Fisiune nucleară
În fisiunea nucleară, un nucleu greu se separă în două fragmente principale, de obicei cu emiterea mai multor neutroni și cu o eliberare mare de energie. Energia nu apare pur și simplu pentru că nucleul „se rupe”: produsele sunt, în medie, mai strâns legate pe nucleon și au o masă de repaus totală mai mică.
De la captarea neutronului la două fragmente
Un nucleu fisionabil, precum uraniul-235, poate captura un neutron și forma un nucleu compus excitat. Excitația permite o deformare puternică; dacă deformarea crește suficient, nucleul se poate separa în două părți principale. Fisiunea nu produce o singură pereche de nuclee fiice, ci o distribuție de mase ale fragmentelor. În fiecare eveniment trebuie însă conservate, în ansamblu, numărul de nucleoni, sarcina electrică, energia și impulsul.
De unde provin aproximativ 200 MeV
Nucleele de masă medie au o energie de legătură pe nucleon mai mare decât nucleele foarte grele. După fisiune, masa de repaus totală a fragmentelor, neutronilor și celorlalte produse este așadar puțin mai mică decât masa inițială. Diferența de masă devine energie prin Q = Δmc². O fisiune tipică a ²³⁵U eliberează de ordinul a 200 MeV, în principal ca energie cinetică a fragmentelor grele; restul apare în neutroni, fotoni gamma și dezintegrări radioactive ulterioare.
De ce neutronii pot susține o reacție în lanț
O fisiune emite de regulă mai mulți neutroni. Unii ies din sistem sau sunt absorbiți fără să provoace fisiune, iar alții declanșează un eveniment nou. Factorul efectiv de multiplicare k rezumă bilanțul mediu între generații: pentru k<1 lanțul se stinge, la k=1 rămâne staționar în medie, iar pentru k>1 crește. În fizica reactorilor, „critic” înseamnă deci k≈1, nu „exploziv”. Geometria, scăpările de neutroni, absorbția și moderarea controlează valoarea reală a lui k.
Modifică valoarea — rezultatul se actualizează imediat.
Componente prompte și întârziate
Majoritatea neutronilor de fisiune sunt emiși prompt, practic imediat. O fracțiune mică apare mai târziu din dezintegrarea unor produși radioactivi de fisiune. Acești neutroni întârziați sunt esențiali pentru controlul reactorului, deoarece măresc mult timpul caracteristic al răspunsului. Fragmentele sunt adesea bogate în neutroni și continuă cu dezintegrări beta și tranziții gamma. Energia totală de fisiune se eliberează astfel pe mai multe scări de timp.
Exemple rezolvate
1. Verificarea unei ecuații nucleare
Pentru ²³⁵U + n → ¹⁴¹Ba + ⁹²Kr + 3n, verifică A și Z.
Soluție
Numerele de masă însumează 236 pe ambele părți, iar numerele atomice însumează 92. Ecuația trece verificarea de bază a conservării lui A și Z.
2. Interpretarea lui k
Ce înseamnă k = 0,97?
Soluție
Fiecare generație produce în medie mai puține fisiuni succesoare, astfel că lanțul se stinge dacă sistemul nu este modificat.
3. Sursa energiei
Energia este creată prin „ruperea unei legături nucleare“?
Soluție
Nu. Produsele au masă de repaus totală mai mică și legătură mai puternică pe nucleon; defectul de masă apare ca energie eliberată.