Fizikalne osnove nuklearne fisije

19.11.2005

Pod pojmom korištenja nuklearne energije u nuklearnoj energetici podrazumijeva se korištenje energije fisije atoma urana ili plutonija. Atom predstavlja najsitniju česticu kemijskog elementa za koju se do početka prošlog stoljeća smatralo da je nedjeljiva. Kada neutron pogodi tešku atomsku jezgru (najčešće urana, torija ili plutonija) stvara složenu "jezgru. Ona je u pobuđenom stanju jer neutron s ulaskom u jezgru oslobađa svoju energiju veze, unosi poremećaj u ravnotežu privlačne nuklearne sile i odbojne elektrostatske, što dovodi do njezinih oscilacija i deformacije. Dolazi do njezina cijepanja i nastajanja dva nejednako velika fisijska produkta (novonastale lakše jezgre). Taj proces naziva se fisija.

Pri svakoj fisiji oslobađa se toplinska energija i emitira ionizirajuće zračenje. U procesu fisije se oko 0,15% mase pretvara u energiju. Jedini fisijski materijal, raspoloživ u prirodi, je prirodni uran. Kod izotopa U-235 oslobođena energija iznosi približno 200 MeV. Pri tome se oslobađaju i dodatna dva do tri brza (fisijska) neutrona prosječne energija oko 2 MeV koji, ukoliko su apsorbirani od drugih fisibilnih jezgara, mogu izazvati nove fisije. Ovaj proces naziva se lančanom reakcijom. Lančana reakcija je samoodržavajuća ako je broj novih fisija nepromjenjiv odnosno samo dio neutrona nastalih fisijama izazivaju nove fisije (dio ih je apsorbiran u drugim materijalima). Fisijski su produkti nestabilni, imaju višak energije, a da bi ostvarili stabilnost dalje se raspadaju pri tom emitirajući dodatne količine toplinske energije (koju se mora odvoditi) i radioaktivnog zračenja (od čijih učinaka se štiti posebnom biološkom zaštitom).

Fisijski fragmenti nastali cijepanjem početnog jezgra se, kao pozitivno nabijeni nuklidi, odbijaju i udaljavaju od mjesta fisije. Kinetička energija tako nastalih fisijskih fragmenta čini značajan dio ukupno osobođene energije pri fisiji i u konačnici se pretvara u toplinsku energiju u okolnom materijalu. Uvjeti za fisiju nastaju tek kada je oslobođena energija veze uvećana za kinetičku energiju uhvaćenog neutrona veća od točno određenog iznosa energije, nazvanog energije aktivacije. Energija aktivacije je jednaka visini potencijalne jame u kojoj se nalaze pozitibno nabijeni fisijski fragmenti u trenutku razdvajanja. Oslobođena energije veze u slučaju kada izotop U-235 uhvati neutron je veća od odgovarajuće energije aktivacije, dok obratna situacija nastaje kada se neutron apsorbira u izotopu U-238. To praktički znači da je U-235 podložan fisiji s neutronima bez kinetičke energije, dok je za fisiju nuklida U-238 potreban neutron s kinetičkom energijom koja odgovara razlici između energije aktivacije i oslobođene energije veze. Slično kao U-235 ponašaju se i drugi neparni izotopi urana i plutonija - U-233, Pu-239, Pu-241. Ti se izotopi označuju kao fisibilni izotopi. Parni izotopi urana, torija i plutonija - Th-232, U-234, U-236, Pu-240 - pokazuju sličnost s ponašanjem izotopa U-238 (oslobođena energija veze nije dovoljna za izazivanje fisija). Energija se procesom fisije dobiva ako je ukupna masa jezgara nastalih fisijom manja od mase početne jezgre. Rugim riječima, prosječna energija veze u nastalim jezgrama veća je od prosječne energije veze u početnim jezgrama.

U bloku prirodnog urana može se ostvariti samoodržavajuća lančana reakcija uz uvjet da se (brzi) fisijski neutroni uz malo gubitaka uspore do energije termičkih neutrona. Termički neutroni su usporeni neutroni koji se nalaze u termičkoj ravnoteži s okolnim materijalom (imaju energiju reda veličine 0,01 eV).

Drugi značajan nuklearni proces je termonuklearna fuzija lakih jezgara (npr. helija) pri vrlo visokim temperaturama uz oslobađanje velikih količina energije. Nuklearni reaktori koji bi koristili načela fuzije su poodmakloj razvojnoj fazi.

Igor Vuković
19.11.2005.