Fisio nuklearra atomo baten nukleoa bi nukleo txikiagotan edo gehiagotan banatzea ahalbidetzen duen erreakzioa da.Fisioan nukleo arinak ez ezik, azpiproduktu batzuk ere lortzen dira, hala nola neutroi libreak,fotoiak (normaleangamma izpiak) etanukleoaren beste zati batzuk, adibidez,alfa partikulak (helio-nukleoak) etabeta partikulak (energia handiko elektroiak eta positroiak), energia asko lortzen da. FisioaOtto Hahn etaLise Meitner-en aurkikuntza izan zen arren, lehenengoak bakarrik jaso zuen Nobel saria[1].
Elementu astunen fisio nuklearra 1938ko abenduaren 17an aurkitu zutenOtto Hahn alemanak eta haren laguntzaileFritz Strassmann-ek,Lise Meitner fisikari austro-suediarrak proposaturik. Hahnek ulertu zuen nukleo atomikoen "leherketa" bat gertatu zela[2][3]. 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, baierradiazio elektromagnetiko gisa, bai zatien energia zinetiko gisa.
Fisioatransmutazio 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[4][5]. 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 handikoisotopoetan gertatzen da bereziki. Berezko fisioa 1940an aurkitu zutenFlyorov, Petrzha-k etaKurchatov-ek[6] 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 ereenergia nuklearrerako erabiltzen da eta, horrez gain,arma nuklearren leherketarako erabiltzen da. Bi erabilera horiek posible dira erregai nuklear izeneko substantzia batzuenfisio-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 kantitateagasolinaren antzeko erregai kimikoko masa batean dagoen energia askearen kantitatea baino milioika aldiz handiagoa da. Ondorioz, fisio nuklearraenergia-iturri oso boteretsua da. Hala ere, fisio nuklearreko produktuak, batez beste, eskuarki erregai gisa fisionatzen diren elementu astunak baino askozerradioaktiboagoak 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.
Nukleo astunen fisioa prozesuexotermikoa da eta, beraz, energia kantitate handiak askatzen ditu. Ohikoerreakzio kimikoetan askatutakoa baino askoz ere energia gehiago sortzen du prozesuak. Erreakzio horietan,elektroi-azalak daude nahasita. Energia baigamma erradiazio gisa, bai fisioaren zatienenergia zinetiko gisa igortzen da eta, hala, fisioa gertatzen den espazioaren ingurukomateria berotu egiten da.
Fisioa hainbat metodoren bidez eragin daiteke, besteak beste, energia zuzenarenpartikula 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 zenbaitfotoi. 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[7]; isotopo horiek, orduan, desintegrazio-kateen bidez txikiagotzen dira.
Fisioaren produktu gisa jaurtitako nukleo atomikoak hainbatelementu kimiko izan daitezke. Sortzen diren elementuak zoriaren emaitza dira, baina estatistikoki emaitzarik probableena da jatorrizko atomo fisionatuarenprotoi etaneutroi erdiak dituzten nukleoak aurkitzea. Fisioaren produktuak normalean osoerradioaktiboak dira, ez diraisotopo egonkorrak[8]; isotopo horiek orduan gainbehera egiten dute,desintegrazio kateen bidez.
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[9].
Fisio nuklear induzituko gertaera baten irudikapen bisuala.Uranio-235 atomo baten nukleoak mugimendu geldoko neutroi bat xurgatzen du, eta nukleo hori mugimendu azkarreko bi elementu arinagotan (fisio-produktuak) eta neutroi gehigarritan fisionizatzen da. Askatutako energia gehiena fisio-produktuen eta neutroien abiadura zinetiko gisa dago.
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 ezgainbehera esponentzial nahiko konstanteak eta prozesu erradioaktibo espontaneoenbatez 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 isotopoeierregai nuklear esaten zaie, eta fisionagarriak direla esaten da. Erregai nuklear ohikoenak235U (235masa-zenbakia duen eta erreaktore nuklearretan erabiltzen denuranio-isotopoa) eta239Pu (239 masa-zenbakia duenplutonioaren 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 dutefisio espontaneoa, eta haien ordezalfa-beta baten bidez gainbehera egiten dute milaka edo milioika urtetan.Erreaktore nuklear batean edoarma 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 nuklearrakarma termonuklearretan eragindakoak, adibidez).
Fisio nuklearra 1938ko abenduan aurkitu zutenOtto Hahn etaFritz Strassmann kimikariek etaLise Meitner etaOtto Robert Frisch fisikariek. Fisio-prozesuakgamma izpiak sortu eta energia-kantitate handia askatu ohi du, baita desintegrazio erradioaktiboaren energia-estandarretarako ere. Zientzialariek bazekitenalfa desintegrazioaren etabeta desintegrazioaren berri[10], baina fisioak garrantzi handia hartu zuen, kate-erreakzio nuklearra posible zela aurkitzeak energia nuklearraren eta arma nuklearren garapena ekarri zuelako. HahnekKimikako Nobel Saria jaso zuen 1944an, fisio nuklearra aurkitzeagatik.
BerlingoKimikako Kaiser Wilhelm Institutuko Hahn eta Strassmannek uranioa neutroi geldoekin bonbardatu zuten[11], etabarioa sortu zela jakin zuten. Hahnek nukleoaren leherketa iradoki zuen, baina ez zegoen ziur zein zen emaitzen oinarri fisikoa. Hilabete batzuk lehenagoAlemania 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 etaNaturen 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 urtezerradioaktibitatearen 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 taldeakausenio etahesperio deitu zien, gaur egungoneptunioa etaplutonioa[12]. FermikFisikako Nobel Saria irabazi zuen 1938an, «neutroien irradiazioak sortutako elementu erradioaktibo berrien existentziaren frogapenengatik eta neutroi geldoek eragindako erreakzio nuklearren aurkikuntza erlazionatuagatik»[13]. 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, etaAristid von Grossek iradoki zuen Fermiren taldeak aurkitu zuenaprotaktinioaren 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 etaJohn Wheelerektanta likidoaren eredua berregin zuten, fisioaren mekanismoa azaltzeko.
Proiektuaren jatorrian,Alemanianazia bere kabuz horrelako armak ikertzen ari zenAliatuen beldurra zegoen. Nahiz eta hasiera batean ikerkuntza programa txikia zen, 130.000 lagunek baino gehiagok egin zuten lan horretan, eta garaiko 2.000 miloidolarreko kostua izan zuen.Lodia
Nukleo astun baten fisioak 7-8 milioielektronvolteko (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 apartekoneutroi 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[14][15]. 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 neutroiarenenergia 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 bateanerreaktore nuklear batean gertatu, edozein fisiok sortutako fisio-neutroien frakzio txikiegi batek energia nahikoa baitu U-238a modu eraginkorrean fisionatzeko[16].
Elementu astunaktinidoen 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 horiPauliren esklusio-printzipioaren emaitza da. Horri esker, neutroi gehigarri batek nukleoko azken neutroiarenorbital 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 dirauranio-235 etaplutonio-239.
Fisio-gertaera tipikoek berrehun milioi eV-ko (200 MeV) energia askatzen dute, hau da, 2 bilioiKelvin inguruan, fisio-gertaera bakoitzean. Fisionatzen denisotopo zehatza fisionagarria edo fisiblea izateak ala ez izateak eragin txiki bat besterik ez du askatutako energia kantitatean. Hori erraz ikus daitekelotura-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 nolaikatza erretzeak , eVs gutxi batzuk askatzen dituzte gertaera bakoitzeko. Beraz, erregai nuklearrak erregai kimikoak baino hamar milioi aldiz energia erabilgarri gehiago dumasa-unitate bakoitzeko. Fisio nuklearraren energia fisio-produktuen eta zatien energia zinetiko gisa askatzen da, etagamma izpien formakoerradiazio elektromagnetiko gisa; erreaktore nuklear batean, energia bero bihurtzen da, partikulek etagamma izpiek erreaktorea osatzen duten atomoekin eta haren lan-fluidoarekin talka egiten dutenean, normaleanfluido hori ura izaten da, baina batzuetan,ur astuna edo gatz urtua izan daiteke.
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 dezakefisio-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 etaboroak 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 edotakarbonoa bide dira.Enrico Fermi etaLeó 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.
↑Byrne, J.. (2011). Neutrons, nuclei, and matter: an exploration of the physics of slow neutrons. (Dover ed. argitaraldia) Dover Publications ISBN978-0-486-48238-5. (kontsulta data: 2025-12-01).
