Fisiunea nucleară: Definiție și exemple

Fisiunea nucleară⁚ Definiție și exemple

Fisiunea nucleară este un proces în care nucleul unui atom greu, cum ar fi uraniul sau plutoniul, este divizat în două sau mai multe nuclee mai ușoare, eliberând o cantitate semnificativă de energie.

Introducere

Fisiunea nucleară este un fenomen fundamental în fizica nucleară, cu implicații profunde în diverse domenii, de la producerea energiei electrice la dezvoltarea armelor nucleare. Acest proces, caracterizat prin divizarea nucleului unui atom greu, eliberează o cantitate enormă de energie, transformând materia în energie conform celebrei ecuații a lui Einstein, $E=mc^2$. Fisiunea nucleară a revoluționat lumea, atât prin promisiunea sa de a furniza o sursă de energie curată și eficientă, cât și prin potențialul său distructiv.

Înțelegerea fisiunii nucleare necesită o explorare a structurii atomului și a interacțiunilor dintre nucleoni, particulele fundamentale care alcătuiesc nucleul atomic. De asemenea, este esențial să analizăm procesul de fisiune în sine, inclusiv condițiile necesare pentru declanșarea sa și mecanismele implicate în eliberarea energiei. Această analiză ne va permite să înțelegem mai bine aplicațiile fisiunii nucleare, de la centralele nucleare la armele nucleare, precum și implicațiile etice și de siguranță asociate cu această tehnologie.

Definiția fisiunii nucleare

Fisiunea nucleară este un proces nuclear în care nucleul unui atom greu, cum ar fi uraniul sau plutoniul, este divizat în două sau mai multe nuclee mai ușoare, eliberând o cantitate semnificativă de energie. Acest proces este declanșat de absorbția unui neutron de către nucleul atomului greu, care devine instabil și se divide în două fragmente de fisiune, eliberând, de asemenea, mai mulți neutroni. Acești neutroni eliberați pot declanșa noi reacții de fisiune, generând o reacție în lanț.

Energia eliberată în timpul fisiunii nucleare provine din diferența de energie de legătură dintre nucleul inițial și nucleele rezultate. Energia de legătură reprezintă energia necesară pentru a separa nucleonii (protoni și neutroni) din nucleu. Nucleele atomice mai ușoare au o energie de legătură per nucleon mai mare decât nucleele atomice mai grele, ceea ce explică eliberarea de energie în timpul fisiunii nucleare.

Procesul fisiunii nucleare

Fisiunea nucleară este un proces complex care implică o serie de etape. Procesul începe cu absorbția unui neutron de către nucleul unui atom greu, cum ar fi uraniul sau plutoniul. Acest neutron adăugat face nucleul instabil și îl determină să se descompună. Nucleul se divide în două fragmente de fisiune, eliberând, de asemenea, energie și mai mulți neutroni. Acești neutroni eliberați pot declanșa noi reacții de fisiune, generând o reacție în lanț.

Fragmentele de fisiune sunt, de obicei, nuclee radioactive, care se descompun printr-un proces numit dezintegrare radioactivă, eliberând radiații ionizante. Aceste radiații pot fi periculoase pentru sănătate, dar pot fi, de asemenea, utilizate în diverse aplicații medicale și industriale.

Reacția de fisiune nucleară poate fi reprezentată prin următoarea ecuație⁚

$$ ^{235}U + ^1n ightarrow ^{141}Ba + ^{92}Kr + 3^1n + energia $$

În această ecuație, un atom de uraniu-235 (²³⁵U) absoarbe un neutron (¹n) și se divide în bariu-141 (¹⁴¹Ba) și kripton-92 (⁹²Kr), eliberând trei neutroni (¹n) și o cantitate semnificativă de energie.

3.1. Nucleul atomic

Nucleul atomic este centrul unui atom și conține aproape toată masa atomului. Nucleul este format din protoni și neutroni, care sunt numiți nucleoni. Protoni au o sarcină electrică pozitivă, în timp ce neutronii sunt neutri din punct de vedere electric. Numărul de protoni din nucleu determină numărul atomic al elementului, care este unic pentru fiecare element. Numărul de neutroni poate varia, ceea ce duce la existența izotopilor aceluiași element.

Nucleul atomic este legat de o forță nucleară puternică, care este mult mai puternică decât forța electrostatică de respingere dintre protoni. Această forță nucleară este responsabilă de stabilitatea nucleului atomic. Cu toate acestea, nucleele atomice grele, cum ar fi uraniul și plutoniul, sunt instabile din cauza forței electrostatice de respingere dintre protoni. Această instabilitate este exploatată în procesul de fisiune nucleară.

Masa nucleului este mai mică decât suma maselor protonilor și neutronilor din care este format. Această diferență de masă, numită defect de masă, este convertită în energie de legătură nucleară, care este energia necesară pentru a separa nucleul în protoni și neutroni.

3.2. Reacția nucleară

Reacția nucleară este un proces în care nucleul unui atom este transformat în alt nucleu, prin emisia sau absorbția de particule subatomice, cum ar fi neutroni sau protoni. În fisiunea nucleară, nucleul unui atom greu este bombardat cu un neutron, rezultând o reacție nucleară care duce la divizarea nucleului în două sau mai multe nuclee mai ușoare. Această reacție este însoțită de eliberarea unei cantități semnificative de energie, sub formă de energie cinetică a produselor de fisiune și radiație electromagnetică.

Un exemplu tipic de reacție de fisiune nucleară este fisiunea uraniului-235. Când un nucleu de uraniu-235 absoarbe un neutron, acesta devine instabil și se descompune în două nuclee mai ușoare, cum ar fi bariu-141 și kripton-92, eliberând doi sau trei neutroni suplimentari. Reacția poate fi reprezentată prin următoarea ecuație⁚

$$^{235}_{92}U + ^1_0n ightarrow ^{141}_{56}Ba + ^{92}_{36}Kr + 3^1_0n + energie$$

Acești neutroni eliberați pot, la rândul lor, induce fisiunea altor nuclee de uraniu-235, declanșând o reacție în lanț.

3.3. Eliberarea de energie

Eliberarea de energie în timpul fisiunii nucleare este o consecință directă a diferenței de energie de legătură dintre nucleul inițial și nucleele produse. Energia de legătură este energia necesară pentru a separa nucleonii (protoni și neutroni) dintr-un nucleu. Nucleele mai grele au o energie de legătură per nucleon mai mică decât nucleele mai ușoare. Prin urmare, când un nucleu greu se divide în două sau mai multe nuclee mai ușoare, energia de legătură totală a nucleelor produse este mai mare decât energia de legătură a nucleului inițial.

Această diferență de energie este eliberată sub formă de energie cinetică a produselor de fisiune și radiație electromagnetică. Energia cinetică a produselor de fisiune este convertită în căldură, care poate fi utilizată pentru a produce energie electrică în centralele nucleare. Radiația electromagnetică este emisă sub formă de raze gamma, care sunt foarte penetrante și pot fi periculoase pentru sănătate.

De exemplu, în fisiunea uraniului-235, aproximativ 200 MeV de energie sunt eliberate per eveniment de fisiune. Această energie este de aproximativ 10 milioane de ori mai mare decât energia eliberată într-o reacție chimică tipică.

3.4. Reacția în lanț

Reacția în lanț este un proces auto-susținut în care neutronii eliberați în timpul fisiunii unui nucleu declanșează fisiunea altor nuclee, generând mai mulți neutroni care declanșează și mai multe fisiuni. Acest proces poate continua exponențial, eliberând o cantitate enormă de energie într-un timp foarte scurt.

Pentru ca o reacție în lanț să aibă loc, este necesar ca un anumit număr de neutroni eliberați în timpul fisiunii să declanșeze fisiunea altor nuclee. Acest număr este cunoscut ca factorul de multiplicare a neutronilor (k). Dacă k este mai mare de 1, reacția în lanț se va auto-susține și va continua să crească. Dacă k este mai mic de 1, reacția în lanț se va opri. Dacă k este egal cu 1, reacția în lanț va fi stabilă.

Controlul reacției în lanț este esențial în centralele nucleare pentru a preveni o reacție necontrolată. Reactoarele nucleare folosesc materiale absorbante de neutroni pentru a regla factorul de multiplicare a neutronilor și a menține reacția în lanț sub control.

Materiale fisibile

Materialele fisibile sunt acele elemente chimice care pot suferi fisiune nucleară atunci când sunt bombardate cu neutroni. Aceste materiale sunt esențiale pentru producerea energiei nucleare și a armelor nucleare. Cele mai comune materiale fisibile sunt uraniul și plutoniul.

Uraniul este un element natural, dar numai izotopul său, uraniul-235, este fisibil. Uraniul-235 este prezent într-o concentrație foarte mică în uraniul natural (aproximativ 0,7%). Pentru a fi utilizat în reactoarele nucleare sau în armele nucleare, uraniul natural trebuie îmbogățit, adică concentrația de uraniu-235 trebuie crescută.

Plutoniul este un element artificial, produs în reactoarele nucleare din uraniul-238. Plutoniul-239 este un izotop fisibil care este utilizat în armele nucleare și în reactoarele nucleare. Plutoniul este mai ușor de fisionat decât uraniul-235, dar este și mai radioactiv.

4.1. Uraniu

Uraniul este un element chimic cu simbolul U și numărul atomic 92. Este un metal greu, radioactiv, de culoare gri-argintie, care se găsește în mod natural în scoarța terestră. Uraniul este utilizat în principal în centralele nucleare pentru a produce energie electrică. De asemenea, este utilizat în armele nucleare.

Uraniul natural constă în principal din două izotopi⁚ uraniul-238 (²³⁸U) și uraniul-235 (²³⁵U). Uraniul-238 este mult mai abundent decât uraniul-235, reprezentând aproximativ 99,3% din uraniul natural. Uraniul-235 este izotopul fisibil al uraniului, adică poate fi divizat în două sau mai multe nuclee mai ușoare atunci când este bombardat cu neutroni.

Îmbogățirea uraniului este procesul de creștere a concentrației de uraniu-235 în uraniul natural. Îmbogățirea uraniului este necesară pentru a produce combustibil nuclear pentru reactoarele nucleare și pentru a fabrica arme nucleare.

4.2. Plutoniu

Plutoniul este un element chimic radioactiv cu simbolul Pu și numărul atomic 94. Este un metal actinid artificial, de culoare alb-argintie, care se găsește în cantități foarte mici în natură. Plutoniul a fost produs pentru prima dată în 1940 de către oamenii de știință de la Universitatea din California, Berkeley, prin bombardarea uraniului cu neutroni.

Plutoniul este un element fisibil, adică nucleul său poate fi divizat în două sau mai multe nuclee mai ușoare atunci când este bombardat cu neutroni, eliberând o cantitate semnificativă de energie. Plutoniul-239 (²³⁹Pu) este cel mai comun izotop al plutoniului și este utilizat în principal în armele nucleare și în reactoarele nucleare.

Plutoniul este produs în reactoarele nucleare prin bombardarea uraniului-238 cu neutroni. Plutoniul este un element radioactiv cu un timp de înjumătățire lung, ceea ce înseamnă că rămâne radioactiv pentru o perioadă lungă de timp. Deșeurile radioactive din reactoarele nucleare conțin plutoniu, care trebuie gestionat cu grijă pentru a preveni contaminarea mediului.

Aplicații ale fisiunii nucleare

Fisiunea nucleară are o gamă largă de aplicații, de la generarea de energie electrică la producerea de arme nucleare. Energia eliberată în timpul fisiunii nucleare este utilizată în diverse domenii, cu impact semnificativ asupra societății moderne.

Aplicațiile fisiunii nucleare pot fi clasificate în două categorii principale⁚

• Aplicații pașnice⁚
• Aplicații militare⁚

Aplicațiile pașnice ale fisiunii nucleare includ⁚

• Generarea de energie electrică în centralele nucleare
• Aplicații medicale, cum ar fi radioterapia și imagistica medicală
• Aplicații industriale, cum ar fi sterilizarea produselor alimentare și producerea de izotopi radioactivi

Aplicațiile militare ale fisiunii nucleare includ⁚

• Producerea de arme nucleare

5.1. Energia nucleară

Energia nucleară este o formă de energie obținută prin exploatarea energiei eliberate în timpul fisiunii nucleare. Această energie este utilizată pentru a genera electricitate în centralele nucleare. Centralele nucleare funcționează pe principiul fisiunii nucleare controlate, în care o reacție în lanț este menținută la un nivel constant, eliberând energie termică. Această energie termică este apoi transformată în energie electrică prin intermediul unor turbine și generatoare.

Energia nucleară prezintă atât avantaje, cât și dezavantaje. Unul dintre principalele avantaje este că este o sursă de energie curată, fără emisii de gaze cu efect de seră. De asemenea, energia nucleară este o sursă de energie fiabilă, cu o densitate energetică ridicată. Pe de altă parte, energia nucleară prezintă riscuri asociate cu deșeurile radioactive, cu potențialul de accidente nucleare și cu proliferarea nucleară.

Viitorul energiei nucleare depinde de găsirea unor soluții pentru a aborda aceste provocări, cum ar fi dezvoltarea unor tehnologii mai sigure și mai eficiente, gestionarea deșeurilor radioactive și prevenirea proliferării nucleare.

5.2. Arme nucleare

Armele nucleare sunt dispozitive explozive care își trag puterea din energia eliberată prin fisiunea nucleară sau fuziunea nucleară. Aceste arme sunt extrem de distructive, capabile să provoace daune semnificative la scară largă, atât umane, cât și materiale. Ele pot genera unde de șoc, radiații termice, radiații ionizante și pulbere radioactivă, având un impact devastator asupra mediului și a populației.

Armele nucleare sunt considerate o amenințare globală, deoarece pot provoca distrugeri masive și pot genera efecte pe termen lung, inclusiv contaminarea radioactivă. De aceea, există un efort continuu pentru a limita proliferarea armelor nucleare și pentru a promova dezarmarea nucleară. Tratatele internaționale, cum ar fi Tratatul de neproliferare a armelor nucleare (TNP), au ca scop să prevină răspândirea armelor nucleare și să promoveze dezarmarea nucleară.

Dezvoltarea și utilizarea armelor nucleare sunt subiectul unor dezbateri intense, cu argumente pro și contra. Unii susțin că armele nucleare sunt un factor de descurajare a războiului, în timp ce alții consideră că ele reprezintă o amenințare reală pentru securitatea globală.

Reactoarele nucleare

Reactoarele nucleare sunt dispozitive care controlează reacția de fisiune nucleară pentru a genera energie termică, care poate fi apoi transformată în energie electrică. Ele funcționează pe principiul reacției în lanț controlate, în care neutronii eliberați în timpul fisiunii nucleare sunt utilizați pentru a induce fisiunea altor nuclee de uraniu, eliberând mai multă energie.

Reactoarele nucleare sunt compuse din mai multe componente esențiale⁚ un miez reactorului, care conține combustibilul nuclear (de obicei uraniu îmbogățit); un moderator, care încetinește neutronii pentru a facilita fisiunea; o substanță de răcire, care absoarbe căldura generată de reacția nucleară; și bare de control, care absorb neutronii pentru a regla viteza reacției în lanț.

Energia termică generată în reactor este utilizată pentru a încălzi apa, care produce aburul necesar pentru a antrena turbinele care generează energie electrică. Reactoarele nucleare sunt o sursă importantă de energie electrică, contribuind la satisfacerea cererii globale de energie.

6.1. Tipuri de reactoare nucleare

Există diverse tipuri de reactoare nucleare, fiecare cu propriile sale caracteristici și avantaje. Unul dintre cele mai comune tipuri este reactorul cu apă ușoară sub presiune (PWR), care utilizează apă ușoară atât ca moderator, cât și ca agent de răcire. Aceste reactoare sunt caracterizate printr-un ciclu de combustibil relativ scurt și o eficiență energetică ridicată.

Un alt tip popular este reactorul cu apă clocotită (BWR), care folosește apă ușoară ca moderator și ca agent de răcire, dar permite apei să fiarbă în miezul reactorului. BWR-urile sunt mai simple în construcție și operare decât PWR-urile, dar au o eficiență energetică mai scăzută.

Reactoarele cu apă grea (CANDU) utilizează apă grea ca moderator și apă ușoară ca agent de răcire. Aceste reactoare au un ciclu de combustibil mai lung și pot utiliza uraniu natural, dar sunt mai complexe și mai scumpe de construit.

În plus față de aceste tipuri comune, există și reactoare cu spectru rapid, reactoare cu sare topită și reactoare modulare mici, fiecare cu propriile sale caracteristici și aplicații specifice.

6.2. Funcționarea unui reactor nuclear

Funcționarea unui reactor nuclear se bazează pe controlul reacției în lanț de fisiune nucleară. Combustibilul nuclear, de obicei uraniu îmbogățit sau plutoniu, este plasat în miezul reactorului, unde este bombardat cu neutroni. Fisiunea nucleelor de uraniu sau plutoniu eliberează energie și mai mulți neutroni, care declanșează o nouă reacție de fisiune, perpetuând astfel reacția în lanț.

Pentru a controla reacția în lanț, reactorul este echipat cu bare de control din materiale absorbante de neutroni, cum ar fi cadmiul sau borul. Aceste bare pot fi introduse sau retrase din miezul reactorului pentru a regla rata reacției de fisiune.

Energia termică eliberată în timpul fisiunii este transferată unui agent de răcire, de obicei apă, care este apoi utilizată pentru a produce abur. Aburul acționează turbinele care generează electricitate.

Un sistem de siguranță complex monitorizează în permanență funcționarea reactorului și este conceput pentru a opri reacția în lanț în caz de urgență.