Jedrska fisija (jedrska cepitev): definicija, mehanizem in uporaba

Jedrska fisija je vrsta jedrske reakcije. Pri njej atom razpade na manjše atome. Pri nekaterih cepitvenih reakcijah se sprosti veliko energije, zato se uporabljajo v jedrskem orožju in jedrskih reaktorjih. Jedrsko cepitev sta decembra 1938 odkrila nemški jedrski kemik Otto Hahn in njegov pomočnik Fritz Strassmann v Berlinu. Pojasnitev mehanizma in teoretična razlaga sta kasneje nastali z delom Lise Meitner in Otto Frisch.

Atom je najmanjši delec, ki sestavlja kemijski element (npr. vodik, kisik, magnezij). Vsi atomi so zelo majhni. Atomi so sestavljeni iz treh sestavin ali delcev: protone, nevtrone in elektrone. Protoni in nevtroni so združeni v kroglico, imenovano jedro, ki je v središču vsakega atoma. Elektroni krožijo okoli jedra v "elektronskem oblaku". Elementi z velikimi jedri, kot sta uran in plutonij, se lahko cepijo.

Mehanizem fisije

Če (relativno) zelo veliko atomsko jedro zadene počasi premikajoči se nevtron, včasih postane nestabilno in razpade na dve manjši jedri (cepitvena produkta). Ko jedro razpade (ali se cepi), se sprosti energija, večinoma v obliki žarkov gama, kinetične energije cepilnih jeder (kar se pojavi kot toplota pri absorpciji) in nekaj dodatnih nevtronov, ki jih jedro iztisne. Ena posamezna cepitev običajno sprosti reda velikosti ~200 MeV energije (elektronvoltov), kar je majhna količina za atom, a ogromna, če se zgodi verižna reakcija v veliki množici jeder.

Spontana in inducirana fisija

Fisija je lahko:

• spontana — jedro se brez zunanjega sprožilca razcepi zaradi lastne nestabilnosti (to je redkejše pri težkih izotopih);
• inducirana — jedro zgrabi nevtron ali drug delec in zaradi dodane energije postane nestabilno ter se cepi (to je osnovni mehanizem v reaktorjih in bombah).

Verižna reakcija in kritičnost

Pri nekaj izotopih (atom z enako količino protonov, vendar različno količino nevtronov) se lahko pri taki cepitvi sprosti veliko nevtronov. Če ti nevtroni zadenejo druge atome, se ti razcepijo. To se lahko zgodi vedno znova. Temu pravimo jedrska verižna reakcija, pri kateri se lahko zelo hitro sprostijo ogromne količine energije.

Stanje verižne reakcije opisujemo z izrazom kritičnost:

• subkritično — reakcija upada (manj kot eden od sproščenih nevtronov povzroči novo cepitev);
• kritično — število cepitev ostaja konstantno (ena proti eni) in nastaja stalno oddajanje toplote, kar izkoriščajo reaktorji;
• superkritično — število cepitev raste eksponentno in lahko vodi do eksplozije (tak pristop uveljavijo v jedrskem orožju).

Količina energije, ki se sprosti pri jedrski verižni reakciji v eksploziji, se pogosto meri v kilotonah ali megatonah. En kiloton je enak energiji tisoč ton TNT (trinitrotoluena).

Ključni izotopi in materiali

Najpomembnejši cepilni (fissilni) izotopi so U-235 in Pu-239. Naravni uran vsebuje večinoma U-238 in le okoli 0,7 % U-235; zato ga za uporabo v mnogih reaktorjih ali bombah običajno obogatijo. U-238 ni neposredno fissilen, lahko pa absorbira nevtron in se preoblikuje v Pu-239 (proces imenovan 'breeding' ali razmnoževanje plutonija).

V reaktorjih so pomembni še naslednji materiali:

• moderatorji (upočasnjujejo nevtrone): voda, težka voda, grafit;
• kontrolne palice (absorbirajo nevtrone za uravnavanje verižne reakcije): bor, kadmij, hafnij;
• hladilna in toplotna tehnika (odvaja toploto iz goriva in jo prenaša v parno turbino ali druge uporabnike).

Uporaba fisije

Glavni načini uporabe jedrske fisije so:

• električna energija — v jedrskih reaktorjih sproščena toplota segreje vodo do pare, ki poganja parno turbino in proizvaja električno energijo. Reaktorji so zasnovani za dolgočasno, nadzorovano in varno sproščanje toplote (kritično stanje);
• vojaška uporaba — v jedrskih bombah mora verižna reakcija potekati zelo hitro in netridirno, da se doseže zelo velika eksplozija; hitro prehajanje v superkritično stanje povzroči sprostitev ogromne količine energije v delčku sekunde;
• industrija in medicina — radionuklidi, nastali kot produkti fisije ali proizvedeni v reaktorjih, se uporabljajo v medicini (diagnostika, terapija), industrijskih merjenjih in raziskavah.

Posledice in varnost

Fisija proizvede tudi radijske razpadne produkte (cepilna jedra), ki so pogosto zelo radioaktivni in imajo različne razpolovne čase. Ti produkti predstavljajo izziv pri ravnanju in shranjevanju jedrskih odpadkov. Glavne varnostne skrbi so:

• nadzor verižne reakcije in preprečevanje nezgod (npr. talitev jedrskega goriva);
• zaščita pred sevanjem in zavarovanje osebja ter okolja;
• upravljanje in dolgoročno shranjevanje radioaktivnih odpadkov;
• preprečevanje zlorab in širjenja fissilnih materialov za vojaške namene.

Zgodovinski in znanstveni pomen

Odkritje jedrske fisije je imelo ogromen vpliv na znanost, tehnologijo in geopolitiko. Poleg zgodnjega dela Otto Hahna in Fritza Strassmanna so znanstveniki, kot sta Lise Meitner in Otto Frisch, razložili fizikalni mehanizem cepitve. V letih po odkritju so se razvili tako reaktorski sistemi za proizvodnjo električne energije kot tudi jedrsko orožje, kar je privedlo do obsežnih raziskav, regulacij in mednarodnih sporazumov glede uporabe jedrske energije.

Če želite, lahko dodam poenostavljene diagrame mehanizma fisije, primer izračuna energije ene cepitve v joulih ali primerjalno razlago med fisijo in fuzijo.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je jedrska fisija?

V: Kdo je odkril jedrsko cepitev?

V: Iz česa so sestavljeni atomi?

V: Pri katerih elementih lahko pride do cepitve?

V: Kako pride do verižne reakcije pri jedrski cepitvi?

V: Kako se uporablja toplota, ki nastane pri jedrski cepitvi?

Išči po črki