ROZSZCZEPIANIE I SYNTEZA JĄDROWA

    W roku 1934 Enrico Fermi i Emilio Segre przeprowadzili doświadczenie, w którym bombardowali uran neutronami. Zaobserwowali rozpady beta. Nie zgadzało się to z dotychczasową wiedzą, ponieważ jak było wiadomo uran rozpadał się z emisją cząsteczek alfa, a nie beta. Tymczasem obserwowano emisję beta. Naukowcom wydawało się więc, iż w wyniku bombardowania neutronami powstają nowe pierwiastki - transuaranowce rozpadające się właśnie w rozpadzie beta.
    W 1938 roku dwaj naukowcy Otto Hahn i Fritz Strassman zauważyli, że jednym z produktów reakcji przeprowadzonej przez Fermiego i Segre jest izotop baru ¹⁴¹₅₆Ba. Rok później Otto Frisch i Lisa Meitner zaproponowali teorię, zgodnie z którą, jądro uranu jest rozszczepiane na dwa fragmenty: ¹⁴¹₅₆Ba i ⁹²₃₆Kr. Wyemitowane zostają też neutrony.
    Możemy teraz zapisać inną reakcję rozszczepienia uranu przebiegającą w wyniku bombardowania powolnymi neutronami, która wygląda tak:

Reakcje syntezy i rozszczepienia.

Z zależności średniej energii wiązania od liczby masowej wynikają dwie
możliwości otrzymania olbrzymich ilości energii. Jednym ze sposobów jest
reakcja syntezy, czyli reakcja tworzenia jądra z poszczególnych składników
lub reakcja łączenia lekkich jąder na przykład deuteru, w jedno większe. Gdzie dwa jądra deuteru łącząc się tworzą jądro helu, przy czym wydziela się ogromna ilość energii. Reakcja ta przebiega zgodnie z równaniem:

[28]

Aby reakcja syntezy mogła zajść, jądra pierwiastków muszą zbliżyć się do siebie na odległość rzędu 10^-15 m, w której działają siły jądrowe. Jądra te muszą więc posiadać ogromną energię kinetyczną, by móc przezwyciężyć siły odpychania elektrostatycznego. Wynika z tego, że reakcja syntezy wymaga temperatury rzędu setek milionów stopni.. Proces łączenia jąder atomowych w bardzo wysokich temperaturach nazywamy syntezą termojądrową, zaś wydzieloną w tym procesie energię - energią termojądrową.

Reakcje termojądrowe w sposób naturalny zachodzą we wnętrzu Słońca i innych gwiazd, gdzie panuje odpowiednio wysoka temperatura. Właśnie poprzez reakcje syntezy Słońce „produkuje” energię, dzięki której może istnieć życie na Ziemi. Reakcję syntezy w sposób niekontrolowany wykorzystano w tzw. „bombie wodorowej”. Natomiast „kontrolowane” wykorzystanie reakcji syntezy ciągle jest jeszcze przyszłością. Prowadzone są badania w tym kierunku i jeżeli próby się powiodą na skalę przemysłową to problem braku energii zostanie rozwiązany. Będzie to energia bez szkodliwych spalin i niebezpiecznego promieniowania a paliwem tej energii może być zwykła woda, a dokładniej zawarty w niej wodór

Drugi proces, w którym może powstać duża ilość energii to proces rozszczepienia jąder ciężkich, dla których energia wiązania jest mniejsza niż dla jąder średnich.

Reakcja rozszczepienia jesz procesem, w którym pod wpływem bombardowania np. neutronami powstają z jądra ciężkiego dwa jądra lżejsze nazywane fragmentami rozszczepienia (rys. 20).

 

Rys. 20. Różne typy reakcji jądrowych.

Fragmenty rozszczepienia są przeważnie promieniotwórcze i emitują promieniowanie b i g . W procesie takim wydzielonych jest również kilka (najczęściej dwa lub trzy) neutronów. Deficyt masowy powstający w trakcie reakcji rozszczepienia wynosi

[29]

gdzie:

m_F1, m_F2 - masy fragmentów rozszczepienia,

m_n - masa neutronu,

k - liczba neutronów;

M_j - masa jądra, które ulega rozszczepieniu.

Energia wydzielona podczas takiej reakcji, zgodnie z równaniem 27 wynosi

Jednym z izotopów wykorzystywanych w reakcji rozszczepienia jąder jest izotop uranu
. Ogólny schemat takiej reakcji jest następujący

gdzie:

- jądro złożone

X^*, Y^* - fragmenty rozszczepienia, które nie są jeszcze jądrami stabilnymi (wyrzucają
nadmiar neutronów oraz ulegają kilku przemianom b ).

Fragmenty rozszczepienia nie są jednoznaczne. Możliwe są różne kombinacje fragmentów rozszczepienia oraz liczb wyzwalanych neutronów.

Jednym z przykładów reakcji rozszczepienia jest rozpad jądra uranu
na jądra baru i kryptonu leżące w środkowej części układu okresowego

 

Rys. 21. Jądro wyjściowe i pocisk mają nieco większą masę niż fragmenty rozpadu. Różnica mas zamienia się w energię.

Proces rozszczepienia jąder uranu zachodzi z wydzieleniem ogromnych ilości energii. Aby oszacować jej wartość rozważmy energię wiązania przypadającą na 1 nukleon. Dla uranu wynosi ona około 7,5 MeV, natomiast dla pierwiastków środkowej części układu okresowego (a więc np. bar i krypton) - około 8,3 MeV. Zatem energia wiązania przypadająca na jeden nukleon zmienia się o (8,3-7,5) MeV » 0,8 MeV. Ponieważ jądro uranu zawiera 235 nukleonów, więc energia wydzielona podczas rozszczepienia jednego jądra uranu wynosi

D E = 235 × 0,8 MeV

D E » 200 MeV

Jak ogromna jest energia wydzielona podczas rozszczepienia 1 g uranu niech świadczy fakt, iż jest ona równoważna energii uzyskanej ze spalenia około 3 ton węgla!

Proces rozszczepienia można przeprowadzić w sposób niekontrolowany w trakcie wybuchu tzw. „bomby atomowej”, co uczyniono po raz pierwszy na atolu Bikini. Bomby takie wybuchły też 6 i 9 sierpnia 1945 roku nad Hiroszimą i Nagasaki.

W wybuchu jądrowym po połączeniu dwu tzw. mas podkrytycznych następuje niekontrolowane rozwinięcie się reakcji łańcuchowej. Neutrony powstające z rozszczepienia jądra uranu trafiają w następne jądra uranu powodując ich rozszczepienie i reakcja rozwija się lawinowo (rys. 22).

 

Rys. 22. Schemat reakcji łańcuchowej.

W ułamku sekundy zostaje wydzielona ogromna ilość energii. Równocześnie w atmosferze zostają rozpylone duże ilości elementów rozpadu izotopu, którego użyto do budowy bomby, powodując promieniotwórcze skażenie terenu.

Kontrolowany przebieg reakcji rozszczepienia zachodzi w reaktorach jądrowych. Rozszczepienie następuje w tak zwanym rdzeniu, w którego skład wchodzi uran lub inny materiał rozszczepialny o masie nieznacznie wyższej od masy krytycznej. Aby energia mogła wydzielać się w sposób kontrolowany w przestrzeń reakcji wprowadza się pręty spowalniające neutrony oraz sterujące zbudowane z kadmu, który pochłania powolne neutrony powodujące rozszczepienie uranu. Dzięki tym prętom reakcję można w każdej chwili przyspieszyć, zwolnić lub całkowicie przerwać. Rdzeń otoczony jest osłoną (wodną, metalową i betonową), w której znajdują się otwory do wypuszczania promieniowania jądrowego. Przekrój reaktora pokazany jest na rysunku 23.

Rys.13. Uproszczony schemat reaktora jądrowego.

Pierwszy reaktor zwany stosem atomowym uruchomił w roku 1942 Enrico Fermi. Obecnie na świecie pracuje ich wiele. W Polsce w Świerku pod Warszawą pracują dwa reaktory doświadczalne Ewa i Maria.

Reaktory wykorzystuje się do wytwarzania sztucznych izotopów, do prac badawczych oraz do celów przemysłowych - jako źródło energii do napędu generatorów w elektrowniach jądrowych.

---