Central nuclear d'Isar, Alemanya

Piscina de combustible nuclear gastat

Turbina d'una central nuclear

Fissió nuclear

Fissió nuclear

Per poder obtenir energia manipulant nuclis d'un o diversos àtoms ho podem fer de dues maneres diferents. Unint nuclis d'àtoms diferents (llavors parlem de fusió nuclear) o partint nuclis d'un determinat àtom (cas de la fissió nuclear)

En 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 "falta" de masses (al voltant del 0,1 per cent de la massa original) es converteix en energia segons l'equació d'Einstein (E = mc2). En aquesta equació E correspon a l'energia obtinguda, m és la massa de què parlem i c és una constant, la de la velocitat de la llum: 299.792.458 m/s2.

La fissió nuclear pot ocórrer quan un nucli d'un àtom pesat captura un neutró (fissió induïda), o pot ocórrer espontàniament a causa de la inestabilitat de l'isòtop (fissió espontània).

Reaccions nuclears en cadena

Esquema d'una cadena de reaccions nuclears de fissió

Una reacció en cadena és un procés mitjançant el qual els neutrons que s'han alliberat en una primera fissió nuclear produeixen una fissió addicional en almenys un nucli més. Aquest nucli, al seu torn produeix neutrons, i el procés es repeteix.

Aquestes reaccions en cadena poden ser controlades o incontrolades. Les reaccions controlades serien les reaccions nuclears produïdes en centrals nuclears on l'objectiu és generar energia elèctrica de forma constant. Les reaccions nuclears incontrolades es donen en el cas d'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 ha 1.024 fissions i en 80 generacions aproximadament 6 x 1023 fissions.

Massa crítica

La massa crítica és la quantitat mínima de material fissionable perquè es mantingui una reacció nuclear en cadena.

Encara que en cada fissió nuclear es produeixen entre dos i tres neutrons, no tots els neutrons estan disponibles per continuar amb la reacció de fissió; alguns es perden. Si els neutrons alliberats per cada reacció nuclear es perden a un ritme més ràpid del que es formen per la fissió, la reacció en cadena no serà autosostenible i s'aturarà.

La quantitat de massa crítica d'un material fissionable depèn de diversos factors: propietats físiques, propietats nuclears, de la seva geometria i de la seva puresa.

Una esfera té la superfície mínima possible per a una massa donada, i per tant, redueix al mínim la fuga de neutrons. Si a més voregem el material fissionable amb un reflector de neutrons es perden molts menys neutrons i es redueix la massa crítica.

La fissió nuclear controlada

Esquema sobre com es controlen els neutrons alliberats per controlar la reacció de fissió en cadena

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 es morirà, i si és més gran creixerà sense control (una explosió atòmica). Per controlar la quantitat de neutrons lliures en l'espai de reacció hi ha d'haver 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 a ser absorbits per les barra de control.

Fissió nuclear espontània

fissió nuclear espontània

En aquest tipus de reaccions no és necessària l'absorció d'un neutró exterior. En determinats isòtops d'urani, i sobretot de plutoni, tenen una estructura atòmica tan inestable que es fissiona espontàniament.

La taxa de la fissió nuclear espontània és la probabilitat per segon que un àtom donat es fissioni 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 il·lustratiu sobre la fissió nuclear

En el següent vídeo es pot observar com un neutró llançat contra un nucli genera una fissió nuclear que donarà lloc a d'altres fissions nuclears en cadena. A la primera part del vídeo es veu a petita escala i després es pot veure la mateixa seqüència més ampliada.

valoración: 3.5 - votos 13

Referències

Última revisió: 21 de abril de 2014