Energia rozszczepienia U-235

(Przeredagowany na potrzeby internetu tekst broszury Spotkanie z promieniotwórczością).

235U jest jedynym naturalnym izotopem rozszczepialnym przez neutrony termiczne. Jego koncentracja w naturalnym uranie (głównie 238U) jest jednak bardzo mała - zaledwie 0,72%. Do wykorzystania w celach badawczych, energetycznych lub militarnych należy uran wzbogacić, czyli zwiększyć ilości izotopu o masie 235 w stosunku do izotopu o masie 238.

Energia wyzwalana podczas rozszczepienia pojedynczego jądra 235U wynosi około 200 MeV. Dla porównania:

  • spalenie jednego atomu węgla daje 4 eV, czyli około 50 milionów razy mniej,
  • spalenie 1 kg węgla daje 2,5 miliona razy mniej ciepła niż reakcja rozszczepienia 1 kg uranu.

Dlatego elektrownie jądrowe są tak wydajne. Poniższa tabela pokazuje uśredniony rozkład energii pomiędzy różne produkty reakcji rozszczepienia.

Wartość [MeV] Składowe wyzwalanej energii
167 Energia kinetyczna fragmentów rozszczepienia (X i Y)
5 Energia kinetyczna neutronów
17 Energia rozpadów beta
7 Energia promieniowania gamma
196 Razem

Ogromna wartość energii wyzwalanej z niewielkiej masy ma również znaczenie dla wojska i stanowi o niszczycielskiej sile bomby atomowej. Energia (na cząsteczkę) wyzwalana pod­czas eksplozji konwencjonalnego środka wybuchowego, jakim jest trotyl (trinitrotoluen -TNT o wzorze chemicznym (NO2)3C6H2CH3), jest około 18 milionów razy mniejsza niż w reakcji jądrowej.

Należy jednak pamiętać, że nie każde jądro uranu musi rozpaść się podczas reakcji. Pierwsza bomba atomowa zużyła „zaledwie" 6% energii zawartego w niej uranu.

Warto jednak wiedzieć, że niszczycielskie działanie bomby jest w większym stopniu związane z działaniem cieplnym i podmuchem powstającym po wybuchu niż z promieniowaniem jądrowym.

Reakcja rozszczepienia a defekt masy

Energia wiązania, jest równoważna defektowi masy i wynosi w jądrze uranu 7,59 MeV na każdy nukleon, a we fragmentach rozszczepienia jest większa o około 0,9 MeV/nukleon.

W wyniku rozszczepienia nukleony przechodzą od słabszego wiązaniaw jądrze 235U, do silniejszych wiązań w jądrach fragmentów rozszczepienia. Przejściu ze stanu słabiej związanego do stanu silniej związanego towarzyszy emisja energii równa różnicy energii wiązań.

Energia uwalniana w pojedynczej reakcji roz­szczepienia 235U będzie więc równa iloczynowi liczby nukle­onów (236 po absorpcji neutronu) i różnicy energii wiązań 0,9 MeV/nukleon. W wyniku mnożenia otrzymujemy około 200 MeV.

Odpowiadający tej energii defekt masy nie jest duży, około jednej tysięcznej części masy jądra 236U.