Ako se svjetlo ugasi u vašem domu, obično se možete smjestiti blizu nekih svijeća, baterijskih lampi i dobre knjige. Sačekajte tako, jer će se svjetla vjerovatno vratiti uskoro.
Ali ako ste na Marsu, vaša struja ne samo drži svjetla – ona vas bukvalno održava živima. U tom slučaju, nestanak struje postaje mnogo veći problem.
Naučnici NASA-a smatraju da su pronašli način da u potpunosti izbegnu tu mogućnost: stvaranje nuklearnog reaktora. Ovaj nuklearni reaktor, poznat pod nazivom Kilopower, je veličine frižidera i može se sigurno lansirati u svemir uz sve nebeske putnike; astronauti mogu da ga pokrenu dok su još u svemiru ili nakon slijetanja vanzemaljskog tijela.
Projekat Kilopower je upravo dobio nekoliko velikih testova u Nevadi koji su simulirali stvarnu misiju, uključujući neuspjehe koji bi mogli ugroziti njegovu sigurnost (ali nisu).
Ovaj nuklearni reaktor bio bi “mijenjač igre” za istraživače na Marsu, rekao je Lee Mason, Direktor NASA Space Technology Mission Directorate (STMD) za tehnologiju skladištenja energije u saopštenju za javnost NASA iz novembra 2017. godine. Samo jedan uređaj može obezbjediti dovoljno snage da podrži vanzemaljsku energiju u trajanju od 10 godina i to radi bez nekih problema koji su inherentni sunčevoj snazi, odnosno: biti prekinut noću ili blokiran nedjeljama ili mjesecima tokom epskih oluja Marsova epizoda.
“On rješava ta pitanja i pruža stalnu snagu bez obzira na to gde se nalazite na Marsu”, rekao je Mason u saopštenju za medije. On je takođe napomenuo da stajalište na nuklearnom pogonu može značiti da ljudi mogu pristati na većem broju pristaništa na Marsu, uključujući i visoke geografske širine gdje nema puno svjetlosti, ali potencijalno mnogo leda za korištenje astronauta.
Nuklearni reaktori nisu neobična karakteristika u svemiru; Voyager 1 i 2 svemirski brod, koji sada prolaze kroz dubok svemir nakon polaska našeg solarnog sistema, rade na nuklearnoj energiji od kada su započeli 1970-ih. Isto važi i za Mars rover Curiosity, pošto je pristao na Crvenoj planeti 2012. godine.
Ali nam treba mnogo više reaktora za kolonizovanje planeta. A to bi moglo predstavljati problem šta će se raditi sa otpadom.
Prema popularnoj mehanici, reaktori Kilopower stvaraju električnu energiju kroz aktivnu nuklearnu fisiju – u kojoj se atomi razdvajaju kako bi oslobodili energiju. Za to je potreban čvrsti uranijum-235, koji se nalazi u reaktorskom jezgru oko veličine rolne papirnih peškira. Na kraju, taj uranijum-235 će biti “potrošen”, baš kao gorivo u reaktorima na Zemlji, i ugroziti ljude u blizini.
Kada se to desi, jezgro uranijuma moraće da se čuva negdje na sigurnom; potrošeno reaktorsko gorivo je i dalje opasno radioaktivno, i pušta toplotu. Na Zemlji, većina potrošenih gorivnih štapova čuvanih u bazenima vode koji drže šipke hladnim, sprečavaju ih da uhvate vatru i blokiraju zračenje radioaktivnosti. Ali na drugoj planeti bi nam trebala svaka dostupna voda, znate, da bi sačuvali ljude u životu.
Dakle, potreban nam je još jedan način za hlađenje potrošenog radioaktivnog goriva. Moguće je da se iskorišćeno gorivo može čuvati u zaštićenim bačvama u lava-cevima ili na određenim dijelovima površine, jer su Mjesec i Mars toliko hladni, iako to uvodi rizik da bi neko slučajno se našao u blizini njih.
Upravo sada, sve što možemo da uradimo je da špekulišemo – koliko smo znali, NASA nema nikakav javno dostupan plan šta da radi sa potrošenim nuklearnim gorivom za vanzemaljske misije. To bi moglo biti zato što se prototip “Kilopower” samo dokazao ustvari izvodljiv. Ali, ne znajući šta je s onim otpadom iz njega, izgleda kao neobičan nadzor, pošto NASA planira da se vrati na Mjesec, a potom na Mars do početka 2030-ih godina.
A u slučaju da se pitate, ne, ne možete samo pucati nuklearni otpad u dubok Svemir ili na Sunce; NASA je studirala to još sedamdesetih i utvrdila da je to bila prilično strašna ideja. Nazad na tablu za raspisivanje.
Jedna od mogućih reakcija nuklearne fisije: atom uranija-235 hvata spori neutron i raspada se na dva nova atoma (fisijski produkti – barij-141 i kripton-92), oslobađajući 3 nova neutrona i ogromnu količinu energije vezanja (200 MeV).
Model tekuće kapljice atomske jezgre
Nuklearna fisija (lat. fissio, razdvajanje, dijeljenje) je ona vrsta nuklearne reakcije, koja nastaje kad se jezgra atoma nekog kemijskog elementa cijepa na dva fisijska produkta ili fisiona fragmenta sličnih masa, uz emisiju jednog ili više neutrona, te velike količine energije. Tijekom procesa fisije dolazi do oslobađanja energije, jer je manje energije potrebno za formiranje dvije lakše jezgre nego jedne teže jezgre. Spontana fisija jezgre događa se vrlo sporo, no kod nekih teških jezgri moguće je inicirati bržu reakciju fisije djelovanjem sporih neutrona s tom jezgrom. Takve jezgre koje su podložne fisiji sporim neutronima nazivamo fisilnim jezgrama. Osim jezgara izotopa uranija-233 i uranija-235, te plutonija-239, fisibilna je i jezgra izotopa plutonija-241. Jedini fisilni izotop koji postoji u prirodi je izotop uranija-235. Energija oslobođena fisijom uranija-235 iznosi približno 200 MeV. Dvije lakše jezgre koje nastaju fisijom radioaktivne su i zovu se fisijski fragmenti ili fisijski produkti.
Da bi se nuklearna fisija mogla koristiti kao energetski izvor potrebno je stvoriti uvjete u kojima će se ta reakcija događati kontinuirano. Kontinuiranu fisijsku reakciju moguće je ostvariti jer se fisijom fisibilnih izotopa stvaraju dva do tri neutrona koji mogu izazvati fisiju u drugim jezgrama fisibilnih izotopa. Takva se reakcija naziva fisijska nuklearna lančana reakcija. Mase fisijskih produkata se najčešće odnose u omjeru 3:2, a vjerovatnost da dođe do nuklearne fisije je 2 do 4 puta na 1000 događaja.
Nuklearna se fisija u nekih teških jezgara odvija spontano, kao oblik radioaktivnog raspada, tako da se teška jezgra cijepa na dva dijela, tj. X → A + B. Vjerojatnost događanja spontane fisije je vrlo mala. Dovođenjem jezgre u pobuđeno stanje vjerojatnost se fisije znatno povećava. To je stanje najlakše postići u neparnih jezgara uranija-235, uranija-233 i plutonija-239, gdje apsorpcija i sasvim sporog neutrona dovodi jezgru u pobuđenje dovoljno za fisiju.
Jezgre koje su nastale fisijama zovu se fisijski fragmenti ili fisijski produkti. Fisijski produkti su radioaktivni i glavni su izvor radioaktivnosti u istrošenom nuklearnom gorivu. Procesom fisije dolazi do oslobađanja energije jer je manje energije potrebno za formiranje dvije lakše jezgre nego jedne teže jezgre. Energija oslobođena fisijom jezgre izotopa uranija-235 iznosi približno 200 MeV i prenosi se na okolni medij u obliku toplinske energije.
Energija dobivena fisijom jednog kilograma izotopa uranija-235 jednaka je energiji koja bi se dobila izgaranjem 1 300 tona ugljena ili 1 350 tona nafte. Da bi se taj veliki energijski potencijal fisije mogao iskoristiti kao energetski izvor potrebno je omogućiti kontinuirano odvijanje fisijske reakcije. Dva do tri neutrona koji se oslobađaju tijekom fisijske reakcije mogu izazvati reakciju fisije na drugim jezgrama fisibilnog izotopa i na taj način nastaviti nuklearnu lančanu reakciju fisije. Tim procesom dolazi do kontinuiranog oslobađanja fisijske energije na kontrolirani način u posebnim uređajima koji se zovu nuklearni reaktori.
Povijest
Godine 1919. Ernest Rutherford je, bombardirajući dušik alfa-česticama izveo prvu nuklearnu pretvorbu (transmutaciju) jednog kemijskog elementa u drugi. Pri procesu je nastao kisik, tako je izvršena prva nuklearna reakcija: dušik-14 + α (alfa-čestica) → kisik-17 + p (proton). 1932. Rutherfordove kolege John Cockcroft i Ernest Walton su bombardirali atom litija-7 s protonima, koji se raspao na dvije alfa-čestice. Taj pokus je nazvan cijepanje atoma.
Nakon što je James Chadwick otkrio neutron 1932., talijanski fizičar Enrico Fermi 1934. ozračuje uranij sporim neutronima i zapazio je da se kao proizvod javlja nekoliko novih atoma, koji se razlikuju po vremenu poluraspada. Fermi je smatrao da je bombardiranje uranija-235 sporim neutronima izazvalo nuklearnu reakciju, pri kojoj su nastali novi radioaktivni elementi, s atomskim brojem iznad 92, nestabilni kemijski elementi s rednim brojem 93, 94 i većim brojevima, koji se nazivaju transuranijski elementi.
Uranij-235
Uranij je u to vrijeme bio posljednji kemijski element u periodnom sustavu elemenata. Na osnovu pouzdanih rezultata koji su dobiveni pomoću kemijskog razdvajanja i proučavanja beta-čestica, utvrđeno je da produkti nuklearne pretvorbe uranija-235 sa sporim neutronima, nisu transuranijski elementi, već elementi iz sredine periodnog sustava. Otto Hahn i Fritz Strassmann su 1938. otkrili da je jedan od produkata barij. Marie Curie je u svojim pokusima 1939. dobila lantan. Ni jedna grupa znanstvenika nije dobila transuranijske elemente, a kasnije su Otto Hahn i Fritz Strassmann dobili itrij, stroncij, kripton, ksenon i druge elemente iz sredine perodnog sustava.
Ovu zagonetku s nuklearnom reakcijom uranija-235 pravilno je riješila Lise Meitner i njen nećak Otto Robert Frisch. Oni su 1939. pretpostavili da se uranij-235 hvatanjem sporog neutrona cijepa na dva fisijska fragmenta, jedan je atom barija, a drugi atom kriptona. Ovu nuklearnu reakciju pri kojoj se uranija-235 cijepa na dva približno jednaka fisijska fragmenta su nazvali nuklearna fisija. Oni su ukazali da su fragmenti nuklearne fisije vrlo nestabilni i da zbog odnosa neutrona i protona u njima, nastaje čitav niz beta-raspada. Utvrđeno je da se atomske mase fisijskih fragmenata nalaze u području s atomskom masom od 70 do 160, i da nuklearna fisija nije simetrična, pa se mase fisijskih fragmenata odnose u omjeru 2:3.
Krivulja prosječne energije vezanja po nukleonu
Nuklearni udarni presjek uranija-235 u ovisnosti od brzine ili energije (temperature) neutrona
Jedna od mogućih nuklearnih fisijskih lančanih reakcija: 1. Atom uranija-235 hvata spori neutron i raspada se na dva nova atoma (fisioni fragmenti – barij-141 i kripton-92), oslobađajući 3 nova neutrona i ogromnu količinu energije vezanja (200 MeV). 2. Jedan od tih neutrona bude uhvaćen od atoma uranija-238 i ne nastavlja reakciju. Drugi neutron napušta sustav bez da bude uhvaćen. Ipak, jedan od neutrona se sudara s novim atomom uranija-235, koji se raspada na dva nova atoma (fisioni fragmenti), oslobađajući 3 nova neutrona i ogromnu količinu energije vezanja (200 MeV). 3. Dva se neutrona sudaraju s dva atoma uranija-235 i svaki se raspada i nastavlja reakciju.
Produkti nuklearne fisije ili fisijski fragmenti se mogu podijeliti u dvije grupe, i to na laku grupu elemenata s atomskim brojem od 85 do 104 i tešku grupu elemenata s atomskim brojem od 130 do 149. Sporim neutronima se može izazvati nuklearna fisija uranija-235, ali ne i kod uranija-238. Nuklearna fisija uranija-235 se odvija na 30-tak načina. U vrlo kratkom vremenu od 10-12 sekunda atomska jezgra uranija-235 izbaci 2 do 3 neutrona. Ovi fisijski neutroni su brzi, ali kratkog života, manje od 10-14 sekundi. Osim fisijskih neutrona, nastaju i zakašnjeli neutroni, koje emitiraju fisijski fragmenti i njihovo vrijeme poluraspada je od 0,05 sekundi do 120 minuta. Iako zakašnjeli neutroni čine samo malen dio oko 0,65% svih oslobođenih neutrona, imaju presudnu ulogu za regulaciju nuklearnih reaktora.
Pomoću sporih (termičkih) neutrona ne nastaje nuklearna fisija samo kod uranija-235, već i kod uranija-233 i plutonija-239 (nuklearno gorivo). Nuklearne fisije su ostvarene i kod atomskih jezgri drugih teških elemenata, i to ne samo djelovanjem neutrona, već i sa nekim električki nabijenim česticama kao što su proton, deuterij i alfa-čestica, pomoću akceleratora čestica. Nuklearna fisija može nastati i djelovanjem gama-čestica, kao što su poznati primjeri bizmuta, olova, žive, zlata, platine i tantala.
Model tekuće kapljice atomske jezgre
Mehanizam nuklearne fisije objašnjava se teorijom nuklearne fisije, koju su iznijeli Niels Bohr i J.A.Wheeler 1939. , koju su je nazvali model tekuće kapljice atomske jezgre. Oni su pretpostavili da je djelovanje nuklearnih sila slično djelovanju privlačnih sila između molekula u kapljici vode, koja zauzima oblik kugle i suprostavlja se svojoj promjeni oblika. Kad u atomsku jezgru uranija-235 uleti spori neutron, on svoju energiju preda nukleonima u toj jezgri. Uslijed toga nastaje njihovo brže kretanje i jezgra uranija-235, koju treba promatrati kao kapljicu tekućine oblika kugle, prolazi kroz niz promjena stanja i oblika. Kapljica se najprije izdužuje u elipsoid (oblik jajeta). Ako u kapljici ne postoji dovoljna količina energije da se svlada sila napetosti površine, ona će poslije titranja zauzeti ponovno svoj sferni oblik. Ali pri dovoljnoj količini energije, sila koja vrši promjenu oblika izazvat će udubljivanje kapljice u sredini i kapljica će dobiti oblik sličan kao kikiriki. U tom slučaju, elektrostatička odbijajuća Coulombova sila može svladati rezidualnu jaku nuklearnu silu, pa će se kapljica rascijepiti u dva dijela, koja će biti izbačena u različitim smjerovima. Dva fisijska fragmenta će dobiti na kraju oblik kugle. Tako će nastati dva odvojena atomska jezgra različitih elemenata, koji će težiti stabilnijem stanju, pa će izbaciti jedan ili više neutrona.
Smatra se da nesimetrična priroda nuklearne fuzije nastaje zbog toga što se atomska jezgra sastoji od nekoliko slojeva. Pretpostavlja se da se simetrično cijepaju samo vanjski slojevi, a unutrašnji dio jezgre se uopće ne cijepa, nego izlijeće zajedno s jednom polovinom nukleona iz vanjskih slojeva. Fisioni fragmenti izlijeću velikom brzinom i zagrijavaju okolinu u kojoj nastaju.
Fisioni fragmenti uranija-235 zbog velikog broja neutrona, kojih je više nego u stabilnim izotopima elemenata, su vrlo nestabilni. Svi fisioni fragmenti su elektronski aktivni i poslije niza uzastopnih beta-raspada prelaze u stabilne izotope. To znači da svaki fisioni fragment ima svoj svojstveni radioaktivni niz. Pošto se pri emisiji beta-čestica mijenja atomska masa tog atoma, normalno je da se atomski broj takvog atoma povećava za jedan. Pri nuklearnoj fisiji uranija-235 otkriveno je preko 300 različitih aktivnih produkata fisije.
Kako pri nuklearnoj fisiji nastaje velik broj beta-čestica i gama-čestica, ova jaka radioaktivnost stvara zatrovanje (kontaminaciju), uslijed čega dolazi do oštećenja ljudskog organizma, koji su im izloženi. Zbog toga osoblje koje radi u nuklearnim reaktorima mora upotrebljavati zaštitna sredstva.
Svojstava nuklearne fisije
Nuklearna energija vezanja atomske jezgre
Nuklearna energija vezanja atomske jezgre je energija koja drži nukleone na okupu. Ta energija ima različite vrijednosti za različite jezgre, a raste s porastom masenog broja. Zbog takve razlike u energiji vezanja, neke su jezgre nestabilne i raspadaju se pretvarajući se u druge stabilnije jezgre. Učestalost raspada je povezana uz vrijeme poluraspada, koje se definira kao vrijeme koje je potrebno da se raspadne polovica jezgri nekog uzorka. Vrijeme poluraspada različitih jezgri može imati vrijednosti između dijelića sekunde pa sve do nekoliko milijardi godina.
Nuklearni udarni presjek
Nuklearni udarni presjek je vrlo važan pojam kojim se određuje iskoristljivost neke nuklearne reakcije ili vjerovatnost da dođe do sudara između neke ulazne čestice i atomske jezgre nekog atoma. Mjerna jedinica za nuklearni udarni presjek je 1 barn, a to iznosi 1 x 10-28 m2. Tako je na primjer nuklearni udarni presjek za uranij-235 i spore (termičke) neutrone 700 x 10-28 m2 ili 700 barna.
Nuklearna lančana reakcija
Nuklearna lančana reakcija nastaje uslijed samoodržanja nuklearne fisije, tako da fisijski neutroni, kojih je prosječno oko 2,5 po fisiji jedne jezgre, uzrokuju nove fisije. Samoodržanje nuklearne fisije može se ostvariti ako bar jedan od tih neutrona prouzroči novu fisiju u okolnim jezgrama. Tim procesom dolazi do kontinuiranog oslobađanja fisijske energije na kontrolirani način u posebnim uređajima koji se zovu nuklearni reaktori.
Temeljni princip lančane reakcije prilično je jednostavan. Atom uranija-235 apsorbira neutron, koji uzrokuje njegovo cijepanje. Pri cijepanju se oslobađa energija i u prosjeku dva do tri nova neutrona, koji mogu izazvati nova cijepanja. Taj se proces naziva nuklearnom lančanom reakcijom. U nuklearnom reaktoru proces lančane reakcije kontroliramo, jer od dva do tri novonastala neutrona pri cijepanju u prosjeku samo jedan uzrokuje novo cijepanje urana 235. U reaktoru se, dakle, odvija kontrolirana lančana reakcija.
Nakon cijepanja nastaju dvije vrste neutrona: fisijski i zakašnjeli. Fisijski neutroni se oslobađaju neposredno nakon cijepanja, a zakašnjeli kasnije, i to samo nakon raspada nekih fragmenata, odnosno njihovih potomaka. Iako zakašnjeli neutroni čine samo malen dio, oko 0,65% svih oslobođenih neutrona, imaju presudnu ulogu za regulaciju reaktora.
Svi fragmenti i većina njihovih potomaka radioaktivni su i raspadaju se. U prosjeku su do konačnoga stabilnog izotopa potrebna tri do četiri radioaktivna raspada. Većinom je riječ o beta- i gama-raspadu, pri čemu se oslobađaju beta-čestice, odnosno gama-zrake. Energija koja se oslobađa u tim raspadima naziva se zakašnjelom toplinom.
Za odvijanje lančane reakcije odlučne su dvije veličine: neutronski prinosk i trajanje fisijske generacijeτ u lančanoj reakciji. Trajanjem jedne fisijske generacije naziva se prosječno vrijeme između dviju uzastopnih fisija (da bi fisijski neutroni bili emitirani iz neke jezgre i dospjeli do drugih fisibilnih jezgara potrebno je neko vrijeme). Neutronski prinos k je omjer broja neutrona nastalih u fisijskom procesa prema broju neutrona nastalih u prethodnom fisijskom procesu. Lančana je reakcija nadkritična ako je k > 1, podkritična ako je k < 1. Ako je k = 1, lančana reakcija održava se trajno s istim brojem fisija u jediničnom obujmu. Kontrolom neutronskog prinosa kontrolira se broj neutrona, koriste se štapovi od kadmija koji se uvlače u reaktorsku jezgru i apsorbiraju neutrone.
Jedna od mogućih reakcija nuklearne fisije: atom uranija-235 hvata spori neutron i raspada se na dva nova atoma (fisijski produkti – barij-141 i kripton-92), oslobađajući 3 nova neutrona i ogromnu količinu energije vezanja (200 MeV).
Model tekuće kapljice atomske jezgre
Nuklearna fisija (lat. fissio, razdvajanje, dijeljenje) je ona vrsta nuklearne reakcije, koja nastaje kad se jezgra atoma nekog kemijskog elementa cijepa na dva fisijska produkta ili fisiona fragmenta sličnih masa, uz emisiju jednog ili više neutrona, te velike količine energije. Tijekom procesa fisije dolazi do oslobađanja energije, jer je manje energije potrebno za formiranje dvije lakše jezgre nego jedne teže jezgre. Spontana fisija jezgre događa se vrlo sporo, no kod nekih teških jezgri moguće je inicirati bržu reakciju fisije djelovanjem sporih neutrona s tom jezgrom. Takve jezgre koje su podložne fisiji sporim neutronima nazivamo fisilnim jezgrama. Osim jezgara izotopa uranija-233 i uranija-235, te plutonija-239, fisibilna je i jezgra izotopa plutonija-241. Jedini fisilni izotop koji postoji u prirodi je izotop uranija-235. Energija oslobođena fisijom uranija-235 iznosi približno 200 MeV. Dvije lakše jezgre koje nastaju fisijom radioaktivne su i zovu se fisijski fragmenti ili fisijski produkti.
Da bi se nuklearna fisija mogla koristiti kao energetski izvor potrebno je stvoriti uvjete u kojima će se ta reakcija događati kontinuirano. Kontinuiranu fisijsku reakciju moguće je ostvariti jer se fisijom fisibilnih izotopa stvaraju dva do tri neutrona koji mogu izazvati fisiju u drugim jezgrama fisibilnih izotopa. Takva se reakcija naziva fisijska nuklearna lančana reakcija. Mase fisijskih produkata se najčešće odnose u omjeru 3:2, a vjerovatnost da dođe do nuklearne fisije je 2 do 4 puta na 1000 događaja.
Nuklearna se fisija u nekih teških jezgara odvija spontano, kao oblik radioaktivnog raspada, tako da se teška jezgra cijepa na dva dijela, tj. X → A + B. Vjerojatnost događanja spontane fisije je vrlo mala. Dovođenjem jezgre u pobuđeno stanje vjerojatnost se fisije znatno povećava. To je stanje najlakše postići u neparnih jezgara uranija-235, uranija-233 i plutonija-239, gdje apsorpcija i sasvim sporog neutrona dovodi jezgru u pobuđenje dovoljno za fisiju.
Jezgre koje su nastale fisijama zovu se fisijski fragmenti ili fisijski produkti. Fisijski produkti su radioaktivni i glavni su izvor radioaktivnosti u istrošenom nuklearnom gorivu. Procesom fisije dolazi do oslobađanja energije jer je manje energije potrebno za formiranje dvije lakše jezgre nego jedne teže jezgre. Energija oslobođena fisijom jezgre izotopa uranija-235 iznosi približno 200 MeV i prenosi se na okolni medij u obliku toplinske energije.
Energija dobivena fisijom jednog kilograma izotopa uranija-235 jednaka je energiji koja bi se dobila izgaranjem 1 300 tona ugljena ili 1 350 tona nafte. Da bi se taj veliki energijski potencijal fisije mogao iskoristiti kao energetski izvor potrebno je omogućiti kontinuirano odvijanje fisijske reakcije. Dva do tri neutrona koji se oslobađaju tijekom fisijske reakcije mogu izazvati reakciju fisije na drugim jezgrama fisibilnog izotopa i na taj način nastaviti nuklearnu lančanu reakciju fisije. Tim procesom dolazi do kontinuiranog oslobađanja fisijske energije na kontrolirani način u posebnim uređajima koji se zovu nuklearni reaktori.
Povijest
Godine 1919. Ernest Rutherford je, bombardirajući dušik alfa-česticama izveo prvu nuklearnu pretvorbu (transmutaciju) jednog kemijskog elementa u drugi. Pri procesu je nastao kisik, tako je izvršena prva nuklearna reakcija: dušik-14 + α (alfa-čestica) → kisik-17 + p (proton). 1932. Rutherfordove kolege John Cockcroft i Ernest Walton su bombardirali atom litija-7 s protonima, koji se raspao na dvije alfa-čestice. Taj pokus je nazvan cijepanje atoma.
Nakon što je James Chadwick otkrio neutron 1932., talijanski fizičar Enrico Fermi 1934. ozračuje uranij sporim neutronima i zapazio je da se kao proizvod javlja nekoliko novih atoma, koji se razlikuju po vremenu poluraspada. Fermi je smatrao da je bombardiranje uranija-235 sporim neutronima izazvalo nuklearnu reakciju, pri kojoj su nastali novi radioaktivni elementi, s atomskim brojem iznad 92, nestabilni kemijski elementi s rednim brojem 93, 94 i većim brojevima, koji se nazivaju transuranijski elementi.
Uranij-235
Uranij je u to vrijeme bio posljednji kemijski element u periodnom sustavu elemenata. Na osnovu pouzdanih rezultata koji su dobiveni pomoću kemijskog razdvajanja i proučavanja beta-čestica, utvrđeno je da produkti nuklearne pretvorbe uranija-235 sa sporim neutronima, nisu transuranijski elementi, već elementi iz sredine periodnog sustava. Otto Hahn i Fritz Strassmann su 1938. otkrili da je jedan od produkata barij. Marie Curie je u svojim pokusima 1939. dobila lantan. Ni jedna grupa znanstvenika nije dobila transuranijske elemente, a kasnije su Otto Hahn i Fritz Strassmann dobili itrij, stroncij, kripton, ksenon i druge elemente iz sredine perodnog sustava.
Ovu zagonetku s nuklearnom reakcijom uranija-235 pravilno je riješila Lise Meitner i njen nećak Otto Robert Frisch. Oni su 1939. pretpostavili da se uranij-235 hvatanjem sporog neutrona cijepa na dva fisijska fragmenta, jedan je atom barija, a drugi atom kriptona. Ovu nuklearnu reakciju pri kojoj se uranija-235 cijepa na dva približno jednaka fisijska fragmenta su nazvali nuklearna fisija. Oni su ukazali da su fragmenti nuklearne fisije vrlo nestabilni i da zbog odnosa neutrona i protona u njima, nastaje čitav niz beta-raspada. Utvrđeno je da se atomske mase fisijskih fragmenata nalaze u području s atomskom masom od 70 do 160, i da nuklearna fisija nije simetrična, pa se mase fisijskih fragmenata odnose u omjeru 2:3.
Krivulja prosječne energije vezanja po nukleonu
Nuklearni udarni presjek uranija-235 u ovisnosti od brzine ili energije (temperature) neutrona
Jedna od mogućih nuklearnih fisijskih lančanih reakcija: 1. Atom uranija-235 hvata spori neutron i raspada se na dva nova atoma (fisioni fragmenti – barij-141 i kripton-92), oslobađajući 3 nova neutrona i ogromnu količinu energije vezanja (200 MeV). 2. Jedan od tih neutrona bude uhvaćen od atoma uranija-238 i ne nastavlja reakciju. Drugi neutron napušta sustav bez da bude uhvaćen. Ipak, jedan od neutrona se sudara s novim atomom uranija-235, koji se raspada na dva nova atoma (fisioni fragmenti), oslobađajući 3 nova neutrona i ogromnu količinu energije vezanja (200 MeV). 3. Dva se neutrona sudaraju s dva atoma uranija-235 i svaki se raspada i nastavlja reakciju.
Produkti nuklearne fisije ili fisijski fragmenti se mogu podijeliti u dvije grupe, i to na laku grupu elemenata s atomskim brojem od 85 do 104 i tešku grupu elemenata s atomskim brojem od 130 do 149. Sporim neutronima se može izazvati nuklearna fisija uranija-235, ali ne i kod uranija-238. Nuklearna fisija uranija-235 se odvija na 30-tak načina. U vrlo kratkom vremenu od 10-12 sekunda atomska jezgra uranija-235 izbaci 2 do 3 neutrona. Ovi fisijski neutroni su brzi, ali kratkog života, manje od 10-14 sekundi. Osim fisijskih neutrona, nastaju i zakašnjeli neutroni, koje emitiraju fisijski fragmenti i njihovo vrijeme poluraspada je od 0,05 sekundi do 120 minuta. Iako zakašnjeli neutroni čine samo malen dio oko 0,65% svih oslobođenih neutrona, imaju presudnu ulogu za regulaciju nuklearnih reaktora.
Pomoću sporih (termičkih) neutrona ne nastaje nuklearna fisija samo kod uranija-235, već i kod uranija-233 i plutonija-239 (nuklearno gorivo). Nuklearne fisije su ostvarene i kod atomskih jezgri drugih teških elemenata, i to ne samo djelovanjem neutrona, već i sa nekim električki nabijenim česticama kao što su proton, deuterij i alfa-čestica, pomoću akceleratora čestica. Nuklearna fisija može nastati i djelovanjem gama-čestica, kao što su poznati primjeri bizmuta, olova, žive, zlata, platine i tantala.
Model tekuće kapljice atomske jezgre
Mehanizam nuklearne fisije objašnjava se teorijom nuklearne fisije, koju su iznijeli Niels Bohr i J.A.Wheeler 1939. , koju su je nazvali model tekuće kapljice atomske jezgre. Oni su pretpostavili da je djelovanje nuklearnih sila slično djelovanju privlačnih sila između molekula u kapljici vode, koja zauzima oblik kugle i suprostavlja se svojoj promjeni oblika. Kad u atomsku jezgru uranija-235 uleti spori neutron, on svoju energiju preda nukleonima u toj jezgri. Uslijed toga nastaje njihovo brže kretanje i jezgra uranija-235, koju treba promatrati kao kapljicu tekućine oblika kugle, prolazi kroz niz promjena stanja i oblika. Kapljica se najprije izdužuje u elipsoid (oblik jajeta). Ako u kapljici ne postoji dovoljna količina energije da se svlada sila napetosti površine, ona će poslije titranja zauzeti ponovno svoj sferni oblik. Ali pri dovoljnoj količini energije, sila koja vrši promjenu oblika izazvat će udubljivanje kapljice u sredini i kapljica će dobiti oblik sličan kao kikiriki. U tom slučaju, elektrostatička odbijajuća Coulombova sila može svladati rezidualnu jaku nuklearnu silu, pa će se kapljica rascijepiti u dva dijela, koja će biti izbačena u različitim smjerovima. Dva fisijska fragmenta će dobiti na kraju oblik kugle. Tako će nastati dva odvojena atomska jezgra različitih elemenata, koji će težiti stabilnijem stanju, pa će izbaciti jedan ili više neutrona.
Smatra se da nesimetrična priroda nuklearne fuzije nastaje zbog toga što se atomska jezgra sastoji od nekoliko slojeva. Pretpostavlja se da se simetrično cijepaju samo vanjski slojevi, a unutrašnji dio jezgre se uopće ne cijepa, nego izlijeće zajedno s jednom polovinom nukleona iz vanjskih slojeva. Fisioni fragmenti izlijeću velikom brzinom i zagrijavaju okolinu u kojoj nastaju.
Fisioni fragmenti uranija-235 zbog velikog broja neutrona, kojih je više nego u stabilnim izotopima elemenata, su vrlo nestabilni. Svi fisioni fragmenti su elektronski aktivni i poslije niza uzastopnih beta-raspada prelaze u stabilne izotope. To znači da svaki fisioni fragment ima svoj svojstveni radioaktivni niz. Pošto se pri emisiji beta-čestica mijenja atomska masa tog atoma, normalno je da se atomski broj takvog atoma povećava za jedan. Pri nuklearnoj fisiji uranija-235 otkriveno je preko 300 različitih aktivnih produkata fisije.
Kako pri nuklearnoj fisiji nastaje velik broj beta-čestica i gama-čestica, ova jaka radioaktivnost stvara zatrovanje (kontaminaciju), uslijed čega dolazi do oštećenja ljudskog organizma, koji su im izloženi. Zbog toga osoblje koje radi u nuklearnim reaktorima mora upotrebljavati zaštitna sredstva.
Svojstava nuklearne fisije
Nuklearna energija vezanja atomske jezgre
Nuklearna energija vezanja atomske jezgre je energija koja drži nukleone na okupu. Ta energija ima različite vrijednosti za različite jezgre, a raste s porastom masenog broja. Zbog takve razlike u energiji vezanja, neke su jezgre nestabilne i raspadaju se pretvarajući se u druge stabilnije jezgre. Učestalost raspada je povezana uz vrijeme poluraspada, koje se definira kao vrijeme koje je potrebno da se raspadne polovica jezgri nekog uzorka. Vrijeme poluraspada različitih jezgri može imati vrijednosti između dijelića sekunde pa sve do nekoliko milijardi godina.
Nuklearni udarni presjek
Nuklearni udarni presjek je vrlo važan pojam kojim se određuje iskoristljivost neke nuklearne reakcije ili vjerovatnost da dođe do sudara između neke ulazne čestice i atomske jezgre nekog atoma. Mjerna jedinica za nuklearni udarni presjek je 1 barn, a to iznosi 1 x 10-28 m2. Tako je na primjer nuklearni udarni presjek za uranij-235 i spore (termičke) neutrone 700 x 10-28 m2 ili 700 barna.
Nuklearna lančana reakcija
Nuklearna lančana reakcija nastaje uslijed samoodržanja nuklearne fisije, tako da fisijski neutroni, kojih je prosječno oko 2,5 po fisiji jedne jezgre, uzrokuju nove fisije. Samoodržanje nuklearne fisije može se ostvariti ako bar jedan od tih neutrona prouzroči novu fisiju u okolnim jezgrama. Tim procesom dolazi do kontinuiranog oslobađanja fisijske energije na kontrolirani način u posebnim uređajima koji se zovu nuklearni reaktori.
Temeljni princip lančane reakcije prilično je jednostavan. Atom uranija-235 apsorbira neutron, koji uzrokuje njegovo cijepanje. Pri cijepanju se oslobađa energija i u prosjeku dva do tri nova neutrona, koji mogu izazvati nova cijepanja. Taj se proces naziva nuklearnom lančanom reakcijom. U nuklearnom reaktoru proces lančane reakcije kontroliramo, jer od dva do tri novonastala neutrona pri cijepanju u prosjeku samo jedan uzrokuje novo cijepanje urana 235. U reaktoru se, dakle, odvija kontrolirana lančana reakcija.
Nakon cijepanja nastaju dvije vrste neutrona: fisijski i zakašnjeli. Fisijski neutroni se oslobađaju neposredno nakon cijepanja, a zakašnjeli kasnije, i to samo nakon raspada nekih fragmenata, odnosno njihovih potomaka. Iako zakašnjeli neutroni čine samo malen dio, oko 0,65% svih oslobođenih neutrona, imaju presudnu ulogu za regulaciju reaktora.
Svi fragmenti i većina njihovih potomaka radioaktivni su i raspadaju se. U prosjeku su do konačnoga stabilnog izotopa potrebna tri do četiri radioaktivna raspada. Većinom je riječ o beta- i gama-raspadu, pri čemu se oslobađaju beta-čestice, odnosno gama-zrake. Energija koja se oslobađa u tim raspadima naziva se zakašnjelom toplinom.
Za odvijanje lančane reakcije odlučne su dvije veličine: neutronski prinosk i trajanje fisijske generacijeτ u lančanoj reakciji. Trajanjem jedne fisijske generacije naziva se prosječno vrijeme između dviju uzastopnih fisija (da bi fisijski neutroni bili emitirani iz neke jezgre i dospjeli do drugih fisibilnih jezgara potrebno je neko vrijeme). Neutronski prinos k je omjer broja neutrona nastalih u fisijskom procesa prema broju neutrona nastalih u prethodnom fisijskom procesu. Lančana je reakcija nadkritična ako je k > 1, podkritična ako je k < 1. Ako je k = 1, lančana reakcija održava se trajno s istim brojem fisija u jediničnom obujmu. Kontrolom neutronskog prinosa kontrolira se broj neutrona, koriste se štapovi od kadmija koji se uvlače u reaktorsku jezgru i apsorbiraju neutrone.
