Rozszczepienie jądrowe

Rozszczepienie

Rozszczepienie jądra atomowego to reakcja polegająca na rozpadzie jądra na dwie (rzadziej na więcej) części o zbliżonych masach, któremu towarzyszy emisja neutronów oraz kwantów gamma. Jądra, które ulegają rozszczepieniu, są jądrami ciężkimi posiadającymi dużą liczbę nukleonów. Proces ten zachodzi częściej dla stanu wzbudzonego jądra niż dla stanu podstawowego.

 

GRAFIKA_ROZSZCZEPIENIE JADROWE

 

 

Izotopy rozszczepialne

Zjawisko rozszczepienia charakterystyczne jest dla izotopów ciężkich pierwiastków. Do pierwiastków tych zaliczamy przede wszystkim uran, pluton, tor, kaliforn, ameryk, kiur czy neptun. W praktyce izotopem wykorzystywanym w reaktorach jądrowych jest uran-235 z uwagi na jego dostępność w przyrodzie, wysokie prawdopodobieństwo rozszczepienia i możliwość stosunkowo łatwego kontrolowania całej reakcji.

Jądra atomowe mogą ulec rozszczepieniu samoczynnie bądź w wyniku indukcji zewnętrznej. Przykładowym izotopem, który z dużym prawdopodobieństwem ulega rozszczepieniu spontanicznemu (samorzutnemu) jest kaliforn-252. Także popularne izotopy uranu-235 i 238 mogą z niewielkim prawdopodobieństwem ulec takiemu rozpadowi, lecz znacznie częściej wykorzystuje się ich zdolność do rozszczepienia indukowanego (wymuszonego).

czy_wiesz_ze_giwazdka
Czy wiesz, że...
Oprócz uranu-235 jako paliwo wykorzystać można także inne izotopy rozszczepialne, np. pluton-239, jednakże tylko uran-235 jest rozszczepialny przez tzw. neutrony termiczne (powolne).

Rozszczepienie wymuszone

Wymuszone rozszczepienie jądra atomowego występuje w wyniku oddziaływania jądra z neutronem, który zazwyczaj wytracił swoją pierwotną energię w materiale lekkim, bogatym w wodór (zwanym moderatorem), takim jak np. woda. W wyniku rozszczepienia, oprócz powstania dwóch (lub więcej) jąder porozpadowych (tzw. fragmentów rozszczepienia), emitowane są także dodatkowe neutrony oraz fotony gamma. W efekcie nowo powstałe neutrony w pewnych warunkach mogą powodować rozszczepianie kolejnych jąder, co powoduje powstanie kolejnych neutronów i tak dalej. Proces ten zwany jest reakcją łańcuchową i wykorzystywany jest m.in. do produkcji energii w reaktorach jądrowych.

czy_wiesz_ze_giwazdka
Czy wiesz, że...
W naturalnym uranie najwięcej jest uranu-238 (99,3%), natomiast uranu-235 jest tylko 0,7%. Proces zwiększający stężenie uranu-235 nazywany jest wzbogacaniem. Klasyczne paliwo w energetycznych reaktorach jądrowych posiada uran wzbogacony do kilku procent.
czy_wiesz_ze_giwazdka
Czy wiesz, że...
Masa krytyczna jest pojęciem charakterystycznym dla dowolnego materiału rozszczepialnego. Po osiągnięciu masy krytycznej dochodzi do samopodtrzymującej się reakcji rozszczepienia. W zależności od typu izotopu oraz użycia (bądź nie) moderatora i reflektora neutronów, masy krytyczne mogą wahać się w przedziale od kilku do kilkuset kilogramów. Przykładowo paliwo w pracującym reaktorze jądrowym osiąga swoją masę krytyczną.

Reaktor jądrowy

Klasyczny reaktor jądrowy składa się z elementów paliwowych, które zazwyczaj zawierają odpowiednią ilość uranu-235 przeznaczonego do reakcji rozszczepienia. Oprócz paliwa reaktor zawiera moderator, czyli lekki materiał służący do spowalniania neutronów. W większości przypadków moderatorem jest woda, ale można używać także grafitu bądź berylu. Ponadto we wnętrzu rdzenia reaktora znaleźć można elementy wykonane z materiału silnie pochłaniającego neutrony (np. związki boru czy kadmu) a służące do sterowania mocą reaktora. Są to m.in. pręty sterowania, bezpieczeństwa i kompensacyjne. Oprócz tego rdzeń reaktora otoczony jest reflektorem, który ma za zadanie odbicie części traconych neutronów z powrotem do rdzenia.

czy_wiesz_ze_giwazdka
Czy wiesz, że...
Istnieją również reaktory na neutrony prędkie, które nie wymagają zastosowania moderatora (spowalniacza neutronów). Jako paliwo stosuje się mieszaninę tlenków plutonu-239 i uranu-238.

W wyniku reakcji rozszczepienia w reaktorze jądrowym generowane są znaczne ilości ciepła. Ciepło to odbierane jest przez czynnik roboczy, którym jest najczęściej woda. W wyniku podgrzania czynnik roboczy paruje i pod dużym ciśnieniem napędza turbinę generatora, dzięki czemu ciepło z reaktora zamieniane jest na energię elektryczną. Tak działa elektrownia jądrowa.

czy_wiesz_ze_giwazdka
Czy wiesz, że...
Reaktor jądrowy, z uwagi na wzbogacenie uranu oraz geometrię rdzenia, nie jest w stanie doprowadzić do wybuchu jądrowego. Wybuch jądrowy jest możliwy jedynie w bombie jądrowej.

 GRAFIKA_RDZEN JADROWY

Schemat rdzenia reaktora jądrowego