Przeczytaj

bg‑azure

Typy reakcji jądrowych

Reakcje jądrowe można podzielić na cztery główne grupy:

R8oXiqP3W92s1

Proste reakcje jądrowe Są to reakcje, w których bombardujemy jądro atomowe cząstkami o małej energii. Wchłonięcie ich przez jądro skutkuje emisją jednej lub dwóch cząstek elementarnych.

Przykładem reakcji jądrowej jest bombardowanie jądra atomu azotu strumieniem cząstek α, które po raz pierwszy w 1919 r. przeprowadził Rutherford [ruˈtɛrfɔrt]. W wyniku zderzenia cząstek otrzymał izotop tlenu-17 oraz proton (jądro atomu wodoru-1). Cząstki alfa to jądra atomu helu-4. Reakcję tę możemy zapisać następująco:

_{7}^{14} N + msubsup α \to_{8}^{17} O +_{1}^{1} H

Graficzny schemat reakcji: Graficzny schemat reakcji: bombardowanie jądra azotu o liczbie masowej 14 strumieniem cząstek alfa. W wyniku bombardowania powstaje atom tlenu o liczbie masowej 17 i jeden proton - wodór o liczbie masowej 1., Kruszenie jąder Następuje po bombardowaniu jądra atomowego cząstkami o dużej energii – protonami. W tym przypadku bombardowane jądra tracą część swojej masy, która może dojść nawet do 40%.

Przykładem jest kruszenie jądra żelaza. Reakcję tę możemy zapisać następująco:

_{26}^{54} F e +_{1}^{1} H \to_{22}^{44} T i +_{5}^{11} B

Graficzny schemat reakcji: bombardowanie jądra żelaza o liczbie masowej 54 protonem wodoru o liczbie masowej 1 daje jądro atomowe boru o liczbie masowej 11 i jądro atomowe tytanu o liczbie masowej 54. , Rozszczepianie jąder Rozszczepienie następuje po naświetleniu ciężkich jąder powolnymi neutronami. Produktami rozszczepienia są dwa duże jądra o podobnej masie oraz 2-3 neutrony.

Przykładem jest rozszczepienie jądra atomu uranu-235. Reakcję tę możemy zapisać następująco:

_{92}^{235} U +_{0}^{1} n \to_{36}^{89} K r +_{56}^{144} B a + 3_{0}^{1} n

Graficzny schemat reakcji: od neutronu w postaci szarej kulki strzałka w kierunku jądra uranu o liczbie masowej 235, od niego strzałka w kierunku jądra uranu o liczbie masowej 236. Tu pięć promieniście rozchodzących się strzałek - trzy biegną do neutronów, jedna do jadra atomu baru o liczbie masowej 144, druga do jądra atomu kryptonu o liczbie masowej 89., Reakcje termojądrowe Zachodzą w bardzo wysokich temperaturach, np. na Słońcu. Polegają one na łączeniu się lżejszych jąder (wodoru, deuteru) w większe jądra kolejnych pierwiastków. Grafika obrazująca fuzję jądrową: z jednego atomu deuteru o symbolu H i liczbie masowej 2 i jednego atomu trytu o symbolu H i liczbie masowej 3 powstaje jądro helu H e o liczbie masowej 4 dodać 3,5 megaelektronowolta oraz neutron dodać 14,1 mega elektronowolta.

_{7}^{14} N + msubsup α \to_{8}^{17} O +_{1}^{1} H

_{26}^{54} F e +_{1}^{1} H \to_{22}^{44} T i +_{5}^{11} B

_{92}^{235} U +_{0}^{1} n \to_{36}^{89} K r +_{56}^{144} B a + 3_{0}^{1} n

Trwa wczytywanie danych...

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

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. $0,03$ $eV$ (elektronowolta)elektronowolt, $eV$ $eV$ (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. — Reakcja rozszczepienia uranu-235
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Reakcję rozszczepienia uranu‑235 można przedstawić schematycznie:

{}_{92}^{235}U + {}_{0}^{1}n \to X + Y + 2 {}_{0}^{1}n

lub

{}_{92}^{235}U + {}_{0}^{1}n \to X + Y + 3 {}_{0}^{1}n

Liczby masowe pierwiastków $X$ i $Y$ 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 $200 MeV$ (megaelektronowolta). Jeden gram uranu– $235$ , ulegający rozszczepieniu, dostarcza $82000000 kJ$ ( $19570000 kcal$ ). Jest to taka ilość ciepła, która odpowiada spaleniu aż ok. $2500 kg$ 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.

RA7vJ7J7q3ci31

Grafika przedstawia rozszczepienie jądra uranu o liczbie masowej 235 i liczbie atomowej 92. Schemat rozchodzi się promieniście. Neutron o liczbie masowej 1 i atomowej zero uderza w jądro uranu o liczbie masowej 235 i atomowej 92, powstają dwa atomy kryptonu: jeden o liczbie masowej 93 i atomowej 36, a drugi o liczbie masowej 140 i atomowej 56. Dalej na schemacie są trzy oddzielne neutrony, następnie trzy atomy uranu o liczbie masowej 235 i atomowej 92. Powstają izotopy: z pierwszego atomu uranu atom bromu o liczbie masowej 87 i liczbie atomowej 35 oraz atom lantanu o liczbie masowej 146 i liczbie atomowej 57. Z drugiego atomu uranu powstaje krypton o liczbie masowej 93 i liczbie atomowej 36 oraz atom baru o liczbie masowej 140 i atomowej 56. Z trzeciego atomu uranu powstaje atom rubidu o liczbie masowej 90 i liczbie atomowej 37 oraz atom cezu o liczbie masowej 144 i liczbie atomowej 55. Od każdego izotopu biegnie po jednym neutronie. KAżdy neutron prowadzi do atomu uranu o liczbie masowej 235 i liczbie atomowej 92. — Reakcja łańcuchowa rozszczepienia uranu-235
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

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. — Wybuch bomby jądrowej w Nagasaki, 9 sierpnia 1945 r.
Źródło: dostępny w internecie: www.pl.wikipedia.org, domena publiczna.

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 $15 kg$ . 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 $5 kg$ .

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. — Schemat reaktora wodnego
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

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 ${UO}_{2}$ , zawierające około $3 %$ uranu– $235$ 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 $0,,7 %$ rudy uranu nierozszczepialnego: uranu– $238$ .

Słownik

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. — Model budowy atomu
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

elektronowolt,

eV

elektronowolt,

eV

jednostka energii, legalna, nie należąca do układu SI; energia kinetyczna, jaką uzyskuje elektron po przebyciu w próżni drogi między dwoma punktami, gdy różnica potencjałów między tymi punktami jest równa $1 V$ ; $1 eV \approx 1,60217733 (49) \cdot 10^{- 19} J$

masa krytyczna

masa najmniejszej ilości materiału rozszczepialnego, w której może przebiec jądrowa reakcja łańcuchowa

reakcja łańcuchowa

reakcja, która po zainicjowaniu przebiega tylko w niewielkiej części ośrodka, lecz jej produkty pośrednie inicjują reakcję w kolejnych punktach ośrodka, na skutek czego rozwija się ona lawinowo bez potrzeby udziału dalszego zewnętrznego czynnika inicjującego

neutron

(łac. neuter „obojętny”) elektrycznie obojętna cząstka, składnik jąder atomowych (obok protonów)

moderator

(łac. moderator „ten kto powściąga”) spowalniacz neutronów; materiał stosowany do spowalniania neutronów, emitowanych w procesach rozszczepiania, w rdzeniach reaktorów jądrowych i specjalnych urządzeniach laboratoryjnych

rozszczepienia jądra atomowego

rozpad promieniotwórczy jądra, polegający na podzieleniu się jądra na dwie lub więcej, porównywalnych co do wielkości, części (fragmentów rozszczepienia)

cząstka alfa, cząstka

α

cząstka alfa, cząstka

α

jądro atomu helu o liczbie masowej $A = 4$ , tj. ${}^{4}{He}$ ; składa się z dwóch protonów i dwóch neutronów

implozja

(łac. im „w, do, ku” i explosio „eksplozja”) wybuch skierowany do wewnątrz; gwałtowne zgniecenie naczynia wskutek działania ciśnienia zewnętrznego, przewyższającego ciśnienie panujące wewnątrz naczynia; występuje np. w kineskopach

masa podkrytyczna

masa materiału rozszczepialnego, w której zainicjowana reakcja jądrowa przestaje zachodzić, ponieważ wydziela się za mało neutronów

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

Wprowadzenie

Gra edukacyjna