Fisio nuklear

Fisio nuklearra atomo baten nukleoa bi nukleo txikiagotan edo gehiagotan banatzea ahalbidetzen duen erreakzioa da. Fisioan nukleo arinak ez ezik, azpiproduktu batzuk ere lortzen dira, hala nola neutroi libreak, fotoiak (normalean gamma izpiak) eta nukleoaren beste zati batzuk, adibidez, alfa partikulak (helio-nukleoak) eta beta partikulak (energia handiko elektroiak eta positroiak), energia asko lortzen da. Fisioa Otto Hahn eta Lise Meitner-en aurkikuntza izan zen arren, lehenengoak bakarrik jaso zuen Nobel saria.

Uranio-235 atomo baten fisio nuklearra.

Elementu astunen fisio nuklearra 1938ko abenduaren 17an aurkitu zuten Otto Hahn alemanak eta haren laguntzaile Fritz Strassmann-ek, Lise Meitner fisikari austro-suediarrak proposaturik. Hahnek ulertu zuen nukleo atomikoen "leherketa" bat gertatu zela. 1939ko urtarrilean, Otto Robert Frisch-ek, ilobarekin batera, azalpen teoriko bat eman zuen. Nukleido astunen kasuan, erreakzio exotermikoa da fisioa, eta energia-kantitate handiak aska ditzake, bai erradiazio elektromagnetiko gisa, bai zatien energia zinetiko gisa.

Fisioa transmutazio nuklear mota bat da, sortzen diren zatiak ez direlako jatorrizko atomoaren osagaiak. Lortutako bi nukleoak (edo gehiago) tamaina konparagarrikoak izan ohi dira, eta normalean 3tik 2ra bitarteko produktuen masa-erlazioa dute. Fisio gehienak bitarrak izaten dira, baina batzuetan, positiboki kargatutako hiru zati sortzen dira: fisio hirutarra.

Neutroi batek eragindako fisioaz gain, berezko desintegrazio erradioaktiboko forma natural bati fisio ere esaten zaio, eta masa handiko isotopoetan gertatzen da bereziki. Berezko fisioa 1940an aurkitu zuten Flyorov, Petrzha-k eta Kurchatov-ek Moskun.

Aurresanezinak diren produktuen konposizioak, (modu probabilistikoan eta kaotikoan aldatzen direnak) tunel-efektuko prozesuetatik bereizten du, hala nola protoi-emisio, alfa-desintegraziotik eta luku-desintegraziotik, horiek produktu berak ematen baitituzte aldi guztietan. Fisio nuklearrak sortzen duen energia batez ere energia nuklearrerako erabiltzen da eta, horrez gain, arma nuklearren leherketarako erabiltzen da. Bi erabilera horiek posible dira erregai nuklear izeneko substantzia batzuen fisio-neutroiek elkarren artean talka egin eta fisioa jasaten dutelako. Bestalde, neutroiak igortzen dituzte hausten direnean. Horri esker, kate-erreakzio bat sortzen da, energia askatzen duena, erreaktore nuklearretan, erritmo kontrolatuan eta, arma nuklearretan, aldiz, oso azkar eta kontrolik gabe.

Erregai nuklearrean dagoen energia askearen kantitatea gasolinaren antzeko erregai kimikoko masa batean dagoen energia askearen kantitatea baino milioika aldiz handiagoa da. Ondorioz, fisio nuklearra energia-iturri oso boteretsua da. Hala ere, fisio nuklearreko produktuak, batez beste, eskuarki erregai gisa fisionatzen diren elementu astunak baino askoz erradioaktiboagoak dira, eta, denbora luzean horrela irauten dutelarik, arazo handiak eragiten dituzte hondakin nuklearrak biltegiratzeko orduan. Hondakin nuklearren pilaketak eta arma nuklearraren suntsitzeak kalte larriak eragiten dituzte ingurumenean.

Historia

Fisio nuklearraren aurkikuntza 1938an gertatu zen Kaiser Wilhelm Society for Chemistryren eraikinetan. Gaur egun, Berlingo Unibertsitate Askearen zati da, eta erradioaktibitatearen zientziari eta atomoen osagaiak deskribatzen zituen fisika nuklear berria egiteari eskainitako lau hamarkada baino gehiagoko lanaren ondoren egin zen. 1911n, Ernest Rutherford-ek atomoaren eredu bat proposatu zuen: protoi-nukleo oso txiki bat, dentsoa eta positiboki kargatua orbitatutako eta negatiboki kargatutako elektroiz inguratuta zegoena (Rutherford-en eredua). 1913.urtean Niels Bohr-ek aurrez aipatu den eredu hori hobetu zuen, elektroien portaera kuantikoa bilduz (osatuz) (Bohr-en eredua). Henri Becquerel-en, Marie Curie-ren, Pierre Curie-ren eta Rutherford-en lanek azaldu zutenez, nukleoak, estu lotuta egon arren, gainbehera erradioaktiborako hainbat modu izan ditzake, beste elementu batzuetara eraldatuz.

Garai horretan, Leó Szilárd fisikari hungariarra ohartu zen atomo astunen neutroietan oinarritutako fisioa erabil zitekeela kate nuklearreko erreakzio bat sortzeko. Fisikariak 1933.urtean formulatu zuen neutroiak erabiliz egindako erreakzioa, eta horretarako Rutherford-ek bere ikerketa-taldearekin 1932.urtean protoien laguntzaz litioa zatitzea egin zuen esperimentutik abiatu zen. Hala ere, Szilárd-ek ezin izan zuen lortu neutroiek bultzatutako kate-erreakzio bat neutroi askoko argi-atomoekin. Teorian, neutroiek bultzatutako kate-erreakzio batean sortutako bigarren mailako neutroien kopurua bat baino handiagoa balitz, horrelako erreakzio bakoitzak hainbat erreakzio gehigarri eragingo lituzke, eta erreakzio kopuru esponentzialki gorakorra eragin. Beraz, konturatu ziren uranioaren fisioak energia-kantitate handiak sor zitzakeela helburu zibil edo militarretarako, hau da, energia elektrikoa edo bonba atomikoak sortzeko.

Uranio-235-a isolatzeko aukera teknikoki etsigarria izan zen, uranio-235-a eta uranio-238-a kimikoki berdin-berdinak direlako eta masa hiru neutroiren pisuan bakarrik aldatzen delako. Hala ere, nahikoa uranio-235 kantitate isolatuko balitz, horrek neutroi-fisioaren kate-erreakzio azkarra ahalbidetuko luke. Hori izugarria litzateke, benetako "bonba atomikoa". Plutonio-239-a erreaktore nuklear batean gerta zitekeela jakiteak neutroi azkarren fisio-bonba baten beste ikuspegi bat eman zuen.

Lehenengo erreaktore nuklearrek ez zuten isotopikoki aberastutako uraniorik erabiltzen eta, ondorioz, oso purifikatutako grafito-kantitate handiak neutroien neurrizko material gisa erabiltzeko eskatu zitzaien. Erreaktore nuklearretan ur-korrontea erabiltzeko, ur astuna erabili beharrean, erregai aberastua behar da, 238U isotopoaren 235U isotopo arraro baten bereizketa partziala eta aberaste erlatiboa. Oro har, erreaktoreek kimikoki puruak diren neutroien material moderatzaileak ere behar izaten dituzte, hala nola deuterioa (ur astunean), helioa, berilioa edo karbonoa, azken hau grafito gisa erabili ohi da.

Uranioaren isotopoak

Uranio naturalak hiru isotopo ditu: 234U (%0,006), 235U (%0,7) eta 238U (%99,3). Erabili behar den abiadura fisio-gertaera bat eta ez harrapaketa-gertaera bat lortzeko, desberdina da isotopo bakoitzerako.

Uranio-238ak abiadura ertaineko neutroiak atzitzeko joera du, eta 239U-a sortzen du. 239U-a plutonio-239 bihurtzen da, azken hori fisionagarria da. Material fisionagarria sortzeko duten gaitasuna dela eta, horrelako materialei emankor esaten zaie. Uranio-235-a fisiona daiteke 238U-a baino neutroi-abiaduraren tarte askoz zabalagoarekin.

Uranio-238ak fisioa eragin gabe neutroi askori eragiten dienez, nahastea kaltegarria da fisioa sustatzeko. Izan ere, 235U-ak abiadura handiko neutroiekin talka egiteko probabilitatea nahikoa handia izan daiteke, 238U-a kendu ondoren, moderatzaile baten erabilera beharrezkoa ez izateko.

Mekanismoak

Nukleo astunen fisioa prozesu exotermikoa da eta, beraz, energia kantitate handiak askatzen ditu. Ohiko erreakzio kimikoetan askatutakoa baino askoz ere energia gehiago sortzen du prozesuak. Erreakzio horietan, elektroi-azalak daude nahasita. Energia bai gamma erradiazio gisa, bai fisioaren zatien energia zinetiko gisa igortzen da eta, hala, fisioa gertatzen den espazioaren inguruko materia berotu egiten da.

Fisioa hainbat metodoren bidez eragin daiteke, besteak beste, energia zuzenaren partikula duen atomo fisionagarri baten nukleoaren bonbardaketaren bidez; partikula, eskuarki, neutroi askea da. Neutroi aske hori nukleoak xurgatzen du, eta ezegonkor bihurtzen du. Orduan, nukleo ezegonkorra bi zatitan edo gehiagotan zatitzen da: fisioaren produktuak, bi nukleo txikiago dituztenak, zazpi neutroi askeraino (batez beste bi eta erdi erreakzio bakoitzeko) eta zenbait fotoi. Fisioaren produktu gisa jaurtitako nukleo atomikoak hainbat elementu kimiko izan daitezke. Sortzen diren elementuak zoriaren ondorio dira, baina estatistikoki probableena da jatorrizko atomo fisionatuaren protoien eta neutroien erdiak dituzten nukleoak aurkitzea. Fisioaren produktuak, oro har, oso erradioaktiboak izaten dira: ez dira isotopo egonkorrak; isotopo horiek, orduan, desintegrazio-kateen bidez txikiagotzen dira.

Energiaren eragina

Nukleo astun baten fisioak 7 - 8 milioi elektronvolteko (MeV) sarrera-energia eskatzen du guztira, nukleoak hasiera batean mantentzen duen indar esferikoa edo ia esferikoa gainditzeko eta, ondoren, bi lobuluko gorputz batean deformatzeko non lobuluak elkarrekiko karga positiboarekin eta karga fisikoarekin bereizteko gai diren. Lobulu nuklearrak distantzia kritiko bateraino bultzatu ondoren, eta distantzia horretatik haratago, irismen laburreko indar sendoak ezin ditu lotuta eduki, eta bien arteko bereizketa-prozesua zatien arteko aldarapen-energia elektromagnetikotik dator. Horren emaitza bi fisio-zati dira, bata bestetik energia handiz urruntzen direnak.

Ekoizpena

Fisio-gertaera tipikoek berrehun milioi eV-ko (200 MeV) energia askatzen dute, hau da, 2 bilioi Kelvin inguruan, fisio-gertaera bakoitzean. Fisionatzen den isotopo zehatza fisionagarria edo fisiblea izateak ala ez izateak eragin txiki bat besterik ez du askatutako energia kantitatean. Hori erraz ikus daiteke lotura-energiaren kurba aztertuta eta uraniotik hasten diren gune aktinidoen batez besteko lotura-energia nukleoko 7,6 MeV ingurukoa dela ikusita. Lotura-energiaren kurban ezkerrerago begiratuz, non fisio-produktuak elkartzen baitira, erraz ikusten da fisio-produktuen lotura-energiak 8,5 MeV inguruan zentratzeko joera duela nukleoi bakoitzeko. Hala, isotopo baten edozein fisio-gertaeratan, aktinidoen masa-tartean, 0,9 MeV inguru askatzen dira abiapuntuko elementuaren nukleo bakoitzeko. U235-ko neutroi motel batek talka egiten duenean, U238-ko neutroi azkar batek eragindako fisioaren antzeko energia sortzen da.

Aitzitik, oxidazio kimiko gehienek, hala nola ikatza erretzeak , eVs gutxi batzuk askatzen dituzte gertaera bakoitzeko. Beraz, erregai nuklearrak erregai kimikoak baino hamar milioi aldiz energia erabilgarri gehiago du masa-unitate bakoitzeko. Fisio nuklearraren energia fisio-produktuen eta zatien energia zinetiko gisa askatzen da, eta gamma izpien formako erradiazio elektromagnetiko gisa; erreaktore nuklear batean, energia bero bihurtzen da, partikulek eta gamma izpiek erreaktorea osatzen duten atomoekin eta haren lan-fluidoarekin talka egiten dutenean, normalean fluido hori ura izaten da, baina batzuetan, ur astuna edo gatz urtua izan daiteke.

Moderatzaileak

Uranio asko leku bakar batean elkartzea ez da nahikoa kate-erreakzioa hasteko. Nukleo-fisio batek neutroiak igortzen ditu, oso abiadura handian. Horrek esan nahi du, neutroiek nukleotik aldendu behar dutela beste edozein nukleorekin talka egin baino lehen. Mugimendu moteleko neutroiei neutroi termiko deritze, eta neutroiaren abiadura horrek bakarrik eragin dezake fisio-erreakzio bat. Beraz, lau neutroi-abiadura ditugu:

-Neutroi bat (ez-termiko) inongo interakzio gabe aldentzen da nukleotik.

-Abiadura ertaineko neutroi bat nukleoak harrapatu, eta materiala isotopo bihurtzen du, baina ez du fisioa eragiten.

-Mugimendu moteleko (termikoko) neutroi batek nukleo batek fisioa pairatzea eragiten du.

-Neutroi mugikor geldo bat harrapatu edo ihes egiten du, baina ez du fisiorik eragiten.

Fisioa aurkitu baino urte batzuk lehenago, neutroiak atzeratzeko ohiko metodoa pisu atomiko txikiko material batetik pasaraztea zen: material hidrogenatua izaten zen normalean. Moderazio-prozesua abiadura handiko partikulen eta ia atsedenean dauden partikulen arteko talka elastikoen sekuentzia bat besterik ez da. Zenbat eta antzekoagoak izan neutroiaren eta kolpatutako partikularen masak, orduan eta handiagoa da neutroiaren energia zinetikoaren galera. Beraz, elementu arinak dira eraginkorrenak neutroien moderatzaile gisa.

1930eko hamarkadako fisikari batzuei uranioa moderatzaile batekin nahasteko aukera bururatu zitzaien: behar bezala nahastuz gero, fisioko abiadura handiko neutroiak atzeratu egin litezke moderatzaile batean errebotatutakoan, abiadura egokian, beste uranio-atomo batzuetan fisioa eragiteko. Moderatzaile on baten ezaugarriak hauek dira: pisu atomiko txikia, edo neutroiak xurgatzeko joera nulua. Moderatzaile posibleak, beraz, hidrogenoa, helioa, litioa, berilioa, boroa eta karbonoa dira. Litioak eta boroak erraz xurgatzen dituzte neutroiak; beraz, baztertu beharreko elementuak dira. Helioa erabiltzea zaila da, gasa baita eta ez baitu konposaturik sortzen. Moderatzaile egokienak, beraz, hidrogenoa, deuterioa, berilioa edota karbonoa bide dira. Enrico Fermi eta Leó Szilárd izan ziren grafitoa kate-erreakzio baterako moderatzaile gisa erabiltzea proposatu zuten lehenak. Deuterioa edo "ur astun" da teknologikoki onena eta fusio nuklearrerako erregai gisa erabili liteke, baina grafitoa askoz merkeagoa da.

Kanpo estekak

• Datuak: Q11429
• Multimedia: Nuclear fission / Q11429