Šta je fisija?
Fisija je cepanje velikog atomskog jezgra na dva manja jezgra.
Najpoznatiji primer je jezgro uranijuma U-235. Kada ga pogodi spori neutron, ono postaje U-236, koje je veoma nestabilno i u deliću sekunde se podeli na dva dela.
Najčešće nastaju jezgra:
- Barijum (Ba) sa masenim brojem oko 141,
- Krypton (Kr) sa masenim brojem oko 92.
Osim novih jezgara, oslobađa se:
- gama zračenje,
- 2–3 spora neutrona.
Ovaj proces se zove nuklearna fisija.
Zašto se jezgro cepa?
U jezgru deluju dve sile:
- Jaka nuklearna sila – privlači nukleone (protone i neutrone), ali samo na malom rastojanju.
- Kulonova sila – odbojna sila između protona, deluje na velikom rastojanju.
Kod velikih jezgara (kao U-235) odbojna sila protona postaje jača od privlačne sile, pa jezgro postaje nestabilno. Kada ga pogodi neutron, ravnoteža se naruši i jezgro se podeli.
Koliko energije se oslobađa?
Pri cepanju jezgra oslobađa se ogromna energija.
Za 1 kg U-235 energija fisije je oko 3 miliona puta veća od energije dobijene sagorevanjem 1 kg uglja!
Ta energija potiče od pretvaranja energije veze u kinetičku energiju delova jezgra: $ E = m \cdot c^2 $ gde je:
- $E$ – energija,
- $m$ – masa koja se pretvara u energiju,
- $c$ – brzina svetlosti ($c \approx 3 \cdot 10^8 , \text{m/s}$).
Lančana reakcija
Pri fisiji nastaju spori neutroni. Oni mogu pogoditi druga jezgra U-235 i izazvati novu fisiju.
Ako se to ponavlja, nastaje lančana reakcija.
Da bi se lančana reakcija održala, potrebno je da materijal ima kritičnu masu – dovoljno veliku količinu U-235 da neutroni ne „pobegnu“ iz komada.
- Podkritična masa – premalo materijala, reakcija se gasi.
- Kritična masa – reakcija se održava.
- Nadkritična masa – reakcija se odvija nekontrolisano.
Kontrolisana fisija – nuklearni reaktor
Ako se fisija kontroliše, energija se može koristiti za proizvodnju električne energije.
Nuklearni reaktor sadrži:
- gorivo (U-235 u obliku peleta),
- grafitne štapove (koji upijaju neutrone i regulišu brzinu reakcije),
- vodu (koja se greje i pretvara u paru),
- turbinu i generator (koji proizvode struju).
Proces:
- Fisija greje vodu.
- Voda se pretvara u paru pod pritiskom.
- Para pokreće turbinu → generator proizvodi struju.
- Para se hladi i vraća u reaktor.
Nekontrolisana fisija – nuklearna bomba
Ako se fisija ne kontroliše, oslobađa se sva energija odjednom – to je nuklearna eksplozija.
Bomba iz Hirošime 1945. godine koristila je:
- dve podkritične mase U-235,
- konvencionalni eksploziv da ih spoji u nadkritičnu masu,
- izvor sporih neutrona za pokretanje reakcije.
Rezultat: ogromna eksplozija i radioaktivni otpad.
Zaključak
Fisija je proces koji može biti:
- koristan – u nuklearnim elektranama za proizvodnju čiste energije,
- opasan – u nuklearnom oružju i zbog radioaktivnog otpada.
Zato je važno da se fisija koristi odgovorno i bezbedno.