Fisija i fuzija — kako tableta urana zameni tonu uglja?

🎬 Video

📖 Pojmovi

Tableta i gomila uglja

Kad gori ugalj, menjaju se samo elektronski omotači atoma: atomi ugljenika se vezuju sa kiseonikom. U nuklearnom gorivu menjaju se sama jezgra, a nukleone u jezgru drže najjače sile u prirodi. Zato promena jednog jezgra oslobodi desetine miliona puta više energije od promene jednog atoma pri gorenju — i tableta urana velika kao nokat zamenjuje tonu uglja, gomilu veću od kubnog metra.

Neutron kao ključ

Da bi se jezgro urana-235 rascepilo, dovoljno je da u njega uleti jedan neutron. Jezgro bi odbilo proton, jer su oba pozitivna, ali neutron nije naelektrisan i neometano stiže do jezgra, koje ga uhvati. Jezgro tada postane toliko nestabilno da se podeli. Takvo cepanje, izazvano spolja, zove se indukovana fisija. Ima i teških jezgara koja se ponekad podele sama od sebe, bez neutrona — takva je, na primer, jedan od izotopa plutonijuma. To je spontana fisija.

Odakle toplota u reaktoru

Pri cepanju teškog jezgra — nuklearnoj fisiji — nastaju dva srednje teška jezgra, fragmenti fisije, i oni se razlete ogromnom brzinom. Udarajući u okolne atome goriva, usporavaju se i njihova kinetička energija prelazi u toplotu: tako se greje gorivo u reaktoru. Iz cepanja izleti i nekoliko neutrona, obično dva ili tri, a jezgro emituje i zračenje. Jezgro se ne cepa uvek na iste delove, a fragmenti su radioaktivni — od njih nastaje radioaktivni otpad.

Lančana reakcija

Neutroni iz jedne fisije mogu da pogode nova jezgra urana i izazovu nove fisije, a iz svake izleti opet nekoliko neutrona. Kao kad jedna domina obori dve, a svaka od njih po dve nove — broj fisija može da raste veoma brzo. To je lančana reakcija. Kod atomske bombe, napravljene od skoro čistog urana-235 ili plutonijuma, lanac se namerno pusti da se razgori za delić sekunde.

Reaktor drži lanac u ravnoteži

U nuklearnom reaktoru lančana reakcija je kontrolisana: između šipki goriva spuštaju se kontrolne šipke od materijala koji upijaju neutrone, tako da u proseku tačno jedan neutron iz svake fisije izazove sledeću. Gorivo u reaktoru nije kao u bombi i ne može da eksplodira kao ona, ali bez kontrole bi se opasno pregrejalo. Toplota iz reaktora greje vodu u paru, para okreće turbinu, a turbina generator — kao u termoelektrani, samo bez dima. U Srbiji trenutno nema nuklearne elektrane; najbliže rade u susednim i obližnjim zemljama, na primer Krško u Sloveniji, Kozloduj u Bugarskoj i Pakš u Mađarskoj.

Kako je fisija otkrivena

Krajem 1938. godine nemački hemičari Oto Han i Fric Štrasman gađali su uran neutronima i među proizvodima našli barijum, mnogo lakši element. Lize Majtner i Oto Friš objasnili su da se jezgro urana podelilo na dva dela. Do tog otkrića vodila su i istraživanja Iren Žolio-Kiri i Pavla Savića, koji su u ozračenom uranu našli neočekivano lak element, sličan lantanu.

Sunce: zvezda na vodonik

Sunce sija već oko 4,6 milijardi godina. U njegovom središtu temperatura je oko 15 miliona stepeni, a pritisak ogroman, i jezgra vodonika se tamo neprestano spajaju u helijum. Svake sekunde Sunce tako pretvori oko 600 miliona tona vodonika u helijum. Skoro sva energija koju dobijamo od Sunca — svetlost i toplota — potiče iz tog spajanja jezgara.

Fuzija

Spajanje lakih jezgara u teže zove se nuklearna fuzija. Primer koji naučnici koriste na Zemlji: deuterijum i tricijum, dva izotopa vodonika, spoje se u jezgro helijuma, a izleti neutron: $^{2}_{1}\mathrm{H} + ^{3}_{1}\mathrm{H} \rightarrow ^{4}_{2}\mathrm{He} + ^{1}_{0}\mathrm{n}$. Računato po jednom nukleonu, fuzija oslobodi više energije nego fisija.

Zašto su potrebni milioni stepeni

Pokušaj da dva magneta prineseš istim polovima — što su bliže, to jače odguruju. Slično je sa dva jezgra: oba su pozitivna. Nuklearne sile, koje bi ih spojile, deluju tek kad se jezgra skoro dodirnu, a do tada ih treba „progurati“ kroz električno odbijanje. To uspeva samo jezgrima koja jure ogromnom brzinom, a takvu brzinu imaju tek u gasu zagrejanom na milione stepeni. Takav vreo gas je plazma; u većini istraživačkih reaktora drži se magnetnim poljem, da ne dodiruje zidove.

Fuzija na Zemlji

Naučnici već decenijama pokušavaju da naprave fuzionu elektranu. Deuterijuma ima u izobilju u vodi mora, tricijum se dobija iz litijuma, a pri fuziji skoro da ne nastaje dugoživeći radioaktivni otpad. U laboratorijama se fuzija već ostvaruje, a 2022. godine u SAD je prvi put iz fuzije dobijeno više energije nego što je laserima uneto u gorivo. U Francuskoj se gradi veliki međunarodni reaktor ITER. Ipak, elektrane na fuziju još ne postoje.

Šta se čuva u reakciji

U svakoj nuklearnoj reakciji ukupan broj nukleona ostaje isti, a isto tako i ukupno naelektrisanje. Zato je zbir masenih brojeva levo jednak zbiru desno, a isto važi i za redne brojeve. Neutron se zapisuje $^{1}_{0}\mathrm{n}$. Jedna od mogućih fisija: $^{1}_{0}\mathrm{n} + ^{235}_{92}\mathrm{U} \rightarrow ^{140}_{55}\mathrm{Cs} + ^{93}_{37}\mathrm{Rb} + 3\,^{1}_{0}\mathrm{n}$ — levo je 236 nukleona, desno 140 + 93 + 3 = 236; redni brojevi: 92 = 55 + 37.

🧮 Formule

❓ Pitanja

✏️ Rešeni zadaci

📝 Test

Pročitaj zadatak i izaberi tačan odgovor. Računa se šta pogodiš iz prvog pokušaja.