Reakcje jądrowe można podzielić na cztery główne grupy:

W tabeli poniżej zestawiono podstawowe cząstki oraz ich symbole, pojawiające się w sztucznych i naturalnych przemianach jądrowych.

Reakcje jądrowe, stosowane do syntezy sztucznych radionuklidów, charakteryzują się ogromnymi energiami aktywacji. Trzy urządzenia są wykorzystywane do pokonania tych energii aktywacji: akceleratory liniowe, cyklotrony i reaktory jądrowe.

Pierwsza sztuczna reakcja jądrowa

Poprzez bombardowanie cząstkami alfa jąder azotu, Rutherford wytworzył
tlen ${}^{17}\mathrm{O}$ i protony (schemat poniżej). Dzięki tej obserwacji Rutherford doszedł do wniosku, że atomy jednego konkretnego pierwiastka mogą powstawać z atomów innego pierwiastka. Jeśli otrzymany element jest radioaktywny, wówczas proces ten nazywany jest sztucznie wywołaną promieniotwórczością.

R10sn1X9gl3jy

Grafika przedstawia powstawanie tlenu i protonów. Od helu o liczbie masowej 4 i liczbie atomowej 2 biegnie strzałka w kierunku azotu o liczbie masowej 14 i liczbie atomowej 7, od niego strzałka do fluoru o liczbie masowej 18 i liczbie atomowej 9. Tu rozgałęzienie na tlen o liczbie masowej 17 i liczbie atomowej 8 oraz na proton o liczbie masowej 1 i liczbie atomowej 1.

Rutherford był pierwszym badaczem, który otrzymał z innych jąder protony i izotop tlenu ${}^{17}\mathrm{O}$, który jest nieradioaktywny.

Odkrycie neutronu

Okazało się, że inne jądra (podobnie jak azot), bombardowane cząstkami alfa, mogą generować nowe stabilne bądź radioaktywne jądra. James Chadwick w $1932$ roku wykorzystał cząstkę $\alpha$ i dokonał bombardowania jąder atomu berylu. Rezultatem tej przemiany było otrzymanie nieznanej wówczas cząstki – neutronu.

R20wRoFRkeT2z

Grafika przedstawia efekt bombardowania jądra atomowego berylu cząstkami alfa. Zaprezentowano równanie: żółta kulka z napisem alfa o liczbie masowej 4 i liczbie atomowej 2 ma po lewej stronie strzałki skierowane w lewo, w stronę kulki, dodać atom berylu o liczbie masowej 9 i liczbie atomowej 4 oznaczony jako szara kulka daje atom węgla o liczbie masowej 12 i liczbie atomowej 6 przedstawiony za pomocą pomarańczowej kulki dodać neutron o liczbie masowej 1 i liczbie atomowej 0. Równanie reakcji: ${}_2^4\alpha +{}_4^9\mathrm{B}\mathrm{e}⟶{}_6^{12}\mathrm{C}+{}_0^1\mathrm{n}$.

Rozszczepianie jąder

Reakcja rozszczepienia jądra została opisana po raz pierwszy przez Otto Hahna i Fritza Straßmanna [sztrạsmana] w $1939$ r. Badacze wykazali, że jądro uranu–$235$ ulega rozszczepieniu pod wpływem powolnych neutronów (neutronów termicznych), czyli takich neutronów, których energia wynosi ok. $\mathrm{0,03}$ $\mathrm{eV}$ (elektronowolta). Jest to energia porównywalna do cząsteczek gazu w temperaturze pokojowej.

R14FU1dqU6xae

Grafika obrazująca rozszczepienie jądra: od neutronu w postaci szarej kulki strzałka w kierunku jądra uranu o liczbie masowej 235. Powstają trzy neutrony oraz atom baru o liczbie masowej 144 i atom kryptonu o liczbie masowej 89.

Reakcję rozszczepienia uranu‑235 można przedstawić schematycznie:

lub

Liczby masowe pierwiastków $\mathrm{X}$ i $\mathrm{Y}$ mogą przyjmować wartości od $72$ do $161$, mogą to być na przykład pary jąder atomowych kryptonu i baru lub ksenonu i strontu.

Produktami rozszczepienia uranu–$235$ może być około$300$ izotopów $37$ różnych pierwiastków. Najczęściej powstają jądra o liczbach masowych zbliżonych do $95$ i $138$.  Przejście uranu–$235$ (w którym nukleony są związane słabiej) do dwóch bardziej trwałych jest połączone z wydzieleniem energii. Rozszczepienie jednego jądra uranu–$235$ dostarcza około $200 \mathrm{MeV}$ (megaelektronowolta). Jeden gram uranu–$235$, ulegający rozszczepieniu, dostarcza $82000000 \mathrm{kJ}$ ($19570000 \mathrm{kcal}$). Jest to taka ilość ciepła, która odpowiada spaleniu aż ok. $2500 \mathrm{kg}$ węgla!

W wyniku rozszczepienia jądra uranu powstają neutrony, które możemy nazwać pociskami inicjującymi dalsze rozszczepienie kolejnych jąder atomowych. Tego typu reakcję nazywamy reakcją łańcuchową.

Neutrony, powstające w reakcji łańcuchowej, poruszają się bardzo szybko. Większość z nich ucieka do otoczenia, nie zderzając się z innymi jądrami. Jeżeli jednak materiał promieniotwórczy zawiera dużo jąder uranu–$235$, to pochłonie także wiele neutronów. Masę radioaktywnego izotopu, która jest potrzebna do podtrzymywania przebiegu łańcuchowej reakcji jądrowej, nazywamy masą krytyczną. Poniżej wymaganej ilości tego materiału reakcja rozszczepienia jąder nie jest podtrzymywana. W przebiegu reakcji może dojść do eksplozji, jeśli próbka posiada masę nadkrytyczną, a więc większą od masy krytycznej.

Niekontrolowane reakcje rozszczepienia jądra

R18C5sFdjhzBS

Fotografia przedstawia dużą chmurę w postaci grzyba.

Bomba atomowa ulega bardzo silnemu wybuchowi. Następuje on w wyniku połączenia dwóch porcji substancji radioaktywnej, przekraczając tym samym masę krytyczną. Gwałtownie zachodząca reakcja łańcuchowa wyzwala wówczas ogromne ilości energii. Krytyczna masa kuli plutonu o wielkości pomarańczy wynosi około $15 \mathrm{kg}$. Masę krytyczną można zmniejszyć przez umieszczenie materiału promieniotwórczego w środku konwencjonalnego materiału wybuchowego. Wybuch ten powoduje zbliżenie do siebie jąder atomowych i trudniejszą ucieczkę neutronów. Dla silnie skoncentrowanego plutonu jego masa krytyczna wynosi około $5 \mathrm{kg}$.

Kontrolowane reakcje rozszczepienia jądra

R1RxNyWFUbGeP

Schemat reaktora wodnego. Reaktor składa się z obudowy bezpieczeństwa oraz z turbiny, przez którą wlatuje para, pompy pompującej zimną wodę do zbiornika ciśnieniowego, w którym znajduje się rdzeń z prętami regulacyjnymi. Ze zbiornika rurami płynie gorąca woda do wymiennika ciepła. Nad wymiennikiem ciepła jest wytwornica pary.

Wybuchowa reakcja rozszczepienia nie może zachodzić w elektrowni jądrowej, ponieważ paliwo stosowane w reaktorze jądrowym jest znacznie mniej skoncentrowane od paliwa, które służy do wzbudzenia wybuchowej reakcji jądrowej.

W reaktorze jądrowym przebiega znacznie wolniejsza kontrolowana reakcja łańcuchowa, podtrzymywana przez powolne neutrony. Za paliwo służą pręty ${\text{UO}}_2$, zawierające około $3\%$ uranu–$\mathbf{235}$ w rurkach ze stopu cyrkonu. Pręty paliwowe umieszcza się w moderatorze – materiale spowalniającym neutrony, które przechodzą między prętami paliwowymi. Szybkość reakcji łańcuchowej reakcji jądrowej musi być podtrzymywana na pewnym poziomie. Ma to zapobiec nadmiernemu przegrzaniu się i stopieniu reaktora. Pręty kontrolne wykonane są z boru lub kadmu. Wsunięte między pręty paliwowe wyłapują powolne neutrony, tym samym kontrolując pracę reaktora. Energia wydzielona podczas rozszczepienia jądra służy do podgrzania wody, następnie jest pompowana do wymiennika ciepła. Tam oddaje ciepło wodzie, która nie miała kontaktu z materiałem promieniotwórczym. Woda w wytwornicy przechodzi w stan pary i napędza turbiny, które, poruszając się, wytwarzają prąd elektryczny.

Problemem energetyki jądrowej jest dostępność paliwa – uranu–$235$, który stanowi tylko $\mathrm{0,,7}\%$ rudy uranu nierozszczepialnego: uranu–$238$.