Reakcje jądrowe można podzielić na cztery główne grupy:

Rozszczepianie jąder

Reakcja rozszczepienia jądrarozszczepienia jądra atomowegoReakcja 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 neutronówneutronneutronów, których energia wynosi ok. $\mathrm{0,03}$ $\mathrm{eV}$ (elektronowolta)elektronowolt, $\mathrm{eV}$$\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 łańcuchowąreakcja łańcuchowareakcją 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 krytycznąmasa krytycznamasą 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 łańcuchowareakcja łańcuchowareakcja 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 moderatorzemoderatormoderatorze – 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–$238$.

Słownik

jądro atomowe

jądro atomowe

centralna część atomu (zbudowana z protonów i neutronów) o rozmiarach ok. ${10}^5$ razy mniejszych od rozmiarów atomu, skupiająca prawie całą jego masę

R1OGWXbBWZ6Nz

Grafika przedstawia model budowy atomu. Jądro atomowe jest zbudowane z czerwonych i szarych kulek. Czerwone kulki oznaczają protony, szare neutrony. Wokół jądra jest niebieskie koło - to chmura elektronowa.

Bibliografia

Atkins P., Jones L., Chemia ogólna. Cząstki, materia, reakcje, Warszawa 2018.

Bielański A., Podstawy chemii nieorganicznej, Warszawa 2007.

Brodzinski R. L., Rancitelli L. A., Cooper J. A., Wogman N. A., High‑Energy Proton Spallation of Iron, „Physical Review C” 1971, 4.

Encyklopedia PWN