Reakcje rozszczepiania jąder ciężkich

Enrico Fermi:

• 1934 r. - bombardował neutronami jądra uranu

• 1938 r. - otrzymał nagrodę Nobla za prace dotyczące reakcji jądrowych

• 1942 r. - przeprowadził pierwszą reakcję rozszczepienia jądra

Otto Hahn i Fritz Strassman stwierdzili, że jądro uranu po pochłonięciu neutronu ulega deformacji, a następnie rozszczepia się na dwa fragmenty. W czasie rozszczepienia jądra powstają dwa lub trzy neutrony oraz pojawia się silne promieniowanie
. Z badań wynikało, że reakcje te wywołują neutrony „powolne” o energii ok. 1 eV. Neutrony powolne stosunkowo długo przebywają w pobliżu jądra i mogą być wychwycone. Fragmenty rozszczepienia
i
nie są określone.

Dlaczego powolne neutrony ?

piłka toczy się z mała prędkością	piłka toczy się z dużą prędkością

Reakcje rozszczepienia

Energia wyzwolona w czasie reakcji rozszczepiania jednego jądra uranu wynosi ok. 208 MeV.

masa U	234,9933 u
masa 1 neutronu	1,0087 u
Razem (M1):	236,0020 u

masa Ce	139,8734 u
masa Zr	93,8841 u
masa 2 neutronów	2,0174 u
masa 6 neutronów	0,0033 u
Razem (M2):	236,0020 u

M = M₁ - M₂ = 0,2238 u

E = 0,2238 u * 931 MeV / u = 208,36 MeV

1 kg uranu 2 500 000 kg węgla

Reakcje rozszczepiania mogę mieć przebieg lawinowy. Nie wszystkie jednak neutrony emitowane w czasie rozszczepień wywołują kolejne reakcje. Dlatego samopodtrzymującą się reakcję rozszczepienia uzyskamy, gdy każde rozszczepienie powoduje wywołanie kolejnego rozszczepienia. Minimalna masa substancji, w której może zachodzić reakcja łańcuchowa, nazywa się masą krytyczną.

W reaktorach jądrowych otrzymujemy kontrolowaną reakcję rozszczepiania. Najczęściej „paliwem” w reaktorze jest uran. Jednak rudy uranu zawierają tylko 0,7% izotopu
(ok. 99,3% izotopu
). Rozszczepienie
wywołują szybkie neutrony (ok. 2 MeV), ale prawdopodobieństwo wychwycenia szybkiego neutronu jest bardzo małe. Jądro uranu 238 wychwytując powolne neutrony nie ulega rozszczepieniu (stąd straty neutronów). Należy więc wzbogacać uran w izotop
przynajmniej do 3%.

By uzyskać z wiązki szybkich neutronów (ok. 2 MeV) neutrony termiczne (~eV), które mogą wywołać reakcję rozszczepienia należy neutrony spowalniać. Do tego celu służy tzw. moderator (ciężka woda D₂O lub grafit). W wyniku zderzeń neutronów z jądrami deuteru lub węgla neutrony tracą energię - są spowalniane.

Reakcja łańcuchowa rozszczepienia

Reaktory jądrowe

Kryteria klasyfikacji reaktorów:

1. reaktory z zastosowaniem szybkich i powolnych neutronów

2. rodzaj moderatora (ciężka woda, zwykła woda, grafit)

3. rodzaj paliwa (uranowe, plutonowe)

4. rodzaj przeznaczenia (reaktory badawcze, energetyczne, medyczne)

5. rodzaj materiału chłodzącego (woda, ciekły metal)

Reaktory badawcze służą:

1. jako źródło neutronów wykorzystywanych do badań reakcji jądrowych

2. do wytwarzania pierwiastków promieniotwórczych w celach technicznych, medycznych

3. do szkolenia personelu

Reaktory mocy (energetyczne) - elektrownie jądrowe

Reaktor z wrzącą wodą ma następujące zalety:

1. woda pełni funkcję moderatora i służy jednocześnie do uzyskania pary wodnej, wykorzystywanej bezpośrednio do napędu turbin parowych

2. większe bezpieczeństwo pracy z reaktorem

Przyczyny strat neutronów w czasie reakcji łańcuchowej:

1. część neutronów ucieka z obszaru wypełnionego uranem

2. niektóre neutrony są pochłaniane przez jądra
   (nie ulegają rozszczepieniu)

3. neutrony pochłaniane są przez jądra materiałów, z których zbudowane są urządzenia pomocnicze ora przez jądra zanieczyszczeń.

W celu realizacji przebiegu reakcji łańcuchowej (zapobieganiu „przegrzania” reaktora) stosuje się pręty kadmowe wychwytujące neutrony. Pręty te wsuwane są do reaktora na większą lub mniejszą głębokość.

Zmiany składu paliwa w czasie eksploatacji reaktora polega na „wypalaniu się” nuklidów rozszczepialnych. Gdy paliwem jest
, to stopniowo zmniejsza się koncentracja tego izotopu. Z drugiej strony pochłanianie neutronów przez
prowadzi do powstania plutonu 239.

Reakcje rozszczepiania jąder ciężkich • Fizyka 2002 - 2003

4

---