Fisija jezgre 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 njezine moguće uporabe i omjer rizika i koristi od njezine uporabe ne samo da su generirali mnoga sociološka, politička, gospodarska i znanstvena dostignuća, već i ozbiljne probleme. Čak i sa čisto znanstvenog stajališta, proces nuklearne fisije stvorio je veliki broj zagonetki i komplikacija, a njegovo potpuno teorijsko objašnjenje stvar je budućnosti.
Dijeljenje je isplativo
Energije vezanja (po nukleonu) razlikuju se za različite jezgre. Teži imaju nižu energiju vezanja od onih koji se nalaze u sredini periodnog sustava.
To znači da teške jezgre s atomskim brojem većim od 100 imaju koristi od podjele na dva manja fragmenta, čime se oslobađa energija kojapretvara u kinetičku energiju fragmenata. Taj se proces naziva cijepanje atomske jezgre.
Prema krivulji stabilnosti, koja pokazuje ovisnost broja protona o broju neutrona za stabilne nuklide, teže jezgre preferiraju više neutrona (u usporedbi s brojem protona) od lakših. To sugerira da će se uz proces cijepanja emitirati i neki "rezervni" neutroni. Osim toga, oni će također preuzeti dio oslobođene energije. Studija nuklearne fisije atoma urana pokazala je da se oslobađaju 3-4 neutrona: 238U → 145La + 90Br + 3n.
Atomski broj (i atomska masa) fragmenta nije jednak polovici atomske mase roditelja. Razlika između masa atoma nastalih kao rezultat cijepanja obično je oko 50. Međutim, razlog tome 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 jezgre urana, jednaka 1198 + 763-1803=158 MeV.
Spontana fisija
Procesi spontanog cijepanja poznati su u prirodi, ali su vrlo rijetki. Prosječni životni vijek ovog procesa je oko 1017 godina, a, na primjer, prosječni životni vijek alfa raspada istog radionuklida je oko 1011godina.
Razlog za to je da 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 jezgru djeluju dvije sile. Jedna od njih je povećana površinska energija (površinska napetost kapljice tekućine objašnjava njezin sferni oblik), a druga je Coulombovo odbijanje između fisijskih fragmenata. Zajedno stvaraju potencijalnu barijeru.
Kao iu slučaju alfa raspada, da bi došlo do spontane fisije jezgre atoma urana, fragmenti moraju prevladati ovu barijeru pomoću kvantnog tuneliranja. Barijera je oko 6 MeV, kao u slučaju alfa raspada, ali vjerojatnost tuneliranja α čestice je mnogo veća od one kod puno težeg produkta fisije atoma.
Prisilno dijeljenje
Puno vjerojatnije je inducirana fisija jezgre urana. U tom slučaju, matična jezgra je ozračena neutronima. Ako ga roditelj apsorbira, vežu se, oslobađajući energiju vezanja u obliku energije vibracije koja može premašiti 6 MeV potrebnih za prevladavanje potencijalne barijere.
Tamo gdje je energija dodatnog neutrona nedovoljna za prevladavanje potencijalne barijere, upadni neutron mora imati minimalnu kinetičku energiju da bi mogao izazvati cijepanje atoma. U slučaju 238U energija veze dodatnaneutrona nedostaje oko 1 MeV. To znači da fisiju jezgre urana inducira samo neutron s kinetičkom energijom većom od 1 MeV. S druge strane, izotop 235U ima jedan nespareni neutron. Kada jezgra apsorbira dodatnu, ona s njom tvori par, a kao rezultat tog sparivanja pojavljuje se dodatna energija vezanja. Ovo je dovoljno da se oslobodi količina energije nužna da jezgra prevlada potencijalnu barijeru, a fisija izotopa dolazi do sudara s bilo kojim neutronom.
Beta Decay
Unatoč činjenici da reakcija fisije emitira tri ili četiri neutrona, fragmenti još uvijek sadrže više neutrona nego njihove stabilne izobare. To znači da su fisijski fragmenti općenito nestabilni protiv beta raspada.
Na primjer, kada dođe do fisije urana 238U, stabilna izobara s A=145 je neodim 145Nd, što znači da fragment lantana 145La se raspada u tri stupnja, svaki put emitirajući elektron i antineutrino, dok se ne formira stabilan nuklid. Stabilna izobara s A=90 je cirkonij 90Zr, tako da se cijepajući fragment broma 90Br raspada u pet faza lanca β-raspada.
Ovi lanci β-raspada oslobađaju dodatnu energiju, koju gotovo svu nose elektroni i antineutrini.
Nuklearne reakcije: fisija jezgri urana
Izravno zračenje neutrona iz nuklida s previševeliki broj njih kako bi se osigurala stabilnost jezgre je malo vjerojatan. Poanta je ovdje da nema Coulombove odbijanja, pa površinska energija nastoji zadržati neutron u vezi s roditeljem. Međutim, to se ponekad dogodi. Na primjer, fisijski fragment 90Br u prvoj fazi beta raspada proizvodi kripton-90, koji može biti u pobuđenom stanju s dovoljno energije da prevlada površinsku energiju. U ovom slučaju, emisija neutrona može se dogoditi izravno s stvaranjem kriptona-89. Ova izobara je još uvijek nestabilna na β raspad dok se ne promijeni u stabilan itrij-89, tako da se kripton-89 raspada u tri koraka.
Fisija urana: lančana reakcija
Neutrone emitirane u reakciji fisije može apsorbirati druga matična jezgra, koja tada sama prolazi kroz induciranu fisiju. U slučaju urana-238, tri proizvedena neutrona izlaze s energijom manjom od 1 MeV (energija oslobođena tijekom cijepanja jezgre urana - 158 MeV - uglavnom se pretvara u kinetičku energiju fisijskih fragmenata), pa ne mogu izazvati daljnju fisiju ovog nuklida. Međutim, sa značajnom koncentracijom rijetkog izotopa 235U, ovi slobodni neutroni mogu biti zarobljeni jezgrama 235U, što doista može uzrokovati fisiju, budući da u ovom slučaju ne postoji energetski prag ispod kojeg se fisija ne inducira.
Ovo je princip lančane reakcije.
Vrste nuklearnih reakcija
Neka je k broj neutrona proizvedenih u uzorku fisijskog materijala u fazi n ovog lanca, podijeljen s brojem neutrona proizvedenih u stupnju n - 1. Ovaj broj ovisi o tome koliko se neutrona proizvodi na stadij n - 1, apsorbira ih jezgra, koja može biti podvrgnuta prisilnoj fisiji.
• Ako je k < 1, tada će lančana reakcija jednostavno nestati i proces će se vrlo brzo zaustaviti. Upravo se to događa u prirodnoj rudi urana, u kojoj je koncentracija 235U toliko niska da je vjerojatnost apsorpcije jednog od neutrona ovim izotopom krajnje zanemariva.
• 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 urana-235. Za sferni uzorak vrijednost k raste s povećanjem vjerojatnosti apsorpcije neutrona, što ovisi o polumjeru kugle. Stoga masa U mora premašiti neku kritičnu masu da bi došlo do fisije jezgri urana (lančana reakcija).
• Ako je k=1, tada se odvija kontrolirana reakcija. Ovo se koristi u nuklearnim reaktorima. Proces se kontrolira distribucijom kadmija ili bora između urana, koji apsorbiraju većinu neutrona (ovi elementi imaju sposobnost hvatanja neutrona). Fisijom jezgre urana automatski se upravlja pomicanjem štapova tako da vrijednost k ostane jednaka jedan.
