Fissió nuclear
La fissió nuclear és una de les dues reaccions possibles que obtenim quan treballem amb energia nuclear.
Anomenem fissió nuclear a la divisió del nucli d'un àtom. El nucli es converteix en diversos fragments amb una massa gairebé igual a la meitat de la massa original més dos o tres neutrons.
La suma de les masses d'aquests fragments és menor que la massa original. Aquesta 'manca' de masses (al voltant del 0,1 per cent de la massa original) s'ha convertit en energia segons l'equació d'Einstein (E = mc2). En aquesta equació E correspon a l'energia obtinguda, m a la massa de la que parlem i c és una constant, la de la velocitat de la llum: 299.792.458 m/s2. Amb aquest valor de la constant c ja es pot veure que per poca massa que extraguem en una fissió nuclear obtindrem grans quantitats d'energia.
La fissió nuclear pot ocórrer quan un nucli d'un àtom pesat captura un neutró, o pot passar espontàniament.
Cadena de reaccions nuclears
Una reacció en cadena es refereix a un procés en el qual els neutrons alliberats en la fissió nuclear produeix una fissió addicional en almenys un nucli més. Aquest nucli, al seu torn produeix neutrons, i el procés es repeteix. El procés pot ser controlat (energia nuclear) o incontrolada (armes nuclears).
Si en cada fissió provocada per un neutró s'alliberen dos neutrons més, llavors el nombre de fissions es duplica en cada generació. En aquest cas, en 10 generacions hi hauria 1.024 fissions i en 80 generacions aproximadament 6 x 1.023 fissions.
Energia alliberada per cada fissió
165 MeV ~ Energia cinètica dels productes de fissió
7 MeV ~ Raigs gamma6 MeV ~ Energia cinètica dels neutrons
7 MeV ~ Energia a partir de productes de fissió
6 MeV ~ Raigs gamma de productes de fissió
9 MeV ~ Anti-neutrins dels productes de fissió
200 MeV
1 MeV (milions d'electró-volts) = 1,609 x 10-13 Joules
Massa crítica
Encara que en cada fissió nuclear es produeixen entre dos i tres neutrons, no tots neutrons estan disponibles per continuar amb la reacció de fissió. Si les condicions són tals que els neutrons es perden a un ritme més ràpid del que es formen per la fissió, els que es produeixin en la reacció en cadena no seran autosuficients.
La massa crítica és el punt on la reacció en cadena pot arribar a ser autosostenible.
En una bomba atòmica, per exemple, la massa de matèries fissionables és més gran que la massa crítica.
La quantitat de massa crítica d'un material fisionable depèn de diversos factors, la forma del material, la seva composició i densitat, i el nivell de puresa.
Una esfera té la superfície mínima possible per a una massa donada, i per tant, redueix al mínim la fuga de neutrons. Vorejant el material fisionable amb un neutró adequat "Reflector", la pèrdua de neutrons poden reduir-se i la massa crítica pot ser reduïda.
La fissió nuclear controlada
Per mantenir un control sostingut de reacció nuclear, per cada 2 o 3 neutrons posats en llibertat, només a un se li ha de permetre donar a un altre nucli d'urani. Si aquesta relació és inferior a un llavors la reacció va a morir, i si és més gran creixerà sense control (una explosió atòmica). Per controlar la quantitat de neutrons lliures en l'espai de reacció ha d'estar present un element d'absorció de neutrons. La majoria dels reactors són controlats per mitjà de barres de control fetes de neutrons d'un fort material absorbent, com el bor o el cadmi.
A més de la necessitat de capturar neutrons, els neutrons sovint tenen molta energia cinètica (es mouen a gran velocitat). Aquests neutrons ràpids es redueixen a través de l'ús d'un moderador, com l'aigua pesada i l'aigua corrent. Alguns reactors utilitzen grafit com a moderador, però aquest disseny té diversos problemes. Una vegada que els neutrons ràpids s'han desaccelerat, són més propensos a produir més fissions nuclears o ser absorbits per la barra de control.
Per què urani i el plutoni?
Els científics sabien que l'isòtop més comú, l'urani 238. Hi ha una probabilitat bastant alta que un neutró incident sigui capturat per formar urani 239 en lloc de causar una fissió. No obstant això, l'urani 235 té una probabilitat de fissió més alta.
De l'urani natural, només el 0,7% és d'urani 235. En aquest cas es necessita una gran quantitat d'urani per obtenir la quantitat necessària d'urani 235. A més, l'urani 235 no es poden separar químicament l'urani 238, ja que els isòtops són químicament similars.
Els mètodes alternatius van haver de desenvolupar-se per separar els isòtops.
El plutoni 239 té una probabilitat alta de fissió. No obstant, el plutoni 239 no és un element natural i s'hauria de fer.
Fissió nuclear espontània
La taxa de la fissió nuclear espontània és la probabilitat per segon que un àtom donat es fissions de forma espontània - és a dir, sense cap intervenció externa. El plutoni 239 té una molt alta taxa de fissió espontània en comparació amb la taxa de fissió espontània d'urani 235.
Vídeo explicatiu fissió nuclear
Adjuntem un vídeo per acabar d'explicar millor la procedència de l'energia obtinguda mitjançant les reaccions de fissió nuclear.