Reakcja łańcuchowa

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

2n - (dwa do potęgi n)

Liczba neutronów w niezakłóconej reakcji łańcuchowej wzrasta gwałtownie, jak w słynnej opowieści o szachu, który został poproszony o zapłacenie za pracę ziarenkami ryżu.

Poddany poprosił o tyle ryżu, ile zmieści się na szachowni­cy, jeśli na pierwszym polu położy się dwa ziarenka, na dru­gim cztery, na trzecim osiem i na każdym kolejnym dwa razy więcej niż na poprzednim. Okazało, bardzo szybko, że w całym państwie szacha zabrakło ryżu.

Niełatwo sobie wyobrazić, ile to jest 264 ziaren, które powinny się znaleźć na ostatnim polu sza­chownicy - ale jeżeli wiemy, że ziarenko ryżu waży ok. 0,02 g, to możemy obliczyć, że cały ryż z szachownicy ważyłby ok. 4•1011 ton.

Reakcja łańcuchowa

W pojedynczym akcie rozszczepienia jądra 235U powstaje średnio 2,5 neutronu. Dla uproszczenia przyjmijmy jednak, że tworzą się tylko dwa neutrony. Przyjmijmy dalej, że każdy z nich zostanie pochłonięty przez inne jądra 235U i wywoła kolej­ne rozszczepienia i w każdej reakcji utworzą się dwa neutrony. Otrzymamy w sumie 4 neutrony, które mogą wywołać kolejne cztery reakcje, w wyniku których liczba neutronów w układzie zwiększy się do ośmiu.

Reakcja łańcuchowa
  • w każdym rozszczepieniu są wyzwalane 2 neutrony (czerwone kółka), które inicjują dwa kolejne rozszczepiwnia,
  • fragmenty roz­szczepienia (większe kółka w różnych kolorach) mogą mieć nieco inne masy: pro­cesem podziału na dwie masy rządzi przypadek,
  • jak widać, liczba neutronów w układzie gwałtownie wzrasta.

W reakcji łańcuchowej nie tylko liczba neu­tronów gwałtownie wzrasta - błyskawicznie rośnie również energia w układzie, gdyż każdemu rozszczepieniu to­warzyszy energia 200 MeV. Energia kinetyczna cząstek i jąder uczestniczących w procesie jest zamieniana podczas hamowania w materiale na ciepło.

Wywołując reakcję rozszczepienia w każdym jądrze za­wartym w 1 g 235U wyzwolimy energię

(6,023•1023/235)•200 MeV = 5,125 1023 MeV = 8,2•1010

Tak wielką energię ma masa 1000 ton spadająca na powierzchnię Ziemi z wysokości 8,2 km!

Energia wyzwolona w eksplozji bomb jądrowych zrzuconych w 1945 roku na Hiroszimę i Nagasaki odpowiadała energii równoważnej wybuchowi ok. 20 000 ton trotylu (około 20 kiloton TNT). Ponieważ w wybuchu 1 kilotony TNT wydziela się energia około 4•1012 J, więc ener­gia wybuchu 20 kt TNT jest równoważna energii wyzwalanej w całkowitym rozszczepieniu około 1 kg izotopu 235U.

Aby uzyskać moc cieplną 1 MW = 106 J/s musimy całkowicie rozszczepiać w każdej sekundzie zaledwie ok. 1,25•10-5 g izotopu uranu-235 (235U), co oznacza, że w ciągu doby zużyjemy ok. 1 grama tego surowca, a w ciągu roku ok. 365 g. Ponieważ w naturalnym uranie zawartość cen­nego 235U wynosi 0,72%, potrzebowalibyśmy ok. 50,7 kg uranu naturalnego dziennie. Jeśli uwzględnimy fakt, że nie wszystkie neutrony prowadzą do rozszczepienia, masa ta wzrośnie do ok. 61,1 kg.

Moc typowej elektrowni wynosi ok. 1000 MW, a więc jej roczne zapotrzebowanie na uran natu­ralny (przy założeniu pełnego wykorzystania energii z procesu całkowitego rozszczepienia izotopu 235U) wynosi ok. 61 ton. To doprawdy niewiele w porównaniu z setkami wagonów węgla, spalanego w elektrowni węglowej.

Dziedzina: 
Reakcja łańcuchowa