SEMINARSKI RAD

Nuklearna fisija

Izradio: Miljenko Božičević Pregledao:

__________________ __________________

(potpis) (potpis)

2

Sadržaj:

1. Uvod ................................................................................................................................................ 3

2. Otkriće fisije ..................................................................................................................................... 4

3. Mehanizam fisije ............................................................................................................................. 5

4. Produkti fisije ....................................................................................................................................... 6

5. Energija fisije....................................................................................................................................... 7

6. Karakteristike fisije ............................................................................................................................ 12

7. Lančana reakcija ................................................................................................................................ 14

8. Kritična masa u lančanoj reakciji ....................................................................................................... 16

9.Uran .................................................................................................................................................... 17

9.1 Obogaćivanje urana ..................................................................................................................... 18

10. Literatura ......................................................................................................................................... 20

3

1. Uvod

Nuklearna fisija ima posebno mjesto u energetici, jer pripada onim

otkrićima koja su obilježila i promijenila svijet. Od 1939 g. nakon otkrića

Hahnn-a i Strassmann-a počinje novo poglavlje povijesti, nuklearna era.

Uz fisiju su, od otkrića do danas, vezane brojne dvojbe. Iz atomske jezgre

je oslobođena ogromna količina energije koja je iznenadila i same

znanstvenike. Ta energija je omogućila napredak i boljitak civilizacije i

ublažila energetsku krizu. S druge strane ona je postala razorno oružje.

Nuklearna fisija je raspad velikih atomskih jezgri na manje elemente. To

se može dogoditi spontano (radioaktivni raspad) ili izazvati kolizijom sa

slobodnim neutronima. Spontana fisija nastaje uslijed činjenice da je valna

funkcija velikih jezgri „neodređenija (fuzzier)“ od valne funkcije sitnih

čestica kao što su alfa čestice. Princip neodređenosti kaže da, ponekad, alfa

čestica (2 protona i 2 neutrona) mogu tunelirati izvan jezgre i pobjeći.

Inducirana (izazvana) fisija se događa kada slobodni neutron udari u

jezgru i deformira je. Prema zakonima klasične fizike, jezgra bi se samo

deformirala. Međutim, prema zakonima kvantne fizike postoji konačna

vjerojatnost da deformirana jezgra tunelira u dvije nove jezgre i u tom

procesu oslobodi neutrone, na taj način izaziva se lančana reakcija.

Raspolaganje s energijom velike koncentracije omogućuje izgradnju

kompaktnih izvora energije koja sadrže malu masu nuklearnog goriva i

ekonomičnu primjenu takvih izvora energije u energetici.

4

2. Otkriće fisije

S otkrićem neutrona (neutron je 1932. godine otkrio engleski fizičar

Chadwick) dobiven je djelotvoran projektil za izazivanje nuklearnih

reakcija. Ta čestica, naime, nema električnog naboja i zbog tog lako

penetrira u atomske jezgre.

Fisija je otkrivena tijekom eksperimenata sa transuranskim elementima.

Te je pokuse započeo E. Fermi sa suradnicima 1934. g. nakon otkrića

neutrona. U nekim pokusima, među jezgrama nastalim nakon ozračivanja

urana neutronima pronađeni su elementi relativno malih masa.

Tako su Curie i Joliot pronašli lantan, a O. Hahnn i F. Strassman barij,

cerij i lantan. Oni su početkom 1939.g. objavili rezultate svojih

istraživanja i ukazali nemogućnost cijepanja jezgre urana.

L. Meitner i O. Frish iste godine daju objašnjenje procesa i predlažu

naziv fisija, a N. Bohr i A. Wheeler daju teoriju fisije. 1942. g. potvrđena

je mogućnost lančane reakcije i temeljem te ideje sagrađen je u

Chicagu prvi nuklearni reaktor pod vodstvom E. Fermia.

Početkom drugog svjetskog rata istraživanja na tom području

postaju tajna. Nuklearna energija je prvih desetak godina korištena

isključivo u vojne svrhe, za izradu nuklearnog oružja.

Početkom drugog svjetskog rata istraživanja na tom području

postaju tajna.

5

3. Mehanizam fisije

Nuklearna fisija ili fisija atomske jezgre predstavlja cijepanje teške

atomske jezgre pod utjecajem neutrona na dva, a vrlo rijetko i 3 lakša

fragmenta, 2-3 sekundarna neutrona, nekoliko elektrona i neutrina uz

oslobađanje velike količine energije od oko 200 MeV.

Jezgra urana apsorbira neutron i nastaje jezgra 234

U* u pobuđenom

stanju koja zivi 10-12

sekundi a nakon toga se raspada na dvije jezgre

X i Y (fisioni argumenti) i na 2-3 neutrona.

235

U + n 236

U* X+Y + neutroni

Ovo je veoma neobična reakcija u kojoj mali, niskoenergetski

projektil pogađa metu 235 puta veće mase, gotovo je trenutno prepolovi i

iz nje oslobodi ogromnu energiju.

Slika 1. Atom uranija 235

U zahvaća neutron i raspada se na

dva nova atoma pritom oslobađajući 3 nova neutrona te

ogromnu količinu energije (200MeV).

6

4. Produkti fisije

Teška jezgra se u procesu fisije cijepa na dva lakša fragmenta čiji su

omjeri masa 3:2 te se nalaze u sredini periodnog sustava.

Međutim,ne postoje dva određena elementa koji bi bili stalni i jedini

produkti fisije,odnosno ne postoji dinamička zakonitost ,koja bi sa

sigurnošću mogla predvidti koji će elementi nastati fisijom.

Postoji oko 50 različitih načina i puteva kojima se fisija može odvijati. To

su tzv. kanali fisije. Za svaki kanal postoji, pri zadanim uvjetima, određena

vjerojatnost, ali ona općenito ne prelazi 8%.

Pri fisiji urana nastaje više od 100 izotopa, od oko 40 elemenata,čiji se

maseni brojevi kreću od 72 do 161.

Evo nekoliko mogućih reakcijskih kanala:

Svi fragmenti fisije su radioaktivni, jer svi imaju višak neutrona.

7

5. Energija fisije

Energija oslobođena fisijom samo jedne uranove jezgre iznosi oko 200

MeV-a. Ona se raspodjeljuje približno na slijedeći način:

Kinetička energija fisijskih fragmenata 169 MeV-a

Energija sekundarnih neutrona 5 MeV-a

Energija β zračenja 7 MeV-a

Energija γ zračenja 7 MeV-a

Energija neutrina 12 MeV-a

Kao što se vidi, najveći dio oslobođene energije nose fisijski fragmenti

u obliku kinetičke energije, koja se u interakciji sa okolnim atomima

pretvara u toplinu. Ostatak energije preuzimaju neutroni, β i γ zrake, te

neutrini, pri čemu u reaktoru ostaje sva energije, osim energije neutrina.

Prilikom spajanja nukleona u jezgru dio njihove mase se pretvara u

energiju, koja se oslobađa u trenutku formiranja jezgre. Oslobođena energija

se naziva energijom vezanja jezgre. Što je defekt mase veći, veća je i

energija vezanja, a jezgra je stabilnija.

8

Primjer1.

Prosječno kućanstvo troši mjesečno 2000 kWh električne energije. Kolika

masa urana 235

U bi zadovoljila prosječnu godišnju potrebu kućanstva ako se

pri svakoj fisiji urana oslobodi 208 MeV energije? Pretpostavite da je

pretvorba nuklearne energije u električnu potpuna.

Rješenje:

E=2000 kWh = 2000 * 103 * W * 3600s = 7,2 * 109 J

E1=208 MeV = 208 * 1,6 * 10-13

J = 3,33 * 10-11

M= 235 g/mol-1

12E = NE1

m=

m=1,01g

9

Primjer 2.

Izračunajmo energiju koja se oslobodi fisijom 1g 235

U prema:

ANM

mN

MeV 2,178mol 10022,6mol g 235

g 1 1-23

1-)1( ENM

mNEE Ag

10

Primjer 3.

Kolika se snaga generira u reaktoru u kojemu se fisijama gubi 1 gram 235

U

dnevno?

1MeV = 1,6∙10-13

J

1W = 3,1∙1010

fisija/s

- 1 gram 235

U sadrži

atoma, a toliki je i broj fisija tog nuklida

po danu. Broj fisija na sekundu iznosi 2,96∙1016

, što odgovara snazi od 954,8kW dnevno

po gramu odnosno 22,8GWh dnevno po kilogramu.

Međutim, s obzirom da je proces radioaktivne apsorpcije neutrona u sukobu sa

procesom fisije iskoristiva energija nakon oduzetih gubitaka iznosi 19,2GWhd/kg.

Primjer 4.

Kolika se energija veze oslobađa zahvatom neutrona u nuklidima 235

U i 238

U?

Zahvatom neutrona u nuklidu 235

U nastaje pobuđeni nuklid 236

U. Oslobođena energija

veze zahvaćenog neutrona dobiva se kao razlika energija veze nuklida 236

U i nuklida 235

U, tj. ΔE = (Ev)236 - (Ev)235 .

Prema poluempiričnom izrazu koji je koristan za kvantitativno određivanje energije veze

pojedinih nukleona:

gdje je: A - atomski broj (broj protona u jezgri)

Z - maseni broj (zbroj protona i neutrona u jezgri)

- za parne vrijednosti Z i Z - A:

- za neparne vrijednosti Z i Z - A:

računamo energiju veze za nuklid 236

U (Z=92, A=236 i

):

(Ev)236 = 3 304 - 791,17 - 500,28 - 222,28 + 0,57 = 1 790,84 MeV.

Na isti način račun za 235

U (Z=92, A=235, ) daje:

(Ev)236 = 1 784,12 MeV.

Energija veze ΔE, koja se oslobađa zarobljavanjem neutrona u nuklidu 235

U, bit će:

ΔE = (Ev)236 - (Ev)235 = 1 790,84 - 1 784,12 = 6,72 MeV.

Ako je pak neutron zarobljen u nuklidu 238

U, istim postupkom dobivamo:

ΔE = (Ev)239 - (Ev)238 = 1 808,10 - 1 802,82 = 5,28 MeV.

11

U prvom slučaju nastala je složena jezgra 236

U s parnim brojem protona i neutrona, a u

drugom je slučaju, u složenoj jezgri 239

U, broj neutrona neparan. Jezgra s parnim

brojevima nukleona je stabilnija i zbog toga se, kao što pokazuje izvedeni račun, pri

njezinu formiranju oslobađa veća energija veze.

12

6. Karakteristike fisije

Fisija atoma nekih izotopa urana i plutonija je najvažnija nuklearna

reakcija za praktičnu primjenu nuklearne energije. Važnost fisije za

nuklearnu energetiku zasniva se na dvjema činjenicama:

1. U fisiji se oslobađa znatna količina energije jer fisijski proizvodi imaju

veću energiju veze od jezgre koja se cijepa. Kod nuklida 235

U oslobođena

energija iznosi približno 200MeV po fisiji.

2. Fisiju prati emisija neutrona koji mogu inicirati nove fisije. Time je

omogućena tzv. lančana reakcija odnosno nuklearni proces koji se sam

podržava u svrhu nastanka novih fisija.

Uvjeti za nastanak fisije nisu u svim izotopima urana i plutonija jednaki.

Osnovna je razlika u potrebnoj energiji neutrona za izazivanje fisije. Već je

u proračunima Primjera 2. i dolje prikazanog Primjera 3. uočeno da je

energija aktivacije manja od oslobođene energije veze kada izotop 235

U

zahvati neutron. Obratna situacija nastaje kada se neutron apsorbira u

izotopu 238

U. Oslobođena energija veze nije dovoljna za izazivanje fisije

nuklida 239

U, jer je energija aktivacije od nje veća za oko 1,7MeV.

To praktički znači da je nuklid 235

U podložan fisiji s neutronima bez

kinetičke energije, dok je za fisiju nuklida 238

U potreban neutron s

kinetičkom energijom koja odgovara razlici između energije aktivacije i

oslobođene energije veze.

Izmjereni broj spontanih fisija najznačajnijih nuklida (izražen

brojem fisija po kilogramu materijala na sat):

235

U 1 000 fisija/kg,h

238

U 25 000 fisija/kg,h

239

Pu 36 000 fisija/kg,h

240

Pu 1,6∙109 fisija/kg,h

Nije naodmet primjetiti da su osim kod izotopa urana i plutonija fisije

ostvarene i kod atoma nekih drugih elemenata (bizmuta, olova, talija,

platine, zlata). Upotrebljene su energije neutrona za ostvarenje fisije bile

veoma visoke (oko 40MeV) i bitno veće od energija dobivenih fisijskih

13

neutrona. Kod tih je nuklida nemoguće ostvariti samoodržavajuću lančanu

reakciju, pa su oni beznačajni za nuklearnu energetiku.

Primjer 5.

Kolike su energije aktivacije složenih jezgara 236

U i 239

U ?

Energija aktivacije jezgara može se kvantificirati jednostavnim poluempiričkim

izrazom, koji su, na osnovi modeliranja atomske jezgre s kapljicom tekućine, postavili

Bohr i Wheeler:

Prema ovom izrazu dobivamo:

za 236

U, (Z = 92, A = 236) Ea = 6,6 MeV, a

za 239

U, (Z = 92, A = 239) Ea = 7,0 MeV.

Usporedbom rezultata Primjera 2. i Primjera 3. vidimo da je za nuklid 236

U energija

aktivacije manja od energije veze. Oslobođena energija veze neutrona dovoljna je dakle

za fisiju tog nuklida.

Obratno, kod nuklida 239

U energija aktivacije veća je od energije veze. Energija veze

zarobljenog neutrona nije dovoljna za fisiju.

14

7. Lančana reakcija

Samoodržanje fisije omogućuju u procesu fisije oslobođeni neutroni,

prosječno oko 2,5 po fisiji jedne jezgre. Samoodržanje fisije može se

ostvariti ako bar jedan od tih neutrona prouzroči novu fisiju u okolnim

jezgrama.

Samoodržanje fisijske reakcije tako da fisijski neutroni uzrokuju nove

fisije, naziva se lančanom reakcijom. Za odvijanje lančane reakcije odlučne

su dvije veličine: faktor multiplikacije k i trajanje fisijske generacije τ u

lančanoj reakciji.

Trajanjem jedne fisijske generacije naziva se prosječno vrijeme između

dviju uzastopnih fisija (da bi fisijski neutroni bili emitirani iz neke jezgre i

dospjeli do drugih fisibilnih jezgara potrebno je neko vrijeme). Faktor

multiplikacije k omjer je između broja fisija jedne fisijske generacije i broja

fisija prethodne generacije. Lančana je reakcija divergentna ako je k > 1,

konvergentna ako je k < 1. Ako je k = 1, lančana reakcija održava se trajno s

istim brojem fisija u jediničnom volumenu.

Prosječna je energija fisijskih neutrona relativno visoka, oko 2 MeV, pa je

malena vjerojatnost da oni prouzroče iduće fisije jezgri urana. Sudaranjem s

jezgrama urana njihova se energija smanjuje, a sposobnost za fisiju

15

povećava. U tom procesu fisijski se neutroni mogu izgubiti za fisiju ili

nefisijskom apsorpcijom u 238

U (zbog relativno velike apsorpcije neutrona

energije između 5 eV i 300 eV) ili bijegom u okoliš iz prostora u kome se

nalazi uran.

Nefisijska apsorpcija može se smanjiti tako da se masi urana dodaju laki

elementi, pa neutroni u sudaru s njihovim jezgrama malog masenog broja

brže gube energiju i brže prolaze kroz energijsko područje rezonancije

za 238

U. Takve jezgre nazivaju se moderatorskim jezgrama, a tvari sa

sposobnošću da usporavaju neutrone nazivaju se moderatorima. Dodatni

način da se smanji gubitak neutrona nefisijskom apsorpcijom u 238

U jest da

se u gorivu smanji udio 238

U, a poveća udio 235

U na više od 0,7 % (koliko ga

ima u prirodnom uranu).

Nadalje, gubitak neutrona bijegom u okolni prostor može se smanjiti

postavljanjem tzv. reflektora oko mase goriva. Od jezgara tih materijala dio

se neutrona reflektira i vraća u uran. Smanjenje gubitka neutrona bijegom

postiže se i povećanjem mase urana: time se smanjuje odnos površine kroz

koju neutroni bježe prema obujmu odnosno masi u kojoj nastaju fisijom.

16

8. Kritična masa u lančanoj reakciji

Za odabrani moderator i reflektor te određeni sastav urana i njegov

geometrijski raspored, postoji granična masa urana, tj. najmanja masa u

kojoj se još može ostvariti faktor multiplikacije k = 1. S manjom masom

urana ne može se održavati lančana reakcija jer je gubitak neutrona bijegom

prevelik. Najmanju masu potrebnu za održavanje lančane reakcije uz zadane

uvjete nazivamo kritičnom masom. U specijalnim uvjetima, kritične mase

izdvojenih nuklida, 239

Pu ili 235

U, mogu biti i manje od jednog kilograma, a u

reaktorima one iznose i više desetaka tona. Za 235

U metal i sfernu raspodjelu

goriva te berilijski reflektor kritična je masa približno 16 kg. U istim

uvjetima kritična masa 239

Pu jest približno 4,5 kg.

Natkritični uvjeti za nuklernu eksploziju mogu se postignuti npr. naglim

spajanjem dviju ili više potkritičnih masa s pomoću konvencionalnih

eksplozija. Drugi je način smanjenje površine bijega neutrona, a da se ne

smanji masa urana. To se postiže povećanjem gustoće urana implozijom,

također s pomoću konvencionalnih eksploziva.

Uređaje u kojima se ostvaruju uvjeti za održavanje kontrolirane lančane

reakcije zovemo nuklearnim reaktorima. Reaktori moraju sadržavati količinu

urana veću od kritične mase, kako bi se pri stavljanju u pogon mogao postići

faktor multiplikacije veći od 1 i divergentna lančana reakcija. Kad se

postigne određena razina snage, faktor multiplikacije k = 1 postiže se

ubacivanjem neutronskih apsorbera u reaktor. Mijenjanje faktora

multiplikacije prema potrebi naziva se kontrolom reaktora. To se najčešće

obavlja s pomoću kontrolnih šipki koje sadrže apsorbere neutrona ili

dodavanjem apsorbera moderatoru. Za reaktor kojem je k = 1 kaže se da je

kritičan, potkritičan ako je k < 1, a natkritičan ako je k > 1

17

9.Uran

Uran je sastavni dio Zemljine kore. Rasprostranjen je u kori, gradeći

gotovo stotinu minerala. Na Zemlji je zastupljen u oko 0,0003%; prosječno

ga ima od 2-3mg/kg. Najtipičniji i najčešći uranov mineral je uraninit, crni

ili tamnosmeđi mineral visoke gustoće, po kemijskom sastavu uranov oksid

(U3O8). Uran četiri i uran šest oksidi su njegove dominantne forme u

okolišu, obično netopivi spojevi.

Uraninit

Dobrom uranovom rudom smatra se svaka sa sadržajem urana većim od

0,1%. Nalazišta s višim postotkom uranovih ruda rijetka su i stoga to

značajnija. Najpoznatija su:

Shinkolobwe (Afrika, Kongo)

Veliko medvjede jezero (Kanada)

Joachimsthal - Jachymov (Češka)

Prirodni uran je mješavina tri izotopa, to su 238

U (99,285%), 235

U

(0,710%) i 234

U (0,005%). Prirodni uran sadrži 149 puta više 238

U nego 235

U,

tj. od 150 atoma samo je jedan atom iskoristivog tipa 235

U dok su svi ostali 238

U. Pored ova tri prirodna, poznato je još 13 umjetnih izotopa urana od

kojih najveću važnost ima fisibilni 233

U koji se koristi kao nuklearno

gorivo. Zanimljivo je da se 235

U ne dobija iz rude urana već iz torijeve (Th)

rude.

18

9.1 Obogaćivanje urana

Ako se za fisiju koristi ruda urana potrebno je prethodno preraditi i

pripremiti rudu za proces lančane 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 zove ”žuti kolač” i sadrži 60-70% urana.

Druga faza obrade je postupak obogaćivanja rude izotopom

235. Pokusi su pokazali da reakcija fisije može teći lančano samo ako je

sadržaj 235

U u rudi veći od 3%. To znači da je iz uranove rude potrebno

separirati 238

U da bi se koncentracija 235

U povećala. Ovaj postupak je

tehnološki vrlo složen i skup jer izotopi urana 235 i 238 imaju identična

kemijska svojstva, a po atomskim masama se razlikuju samo za 1,5 %.

Najćešće se koristi metoda plinske difuzije UF6 (plinovitog i otrovnog

uranovog heksafluorida). Nakon procesa flotacije dobija se tzv. obogaćeni

uran u kome je postotak 235

U iznad 3%. Ovisno o sadržaju 235

U

razlikujemo: slabo obogaćeni uran (3%-5%), srednje obogaćeni uran (5%-

30%) i jako obogaćeni uran (više od 30%).

U procesu obogaćivanja urana nastaju velike količine otpada koje se

mjere stotinama tisuća tona. Taj se otpad zove osiromašeni uran. U njemu

je postotak 235

U manji od 0,3%, dakle dvostruko manji nego u prirodnoj

rudi, dok je postotak 238

U povećan na 99,7%. Osiromašeni uran je

osiromašen uranom 235, a obogaćen uranom 238.

U skladu sa trendovima recikliranja osiromašeni uran se koristi u

brojnim tehnološkim procesima poput glaziranja boja, legiranja čelika,

kataliziranja, izrade utega za razne instrumente, balastiranja zrakoplova, a u

vojsci za oklopljivanje tenkova i ojačavanje municije.

Aktivnost osiromašenog urana je za 40% manja od aktivnosti

prirodnog urana. Unatoč smanjenom radiološkom djelovanju, osiromašeni

uran je kao i svi teški metali izuzetno kemotoksičan. Unešen u organizam,

on slijedi metaboličke puteve kalcija te se deponira i retenira u kostima,

bubrezima i plućima.

19

Jedna od mogućih shema obogaćivanja urana:

20

10. Literatura

Tekstualni sadržaj:

- Uvod u nuklearnu energetiku; Danilo Feretić; Školska knjiga - Zagreb,

1992.,

- Nuklearne elektrane; Feretić, Čavlina, Debrecin; Školska knjiga Zagreb,

1995.,

http://eskola.hfd.hr/proc_za_vas/proc-17/proc17.htm

- V. Paar: “Što se zbiva u atomskoj jezgri”Izdanje: Školska knjiga, Zagreb

1987.,

Slike:

http://www.rockhound.cz/vyhledatmineraly.php?odkud=0&mineral=Uran

init

http://eskola.hfd.hr/proc_za_vas/proc-17/tab4.gif

http://www.znanje.org/i/i21/01iv08/01iv0807/nuklearni_reaktori.htm