3. Pireva – Reaksionet dhe Energjia Bërthamore
Hyrje
Fizika është bazë e teknikës dhe e shumë shkencave të tjera natyrore. Pa njohjen mirë të
parimeve të fizikës nuk mund të kuptohen, e as të përdoren me sukses asnjë aparaturë apo
instrument elektronik.
Teknologjia bërthamore është njëra ndër shkencat aplikative më të rëndësishme.
Këtu në radhë të parë, mendohet në prodhimin e energjisë bërthamore dhe aplikimet e
llojllojshme të izotopeve radioaktive .
Aplikimi i izotopeve në teknikë, në bujqësi dhe në mjekësi sot ka rëndësi të madhe. Për
energjetikën bërthamore mund të thuhet se është duke u zhvilluar me një tempo
fundamentale. Në vendet e zhvilluara ku ndihet mungesa e burimeve të energjisë
konvencionale energjia bërthamore është bërë pothuajse burim kryesor.
Fizika bërthamore merret me studimin e ligjeve të fizikës, të cilat janë bazë e teknologjisë
bërthamore.
Viti 1932 është një ndër vitet më të rëndësishme për zbulime të reja të fizikës bërthamore.
Kështu, Çedviku zbuloi neutronin (përbërja neutrale e bërthamës), Urej zbuloi deutronin
kurse Andersoni pozitronin (grimcën pozitive me masë të njëjtë me atë të elektronit).
Po në këtë vitë Kokrofti dhe Valtoni shkaktojnë zbërthime bërthamore, duke përdorur
protonet nga akcelatori i tyre.
Gjatë viteve të tridhjeta hulumtohen zbërthimet bërthamore.
Hipoteza e Paulit për neutrinon (1933), teoria e Fermit për zbërthimet beta (1934), teoria
e forcave bërthamore, janë disa prej zbulimeve më kryesore të fizikës bërthamore.
Viti 1939, kur u zbulua fisioni bërthamor, merret si fillimi i teknologjisë bërthamore.
Periudha e re e zhvillimit të fizikës bërthamore fillon me zbulimin e ũ-mezoneve (1946).
1. Protonet dhe Neutronet
Atomi përbëhet prej bërthamës së vogël të ngarkuar pozitivisht (me rreze 10-15 m) e cila
është rrethuar në një distancë relativisht të madhe 10-10 m, me një numër të elekroneve si
në figurën 1. Sipas Raderfordit: “atomi përbëhej nga bërthama që ishte e rrethuar nga
elektronet që gjenden në orbita të caktuar...”
Figura 1 – Struktura e atomit
3
4. Pireva – Reaksionet dhe Energjia Bërthamore
Idenë e parë shkencore mbi strukturën e bërthamës atomike për herë të parë e dha
shkencëtari i njohur gjermanë V. Hajzenberg më 1932. Sipas tij, bërthama atomike
përbëhet nga protonet dhe neutronet.
Në mes të bërthamës dhe elektroneve ka hapësira boshe. Në gjendje natyrore atomi është
elektroneutral sepse bërthama përbman një numër të protoneve që është e barabartë me
numrin e elektroneve .
Ernest Raderfordi arriti të zbuloj grimcat pozitive të ashtuquajtura protonet për të cilat i
përshkroi këto veti:
Atomi përbëhet nga një bërthamë, e cila është e ngarkuar pozitivisht, ku është
përqëndruar thuajse e gjithë masa e atomit dhe rreth e rrotull saj sillen në orbita të
veçanta elektronet negative. Masa e kësaj grimce është përafërsisht sa masa e atomit të
hidrogjenit dhe përmbanë një njësi të ngarkesës elektrike elementare pozitive, pra protoni
(1p1 ose p) paraqet atomin e hidrogjenit, d.m.th. jonin pozitiv të hidrogjenit:
p=1 H1= H+
Masa e atomit të hidrogjenit të jonizuar (protonit) është rreth 1837 herë më e madhe se sa
masa e elektronit.
Nëse për një njësi të ngarkesës së elekronit merret ngarkesa prej 1.602189 x 10-19 C,
atëherë ngarkesa e protonit është +1. Masa e protonit përafërsisht është e barabartë me
masën e neutronit, që ka vlerë 1.007596 NjAM (njësia e masës elektrike).
Protoni në përbërje të bërthamës mund të trasformohet në neutron, pozitron dhe
neutrino1. Në gjendje të lirë protoni është stabil por në disa kushte energjetike mund të
shëndrrohet në një neutron dhe një elektron pozitiv:
1 1 0
1p → 0 n + +1e
Nga kjo rrjedh se protoni dhe neutroni mund të shëndrrohen mes vete, të cilat së bashku
paraqesin përbërsit kryesor të bërthamës së atomit. Në disa raste për shkak të aspekteve
kuantike të grimcës së njëjtë, ato marrin emrin e përbashkët nukleon. Ky emërtim tregon
grimcat përbërëse të bërthamës por jo edhe numrin e saktë të protoneve dhe neutroneve.
Ndërsa nuklid quhet bërthama atomike që kryesisht karakterizohet me:
Numrin atomik Z, i cili paraqet numrin e ngarkesave elementare pozitive të bërthamës,
pra paraqet numrin e protoneve që marrin pjesë në strukturën e bërthamës, numrin
rendor në sistemin periodik të elementeve si dhe paraqet numrin e elektroneve në
mbështjellsin elektronik të atomit. Numri atomik vendoset në anën e majtë, poshtë
simbolit kimik të elementit. Dhe me numrni e masës A, që paraqet numrin e përgjithshëm
të nukleoneve, që marrin pjesë në përbërjen e bërthamës.
Pra:
A(nukleone) = N(neutrone) + Z(protone)
Numri i masës shkruhet lartë te simboli kimik. Nëse me X shënojmë simbolin kimik,
atëherë nuklidi paraqitet në këtë mënyrë:
A A
ZX ose shkurt X
Ngarkesa elektrike e bërthamës është:
q b = Ze,
ndërsa ngarkesa elektrike e mbështjellësit elektronik të atomit është
q mb = - Ze,
ku “e” është ngarkesa elektrike elementare.
1
Zbërthimi beta pozitronik
4
5. Pireva – Reaksionet dhe Energjia Bërthamore
Spini i protonit dhe i neutronit është:
s=½ħ
Rrezja e bërthamës së atomit përafërsisht mund të përcaktohet me ndihmën e formulës:
R = R0 3√A ,
ku R0 është:
R0 = (1.2-1.3) x 10 -15
dhe A- numri i masës.
Deri tash njihen afro 1800 nuklide, prej të cilave shumica janë fituar në mënyrë artificiale
dhe zakonisht nuk janë stabile.
Më 1919, Raderfordi arriti që duke vepruar në grimca-α, të bënë transformimin e
atomeve të azotit në atome të oksigjenit dhe hidrogjenit.
Ky shëndrrim i bërthamave zhvillohet sipas skemës:
4 14
2He + 7N → 8O17 + 1p1
që d.m.th. se me bombardimin e azotit me rreze alfa, fitohet oksigjeni dhe një proton.
Në këtë reaksion dhe në të gjitha reaksionet bërthamore vlen ligji i ruajtjes së energjisë
(apo ligji i ruajtjes së numrit të masës A) si dhe ligji i ruajtjes së ngarkesës elektrike (apo
ligji i ruajtjes së numrit atomik Z).
Numri i masës në reksionin e sipërm , në anën e majtë është :
A = 14+4 = 18
e po aq edhe në anën e djathtë:
A = 17+1 = 18.
Numri atomik në anën e majtë është:
Z = 7+2 = 9
e po aq edhe në anën e djathtë :
Z = 8+1 = 9.
Masa e protonit është
m p = 1.6726465 x 10-27 kg
ndërsa ngarkesa e tij elektrike është sa ngarkesa e elektronit, por me shenjë positive, pra:
q p = 1.6021892 x 10-19 C.
Bote dhe Beker, më 1930 treguan se kur elementet e lehta beriliumi apo litiumi i
ekspozohen rrezatimit- α prej poloniumit radioaktiv natyror ,atëherë fitohet rrezatimi me
aftësi të madhe depërtuese. Është menduar se ky rrezatim paraqet rrezatimin-γ me energji
të madhe.
Në vitin 1932 bashkëshortët Irena dhe Frederik-Zholio Kyri bënë një eksperiment duke e
bombarduar beriliumin me grimcat alfa, me ç’rast në detektorin e protoneve (dhoma e
jonizimit) vërejnë një sasi të vogël të protoneve. Nëse në hapsirën në mes të beriliumit
dhe detektorit vihet parafina (e pasur me atome të hidrogjenit), vërehet një intensitet
shumë i madh i protoneve të liruara nga parafina. Këtë dukuri ata nuk mund ta
interpretonin fare. Këtë problem e zgjedhi shkencëtari Çedviku i cili mendon se nën
ndikimin e grimcave alfa në atomet e beriliumit lirohen grimca të reja elektroneutrale, që
nuk shkaktojnë jonizim dhe për atë nuk mund të detektohen në dhomën jonizuese. Kur
ato grimca godasin atomet e hidrogjenit në parafinë, lirohen protone të shumta të cilat
detektohen lehtë në dhomën jonizuese. Këto grimca Çedviku i quajti neutrone(10 n ose n).
5
6. Pireva – Reaksionet dhe Energjia Bërthamore
Reaksioni i parë bërthamor, produkti i të cilit është neutroni, është zhvilluar sipas skemës
4 9 12 1
2He + 4Be → 6C + 0 n
Si shihet, në këtë reaksion bëhet shëndrrimi i bërthamës së beriliumit në karbon dhe
lirimi i një neutroni. Sot dihet se masa e neutroneve është pak më e madhe se masa e
protoneve, pra:
m n = 1.6749543 x 10 -27 kg
Neutroni nuk ka ngarkesë elektrike , prandaj trajektorja e tij nuk ndryshon nën veprimin e
fushës elektromagnetike. Neutroni është grimcë stabile ndërsa kur ndodhet në gjendje të
lirë, pra jashtë bërthamës, neutroni është radioaktiv , d.m.th. zbërthehet vetëvetiu, sipas
skemës:
1 1
0n → 1p + -1 e 0
Ky relacion shoqërohet edhe me emërtimin e neutrinos (υo), prandaj në mënyrë complete
zbërthimi i neutronit paraqitet si:
1 1
0 n → 1p + -1 e 0 + υo (0.76 MeV)
ku 1p1 është protoni, -1e0 simboli i elektronit me ngarkesë elektrike -1.
Meqë neutroni nuk ka ngarkesë elekrike, ai në rrugën e tij nuk e “vëren” jonizimin,
kështu që edhe nuk krijon gjurmë në dhomën e jonizimit. Për këtë arsye neutroni u
zbulua me një vonesë të madhe dhe në përgjithësi vështirë detektohet.
Perioda e zbërthimit të një neutroni është përafërsisht 12 minuta. Pas kësaj kohe neutroni
mund të zbërthehet në proton, elektron dhe në antineutrino.
Neutronet janë pjesë përbërëse e çdo bërthame atomike, me përjashtim të bërthamës së
atomit të hidrogjenit të zakonshëm.
Neutronet e ngadalshme mund të kapen nga atomet, prandaj shkaktohet radioaktiviteti
artificial (për të cilin do të flasim më vonë) i bërthamës së asaj substance.
Gjatë bashkveprimit të neutroneve me bërthama atomike të një substance, bëhet
shpërhapja ose kapja e neutronit. Si shembull i kësaj dukurie mund të merret uji i rëndë.
Këto neutrone quhen neutrone termale.
Për shkak të neutralitetit të tyre elektrik, neutronet janë grimca shumë të përshtatshme si
projektile për bombardimin e bërthamave atomike, meqë mund të depërtojnë shumë lehtë
në bërthama, ngase në to nuk vepron forca e kulonit. Neutroni me një energji minimale
mund të depërtojë në bërthamën atomike dhe të shkaktoj transformimin e saj. Në këtë
mënyrë përfitohen shumë izotope në reaktorë bërthamorë.
2. Radioaktiviteti Artificial
Në vitet 1933-1934 Irena Kyri, e bija e Maria Kyrit, së bashku me Frederik Zholion,
shkencëtar i talentuar bashkpuntorë në laboratorin e Maria Kyrit, zbuluan një dukuri të re,
rëndësia e së cilës për kohën dhe për perspektivën ishte jashtzakonisht e madhe. Fuqia
bashkëshortore e Zholio-Kyri, ashtu si çifti i më parshëm Pjer e Maria Kyri, duke
studiuar dhe duke eksperimentaluar njëkohësisht mbi dukurinë e transformimit të
atomeve, duke bombarduar me thërmija alfa aluminin, bëri të mundur zbulimin e një
6
7. Pireva – Reaksionet dhe Energjia Bërthamore
dukurie të re që u quajt “radioaktiviteti artificial”. Duke filluar me zbulimin e
radioaktivitetit nga Bekereli dhe duke vazhduar me të tjerët deri vonë, ishte përcaktuar
tashmë që në mënyrë të natyrshme, të vetëvetishme ata rrezatojnë, duke përcaktuar
radioaktivitetin natyror. Asnjë kushtë i jashtëm nuk ndikonte mbi këtë lloj rrezatimi.
Ja se çfarë shkruajnë autorët e eksperimentit: “Gjatë shëndrrimeve të borit, të magnezit
dhe të aluminit shfaqen elemente të reja radioaktive që lëshojnë pozitrone”. Pra, shfaqen
elemente të reja radioaktive! D.m.th. elementet radioaktive natyrore mund të krijohen
artificialisht.
Radioelementet artificiale më së shumti përdoren në mjeksi, të fituara përmes
reaksioneve bërthamore. Reaksionet bërthamore janë procese të bashkëveprimeve në mes
nuklideve stabile me rrezet jonizuese ose në të shumtën e rasteve me neutrone. Si rezultat
i këtyre ndërveprimeve krijohen më shumë nuklide radioaktive.
Reaksionet bërthamore shprehen me ekuacione të caktuara. Në anën e majtë të ekuacionit
shënohen komponentet e reaksionit: bërthama stabile (A) dhe rrezatimi hyrës-projektili
(x), kurse në anën e djathtë- produktet e reaksionit: bërthama e krijuar (B) dhe rrezatimi i
jonizues (y):
A+x=B+y ose A(x,y)B.
Siç dihet, rrezatimi radioaktiv përmban edhe energji, për të matur këtë energji është
pranuar një njësi matje e posaçme që quhet elektronvolt dhe shkurtimisht shkruhet “eV”.
Kjo është energjia që fiton elektroni i vendosur në fushën elektrike me ndryshim
potencial të një volt. Një njësi shumëfishe është megaelektronvolti që është një million
here më e madhe dhe shenohet 1 MeV.
Në fakt kjo energji nuk është e madhe, por në botën e atomit ajo është jashtzakonisht e
rëndësishme dhe ja sepse: në qoftë se duam të ngrohim 1 kg ujë, për t’i rritur
temperaturën vetëm një grade duhet harxhuar një energji prej 26 miliardë MeV, kurse në
qoftë se do të mund t’i komunikonim çdo molekulë uji një energji termike vetëm prej 1
eV, atëherë temperatura e ujit do të rritej deri në 1300ºC. Mandej tregues mjaft i
rëndësishëm është aktiviteti i lëndës radioaktive. Sa më i madh të jetë numri i atomeve të
lëndës radioaktive dhe sa më e vogël të jetë perioda e gjysmëzbërthimit, aq më i madh
është edhe aktiviteti i lëndës radioaktive. Si njësi e aktivitetit përdoret njësia kyri, që
përfaqson në vete atë sasi të lëndës radioaktive, prej së cilës bëhen 37 miliardë shpërbërje
atomesh në sekond.
Më 1930 fizikantët gjerman Gerte dhe Bote me bombardimin e bereliumit, me rreze alfa
kanë fituar rrezatimin më të depërtueshëm dhe jonizues. Ky reaksion është formuluar më
vonë (1932), kur Çedviku zbuloi neutronet :
9
4Be + 2He4 → 6C
12
+ 0 n1
Shëndrrimi i parë i bërthamës së elementit në mënyrë artificiale me të cilat janë përfituar
neutronet është realizuar në vitin 1932 nga ana e bashkëshortëve Irena dhe Frederik-
Zholio Kyri.
Këta, duke bombarduar aluminin me rreze –α (si në figurën 2), vërejnë se nga alumini
burojnë neutrone dhe pozitronet, por që emetimi i pozitroneve nga materiali i rrezatuar
nuk nderpritet menjëherë, kurse rrezatimi dobësohet në mënyrë eksponenciale.
7
8. Pireva – Reaksionet dhe Energjia Bërthamore
Ky proces mund të paraqitet sipas relacionit :
n
27 4 30 1
13Al + 2He → 15P + 0 n
α
30
Izotopi i fosforit 15P , që fitohet në këtë rast nuk (+e)
gjendet në natyrë, por paraqet llojin e burimit
të radioaktivitetit bërthamor, i cili manifestohet,
duke emetuar pozitrone (+1e0) dhe procesi i zbërthimit
të fosforit mund të paraqitet me relacionin :
Figura 2 – Bombardimi i aluminmit me rreze alfa
30
15P → 14 Si 30 + +1 e 0
dhe si podukt fitohet izotopi stabil i silicit 14 Si 30, i cili gjendet në natyrë. Dukuria e
zbërthimit të bërthamave të fituara në mënyra artificiale paraqet radioaktivitetin artificial,
ndërsa emetimi i pozitroneve nga elementet radioaktive, paraqet rrezatimin-β pozitronik,
ngjajshëm me rrezatimin–β elektronik, i cili është vërejtur më parë tek elementet
radioaktive natyrore.
Elementi radioaktiv, i cili fitohet me reaksion bërthamor quhet me emrin e elementit
përkatës, por me parashtesë “radio”, p.sh. radiofosfori, radioazoti, radiosilici etj. Pasi që
një element mund t’i ketë disa izotope radioaktive, atëherë përveç simbolit të elementit së
bashku me numrin përkatës së masës dhe numrit rendor në kllapa të shkruhet edhe koha e
gjysmë zbërthimit të radioelementit përkatës p.sh. 7N14 ( T1/2=10.1 min).
Rëndësi tjetër e radioaktivitetit artificial është se me të tregohet se me radioaktivitetet
bërthamore mund të bëhen radioaktive edhe izotopet stabile të elementeve të ndryshme
d.m.th. mund të krijohen izotope radioaktive edhe tek elementet stabile normale. Këto
izotope radioaktive zakonisht quhen radioizotope. Po ashtu, me bombardimin e
bërthamave të atomeve të ndryshme me grimca, siç janë rrezet alfa, protonet, deuteronet,
neutronet, kuantet, apo edhe konverzioni i brendshëm, mund të krijohet nga një bërthamë,
bërthama tjetër.
Gjatë hulumtimeve të më vonshme është vërtetuar se radioizotopet artificiale zbërthehen
edhe përmes tipave të tjerë të zbërthimit p.sh. izototpet radioaktive gjatë zbërthimit mund
të emetojnë β+, β –, grimca –α gjatë kapjes K.
Se çfarë zbërthimi kryhet, varet prej numrit të protoneve dhe neutroneve në bërthamë.
Nëse në një radioizotop raporti i protoneve dhe i neutroneve është i tillë që nuk i
përgjigjet raportit të bërthamës stabile, atëherë radioizotopi do të zbërthehet në mënyrë
radioaktive. Bërthama atomike, e cila përmban tepricë neutronesh ndaj numrit të
protoneve, që të jetë stabile, zbërthehet në mënyrë radioaktive duke emetuar elektrone
d.m.th. emetonë grimca-β–, me ç’rast në bërthamë një neutron shëndrrohet në proton, pra:
0 n1→ 1 p 1 + -1 e 0
Këto shëndrrime kryhen në ato lloje izotopesh që kanë numër më të madh të masës se
izotopi stabil i elementit të njëjtë, p.sh. 1H1, 6C14, 8O19, 13Al28, 17Cl38 etj.
Këto zbërthime manifestohen me emetimin e grimcave β –, sepse në bërthamat e tyre
8
9. Pireva – Reaksionet dhe Energjia Bërthamore
numri i neutroneve ndaj numrit të protoneve është i tillë që bërthama do të ishte më
stabile.
Nëse në një bërthamë numri i neutroneve është më i vogël se numri i protoneve, atëherë
do të ketë tendenca që protoni të zëvendësohet me neutron.
Ekzistojnë tri mënyra që të arrihet kjo: të emetohet pozitroni ( rrezatimi β +), të emetohet
grimca-α dhe të kapet elektroni nga shtresa elektronike. Zbërthimi radioaktiv me
emetimin e pozitroneve zakonisht vërehet tek izotopet, numri i masës te të cilët është më i
vogël se tek izotopet stabile të elementeve të njëjta, me ç’rast në bërthama një proton
shëndrrohet në neutron:
1 1 0
1 p → 0 n + +1 e
Në këtë mënyrë zbërthehen: 7N13, 6C11, 8O15, 13Al25, 26Fe53 , 17Cl33 etj.
Radioaktiviteti artificial me emetimin e grimcave-α, vërehet te disa izotope të arit dhe të
mërkurit si dhe te shumica e izotopeve të arit dhe të mërkurit si dhe te shumica e
izotopeve të elementeve prej grupit të tokave të rralla, me numër rendor prej 60-66 dhe
numër të masës rreth 150.
Zbërthimi radioaktiv i njohur si kapja elektronike ose kapja–K bëhet te bërthamat me
numër më të vogël neutronesh sesa të protoneve ndaj bërthamave stabile dhe në vend që
të emetohet pozitroni, ajo rrezaton një elektron orbital dhe atë më së shpejti prej shtresës
K. Kjo kapje e elektronit me proton jepë një neutron, me ç’rast numri i neutrineve në
bërtham rritet, kurse numri i protoneve zvoglohet dhe bërthama bëhet më stabile. Ky llojë
zbërthimi radioaktiv vërehet tek izotopi i hekurit 55 dhe mund të paraqitet me këtë
relacion:
55
26Fe + +1e 0→ 25Mn55
Sot janë të njohura rreth 1000 izotope radioaktive artificiale të elementeve të ndryshme.
Në fund, duhet përmendur paralajmrimin fundamental nga ana e Fermiut (1934), që
paraqet bazën për prodhimin e elementeve radioaktive:
“ajo që vështirëson përfitimin e reaksioneve bërthamore, me bombardimin e grimcave
pozitive me anë të grimcave të tjera po ashtu pozitive, është refuzimi elektrostatik. Ky
refuzim mund të zhduket me përdorimin e neutroneve, d.m.th. me anë të kësaj grimce
neutrale mund të shkaktohet radioaktiviteti artificial i të gjitha elementeve”.
Sot kemi më se 2500 radioizotope që mund të prodhohen.
3. Fisioni Bërthamor
Procesi i ndarjes së bërthamës së rëndë në dy bërthama të lehta, gjatë bombardimit me
neutrone quhet fision.
Pra rekasioni i tipit të fisionit bërthamor shkaktohet kur kapet neutroni nga bërthama e
uranit 92U235 .Ekzistojnë rreth 40 mënyra të ndarjes së bërthamës atomike të uranit 92U235 ,
me ç’rast mund të krijohen deri në 300 produkte të ndryshme radioaktive të fisionit. Gjatë
procesit të ndarjes së bërthamës së rëndë në dy bërthama (rrallë herë në tri) të reja – të
lehta, emetohen dy deri në tri neutrone dhe fotone-γ.
Në figurën 3 është paraqitur fisioni i induakuar me neutrone në uranin 92U235 .
Procesi i fisionit të indukuar me neutrone mund të paraqitet përmes këtij reaksioni:
9
10. Pireva – Reaksionet dhe Energjia Bërthamore
235 94
92U (n,f) → 36Kr + 56Ba140 +(2 deri 3) 0 n1 + E (MeV)
ose
235 95
92U (n,f) → 38Sr +54 Xe139 +(2 deri 3) 0 n 1+ E (MeV)
Figura 3 – Procesi i çarjes së bërthamës atomike
Gjatë procesit të fisionit bërthamor lirohet energjia rreth 210 MeV.
Energjia mesatare e liruar me fisionin e një atomi të bërthamës U-235
Energjia kinetike e fragmenteve të lehta ~99 MeV
Energjia kinetike e fragmenteve të rënda ~ 68 MeV
Energjia kinetike e neutroneve ~ 5 MeV
Energjia e lidhjes së neutroneve ~ 13 MeV
Energjia e kuanteve-γ ~ 8 MeV
_____________
gjithsej: 193 MeV
Në procesin radioaktiv të produkteve të fisionit sipas fisionit lirohet energjia:
Energjia e grimcave- β ~ 7 MeV
Energjia e antineutroneve ~ 10 MeV
Energjia e rrezatimit – γ ~ 7 MeV
_____________
gjithsej: 24 MeV
Që kjo energji që lirohet me rastin e fisionit të mund të shfrytëzohet, është e
domosdoshme të sendërtohet një kontroll i reaksionit vargor. Ky kontroll arrihet me
ndihmën e shufrave që përbëhen prej substancave të cilat kanë aftësi për t’i përthithur
tepricën e neutroneve të nevojshme për ruajtjen e faktorit të shumimit k=1. Këto
substanca të shpeshta janë: kadmiumi, bori etj. Këto shufra quhen shufra kontrolli të cilat
mund të futen e nxirren prej bërthamës së reaktorit, që përbëhet prej karburantit
bërthamor dhe moderuesit. Duhet theksuar se kontrolli i reaktorëve bërthamorë në një
masë të dukshme është lehtësuar me ekzistimin e neutroneve të vonuara.
Kur e përmendim reaksionin bërthamor vargor , atëherë do ta paraqesim edhe parimin e
punës dhe teorinë elementare të reaktorëve bërthamorë.
10
11. Pireva – Reaksionet dhe Energjia Bërthamore
Reaktorët bërthamorë përbëhen prej (shiko figurën 4):
• substances së fisionit (karburantit bërthamor),
• moderuesit, ose ngadalsuesit të neutroneve,
• shufrave të kontrollit,
• reflektorit të neutroneve.
Do të ndalemi në përshkrimin e reaktoreve bërthamorë duke mos hyrë në përshkrimin e
komponenteve të tjera të
stabilimenteve energjetike
bërthamore.Zona e kufizuar
me reflektorin e neutroneve
përfaqëson bërthamën e
reaktorit ose zonën e tij
aktive(vepruese). Brenda saj
gjendet urani U-235 dhe
moderuesi. I tërë reaktori
është i rrethuar me një shtresë
të trashë mbrojtëse, më së
shpeshti prej betoni dhe
plumbi, shtresë e cila përthith
neutronet dhe rrrezet gama,
që lirohen në reaktorë në sasi
kolosale.
Figura 4 – Skema e Reaktorit Bërthamor
Rregullimi i reaktorit bëhet me ndihmën e shufrave të kontrollit D dhe E prej kadmiumi
ose bori, të cilët përthithin në mënyrë efikase neutronet termale, me çka frenohet procesi
i reaksionit bërthamor. Numri i neutroneve të përthithura është i përpjestueshëm më
gjatsinë e shufrave në zonën akitve të reaktorit.
Shkopi ‘D’ i kontrollit shërben për rregullimin e reaksionit zakonisht për të lëshuar në
punë reaktorin dhe për ta çkyçur, kurse me ndihmën e shufrave të holla ‘E’ kryhet
rregullimi i hollë i punës së reaktorit.
Shufrat E automatikisht futen dhe nxirren prej reaktorit. Ky process drejtohet me
ndihmën e detektorit të rrezatimit bërthamor në zonën aktive të reaktorit. Reaksioni i
parë vargor është inaguruar më 2 dhjetor 1942 në Universitetin e Çikagos, nën
udhëheqjen e fizikantit të njohur Italian Eriko Fermi. Si rrjedhojë e këtij suksesi kanë dal
edhe bombat atomike amerikane të hudhura më 1945 në qytetet japoneze Hiroshima dhe
Nagasaki.
Pas luftës së dytë botrore është punuar vazhdimisht në zhvillimin e reaktorëve bërthamor
por fatkeqsisht edhe në zhvillimin e armatimit bërthamor, kështu që janë zhvilluar disa
tipe reaktorësh bërthamor.
11
12. Pireva – Reaksionet dhe Energjia Bërthamore
4. Armët Bërthamore
Më parë kemi përmendur reaksionet bërthamore dhe zbatimin e tyre për qëllimet
paqësore, kurse tani është radha të flasim edhe për përdorimin e tyre me qëllim
shkatërrues.
Prej pas luftës së dytë botrore e deri më tani, armët nukleare janë prodhuar më një numër
dhe lloj të caktuar. Prodhimi i tyre është i ndaluar për shkak se prezenca e tyre paraqet
rrezik serioz për njerzimin.
Armët nukleare kryesisht ndahen në dy kategori :
• Në mjete nukleare eksplozive - të cilat veprojnë në bazën e eksplodimit fisional
(nuklear) dhe eksplodimit termonuklear (fuzional) dhe
• Në lëndët radioaktive luftarake- të cilat nuk kanë veprime eksplozive, por
emetojnë rreze radioaktive.
Bomba atomike është sasia e madhe e energjisë e cila lirohet për një interval të shkurt të
kohës dhe në një hapësirë të vogël. Bazohet në fisionin e pakontrolluar të bërthamave të
elementeve të rënda si uranit 92U235 dhe plutoniumit 94Pu239
(duhet të kemi në dimenzione më të mëdha se madhësi kritike)
që hyjnë në rradhën e eksplodimeve fisionale.
Bomba termonukleare bazohet në eksplozimin që ndodh për
shkak të fuzionit bërthamorë të bërthamave të lehta.
Për të arritur te fuzioni i bërthama të deuteriumit me ç’rast
lirohet një energji e madhe duhet arritur temperatura të larta
deri në disa miliona kelvin. Për këtë arsye ky process quhet
reaksion termonuklear.
Si lëndë djegse termonukleare merren izotopet e hidrogjenit,
deuteriumit dhe triciumit dhe vendosen rreth shkrepsës-
bombës nukleare.Nëse duhet të arrihet fuqi më e madhe
shkatrruse përrreth eksplozivit termonuklear, si mbështjellës vihet urani.
Bomba hidrogjenore bazohet ne eksplozimin që ndodh për shkak të fuzionit bërthamor të
bërthamës të hidrogjenit. Bomba hidrogjenore është njëmijë herë më e fuqishme se
bomba atomike. Deri tani nuk janë përdorur bombat hidrogjenore përveç testimit të parë
më 1 Nëntor 1952 nën ujin e oqeanit paqësor për shkak të rrezikut të shkatërrimit. Bomba
hidrogjenore më e thjeshta mund të ketë fuqinë deri në 10 megaton.
Efektet e armëve bërthamore vëzhgohen me kujdes qysh pas bombardimeve në Japoni,
pasi që kanë efekte tejet të dëmshme për njerzimin si: rrezatim radioaktiv, mbeturinat
radioaktive,efektet klimatike, dëmtimet natyrore etj etj…
6. Energjia Bërthamore
Një nga problemet më serioze të së sotmes dhe sigurisht të së ardhmes është dhe do të
mbetet sigurimi i burimeve të energjisë. Pa energji siç dihet nuk mund të vihet asnjë
motor në lëvizje.
12
13. Pireva – Reaksionet dhe Energjia Bërthamore
Cilat janë rrugët e përfitimit të energjisë sot për sot?
Për përfitimin energjisë në ditët e sotme shfrytzohen aftësitë potenciale të burimeve ujore
dhe djegia e karburanteve si nafta dhe gazi. Kjo metodë e përfitimit të energjisë kërkon
po ashtu rritje të vazhduar edhe të burimeve energjetike, çka duke u bazuar në statistikat,
në 2-3 shekutj e ardhshëm nuk do të ketë më.
Një aspekt tjetër, i cili e zgjeron akoma më shumë problemin, është ai që rezervat
energjetike nuk janë shpërndarë në mënyrë të përpjestueshme në botë (dëshmitarë i kësaj
politike janë shumë vende në mes të cilave hynë edhe Kosova).
Sot në botë krahas lëndëve djegse të përmendura më lartë, janë gjetur edhe lëndë të tjera,
që për sa i përketë përqendrimit të energjisë, ia kalojnë këtyre të parave deri në 2-3
milion herë.
Këto burime të reja të energjisë me përdorimin e uranit dhe të toriumit si lëndë djegëse
kanë bërë të mundur edhe krijimin e motorëve bërthamor(të cilët quhen reaktor) për
marrjen e energjisë dhe për shëndrrimin e saj në formë të përdorshme nga industria.
Dallimi në mes të kësaj energjetike dhe enrgjetikës klasike është se me një harxhim të
vogël të lëndës djegëse krijohet një fuqi e madhe. Kjo epërsi e madhe ka bërë të mundur
ndërtimin e stacioneve elektrike atomike ose shkurtimisht SEA.
Cila është mënyra e marrjes së energisë nga reaktori bërthamorë?
Zhvillimi i reaksionit zinxhir të kontrolluar bënë të mundur që nga zhytja ose nga nxerrja
e shufrave të kadmiumit të çlirohet nxehtësia dhe njëkohësisht reaksioni të kontrollohet.
Meqë neutronet që përdoren në këtë rast janë të ngadalsuara ato quhen termike dhe vetë
reaktori në këtë rast quhet termik.
Për marrjen e nxehtësis që lirohet në zonën aktive, veprohet në këtë mënyrë:
lënda djegse urani U-235 që rrethohet nga ngadalsuesit siç mund të jetë grafiti, uji i rëndë
etj., rregullohet ndarja e bërthamave me ndihmën e shufrave të zhytura në uran dhe futen
në masën e uranit tubat në të cilat rrjedh uji i zakonshëm. Nxehtësin e liruar e merr ai uji i
cili kthehet në avull dhe pastaj në temperaturë dhe shtypje të madhe vë në lëvizje tubinën
në boshtinë e së cilës është montuar rotori i gjeneratorit elektrik. Në këtë mënyrë është
ndërtuar parimisht SEA.
Por pastaj dolën disa vështirësi ku thonë se avulli i liruar është radioaktiv dhe meqë është
kështu, ai në asnjë mënyrë nuk duhet të shkarkohet në atmosfer pasi që është
vdekjeprurës. Por konstruktorët e zgjodhën edhe këtë problem duke përdorur dy cikle për
marrjen e nxehtësis , njëri cikël është i mbyllu dhe ka të bëjë me një sistem të qarkullimit
të ujit nëpërmjet tubacioneve në depo të ujit, në kazan atomik dhe në qarkullim, kurse
cikli tjetër është i hapur dhe ka të bëjë me avullin që krijohet nga kalimi i ujit të ngrohur
në depon kryesore të ujit dhe kalimi i këtij avulli nëpër tubinë.
Që uji i ciklit të parë të ngre ujin në ciklin e dytë deri në temperaturën e nevojshme, duhet
që vetë ai të mos kthehet në avull dhe kështu ndodh.
Këto instalime për prodhimin e energjisë elektrike mund të ndërtohen kudo dhe sasia e
lëndës djegëse që hargjojnë për disa vite matet me kilogram.
Disa njerëz mund të pyesin, nëse kjo është pra metoda me të cilën mund të krijojmë një
energji të madhe me shumë më pak lëndë djegëse atëherë pse nuk largohen metodat e
përfitimi të energjisë nga thëngjilli, gazi apo nafta ?!
13
14. Pireva – Reaksionet dhe Energjia Bërthamore
Ndërtimi i SEA-s bazohet kryesisht në përdorimin e reaktorëve që punojnë me neutrone
termike. Këto lloj reaktorësh kanë një rendiment tepër të ulët. Urani që shërben si lëndë
djegëse në këta tipa reaktorësh po thuaj nuk harxhonë fare. Si kuptohet kjo? Një pjesë e
vogël e uranit U235 i nënshtrohet procesit të ndarjes, ndërsa pjesët tjera mbeten në shufra ,
të cilat që të shërbejnë përsëri për qëllime të më sipërme, duhet që t’i nënshtrohen një
përpunimi me një kosto shum të lartë. Çka d.m.th. se 2% -shi mund të shfrytëzohet
ndërsa pjesa tjetër duhet të zhduket në vendet e caktuara-”varreza”përkatëse, mirëpo rritja
e përmasave të këtyre sjell një problem i cili nuk është ende i zgjidhur por presim në atë
drejtim.
Në fizikë, fuzioni nuklear (reaksioni termonuklear) është process në të cilin dy bërthama
bashkohen dhe formojnë një bërtham më të madhe, duke liruar një sasi të lartë të
energjisë. Duke liruar energjinë në këtë mënyrë, fuzioni bërthamorë është burim i
energjisë i cili bënë yjet të shëndrisin dhe bombën e hidrogjenit të eksplodojë.
Secilat dy bërthama detyrohen të bashkohen në një energji të mjaftueshme dhe kur
bërthama më e lehtë bashkohet, bërthama e përfituar ka më shumë neutrone, për të qenë
stabile ajo liron jasht neutronet e tepërta me një energji më të lartë.Shumica e bërthamave
më të lehta do të prodhojnë më tepër energji sesa që është e nevojshme për ti bashkuar
ato, duke u bërë reaksioni eksotermik dhe zinxhiror .
Energjia e cila lirohet nga bashkimi i bërthamave të lehta është rreth 5 herë më e madhe
se ajo që lirohet nga ndarja e bërthamave të rënda, duke pasur parasysh të njëjtën njësi
mase.
Shumë reaksione termobërthamore të ndryshme ndodhin në diellë dhe në yje të cilët me
sa dihet kanë origjinën nga burimi i energjisë së pashtershme. Ajo energji është rezultat i
reaksioneve bërthamore, në të cilën materia është shëndrruar në energji, por vetëm disa
reaksione të tilla praktikohen për prodhimin e energjisë në tokë. .Në yjet e madhsisë së
diellit ose më të vogla, mbizotron vargu proton-proton2. Në yjet më të mëdha cikli CNO
është reaksion dominues. Të dyja këto cikle kanë kufij më të lartë të temperaturës sesa
reaksionet të cilat janë studiuar në tokë dhe për këtë shkak shpejtsia e reaksioneve të tilla
është më e ulët.
Të gjitha këto përfshijnë izotopet e hidrogjenit.
Tre izotopet më të njohura të hidrogjenit janë:
-Deuteriumi
-Hidrogjeni
-Tritiumi
Bërthama e të tre izotopeve përmbanë një proton e cila i karakterizon ato si forma të
elementit të hidrogjenit. Përveç kësaj bërthama deuterium ka një neutron kurse bërthama
tritium ka dy neutrone. Për të prodhuar rrjeta elektrike, reaksionet termobërthamore duhet
të bëhen në temperatura të larta. Procesi i prodhimit të energjisë mund të ndodh edhe në
temperatura të ulta dhe prej andej arrin procesin e fusionit në tokë, këtu është kombinimi
i bërthamës të deuteriumit me një të tritiumit. Si produkt i kësaj janë: heliumi energjetik 4
(izotopi i rëndomtë i Heliumit) dhe neutroni i lirë i energjisë më të lartë.
Bërthama e Heliumit përmban 1/5 e energjisë totale të liruar dhe neutroni përmban 4/5 e
mbetura.
2
Skema është e paraqitur në faqen e fundit.
14
15. Pireva – Reaksionet dhe Energjia Bërthamore
Përderisa bërthama përmbanë energji pozitive ato normalisht refuzojnë njëra-tjetrën. Sa
më e lartë që është temperatura aq më shpejt atomet ose bërthamat lëvizin. Kur ato
ndeshen në këto shpejtësi të larta, ato e mposhtin forcën e refuzimit të ngarkesës pozitive
duke liruar një energji.
Përkatsishtë, me anë të energjisë bërthamore furnizohen 16% të botës me elektricitet.
Fisioni ka nxitur interesim të madh te shkenctarët lidhur me reaksionin vargor bërthamor
kur me coptimin e bërthamës së uranit me një neutron lirohen 2 neutrone të reja pastaj
duke liruar 4 neutrone të reja e kështu me radhë…(shiko figurën 5).
Në Dhjetor të vitit 1941 Ruzvelti
kryetari i atëherëshëm i SHBA-së
menjëherë pas bisedimeve me
Anjshtajnin lejoi organizimin e
një projekti për prodhimin e
bombës atomike. Ky ishte
programi më sekret dhe më i madh
i Luftës së dytë Botërore.
Shkencëtarëve më të shquar
amerikanë ju bashkangjitën edhe
shkencëtarët evropian të cilët u
detyruan të shpërngulen nga
Figura 5 – Fisioni i Uranit 235.
Evropa për shkak të luftës dhe politikës raciste e diktatoriale të Gjermanisë dhe Italisë.
Është ditur se nga urani që gjendet në natyrë duhet materiali fision , izotopi i uranit U235 ,
i cili për 140 herë gjendet më pak se urani U238. Për ndarjen e tyre janë përdorur metodat
fizike në bazë të difuzionit të gazërave.
Mënyra tjetër e realizimit të shpërthimit bërthamor ka qenë në lidhje me plutoniumin
Pu239 , i cili nën vepimin e neutroneve sillet sikurse urani U235. Kur është nevoitur disa
kilogram plutonium, ai parimisht është fituar me rrezatim shumë intenziv të uranit me
neutrone pasi që plutoniumin nuk mund ta gjejmë të lirë në natyrë.
Realizimi i projektilit për prrodhimin e plutoniumit ka filluar me ndërtimin e aparateve
për fision të kontrolluar të uranit dhe për prodhimin e neutroneve të mjaftueshme. Për
këtë qëllim janë përdorur shtresat e grafitit për ngadalsimin e neutroneve, mes të cilave
është vendosur urani- materiali fision. Me një projekt të tillë kanë udhëhequr shkencëtarët
Kompton (1892-1962) dhe Enriko Fermi.
Prodhimi i plutoniumit filloi me 2 Dhjetor 1942, në Çikago, kur Fermiu vërtetoi se
procesi i kontrolluar i fisionit të uranit është i mundshëm. Ky ishte fisioni i parë vargor i
uranit. Nën udhheqjen e Openhajmerit (1904-1967), në Nju Meksiko filloi prodhimi i
bombës bërthamore me uran eksploziv. Është ditur se për realizimin e shpërthimit është
nevojitur lidhje e shpejtë në mes të masave kritike në dy pjesë të bombës, me material
fision.
Një teknik e tillë nuk ka mundur të shfrytëzohet për bombë me plutonium për shkak të
pranisë së një izotopi të plutoniumit në të cilën edhe rrezet kozmike mund të nxisin
fisionin.
Vështirsitë në prodhimin e energjisë bërthamore kanë qenë derisa të zhvillohen
mekanizmat të cilët mund ta nxejnë karburantin T-D në temperaturë të mjaftueshme dhe
15
16. Pireva – Reaksionet dhe Energjia Bërthamore
pastaj ta mbajnë për një kohë të mjaftuar. Kështu që më tepër energji lirohet nëpërmes
reaksioneve termobërthamore, që është e përdorur për nxemje.
Disa njerëz mendojnë që energjia bërthamore është për ruajtjen e paqes dhe ne duhet të
jetojmë me të, ndërsa të tjerët thonë se e gjithë bota duhet të çliruar një herë e
përgjithmonë nga të gjitha armët nukleare.
Energjia bërthamore, në të vërtet për kundër dëmeve që mund të na sjell ka edhe dobitë e
saj siç është furnizimi me elekricitet i cili është një faktor shumë i rëndësishëm që sipas
mendimit të shumë shkencëtarve do të jetë i domosdoshëm për të ardhmen.
Pasi që kemi kaq shumë njerëz që janë pro dhe kundër energjisë bërthamore, çka
mendoni ju për këtë?
16
17. Pireva – Reaksionet dhe Energjia Bërthamore
LITERATURA
Dr. sci. Tahir M. IMAMI : “Biofizika”- Prishtinë, 1998
Dr. Skender H.SKENDERI & Dr. R. MALIQI : “Fizika” – Prishtinë,
Fejzi PERDJA : “Nga Historia e Fizikës së Bërthamës së Atomit”- Tiranë, 1985
Dr.Rasim BEJTULLAHU & Dr. Ahmet VESELI: “Fizika”- Prishtinë, 1998
17
