4.1 FIZIKA NEK-a - Fisija

Generiranje toplinske energije se u reaktorskoj jezgri postiže lančanom reakcijom fisije. Fisija je nuklearna reakcija cijepanja jezgre atoma na dva dijela (fisijski produkti ili fragmenti) pri čemu se oslobađa velika količina toplinske energije. Kod nekih teških jezgara (jezgre s velikim atomskim brojem) fisija se odvija spontano, kao oblik radioaktivnog raspada (Pu240). No, najčešće se pod pojmom fisije smatra raspad pobuđene jezgre na dva dijela. Jezgru u pobuđeno stanje dovodi uhvat (apsorpcija) neutrona. Stanje pobuđenosti najlakše je postići kod jezgara U233, U235 i Pu239 i Pu241kod kojih uhvat sporih neutrona dovodi jezgru u stanje pobuđenja koje je dovoljno za izazivanje fisije. Simbolički se reakcija fisije U235 može prikazati kao: n + U235 ® Ba140 + Kr94 + 2n   ® Ba139 + Kr94 + 3n   ® Cs137 + Rb96 + 3n To su samo neki od mogućih načina raspada pobuđene jezgre U235.

Jezgra atoma (nuklid) sastoji se od protona i neutrona, poznatih pod zajedničkim nazivom nukleoni. Mase su im gotovo identične (mp = 1,672623×10-27 kg = 1,007825 AJM; mn = 1,674928 ×10-27 kg = 1,008665 AJM - u literaturi se susrećemo i s oznakom u za atomsku jedinicu mase), no proton je pozitivno nabijena čestica, dok je neutron neutralna čestica. Pa ako jezgru zamislimo kao grozd nukleona, jasno je da mora postojati jaka privlačna sila između pojedinih čestica kako bi se nadvladala jaka sila odbijanja (Coulombova sila) između istoimenih naboja. Tu silu nazivamo nuklearna sila i po jačini se smatra najjačom silom u prirodi, no izuzetno je kratkog dosega djelovanja. Jedna od najvažnijih karakteristika jezgre je njezina masa. Ta je masa manja od zbroja masa sastojaka. Ovaj defekt mase složene jezgre posljedica je oslobađanja energije pri vezanju nukleona u jezgri. Ako energiju vezanja označimo s B onda možemo pisati relaciju: Na dijagramu je prikazana specifična energija vezanja (energija vezanja po nukleonu B/A) kao funkcija broja nukleona. Specifična energija vezanja kreće se za većinu jezgara od 7,5 - 8,8 MeV-a po nukleonu. Najveću energiju vezanja ima jezgra Fe56 (oko 8,7 MeV po nukleonu), koji je i najstabilniji nuklid u periodičkom sustavu elemenata. Ne postoji točna teoretska formula koja opisuje dati dijagram, ali postoji poluempirička Weizsaeckerova formula oblika: gdje su: a1 = 15,7 MeV a2 = 17,8 MeV a3 = 0,711 MeV a4 = 23,7 MeV a5 = 11,18 MeV   ZADATAK 1 Upotrebom Weizsaeckerove formule odredite energiju vezanja po nukleonu za 26Fe56 i usporedite je s eksperimentalno utvrđenom vrijednošću. Eksperimentalnu vrijednost energije vezanja odredite preko defekta mase, ako je poznato da je eksperimentalno određena masa jezgre 26Fe56 55,934939 AJM. Rješenje!   Iz toka krivulje može se uočiti mogućnost dobivanja energije procesom nuklearne fisije, odnosno cijepanjem jezgre u dva dijela. Energija se dobija u fisiji ako je ukupna masa dviju jezgara nastalih fisijom manja od mase početne jezgre. Ako zbog jednostavnosti uzmemo da su novonastale jezgre jednake, možemo pisati da je energija fisije odnosno, uvrštenjem izraza za energiju vezanja Energija se u fisiji dobiva ako je prosječna energija vezanja u jezgri nastaloj fisijom veća od prosječne energije vezanja u početnoj jezgri. Kako je taj uvjet ispunjen ako se početna i konačne jezgre nalaze na padajućem dijelu krivulje (A>60), može se očekivati i spontano cijepanje jezgara, kao oblik prijelaza u stanje niže energije. Spontana fisija postoji, no proces je spor. Kada se jezgri dovede energija (primjerice apsorpcijom neutrona) proces fisije se ubrzava. Naime, jezgra se slično kao i elektroni u elektronskom plaštu, može nalaziti u osnovnom i pobuđenom stanju. Ako primjerice, jezgra U235 uhvati (apsorbira) spori neutron (neutron zanemarive kinetičke energije) nastaje jezgra U236. Neutron s ulaskom u jezgru oslobađa svoju energiju veze, pa je zbog toga jezgra U236 u pobuđenom stanju. Energiju veze koja se oslobađa zahvatom neutrona u nuklidu U235 možemo izračunati kao razliku energija veze U236 i U235 odnosno kao: Ako jezgru zamislimo u obliku kapljice, onda njezini pobuđeno stanje možemo shvatiti kao "izduženje" kapljice (jezgre) zbog vibracija nukleona. Ako su te oscilacije dovoljno velike, odnosno ako je energija pobuđenja dovoljna, dolazi do cijepanja jezgre na dva dijela. Proračuni pokazuju da je granična energija vibracija, odnosno aktivacijska energija za fisiju To znači da je energija pobuđenja U236 nastalog uhvatom neutrona na jezgri U235 (6,72 MeV) veća od aktivacijske energije U236 (6,6 MeV), odnosno dovoljna za izazivanje fisije. Vremenski interval između uhvata neutrona i fisije iznosi oko 10-15 s.

Uhvatom sporog neutrona na U238 nastaje U239 čija pobuđena energija iznosi 4,807 MeV-a što je nedovoljno za izazivanje fisije. S druge pak strane, uhvat brzog neutrona (Ek > 1,5 MeV) može dovesti do fisije, jer tada neutron unosi i svoju kinetičku energiju u pobuđenje jezgre. Vjerojatnost uhvata brzog neutrona na jezgri U238 je otprilike 3 reda veličine manja od vjerojatnosti uhvata sporog neutrona na jezgri U235.

Prosječna energija dobivena fisijom U235 iznosi oko 200 MeV. Ta je energija raspoređena na čestice koje nastaju u procesu fisije na slijedeći način:   Generirana energija (MeV) Iskoristiva energija (MeV) Fisijski produkti 168 168 Raspad fisijskih produkata:     b-zrake 8 8 g-zrake 7 7 neutrino 12 - Promptne g-zrake 7 7 Ek fisijskih neutrona 5 5 Sekundarne g-zrake - 3 UKUPNO 207 198 Najveći dio energije dobivene fisijom manifestira se kao kinetička energija fisijskih produkata. Ta se energija u sudarima fisijskih produkata s materijalom obloge gorivne šipke pretvara u toplinsku energiju. Kako se jezgra U235 može cijepati na 30 do 40 različitih načina u proizvodima fisije može se naći 60 do 80 različitih fisijskih produkata. Na slici je prikazana zastupljenost fisijskih produkata u ovisnosti o njihovom masenom broju. Jezgra urana najčešće se cijepa na dva fragmenta čije je odnos masenog broja 2:3.

webmaster