Warto przeczytać

Indukowanemu neutronami rozszczepieniurozszczepienierozszczepieniu jądra uranu Indeks górny 235²³⁵U, oprócz uwolnienia solidnej porcji energii (ok 200 MeV), towarzyszy emisja 2‑3 neutronów. Gdyby powstałe neutrony mogły zostać wykorzystane do indukcji kolejnych aktów rozszczepieniarozszczepienierozszczepienia, można by uzyskać samopodtrzymującą się silnie egzoenergetyczną reakcję. Taki proces nazywamy reakcją łańcuchową.

Czym dokładnie jest reakcja łańcuchowa? Spójrz na poniższy rysunek wizualizujący reakcję łańcuchową rozszczepienia jądra uranu Indeks górny 235²³⁵U. W pierwszym kroku na jądro uranu Indeks górny 235²³⁵U pada neutron powodując jego rozszczepienie. Wyemitowane w tym procesie trzy neutrony napotykają kolejne jądra Indeks górny 235²³⁵U indukując ich rozszczepienie. Powstała trzecia generacja neutronów także indukuje akty kolejnych rozszczepień. W ten sposób następuje cały łańcuch rozszczepieńrozszczepienierozszczepień wzajemnie się podtrzymujących.

RO3NOF6w4lmha

Rys. 1. Rysunek przedstawia rozpad jądra atomu pierwiastka promieniotwórczego, na przykładzie uranu dwieście trzydzieści pięć. Jądro tego pierwiastka rozpada się na bar sto czterdzieści i krypton dziewięćdziesiąt trzy. W wyniku tej reakcji do kolejnych trzech jąder Uranu dwieście trzydzieści pięć docierają rozpędzone trzy neutrony przekazując im energię i doprowadzając do kolejnych rozpadów. Przedstawiono rozpad uranu 235 na krypton 93, bar 140 oraz 3 neutrony. Jak również na lantan 146, brom 87 i 3 neutrony. Oraz na rubid 90, cez 144 i 2 neutrony. Atomy pierwiastków na rysunku narysowane są w postaci okrągłych układów zielonych i pomarańczowych kulek.

Aby reakcja łańcuchowa nie ulegała wygaszeniu, średnio przynajmniej jeden z wyemitowanych neutronów musi zapoczątkować kolejne rozszczepienie. Warunek ten określa wartość współczynnika mnożenia (powielenia) neutronów kwspółczynnik powielenia neutronów kwspółczynnika mnożenia (powielenia) neutronów k, zdefiniowanego jako stosunek liczby neutronów w i+1 pokoleniu rozszczepienia do liczby neutronów w i-tym pokoleniu. Warunkiem podtrzymania reakcji łańcuchowej jest, aby współczynnik mnożeniawspółczynnik powielenia neutronów kwspółczynnik mnożenia wynosił przynajmniej 1.

Ile wynosi parametr k w rekacji pokazanej na Rys. 1? Policzmy! W pierwszym rozszczepieniu powstają 3 neutrony, w kolejnym 8 neutronów. Paramert k wynosi więc 8/3 ≈ 2,7. To dużo więcej od 1. Rysunek pokazuje reakcję łańcuchową na samym jej początku, w trakcie rozruchu. Kontrolowana reakcja łańcuchowa z czasem przyjmie parametr k równy 1.

W teorii brzmi łatwo, w praktyce należy sprostać kilku opisanym poniżej problemom.

1. Materiał rozszczepialny

Materiałem rozszczepialnym wykorzystywanym w reaktorach jądrowych jest głównie uran Indeks górny 235²³⁵U. Izotop ten występuje naturalnie w rudzie uranu, jednakże stanowi jej jedynie niespełna 0,7 %. To za mało, aby wyemitowane w rozszczepieniu neutrony miały szansę spotkać jądro Indeks górny 235²³⁵U i wywołać kolejny akt rozszczepienia. Ponadto niemalże nieuczestniczący w rozszczepieniu izotop uranu Indeks górny 238²³⁸U, stanowiący pozostałe 99,3% rudy, może także pochłaniać neutrony jeszcze bardziej zmniejszając prawdopodobieństwo otrzymania samopodtrzymującej się reakcji.

Stosowanym rozwiązaniem jest wzbogacanie uranu naturalnego w taki sposób, aby izotop Indeks górny 235²³⁵U stanowił ok. 3‑5 % próbki. Ponieważ izotopy uranu mają bardzo zbliżone własności chemiczne, do rozdzielenia frakcji wykorzystuje się ich różnice w masie atomowej. Jedna z metod polega na umieszczeniu próbki w cylindrycznych wirówkach. Pod wpływem działania siły odśrodkowej cięższe cząstki gromadzą się w zewnętrznej części wirówki, podczas gdy cząstki lżejsze bliżej osi obrotu. Tym samym frakcja znajdująca się w środku wirówki posiada zwiększoną ilość izotopu Indeks górny 235²³⁵U.

2. Energia neutronów

Energia kinetyczna neutronów wyemitowanych w rozszczepieniu przyjmuje najczęściej wartości kilku megaelektronowoltów (MeV). Jest to zdecydowanie za dużo, aby neutron mógł zostać pochłonięty przez jądro Indeks górny 235²³⁵U i spowodować jego rozszczepienie. Prawdopodobieństwo zajścia tego procesu zależy od energii neutronów. Jest tym większe, im mniejsza jest ich energia. Prawdopodobieństwo zajścia rozszczepiania dla neutronów o energii 0,01 eV jest aż o trzy rzędy wielkości większe niż dla neutronów pochodzących bezpośrednio z rozszczepienia. Aby móc efektywnie indukować kolejne akty rozszczepienia energia neutronów musi ulec znacznemu zredukowaniu, co realizuje się z wykorzystaniem tzw. moderatorówmoderator neutronówmoderatorów.

Mechanizm zmniejszania energii kinetycznej, czyli spowalniania neutronów w moderatorachmoderator neutronówmoderatorach bardzo łatwo zrozumieć w oparciu o analogię do sprężystych zderzeń kul. Rozpędzona kula zderzając się z dużo cięższym obiektem przekazuje mu tylko niewielką cześć swojej energii kinetycznej, po prostu się odbija i leci z niemalże tą samą prędkością w przeciwnym kierunku. Jednakże w zderzeniu z kulą o tej samej masie może dojść do całkowitego przekazania energii. Możesz to zaobserwować grając w bilard. Bila zderzając się z bandą - dużo cięższym obiektem - odbija się od niej i porusza się w przeciwnym kierunku z niemalże tą samą prędkością. Z drugiej strony bilardowa kula może się całkowicie zatrzymać po zderzeniu z inną, początkowo nieruchomą bilą, przekazując jej całą swoją energię kinetyczną. W sytuacji idealnej rozpędzona bila wpadnie do wybranego dołka.

Spowalnianie neutronów również odbywa się wskutek szeregu zderzeń z cząsteczkami moderatoramoderator neutronówmoderatora. Aby proces zachodził efektywnie materiał moderatoramoderator neutronówmoderatora dobiera się tak, aby masa cząsteczek była możliwie zbliżona do masy neutronów. W praktyce najczęściej stosuje się wodę (HIndeks dolny 2₂O) lub ciężką wodę (DIndeks dolny 2₂O). Wykorzystanie materiału o duże masie atomowej, np. ołowiu, spowodowałoby, że neutrony ulegałyby zderzeniom z atomami ośrodka bez utraty swojej energii kinetycznej. Mechanizm spowalniania neutronów w wodzie prezentuje Rys. 2.

R9NadUww83b7f

Rys. 2. Na ilustracji widoczna jest pionowa przerywana czarna linia dzieląca rysunek na dwie równe części. Po lewej stronie podpisanej jako paliwo widoczne są trzy jądra atomowe w postaci zbioru zielonych i pomarańczowych kulek, jedno pod drugim. Im niżej znajduje się jądro tym jest ono większe. Po prawej stronie widoczne są początkowo dwa neutrony w postaci zielonych kulek z małą literą n w środku, z których jeden porusza się w prawo i lekko w dół. Symbolizuje to niebieska strzałka podpisana, jako wielka litera E z indeksem dolnym jeden. Na końcu strzałki widać neutron połączony z protonem narysowanym jako pomarańczowe kółko z małą literą p w środku. W prawo i w dół biegnie kolejna niebieska strzałka podpisana jako wielka litera E z indeksem dolnym dwa. Na jej końcu widać ponownie połączony neutron z protonem. Od tego miejsca, w lewo i nieco w górę biegnie następna niebieska strzałka podpisana jako wielka litera E z indeksem dolnym trzy. Na jej końcu ponownie widoczny jest połączony proton i neutron. Dalej w lewo i mocno w dół biegnie kolejna niebieska strzałka opisana wielką literą E z indeksem dolnym cztery. Na jej końcu widać ponownie połączony neutron z protonem. Następnie w prawo i nieco w dół biegnie następna niebieska strzałka podpisana jako wielka litera E z indeksem dolnym pięć. Na jej końcu widać ponownie połączony neutron z protonem. Następnie w lewo i nieco w dół biegnie ostatnia niebieska strzałka podpisana, jako wielka litera E z indeksem dolnym sześć, na końcu której widoczny jest neutron. Od tego neutronu do największego jądra atomowego, za przerywaną czarną linią, skierowana jest krótka niebieska strzałka. Prawa strona układu podpisana jest, jako woda i opisana wzorem chemicznym wielka litera H z indeksem dolnym dwa i wielka litera O. Powyżej, u góry po prawej stronie widnieje formuła według której, wielka litera E z indeksem dolnym jeden jest większe od wielka litera E z indeksem dolnym dwa jest większe od wielka litera E z indeksem dolnym trzy jest większe od wielka litera E z indeksem dolnym cztery jest większe od wielka litera E z indeksem dolnym pięć jest większe od wielka litera E z indeksem dolnym sześć.

3. Masa krytyczna

Aby uzyskać reakcję łańcuchową średnio przynajmniej jeden z wyemitowanych 2‑3 neutronów musi zapoczątkować kolejne rozszczepienie. W przeciwnym wypadku proces nie będzie podtrzymywany i ulegnie wygaszeniu. Aby się to stało, należy dysponować odpowiednią ilością materiału rozszczepialnego. Przy zbyt małej masie materiału neutrony wyemitowane w rozszczepieniu opuszczą próbkę zanim napotkają jądro Indeks górny 235²³⁵U, lub zostaną pochłonięte przez materiał nie ulegający rozszczepieniu. Minimalna masa materiału rozszczepialnego niezbędna do podtrzymania reakcji łańcuchowej nazywa się masą krytycznąmasa krytycznamasą krytyczną. Konkretna wartość masy krytycznejmasa krytycznamasy krytycznej zależy od geometrii i postaci chemicznej materiału rozszczepialnego, stopnia wzbogacenia, rodzaju moderatoramoderator neutronówmoderatora, obecności dodatkowych materiałów, które mogą zarówno pochłaniać, jak i odbijać neutrony. Każda konstrukcja reaktora jądrowego ma swoją własną masę krytycznąmasa krytycznamasę krytyczną.

Rozwiązanie tych trzech z pozoru małych problemów otworzyło drogę do przeprowadzenia kontrolowanej reakcji łańcuchowej i wykorzystania energii emitowanej w rozszczepieniu w elektrowniach jądrowych.

Słowniczek