Menu

Central nuclear d'Isar, Alemanya

Piscina de combustible nuclear gastat

Turbina d'una central nuclear

Fissió nuclear

Fissió nuclear

La fissió nuclear és la reacció fisicoquímica mitjançant la qual es parteix el nucli d'un àtom. En principal interès de les reaccions de fissió és que mitjançant aquesta operació s'obté una gran quantitat d'energia. D'acrod amb la definició d'energia nuclear, l'energia atómica és l'energia continguda en el nucli d'un àtom i l'energia que s'obté és energia tèrmica, energia en forma de calor.

L'altra forma d'aprofitament és mitjançant les reaccions de fusió nuclear. En aquest cas, el procés és invers, es fusiona dos nuclis diferents formant un únic nucli atòmic.

Després de la fissió del nucli atòmic obtenim diversos fragments amb una massa gairebé igual a la meitat de la massa original més dos o tres neutrons. És destacable l'alliberament d'aquests dos o tres neutrons perquè són els que permetran una nova reacció en un altre àtom.

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) s'ha convertit en energia segons l'equació d'Einstein (E = mc 2 ). En aquesta equació E correspon a l'energia obtinguda, ma la massa de la qual parlem i c és una constant, la de la velocitat de la llum: 299.792.458 m / s 2 . L'energia obtinguda es presenta en forma de calor; és, per tant, energia tèrmica.

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).

El material utilitzat com a combustible nuclear té una estructura atòmica molt inestable. Generalment s'utilitza urani i plutoni. Les característiques d'aquests àtoms és que són molt pesats, amb una gran quantitat de protons amb càrrega positiva en el nucli. En tenir tants protons amb càrrega positiva al nucli li costa molt mantenir els enllaços de forces per mantenir-los units. Per aquest motiu, el xoc amb un únic neutró és suficient per desestabilitzar tota l'estructura i trencar-se.

Reaccions de fision nuclear 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 atòmic, es fissiona i allibera al seu torn més més neutrons donant l'oportunitat al fet que el procés es repeteixi.

Aquestes reaccions en cadena poden ser controlades o incontrolades. Les reaccions controlades serien les reaccions nuclears produïdes en el reactor nuclear d'una central nuclear a que l'objectiu és generar energia elèctrica de manera constant i equilibrada. Les reaccions nuclears incontrolades es donen en el cas d'armes nuclears en què l'objectiu és generar una gran quantitat d'energia en un instant.

Si en cada reacció de fissió nuclear 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 10 23  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 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 físsil 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 fugida 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.

Malgrat que l'urani es pot trobar de forma natural, l'urani que s'utilitza en els reactors nuclears és el que s'anomena urani enriquit. L'urani enriquit és l'urani que ha estat sotmès a un tractament per convertir-lo en un isòtop més inestable. S'anomena isòtops als àtoms d'un mateix element, els nuclis tenen una quantitat diferent de neutrons i, per tant, difereixen en nombre màssic.

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 xocar amb un altre nucli d'urani. Si aquesta relació és inferior a un llavors la reacció morirà, i si és més gran creixerà sense control (una explosió atòmica).

Per controlar la quantitat de neutrons lliures a l'espai de reacció s'utilitzen elements d'absorció de neutrons. La majoria dels reactors nuclears de potència són controlats per mitjà de barres de control fetes d'un material que tingui la propietat d'absorbir neutrons lliures, per exemple, bor o 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 nuclears 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 les barres de control.

Fissió nuclear espontània

En les reaccions de fissió nuclear espontània no és necessària l'absorció d'un neutró 

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. En determinats isòtops de l'urani, i sobretot del plutoni, tenen una estructura atòmica tan inestable que es fissiona espontàniament.

valoración: 3.5 - votos 17

Referències

Última revisió: 15 de març de 2019