To ciekawe

Pierwszą reakcję jądrową przeprowadził w roku 1919 Ernest Rutherford, odkrywca jądra atomowego. W wyniku bombardowania azotu cząstkami $\alpha$ (jądrami helu) otrzymał jądra izotopu tlenu i protony (jądra wodoru):

Obecnie znane są różne rodzaje reakcji jądrowych, które wykorzystuje się w wielu dziedzinach: energetyce jądrowej, przemyśle, medycynie, badaniach naukowych. Energetyka jądrowa oparta jest na reakcji rozszczepienia, ale od wielu lat naukowcy próbują zbudować urządzenia do efektywnego wytwarzania energii, pozwalające na przeprowadzanie kontrolowanej reakcji syntezy termojądrowej (Rys. a.). Duże nadzieje wiąże się z reaktorem ITER (ang. International Thermonuclear Experimental Reactor – Międzynarodowy Eksperymentalny Reaktor Termojądrowy), budowanym we Francji.

RwLUwEVsxQfE5

Rys. a. Ilustracja przedstawia schemat reaktora opisywanego wielkimi literami ITER będącego skrótem od angielskiego International Thermonuclear Experimental Reactor. W centralnej części ilustracji widoczny jest przekrój reaktora. Reaktor widoczny jest w postaci cylindrycznego ustawionego pionowo ciemnego obiektu. Wzdłuż pionowej osi symetrii cylindra przebiega centralna Cewka indukcyjna, stanowiąca obwód pierwotny transformatora. Obwodem wtórnym jest plazma. Wewnątrz reaktora wokół pionowej osi symetrii widoczne są cewki toroidalnego i poloidalnego pola magnetycznego. Wytwarzają one silne pole magnetyczne o indukcji rzędu 5 tesli, czyli sto tysięcy razy większe od pola magnetycznego Ziemi, ogranicza ono plazmę i izoluje ją od ścian komory próżniowej. Cewki te nawinięte są na komorę próżniową, widoczną w postaci toroidu wokół pionowej osi symetrii reaktora. Komora próżniowa, której zadaniem jest izolowanie obszaru plazmy od powietrza, otoczona jest płaszczem, w którym znajduje się lit. Płaszcz ten nazywa się blanketem. Wewnątrz Komory próżniowej widoczna jest również szara rurka, wychodząca na zewnątrz. Nazywana jest ona diwertorem, a jej zadaniem jest usuwanie zanieczyszczeń i helu z Komory próżniowej. Jest to jedyny obszar, w którym świadomie dopuszcza się do kontaktu plazmy wewnątrz reaktora z powierzchniami materialnymi. Cewki oraz komora próżniowa otoczone są kriostatem. Kriostat jest schłodzony do temperatury około minus dwustu stopni Celsjusza, co zapewnia utrzymanie roboczej temperatury cewek nadprzewodzących do około minus dwustu sześćdziesięciu dziewięciu stopni Celsjusza.

Reakcje syntezy termojądrowej zachodzą we wnętrzu Słońca i innych gwiazd i są głównym źródłem ich energii.

Warto przeczytać

Reakcje jądrowe polegają na przemianach jąder atomowych, z których powstają jądra innych pierwiastków. Zazwyczaj są to przemiany wywołane przez cząstki wnikające do jądra. Schemat takiej reakcji można przedstawić w postaci:

gdzie $\mathrm{A}$ – jądro wyjściowe, $x$ – cząstka uderzająca, $\mathrm{B}$ – nowe jądro, $y$ – cząstka powstała w wyniku reakcji.

Przy zapisie reakcji podaje się liczby masoweliczba masowa $A$liczby masowe i atomoweliczba atomowa $Z$atomowe jąder i symbole cząstek. Ta sama reakcja może być zapisana na dwa sposoby. Na przykład reakcja, dzięki której odkryto neutron ($n$), może być zapisana następująco:

Przy drugim sposobie zapisu reakcji w nawiasie umieszcza się symbole cząstek biorących udział w reakcji. W podanej wyżej reakcji są to: cząstka $\alpha$, czyli jądro ${}_2^4\mathrm{He}$ i neutron $n$.

Reakcje jądrowe można klasyfikować według różnych kryteriów:

• rodzaju bombardujących cząstek,

• energii bombardujących cząstek,

• masy bombardowanego jądra,

• rodzaju reakcji ze względu na substraty i produkty,

• mechanizmu reakcji.

Przy klasyfikacji według rodzaju bombardujących cząstek rozróżnia się reakcje wywoływane neutronami, lekkimi jądrami, ciężkimi jądrami, fotonami i inne. Lekkie jądra to jądra izotopów wodoru: proton, deuterondeuterondeuteron i trytontrytontryton oraz jądro ${}_2^4\mathrm{He}$, czyli cząstka $\alpha$. Jądra pierwiastków cięższych od helu nazywane są ciężkimi jonami. W reakcjach z ciężkimi jonami zostały wytworzone jądra wszystkich pierwiastków o liczbie atomowej większej niż 101. Reakcje wywoływane fotonami (kwantami $\gamma$) nazywane są reakcjami fotojądrowymi.

Przy podziale według energii (podawanej w elektronowoltacheV, elektronowoltelektronowoltach) padających cząstek $E_x$ rozróżnia się:

• reakcje niskich energii, gdy $E_x<1\mathrm{MeV}$

• reakcje średnich energii dla $1MeV\le E_x\le 100MeV$

• reakcje wysokich energii, dla $E_x>100\mathrm{MeV}$

Do reakcji wywoływanych przez cząstki o wysokich energiach należą reakcje wywoływane promieniowaniem kosmicznym.

Ze względu na masę uczestniczących w reakcji jąder atomowych rozróżnia się:

• reakcje zachodzące na jądrach lekkich, czyli jądrach o liczbie masowej $\mathrm{A}<50$,

• reakcje zachodzące na jądrach średnich o liczbie masowej $50\le A\le 100$,

• reakcje zachodzące na jądrach ciężkich - o liczbie masowej $\mathrm{A}>100$.

Przy klasyfikacji według rodzaju reakcji ze względu na substraty i produkty wyróżnia się:

• reakcje syntezy (reakcje fuzji), na przykład łączenie jąder deuteru i trytu w jądro helu: ${}_1^2\mathrm{H}+{}_1^3\mathrm{H}\to {}_2^4\mathrm{He}+n$

• reakcje wymiany, na przykład pierwsza reakcja jądrowa przeprowadzona przez Rutherforda: ${}_7^{14}\mathrm{N}+{}_2^4\mathrm{He}\to {}_8^{\mathrm{17}}\mathrm{O}+p$

• reakcje podziału (rozszczepienia, rozpadu), na przykład reakcja rozszczepienia jądra uranu 235 przez neutron: ${}_{92}^{235}\mathrm{U}+n\to {}_{\mathrm{37}}^{\mathrm{90}}\mathrm{Rb}+{}_{55}^{144}\mathrm{Cs}+2n$

W reakcji syntezy, która zachodzi w bardzo wysokich temperaturach, następuje łączenie dwóch lekkich jąder w cięższe. Powstaje też nowa cząstka.

Reakcja wymiany polega na dołączeniu do jądra bombardującej je cząstki i emisji innej cząstki z powstałego jądra.

Reakcja rozszczepienia to zwykle podział ciężkich jąder pod wpływem wnikających w nie neutronów. Produktami reakcji są dwa lżejsze jądra i tak zwane neutrony wtórne.

Reakcje jądrowe, podobnie jak chemiczne, dzielimy na reakcje egzo- i endoenergetyczne. W reakcji egzoenergetycznej wydziela się energia. W reakcji tej całkowita energia spoczynkowa produktów jest mniejsza niż całkowita energia spoczynkowa substratów reakcji, a więc część masy zamienia się na energię, która jest wydzielana głównie w postaci energii kinetycznej produktów reakcji. Przykładem reakcji egzoenergetycznych są rozpady promieniotwórcze i reakcje rozszczepienia.

W reakcjach endoenergetycznych konieczne jest dostarczenie energii w postaci energii kinetycznej substratów. Przykładem może być reakcja powstawania w górnych warstwach atmosfery izotopuizotopizotopu węgla ${}^{14}\mathrm{C}$:

Neutrony powodujące tę reakcję mają dużą energię kinetyczną. Reakcja ta jest też przykładem reakcji wymiany. Do jądra azotu został dołączony neutron, a proton został wyrzucony z jądra.

Podział reakcji na różne typy nie zawsze jest jednoznaczny. Ta sama reakcja może być przyporządkowana do różnych typów.

Rozpady promieniotwórcze, zachodzące samorzutnie w przyrodzie, nazywane są przemianami jądrowymi (alfa, beta, gamma).

We wszystkich reakcjach jądrowych obowiązują prawa zachowania: energii, ładunku, liczby nukleonów, pędu i momentu pędu. Jest to szczegółowo wyjaśnione w e‑materiałach: „Zasada zachowania ładunku elektrycznego i całkowitej liczby nukleonów w reakcjach jądrowych”, „Zasada zachowania energii w reakcjach jądrowych”, „Zasada zachowania pędu i momentu pędu w reakcjach jądrowych”.

Słowniczek