Fizija i fuzija

1. Час 58. Нуклеарна Фисија и нуклеарна фузија
НУКЛЕАРНА ФИСИЈА
Фисија је процес цепања ( деобе ) тешког атомског језгра при чему се део масе тог језгра
претвара у енергију.Спонтанафисијасе јавља веомаретко.Постоје процеси-нуклеарне реакције
који могу да изазову цепање језгра.
Цепање језгране може да се извршиелектронимајерсупоредосталогвеомамале масе. Протони
имају довољну масу, али су позитивно наелектрисани па их језгро одбија ( пошто је и оно
позитивно наелектрисано). Да би се језгро могло разбити протонима, они треба да имају велику
брзину, што уноси посебне потешкоће.
За цепање језгранајпогоднијисунеутрони,јерсуелектронеутралнииимајудовољновеликумасу.
Разбијање језгранајбоље се постиже споримнеутронима.Затосе неутронипретходнопропуштају
кроз супстанцију која их успорава. Ови успоривачи неутрона називају се модератори. То су
најчешће графит, тешка или обична вода.
Цепање је последица бомбардовања језгра неутроном, при чему долази до захвата
неутрона. Последица је да језгро прелази у јако нестабилно стање које изазива његову
деобу на најчешће два или ретко на три мања и неједнака језгра, при чему бива
емитовано 2 до 3 неутрона и велика количина енергије у виду свих електромагнетних
таласа, али највише у виду - зрака.

2. Ова два новонастала језгра имају редне бројеве који стоје у приближном односу 3 : 2.
Вероватноћа да однос редних бројева буде заначајно другачији је изузетно мала.

3. Фисији нису склона сва тешка језгра. Од оних која се најчешће употребљавају су: уран-
235, плутонијум-239 и торијум-232.
Пример - фисије уранијума-235 онако како се она реално дешава:
EnBaLanU  1
0
83
35
150
57
1
0
235
92 3
EnRbCsnU  1
0
94
37
140
55
1
0
235
92 2
У општем случају:

4.   EnYXnU A
Z
A
Z  1
0
1
0
235
92 322
2
1
1
Оно што је ову реакцију учинило употребљивом за производњу енергије је емисија
неколико неутрона који могу изазвати нова цепања и тако отпочети ланчану реакцију, која
омогућава да овај процес када се једном започне траје све док има језгара за нова
цепања.
Неутрони који су изашли из првог разбијеног језгра погађају друга и изазивају њихово
цепање. Затим неутрони из ових језгара ударају у суседне и тд. Тако настаје ланчана

5. реакција. Ова реакција је врло брза. Цепање језгара атома садржаних у 1kgU235 изврши се
за неколико милионитих дела секунде.
За одржавање ланчане реакције, осим успоравања неутрона, потребно је да се обезбеди
и довољна количина фисионе супстанце (U235), јер би у супротном неутрони излетали
напоље и ланац би се прекинуо. Та минимална маса фисионе супстанце, која омогућава

6. ланчану реакцију, назива се критична маса. Она није константна, већ зависи од врсте
урана, релативне количине модератора и присуства примеса које апсорбују неутроне. Ако
је маса мања од критичне, неутрони се губе већом брзином него што се надокнађују
фисијом, па ланчана реакција не може да се одржи.
Ослобођена енергија је огромна:
при цепању једног језгра урана oслобађа се енергија око 200 МеV (1eV=1,6 10-19J)
енергија 1kgU235 = енергија 3000 тона угља
енергија 1kgU235 = енергија 2000 тона нафте
Када је реакција ланчана, онда се дешава огроман број цепања језгара, па се добија
велика енергија.
Неутрони који одржавају ланчану реакцију у реакцији фисије су природно врло брзи, па их
је потребно успорити, али такође и смањити њихов број да не би дошло до
неконтролисаног убрзавања реакције, које би на крају довело до експлозије нуклеарног
реактора. За успоравање неутрона служе тешка вода, графит и нека једињења
берилијума, а за апсорпцију вишка неутрона служе бор и кадмијум. Међутим ланчана
реакција може почети и да се гаси, па због тога у реакторима постоје огледала за враћање
неутрона у фисионо гориво. Ова рефлектори неутрона су обично од берилијума.
Очигледно је да се атомској бомби успоравање и апсорпција неутрона не врше, али се
зато користе рефлектори неутрона.

7. Постоје и други процеси при којима се ослобађа огромна енергија, али се не могу
употребити у комерцијалне сврхе. Један такав процес је:
QHeHepLi  4
2
4
2
1
1
7
3 .
Међутим реакција не продукује нове протоне који би успоставили ланчану реакцију, па се
литијум мора непрекидно бомбардовати из спољашњег извора протона, а при томе тек
сваки милионити протон погоди језгро литијума, тако да се у енергетском смислу процес
не исплати. Као податак – трансформацијом само 7 грама литијума у хелијум, овим
процесом, ослобађа се топлота једнака топлоти која би се ослободила при сагоревању 50
тона каменог угља.

8. Додатак 1:
До открића процеса нуклеарне фисије дошло је пред почетак Другог светског рата.
Научници су покушавајући дапомоћу "додавања" неутрона добију језгра са редним
бројем већим од 92, открили присуство лакших елемената. Једини начин да се то објасни
је прихватање могућности цепања језгра урана на језгра лакших елемената, када оно
захвати неутрон.
У то време главна Фермијева идеја је била да добије елементе теже од урана, тако што би
уран излагао флуксу неутрона, при чему би и изотопи урана, као и сви остали, захватом
неутрона постали бета минус радиоактивни изотопи урана. Такав њихов распад би их
затим трансформисао у изотопе елемента редног броја 93, који не постоји у природи и
који би био први трансуран (сви елементи тежи од урана једним именом зову се
трансурани). Идентификација оваквог исхода се међутим показује врло сложеном и
тешком јер захтева препознавање хемијског понашања врло мале количине створене
супстанце. У покушајима да установи исход озрачавања урана неутронима врло близу
успеха био је, радећи са Иреном Кири у Паризу и наш Павле Савић. Но Берлински тим, на
челу са Ото Ханом, све је изненадио када је, непосредно пред други светски рат, објавио
да је у продуктима овог озрачавања препознао лантан и баријум, елементе са средине
периодног система. Чланови његовог тима, Лиза Мајтнер и Ото Фриш, који су били Јевреји
и на време избегли у Шведску односно Данску, одмах су схватили да се овде ради о
цепању урановог језгра на два дела које је индуковано захватом неутрона, и тај процес
назвали фисијом. Недуго затим, када је схваћено да откриће овог процеса пружа дотад
невиђене могућности за ослобађање огромних износа нуклеарне енергије, све што је
имало икакве везе са нуклеарном физиком проглашено је државном тајном, и током
следећих десет година ниједно откриће из те области није објављивано.

9. У децембру1938. године немачки физичариОто ХаниФриц Штрасмансу објавили
експерименталне резултате бомбардовања атомаурана неутронима. Међутим, у овом
открићу многи неоправдано занемарују улогуЛисе Мајтнеркоја је, због опасности по
живот, пребегла из Немачке.
Ото Хан је добитник јеНобелове награде за хемију1944. за ''откриће цепања (фисије)
тешких атомских језгара''.
Додатак 2: Осиромашени уранијум
Уран је природни елеменат који се налази свуда око нас. На 1 тону земљишта просечно
долази 0.5-5g природног урана. На оним местима где га има више од 0.1 % економично је
отварање рудника урана јер је он основно гориво нуклеарне енергетике. Да би се уран
могао комерцијално користити, неопходно је извршити његову концентрацију. Природни
уран (уранијум) се јавља у облику 2 изотопа U-235 (мање од 1%) и U-238 (преко 99%), који
су у хемијском погледу исти, а разликују се само по нуклеарним карактеристикама.
Изотоп U-235 подлеже спонтаном раздвајању језгра под утицајем термичкихнеутрона.
Изотоп U-238 прима неутроне услед чега се претвара у Pu-239 (плутонијум).Уран U-235
(односно онај који се користи у комерцијалне сврхе) емитује највише гама зраке, а уран U-
238 највише зрачи у алфа спектру.
Повећавањем садржаја U-235 у односу на U-238 назива се обогађењем, а супротно
осиромашењем. Осиромашени уран је у ствари уран у коме се налазе најмање количине
U-235, а највећи удео је U-238. Осиромашени уран је, у вештачким условима, нуклеарни
отпад, остатак од урана који је коришћен у нуклеарним централама. У свету га има око
милион тона.Алфа зраци које емитује осиромашени уран су знатно краћег домета (свега

10. неколико милиметара од честице-извора зрачења) али су зато 20 пута опасније за живе
организме када дођу у контакт са ткивом. Осиромашени уран је веома опасан, зато што је
радиоактиван и зато што је отрован.
Муниција на бази осиромашеног урана намењена је за гађање противничких тенкова и
склоништа. Реализује се у више различитих калибара (од 7.6mm па и преко 120mm). Битан
део ове муниције је ударна игла (пенетратор) направљена од легуре у којој је доминантно
присуство осиромашеног урана. Формални разлог коришћења овакве муниције је
објашњење да је осиромашени уран најтежи природни елеменат (1,7 пута је тежи од
олова) те да ће се његовом уградњом на врх гранате добити њена већа пробојност.
Прећуткује се, међутим, да се на овај начин земље произвођачи оваквог оружја
ослобађају огромних количина нуклеарног отпада отварајући тако нови вид савременог
нуклеарног ратовања. До југословенског рата је најчешћа била примена муниције калибра
30mm, која се испаљује из топова са авиона A-10, AV–8B HARRIER, или из тенкова.
Поменутим калибром 30mm пробија се челик дебљине до 6-7cm. У њему има 292g
осиромашеног уранијума.
Поред чисто механичког дејства, муниција на бази осиромашеног урана, због
радиоактивности урана има и радиолошко дејство на људе, као и утицај на животну
средину. За процену овог дејства битно је уочити шта се дешава са ударном иглом у
тренутку удара о чврсту мету каква је тенк или нека бетонска структура. На месту погодка
појављују се:
 остаци великих (десетине грама) комада ударне игле;
 остаци малих (грами) парчића ударне игле;
 крупни честице (преко 10m);
 аеросолне честице настале сагоревањем дела ударне игле.

11. Прве три врсте честица сачињене су од металног урана (са додацима ретких метала),
релативно су тешке и падају у непосредној околини (десетак метара). Ове честице могу
интензивно реаговати са течностима у околини и на тај начин загадити површинске и
дубинске воде као и само земљиште.
У случају чеоног погодка мете, на месту удара јављају се високе температуре – око 12000C.
Метални уран гори на 700 степени Целзијуса. Део ударне игле (5-70%) гори па настају уран
диоксид, уран триоксид и U3O8.
Због наглог хлађења долази до процеса формирања аеросола односно фине уранијумске
магле. Највећи број ових честица је веома мали и има пречник испод 2.5m. Процес
хлађења је такав да ова уранијумска магла има честице у керамичкој форми које имају
малу растворљивост у води и телесним течностима. Од овога битно зависи механизам
деловања ових аеросола на живи свет. Највећи број насталих честица и аеросола пада на
земљиште у непосредној околини места погодка. На растојањима већим од 200m њихов
број је мањи, иако се прецизним мерењима могу констатовати и на удаљеностима од
више десетина километара јер се, обзиром на своју малу димензију, честице се лако
разносе ветром.
Штетно дејство осиромашеног урана може бити изазвано спољaшњим или унутрашњим
озрачењем. Спољашње озрачење је значајно, пре свега, у случајевима када се цела
ударна игла или њен део нађе у близини људи. Уколико се оваква ударна игла налази
непосредно у контакту са кожом, због присуства алфа и бета зрачења могуће су промене
на кожи. Овакви случајеви су ретки и могу се избећи.

12. Унутрашње озрачење се знатно теже избегава и много је опасније. Основну опасност
представља удисање честица у непосредној околини погођеног објекта. Међутим, треба
имати у виду да ситне честице урана продиру у земљу и воду и на тај начин индиректно и
дугорочно контаминирају читав ланац исхране. Време полураспада осиромашеног урана
је 4,5 милијарди година што практично значи да уран остаје вечно. Највећу количину
осиромашеног уранијума у организам уносе војници и људи који су се нашли у
непосредној околини погођеног места у тренутку удара. Није искључено да су у тим
случајевима удахнули и стонине грама осиромашеног уранијума. Једном унешен у
организам, уран угрожава ткива у директном контакту где су најизложенији јетра, бубрези
али и други витални органи, укључујући плућа, кичмену мождину, итд. Инхалирани
аеросоли имају растворљиву и нерастворљиву компоненту. Од растворљиве компоненте
осиромашеног уранијума могуће су акутне последице изазване хемотоксичношћу урана
односно последице тровања. Последице радиотоксичности могу довести до ризика од
канцера. Овај ризик износи око 5% по сиверту (0.05% по милисиверу). Поређења ради,
укупан ризик од смрти услед канцера износи 20%.
У каснијим фазама после удара, нарочито при санирању последица, није искључено и
додатно удисање честица из околине места удара. Разлог је подизање радиоактивне
прашине са земљишта изазвано ветром или кретањем возила. Еквивалантне дозе у овим
случајевима су мање и тешко могу прећи десетину микросиверта.
Уколико је мета промашена, мали проценат осиромашеног уранијума прећи ће у фазу
нерастворљивих аеросола. Метални уран ће се наћи у земљишту где је могућа реакција са
водом. У зависности од геолошке ситуације лако је могуће загађење чак и подземних
вода. Ово мора да се детаљно изучи на свакој локацији посебно.

13. Удисање честица осиромашеног уранијума се повезује са дугорочним последицама на
здравље, укључујући обољења од рака, генетске деформације, неуролошка обољења,
обољења бубрега и оштећење имуног система. Ови ефекти могу да се јаве тек неколико
година после контаминације.
ФУЗИЈА - ТЕРМОНУКЛЕАРНЕ РЕАКЦИЈЕ
Нуклеарнаенергијаможе дасе ослободии при спајањуатомских језгара лаких елемената у једно
ново, теже атомско језгро. Ова процес се назива нуклеарна фузија.
Да би се остварилануклеарнафузија, укојој се лакшајезграспајајуу тежа,потребно је да се језгра
доведу на врло мало растојање (мања од 10-15
метара).Тада међу њима почиње да делује
привлачна јака нуклеарна сила. Али, пошто су језгра наелектрисана позитивно, потребно је
савладати огромнуКулоновусилуодбијањаистоимених наелектрисања(Кулонова баријера), која
је утолико већа уколико су растојања међу честицама мања. Један од услова је да се честице
крећу великим брзинама, од више стотина километара у секунди. Такве брзине могу се
реализовати на температурама које су реда величине 107
К (термонуклеарна фузија). Уколико су
термалне брзине мале, честице ће се расејавати пре него што доспеју до растојања на којима
привлачнасила постаје јачаод одбојне Кулонове силе.Зафузијудва протонапотребне суенергије
од 1MeV. Гас може да има и више температуре, при чему ће већи број честица (протона)
учествовати у реакцији.
Пример:
- Два протона и два неутрона би могли да образују језгро хелијума, али је потребно да се та
четири нуклеона приближе један другом на врло мало растојање, јер на том малом растојању
делују привлачне нуклеарне силе неопходне за формирање језгра.

14. - Једна реакција фузије која обећава је стапање тешких изотопа водоника, деутеријума и
трицијума. У реакцији настаје језгро хелијума и један неутрон, а ослобађа се огромна количина
енергије.
Коришћење нуклеарнефузије оствареноје досадасамо у термонуклеарнимбомбама –водоничне
или хидрогенске.
Процесифузије непрекиднотекууунутрашњости звезда. У звездама владају велике температуре
и огромни притисци. При оваквим условима у звездама не постоје ни атоми ни молекули, већ
само огољенајезграи слободниелектрони.Овакво,посебностање супстанције назива се плазма.
Фузија се у природи дешава у звездама, које на тај начин производе енергију. Када настану,
звезде се састоје углавном од водоника, а његовом фузијом у хелијум звезда производи енергију
док се налази у својој стабилној фази.
Следећа релација би била најједноставнији пример фузионе реакције:
EHeHH  4
2
2
1
2
1 .
Са Е је обележена енергија која се ослобађа при овом процесу.
У процесу нуклеарне фузије два лака језгра у једно ново језгро ослобађа се већа енергија по
једном нуклеону него при нуклеарној фисији.

15. Пример: Стварање језгра хелијума фузијом деутеријама и трицијума уз ослобађање неутрона:
nHeTD 1
0
4
2
3
1
2
1 
Укупна енергија ослобођена у овој реакцији износи око 17,6MeV, односно 3,5MeV по нуклеону.
При фисији језграатома уранаиздваја се укупнаенергија око 200MeV, што износи око 0,85MeV по
нуклеону. Значи, при фузији се ослобађа око четири пута већа енергија по нуклеону.
Да би дошло до реакције фузије потребно је да се почетно гориво налази у условима изузетно
високе температуре и огромног притиска.
Поштоуслове који владају у средишту звезда не можемо да створимона Земљи, оно најбоље што
можемода урадимојесте да убрзамошто већиброј језгараи да их притоме међусобносударамо.
Стање материје коју чине атомска језгра у том случају називамоплазмом. У таквим сударима
може доћи до фузије, али још нијепознато како би се брза језгра која чине плазму могла држати
наокупу.
Немогућностефикасногзадржавања плазме у термонуклеарним реакторима основни је проблем
изградње нуклеарнихреактора на принципу фузије.
Током последњих деценија било је више покушаја да се направи токамак, уређај који магнетним
пољем задржава плазмуу облику торуса (облик аутомобилске гуме или ђеврека).
Процењује се да је тај облик најпогоднији за контролисање плазме укојој се одвија фузија, али је
изградња таквог уређаја повезана свеликим технолошким проблемима.

16. Године2010. отпочета је изградња највећег светског токамакау местуКадараш у Француској.
Требало би да енергија добијена фузијом по килограму утрошеног горива буде много већа него
код фисионих реактора. Ипак, основне предности фузије у односу на друге изворе енергије били
би много мање загађење околине инеупоредивовеће залихегорива(деутеријума или литијума).
С данашњом потрошњом електричне енергије литијума има довољно за сто милиона година, а
деутеријума за још много више.
У фузионим ( водоничним,хидрогенскимилитермонуклеарним) бомбамапотребнапочетна
температураипочетнипритисаксе стварајуексплозијомфисионе ( атомске,уранијумске,
плутонијумске илинуклеарне ) бомбе,каоупаљача.