Nuklearna fisija je cepanje teškog jezgra na dva manja, pri čemu nastaju radioaktivni otpad, jonizujuće zračenje i ogromna količina energije.
Cepanje velikih jezgara
Video čas
Kako nastaje fisija?
Kada jezgro $^{235}\text{U}$ apsorbuje spori neutron, ono postaje $^{236}\text{U}$, koje je veoma nestabilno. U deliću sekunde jezgro se podeli na dva manja jezgra, na primer:
$ ^{235}\text{U} + n \longrightarrow ^{141}\text{Ba} + ^{92}\text{Kr} + 3n + \gamma $
Pored novih jezgara, oslobađa se gama zračenje i 2–3 spora neutrona. Ovaj proces nazivamo nuklearna fisija.
Zašto se jezgro cepa?
U jezgru deluju dve sile:
- Jaka nuklearna sila – privlači nukleone (protone i neutrone), ali ima kratak domet.
- Kulonova sila – odbojna sila između protona, ima veliki domet.
Kod velikih jezgara, odbojna Kulonova sila postaje dominantna, pa jezgro postaje nestabilno. Kada se jezgro podeli, jaka sila prestaje da deluje između delova, a Kulonova sila ih snažno odbija, ubrzavajući ih do velikih brzina. Energija veze se pretvara u kinetičku energiju fragmenata, što se na makroskopskom nivou manifestuje kao toplota.
Energetski prinos
Količina energije oslobođena fisijom 1 kg $^{235}\text{U}$ je oko 3 miliona puta veća od energije dobijene sagorevanjem 1 kg uglja! Zato se fisija koristi za proizvodnju električne energije.
Lančana reakcija
Spori neutroni nastali u fisiji mogu izazvati fisiju drugih jezgara $^{235}\text{U}$. Ako se broj fisija povećava geometrijskom progresijom, govorimo o lančanoj reakciji.
Da bi se lančana reakcija održala, potrebno je da materijal ima kritičnu masu – minimalnu količinu goriva koja omogućava da dovoljno neutrona ostane u materijalu. Ako je masa manja, reakcija se gasi (podkritična masa). Ako je masa veća od kritične, reakcija postaje samoodrživa (nadkritična masa).
Kontrolisana fisija – nuklearni reaktor
U nuklearnim elektranama fisija se kontroliše pomoću grafitnih štapova, koji upijaju neutrone i regulišu brzinu reakcije. Energija oslobođena fisijom greje vodu, stvara paru koja pokreće turbinu i generator električne energije. Reaktor je smešten u zaštitno kućište od betona i čelika.
Nekontrolisana fisija – nuklearna bomba
Ako se fisija odvija nekontrolisano, oslobađa se ogromna energija u obliku eksplozije. Nuklearna bomba koristi dve podkritične mase uranijuma koje se spajaju u nadkritičnu masu, uz izvor sporih neutrona koji iniciraju reakciju.