Temat: Energia jądrowa.
W poprzednich tematach omawialiśmy naturalne rozpady jądrowe typu alfa i beta, które prowadzą
do powstania innego pierwiastka.
Powstanie innych pierwiastków następuje także w reakcji rozszczepienia jądra atomu. W jego wyniku
z jądra jednego pierwiastka powstają dwa, rzadziej trzy jądra innych pierwiastków. Podczas tej
przemiany wydziela się dużo energii, którą można wykorzystywać. Zjawisko to może występować
samorzutnie w przyrodzie, ale może też zostać wywołane w sposób sztuczny przez człowieka.
Pierwszą obserwację reakcji rozszczepienia na przełomie 1938 i 1939 roku przeprowadzili niemieccy
uczeni, Otto Hahn i Fritz Strassmann. Bombardowali oni jądro uranu neutronami. Neutron ma tą
zaletę, że nie posiada ładunku i swobodnie, nawet przy niedużej szybkości może dotrzeć do jądra.
Jeżeli uderzy on w jądro to zostanie pochłonięty. Siły jądrowe nie są w stanie utrzymać nukleonów i
następuje jego rozpad na dwa jądra o zbliżonych masach oraz są emitowane neutrony i
promieniowanie elektromagnetyczne w postaci kwantów . W swoich doświadczeniach Hahn
zaobserwował pojawienie się jąder baru
jako produktu rozszczepienia jąder uranu. Suma liczb
atomowych powstałych pierwiastków będzie równa 92, zgodnie z zasadą zachowania ładunku.
W przypadku rozszczepienia jądra uranu wydziela się około 200 MeV energii. Jest to wartość miliony
razy większa niż w jakiejkolwiek reakcji spalania, np. węgla czy benzyny.
W wyniku rozszczepienia jądra uranu mogą powstać np. jądra cezu i rubidu, kryptonu i baru lub
ksenonu i strontu.
W drugim przypadku następuje emisja 3 neutronów i dwóch kwantów gamma.
Zapis reakcji rozszczepienia:
Jeżeli chodzi o liczby masowe nowych jąder, to mogą być różne – izotopy danego pierwiastka.
Powyższa reakcja rozpadu może wyglądać następująco:
W trzecim przykładzie po rozpadzie nastąpi emisja 2 neutronów i dwóch kwantów gamma.
Zapis reakcji rozszczepienia:
Przykłady dla plutonu:
W reakcji rozszczepienia jąder są emitowane neutrony, które mogą powodować rozpadanie
kolejnych jąder pierwiastka. Jeżeli średnio tylko jeden neutron emitowany w procesie rozpadu
doprowadzi do rozszczepienia kolejnego jądra, to liczba neutronów będzie stała. Jeżeli jednak będzie
więcej neutronów to nastąpi wzrost ilości jąder ulegających rozpadowi. Taki proces nazywamy
reakcją łańcuchową.
Graficznie możemy to przedstawić następująco, przy założeniu rozpadu jądra uranu na dwa inne
jądra i emisji dwóch neutronów.
Aby reakcja zaistniała, to ilość materiału rozszczepialnego musi odpowiednia duża, oraz powinien on
posiadać odpowiedni kształt. Idealnym jest kula. W innym przypadku ilość uciekających do otoczenia
neutronów może być na tyle duża, że reakcja łańcuchowa się skończy. Minimalną masę pierwiastka,
który ulega rozszczepieniu nazywamy masą krytyczną.
Przykładowe masy krytyczne dla materiałów rozszczepialnych w kształcie kuli.
uran-233: 16 kg
uran-235: 52 kg
neptun-237: 60 kg
pluton-239: 10 kg
pluton-240: 40 kg
pluton-242: 100 kg
ameryk-241: 60-100 kg
ameryk-242: 9-18 kg
ameryk-243: 50-150 kg
kiur-245: 12 kg
kiur-246: 70 kg
kiur-247: 7 kg
kaliforn-251: 9 kg
Pamiętać trzeba, że w przyrodzie występują różne izotopy danego pierwiastka i nie wszystkie tak
łatwo ulegają rozszczepieniu po bombardowaniu jąder neutronami.
W przypadku uranu rozpadowi ulegają izotopy 235, które stanowią zaledwie 0,7% ilości jąder uranu.
By stworzyć warunki zajścia reakcji rozszczepienia, należy zwiększyć zawartość uranu
. Proces
ten nazywamy wzbogacaniem uranu. Jest on bardzo proces skomplikowany i kosztowny.