Fisija jezgra je cijepanje teškog atoma na dva fragmenta približno jednake mase, praćeno oslobađanjem velike količine energije.
Otkriće nuklearne fisije započelo je novu eru - "atomsko doba". Potencijal njegove moguće upotrebe i odnos rizika i koristi od njegove upotrebe ne samo da su generisali mnoga sociološka, politička, ekonomska i naučna dostignuća, već i ozbiljne probleme. Čak i sa čisto naučne tačke gledišta, proces nuklearne fisije stvorio je veliki broj zagonetki i komplikacija, a njegovo potpuno teorijsko objašnjenje je stvar budućnosti.
Dijeljenje je isplativo
Energije vezivanja (po nukleonu) se razlikuju za različita jezgra. Teži imaju nižu energiju vezivanja od onih koji se nalaze u sredini periodnog sistema.
To znači da teška jezgra sa atomskim brojem većim od 100 imaju koristi od podjele na dva manja fragmenta, čime se oslobađa energija kojapretvara u kinetičku energiju fragmenata. Ovaj proces se naziva cijepanje atomskog jezgra.
Prema krivulji stabilnosti, koja pokazuje zavisnost broja protona od broja neutrona za stabilne nuklide, teža jezgra preferiraju više neutrona (u poređenju sa brojem protona) od lakših. Ovo sugerira da će zajedno sa procesom cijepanja biti emitirani i neki "rezervni" neutroni. Osim toga, oni će također preuzeti dio oslobođene energije. Studija nuklearne fisije atoma uranijuma pokazala je da se oslobađaju 3-4 neutrona: 238U → 145La + 90Br + 3n.
Atomski broj (i atomska masa) fragmenta nije jednak polovini atomske mase roditelja. Razlika između masa atoma nastalih kao rezultat cijepanja obično je oko 50. Međutim, razlog za to još nije u potpunosti shvaćen.
Energije vezivanja 238U, 145La i 90Br su 1803, 1198 i 763 MeV, respektivno. To znači da se kao rezultat ove reakcije oslobađa energija fisije jezgra uranijuma, jednaka 1198 + 763-1803=158 MeV.
Spontana fisija
Procesi spontanog cijepanja su poznati u prirodi, ali su vrlo rijetki. Prosječni vijek trajanja ovog procesa je oko 1017 godina, a, na primjer, prosječni vijek trajanja alfa raspada istog radionuklida je oko 1011godina.
Razlog za to je taj što se kernel mora podijeliti na dva dijelaprvo podvrgnuti deformaciji (rastezanju) u elipsoidni oblik, a zatim, prije konačnog cijepanja na dva fragmenta, formirati "vrat" u sredini.
Potencijalna barijera
U deformiranom stanju na jezgro djeluju dvije sile. Jedna od njih je povećana površinska energija (površinska napetost kapljice tečnosti objašnjava njen sferni oblik), a druga je Kulonova repulzija između fisijskih fragmenata. Zajedno stvaraju potencijalnu barijeru.
Kao iu slučaju alfa raspada, da bi došlo do spontane fisije jezgra atoma uranijuma, fragmenti moraju savladati ovu barijeru koristeći kvantno tuneliranje. Barijera je oko 6 MeV, kao u slučaju alfa raspada, ali vjerovatnoća tuneliranja α čestice je mnogo veća nego kod mnogo težeg produkta fisije atoma.
Prisilno razdvajanje
Mnogo verovatnije je indukovana fisija jezgra uranijuma. U ovom slučaju, matično jezgro je ozračeno neutronima. Ako ga roditelj apsorbira, vezuju se, oslobađajući energiju vezivanja u obliku vibracione energije koja može premašiti 6 MeV potrebnih za prevazilaženje potencijalne barijere.
Tamo gde je energija dodatnog neutrona nedovoljna da savlada potencijalnu barijeru, upadni neutron mora imati minimalnu kinetičku energiju da bi mogao da izazove cepanje atoma. U slučaju 238U energija veze dodatnaneutronima nedostaje oko 1 MeV. To znači da fisiju jezgra uranijuma inducira samo neutron s kinetičkom energijom većom od 1 MeV. S druge strane, izotop 235U ima jedan neupareni neutron. Kada jezgro apsorbira još jedno, ono sa njim formira par, a kao rezultat ovog uparivanja pojavljuje se dodatna energija vezivanja. Ovo je dovoljno da se oslobodi količina energije koja je potrebna da jezgro savlada potencijalnu barijeru i fisija izotopa dolazi do sudara sa bilo kojim neutronom.
Beta Decay
Uprkos činjenici da reakcija fisije emituje tri ili četiri neutrona, fragmenti i dalje sadrže više neutrona nego njihove stabilne izobare. To znači da su fisijski fragmenti generalno nestabilni protiv beta raspada.
Na primjer, kada dođe do fisije uranijuma 238U, stabilna izobara sa A=145 je neodimijum 145Nd, što znači da fragment lantana 145La se raspada u tri faze, svaki put emitujući elektron i antineutrino, dok se ne formira stabilan nuklid. Stabilna izobara sa A=90 je cirkonijum 90Zr, tako da se fragment brom koji se razdvaja 90Br raspada u pet faza lanca β-raspada.
Ovi lanci β-raspada oslobađaju dodatnu energiju, koju skoro svu nose elektroni i antineutrini.
Nuklearne reakcije: fisija jezgara uranijuma
Direktno zračenje neutrona iz nuklida sa previševeliki broj njih za osiguranje stabilnosti kernela je malo vjerojatan. Poenta je u tome da nema kulonovskog odbijanja, pa površinska energija teži da zadrži neutron u vezi sa roditeljem. Međutim, to se ponekad dešava. Na primjer, fragment fisije 90Br u prvoj fazi beta raspada proizvodi kripton-90, koji može biti u pobuđenom stanju s dovoljno energije da savlada površinsku energiju. U ovom slučaju, do emisije neutrona može doći direktno sa formiranjem kriptona-89. Ova izobara je još uvijek nestabilna na β raspad dok se ne promijeni u stabilan itrijum-89, tako da se kripton-89 raspada u tri koraka.
Fisija urana: lančana reakcija
Neutrone koji se emituju u reakciji fisije može apsorbovati drugo matično jezgro, koje tada samo podleže indukovanoj fisiji. U slučaju uranijuma-238, tri proizvedena neutrona izlaze sa energijom manjom od 1 MeV (energija oslobođena tokom fisije jezgra uranijuma - 158 MeV - uglavnom se pretvara u kinetičku energiju fisijskih fragmenata), tako da ne mogu izazvati dalju fisiju ovog nuklida. Međutim, sa značajnom koncentracijom rijetkog izotopa 235U, ovi slobodni neutroni mogu biti zarobljeni jezgrima 235U, što zaista može uzrokovati fisiju, budući da u ovom slučaju ne postoji energetski prag ispod kojeg se fisija ne indukuje.
Ovo je princip lančane reakcije.
Vrste nuklearnih reakcija
Neka je k broj neutrona proizvedenih u uzorku fisionog materijala u fazi n ovog lanca, podijeljen sa brojem neutrona proizvedenih u fazi n - 1. Ovaj broj će ovisiti o tome koliko se neutrona proizvodi na stepen n - 1, apsorbuje jezgro, koje može biti podvrgnuto prisilnoj fisiji.
• Ako je k < 1, tada će lančana reakcija jednostavno nestati i proces će se vrlo brzo zaustaviti. Upravo to se dešava u prirodnoj rudi uranijuma, u kojoj je koncentracija 235U toliko niska da je vjerovatnoća apsorpcije jednog od neutrona ovim izotopom krajnje zanemarljiva.
• Ako je k > 1, tada će lančana reakcija rasti sve dok se ne iskoristi sav fisijski materijal (atomska bomba). To se postiže obogaćivanjem prirodne rude kako bi se dobila dovoljno visoka koncentracija uranijuma-235. Za sferni uzorak, vrijednost k raste sa povećanjem vjerovatnoće apsorpcije neutrona, što zavisi od polumjera sfere. Prema tome, masa U mora premašiti neku kritičnu masu da bi došlo do fisije jezgri uranijuma (lančana reakcija).
• Ako je k=1, tada se odvija kontrolisana reakcija. Ovo se koristi u nuklearnim reaktorima. Proces se kontroliše distribucijom kadmijuma ili bora između uranijuma, koji apsorbuju većinu neutrona (ovi elementi imaju sposobnost hvatanja neutrona). Fisija jezgra uranijuma se automatski kontroliše pomeranjem štapova tako da vrednost k ostane jednaka jedan.
