La fissió nuclear és una reacció nuclear on el nucli d'un àtom pesant es divideix en dos o més fragments més petits, alliberant una gran quantitat d'energia.
Aquesta reacció pot ser induïda per capturar un neutró per part d'un nucli, o de manera espontània a causa de la inestabilitat de l'isòtop.
Els nuclis atòmics estan composts per protons i neutrons. Els protons tenen càrrega positiva i tendeixen a repel·lir-se entre si, mentre que els neutrons no tenen càrrega. Aquestes partícules estan unides per la força nuclear forta, que és molt més intensa que la força electromagnètica que manté els electrons al voltant del nucli.
La fissió nuclear consisteix a trencar aquesta força nuclear, cosa que permet que els nucleons (protons i neutrons) se separin.
Com funciona la fissió nuclear?
La fissió nuclear és un procés en què el nucli d'un àtom pesant, com ara l'urani-235 o el plutoni-239, es divideix en dos o més nuclis més lleugers, alliberant una gran quantitat d'energia.
Aquest procés comença quan un neutró lliure impacta el nucli d'un àtom fissionable, provocant que el nucli es torni inestable i es trenqui. En dividir-se, el nucli allibera neutrons addicionals, que poden seguir impactant altres nuclis, iniciant així una reacció en cadena.
L'energia alliberada a la fissió prové de la pèrdua de massa durant la divisió del nucli, que es converteix en energia d'acord amb la famosa equació d'Einstein, \( E = mc^2 \). Els fragments resultants de la fissió són productes de fissió, que són elements químics diferents, i els neutrons alliberats poden ser utilitzats per continuar el procés.
Als reactors nuclears, aquesta reacció controlada genera calor que es converteix en energia elèctrica. Tot i això, en armes nuclears, la fissió ocorre de manera incontrolada, alliberant una enorme explosió d'energia.
Generació d'energia a la fissió nuclear
L'energia alliberada a la fissió nuclear prové de la conversió d'una petita quantitat de massa en energia, segons l'equació d'Einstein, \( E = mc^2 \), on:
- E és l'energia obtinguda,
- m és la massa "perduda" durant la fissió,
- c és la velocitat de la llum al buit (299,792,458 m/s).
Aquesta energia s'allibera en forma de calor, que es pot aprofitar en reactors nuclears per generar electricitat.
L'element químic a la fissió nuclear
El material fissionable utilitzat en les reaccions nuclears sol ser urani-235 (U-235) o plutoni-239 (Pu-239).
Aquests isòtops són inestables a causa de la gran quantitat de protons als seus nuclis, cosa que fa que l'estructura atòmica sigui propensa a la fissió quan interactua amb un neutró. Els isòtops són versions d'un mateix element amb diferents nombres de neutrons, i la fissió generalment passa quan un neutró impacta un àtom d'urani-235 o plutoni-239, desencadenant una cadena de reaccions.
Reaccions en cadena
La fissió nuclear pot produir una reacció en cadena.
En aquest procés, els neutrons alliberats per una fissió indueixen noves fissions en altres àtoms, generant més neutrons i alliberant més energia. Els neutrons resultants poden ser absorbits per altres àtoms de combustible, cosa que manté la reacció en marxa. Aquesta cadena pot ser controlada o incontrolada:
- Controlada : En reactors nuclears, on es regula la quantitat de neutrons mitjançant barres de control (fetes de materials com a bor o cadmi que absorbeixen neutrons), la qual cosa permet mantenir la reacció en un nivell constant i segur.
- Incontrolada : En una explosió nuclear, com a les bombes atòmiques, on la reacció s'accelera sense control i s'allibera una enorme quantitat d'energia de manera ràpida i destructiva.
Massa crítica i control de la reacció
La massa crítica és la quantitat mínima de material fissionable que cal perquè la reacció en cadena sigui autosostenible.
Si el material fissionable és menor que la massa crítica, els neutrons es perden més ràpid del que es generen, i la reacció s'atura. La quantitat de massa crítica depèn de factors com la geometria del material, la puresa i les propietats físiques.
Fissió nuclear espontània
En la fissió nuclear espontània , un àtom pot dividir-se sense la necessitat que un neutró ho impacti. Aquest fenomen passa naturalment en alguns isòtops, com el plutoni-239, que té una taxa de fissió espontània més alta que l'urani-235. Tot i que aquest procés és rar, pot contribuir a lactivitat radioactiva de certs materials.
Aplicacions de la fissió nuclear
La fissió nuclear té diverses aplicacions :
- Generació d'electricitat A les centrals nuclears, l'energia alliberada a la fissió s'utilitza per escalfar aigua i produir vapor, que mou les turbines generadores d'electricitat.
- Propulsió de submarins nuclears Els submarins nuclears utilitzen reactors de fissió per generar energia i permetre que els submarins operin durant llargs períodes sense necessitat de reabastament de combustible.
- Bombes atòmiques La fissió nuclear també s'utilitza en armes nuclears, on les reaccions descontrolades causen un alliberament massiu d'energia.
- Producció de plutoni A través de la irradiació d'urani-238, es pot produir plutoni-239 en reactors nuclears, un procés clau en la fabricació de combustibles nuclears i armes nuclears.
Fusió vs. Fissió
És important no confondre la fusió nuclear amb la fissió nuclear . La fusió implica la unió de dos nuclis lleugers per formar-ne un de més pesat, alliberant energia en el procés, com passa al Sol. En canvi, la fissió implica la divisió d'un nucli pesant en fragments més petits, alliberant energia. La fusió nuclear encara enfronta desafiaments tècnics significatius per al seu ús pràctic en la generació denergia, mentre que la fissió sutilitza àmpliament en lactualitat.
En resum, la fissió nuclear és una reacció poderosa i complexa que no només ens proporciona una font significativa d'energia, sinó que també planteja reptes importants quant a seguretat i maneig de residus radioactius.