Una fissio nuclear es una reaccio nuclear mitjancant la qual un nucli atomic pesant es divideix en dos o mes nuclis lleugers i potser altres subproductes, generalment neutrons i fotons , sovint en forma de raigs gamma . La fissio pot ser una reaccio molt exotermica que alliberi una quantitat substancial d' energia , tant en forma de radiacio electromagnetica com en forma d' energia cinetica , que escalfa el material on es produeix. Aquesta energia estava previament emmagatzemada com a energia d'enllac forta entre els nucleons. La fissio nuclear es una forma de transmutacio ates que els fragments que es produeixen son elements diferents de l'original.

La fissio es pot fer de diverses formes. Generalment hom bombardeja el nucli amb un neutro de l'energia adequada. Aquest neutro lliure es absorbit pel nucli, que esdeve inestable i es divideix en diverses peces ( productes de fissio ). Aquestes peces generalment consisteixen en dos nuclis mes lleugers, dos o tres neutrons lliures i alguns fotons. La fissio nuclear tambe es pot induir pel bombardeig amb protons, altres nuclis, o fotons molt energetics. En alguns elements, la fissio nuclear pot fins i tot esdevenir de manera espontania. La fissio nuclear es tant mes facil com mes pesant sigui el nucli atomic original. Els elements mes habituals per produir fissio son l' urani i el plutoni .

A la fissio de l'urani 235 es produeixen uns 925 mega watts d' energia . A cada fissio es despren un nombre mitja de 2,42 neutrons de fissio per a una energia neutronica de 0,025 electro-volts ( neutrons lents ), o 2'07 neutrons de mitjana per a cada fissio (i majors per a energies neutroniques una mica majors). L'energia cinetica dels neutrons obtinguts per fissio es de l'ordre de dos electro-volts . Mes del 99% dels neutrons produits son instantanis i la resta son neutrons retardats . Tanmateix els productes que genera la fissio nuclear son radioactius i continuen actius durant milers d'anys, cosa que fa que el tractament dels residus radioactius sigui un problema important a considerar. La preocupacio per l'acumulacio i el tractament dels residus nuclears i tambe per l'efecte destructiu de les armes nuclears s'oposen als avantatges de l' energia nuclear obtinguda a centrals nuclears com a font d' energia primaria i han fet sorgir un debat politic i social sobre la seva conveniencia.

Historia [ modifica ]

La fissio nuclear en cadena no es habitual a la naturalesa, fins al 1972 es va descobrir aquest fenomen a uns diposits de mineral a Oklo ( Gabon ), tot i que havia estat postulat per Paul Kuroda el 1956 . ^[1] El fisic frances Francis Perrin va descobrir a la regio d'Oklo setze llocs on fa uns dos milions d'anys s'hauria produit una fissio nuclear autosostinguda a gran escala. Aquest proces s'hauria basat en l'urani natural i la reaccio hauria estat moderada per l' aigua corrent, aixo va ser possible perque llavors l'urani natural era mes ric que ara en l'isotop fissil U-235, al voltant del 3%, que avui dia, que conte nomes un 0,7% i cal que sigui enriquit (fins al 3%) per tal de poder ser utilitzat als reactors nuclears que utilitzen aigua lleugera .

Descoberta de la fissio artificial [ modifica ]

Ernest Rutherford va ser el primer a trencar un atom el 1917 , ^[2] el seu equip va bombardejar nitrogen amb particules alfa naturals procedents d'un material radioactiu, observant l'emissio d'un proto amb una energia mes gran que la de la particula alfa. El 1932 els seus estudiants John Cockcroft i Ernest Walton , treballant sota la seva direccio, van intentar de trencar els nuclis amb mitjans artificials, utilitzant un accelerador de particules per bombardejar liti amb protons produint dos nuclis d' heli . ^[3]

Despres que el 1932 el fisic James Chadwick va descobrir els neutrons, ^[4] el 1934 Enrico Fermi i els seus col·legues van estudiar a Roma els resultats de bombardejar urani amb neutrons, essent els primers a fer-ho pero els resultats no van ser interpretats correctament fins alguns anys mes tard. ^[5] La primera persona que va mencionar la idea de la fissio nuclear va ser Ida Noddack el 1934. ^[6]

Despres de la publicacio dels treballs de Fermi, a Alemanya Lise Meitner , Otto Hahn i Fritz Strassmann van comencar a dur a terme experiments similars. Meitner era una jueva austriaca i el 1938 va perdre la seva nacionalitat a causa de l' Anschluss , per aixo va haver de fugir a Suecia des d'on va continuar col·laborant per correu i amb reunions amb Hahn a Suecia. Per una causalitat el nebot de Meitner, Otto Robert Frisch , tambe refugiat, era a Suecia quan va rebre una carta de Hahn descrivint alguns dels productes que resultaven de bombardejar urani amb neutrons, obtenien bari i no radi (el bari te al voltant del 60% el pes atomic de l'urani). Frisch es va mostrar esceptic sobre la fiabilitat dels resultats pero Meitner confiava en la capacitat de Hahn com a quimic. Marie Curie havia separat el bari del radi durant molts anys i les tecniques eren ben conegudes.

El desembre del 1938 Otto Hahn i el seu assistent Fritz Strassmann que treballaven al Kaiser-Wilhelm-Institut fur Chemie de Berlin van enviar un manuscrit a la revista cientifica Die Naturwissenschaften (Ciencies Naturals) on informaven que havien detectat l'element bari despres de bombardejar urani amb neutrons. ^[7] De manera simultania van comunicar els seus resultats a Lise Meitner, que juntament amb Otto Robert Frisch, va interpretar els resultats correctament com una fissio nuclear. ^[8] Frisch va confirmar els resultats experimentalment el 13 de gener del 1939. ^[9] El 1944 Hahn va rebre el Premi Nobel de Quimica pel descobriment de la fissio nuclear. Pero alguns historiadors que han documentat la historia del descobriment pensen que Meitner tambe havia d'haver estat premiada amb el Nobel conjuntament amb Hahn. ^{[10] [11] [12]}

El 16 de gener del 1939 Niels Bohr va arribar als Estats Units per passar uns mesos a la Universitat de Princeton, poc abans de la serva marxa de Dinamarca dos dels seus col·legues, Lise Meitner i Otto Frisch , l'havien fet coneixedor de la seva hipotesi segons la que l'absorcio d'un neutro per un nucli d'urani provocaria la seva escissio en dues parts aproximadament iguals i l'alliberament d'una enorme quantitat d'energia. Van anomenar el fenomen fissio nuclear . Aquesta hipotesi es basava sobre la descoberta d'Otto Hahn i Fritz Strassmann que demostrava que en bombardejar urani amb neutrons s'obtenia un isotop del bari i que havia estat publicada a la revista Die Naturwissenschaften de la Max-Planck-Gesellschaft .

Bohr havia promes de guardar el secret de la interpretacio de Lise Meitner i Otto Frisch fins que publiquessin un article per tal d'assegurar la paternitat de la descoberta, pero a bord del vaixell que el portava als Estats Units en va parlar amb Leon Rosenfeld sense demanar-li de respectar el secret. A la seva arribada Rosenfeld ho va comentar amb els fisics de Princeton i la noticia es va expandir arribant a fisics com Enrico Fermi de la Universitat de Columbia. Les converses entre Fermi, John Ray Dunning i George Braxton Pegram els va conduir a la recerca a Columbia sobre les radiacions ionitzants produides pels fragments de nuclis d'urani obtinguts despres de la fissio .

El 26 de gener del 1939 va haver una conferencia de fisica teorica a Washington DC organitzada conjuntament per la Universitat George Washington i la Carnegie Institution for Science . Fermi va deixar Nova York per participar en la conferencia abans del comencament d'experiments sobre la fissio a Columbia. Bohr i Fermi van discutir sobre el problema de la fissio en particular Fermi va apuntar la possibilitat que durant el proces es poguessin emetre neutrons. Tot i que nomes era una hipotesi, les seves consequencies, la possibilitat d'una reaccio en cadena, eren evidents. Abans d'acabar la conferencia ja s'havien publicat nombrosos articles sobre el tema i es van comencar a desenvolupar experiments per confirmar la tesi de la fissio del nucli.

El 15 de febrer del 1939, a la Physical Review ^[13] quatre laboratoris anunciaren resultats positius: Universitat de Columbia, Carnegie Institution de Washington, Universitat Johns-Hopkins i Universitat de California. En aquest moment Bohr coneixia experiencies similars al seu laboratori de Copenhaguen cap al 15 de gener (carta d'Otto Frisch a la revista Nature , datada el 16 de gener del 1939 i publicada al numero del 18 de febrer ^[14] ). A partir d'aquest moment les publicacions sobre la fissio nuclear serien molt frequents.

A Paris , l'equip de Frederic Joliot-Curie va descobrir que es produien neutrons secundaris durant la fissio de l'urani, fent viable una reaccio en cadena. La quantitat d'uns dos neutrons emesos durant la fissio de l'urani va ser verificada independentment per Leo Szilard i Walter Henry Zinn . El nombre de neutrons emesos durant la fissio de l'urani 235 va ser fixat en 3,5 per fissio, i mes tard corregit a 2,6, per Frederic Joliot-Curie , Hans von Halban i Lew Kowarski .

Descripcio [ modifica ]

A la fissio nuclear, quan un nucli de material fissil (que es pot fissionar amb neutrons de qualsevol energia cinetica) o fissionable (que nomes es fissiona amb neutrons d'alta energia cinetica, anomenats neutrons rapids) absorbeix un neutro es fissiona produint dos o mes nuclis mes petits i un nombre variable de nous neutrons. Els isotops produits per aquesta reaccio son radioactius perque posseixen un exces de neutrons i pateixen a una cadena de desintegracio beta fins a arribar a una configuracio estable. Durant la fissio es produeixen habitualment entre 2 i 3 neutrons rapids lliures.

L'energia total alliberada per la fissio d'un nucli d'urani 235 es de 211 MeV , una immensa quantitat donada per la formula:

${\displaystyle E=M_{U^{235}+n}~c^{2}-M_{P}~c^{2}}$

on la primera massa es la massa del nucli d'urani 235 i del neutro incident, la segona massa es la suma de les masses dels nuclis i neutrons produits i c es la velocitat de la llum en de buit (299.792.458 m/s). Per aixo en aquest fenomen una part de la massa inicial i es converteix en energia en diverses formes, la major part (uns 167 MeV) en energia cinetica dels fragments pesants produits durant la reaccio. Al voltant d'11 MeV son transportats pels neutrins emesos en el moment de la fissio, mentre que l'energia realment explotable en forma de calor es d'uns 200 MeV per cada fissio. En un proces comu de combustio , l' oxidacio d'un atom de carboni proporciona una energia al voltant de 4 eV, una energia que es menys de cinquanta milionesimes de la produida a la reaccio de fissio nuclear.

Els nous neutrons que es produeixen poden ser absorbits pels nuclis dels atoms d'urani 235 veins: si aixo passa es pot produir una nova fissio d'un nucli. Si el nombre de neutrons que donen lloc a la noves fissions es major que 1 tindrem una reaccio en cadena , on el nombre de fissions augmentara de forma exponencial, si el nombre es igual a 1, tindrem una reaccio estable, en aquest cas parla de massa critica . La massa critica es, doncs, aquella concentracio i disposicio dels atoms amb nuclis fissils necessaris perque la reaccio en cadena es mantingui estable i sense variacions en el nombre de neutrons en el sistema. Si es canvia aquesta disposicio, llavors el nombre de neutrons absorbits pot caure, en aquest cas la reaccio s'atura, o pot augmentar, llavors la reaccio augmenta exponencialment.

Podem escriure:

${\displaystyle K={\frac {\mathrm {neutrons\ presents\ en\ una\ generaci{\acute {o}}} }{\mathrm {neutrons\ de\ la\ generaci{\acute {o}}\ precedent} }}}$

si la disposicio es tal que te un coeficient de multiplicacio K > 1, llavors el nombre de neutrons augmenta, si K < 1 disminueix, mentre que si K = 1, el nombre de neutrons que es mante estable i es parla de massa critica . La quantitat K es defineix en fisica de reactors factor de multiplicacio efectiu i es crucial per al control del reactor.

La fissio nuclear es el proces sobre el que es basa el funcionament dels reactors de fissio nuclear i de les bombes atomiques (millor dit, nuclears). Si per als reactors nuclears del valor de K no hauria de superar mai el valor de la unitat si no es per un valor molt baix (com quan s'augmenta la potencia del reactor i llavors pot arribar a K = 1,005), en canvi, en el cas de les armes nuclears el valor de K ha de ser tan alt com sigui possible i pot arribar a K = 1'2.

L'urani es troba a la natura com una barreja de dos isotops: urani 238 i urani 235 en una proporcio de 150 a 1, per la qual cosa l'urani 235 es nomes el 0,7% de la quantitat total d'urani, i nomes aquest ultim es fissil. El proces de l' enriquiment de l'urani consisteix a augmentar el percentatge en massa d'urani 235 a costa de l'urani 238 per tal de poder disposar d'un nombre de nuclis fissils prou gran per fer funcionar el reactor. L'enriquiment varia entre el 3% i el 5%, pero per construir una bomba nuclear arriba fins al 90%. La presencia d'impureses i dels atoms d'urani 238 a la reaccio fan que nomes una part dels neutrons emesos sigui absorbida per nuclis fissils, la mateixa funcio fan als reactors unes barres especials que estan dissenyades amb materials que absorbeixen neutrons per controlar la reaccio en cadena.

El fenomen [ modifica ]

Hi ha dos tipus de fissio: la fissio espontania i la fissio induida. La materia fissil es aquella que disposa de nuclis fissils, aquells que tenen un nombre atomic superior o igual a 98, tots formen part de la serie dels actinids .

Fissio espontania [ modifica ]

El fenomen de la fissio espontania va ser descobert el 1940 pels fisics sovietics Giorgi Nikolaievitx Fliorov (Гео?ргий Никола?евич Флёров) i Konstantin Petrzhak (Константин Антонович Петржак) ^{[15] [16]} treballant amb nuclis d' urani 238.

Es parla de fissio nuclear espontania quan un nucli es desintegra en diversos fragments sense que hi hagi l'absorcio previa d'una particula . Aquest tipus de fissio nomes es possible en el cas dels nuclis extremadament pesants perque l'energia d'enllac per nucleo es mes petita que per al cas dels nuclis mitjanament pesants que se'n formen.

L'urani 235 (present a la natura en una petita proporcio) i especialment el californi 252 son dos exemples de nuclis espontaniament fissils. ^[17]

Fissio induida [ modifica ]

La fissio induida es produeix quan un nucli pesant captura una altra particula, habitualment un neutro, i el nucli aixi compost es desintegra en diversos fragments mes petits. La fissio induida de l'urani 235 per absorcio d'un neutro es la reaccio d'aquest tipus mes coneguda, es desenvolupa d'aquesta manera:

${\displaystyle {}_{92}^{235}\mathrm {U} +{}_{0}^{1}n\rightarrow {}_{92}^{236}\mathrm {U} \rightarrow X+Y+k~{}_{0}^{1}n}$

on X i Y son dos nuclis mitjanament pesants i generalment radioactius que reben el nom de productes de la fissio .

D'aquesta manera la fissio d'un nucli d'urani 235 pot donar dos productes de fissio, el cripto i el bari acompanyats de tres neutrons:

${\displaystyle {}_{92}^{235}\mathrm {U} +{}_{0}^{1}n\rightarrow {}_{36}^{93}\mathrm {Kr} +{}_{56}^{140}\mathrm {Ba} +3~{}_{0}^{1}n}$

Les fission induides mes utilitzades son les de l' urani -235, l'urani 238 i el plutoni -239.

Balanc de neutrons [ modifica ]

Durant la fissio s'emeten uns neutrons rapids, tambe anomenats neutrons promptes . Mes tard, despres de l'emissio d'aquests neutrons promptes, els productes de la fissio comencen a desintegrar-se per un proces de desintegracio beta i per l'emissio de neutrons despres de les desintegracions beta. Ates que aquests altres neutrons son alliberats despres de neutrons rapids, reben el nom de neutrons retardats . Aquests darrers neutrons representen menys de l'u per cent del total de neutrons produits de mitjana a les reaccions de fissio de l'urani.

La probabilitat que un neutro fissioni un nucli fissil depen de la seva energia. Per tal que el neutro fissioni un nucli d'urani i no sigui absorbit per ell, sense produir fissio, cal que el neutro sigui mes lent del que van a la natura habitualment, pero amb una velocitat similar a la que van els neutrons retardats. Aquests neutrons, tambe anomenats neutrons termics i que s'usen als reactors nuclears termics, tenen una energia aproximada de 0'025 electro-volts . En el cas de l'urani radioactiu (urani 235) hi ha una mitjana de 2'07 d'aquests neutrons per cada absorcio, sigui per captura o fissio, i 2'42 neutrons de mitjana a cada fissio. Aquests valors poden ser una mica majors per a valors majors de l'energia cinetica del neutro. Per al control d'un reactor nuclear es important saber que els seus periodes de semidesintegracio estan compresos entre 0'2 i 55 segons.

L' aigua , el beril·li metal·lic i el grafit son materials moderadors s'utilitzen per alentir els neutrons en certs tipus de reactors. Els neutrons col·lideixen amb aquestes molecules petites i van perdent energia a cada una d'elles. Aixi, el moderador d'un reactor nuclear fa augmentar el nombre de neutrons lents, i per tant el nombre de fissions nuclears, cosa que fa augmentar la potencia de la central nuclear.

La taula seguent mostra el nombre de neutrons alliberats de mitjana per cada fissio causada per un neutro termic per a cada tipus de nucli considerat:

Tipus de nucli	Nombre mig de neutrons alliberats
${\displaystyle {}_{}^{233}\mathrm {U} }$	2,49
${\displaystyle {}_{}^{235}\mathrm {U} }$	2,42
${\displaystyle {}_{}^{238}\mathrm {U} }$	? *
Urani natural	2,48
${\displaystyle {}_{}^{239}\mathrm {Pu} }$	2,90
${\displaystyle {}_{}^{241}\mathrm {Pu} }$	3,00

* L'urani 238 nomes es fissil per neutrons rapids.
Cal ressaltar que els isotops d'urani (U) i plutoni (Pu) fissils per neutrons termics tenen masses atomiques imparells.

Repartiment de les masses als productes de fissio [ modifica ]

La distribucio de la massa als productes de fissio segueix una distribucio bimodal , amb dos maxims. Mes d'un centenar de nuclids diferents poden ser alliberats durant la fissio de l'urani. Tots aquests nuclids tenen un nombre atomic entre Z=33 i Z=59. La fissio crea nuclis de nombre massic (nombre de nucleons) al voltant de A=95 ( brom , cripto , zirconi ) per a un dels fragments i A=139 ( iode , xeno , bari ) per l'altre.

Un repartiment simetric (A=118 per l'urani 235) de les masses dels productes de fissio (0,1% de les fissions) o una fissio en tres fragments (fissio ternaria, 0,005% de les fissions) son molt rares.

Balanc energetic [ modifica ]

Cada nucli d'urani 235 sotmes a la fissio allibera energia i, per tant, calor. L'origen d'aquesta energia troba la seva explicacio en el balanc d'energies entre el nucli inicial i els dos nuclis produits: els protons d'un mateix nucli es repel·leixen vigorosament a causa de les seves carregues electroestatiques , mes com mes elevat sigui el seu nombre ( model de la gota liquida ), l'energia corresponent creix mes rapid que la proporcio del nombre de protons. La fissio es tradueix en un alliberament d'energia, que es transmet principalment als productes de fissio i els neutrons en forma d' energia cinetica , que rapidament es transforma en calor

La taula seguent resumeix el balanc energetic de la fissio de l'urani 235:

Procedencia	Energia (M eV )
Energia cinetica dels productes de fissio	168
Neutrins	10
Energia de les particules beta	7
Energia gamma instantania	7
Energia gamma dels productes de fissio	6
Energia dels neutrons	5
Total	203

Es pot aproximar que per a una fissio d'urani 235 s'obtenen uns dos-cents mega watts d'energia, es a dir uns 32 · 10 ^-12 joules o, cosa que es el mateix, que es pot obtenir un joule d'energia amb 3'1 · 10¹? fissions. Aixo significa que amb un quilogram d'urani 235 pur fissionat obtindriem idealment uns 925 megawatts.

El calor produit durant la fissio de nuclis fissils d' urani -235 es pot utilitzar per convertir l'aigua liquida en vapor a pressio, que permetra accionar una turbina , que aixi produeix energia mecanica que en passar per un alternador , es transforma en electricitat . Aquesta es la tecnologia basica en la que es basen les centrals nuclears utilitzades per a generar electricitat. Cal recordar que a cada proces i a cada transformacio energetica es produeixen perdues d'aquesta que es dissipa en forma de calor no aprofitable.

Massa critica [ modifica ]

No hi ha prou que el factor multiplicador dels neutrons sigui mes gran que la unitat per tal que s'inicii la reaccio en cadena. D'una banda els neutrons son inestables i es poden desintegrat, pero aixo te poca importancia perque el seu temps de vida mig es de gairebe un quart d'hora, pero sobretot el problema es que poder sortir del medi on es pot produir la reaccio en cadena. Es necessari que tinguin una col·lisio abans de sortir d'aquest medi, d'altra manera no participaran en la reaccio en cadena. Aixo comporta que el gruix mitja del medi fissil ha de ser prou gran per assegurar un probabilitat suficient de que els neutrons trobin un nucli fissil en el seu cami. El que porta a la nocio de massa critica de la materia fissil, que seria una massa per sota de la qual no es tindria prou neutrons, sigui quina sigui la forma de la carrega fissil, per tal de mantenir la reaccio. Aixo explica per que no es poden fer minireactors nuclears o minibombes atomiques.

Residus de la reaccio [ modifica ]

Els atoms amb un nombre massic major tenen mes neutrons en el seu nucli que aquells que tenen menor nombre massic, per aixo un proces de fissio produeix fragments de fissio amb un gran nombre de neutrons; per tant aquests isotops han de patir un proces de desintegracio beta prou vegades com per esdevenir estables. El temps de desintegracio d'aquests elements depen del tipus de nucli produit i pot variar des d'uns pocs mil·lisegons fins a desenes d' anys . Totes les reaccions de fissio produeixen isotops radioactius i alguns d'aquests romanen actius durant molt de temps.

Reactors nuclears de fissio [ modifica ]

Reactors termics [ modifica ]

Les reaccions de fissio de l'urani 235 es produeixen als reactors nuclears anomenats termics , en presencia d'un gran nombre de nuclis d'urani 238, que absorbeixen una part dels neutrons transformant-se en urani 239, que rapidament pateix dues desintegracions beta esdevenint plutoni -239, que te un temps de desintegracio molt mes llarg (al voltant de 24.000 anys). D'aquesta manera les reaccions de fissio produeixen moltes substancies radioactives extremadament perilloses, pero mentre molts dels residus produits per la fissio es desintegren en unes poques decades, el plutoni resta radioactiu durant un temps que a escala humana es practicament etern.

Reactors rapids [ modifica ]

Una altra manera d'abordar el problema de la produccio de plutoni, a mes de l'us de MOX als termics, podria ser la construccio de reactors de neutrons rapids on a mes de la fissio de l'urani 235 tambe ho fa una part del plutoni-240 format per la fertilitzacio de l'urani 238. Un consorci italia, frances i alemany va desenvolupar el primer i per ara unic exemple d'un reactor comercial d'aquest tipus, el Superphenix a Creys-Mepieu ( Isera , Roine-Alps ), que es refreda amb sodi liquid.

Aquest projecte ha estat abandonat a causa dels costos economics i els problemes tecnologics de la utilitzacio del sodi. A mes, els reactors rapids consumeixen mes combustible i son per tant menys sostenibles ; i amb la tecnologia actual tenen importants problemes propis no nomes de residus i mediambientals sino tambe de seguretat .

Vegeu tambe [ modifica ]

• Central nuclear
• Reactor de fissio : reactors termics i reactors rapids
• Bomba atomica

Referencies [ modifica ]

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimedia relatiu a: Fissio nuclear