Fissió nuclear
La fissió nuclear divideix un nucli pesant en dos fragments principals, normalment acompanyats de diversos neutrons i d’una gran alliberació d’energia. L’energia no apareix simplement perquè el nucli “es trenca”: els productes queden, de mitjana, més fortament lligats per nucleó.
De la captura d’un neutró a dos fragments
Un nucli fissible com l’urani-235 pot capturar un neutró i formar un nucli compost excitat. La deformació creix fins que el nucli se separa. La fissió no produeix una única parella de nuclis fills: existeix una distribució de masses de fragments i també d’energies cinètiques.
La càrrega i el nombre de nucleons es conserven en cada canal. Els fragments neixen molt excitats i poden emetre neutrons promptes i fotons gamma abans de continuar cap a nuclis més estables mitjançant desintegracions posteriors.
D’on surten aproximadament 200 MeV
El balanç energètic s’escriu amb el valor Q: Q = (minicial − mfinal)c². Per a moltes fissions de nuclis pesants, Q és de l’ordre de 200 MeV. La major part apareix com a energia cinètica dels fragments; la resta es reparteix entre neutrons, gamma i desintegracions dels productes.
La corba d’energia d’enllaç per nucleó explica la direcció del procés. Els nuclis de massa intermèdia estan, en general, més fortament lligats per nucleó que un nucli molt pesant. La disminució de massa en repòs del sistema és exactament la contrapartida de l’energia alliberada.
Per què els neutrons poden sostenir una cadena
Cada fissió pot alliberar més d’un neutró capaç d’induir una altra fissió. El factor de multiplicació k resumeix el balanç: si k<1 la cadena s’apaga; si k=1 es manté estacionària; si k>1 creix. “Crític” significa k=1, no pas “a punt d’explotar”.
El valor de k depèn de quants neutrons es produeixen, quants escapen, quants s’absorbeixen sense causar fissió i amb quina probabilitat els neutrons restants indueixen una fissió. Per això la geometria, la composició i l’espectre d’energia dels neutrons importen.
Components promptes i retardats
La major part dels neutrons apareix gairebé immediatament després de la fissió. Una fracció petita és emesa més tard per determinats productes de fissió. Aquests neutrons retardats són poc nombrosos però canvien decisivament l’escala temporal amb què pot controlar-se una reacció en cadena.
L’energia també arriba en etapes: moviment dels fragments i radiació prompta, seguit de desintegracions beta i gamma dels productes. Un balanç complet ha d’especificar quin interval temporal i quins productes inclou.
Exemples resolts
1. Conservació de nucleons i càrrega
Solució
En ²³⁵U + n → ¹⁴¹Ba + ⁹²Kr + 3n, el nombre màssic és 236 a tots dos costats: 235+1 = 141+92+3. La càrrega també es conserva: 92 = 56+36.
2. Què significa k = 0,97?
Solució
Com que k<1, cada generació produeix menys neutrons efectius que l’anterior. La cadena decau; no és una reacció autosostinguda estacionària.
3. Origen de l’energia
Solució
Els productes tenen una massa en repòs total menor i, de mitjana, una energia d’enllaç per nucleó més gran. La diferència de massa dóna l’energia alliberada mitjançant Q=Δmc².