Fisiunea nucleară

Prin fisiune se înţelege ruperea nucleului în două fragmente. Odată cu cele două fragmente se emit în medie 2-3 neutroni şi radiaţie . Fisiunea nucleului poate apărea spontan sau ca urmare a unei reacţii neutronice.

Fisiunea spontană. In această situaţie nucleul se scindează în două fragmente cu emisie de neutroni şi cuante , fara nici o interacţie cu mediul extern. Altfel spus nucleul fisionează de la sine, fără o cauză evidentă de natură externă. Fisiunea spontană este un fenomen rar întâlnit şi este posibilă, în general, pentru nuclee grele (A>232). Odată cu creşterea numărului de masă al nuclidului, probabilitate de fisiune spontană creşte. Se poate considera că numărul de elemente grele este finit datorită instabilităţii lor în raport cu fisiunea spontană. Deşi probabilitatea de fisiune spontană este mică, în funcţionarea reactorului nuclear este importantă datorită faptului că reprezintă o sursă mică de neutroni.

Fisiunea indusă. Aceasta este o reacţie nucleară prin care nucleul fisionează în urma interacţiunii cu un neutron. In această reacţie, neutronul incident patrunde în nucleu formând nucleul compus în stare excitată, pe un nivel energetic foarte înalt. Datorită energiei acumulate, nucleul compus se rupe în două fragmente emiţând câţiva neutroni şi cuante . Un exemplu de reatie fisiune este cel al U235:

Funcţionarea reactorului nuclear are la bază reacţia de fisiune indusă exploatând faptul ca aceasta se poate autoîntreţine. Nuclizii care fisionează cu neutroni se numesc nuclizi fisionabli sau materiale fisionabile.

Ca orice reacţie nucleară şi reacţia de fisiune este caracterizată de o secţiune eficace. După cum se ştie, secţiunea eficace depinde de energia neutronului incident. Altfel spus, probabilitatea de fisiune a unui nuclid depinde de energia neutronului. Există nuclizi care fisionează cu neutroni de orice energie şi nuclizi care fisionează cu neutroni a căror energie este cuprinsă într-un domeniu limitat de valori. Nuclizii care fisionează cu neutroni de orice energie se numesc nuclizi fisili sau materiale fisile. şi pot fisiona doar cu neutroni de energie mare prin urmare nu sunt fisili, dar fac parte din categoria mai largă a materialelor fisionabile.

Iniţierea şi mecanismul fisiunii.

Pentru ca nucleul compus sa fisioneze el trebuie să aibă o energie mai mare decât o energie de prag . Fisiunea se iniţiază doar dacă energia de excitaţie a nucleului compus format în urma captării netronului depăşeşte valoarea de prag. Energia de excitaţie este formată din energia cinetică a neutronului la care se adaugă energia de legătură a neutronului în nucleu.

În tabelul de mai jos sunt date valorile energiei de prag pentru câteva matriale fisionabile.

Nuclidul

Ep (MeV) 5,9 5,5 5,75 5,85 5,5 4,0

Energia eliberată la fisiunea nucleară

Reacţia de fisiune este caracterizată de cantitatea mare de energie eliberată. Să considerăm reacţia tipică de fisiune:

Masa totală a reactanţilor şi masa totală a produşilor de fisiune:

Masa reactanţilor Masa produşilor de fisiune

92U235 235,04392 u 37Rb93 92,91699 u

0n1 1,08665 u 55Cs140 139,9091 u

Total 236, 052589 u 3 0n1 3,02599 u

Total 235,85208 u

După cum se poate observa, in cazul acestei reacţii de fisiune apare un defect de masă per total reacţie: care, convertit în energie este echivalent cu . Această energie reprezintă energia eliberată în timpul procesului de fisiune motiv pentru care se numeşte energia instantanee de fisiune. Energia instantanee de fisiune se regăseşte în energia cinetică a fragmentelor de fisiune, energia cinetică a neutronilor emişi şi energia cuantelor emise în timpul fisiunii. In general, fragmentele de fisiune nu au o structură nucleară stabila şi ele tind spre configuraţia stabilă prin dezintegrare sau . Energia corespunzătoare acestor dezintegrări care apar după producerea reacţiei de fisiune se numeşte energie de dezintegrare sau energie întârziată. Energia totală emisă la un act de fisiune al U235 este: