Reakcja rozszczepienia

Tzw. reakcja rozszczepienia, będąca najważniejszym procesem fizycznym wykorzystywanym w elektrowniach jądrowych, to reakcja jądrowa polegająca na podziale ciężkiego jądra atomu na dwa (rzadziej więcej) mniejsze fragmenty o porównywalnych masach (fragmenty te stają się natychmiast atomami innych, lżejszych pierwiastków np. baru i kryptonu). Oprócz fragmentów rozszczepienia (czyli tych właśnie jąder lekkich pierwiastków) emitowane są także neutrony (czyli cząstki „neutralne” - nie posiadające ładunku elektrycznego) i kwanty γ.

Reakcja rozszczepienia może zachodzić samorzutnie lub w wyniku bombardowania jądra atomu różnymi cząstkami: neutronami, protonami (czyli cząstkami o ładunku elektrycznym dodatnim), deuteronami (proton i neutron), cząstkami α (2 protony i 2 neutrony), kwantami γ. Najczęściej wykorzystuje się do takiego bombardowania neutrony ponieważ nie posiadają one ładunku elektrycznego co umożliwia im w łatwy sposób wniknięcie do jądra atomowego.

W reakcji rozszczepienia wyzwalana jest duża ilość energii. W przypadku rozszczepienia jadra U-235 wydziela się około 207 MeV. Energia ta pochodzi z różnicy między masą jądra przed jego rozszczepieniem, a masami produktów rozszczepienia, czyli nowo powstałych jąder pierwiastków (jest to tzw. defekt masy), ponieważ łączna masa produktów rozszczepienia jest mniejsza od masy jądra przed jego rozszczepieniem. Fragmenty rozszczepienia są jądrami nietrwałymi, powstają one głównie w stanach wzbudzonych i ulęgają dalszym rozpadom β. Emitują także neutrony i kwanty γ. Przykładowa reakcja rozszczepienia jądra przedstawia się w następujący sposób:

n + ²³⁵U → ²³⁶U* → ¹⁴¹Ba + ⁹²Kr + 3n + Q

(Gwiazdka przy symbolu pierwiastka oznacza stan wzbudzony. Jest on niestabilny i ulega rozpadowi. Q jest wydzieloną energią.)

Rys. 1. Przebieg reakcji rozszczepienia U-235 (rysunek pochodzi z książki "Energia jądrowa i promieniotwórczość", A. Czerwiński, Oficyna Edukacyjna Krzysztof Pazdro, Warszawa 1998, http://www.pazdro.com.pl/)

Ważną cechą reakcji rozszczepienia jest emisja swobodnych neutronów (czyli wolnych, występujących poza jądrem atomu, biegnących z ogromnymi prędkościami w różnych kierunkach). W przypadku U-235 w każdym rozszczepieniu powstaje (zostaje wydzielonych z jądra atomu) około 2-3 neutronów - średnio 2,5 neutronu na każde rozszczepienie. Oprócz neutronów emitowanych w procesie rozszczepienia (tzw. neutrony natychmiastowe) pojawiają się także tzw. neutrony opóźnione. Są one wyrzucane z fragmentów rozszczepienia, które są jądrami z nadwyżką (nadmiarem) neutronów – a więc nie są wydzielane w czasie reakcji rozszczepienia, ale dopiero później, z już powstałych lżejszych jąder. Jeśli średnia liczba neutronów powstałych w wyniku rozszczepienia jądra jest większa od 1 (dla U-235 mamy średnio 2,5) to istnieje możliwość zrealizowania tzw. łańcuchowej reakcji rozszczepienia. W takiej reakcji neutrony powstałe z rozszczepienia mogą powodować rozszczepienia kolejnych jąder. Prowadzi to do gwałtownego wzrostu liczby neutronów, co w konsekwencji powoduje wyzwolenie ogromnej ilości energii (z powodu lawinowego, masowego rozszczepiania wielu kolejnych jąder w ułamku sekundy – a przypomnijmy, że w jednej tylko reakcji rozszczepienia wydziela się znaczna energia).

Aby zaszła samopodtrzymująca się łańcuchowa reakcja rozszczepienia potrzebna jest tzw. masa krytyczna, czyli pewna minimalna ilość materiału rozszczepialnego, mierzona w kilogramach jego masy. Zależy ona nie tylko od masy, ale także od: rodzaju materiału rozszczepialnego, kształtu bryły z materiału rozszczepialnego, stopnia wzbogacenia, związku chemicznego zawierającego materiał rozszczepialny, ciśnienia zewnętrznego, obecności lub braku tzw. reflektora. Dla bomb masa krytyczna wynosi od kilkunastu do kilkudziesięciu kilogramów. W reaktorach jądrowych osiąga wartości rzędu kilkuset ton. Jeśli ilość materiału rozszczepialnego jest mniejsza od masy krytycznej reakcja rozszczepienia po pewnym czasie wygasa.

W bombach atomowych realizowana jest niekontrolowana łańcuchowa reakcja rozszczepienia, która przy odpowiednich warunkach prowadzi do ogromnej eksplozji. Do produkcji bomb wymagany jest proces wzbogacania, czyli zwiększania w materiale ilości izotopu rozszczepialnego (ponieważ uran naturalny zawiera tylko 0,7% rozszczepialnego izotopu U-235).

Istnieje także możliwość kontrolowania reakcji rozszczepienia – taki proces przeprowadzamy w reaktorach jądrowych. Umożliwiają one produkcję energii w bardzo wydajny sposób. Wymagane jest wtedy użycie tzw. moderatora, czyli substancji służącej do spowalniania (wyhamowywania) neutronów. Spowolnione neutrony mają większe prawdopodobieństwo rozszczepienia jąder U-235 niż neutrony prędkie (które są głównie pochłaniane przez jądra bez ich rozszczepienia, albo wywołują inne reakcje jądrowe). W energetyce jądrowej najczęściej wykorzystuje się takie materiały rozszczepialne jak: U-233, U-235, Pu-239.

Teoria rozszczepienia dobrze opisywana jest przez tzw. kroplowy model jądra atomowego. Wykorzystuje on analogie między jądrem atomowym, a kroplą cieczy.

Więcej: Reakcja rozszczepienia - artykuł w wersji rozszerzonej

autor: Piotr Hytroś, Uniwersytet Jagielloński