Физика

за сваког по нешто

Нуклеарна фисија

Преузми Word документ

Атомска језгра и елементарне честице проучавају се на основу анализе ефеката који се јављају при њиховим интеракцијама – сударима.  При судару теже честице су обично у стању мировања (мета), а лакше у облику снопа убрзаних честица налећу на

Нуклеарна енергија је енергија која се ослобађа из атомског језгра. Контролисане нуклеарне реакције у којима се ослобађа нуклеарна енергија користе се у реакторима за добијање електричне енергије. У нуклеарној ланчаној реакцији се производи енергија која се користи за грејање воде како би се произвела пара која касније покреће парну турбину. Турбина се може користити за механички рад као и за производњу електричне енергије.

Основни услови који морају да се испуне да би се нуклеарне рекције користиле за добијање енергије су:

  • реакција мора да буде егзотермна;
  • супстанце које учествују у реакцијама морају да буду присутне у довољним количинима;
  • реакција мора да буде остварљива у макроскопским условима.

Могућа су два нуклерна процеса:

  • цепање или фисија тешких језгара на неколико лакших;
  • спајање или фузија лакших језгара у једно тешко.

 

 

НУКЛЕАРНА ФИСИЈА

Фисија је процес цепања ( деобе ) тешког атомског језгра при чему се део масе тог језгра претвара у енергију.

Спонтана фисија се јавља веома ретко. Постоје процеси-нуклеарне реакције који могу да изазову цепање језгра.

Цепање језгра не може да се изврши електронима јер су поред осталог веома мале масе. Протони имају довољну масу, али су позитивно наелектрисани па их језгро одбија ( пошто је и оно позитивно наелектрисано).  Да би се језгро могло разбити протонима, они треба да имају велику брзину, што уноси посебне потешкоће.

За цепање језгра најпогоднији су неутрони, јер су електронеутрални и имају довољно велику масу. Разбијање језгра најбоље се постиже спорим неутронима. Зато се неутрони претходно пропуштају кроз супстанцију која их успорава. Ови успоривачи неутрона називају се модератори. То су најчешће графит, тешка или обична вода.

Цепање је последица бомбардовања језгра неутроном, при чему долази до захвата неутрона. Последица је да језгро прелази у јако нестабилно стање које изазива његову деобу на најчешће два или ретко на три мања и неједнака језгра, при чему бива емитовано 2  до 3  неутрона и велика количина енергије у виду свих електромагнетних таласа, али највише у виду \gamma – зрака.

 

Фисији нису склона сва тешка језгра. Од оних која се најчешће употребљавају су:  уран-235, плутонијум-239 и торијум-232.

Пример – фисије уранијума-235 онако како се она реално дешава:

_{92}^{235}U+_{0}^{1}n\rightarrow _{57}^{150}La+_{35}^{83}Ba+3\cdot _{0}^{1}n+E

_{92}^{235}U+_{0}^{1}n\rightarrow _{55}^{140}Cs+_{37}^{94}Ba+2\cdot _{0}^{1}n+E

Оно што је ову реакцију учинило употребљивом за производњу енергије је емисија неколико неутрона који могу изазвати нова цепања и тако отпочети ланчану реакцију, која омогућава да овај процес када се једном започне траје све док има језгара за нова цепања.

Неутрони који су изашли из првог разбијеног језгра погађају друга и изазивају њихово цепање. Затим неутрони из ових језгара ударају у суседне и тд. Тако настаје ланчана реакција. Ова реакција је врло брза. Цепање језгара атома садржаних у 1kg U235 изврши се за неколико милионитих дела секунде.

За одржавање ланчане реакције, осим успоравања неутрона, потребно је да се обезбеди и довољна количина фисионе супстанце (U235), јер би у супротном неутрони излетали напоље и ланац би се прекинуо. Та минимална маса фисионе супстанце, која омогућава ланчану реакцију, назива се критична маса. Она није константна, већ зависи од врсте урана, релативне количине модератора и присуства примеса које апсорбују неутроне. Ако је маса мања од критичне, неутрони се губе већом брзином него што се надокнађују фисијом, па ланчана реакција не може да се одржи.

Ослобођена енергија је огромна: при цепању једног језгра урана oслобађа се енергија око 200 МеV (1eV=1,6 10-19J).

Када је реакција ланчана, онда се дешава огроман број цепања језгара, па се добија велика енергија.

Неутрони који одржавају ланчану реакцију у реакцији фисије су природно врло брзи, па их је потребно успорити, али такође и смањити њихов број да не би дошло до неконтролисаног убрзавања реакције, које би на крају довело до експлозије нуклеарног реактора. За успоравање неутрона  служе тешка вода, графит и нека једињења берилијума, а за апсорпцију вишка неутрона служе бор и кадмијум. Међутим ланчана реакција може почети и да се гаси, па због тога у реакторима постоје огледала за враћање неутрона у фисионо гориво. Ова рефлектори неутрона су обично од берилијума.

У атомској бомби успоравање и апсорпција неутрона се не врше, али се зато користе рефлектори неутрона.

 

 


Додатак:

 

 

 

 Акцелератори честица Нуклеарни реактори