Lenergia nuclear és l'energia que sorgeix de partícules que formen el nucli dels àtoms de cada element químic i que s'obté en modificar aquests nuclis per mitjà de certes reaccions nuclears. Una reacció nuclear és aquella en què el nucli atòmic d'un element resulta modificat, ja sigui alterant-se els seus nivells d'energia, passant a esdevenir un isòtop diferent, dividint-se en dos o més fragments (fissió), o bé unint-se a un segon nucli (fusió). Alguns d'aquests processos es donen espontàniament a la natura en alguns nuclis, i de vegades poden provocar-se mitjançant tècniques com ara el bombardeig de neutrons. La principal característica d'aquesta font d'energia és l'alta quantitat d'energia que pot alliberar per unitat de massa del combustible utilitzat en comparació amb qualsevol altra emprada per l'ésser humà.
Hi ha dues formes diferents d'obtenir energia nuclear: la fissió nuclear, en la qual un nucli atòmic es trenca en dos o més fragments (emetent també neutrons, fotons i d'altres partícules), i la fusió nuclear, en la qual dos nuclis atòmics s'uneixen per a donar lloc a un de més pesant (acompanyada també de l'emissió de radiació). Una altra tècnica, emprada en aplicacions autònomes de llarga durada i significatiu consum elèctric, és la utilització de generadors termoelèctrics de radioisòtops (GTR, o en anglès RTG), en els que mitjançant l'efecte Seebeck s'aprofita la calor generada per una font radioactiva per produir electricitat. Aquests generadors també reben popularment el nom de piles atòmiques.
En una central nuclear, l'energia nuclear alliberada es manifesta en forma d'energia cinètica de les partícules emeses i de radiació electromagnètica, que generen calor. Aquesta energia tèrmica pot transformar-se en energia mecànica mitjançant màquines tèrmiques, com ara les turbines de vapor. L'energia mecànica pot transformar-se en elèctrica (electricitat) per a la seva distribució a la xarxa elèctrica, o bé pot ésser emprada directament en el transport, com per exemple a vaixells i submarins de propulsió nuclear.
Fonaments físics
miniatura|Gràfic d'isòtops. A l'eix d'abscisses es representa el nombre de protons (Z) mentre que en l'eix d'ordenades el nombre de neutrons (N). Els isòtops marcats en vermell són aquells que poden considerar estables.
James Chadwick va descobrir el neutró el 1933, any que es pot considerar com l'inici de la física nuclear moderna.Settle, Frank (2005). Nuclear Chemistry. «Discovery of the Neutron (1932)» , General Chemistry Case Estudies, a chemcases.com. Consultat el 08-04-2008. (en anglès) El model d'àtom proposat per Niels Bohr consisteix en un nucli central format per partícules que concentren la pràctica majoria de la massa de l'àtom (neutrons i protons), envoltat per diverses capes de partícules carregades, gairebé sense massa (electrons). Mentre que la grandària de l'àtom resulta ser d'aproximadament l'àngstrom (10-10 m), el nucli pot mesurar en fermis (10-15 m); o sigui, el nucli és 100.000 vegades menor que l'àtom.
Tots els àtoms neutres, és a dir, sense càrrega elèctrica, tenen el mateix nombre d'electrons que de protons. Un element químic es pot identificar de manera inequívoca pel nombre de protons que posseeix el nucli. Aquest nombre s'anomena nombre atòmic (Z). El nombre de neutrons (N) per a un mateix element, però, pot variar. Per a valors baixos de Z aquest nombre tendeix a ser molt semblant al de potons, però en augmentar Z es necessiten més neutrons per mantenir l'estabilitat del nucli. Als àtoms als quals només els distingeix el nombre de neutrons en el seu nucli (en definitiva, la seva massa), se'ls anomena isòtops. La massa atòmica d'un isòtop ve donada per A = Z + N u, on s'indica el nombre de protons més el de neutrons que té al seu nucli.
Per anomenar un isòtop se sol utilitzar la lletra que indica l'element químic, amb un superíndex que és la massa atòmica i un subíndex que és el nombre atòmic (per exemple, l'isòtop 238 de l'urani s'escriuria ().
El nucli atòmic
miniatura|Energia de lligadura mitjana per nucleó dels iguals elements atòmics en funció de la seva massa atòmica
Els neutrons i protons que formen els nuclis tenen una massa aproximada d'1 u, estant el protó carregat elèctricament amb càrrega positiva +1, mentre que el neutró no té càrrega elèctrica. Tenint en compte únicament l'existència de les forces electromagnètica i gravitatòria, el nucli seria inestable, fent impossible l'existència de la matèria. Per aquest motiu (ja que és obvi que la matèria existeix) va ser necessari afegir als models una tercera força: la força forta (avui en dia força nuclear forta residual). Aquesta força havia de tenir com a característiques, entre d'altres, que era atractiva a distàncies molt curtes (només a l'interior dels nuclis), sent repulsiva a distàncies més curtes (de la mida d'un nucleó), que era central en cert rang de distàncies, que depenia de l'espín i que no depenia del tipus de nucleó (neutrons o protons) sobre el qual actuava. El 1935, Hideki Yukawa va donar una primera solució a aquesta nova força establint la hipòtesi de l'existència d'una nova partícula: el mesó. El més lleuger dels fondes, el pioner, és el responsable de la major part del potencial entre nucleó de llarg abast (1 fm). El potencial de Yukawa (potencial OPEP) que descriu adequadament aquesta part de la força forta es pot escriure de la següent manera:
Altres experiments que es van realitzar sobre els nuclis van indicar que la seva forma devia ser aproximadament esfèrica de radi fm, sent A la massa atòmica, és a dir, la suma de neutrons i protons. Això exigeix a més que la densitat dels nuclis sigui la mateixa (, és a dir el volum és proporcional a A. Com la densitat es troba dividint la massa pel volum ). Aquesta característica va portar a l'equiparació dels nuclis amb un líquid i, per tant, al model de la gota líquida, fonamental en la comprensió de la fissió dels nuclis.
La massa d'un nucli, però, no és exactament de la suma dels seus nucleó. Tal com va demostrar Albert Einstein, l'energia que manté units a aquests nucleó s'observa com una diferència en la massa del nucli, de manera que aquesta diferència ve donada per l'equació . Així, pesant els diferents àtoms d'una banda, i els seus components de l'altra, pot determinar l'energia mitjana per nucleó que manté units als diferents nuclis.
A la gràfica es pot contemplar com els nuclis molt lleugers tenen menys energia de lligadura que els que són una mica més pesants (la part esquerra de la gràfica). Aquesta característica és la base de l'alliberament de l'energia en la fusió. I al contrari, a la part de la dreta es veu que els molt pesants tenen menor energia de lligadura que els que són una mica més lleugers. Aquesta és la base de l'emissió d'energia per fissió. Com es veu, és molt més gran la diferència en la part de l'esquerra (fusió) que a la de la dreta (fissió).
Fissió o trencament d'un nucli atòmic
miniatura|Distribució típica de les masses dels productes de fissió. La gràfica representa el cas de l'Urani-235. miniatura|Esquema del fenomen de la fissió de l'235U. Un neutró de baixa velocitat (tèrmic) impacta en un nucli d'urani desestabilitzador. Aquest es divideix en dues parts i a més emet una mitjana de 2,5 neutrons per fissió.
Enrico Fermi, després del descobriment del neutró, va realitzar una sèrie d'experiments en els quals bombardejava diferents nuclis amb aquestes noves partícules. En aquests experiments va observar que quan utilitzava neutrons d'energies baixes, de vegades el neutró era absorbit emetent fotons.
Per esbrinar el comportament d'aquesta reacció va repetir l'experiment sistemàticament en tots els elements de la taula periòdica. Així va descobrir nous elements radioactius, però en arribar a l'urani va obtenir resultats diferents. Lise Meitner, Otto Hahn i Fritz Strassmann van aconseguir explicar el nou fenomen en suposar que el nucli d'urani al capturar el neutró es va escindir en dues parts de masses aproximadament iguals. De fet van detectar bari, de massa aproximadament la meitat que la de l'urani. Posteriorment es va esbrinar que aquesta escissió (o fissió) no es donava en tots els isòtops de l'urani, sinó només en el 235U. I més tard encara es va saber que aquesta escissió podia donar lloc a molts elements diferents, la distribució d'aparició és molt típica (semblant a la doble geperuda d'un camell).
A la fissió d'un nucli d'urani, no només apareixen dos nuclis més lleugers resultat de la divisió del d'urani, sinó que a més s'emeten 2 o 3 (amb una mitjana de 2,5 en el cas del 235U) neutrons a una alta velocitat (energia). Com l'urani és un nucli pesant no es compleix la relació N = Z (igual nombre de protons que de neutrons) que sí que es compleix per als elements més lleugers, per tant, els productes de la fissió tenen un excés de neutrons. Aquest excés de neutrons fa inestables (radioactius) a aquests productes de fissió, que assoleixen l'estabilitat al desintegrar els neutrons excedents per desintegració beta generalment. La fissió de l'235U pot produir-se en més de 40 formes diferents, originant per tant més de 80 productes de fissió diferents, que al seu torn es desintegren formant cadenes de desintegració, per la qual cosa finalment apareixen prop de 200 elements a partir de la fissió de l'urani.
L'energia despresa en la fissió de cada nucli de 235U és d'una mitjana de 200 MeV. Els minerals explotats per a l'extracció de l'urani solen posseir continguts de voltant d'1 gram d'urani per kg de mineral (la pechblenda per exemple). Com el contingut de 235U en l'urani natural és d'un 0,7%, s'obté que per cada kg de mineral extret tindríem àtoms de 235U. Si fissió tots aquests àtoms (1 gram d'urani) obtindríem una energia alliberada de per gram. En comparació, per la combustió d'1 kg de carbó de la millor qualitat (antracita) s'obté una energia d'uns , és a dir, es necessiten més de 10 tones d'antracita (el tipus de carbó amb més poder calorífic) per obtenir la mateixa energia continguda en 1 kg d'urani natural.
L'aparició dels 2,5 neutrons per cada fissió possibilita la idea de dur a terme una reacció en cadena, si s'aconsegueix fer que d'aquests 2,5 almenys un neutró aconsegueixi fissió un nou nucli d'urani. La idea de la reacció en cadena és habitual en altres processos químics. Els neutrons emesos per la fissió no són útils immediatament, sinó que cal frens (moderats) fins a una velocitat adequada. Això s'aconsegueix envoltant els àtoms per un altre element amb un Z petit, com per exemple hidrogen, carboni o liti, material anomenat moderador.
Altres àtoms que poden fissió amb neutrons lents són el 235U o el 239Pu. No obstant això també és possible la fissió amb neutrons ràpids (d'energies altes), com per exemple el 238U (140 vegades més abundant que el 235U) o el 232Th (400 vegades més abundant que el 235U).
La teoria elemental de la fissió la proporcionaren Bohr i Wheeler, utilitzant un model segons el qual els nuclis dels àtoms es comporten com gotes líquides.
La fissió es pot aconseguir també mitjançant partícules alfa, protons o deuterons.
Fusió de dos o més nuclis atòmics
miniatura|Procés de fusió entre un nucli de deuteri i un de triti. És l'opció més adequada per a ser duta a terme en un reactor nuclear de fusió. Així com la fissió és un fenomen que apareix en l'escorça terrestre de manera natural (si bé amb una freqüència petita), la fusió és absolutament artificial en el nostre entorn. Tanmateix, aquesta energia té avantatges respecte a la fissió. D'una banda el combustible és abundant i fàcil d'aconseguir, i per altra, els seus productes són elements estables i lleugers.