Nuklearna fisija
Nuklearna fisija dijeli tešku jezgru na dva glavna fragmenta, obično uz emisiju nekoliko neutrona i veliko oslobađanje energije. Energija ne nastaje jednostavno zato što se jezgra raspukne: produkti su prosječno jače vezani po nukleonu od vrlo teške početne jezgre, pa konačni sustav ima manju masu mirovanja.
Od uhvata neutrona do fragmenata
Fisibilna jezgra, primjerice uran-235, može zahvatiti neutron i stvoriti pobuđenu složenu jezgru. Pobuđenje omogućuje deformaciju, a nakon prelaska fisijske barijere sustav se razdvaja na dva glavna fragmenta. Ne nastaje samo jedan određeni par produkata; mjeri se raspodjela masa i naboja fragmenata.
Moraju se očuvati broj nukleona, električni naboj, energija i količina gibanja. Osnovna provjera jednadžbe zato uspoređuje A i Z s obje strane, a potpuna bilanca uključuje i kinetičku energiju, gama fotone, neutrone te pobuđenje fragmenata.
Odakle približno 200 MeV
Jezgre srednjih masa imaju veću energiju vezanja po nukleonu nego vrlo teške jezgre. Produkti fisije zato imaju nešto manju ukupnu masu mirovanja od početnog sustava. Razlika se pojavljuje kao Q = Δmc².
Tipična fisija urana-235 oslobađa energiju reda 200 MeV. Najveći dio jest kinetička energija teških fragmenata, a dodatne dijelove nose neutroni, promptno gama zračenje i kasniji radioaktivni raspadi produkata.
Provjeri faktor umnažanja
Zašto neutroni mogu održavati lanac
Jedna fisija obično oslobodi nekoliko neutrona. Neki pobjegnu, neki se apsorbiraju bez nove fisije, a drugi izazovu sljedeće događaje. Efektivni faktor umnažanja k sažima prosječnu ravnotežu između generacija.
Za k < 1 lanac slabi, pri k = 1 prosječno je stalan, a pri k > 1 raste. Kritično zato matematički znači k = 1 i nije sinonim za eksploziju. Stvarna vrijednost k ovisi o geometriji, sastavu, energijama neutrona i gubicima.
Promptni i zakašnjeli neutroni
Većina fisijskih neutrona nastaje gotovo trenutačno. Mali dio pojavljuje se kasnije u radioaktivnim pretvorbama određenih fisijskih produkata. Zakašnjelih neutrona je malo, ali bitno produljuju vremenski odziv kontroliranog sustava.
Fragmenti su često bogati neutronima i nakon početne fisije nastavljaju beta i gama raspadima. Energija oslobođena s odgodom dio je potpune bilance i objašnjava zaostalu toplinu fisijskih produkata.
Energetika i fisijska barijera
Pozitivan Q znači da konačno stanje ima nižu energiju mirovanja, ali ne znači da će se svaka teška jezgra cijepati nakon hvatanja bilo kojeg neutrona. Važni su nuklearna struktura, energija pobuđenja i visina fisijske barijere.
Neki nuklidi mogu se cijepati toplinskim neutronima, dok drugi zahtijevaju brze neutrone. Razlika proizlazi iz energetike i strukture jezgre, a ne iz jednostavnog pravila da se velika jezgra uvijek lako cijepa.
Riješeni primjeri
1. Bilanca A i Z
Rješenje
Za ²³⁵U + n → ¹⁴¹Ba + ⁹²Kr + 3n dobiva se A = 236 s obje strane i Z = 92. Jednadžba prolazi provjeru očuvanja A i Z.
2. Značenje k = 0,97
Rješenje
Budući da je k < 1, svaka generacija izaziva manje sljedećih fisija. Lanac zamire.
3. Izvor energije
Rješenje
Produkti imaju veću energiju vezanja po nukleonu i manju ukupnu masu mirovanja.