Podstawowe pojęcia

Reakcje jądrowe polegają na przemianie wewnętrznej atomów, często prowadzącej co zmiany jednych pierwiastków w inne. Częściej jednak atomy zmieniają się w obrębie tego samego pierwiastka, tzn. taka sama jest ich liczba atomowa, zmienia się natomiast ich liczba masowa. Oznacza to, że takie atomy mają tyle samo protonów w jądrze, lecz różnią się liczbą neutronów. Takie atomy tego samego pierwiastka o różnych masach nazywa się izotopami. Niektóre izotopy są niestabilne i po jakimś czasie ulegają rozpadowi radioaktywnemu. Czas, po którym połowa początkowej liczby atomów ulegnie takiej przemianie nazywa się okresem połowicznego rozpadu.

Reakcje jądrowe zachodzą z różnymi prawdopodobieństwami, do których opisu używa się pojęcia przekroju czynnego. Jeśli jakaś reakcja zachodzi częściej niż inna, to ma większy przekrój czynny, który zresztą często można obliczyć. Jednostką przekroju czynnego jest barn [ba], który odpowiada powierzchni 10^-28m².

Energie cząstek biorących udział w reakcjach jądrowych najwygodniej wyrażać w elektronowoltach [eV] lub jednostkach od niej pochodnych (meV, keV, MeV). 1 eV odpowiada energii, jaką zyskuje cząstka o ładunku równym ładunkowi elektronu 1 e przyśpieszona przez różnicę potencjałów równą 1 V. 1 eV wynosi zatem około 1,602^.10^-19 J. Czasami energię przelicza się na temperaturę zgodnie ze wzorem E=k_BT, gdzie k_B to stała Boltzmana wynosząca 1,38^.10^-23 J/K, a temperatura wyrażona jest w kelwinach [K]. I tak np. temperaturze pokojowej (T bliskie 293 K) odpowiada energia równa około 25 meV. Często także masę cząstek podaje się w elektronowoltach. Jest to wtedy właściwie energia obliczona ze wzoru E=mc², gdzie c to oczywiście prędkość światła w próżni, a m to właściwa masa danej cząstki. Zgodnie z tym np. masie elektronu odpowiada ok. 511 keV, masie protonu - ok. 938,3 MeV, a masie neutronu - ok. 989,6 MeV. ([21], [14])

Reakcje jądrowe

Wyróżnia się kilka podstawowych reakcji w zależności od emitowanego promieniowania i ich wpływu na materię[21]

a) rozpad alfa - w wyniku tego rozpadu emitowane są cząstki alfa, czyli podwójnie zjonizowane (pozbawione elektronów) atomy helu. Jądro traci zatem dwa protony i dwa neutrony, a całą reakcję można zapisać w następujący sposób:

^A_ZX -> ^A-4_Z-2Y + 

gdzie X i Y są symbolami pierwiastków, A to liczba masowa, zaś Z to liczba atomowa. Jak widać, emitując cząstkę alfa atom zmienia się w atom innego pierwiastka, na dodatek lżejszy.

b) rozpad beta - tutaj emitowane są dwa rodzaje cząstek: ujemne i dodatnie, będące w istocie elektronami i pozytronami (antyelektronami). Reakcja może zatem przebiegać według jednego z dwóch schematów:

^A_ZX -> ^A_Z+1Y + ^-

^A_ZX -> ^A_Z-1Y + ⁺

Oprócz cząstek beta emitowane są także antyneutrino lub neutrino elektronowe, które jednak nie mają ładunku ani wystarczająco dużej masy, by elementem destrukcyjnej siły broni jądrowej. Dla zobrazowania ich małego wpływu można powiedzieć, że neutrina mogą przelecieć przez całą Ziemię na wylot nie oddziaływawszy ani razu z żadnym napotkanym atomem.

c) emisja gamma - w odróżnieniu od dwóch poprzednich rozpadów tu emitowane cząstki nie są budulcami materii, a falami elektromagnetycznymi, tak jak fale radiowe czy światło. Wyróżnia je tylko duża częstotliwość (czyli bardzo mała długość fali), a co za tym idzie - duża energia. Jądro, które je emituje, nie ulega właściwie żadnej znaczącej przemianie oprócz tej, że traci wiele energii. Jest to możliwe oczywiście tylko wtedy, gdy jądro te miało wcześniej tą energię, tzn. było w stanie wzbudzonym, oznaczanym przez dodanie gwiazdki ("*").

X^* -> X + γ

d) reakcja rozszczepienia - jest to skomplikowany rozpad ciężkiego jądra (np. uranu, A bliskie 238) na dwa jądra lżejszych pierwiastków, często wzbudzone. W reakcji tej emitowane są również neutrony. Reakcja rozszczepienia zachodzi dla danego pierwiastka w zależności od parametru Z²/A. Dla wartości mniejszych od 17 rozszczepienie w ogóle nie występuje, dla większych od 49 następuje zawsze samorzutnie. ([19], s. 600) Dla wartości pośrednich do jego inicjacji potrzebny jest zazwyczaj wychwyt neutronu o odpowiedniej energii przez rozszczepiane jądro. Ponieważ powstające jądra mogą należeć do bardzo dużej grupy pierwiastków, brak jest jednego uniwersalnego wzoru opisującego wszystkie niuanse tej reakcji. Niektóre szczegóły można znaleźć przy omawianiu wykorzystania rozszczepienia w broni jądrowej.

e) reakcja syntezy - to proces przeciwny do rozszczepienia, tutaj z dwóch lekkich jąder (najczęściej izotopów H lub He) po ich zderzeniu powstają jądra cięższe, możliwa też jest emisja neutronów (i cząstek alfa, przy czym tutaj wygodniej traktować je jako produkty reakcji - jądra helu). Szczegóły reakcji syntezy można znaleźć przy omawianiu ich wykorzystaniu w broni termojądrowej.

Istnieje jeszcze kilka innych reakcji jądrowych, jak np. wychwyt elektronu K (zaliczany czasem do rozpadów beta), jednak ich znajomość nie jest potrzebna przy omawianiu eksplozji atomowych i ich skutków. Gruntowniej natomiast warto przestudiować procesy zachodzące w trakcie eksplozji, co zrobiono poniżej oraz w dziale "Praktyka". Tam też pokazano, jak można wykorzystać wiedzę zdobytą przez naukowców do spotęgowania niszczycielkich zdolności tego typu broni.

Reakcje wykorzystywane w broni atomowej

Aby reakcja jądrowa była użyteczna, powinna być egzoenergetyczna, tzn. generować energię, którą można później spożytkować albo w celach pokojowych, jak to ma miejsce w elektrowniach atomowych, albo w celach militarnych konstruując głowice jądrowe. Należy przy tym zaznaczyć, że mniej więcej na tym kończą się podobieństwa pomiędzy bombami a reaktorami, gdyż reakcje łańcuchowe, które w obu zachodzą, przebiegają w zupełnie innych warunkach i w zupełnie inny sposób. W bombach dąży się do maksymalnego wyzwolenia energii w jednym krótkim (mikrosekundowym) impulsie niszczącym wszystko wokół i wymagającym wywołania go sztucznie przez dostarczenie energii z wybuchu klasycznych materiałów wybuchowych. W reaktorach reakcja łańcuchowa jest jedynie na tyle wydajna, by samopodtrzymywać się, natomiast wydzielone z niej ciepło jest ciągle odprowadzane i wykorzystywane do produkcji energii elektrycznej.

Energia w reakcji powstaje z tzw. defektu masy, tzn. gdy sumaryczna masa produktów reakcji jest mniejsza niż sumaryczna masa jej substratów. Wartość tej energii określa wzór E=mc², gdzie m jest właśnie tą różnicą mas, a c to oczywiście prędkość światła w próżni. Energia ta nie wisi ot tak sobie w próżni. Jest ona unoszona przez powstałe cząstki jako ich energia kinetyczna (lub jak w przypadku fotonów gamma całkowita). Te cząstki zderzając się z innymi przekazują tą energię, te przekazują ją następnym i tak następuje przepływ ciepła. W reaktorach następuje to powoli, natomiast w bombach gwałtownie w obrębie małego, ograniczonego obszaru, by później gwałtownie rozprzestrzenić się w gigantycznej eksplozji. ([21], [9], [19])

Rozszczepienie

Podstawowymi reakcjami wykorzystywanymi w eksplozjach jądrowych są reakcje rozszczepienia uranu lub plutonu, a konkretniej ich izotopów ²³³U, ²³⁵U, ²³⁸U oraz ²³⁹Pu. Uran jest pierwiastkiem występującym w naturze w stanie ²³⁸U (99,3%) i ²³⁵U (0,7%). Uran-233 oraz pluton-239 trzeba produkować sztucznie w reaktorach. ([3] s. 8-10) Do zajścia rozszczepienia w każdym przypadku niezbędne jest wchłonięcie neutronu przez jądro, przy czym dla ²³⁸U wymagane jest jeszcze dostarczenie energii ok. 1 MeV, najczęściej w postaci energii kinetycznej owego neutronu. ([19] s. 600) W skutek rozpadu powstają dwa nowe jądra, które oczywiście zajmują więcej miejsca niż pierwotne, czyli zwiększa się objętość zajmowana przez materię. Powstające jądra są zwykle w stanach wzbudzonych i po jakimś czasie emitują fotony gamma, choć mogą także dalej rozpadać się przez rozszczepienie (emitują wtedy tzw. neutrony opóźnione) lub rozpady alfa i beta. W ten sposób wydzielana jest duża ilość energii. Jej wartość dochodzi do 1,1 MeV przypadające na każdy nukleon biorący udział w reakcji, co odpowiada uzyskanej energii wybuchu 17,8 kilotony/kg uranu-233, 17,6 kilotony/kg uranu-235 i 17,3 kilotony/kg plutonu-239. ([14]) Ale najciekawsze jest to, że jednocześnie następuje emisja 2 lub 3 nowych neutronów, w zależności od tego, jakie pierwiatki powstały. Te nowe neutrony mogą stać się zarzewiem następnych reakcji rozszczepienia, o ile zajdą odpowiednie warunki. W ten sposób powstaje reakcja łańcuchowa.

Reakcja łańcuchowa

Jeśli przynajmniej jeden z neutronów uwolnionych w reakcji rozszczepienia trafi w jądro rozszczepialne, być może spowoduje zajście następnej reakcji, w której znów wydzielą się neutrony mogące wywołać następne rozszczepienia itd. Stan taki nosi nazwę reakcji łańcuchowej. Podtrzymuje się ona samorzutnie aż do wyczerpania się zapasów paliwa, czyli jąder rozszczepialnych, lub aż warunki przestaną być sprzyjające temu procesowi. By mógł on zajść potrzebne jest bowiem spełnienie całego szeregu warunków pozwalających neutronom "dożyć" do następnego rozszczepienia. Mogą one zostać rozproszone lub pozbawione niezbędnej energii w zderzeniach z atomami albo wychwycone przez jakieś inne, nierozszczepialne jądra i wtedy reakcja łańcuchowa jest zablokowana. Może też zdarzyć się tak, że średnio więcej niż jeden neutron z jednego rozpadu wywoła następną reakcję. Wtedy ilość rozszczepień będzie rosnąć wykładniczo i może być to proces bardzo szybki, wręcz błyskawiczny. Kluczowym pojęciem przydatnym do opisu tych zjawisk okazuje się być średnia droga swobodna neutronu w materiale i z niej wynika pojęcie masy krytycznej. ([9])

Rys. 1. Ilustracja zjawiska reakcji łańcuchowej.

Część neutronów (poniżej 1%) nie jest emitowana bezpośrednio w czasie rozszczepienia, tylko wskutek rozpadów niektórych jąder powstałych przy rozszczepieniu. Rozpady tych nietrwałych jąder następują po jakimś czasie i dlatego neutrony takie nazywa się opóźnionymi. W reaktorach jądrowych to właśnie one pozwalają na kontrolę reakcji łańcuchowej zachodzącej w rdzeniu, gdyż czas kreacji neutronów natychmiastowych jest zbyt szybki, by mieć nad nimi kontrolę. ([21])

Masa krytyczna

Okazuje się, że jeśli zbierze się w jednym miejscu w postaci kuli odpowiednią ilość materiału rozszczepialnego, to dla pewnej charakterystycznej dla każdego materiału masy osiągniemy stan opisany powyżej, czyli reakcji, która się sama podtrzymuje. Wytłumaczenie tego zjawiska może być następujące: ruch neutronu od zderzenia do zderzenia, w których zmienia on swój kierunek, ma średnią długość zwaną średnią drogą swobodną. Im większa jest objętość, w jakiej poruszają się neutrony, tym więcej jest zderzeń i tym dłużej neutrony w nim przebywają, a im dłużej tam przebywają, tym pewniej prędzej czy później trafią na jądro rozszczepialne i wywołają reakcję. Natomiast jeśli objętość jest zbyt mała, to neutrony uciekają poza materiał. Liczba neutronów, które mogą uciec, jest proporcjonalna do powierzchni zewnętrznej tego materiału. Ponieważ w przypadku kuli objętość wynosi V=⁴/₃R³, a jej powierzchnia S=4R², gdy będziemy zwiększać promień kuli R jej objętość będzie rosła szybciej niż powierzchnia. Zatem coraz więcej neutronów będzie powodować następne reakcje, a coraz mniej uciekać poza kulę. Dla pewnej wartości promienia osiągniemy wreszcie warunek powstania reakcji łańcuchowej. Masa materiału rozszczepialnego, który będzie wtedy znajdował się w tej kuli nazywa się właśnie masą krytyczną. ([9])

Rys. 2. Ilustracja problemu masy krytycznej.

Jeśli byśmy chcieli nadal zwiększać promień kuli dokładając nowe porcje materiałów rozszczepialnych, przekroczymy próg reakcji łańcuchowej i wtedy ilość rozszczepień będzie lawinowo narastać. Jednak to nie wystarczy, by wywołać eksplozję atomową. W praktyce wskutek rozgrzania się i zwiększenia ciśnienia nasza kula, którą można nazwać rdzeniem jądrowym, ulegnie rozrzuceniu. Może to być eksplozja, ale jej siła nie będzie miała nic wspólnego z siłami eksplozji bomb nuklearnych. Rozrzucenie materiału oznacza bowiem natychmiastowe zejście poniżej poziomu masy krytycznej i reakcja łańcuchowa nie będzie dalej przebiegać.

Przykładowe wartości mas krytycznych dla różnych materiałów wynoszą (za [9]):
- dla uranu-233 - 16 kg,
- dla uranu-235 - 52 kg,
- dla plutonu-239 - 10 kg.

Właściwie pojęcie masy krytycznej, jakkolwiek pomagające zrozumieć zasadę działania broni atomowej, może być nieco mylące, gdyż zagadnienie jest trochę bardziej skomplikowane. Neutrony o różnych energiach mają różne drogi swobodne i różnie wpływają na różne jądra, a ponadto w rzeczywistości trudno jest uzyskać duże ilości "czystych" pierwiastków rozszczepialnych. Zawsze wśród jąder jednego izotopu znajdzie się jakaś liczba innego, powstała choćby z samorzutnej przemiany alfa lub beta. W efekcie masa krytyczna takiej mieszanki ma wartość pośrednią. Wartość masy krytycznej zmieni się także, jeśli materiał rozszczepialny będzie "rozcieńczony" jakimś innym, gdyż wtedy mniejsze będzie prawdopodobieństwo wywołania reakcji przez neutron w rzadziej rozłożonych jądrach rozszczepialnych. Można powiedzieć, że zmniejszy się gęstość materiału. Analogicznie możliwe jest zachowanie odwrotne: w ściśniętym do większej gęstości materiale rozszczepialnym neutrony będą częściej wpadać na jądra. Naukowcy doszli do wniosku, że możliwe jest wywołanie reakcji łańcuchowej w ilości materiału mniejszej od masy krytycznej pod warunkiem właśnie silnej kompresji tegoż. Właściwszym pojęciem niż masa zatem może okazać się gęstość krytyczna. ([9])

Ściśnięcie do małej objętości ma także swoją drugą zaletę. Neutrony poruszają się z ograniczoną prędkością zależną od ich energii. Oznacza to, że im większą drogę muszą przebyć przed wywołaniem następnego rozszczepienia, tym dłużej to trwa. Natomiast jeśli objętość jest mała, odległości są krótsze i reakcja zachodzi szybciej, co w przypadku konstrukcji bomb atomowych jest bardzo ważnym aspektem.

Synteza

Reakcjom syntezy ulegają tylko izotopy lekkich jąder i możliwych reakcji jest znacznie mniej niż przy rozszczepieniu. Warunkiem ich zajścia jest bardzo wysoka temperatura, przekraczająca nieraz temperaturę panującą we wnętrzu Słońca (czyli dziesiątki milionów kelwinów). Takie temperatury osiągane są także podczas eksplozji nuklearnych bazujących na rozszczepieniu.

T + T -> ⁴He + 2n + 11 MeV

D + T -> ⁴He + n + 17,6 MeV

D + D -> ³He + n + 3,27 MeV (50%)

D + D -> T + p + 4,03 MeV (50%)

³He + D -> ⁴He + p + 18,4 MeV

Obie reakcje łączenia dwóch jąder deuteru przebiegają z takim samym prawdopodobieństwem, co zaznaczono w nawiasach obok reakcji. Natomiast względne wydajności wszystkich tych reakcji zależą od temperatury. Dla niższych najczęściej zachodzącą będzie reakcja pierwsza i druga, dla wyższych - ostatnia. Dlatego często do zainicjowania reakcji termojądrowych używa się mieszaniny deuteru i trytu. Tryt jest jednak drogi w produkcji (ok. 80 razy droższy niż Pu), a utrzymywanie mieszanki D i T pod ciśnieniem lub w stanie ciekłym jest niebezpieczne i kosztowne. Dlatego we współczesnej broni termojądrowej korzysta się zazwyczaj z deuterku litu, co czyni ważnymi jeszcze dwie dodatkowe reakcje nie będące reakcjami syntezy, ale w wyniku których powstaje dodatkowe paliwo do nich :

⁶Li + n -> T + ⁴He + 4,78 MeV

⁷Li + n -> T + ⁴He + n + 2,47 MeV

a także reakcje jądrowe z udziałem litu, w których wydziela się znaczna energia :

⁶Li + D -> 2⁴He + 22,4 MeV

⁷Li + D -> 2⁴He + n + 15 MeV

Dla porównania reakcji syntezy z reakcjami rozszczepienia można powiedzieć, że w syntezie wyzwolona energia przypadająca na jeden nukleon jest kilka razy większa, np. dla łączenia deuteru z trytem wynosi ok. 3,5 MeV. Taka wydajność pozwala na uzyskanie mocy bomb termojądrowych 85,2 kilotony/kg deuteru, 80,4 kilotony/kg mieszaniny deuteru i trytu (pół na pół) oraz 64 kilotony/kg deuterku litu-6.

Promieniowanie

Jak widać w reakcjach jądrowych emitowane są różne cząstki, często też o różnych energiach. Składają się one na charakterystyczny dla broni jądrowej czynnik rażenia - promieniowanie przenikliwe. Niektóre z cząstek posiadają ładunek (alfa, beta) i przez to jonizują materię, inne są obojętne elektrycznie (gamma, neutrony) i ich destrukcja objawia się przez dostarczanie energii (to może powodować wzrost temperatury lub reakcje jądrowe). W wyniku różnych zawiłych procesów zachodzących podczas eksplozji różnią się one też pochodzeniem, gdyż nie wszystkie cząstki muszą pochodzić z reakcji jądrowych. Ich niszczycielskie działanie jest jednak raczej niezależne od ich źródła.

Alfa

Cząstki alfa składają się z dwóch protonów i dwóch neutronów. Gdy cząstka alfa przechwyci dwa elektrony, staje się atomem helu. Przez to, że są ciężkie, cząstki alfa mają małe prędkości nawet przy stosunkowo dużych energiach. Ponadto dobrze oddziaływują z materią jonizując ją, zatem ich zasięg oddziaływania nie jest duży i w powietrzu jest rzędu 10 cm. Jako skuteczna osłona przeciwko promieniowaniu alfa może zatem służyć zwykła kartka papieru czy odpowiednio gruba warstwa powietrza, a nawet zewnętrzna warstwa ludzkiej skóry. Można by zatem zlekceważyć ten rodzaj promieniowania, co byłoby dużym błędem, gdyż jesteśmy nań dużo bardziej narażeni, jeśli skażona promieniotwórczo materia znajdzie się wewnątrz organizmu (np. przez połknięcie lub wdychanie czy też przez rany).

Beta

Są to po prostu elektrony, rzadziej pozytrony. Jako cząstki o b. małej masie są wyjątkowo ruchliwe, dlatego rozprzestrzeniają się szybko, ale też szybko oddają swoją energię jonizując napotkany materiał, przez co łatwo je powstrzymać. W praktyce wystarczy nawet blacha aluminiowa, by je wyeliminować. Promieniowanie beta podczas eksplozji jądrowej może powstawać w reakcjach jądrowych, ale też w wyniku wybijania elektronów z powłok w atomach przez promieniowanie gamma.

Gamma

Promieniowanie gamma ma inną naturę niż pozostałe rodzaje. Kwanty gamma są falami elektromagnetycznymi i poruszają się z prędkością światła, więc ich działanie można w wielu przypadkach uznać za natychmiastowe. Wyjątkiem od tego są sytuacje, gdy ośrodek, w którym przemieszcza się to promieniowanie, jest dla niego nieprzezroczysty. Przy eksplozji jądrowej dzieje się tak zawsze, ponieważ wysokoenergetyczne fotony gamma silnie oddziaływują z atomami. Zazwyczaj chodzi o jonizację atomów lub inne przekazywanie energii przy zderzeniach z cząstkami, ale mogą to też być kreacje pary elektron-pozytron lub nawet reakcje jądrowe (jak w przypadku berylu). Generalnie jednak promieniowanie gamma jest dużo bardziej przenikliwe niż alfa i beta, niemniej można się przed nimi uchronić. Gruba warstwa ołowiu lub jeszcze grubsza betonu eliminuje zagrożenie, ale trzeba uważać, gdyż rozproszone promieniowanie zmienia kierunek i może razić z innej strony niż ta, gdzie znajduje się jego źródło. Całe szczęście promieniowanie rozproszone jest dużo słabsze od oryginalnego.

Do tej kategorii promieniowania można też zaliczyć promieniowanie cieplne i to zarówno ze względu na tą samą naturę, jak i to, że promieniowanie gamma przekształca się w cieplne na skutek oddziaływania z ośrodkiem, jednak z powodu różnego wpływu na materię oddziela się je jako element rażenia broni jądrowej i termojądrowej.

Neutrony

Neutrony są cząstkami emitowanymi w reakcjach rozszczepienia i syntezy i takie reakcje mogą powodować. Jako cząstki neutralne elektrycznie nie mają dobrych własności jonizujących. Ich destruktywna działalność polega w większej mierze na przekazywaniu energii innym cząstkom takim jak protony (które będąc naładowane elektrycznie czynią spustoszenie niejako "w ich imieniu") lub fotony gamma emitowane przez wzbudzane neutronami jądra. Zderzając się z jądrami atomów neutrony odbijają się sprężyście lub mogą do nich wniknąć początkując przemianę jądrową. Wskutek zderzeń sprężystych neutrony tracą swą energię, przy czy tracą ją tym szybciej, im lżejsze jest jądro, które je odbija. Wynika to z zasad zachowania energii i pędu, a konkluzją jest stwierdzenie, że neutrony są najlepiej tłumione nie przez ciężkie materiały, jak to było dla pozostałych rodzajów promieniowania, lecz przez grube warstwy materiałów lekkich. Dobrą osłoną przed neutronami może być zatem zwykła woda, zawierająca w sobie dużą ilość wodoru, lub beton, często dodatkowo domieszkowany żelazem, które ma duży przekrój czynny na wychwyt neutronów ([2])

W zależności od energii kinetycznych, które uzyskują, neutrony dzieli się na:
- wysokich energii - E_k>50 MeV,
- prędkie - E_k=0,5 - 50 MeV,
- pośrednich energii - E_k=1 - 500 keV,
- rezonansowe - E_k=1 - 1000 eV,
- termiczne - E_k=25 meV,
- zimne - E_k=1 meV.
Podział ten przydaje się podczas rozważania oddziaływań neutronów z materią, które są opisane często w dość skomplikowany sposób (np. dla neutronów rezonansowych), lub podczas rozważań nad szkodliwością promieniowania, co przedstawione jest w dziale "Efekty".

Protony

W niektórych reakcjach produktami są protony, które wraz z neutronami wchodzą w skład jąder atomowych. Są ich jednak tak znikome ilości, że nie rozważa się ich działania w efektach wybuchu bomb atomowych.

---