Fisio nuklearra
Fisio nuklearra desintegrazio erradioaktibo mota bat bada ere (zenbait nukleo astun, fermioa kasu, berez bitan zatitzen baitira), artifizialki eragindakoa da, energia-ekoizpenaren ikuspegitik, fisio-mota garrantzitsua. Fisioaren eragilea neutroia, protoia, alfa partikula edo gamma erradiazioa izan daiteke, eta prozesua, hitz gutxitan, honelakoxea da: delako partikula edo erradiazioak nukleo astuna jo, horrek xurgatu eta, eratzen den egitura berria ezegonkorra izaki, tamaina bertsuko bi zatitan banantzen da. Horrekin batera, neutroi bat edo batzuk, erradiazioa eta energia-kantitate handia askatzen da. Hona hemen uranio-235 nukleoaren fisio-erreakzio posible bat:
Esan bezala, prozesu horretan oso energia-kantitate handia askatzen da. Horren jatorria erreaktiboen eta emaitzen arteko masa-diferentzia da. Izan ere, erreakzioaren masa-balantzea eginez gero, erreaktiboen masa emaitzena baino handiagoa dela ikus daiteke. Masaren parte bat energia bihurtzen da beraz. Masa horri dagokion energia E = mc2 ekuazioaren bidez kalkula daiteke.
fisio-erreakzioa
Neutroi askatu berriak beste nukleo batzuen fisioa eragiteko gai badira, erreakzioak bere burua elikatzen du, emaitzak erreakzioaren eragile ere badirelako aldi berean, eta, ondorioz, erreakzio-segida edo kate-erreakzioa gerta daiteke. Kate-erreakzioa oso laster gerta daiteke, kontrolik gabe, edo, askatzen diren neutroietatik fisioa eragiteko gai izan daitezkeenak nolabait kontrolatuz, bere burua iraunarazten duen abiadura jakineko erreakzioa lor daiteke. Hori gertatzen denean, erreakzioa kritikoa dela esaten da. Erreakzioaren urrats batean askatzen diren neutroietarik, batzuk inguruneak xurgatzen ditu, eta beste batzuek ihes egiten dute. Erreakzioa kritikoa izateko, horiek kenduta gelditzen den neutroi-kopuruak fisioa eragiteko behar den kopuruaren berdina behar du izan. Kritikotasun-maila horri dagokion baino neutroi gehiago badaude, erreakzioa superkritikoa da, eta, kontrolatu ezean, nukleoak oso denbora laburrean fisiona daitezke, eta askatzen den energia hain da handia, ezen eztanda gerta baitaiteke. Kritikotasunetik behera, berriz, kate-erreakzioa ezin da mantendu, eta gelditu egiten da.
Azaldu berri ditugun gertakarietan du oinarri fisio-energia nuklearrak, dela kontrolik gabe, lehergailu nuklearrak egiteko, dela modu kontrolatuan, energia erabilgarria lortzeko helburuz eraikitzen diren zentral nuklearretan.
Historia
Fisio terminoa L. Meitner eta O. Frisch alemanek asmatu zuten 1939an. Dena den, fisioaren abiaburutzat J. Chadwickek 1932an neutroia aurkitu izana jo daiteke. Berehala, Fermi eta bere lankideek elementuak neutroi geldoz bonbardatzean gertatzen ziren erreakzioak ikertzeari ekin zioten. Elementu berriak eratzen zirela behatu zuten, eta Fermik neutroia nukleoa zatiaraz zezakeen partikula izan zitekeela aurresan zuen, kargarik gabea zenez, nukleora hurbiltzeko aldaratze-indar elektromagnetikoak gainditu behar ez zituelako. 1939an, O. Hann eta F. Strassman fisikari alemanek uranio-gatzak neutroiz bonbardatu zituzten, eta emaitzak bario eta beste zenbait elementu txikiagoren erradioisotopoak zirela frogatu zuten. Gertakari horren azalpen teorikoa aipatu L. Meitner eta O. Frischek eman zuten, eta, esan bezala, erreakzio nuklear mota berriari fisio izena eman zioten.
1939an bertan, uranio-235 isotopoa fisionatzean bi edo hiru neutroi askatzen direla aurkitu zen. Aurkikuntza horrek bere burua iraunarazten duen kate-erreakzioa lor zitekeela pentsarazi zien Fermi eta bere taldeari, eta, 1942an, lehen fisio-erreakzio kontrolatua egitea lortu zuten. Bestalde, Amerikako Estatu Batuak Bigarren Mundu Gerran sartu eta berehala, fisio nuklearrean askatzen den energia itzela lehergailuak egiteko Manhattan proiektua abiarazi zen. Horren emaitza, ondo jakina da, bonba atomikoa izan zen, 1945ean Hiroshima eta Nagasaki erabat suntsitzeko erabili zena. Gerra amaitutakoan, fisio-energia nuklearraren teknologia oso garatu zen. Batetik, Gerra Hotzean blokeen arteko disuasio-politikak armategi nuklearrak izugarri haztea ekarri zuen. Bestetik, energia erabilgarria lortzeko zentral nuklearren teknologia garatu eta komertzialki errentagarri bihurtzeraino heldu zen. Hala ere, fisiozko energia nuklearrak, hondakin nuklearren konpondu gabeko arazoagatik eta gertatutako zenbait istripuren ondorio latzengatik, gainditu gabeko hainbat segurtasun- eta ingurumen-eragozpen ditu, eta gizartean kontrako jarrera nabarmenak sorrarazi ditu (Ik. zentral nuklear).
Fisioaren fisika
Fisioa zergatik eta nola gertatzen den ulertu ahal izateko, nukleoaren egituraren egonkortasunean eragina duten faktoreak hartu behar dira kontuan. Nukleoaren egonkortasunaren lehen gakoa haren lotura-energia da. Izan ere, nukleoa osatzen duten banako partikulen masa nukleoarena berarena baino handiagoa da. Masa-defektu edo -galera horri dagokion energia da lotura-energia. Zenbat eta handiago izan, nukleoa hainbat eta egonkorragoa izango da. Diren nukleorik egonkorrenak 60 masa-zenbakia dutenak dira (adibidez, burdinarena). Bai masa-zenbaki txikiagoko nukleoak batuz, hau da, fusionatuz, bai masa-zenbaki handiagoko nukleoak zatituz, burdinatik gertuago dauden nukleo egonkorragoak eratzen dira. Bi prozesuotan, beraz, energia askatzen da. Lehena fusio-energia da, izarretan gertatzen diren erreakzioetan eta fusio-bonban askatzen dena, eta ikertzen ari diren fusio-erreaktoreetan kontrolatu nahi dena. Bigarrena, berriz, desintegrazio erradioaktiboan eta fisio nuklearrean askatzen den energia da.
Pentsa liteke, orduan, materia osatzen duten elementu astun guztiek konfigurazio egonkorrena bilatu behar luketela eta burdinara joko luketela denboraren poderioan. Baina ez da horrelakorik gertatzen, bestelako eragozpenak daudelako bat-bateko erreakzio horiek gerta ez daitezen.
Nolanahi ere den, nukleoaren egonkortasuna beste faktore baten baitan ere erabakitzen da. Nukleoko partikulak elkartzen dituen indarra oso bortitza da, baina distantzia laburrekoa. Nukleoko partikula-kopurua handituz doala, partikulen arteko distantziak ere handiagoak dira. Zerbait behar da protoien arteko aldaratze elektromagnetikoa moteltzeko, eta funtzio hori neutroiek betetzen dute. 40ko masa atomikora bitarteko nukleoetan, protoi- eta neutroi-kopurua bera da, baina hortik gora neutroi gehiago behar dira. Nukleoak likido-tanta baten antzeko portaera duela pentsatuz gero, ondo ulertzen da kanpoko eragile batek, neutroi batek adibidez, jotzen badu, neutroia xurgatu eta esfera deformatu egiten dela. Deformazio horren ondorioz, kontrako bi prozesu abiaraz daitezke: esferaren gainazal-tentsioa dela medio, nukleoak esfera berri baten forma hartzera jotzen du, baina, aldi berean, deformatzean aldaratze-indarrak txikiagotu egiten dira. Kontrako bi joera horien baitan erabakiko da nukleoa egonkortuko den ala bitan zatituko den. Beraz, fisioa, hein handian, protoien arteko aldaratze-indarraren ondorioa dela esan daiteke, eta horretan zerikusi handia du protoi-neutroi erlazioak.
Uranio-235aren fisioan, nukleoak neutroi geldoa xurgatzen du, eta oso egoera kitzikatuan dagoen U-236 nukleoa eratzen da. Nukleo hori da, eta ez uranio-235 delakoa, zinez zatitzen dena. Fisioaren emaitzak desberdinak izan daitezke. Horrez gain, bi edo hiru neutroi igortzen dira.
Fisio-erreakzioaren energiaren parte handiena oso denbora laburrean askatzen da (10-12 segundotan, gutxi gorabehera). Fisio-zatien energia energia zinetikoa da, baina berehala bero bihurtzen da, fisio-zatien higidura oztopatuta dagoelako. Nukleo bakoitzaren fisioan askaturiko energia 200 MeV ingurukoa da. Bestalde, emaitza erradioaktiboen desintegrazioan ere energia askatzen da. Batzuen erdibizitza oso laburra da, eta energia erreaktorean bertan askatu eta bero bihurtzen da. Azkenik, erdibizitza luzeko produktu erradioaktiboek iraun egiten dute luzaro, eta energia nuklearraren arazo handienetakoa dakarte berekin, hondakin erradioaktiboena hain zuzen ere.
Teknologia
Erreaktore nuklear batean fisio-erreakzio kontrolatua lortu ahal izateko, zenbait baldintza bete behar dira. Lehenik, neutroiak energia-maila egokia behar du nukleoarekin interakzionatu ahal izateko, eta hori isotopoaren arabera aldatzen da. Uranio-235 espeziea, gehien erabiltzen den erregaia, neutroi geldoez bonbardatzen da. Hala ere, badira neutroi lasterrez fisionatzen diren erregai nuklearrak. Neutroi geldoak lortzeko, fisioan askatzen diren neutroien abiadura jaitsi egin behar da. Horretarako, moderatzaile izeneko gaia erabiltzen da. Bestetik, erreaktore gehienetan, kate-erreakzio kritikoa lortu ahal izateko, erregai nuklearrean uranio-235 isotopoaren ehuneko jakin bat behar da, naturako uranioak duena baino handiagoa. Hori lortzeko, aberaste-prozesua burutu behar da. Azkenik, erreakzioaren abiadura behar bezala kontrolatzearren, neutroiak xurgatzen dituen eta, beraz, erreakzioa moteldu edo guztiz geldiaraz dezakeen substantzia bat eskura izan behar da. Substantzia horrekin egiten dira kontrol-barrak, behar denean erregai-multzoaren baitan nahi den mailaraino sar edo atera daitezkeenak (Ik. erreaktore nuklear).
Elhuyar