, ceea ce implică faptul că, atunci când un nucleu greu este divizat, produsele au mai puțină masă pe nucleon, astfel încât masa este distrusă și energia este eliberată în reacție. Cantitatea de energie per reacție de fisiune poate fi mare, chiar și după standardele nucleare. Graficul din figura 2 arată că BE/A este de aproximativ 7,6 MeV/nucleon pentru cele mai grele nuclee (A aproximativ 240), în timp ce BE/A este de aproximativ 8,6 MeV/nucleon pentru nuclee cu A aproximativ 120. Astfel, dacă un nucleu greu se împarte în două, atunci se eliberează aproximativ 1 MeV per nucleon, sau aproximativ 240 MeV per fisiune. Aceasta este de aproximativ 10 ori mai mare decât energia pe reacție de fuziune și de aproximativ 100 de ori mai mare decât energia medie a dezintegrării α, β sau γ.

Exemplu 1. Calculul energiei eliberate prin fisiune

Calculați energia eliberată în următoarea reacție de fisiune spontană:

238U → 95Sr + 140Xe + 3n

După masele atomice fiind m(238U) = 238.050784 u, m(95Sr) = 94,919388 u, m(140Xe) = 139,921610 u, iar m(n) =1,008665 u.

Strategie

Ca întotdeauna, energia eliberată este egală cu masa distrusă înmulțită cu c2, deci trebuie să găsim diferența de masă dintre 238U părinte și produșii de fisiune.

Soluție

Produsele au o masă totală de

\begin{array}{lll}{m}_{\text{produși}}& =& 94.919388\text{ u}+139.921610 \text{ u}+3\left(1.008665\text{ u}\right)\\ & =& 237.866993\text{ u}\end{array}\\\

Masa pierdută este masa de 238U minus mprodus, sau

Δm = 238.050784 u- 237.8669933 u = 0.183791 u,

deci energia eliberată este

\begin{array}{lll}E& =& \left(\Delta m\right){c}^{2}\\ & =& \left(0.183791\text{ u}\right)\frac{931.5\text{ Me}\text{V/}{c}^{2}}}{\text{u}}{c}^{2}=171.2\text{ MeV}\end{array}\\

Discuție

În acest exemplu apar o serie de lucruri importante. Energia de 171 MeV eliberată este mare, dar puțin mai mică decât cea estimată anterior, de 240 MeV. Acest lucru se datorează faptului că această reacție de fisiune produce neutroni și nu scindează nucleul în două părți egale. Fisiunea unui anumit nuclid, cum ar fi 238U , nu produce întotdeauna aceiași produși. Fisiunea este un proces statistic în care se produce o întreagă gamă de produse cu diferite probabilități. Cea mai mare parte a fisiunii produce neutroni, deși numărul acestora variază la fiecare fisiune. Acesta este un aspect extrem de important al fisiunii, deoarece neutronii pot induce mai multe fisiuni, permițând reacții în lanț care se întrețin singure.

Se poate produce fisiunea spontană, dar, de obicei, acesta nu este cel mai frecvent mod de dezintegrare pentru un anumit nuclid. De exemplu, 238U poate fisiona spontan, dar se dezintegrează în principal prin emisie α. Fisiunea indusă de neutroni este crucială, după cum se vede în figura 2. Fiind lipsiți de sarcină, chiar și neutronii de energie scăzută pot lovi un nucleu și pot fi absorbiți odată ce simt forța nucleară atractivă. Nucleii mari sunt descriși printr-un model de picătură lichidă cu tensiune superficială și moduri de oscilație, deoarece numărul mare de nucleoni acționează ca atomii într-o picătură. Neutronul este atras și, astfel, depune energie, determinând nucleul să se deformeze ca o picătură de lichid. Dacă este întins suficient, nucleul se îngustează în mijloc. Numărul de nucleoni în contact și intensitatea forței nucleare care leagă nucleul între ele se reduc. Repulsia coulombiană între cele două capete reușește apoi să fisureze nucleul, care se sparge ca o picătură de apă în două bucăți mari și câțiva neutroni. Fisiunea indusă de neutroni poate fi scrisă sub forma

n + AX → FF1 + FF2 + xn,

unde FF1 și FF2 sunt cele două nuclee fiice, numite fragmente de fisiune, iar x este numărul de neutroni produși. De cele mai multe ori, masele fragmentelor de fisiune nu sunt identice. Cea mai mare parte a energiei eliberate se transformă în energie cinetică a fragmentelor de fisiune, iar restul se transformă în neutroni și în stările excitate ale fragmentelor. Deoarece neutronii pot induce fisiunea, este posibilă o reacție în lanț autoîntreținută, cu condiția ca mai mult de un neutron să fie produs în medie – adică, dacă x>1 în n + AX → FF1 + FF2 + xn. Acest lucru poate fi observat și în figura 3. Un exemplu de reacție tipică de fisiune indusă de neutroni este

n+{}_{\text{92}}^{\text{235}}\text{U}\la {}_{\text{56}}^{\text{142}}\text{Ba}+{}_{\text{36}}}^{\text{91}}\text{Kr}+3\text{n}\\\.

Rețineți că în această ecuație, sarcina totală rămâne aceeași (se conservă): 92 + 0 = 56 + 36. De asemenea, în ceea ce privește numerele întregi, masa este constantă: 1 + 235 = 142 + 91 + 3. Acest lucru nu este adevărat atunci când considerăm masele până la 6 sau 7 cifre semnificative, ca în exemplul anterior.

Figura 2. Este prezentată fisiunea indusă de neutroni. În primul rând, energia este pusă în acest nucleu mare atunci când acesta absoarbe un neutron. Acționând ca o picătură de lichid lovită, nucleul se deformează și începe să se îngusteze în mijloc. Deoarece mai puțini nucleoni sunt în contact, forța repulsivă a lui Coulomb este capabilă să rupă nucleul în două părți, unii neutroni zburând de asemenea.

Figura 3. O reacție în lanț poate produce fisiune autoîntreținută dacă fiecare fisiune produce suficienți neutroni pentru a induce cel puțin încă o fisiune. Acest lucru depinde de mai mulți factori, inclusiv de numărul de neutroni produși într-o fisiune medie și de ușurința cu care se poate produce fisiunea unui anumit tip de nuclid.

Nu fiecare neutron produs prin fisiune induce fisiunea. Unii neutroni scapă din materialul fisionabil, în timp ce alții interacționează cu un nucleu fără a-l face să fisioneze. Putem spori numărul de fisiuni produse de neutroni dacă avem o cantitate mare de material fisionabil. Cantitatea minimă necesară pentru fisiunea autosusținută a unui anumit nucleid se numește masa critică a acestuia. Unii nuclizi, cum ar fi 239Pu, produc mai mulți neutroni pe fisiune decât alții, cum ar fi 235U . În plus, unii nuclizi sunt mai ușor de fisionat decât alții. În special, 235U și 239Pu, sunt mai ușor de fisionat decât mult mai abundentul 238U . Ambii factori afectează masa critică, care este cea mai mică pentru 239Pu.

Motivul pentru care 235U și 239Pu sunt mai ușor de fisionat decât 238U este că forța nucleară este mai atractivă pentru un număr par de neutroni într-un nucleu decât pentru un număr impar. Să considerăm că {}_{{\text{92}}^{\text{235}}{\text{U}}_{text{143}}\\ are 143 de neutroni, iar {}_{\text{94}}^{\text{239}}{\text{P}}_{\text{145}}\ are 145 de neutroni, în timp ce {}_{\text{92}}}^{\text{238}}{\text{U}}_{text{146}}\ are 146 de neutroni. Atunci când un neutron întâlnește un nucleu cu un număr impar de neutroni, forța nucleară este mai atractivă, deoarece neutronul suplimentar va face ca numărul neutronilor să fie egal. În nucleul rezultat se depune cu aproximativ 2 MeV mai multă energie decât în cazul în care numărul neutronilor ar fi fost deja par. Această energie suplimentară produce o deformare mai mare, ceea ce face ca fisiunea să fie mai probabilă. Astfel, 235U și 239Pu sunt combustibili de fisiune superiori. Izotopul 235U reprezintă doar 0,72% din uraniul natural, în timp ce 238U reprezintă 99,27%, iar 239Pu nu există în natură. Australia are cele mai mari depozite de uraniu din lume, reprezentând 28% din total. Aceasta este urmată de Kazahstan și Canada. SUA deține doar 3% din rezervele globale.

Majoritatea reactoarelor de fisiune utilizează 235U , care este separat de 238U cu anumite cheltuieli. Acest lucru se numește îmbogățire. Cea mai comună metodă de separare este difuzia gazoasă a hexafluorurii de uraniu (UF6) prin membrane. Deoarece 235U are o masă mai mică decât 238U , moleculele sale de UF6 au o viteză medie mai mare la aceeași temperatură și difuzează mai repede. O altă caracteristică interesantă a 235U este aceea că absoarbe în mod preferențial neutronii cu mișcare foarte lentă (cu energii de o fracțiune de eV), în timp ce reacțiile de fisiune produc neutroni rapizi cu energii de ordinul unui MeV. Pentru a realiza un reactor de fisiune autoîntreținută cu 235U , este, prin urmare, necesară încetinirea („termalizarea”) neutronilor. Apa este foarte eficientă, deoarece neutronii se ciocnesc cu protonii din moleculele de apă și pierd energie. Figura 4 prezintă o schemă a unui proiect de reactor, numit reactor cu apă presurizată.

Figura 4. Un reactor cu apă presurizată este proiectat inteligent pentru a controla fisiunea unor cantități mari de 235U , utilizând în același timp căldura produsă în reacția de fisiune pentru a crea abur pentru a genera energie electrică. Barele de control reglează fluxul de neutroni astfel încât să se obțină criticitatea, dar să nu fie depășită. În cazul în care reactorul se supraîncălzește și fierbe apa, reacția în lanț se termină, deoarece apa este necesară pentru a termaliza neutronii. Această caracteristică de siguranță inerentă poate fi depășită în circumstanțe extreme.

Pentru reglarea fluxului de neutroni se folosesc bare de control care conțin nuclizi care absorb foarte puternic neutronii. Pentru a produce o putere mare, reactoarele conțin sute până la mii de mase critice, iar reacția în lanț devine cu ușurință autoîntreținută, o condiție numită criticitate. Fluxul de neutroni trebuie să fie reglat cu atenție pentru a evita o creștere exponențială a fisiunilor, o condiție numită supercriticitate. Barele de control ajută la prevenirea supraîncălzirii, poate chiar a unei fuziuni sau a unei dezmembrări explozive. Apa care este utilizată pentru a termaliza neutronii, necesară pentru ca aceștia să inducă fisiunea în 235U și să atingă criticitatea, oferă un feedback negativ pentru creșterea temperaturii. În cazul în care reactorul se supraîncălzește și fierbe apa până la abur sau este fisurat, absența apei ucide reacția în lanț. Cu toate acestea, o căldură considerabilă poate fi în continuare generată de produsele radioactive de fisiune ale reactorului. Prin urmare, în cazul unui accident de pierdere a agentului de răcire trebuie încorporate și alte elemente de siguranță, inclusiv apă și pompe de răcire auxiliare.