Fisiunea nucleara

Cercetarile efectuate asupra reactiilor nucleare au inceput treptat sa dea roade. Unul dintre cele mai spectaculoase rezultate a fost realizarea reactorilor nucleari, care stau astazi la baza energeticii nucleare.

Calea pana la centralele nuclearo-electrice a fost, insa, destul de lunga, dar daca privim in trecut, nu foarte lenta in comparatie cu intregul drum parcurs de la descoperirea radioactivitatii si pana la realizarea primelor uzine nucleare .

Totul a inceput cu descoperirea reactiei de fisiune a uraniului, in 1939. Fisiunea nucleara, cum i se spune in mod curent, este reactia prin care un neutron „sparge” un nucleu greu in doua sau mai multe fragmente, cu emisia mai multor neutroni. Ea poate avea loc cu oricare nucleu greu, dar practic se produce numai la nuclee cu A>230, si cu orice fel de particule.

Fizicienii sovietici G.N. Flerov si K.A. Petrajac au aratat in 1940, ca procesul se poate produce fie spontan, fie prin bombardarea intentionata a nucleelor grele. Fenomenul spontan se produce abia de la valori A>250.

Nucleonii strans impachetati in nucleu sunt supusi fortelor de legatura, carora le corespunde energia de legatura. Variatia energei de legatura medii pe nucleon in functie de A, arata ca energia de legatura este mai mare la nucleele usoare  si scade lent spre nucleele grele. Nucleele grele sunt mai vulnerabile.

Asa cum se arata la reactiile rezonate, nucleonul este particula cea mai indicata pentru realizarea fisiunii nucleare, deoarece el nu mai trebuie sa invinga si fortele coulombiene pentru a patrunde in nucleu.

Prin urmare, sa presupunem ca intr-un nucleu greu (nu neaparat uraniu) patrunde un neutron lent; dupa ce isi distribuie enrgia la nucleonii nucleului tinta, care devine astfel excitat, neutronul este „asimilat” de catre acesta.

Pana aici procesul seamana cu oricare dintre reactiile ce decurg prin nucleu compus. Pentru ca el sa fie un proces de fisiune trebuie ca energia de excitatie sa fie egala cu energia de critica (de instabilitate) a picaturii. Cu alte cuvinte, daca nucleul este asimilat cu o picatura (pentru simplitate se ia cazul sferic) si neutronul are energia de excitatie E_ex=E_cr , nucleul se va alungi si apoi se va scinda in doua picaturi ca in figura :

 Teoria fisiunii a fost elaborata de catre N. Bohr si J.A. Wheeler. Ei au stabilit limitele de 230 si 250 pt numarul de masa, la care incepea fisiunea provocata respectiv spontana. S-a constatat ca cea mai redusa energie de excitatie (≈7 MeV) o prezinta izotopii uraniului, plutoniului si californiului. Daca particula incidenta este neutronul, atunci se deosebesc urmatoarele cazuri:

− izotopii ²³³₉₂U si ²³⁵₉₂U precum si ²³⁹₉₄Pu si ²⁴¹₉₄Pu fisioneaza sub actiunea neutronilor lenti, deoarece energia de excitare este la acestia mai mica sau cel mult egala cu energia de legatura pe nucleon (≈7 MeV) si chiar sub actiunea neutronilor foarte lenti, daca E_ex este cel mult de ordinul de marime al energiei de legatura a electronului.

−  izotopul ²³⁸₉₂U fisioneaza numai cu neutronii rapizi, deoarece energia de legatura pe nucleon este de 6,46MeV, in timp ce energia de excitare este de ≈7 MeV deci neutronul incident trebuie sa aiba o energie de cel putin 0,54MeV.

In consecinta, cele mai indicate elemente pentru fisiunea nucleara sunt ²³⁵₉₂U si ²³⁸₉₂U, celelalte elemente fisionabile negasindu-se in natura. Dintre cei doi izotopi naturali ai uraniului, ²³⁸U se gaseste in proportie mai mare (99,3%) decat ²³⁵U dar daca ne gandim ca ei sunt amestecati in substante uranifere si ca proportia de amestec de izotopi ²³⁵U + ²³⁸U este de 4 parti la 1 milion parti de minereu, precum si la faptul ca separarea lor este complicata si foarte costisitoare, problema nu este deloc simpla. Daca sunt separati ²³⁵U este mai avantajos, deoarece fisioneaza cu neutroni termici.

Produsele fisiunii (fragmentele de fisiune)

In urma fisiunii rezulta doua nuclee care foarte rar au mase egale – fisiunea simetrica are un randament de cel mult 0,1%. Pe langa aceste fragmente se elibereaza si un numar de neutroni mai mare decat cel initial.

Se observa ca procesul de fisiune, pe langa faptul in sine, deschide si doua serii radioactive, una care incepe cu teluriul sisfarseste cu izotopul stabil ¹³⁷₅₆Ba si alta cu capul de serie un izotop al zirconiului si terminandu-se cu ⁹⁷₄₂Mo.

In cazul de mai inainte fisiunea este nesimetrica, adica cele doua fragmente au mase foarte diferite. Dar aceasta nu este singura posibilitate de fisionare a ²³⁵U.

 Vom folosi, curbele de distributie a fragmentelor de fisiune pentru principalele trei elemente folosite in mod curent in reactorii nucleari, in scopul de a releva care sunt randamentele reactiei de fisiune.

Asa cum se vede si in figura de mai sus, fisiunea este un proces insotit de o puternica radioactivitate.