Soarele și stelele sunt surse de energie aparent inepuizabile. Această energie este rezultatul reacțiilor nucleare, în care materia este transformată în energie. Am fost capabili sa valorificăm acest mecanism și să îl folosim în mod regulat pentru a genera energie. În prezent energia nucleară furnizează aproximativ 16% din electricitatea lumii.

Spre deosebire de stele, reactorii nucleari, despre care vom discuta, au la bază fisiunea nucleară. Oamenii de știință muncesc din greu pentru a construi reactori de fuziune care au capacitatea de a produce mai multă energie, cu mai puține dezavantaje decât reactorii de fisiune.

Figurile de mai sus arată o centrală nucleară și camera de reacție a unui reactor de fuziune de tip Tokamak.

Nucleele atomice eliberează excesul de energie atunci când au un mijloc de a realiza acest lucru. De exemplu, un izotop radioactiv poate elibera spontan energie în timpul dezintegrării radioactive. Uneori nucleul are nevoie de un stimul extern însă pentru a elibera energie.

Fisiunea Nucleară (divizarea nucleelor) și Fuziunea Nucleară (combinația nucleelor) sunt procese nucleare care conduc la eliberarea energiei care nu mai este necesară în nucleul rezultat după ce aceste procese au avut loc.

Energia nucleară care este eliberată în procesele nucleare poate fi calculată cu ajutorul defectului de masă dintre nucleul de origine și produsul lui de reacție. Faimoasa relație energie-masa a lui Einstein, E=mc², ne permite sa calculăm variația de energie ∆E a nucleului atunci când măsurăm variația de masă ∆m a nucleului.

Termenul “fisiune” înseamnă “divizare”, așadar în procesul de fisiune nucleară divizarea nucleelor atomice produce nuclee mai mici și elemente diferite. Atunci când are loc fisiunea nucleară, masa produșilor de reacție este mai mică decât cea a nucleului inițial sau a particulelor care interacționează și astfel are loc eliberarea energiei care a ținut nucleele inițiale împreună. Acest lucru are loc în elementele cu nuclee grele (ca uraniul).

În același context cuvântul “fuziune” înseamnă combinarea nucleelor. În fuziunea nucleară masa totală a produsului de reacție (numit tot nucleu fiică) este de asemenea mai mică decât cea a nucleului inițial sau a produșilor care au interacționat, chiar dacă s-au combinat două nuclee. Acest lucru se datorează faptului că e necesară mai puțină energie pentru atomii cu nuclee mai ușoare (elemente precum heliu) pentru a fi legați împreună, fuzionați, decât dacă ar exista separați. Prin urmare energia este eliberată atunci când are loc fuziunea nucleelor ușoare. Fuziunea nucleară este mult mai frecventă în natura decât fisiunea și este cel mai ușor de obținut în cazul elementelor ușoare precum hidrogen, heliu și carbon.

În general, dacă un nucleu este format prin “lipirea” nucleonilor, masa lui este mai mică decât cea a nucleonilor inițiali liberi. Acest efect este cunoscut sub numele de defect de masă.

Energia nucleară este eliberată sub forma de energie cinetică a particulelor produse și de asemenea ca radiație electromagnetică (radiații gama). Particulele de mare energie se ciocnesc cu atomii din materialul înconjurător, încetinind, în timp ce transferă energie particulelor cu care se ciocnesc. Astfel se produce încălzirea materialului înconjurător și este motivul pentru care o bucată dintr-un material radioactiv este în general mai cald decât mediul care îl înconjoară.

Unitatea de măsură a energiei în Sistemul Internațional (SI), Joule-ul (J), este prea mare pentru a măsura energia eliberată de un singur nucleu. În domeniu se utilizează frecvent MeV-ul (un milion de electron volți), unde 1 MeV=10⁶ eV și 1 eV=1.602177 * 10^-19 J.

Procesul nuclear prin care este eliberată cea mai mare cantitate de energie este fisiunea unui nucleu greu. De exemplu, când un singur nucleu de ²³⁵U fisionează este eliberată o cantitate de energie de 200 MeV. Această cantitate de energie este foarte mare după cum se poate vedea din comparații:

1. energia eliberată când un singur atom de carbon este ars în aer este aproximativ 4 eV (NU MeV), de aproximativ 50 de milioane de ori mai mică!
2. energia eliberată în dezintegrările alfa sau beta este de ordinul a câțiva MeV
3. energia eliberată în fuziunea nucleară este de ordinul a 20 MeV.

Cea mai relevantă comparație este prima, între energiile atomice sau moleculare și energiile nucleare. Primele sunt de un milion de ori mai mici decât cele nucleare. Acesta este motivul pentru care se poate obține de un milion de ori mai multă energie din uraniu decât din aceeași greutate de cărbune.