Fisio nuklear

Elementu astunen fisio nuklearra 1938ko abenduaren 17an aurkitu zuten Otto Hahn alemanak eta haren laguntzaile Fritz Strassmann-ek, Lise Meitner fisikari austro-suediarrak proposaturik. Hahnek ulertu zuen nukleo atomikoen "leherketa" bat gertatu zela"Hahn´s Nobel was well deserved" (PDF). www.nature.com. 1939ko urtarrilean, Otto Robert Frisch-ek, ilobarekin batera, azalpen teoriko bat eman zuen. Nukleido astunen kasuan, erreakzio exotermikoa da fisioa, eta energia-kantitate handiak aska ditzake, bai erradiazio elektromagnetiko gisa, bai zatien energia zinetiko gisa.

Fisioa transmutazio nuklear mota bat da, sortzen diren zatiak ez direlako jatorrizko atomoaren osagaiak. Lortutako bi nukleoak (edo gehiago) tamaina konparagarrikoak izan ohi dira, eta normalean 3tik 2ra bitarteko produktuen masa-erlazioa dute. Fisio gehienak bitarrak izaten dira, baina batzuetan, positiboki kargatutako hiru zati sortzen dira: fisio hirutarra.

Neutroi batek eragindako fisioaz gain, berezko desintegrazio erradioaktiboko forma natural bati fisio ere esaten zaio, eta masa handiko isotopoetan gertatzen da bereziki. Berezko fisioa 1940an aurkitu zuten Flyorov, Petrzha-k eta Kurchatov-ek Moskun.

Aurresanezinak diren produktuen konposizioak, (modu probabilistikoan eta kaotikoan aldatzen direnak) tunel-efektuko prozesuetatik bereizten du, hala nola protoi-emisio, alfa-desintegraziotik eta luku-desintegraziotik, horiek produktu berak ematen baitituzte aldi guztietan. Fisio nuklearrak sortzen duen energia batez ere energia nuklearrerako erabiltzen da eta, horrez gain, arma nuklearren leherketarako erabiltzen da. Bi erabilera horiek posible dira erregai nuklear izeneko substantzia batzuen fisio-neutroiek elkarren artean talka egin eta fisioa jasaten dutelako. Bestalde, neutroiak igortzen dituzte hausten direnean. Horri esker, kate-erreakzio bat sortzen da, energia askatzen duena, erreaktore nuklearretan, erritmo kontrolatuan eta, arma nuklearretan, aldiz, oso azkar eta kontrolik gabe.

Erregai nuklearrean dagoen energia askearen kantitatea gasolinaren antzeko erregai kimikoko masa batean dagoen energia askearen kantitatea baino milioika aldiz handiagoa da. Ondorioz, fisio nuklearra energia-iturri oso boteretsua da. Hala ere, fisio nuklearreko produktuak, batez beste, eskuarki erregai gisa fisionatzen diren elementu astunak baino askoz erradioaktiboagoak dira, eta, denbora luzean horrela irauten dutelarik, arazo handiak eragiten dituzte hondakin nuklearrak biltegiratzeko orduan. Hondakin nuklearren pilaketak eta arma nuklearraren suntsitzeak kalte larriak eragiten dituzte ingurumenean.

 Mekanismoak 
Nukleo astunen fisioa prozesu exotermikoa da eta, beraz, energia kantitate handiak askatzen ditu. Ohiko erreakzio kimikoetan askatutakoa baino askoz ere energia gehiago sortzen du prozesuak. Erreakzio horietan, elektroi-azalak daude nahasita. Energia bai gamma erradiazio gisa, bai fisioaren zatien energia zinetiko gisa igortzen da eta, hala, fisioa gertatzen den espazioaren inguruko materia berotu egiten da.

Fisioa hainbat metodoren bidez eragin daiteke, besteak beste, energia zuzenaren partikula duen atomo fisionagarri baten nukleoaren bonbardaketaren bidez; partikula, eskuarki, neutroi askea da. Neutroi aske hori nukleoak xurgatzen du, eta ezegonkor bihurtzen du. Orduan, nukleo ezegonkorra bi zatitan edo gehiagotan zatitzen da: fisioaren produktuak, bi nukleo txikiago dituztenak, zazpi neutroi askeraino (batez beste bi eta erdi erreakzio bakoitzeko) eta zenbait fotoi. Fisioaren produktu gisa jaurtitako nukleo atomikoak hainbat elementu kimiko izan daitezke. Sortzen diren elementuak zoriaren ondorio dira, baina estatistikoki probableena da jatorrizko atomo fisionatuaren protoien eta neutroien erdiak dituzten nukleoak aurkitzea. Fisioaren produktuak, oro har, oso erradioaktiboak izaten dira: ez dira isotopo egonkorrak; isotopo horiek, orduan, desintegrazio-kateen bidez txikiagotzen dira.

Fisioaren produktu gisa jaurtitako nukleo atomikoak hainbat elementu kimiko izan daitezke. Sortzen diren elementuak zoriaren emaitza dira, baina estatistikoki emaitzarik probableena da jatorrizko atomo fisionatuaren protoi eta neutroi erdiak dituzten nukleoak aurkitzea. Fisioaren produktuak normalean oso erradioaktiboak dira, ez dira isotopo egonkorrak; isotopo horiek orduan gainbehera egiten dute, desintegrazio kateen bidez.

 Deskonposizio erradioaktiboa 
Fisio nuklearra neutroien bonbardaketarik gabe gerta daiteke, desintegrazio erradioaktibo mota bat bezala. Fisio mota hori (fisio espontaneoa deritzona) ez da oso ohikoa, isotopo astun batzuetan izan ezik.

 Erreakzio nuklearrak 
Ingeniaritzako gailu nuklearretan, funtsean, fisio nuklear guztia "erreakzio nuklear" gisa sortzen da, bi partikula subatomikoren arteko talken ondorioz sortutako bonbardaketa batek bultzatutako prozesu bat. Erreakzio nuklearretan, partikula subatomiko batek talka egiten du nukleo atomiko batekin eta aldaketak eragiten ditu nukleoan. Erreakzio nuklearrak, beraz, bonbardaketaren mekanikak bultzatzen ditu, eta ez gainbehera esponentzial nahiko konstanteak eta prozesu erradioaktibo espontaneoen batez besteko bizitza bereizgarriak.

Gaur egun erreakzio nuklear mota asko ezagutzen dira. Fisio nuklearra beste erreakzio nuklear mota batzuetatik nabarmen bereizten da, hau da, anplifikatu egin daiteke eta, batzuetan, kate-erreakzio nuklear baten bidez kontrolatu (kate-erreakzio orokor mota bat). Horrelako erreakzio batean, fisio-gertaera bakoitzak askatutako neutroi libreek are gertaera gehiago eragin ditzakete, eta horiek, aldi berean, neutroi gehiago askatzen dituzte eta fisio gehiago eragiten dituzte.

Fisio-erreakzio bat katean egin dezaketen elementu kimiko isotopoei erregai nuklear esaten zaie, eta fisionagarriak direla esaten da. Erregai nuklear ohikoenak 235U (235 masa-zenbakia duen eta erreaktore nuklearretan erabiltzen den uranio-isotopoa) eta 239Pu (239 masa-zenbakia duen plutonioaren isotopoa) dira. Erregai horiek 95 eta 135 unitate inguruko masa atomikoak dituzten elementu kimikoen gama bimodal batean deskonposatzen dira (fisio-produktuak). Erregai nuklear gehienek oso astiro bakarrik jasaten dute fisio espontaneoa, eta haien ordez alfa-beta baten bidez gainbehera egiten dute milaka edo milioika urtetan. Erreaktore nuklear batean edo arma nuklear batean, fisio-gertaera gehien-gehienak beste partikula batekin, neutroi batekin, egindako bonbardaketak eragiten ditu, eta hori, era berean, aurreko fisio-gertaerek eragiten dute.

Fisio nuklearra, erregai fisionagarrietan, nukleo fisionagarri batek neutroi bat harrapatzen duenean sortzen den eszitazio nuklearreko energiaren emaitza da. Neutroiaren harrapaketaren ondorioz sortzen den energia hori neutroiaren eta nukleoaren artean eragiten duen indar nuklear erakargarriaren emaitza da. Nahikoa da nukleoa lobulu bikoitzeko "tanta" batean deformatzeko. Izan ere, zati nuklearrek gainditu egiten dituzte indar nuklearrak kargatutako bi nukleoi-talde elkarri lotuta edukitzeko behar dituen distantziak. Hori gertatzen denean, bi zatiek osatzen dute beren arteko bereizketa, eta, gero, are gehiago bereizten dira elkarri eragiten dioten karga aldaragarrien bidez. Prozesu hori atzeraezina da gero eta distantzia handiagoarekin. Antzeko prozesua gertatzen da isotopo fisionagarrietan (uranio-238, adibidez), baina fisionatu ahal izateko, isotopo horiek neutroi azkarrek emandako energia gehigarria behar dute (fusio nuklearrak arma termonuklearretan eragindakoak, adibidez).

 Historia 
 Aurkikuntza 
Fisio nuklearra 1938ko abenduan aurkitu zuten Otto Hahn eta Fritz Strassmann kimikariek eta Lise Meitner eta Otto Robert Frisch fisikariek. Fisio-prozesuak gamma izpiak sortu eta energia-kantitate handia askatu ohi du, baita desintegrazio erradioaktiboaren energia-estandarretarako ere. Zientzialariek bazekiten alfa desintegrazioaren eta beta desintegrazioaren berri, baina fisioak garrantzi handia hartu zuen, kate-erreakzio nuklearra posible zela aurkitzeak energia nuklearraren eta arma nuklearren garapena ekarri zuelako. Hahnek Kimikako Nobel Saria jaso zuen 1944an, fisio nuklearra aurkitzeagatik.

Berlingo Kimikako Kaiser Wilhelm Institutuko Hahn eta Strassmannek uranioa neutroi geldoekin bonbardatu zuten, eta barioa sortu zela jakin zuten. Hahnek nukleoaren leherketa iradoki zuen, baina ez zegoen ziur zein zen emaitzen oinarri fisikoa. Hilabete batzuk lehenago Alemania nazitik ihes egin zuen Suediako Meitnerri eman zioten aurkikuntzen berri. Meitnerrek eta bere iloba Frischek teorizatu egin zuten eta gero frogatu zuten uranioaren nukleoa zatitu egin zela eta Naturen argitaratu zituzten aurkikuntzak. Meitnerren kalkuluen arabera, desintegrazio bakoitzak askatutako energia 200 megaelektronvolt ingurukoa zen, eta Frischek hori ikusi zuen. Zelula biologikoen banaketaren analogiaz, «fisio» deitu zion prozesuari.

Berrogei urtez erradioaktibitatearen eta substantzia erradiaktiboen izaera eta propietateak ikertu ondoren egin zuten aurkikuntza. James Chadwickek 1932an neutroia aurkitu zuenean, transmutazio nuklearrerako bide berri bat sortu zen. Enrico Fermi eta bere lankideek Erroman uranio bonbardaketaren emaitzak neutroiekin aztertu zituzten, eta Fermik ondorioztatu zuen bere esperimentuek elementu berriak sortu zituztela 93 eta 94 protoirekin, zeinei bere taldeak ausenio eta hesperio deitu zien, gaur egungo neptunioa eta plutonioa. Fermik Fisikako Nobel Saria irabazi zuen 1938an, «neutroien irradiazioak sortutako elementu erradioaktibo berrien existentziaren frogapenengatik eta neutroi geldoek eragindako erreakzio nuklearren aurkikuntza erlazionatuagatik». Hala ere, denak ez ziren konbentzitu Fermik emaitzak aztertu zituenean. Ida Nodackek iradoki zuen elementu astunago berri bat sortu beharrean, 93.a, pentsatzekoa zela nukleoa zati handitan zatitu izana, eta Aristid von Grossek iradoki zuen Fermiren taldeak aurkitu zuena protaktinioaren isotopo bat zela.

Horrek bultzatu zituen Hahn eta Meitner, protaktinioaren isotopo egonkorrenaren aurkitzaileak, Strassmann bere lankidearekin batera prozesuari buruzko lau urteko ikerketa burutzera. Lan asko egin eta aurkikuntza ugari egin ondoren, ikusten ari zirena fisioa zela eta Fermik aurkitutako elementu berriak fisio produktuak zirela zehaztu zuten. Bere lanak fisikan errotutako usteak irauli zituen eta bidea erraztu zuen 93 (neptunio) eta 94 (plutonio) elementu errealak aurkitzeko, beste elementu batzuetan fisioa aurkitzeko eta uranio-235 isotopoak uranioan duen papera zehazteko. Niels Bohr eta John Wheelerek tanta likidoaren eredua berregin zuten, fisioaren mekanismoa azaltzeko.

 Manhattan proiektua 

Manhattan proiektua Bigarren Mundu Gerran lehen arma nuklearra (bonba atomikoa) garatzeko asmotan AEBk, Erresuma Batuak eta Kanadak zuzendu zuten proiektua izan zen. AEBko Ingeniari Gorputzaren agindupean, 1941 eta 1946 urteen bitartean garatu zen. Administrazio orokorraren arduradun Lesli R. Groves jenerala jarri zuten, eta ikerkuntza buru, berriz, Robert Oppenheimer fisikaria.

Proiektuaren emaitzei esker, hiru bonba nuklear lehertu ahal izan ziren 1945ean: uztailaren 16an plutoniozko bonba batekin lehenengo proba egin zen, Trinity proba atomikoa, Mexiko Berria estatuan; Little Boy izeneko uranio aberastuko bonba Hiroshimaren gainean, abuztuaren 6an; eta Fat Man plutoniozko bigarren bonba bat Nagasakiren gainean, abuztuaren 9an.

Proiektuaren jatorrian, Alemania nazia bere kabuz horrelako armak ikertzen ari zen Aliatuen beldurra zegoen. Nahiz eta hasiera batean ikerkuntza programa txikia zen, 130.000 lagunek baino gehiagok egin zuten lan horretan, eta garaiko 2.000 miloi dolarreko kostua izan zuen.Lodia

 Energiaren eragina 
 Energia-sarrera 
Nukleo astun baten fisioak 7-8 milioi elektronvolteko (MeV) sarrera-energia osoa behar du nukleoa forma esferikoan edo ia esferikoan mantentzen duen indar nuklearra gainditzeko, eta, hortik aurrera, bi lobulutan ("kakahuete") deformatzeko, zeinetan lobuluak elkarrengandik bereizten jarraitzeko gai baitira, beren karga positiboak bultzatuta, fisio neutroaren prozesu ohikoenean (fisio binarioarekin). Lobulu nuklearrak distantzia kritiko bateraino bultzatuak izan direnean, elkarrekintza nuklear bortitzak jada elkartuta mantendu ezin dituen distantziaraino, zatien arteko aldarapen-energia elektromagnetikotik dator bereizte-prozesua. Emaitza bi fisio zati dira, bata bestearengandik urruntzen direnak, energia handian.

Fisioaren sarrerako energiaren 6 MeV inguru nukleo astunari elkarrekintza nuklear bortitzaren bidez aparteko neutroi bat lotze soilak ematen du; hala ere, isotopo fisionagarri askotan, energia-kantitate hori ez da nahikoa fisioarentzat. Uranio-238ak, adibidez, ia nulua den fisioko zeharkako sekzioa du MeV bat baino energia txikiagoko neutroientzat. Beste inolako mekanismoren bidez energia gehigarririk ematen ez bada, nukleoa ez da fisionatuko, neutroia xurgatzera mugatuko da, U-238ak neutroi geldoak eta are neutroi azkarren frakzioren bat xurgatzen dituenean gertatzen den bezala, U-239 bihurtzeko. Fisioa hasteko geratzen den energia beste bi mekanismok horni dezakete: horietako bat sartzen den neutroiaren energia zinetiko gehiago da, MeV bateko edo gehiagoko energia zinetiko bat (neutroi azkar deritzenak) gainditzen duen heinean fisionagarriak diren nukleo astun bat fisionatzeko gero eta gaitasun handiagoa duena. Energia altuko neutroi hauek U-238 zuzenean fisionatzeko gai dira (adibide gisa, arma termonuklearraren aplikazioa, non neutroi azkarrak fusio nuklearrak hornitzen dituen). Hala ere, prozesu hori ezin da neurri handi batean erreaktore nuklear batean gertatu, edozein fisiok sortutako fisio-neutroien frakzio txikiegi batek energia nahikoa baitu U-238a modu eraginkorrean fisionatzeko.

Elementu astun aktinidoen artean, ordea, neutroi-kopuru bakoitia duten isotopoek (adibidez, U-235 eta 143 neutroi) 1 eta 2 MeV energia gehiago duen neutroi gehigarri bat lotzen dute elementu bereko isotopo baten gainean, neutroi kopuru bikoiti batekin (adibidez, U-238 eta 146 neutroi). Lotura-energia gehigarri hori eskuragarri dago neutroien parekatze-efektuen mekanismoaren ondorioz. Energia gehigarri hori Pauliren esklusio-printzipioaren emaitza da. Horri esker, neutroi gehigarri batek nukleoko azken neutroiaren orbital nuklear bera betetzen du, eta, hala, biek bikote bat osatzen dute. Beraz, isotopo hauetan ez da neutroien energia zinetikorik behar, beharrezko energia guztia edozein neutroiren xurgapenak hornitzen baitu, izan barietate geldo edo azkarrekoa (lehenak erreaktore nuklear moderatuetan erabiltzen dira, eta bigarrenak neutroi azkarren erreaktoreetan eta armetan). Arestian aipatu den bezala, beren fisio-neutroiekin modu eraginkorrean fisionatu daitezkeen elementu fisionagarrien azpitaldeari (horrela, material puruaren kantitate txiki samarretan kate nuklearreko erreakzio bat eragin dezakete) fisionagarri deritze. Isotopo fisionagarrien adibide dira uranio-235 eta plutonio-239.

 Ekoizpena 
Fisio-gertaera tipikoek berrehun milioi eV-ko (200 MeV) energia askatzen dute, hau da, 2 bilioi Kelvin inguruan, fisio-gertaera bakoitzean. Fisionatzen den isotopo zehatza fisionagarria edo fisiblea izateak ala ez izateak eragin txiki bat besterik ez du askatutako energia kantitatean. Hori erraz ikus daiteke lotura-energiaren kurba aztertuta eta uraniotik hasten diren gune aktinidoen batez besteko lotura-energia nukleoko 7,6 MeV ingurukoa dela ikusita. Lotura-energiaren kurban ezkerrerago begiratuz, non fisio-produktuak elkartzen baitira, erraz ikusten da fisio-produktuen lotura-energiak 8,5 MeV inguruan zentratzeko joera duela nukleoi bakoitzeko. Hala, isotopo baten edozein fisio-gertaeratan, aktinidoen masa-tartean, 0,9 MeV inguru askatzen dira abiapuntuko elementuaren nukleo bakoitzeko. U235-ko neutroi motel batek talka egiten duenean, U238-ko neutroi azkar batek eragindako fisioaren antzeko energia sortzen da.

Aitzitik, oxidazio kimiko gehienek, hala nola ikatza erretzeak , eVs gutxi batzuk askatzen dituzte gertaera bakoitzeko. Beraz, erregai nuklearrak erregai kimikoak baino hamar milioi aldiz energia erabilgarri gehiago du masa-unitate bakoitzeko. Fisio nuklearraren energia fisio-produktuen eta zatien energia zinetiko gisa askatzen da, eta gamma izpien formako erradiazio elektromagnetiko gisa; erreaktore nuklear batean, energia bero bihurtzen da, partikulek eta gamma izpiek erreaktorea osatzen duten atomoekin eta haren lan-fluidoarekin talka egiten dutenean, normalean fluido hori ura izaten da, baina batzuetan, ur astuna edo gatz urtua izan daiteke.

 Moderatzaileak 
Uranio asko leku bakar batean elkartzea ez da nahikoa kate-erreakzioa hasteko. Nukleo-fisio batek neutroiak  igortzen ditu, oso abiadura handian. Horrek esan nahi du, neutroiek nukleotik aldendu behar dutela beste edozein nukleorekin talka egin baino lehen. Mugimendu moteleko neutroiei neutroi termiko deritze, eta neutroiaren abiadura horrek bakarrik eragin dezake fisio-erreakzio bat. Beraz, lau neutroi-abiadura ditugu:

 Neutroi bat (ez-termiko) inongo interakzio gabe aldentzen da nukleotik.
 Abiadura ertaineko neutroi bat nukleoak harrapatu, eta materiala isotopo bihurtzen du, baina ez du fisioa eragiten.
 Mugimendu moteleko (termikoko) neutroi batek nukleo batek fisioa pairatzea eragiten du.
 Neutroi mugikor geldo bat harrapatu edo ihes egiten du, baina ez du fisiorik eragiten.

Fisioa aurkitu baino urte batzuk lehenago, neutroiak atzeratzeko ohiko metodoa pisu atomiko txikiko material batetik pasaraztea zen: material hidrogenatua izaten zen normalean. Moderazio-prozesua abiadura handiko partikulen eta ia atsedenean dauden partikulen arteko talka elastikoen sekuentzia bat besterik ez da. Zenbat eta antzekoagoak izan neutroiaren eta kolpatutako partikularen masak, orduan eta handiagoa da neutroiaren energia zinetikoaren galera. Beraz, elementu arinak dira eraginkorrenak neutroien moderatzaile gisa.

1930eko hamarkadako fisikari batzuei uranioa moderatzaile batekin nahasteko aukera bururatu zitzaien: behar bezala nahastuz gero, fisioko abiadura handiko neutroiak atzeratu egin litezke moderatzaile batean errebotatutakoan, abiadura egokian, beste uranio-atomo batzuetan fisioa eragiteko. Moderatzaile on baten ezaugarriak hauek dira: pisu atomiko txikia, edo neutroiak xurgatzeko joera nulua. Moderatzaile posibleak, beraz, hidrogenoa, helioa, litioa, berilioa, boroa eta karbonoa dira. Litioak eta boroak erraz xurgatzen dituzte neutroiak; beraz, baztertu beharreko elementuak dira. Helioa erabiltzea zaila da, gasa baita eta ez baitu konposaturik sortzen. Moderatzaile egokienak, beraz, hidrogenoa, deuterioa, berilioa edota karbonoa bide dira. Enrico Fermi eta Leó Szilárd izan ziren grafitoa kate-erreakzio baterako moderatzaile gisa erabiltzea proposatu zuten lehenak. Deuterioa edo "ur astun" da teknologikoki onena eta fusio nuklearrerako erregai gisa erabili liteke, baina grafitoa askoz merkeagoa da.

 Erreferentziak 

 Kanpo estekak 

Kategoria:Fisika nuklearra
Kategoria:Kimika nuklearra
Kategoria:Erradioaktibitatea
Kategoria:Alemaniako asmakizunak
Kategoria:Austriako asmakizunak
Kategoria:Suediako asmakizunak
Kategoria:1938 zientzian