Lenergia nuclear és una de les fonts denergia més potents del món. Generalment s'utilitza en grans centrals nuclears per generar electricitat a gran escala. Tot i això, pocs coneixen els processos que permeten transformar nuclis d'àtoms en energia pràctica per a la vida diària. En termes generals, aquesta energia es genera a partir de dos processos diferents: fissió nuclear y fusió nuclear.
En aquest article, aprofundirem en el procés de fissió nuclear, explicant com es genera aquest tipus d'energia, quin és el mecanisme, i en què es diferencia de la fusió nuclear, entre d'altres temes clau.
Què és la fissió nuclear?
La fissió nuclear és un tipus de reacció nuclear en què el nucli d'un àtom pesant es divideix en nuclis més lleugers i allibera una gran quantitat d'energia en el procés. Aquesta energia és la que posteriorment es transforma principalment en electricitat en el cas de les plantes nuclears.
En aquest procés, un neutró col·lisiona amb el nucli d'un àtom inestable, com el urani-235 o el plutoni-239. En captar aquest neutró, el nucli es torna encara més inestable i es divideix, alliberant neutrons addicionals i energia en forma de calor i radiació.
Aquests neutrons addicionals poden, al seu torn, provocar més reaccions de fissió en xocar amb altres nuclis inestables, mantenint una reacció en cadena que, si no es controla adequadament, pot generar un alliberament massiu denergia de forma destructiva. Aquest és el principi bàsic que permet operar un reactor nuclear.
Un sol nucli fissionat pot generar milions de vegades més energia que una reacció química típica, com ara cremar carbó o gas. Aquest rendiment energètic impressionant és el motiu pel qual l'energia nuclear és una opció tan atractiva per a la producció d'electricitat.
Reacció en cadena
Quan es produeix una fissió nuclear, s'alliberen diversos neutrons (generalment entre dos i tres). Aquests neutrons poden continuar interactuant amb altres nuclis fissionables propers, provocant més fissions i, en conseqüència, alliberant encara més neutrons i energia. D'això se'n diu reacció en cadena.
Perquè una reacció en cadena sigui sostenible, cal que almenys un dels neutrons alliberats per la fissió inicial provoqui una nova fissió. Si aquesta condició es compleix, la reacció pot continuar de manera controlada. Aquest és el principi de funcionament de els reactors nuclears.
Un dels grans desafiaments de les centrals nuclears és poder controlar aquest procés. Massa fissions seguides poden causar un alliberament sobtat d'energia, mentre que molt poques fissions fan impossible generar prou energia. Els reactors nuclears estan dissenyats per mantenir aquest equilibri mitjançant l'ús de moderadors i barres de control que absorbeixen neutrons quan cal.
Diferències entre fissió i fusió nuclear
Tant la fissió com la fusió alliberen energia continguda al nucli d'un àtom, però el mecanisme darrere de cadascuna és molt diferent.
En l' fissió nuclear, un nucli pesat es divideix en nuclis més petits, com es va esmentar abans, mentre que a la fusió nuclear, el procés és invers: nuclis lleugers, generalment d'hidrogen, es fusionen per formar-ne un de més pesat, alliberant una quantitat colossal d'energia.
Exemple de fissió:
Quan un neutró impacta amb un àtom de urani-235, l'àtom es divideix en dos nuclis més lleugers, bari-144 i criptó-89, alliberant tres nous neutrons i una gran quantitat denergia. És un procés altament controlat a les plantes nuclears.
Exemple de fusió:
Al Sol, nuclis d'hidrogen es fusionen constantment per formar nuclis d'heli, alliberant enormes quantitats d'energia en forma de llum i calor. Tot i això, les condicions necessàries per a una reacció de fusió a la Terra són extremadament difícils d'assolir a causa de la necessitat de temperatures de milions de graus i altes pressions. Tot i dècades de recerca, la fusió nuclear controlada encara no s'ha aconseguit de manera comercial viable.
massa crítica
La massa crítica és la quantitat mínima de material fissionable necessària perquè una reacció en cadena sostinguda sigui possible. Si la massa emprada és menor a la crítica, els neutrons alliberats a cada fissió es perdran abans de provocar noves fissions i la reacció s'aturarà.
La massa crítica depèn de diversos factors com la puresa de l'material, la geometria del mateix i si està envoltat per materials reflectants de neutrons, que disminueixen les pèrdues.
Un exemple és que els reactors nuclears solen estar dissenyats en forma esfèrica o cilíndrica per mantenir la quantitat de neutrons dins del sistema durant el major temps possible i assegurar que la fissió continuï sosteniblement.
Fissió nuclear espontània
La fissió nuclear espontània és un fenomen menys comú però important en què un nucli es divideix sense la intervenció d'un neutró incident. Això passa en isòtops molt inestables com el plutoni-239.
Tot i que les probabilitats que passi espontàniament són baixes, aquest fenomen té implicacions en la gestió de materials nuclears i en la seguretat dels reactors.
Aquest tipus de fissió pot donar lloc a l'emissió de radiació i representa un perill potencial si no es gestiona correctament, ja que podria iniciar reaccions no desitjades si s'assoleixen condicions correctes.
És per això que la seguretat a les plantes nuclears és clau per evitar incidents i desastres com els ocorreguts a Txernòbil o Fukushima.
La fissió nuclear continua sent una de les principals tecnologies per a la producció d'energia al món, especialment a causa de la seva capacitat per generar grans quantitats d'electricitat amb una petjada de carboni limitada.