Reakcje rozszczepienia jako źródło energii

Skutkiem szybkiego rozwoju przemysłu było duże zapotrzebowanie na energię. Na początku wydawało się, iż naturalne zasoby energetyczne, takie jak węgiel, ropa, gaz, są niewyczerpalnym źródłem energii. Wraz z coraz to większym uprzemysłowieniem naszego globu naturalne zasoby się kurczyły, a naukowcy zaczęli poszukiwać innych źródeł energii. Jedną z alternatyw poprawienia bilansu energetycznego stała się energia jądrowa, uzyskiwana podczas rozszczepienia jąder ciężkich.

Naukowców i inżynierów czekała długa droga, aby teorię Einsteina, z której wynikała możliwość przekształcenia masy w energię, zastosować w praktyce. Możliwość rozszczepienia jądra ciężkiego na dwa jądra lżejsze wykazali w 1939 roku Otto Hahn i Fritz Strassmann. Stwierdzili oni, że w roztworach wodnych uranu (Z = 92), naświetlając powolnymi neutronami, powstają pierwiastki lżejsze (np. bar Z = 55). Pierwiastki te musiały powstać podczas rozszczepienia uranu na dwa jądra lżejsze. (Energia wiązania jądra przypadającej na jeden nukleon zależy od liczby masowej A). Rozpad jądra ciężkiego prowadzi do wytworzenia dwu jąder lżejszych, których energie wiązania są większe, a tym samym suma mas dwu jąder wytworzonych w trakcie rozpadu jest mniejsza niż masa jądra ciężkiego ulegającego rozszczepieniu.

Powstający deficyt masy

Zgodnie z zależnością
zostaje zamieniony na energię.

m_A - masa jądra ciężkiego

m_A1 i m_A2 - masy jąder lekkich będących produktami rozpadu

m_n - masa neutronu

k - liczba neutronów

Przykładem może być rozpad izotopu uranu
U, będący najczęściej stosowanym „paliwem” jądrowym.

Pod wpływem bombardowania neutronami o niewielkiej energii (neutrony termiczne)
U podlega rozpadowi w następujący sposób:

A liczba masowa

Z liczba atomowa = liczbie protonów

Pojawiające się podczas rozszczepienia neutrony są wynikiem procesów jakim ulegają nietrwałe zazwyczaj dwa lekkie jądra, przechodząc do stanu trwałego
. W trakcie rozpadu wydzielają się na zewnątrz duże ilości energii.

Pierwszym zastosowaniem energii wydzielanej podczas rozszczepienia jąder były bomby zrzucone na Hiroszimę i Nagasaki.

W bombie atomowej wykorzystano proces niekontrolowanego rozszczepienia
U. Jądro po przechwyceniu termicznego neutronu może ulec rozszczepieniu. Podczas tego rozszczepienia na jeden absorbowany neutron przypada średnio 2,5 uwalnianych neutronów. Część z tych neutronów ucieka z przestrzeni wypełnionej uranem na zewnątrz lub zostaje tracona w inny sposób, część jednak odpowiednio spowolniona może spowodować rozszczepienie dalszych jąder. Narastający lawinowo proces prowadzi do niekontrolowanej reakcji.

Aby reakcja lawinowa mogła zajść, nie może być traconych zbyt dużo neutronów. Stosunek liczby neutronów powodujących reakcję rozszczepienia do liczby traconych neutronów, zależy od kształt, rozmiarów i masy bryły uranu. Gdy zostanie przekroczona tzw. masa krytyczna bryły uranu, wtedy stosunek liczby neutronów przekroczy wartość jeden i może nastąpić lawina rozszczepień prowadząca do niekontrolowanego wybuchu.

Reaktor jądrowy pozwala na kontrolowane wykorzystanie olbrzymiej energii tkwiące w uranie. Rdzeń reaktora stanowią pręty z prawie czystego uranu 235 otoczone koszulkami z nierdzewnej stali. Rozwinięciu się lawinowej reakcji w reaktorze zapobiegają pręty regulacyjne, wykonane z kadmu mającego właściwość bardzo intensywnego pochłaniania neutronów termicznych.

Wydzielane podczas rozszczepienia ciepło odprowadzane jest na zewnątrz, które można zamienić na energię elektryczną.

---