Pregled jedna obr. tema
Nuklearna fisija
Autor: webmaster - , Administrator škole , Procitano: 16898 puta
Web Autora ... Sve obrazovne teme ovog autora .... Web skole ... 13.03.2005

NUKLEARNA FISIJA

Durdica Dev─Źi─ç

I. gimnazija Split

ZAŠTO NUKLEARNA FISIJA

 

                   Nuklearna fisija ima posebno mjesto u fizici, jer pripada onim otkri─çima koja su obilje┼żila i promijenila
svijet. Od 1939 g. nakon otkri─ça Hahnn-a i Strassmann-a po─Źinje novo poglavlje povijesti, nuklearna era.
Uz fisiju su, od otkri─ça do danas, vezane brojne dvojbe. Iz atomske jezgre je oslobodena ogromna
koli─Źina energije koja je iznenadila i same znanstvenike. Ta energija je omogu─çila napredak i boljitak civilizacije
i ubla┼żila energetsku krizu. S druge strane ona je postala razorno oru┼żje koje je uni┼ítilo stotine tisu─ça
ljudskih ┼żivota i trajno ozra─Źilo velika podru─Źja. Fisija u modernom svijetu izaziva strah od havarija, radijacije
i kontaminacije. Tako ova fizikalna tema otvara brojne aspekte: ekolo┼íki, energetski, ekonomski, povijesni, eti─Źki
i politi─Źki, koji su medusobno isprepleteni.

          U ovom predavanju nastoji se sa┼żeto izlo┼żiti najbitnije fizikalne zakonitosti i ─Źinjenice na kojima se temelji
reakcija fisije. U─Źenicima se time nudi fizikalna baza na koju mogu nadogradivati svoja ┼íkolska i izvan┼íkolska
znanja, te formirati pravilan pristup ovoj problematici, temeljem kojeg ─çe u budu─çnosti mo─çi kompetentno
i odgovorno graditi stavove i donositi odluke vezane za radioaktivnost.

          U─Źenici u pravilu pokazuju interes za ovu tematiku.Njihova brojna pitanja bila su poticaj ovom predavanju
i putokaz u odabiru sadr┼żaja.

REAKCIJA FISIJE

 

          Nuklearna fisija ili fisija atomske jezgre predstavlja cijepanje te┼íke atomske jezgre pod utjecajem neutrona
na dva, a vrlo rijetko i tri  lak┼ía fragmenta, 2-3  sekundarna neutrona, nekoliko elektrona i neutrina,
uz oslobadanje velike koli─Źine energije od oko 200 MeV-a.

Reakcija se mo┼że prikazati slijede─çom op─çom jednad┼żbom.


  

    235                1                                 A1              A2                                       1

          U   +       n                              X   +        Y    +    (  2  -  3 )     n    +    E 

       92                  0                                     Z1                 Z2                                           0

       

Dakle, jezgra urana zahva─ça neutron, prelazi u pobudeno stanje i po─Źinje vibrirati, pri ─Źemu  se  toliko deformira,  da se u jednom trenutku,  poput kapljice teku─çine, podijeli na dvije lak┼íe jezgre koje odgovaraju energetski povoljnijem stanju. Proces fisije  se odvija  vrlo brzo,u  vremenskom intervalu od l0    s pod utjecajem
jake nuklearne sile.

Ovo je veoma neobi─Źna reakcija u kojoj  mali, niskoenergetski projektil pogada metu 235 puta ve─çe mase,
gotovo je trenutno prepolovi i  iz nje oslobodi ogromnu energiju.


PRIMARNI NEUTRONI

Neutroni su ─Źestice koje najlak┼íe izazivaju nuklearne reakcije. Zbog svoje elektri─Źne neutralnosti ne moraju
svladavati elektrostatsku potencijalnu barijeru jezgre, te relativno malim brzinama i energijama  dopiru do zone djelovanja  jake nuklearne sile, ulaze u jezgru, i iniciraju nuklearnu reakciju.

Primarni neutroni izazivaju fisiju, a sekundarni neutroni nastaju nakon fisije. Prema kineti─Źkim
energijama primarni neutroni se dijele na neutrone niske, srednje i visoke enegrije, tj. spore, intermedijarne i brze. Neutroni niske energije imaju brzine koje odgovaraju brzinama termi─Źkog gibanja molekula plina, pa se zovu
termalni neutroni. Energija termi─Źkog gibanja je reda veli─Źine kT ( 1/100 eV ), tj. izmedu 0.025 eV i 0.4 eV.
Brzi neutroni imaju energije ve─çe od 1 MeV-a, a inermedijarnim neutronima pripadaju energije izmedu  1 eV i  1 MeV

Osim neutrona fisiju mogu izazvati protoni, deuteroni i alfa ─Źestice, ako se prethodno ubrzaju u akceleratoru i tako postignu dovoljno velike energije. Fisija se mo┼że izazvati gama zra─Źenjem  (fotofisija) i laserskim snopom.

Fisija te┼íkih elemenata se mo┼że dogoditi i bez induciranja, dakle spontano. Zanimljivo je da je spontana fisija otkrivena nakon inducirane, 1940 godine na uranu, a kasnije i na drugim te┼íkim jezgrama. Najpoznatiji prirodni fisijski reaktor u kome se fisija spontano dogada ve─ç 2 milijarde godina je rudnik Okla u Gabonu.Zbog male brzine reakcije i male vjerojatnosti dogadanja spontana fisija nema ve─çeg zna─Źaja.

FISIBILNE JEZGRE
Relativno mali broj jezgri podlije┼że fisiji. Neke jezgre se cijepaju pod utjecajem sporih, a neke pod utjecajem brzih
neutrona.  Fisija sporim neutronima dogada se na U-235 (prirodni izotop urana), U-233 ( umjetni izotop ) i  Pu-239 ( umjetni izotop).  Fisija se mo┼że dogoditi i na U-238  i  Th-232, ali samo sa vrlo brzim neutronima. Fisiji podlije┼żu i svi transuranski elementi, dakle elementi sa rednim brojem ve─çim od 92.  Medutim, u komercijalne svrhe za fisiju se koriste samo U-235, U-233  i  Pu ÔÇô239

URAN              

Uran je najte┼żi element koji se u prirodi mo┼że na─çi. Otkriven je 1789 godine, a ime je dobio prema, u to
doba otkrivenom, planetu Uranu. Sastavni je dio Zemljine kore, gradi stotinjak minerala, ali u malim
koncentracijama Dobrom uranovom rudom smatra se ona koja sadr┼żi vi┼íe od 0.1% urana.

            Najpoznatija svjetska nalazi┼íta su u Kongu, Kanadi i Ee┼íkoj. U Hrvatskoj je uranska mineralizacija
nadena na Papuku, ali bez gospodarske va┼żnosti, te u istarskim rudnicima Ra┼ía. Pepeo termoelektrane Plomin
sadr┼żi nekoliko stotina grama urana po toni i predstavlja potencijalu (siroma┼ínu) nuklearnu sirovinu.

            Naj─Źe┼í─çi uranov mineral je uraninit, ili uranov smolinac, ili pehblenda. Po kemijskom sastavu to je uranov
oksid U3O8. Upravo ovu rudu  ( iz Ee┼íke ) je koristila M. Curie i u njoj otkrila dva nova elementa, Ra i Po.
Preradila je rukama 11 tona rude i izvela nekoliko tisu─ça kristalizacija, te je nakon 12 godina mukotrpnog rada
izdvojila kapljicu ─Źistog metalnog Ra mase 8,5 mg.

            Prirodni uran je mje┼íavina tri izotopa.To su:

U-238    99.285%      T1/2 = 4.5 milijarde godina
U-235      0.710%       T1/2 = 0.71 milijarde godina
U-234      0.005%      T1/2 = 2400 godina


Prirodni uran sadr┼żi 149 puta vi┼íe U-238 nego U-235, tj od  150 atoma  samo je jedan atom

U-235, dok su ostali atomi U-238. 

Sva tri izotopa su  a emiteri slabe radioaktivnosti. 

Pored ova tri prirodna ,poznato je jo┼í 13 umjetnih izotopa urana, od kojih najve─çu va┼żnost ima
fisibilni U-233  koji se koristi kao nuklearno gorivo.
Zanimljivo je da se U-233 ne dobija iz rude urana ve─ç iz  torijeve rude.

Rezerve torija u prirodi su ─Źak 4 puta ve─çe od rezervi urana. Izotop  Th-232 (jedini prirodni izotop torija) se
bombardira neutronima te se pretvara u te┼żi  izotop Th-233 :


 

                         232                   1                                233                0

                        Th    +       n                           Th   +    γ   

                        90                     0                                  90                0

 

 

                        233              β-               233               β-             233                 

                         Th                        Pa                         U

                          90           23.5 min        91            27.4 d            92


Th-233 je β- radioaktivan i preko protaktinija se pretvara u U-233.Ovom nuklearnom reakcijom se torij koji nije
fisibilan materijal pretvara u fisibilni uran.
Proces u kome se nefisibilni materijal pretvara u fisibilni zove se nuklearna konverzija, a materijal koji daje
fisibilne izotope oplodni materijal.U-233 je α emiter sa vremenom poluraspada 162000 god.

Oboga─çivanje urana

Ako se za fisiju koristi ruda urana potrebno je prethodno preraditi i pripremiti rudu za proces lan─Źane reakcije.Prva faza postupka je koncentriranje rude, odnosno odvajanje uranovih spojeva od ostalih spojeva prisutnih u rudi.Rezultat je uranov koncentrat koji se zbog svog oblika i boje zoveÔÇŁ┼żuti kola─ŹÔÇŁ i sadr┼żi 60-70% urana u obliku UO2.

Druga faza obrade je postupak oboga─çivanja  rude izotopom 235.Pokusi su pokazali da reakcija fisije mo┼że
te─çi lan─Źano samo ako je sadr┼żaj U-235 u rudi ve─çi od 3%.To zna─Źi da je iz uranove rude potrebno separirati
U-238 da bi se koncentracija U-235 pove─çala.Ovaj postupak je tehnolo┼íki vrlo slo┼żen i skup, jer izotopi urana
235 i 238 imaju identi─Źna kemijska svojstva, a po atomskim masama se razlikuju samo za 1.5 %. Naj─çe┼í─çe se
koristi metoda plinske difuzije UF6  (plinovitog i otrovnog uranovog heksafluorida). Nakon procesa flotacije
dobija se tzv. oboga─çeni uran u kome je postotak U-235 iznad 3%.Ovisno o sadr┼żaju U-235 razlikujemo:slabo
oboga─çeni uran (3%-5%), srednje oboga─çeni uran (5%-30%) i jako oboga─çeni uran (vi┼íe od 30%)  .
 

U procesu oboga─çivanja urana nastaju velike koli─Źine otpada koje se mjere stotinama tisu─ça tona.Taj se
otpad zove osiroma┼íeni uran.U njemu je postotak U-235 manji  od 0.3%, dakle dvostruko manji nego
u prirodnoj rudi, dok je postotak U-238 povećan na 99.7%.Osiromašeni uran je osiromašen uranom 235,
a oboga─çen uranom 238. 

            U skladu sa trendovima recikliranja osiroma┼íeni uran se koristi u brojnim tehnolo┼íkim procesima poput
glaziranja boja, legiranja ─Źelika, kataliziranja,izrade utega za razne instrumente, balastiranja  zrakoplova, a u vojsci
za oklopljivanje tenkova i oja─Źavanje municije. Prema ameri─Źkim podacima takva je municija prvi put kori┼ítena u
Zaljevskom ratu 1991. god i to oko 300 t streliva sa osiromašenim uranom, zatim iznad Kosova oko 10 t i u
Bosni, u zoni oko Sarajeva, oko 3 tone.

            Aktivnost osiroma┼íenog urana je za 40% manja od aktivnosti prirodnog urana. Unato─Ź smanjenom radiolo┼íkom djelovanju, osiroma┼íeni uran je kao i svi te┼íki metali izuzetno kemotoksi─Źan. Une┼íen u organizam, on slijedi metaboli─Źke puteve kalcija te se deponira i retenira u kostima, bubrezima i plu─çima.

Jedna od mogu─çih shema oboga─çivanja urana:



PLUTONIJ

Plutonij je transuranski element, koji ne postoji u prirodi. Prvi put je izdvojen 1942 godine. Plutonij ima l5 izotopa (232-246) i svi su radioaktivni,  fisibilni su Pu-239 i Pu-241, a komercijalnoj uporabi je Pu-239.

Plutonij se danas smatra najboljim nuklearnim gorivom, jer je njegova sklonost ka cjepanju pomo─çu sporih neutrona ve─ça nego U-235 .Pu-239 se dobija iz U-238. U-238 ozra─Źen sporim neutronima se pona┼ía potpuno razli─Źito od U-235. Dok se U-235 cjepa na fragmente, dakle podlije┼że fisiji, U-238 apsorbira neutrone, pretvara se u nestabilni izotop U-239, te se kroz dva uzastopna β- raspada pretvara u Pu. To se svojstvo U-238 koristi za dobivanje Pu.

Pu-239 se α raspadom sa vremenom poluraspada od 24360 godina pretvara u U-235, pa  se zbog dugog vremena poluraspada mo┼że smatrati  stabilnim izotopom.

slika1

slika2




             Nuklearni reaktori koji slu┼że za proizvodnju plutonija zovu se brideri ili oplodni reaktori  (breeder-oplodiva─Ź). U njima se odvija vrlo  zanimljiva nuklearna reakcija.

Zahvaljujući toj reakciji brideri proizvode više goriva nego što potroše,a uz to oslobadaju energiju.

slika5


Gorivo je mje┼íavina Pu-239 i U-238.Reakcija zapo─Źinje fisijom plutonija.Neki neutroni nastali fisijom pogadaju jezgre U-238 koje se pretvaraju u U-239, a zatim dvostrukim β- raspadom prelaze u Pu-239.Drugi pa

Pocetna strana