Rozszczepienie

Reakcja rozszczepienia jest procesem, w którym jądro dzieli się spontanicznie lub w sposób wymuszony na dwa (czasem nawet trzy) ciężkie jądra. W reakcjach tego typu pojawiają się często także inne cząstki (np. neutrony) oraz promieniowanie elektromagnetyczne (promienie gamma). Najbardziej typową reakcją rozszczepienia, wykorzystywaną w obecnych reaktorach jądrowych, jest następująca reakcja:

gdzie X i Y oznaczają tzw. fragmenty rozszczepienia ( ⁹⁷Zr, ⁹⁹Mo, ¹³⁷Te, ¹⁴⁰Xe itd.) o masach bliskich połowie masy jądra uranu. ²³⁵U jest jedynym naturalnym izotopem, rozszczepianym przez neutrony termiczne. Jego koncentracja w naturalnym uranie (głównie ²³⁸U) jest jednak bardzo mała - zaledwie 0,72%.  

W reakcji rozszczepienia uranu powstaje średnio 2,5 neutronów, tak więc reakcja ta prowadzi do naturalnego powiększania się liczby neutronów w układzie, w którym ta reakcja zachodzi. W pojedynczej reakcji powstaje także średnio około pięciu fotonów. Większość fragmentów rozszczepienia jest promieniotwórcza, a więc rozpada się (patrz przykład ¹⁴³Ba).

W pojedynczym akcie rozszczepienia jądra ²³⁵U powstaje średnio 2,5 neutronów. Dla uproszczenia przyjmijmy jednak, że tworzą się tylko dwa neutrony. Przyjmijmy dalej, że każdy z nich pochłonięty zostaje przez inne jądra  ²³⁵U i wywoła kolejne rozszczepienia, przy czym w każdej takiej reakcji tworzą się dwa neutrony. W wyniku tego procesu otrzymamy w sumie 4 neutrony. Te neutrony mogą wywołać kolejne cztery reakcje, w wyniku których liczba neutronów w układzie zwiększy się do ośmiu.

Jak widać, liczba neutronów będzie gwałtownie wzrastać, jak w słynnej opowieści o szachu, który został poproszony o wypłatę za pracę ziarenkami ryżu. Pracownik poprosił o tyle ryżu, ile zmieści się na szachownicy, jeśli na pierwszym polu położy się jedno ziarenko, na drugim dwa, na trzecim cztery i na każdym kolejnym dwa razy więcej ziarenek niż położono na poprzednim polu. W ten sposób, jak się okazało, bardzo szybko zabrakło ryżu w całym państwie szacha (czy możesz sobie wyobrazić ile to jest 2⁶⁴ ziaren, które powinny się znaleźć na ostatnim polu szachownicy?). W podanym wyżej opisie reakcji liczba neutronów stale wzrasta, sama reakcja zaś zwana jest

reakcją łańcuchowąSamopodtrzymująca się reakcja chemiczna lub jądrowa, której produkty inicjują kolejne reakcje. W jądrowej reakcji łańcuchowej w wyniku rozszczepienia ²³⁵U , otrzymujemy średnio 2,5 neutronów, które mogą zainicjować kolejne reakcje rozszczepień jąder ²³⁵U. Jeśli taka samopodtrzymująca się reakcja przebiega bez ograniczeń, po osiągnięciu lub przekroczeniu tzw. masy krytycznej materiału rozszczepialnego następuje wybuch jądrowy.

Zauważmy, że nie tylko liczba neutronów gwałtownie wzrasta - energia w układzie również błyskawicznie rośnie.

Najprostsza odpowiedź brzmi - nie! W zasadzie liczba aktów rozszczepień w reakcji łańcuchowej powinna odpowiadać, albo być proporcjonalna, liczbie rozszczepialnych jąder w materii. Neutrony produkowane w procesie rozszczepienia mogą zainicjować kolejne reakcje rozszczepienia tylko wtedy, gdy są wpierw pochłonięte przez rozszczepialne jądro. Mogą być one jednak także pochłonięte przez jądro innego rodzaju, a nawet uciec z materiału. Reakcja rozszczepienia, jak każdy inny proces fizyczny, zachodzi bowiem nie tylko, gdy spełnione są pewne szczególne warunki, ale także z pewnym prawdopodobieństwem. Rozpatrzmy więc warunki, w których neutron może wywołać reakcję rozszczepienia.

Neutrony prędkie są silnie pochłaniane przez główny izotop uranu naturalnego - ²³⁸U, w wyniku czego powstaje rozszczepialny ²³⁹Pu i ²⁴⁰Pu. Z tego względu należy dobrze znać chemiczny (i izotopowy) skład materiału, w którym oczekujemy pojawienia się reakcji łańcuchowej.

Mając ograniczoną ilość materiału rozszczepialnego, produkcja energii w reakcjach rozszczepienia (a także liczba takich reakcji zachodzących w materiale) będzie w zasadniczym stopniu zależna od naszych możliwości sterowania energiami neutronów podczas procesu. Pamiętając jednak, że samo rozszczepienie zachodzi w czasie rzędu 10^-12 s, wydaje się, że nasze szanse kontroli są znikome. W istocie rzeczy, sytuacja nie jest tak zła. Znający grę w bilard wiedzą, że przy właściwym uderzeniu bili i zderzeniu jej z bilą stojącą na stole bilardowym, ta uderzona bila przejmie całą energię i odskoczy, podczas gdy nasza bila zatrzyma się. Taki sam proces przekazu energii może zajść wewnątrz dowolnego materiału.

To, co robimy, to doprowadzanie do reakcji łańcuchowej w środowisku, które nie absorbuje neutronów, a w którym takie przekazy energii są możliwie efektywne. Materiały mające tę własność nazywamy moderatorami neutronów. Wracając do naszej analogii, ogromna wydajność przekazu energii pomiędzy bilami w bilardzie wynika z faktu, iż w zderzeniu czołowym (centralnym) obie bile są identyczne. Spełnienie takiego samego warunku będzie tyczyło także neutronów: najefektywniejsze przekazy energii będą zdarzały się wtedy, gdy neutrony będą zderzały się z niemal identycznymi cząstkami. Z oczywistych względów nie mogą to być neutrony: te są właśnie produkowane i jest ich dla zderzeń po prostu za mało. Cząstką o masie najbliższej masy neutronu jest proton, protony zaś, to jądra wodoru. Stąd też substancje zawierające wodór są naturalnymi kandydatami na materiały, w których neutrony będą mogły tracić energię.

Ciekły wodór oraz woda powinny być bardzo dobrymi moderatorami. Pierwszy jednak jest bardzo niewygodny w użyciu (ciekły wodór nalezy utrzymywać w temperaturze poniżej 20 K, niemożliwie niskiej dla dużych objętości wokół rdzenia reaktora). Woda natomiast jest bardzo często używana jako moderator. Moglibyśmy także wykorzystywać i cięższe jądra, pamiętając jednak, że ze wzrostem masy atomowej moderatora średni przekaz energii, możliwy w pojedynczym zderzeniu, jest odpowiednio mniejszy. Zatem, dla identycznego spowolnienia neutronów potrzebowalibyśmy wtedy odpowiednio większej liczby zderzeń (zwróćmy także uwagę, że jeśli zderzenie nie jest czołowe, przekaz energii jest również mniejszy od maksymalnego, uzyskiwanego w zderzeniu czołowym). Przykładami takich dobrych moderatorów mogą być ciężka woda (D₂O), beryl i węgiel (grafit). W istocie rzeczy, tlen w cząsteczkach wody także przyczynia się do spowalniania neutronów.

Co można zrobić, gdy powolny (termiczny) neutron ucieka z rdzenia nie powodując żadnego rozszczepienia? Czy możemy go zmusić do powrotu do ośrodka zawierającego materiał rozszczepialny? Odpowiedź jest twierdząca: jeśli neutron zderzy się na swej drodze z jakimś jądrem, może on zmienić swój kierunek, także na kierunek wsteczny. Z tego względu opłaca się otoczyć blok materiału rozszczepialnego innym materiałem - niepochłaniającym neutronów, natomiast będącym ich efektywnym rozpraszaczem. Taki materiał w reaktorze nosi nazwę reflektora neutronów. W szczególności dobrymi reflektorami są beryl i grafit.

Jest rzeczą interesującą zauważyć, że efekt straty części masy powinien też powstawać w reakcjach chemicznych - te nie są zasadniczo odmienne od reakcji jądrowych, jednakże różnica mas im towarzysząca, to zaledwie jedna część na miliard, tak więc jest ona niemal niemierzalna.

Następny krok został zrobiony przez fizyczkę austiacką Lise Meitner oraz niemieckiego chemika Otto Hahna. W roku 1936 badali oni tę samą reakcję, którą zajmował się wcześniej Enrico Fermi i ulegli fascynacji wielką ilością energii wyzwalanej w tej reakcji. W czasach nazistowskich Lise Meitner została zmuszona ze względu na swoje żydowskie pochodzenie do ucieczki z Niemiec i wyemigrowała do Danii. Otto Hahn kontynuował natomiast badania wraz z uczonym niemieckim Fritzem Strassmanem. Swoje wyniki opublikowali oni bez wyjaśnienia i przesłali je Lise Meitner, która wraz z Otto Frischem zinterpretowała obserwowany efekt jako wynik podziału ciężkiego jądra uranu na dwa jądra lżejsze. Nazwa "reakcji rozszczepienia" została wymyślona podczas dyskusji Lise Meitner z Nielsem Bohrem. Dyskusja ta toczyła się w towarzystwie amerykańskiego biologa W.A.Arnolda, który właśnie wizytował Uniwersytet w Kopenhadze. Zauważył on, że sytuacja przypomina proces biologiczny podziału komórki na dwie niemal identycznych rozmiarów komórki pochodne. Proces ten był znany biologom pod nazwą rozszczepienia.