Materiały rozszczepialne

Materiał rozszczepialny jest podstawowym składnikiem paliwa jądrowego. Pojęciem tym nazywamy izotopy, które pod działaniem neuronów termicznych (powolnych) ulegają rozszczepieniu, wyzwalają odpowiednie ilości energii. Klasycznym materiałem rozszczepialnym jest U-235. Izotop U-238 nie jest natomiast materiałem rozszczepialnym, ale w wyniku wychwytu neutronów może przejść w rozszczepialny Pu-239. W analogiczny sposób można wytwarzać z izotopu toru Th-232 rozszczepialny izotop U-233.

Techniczne wykorzystanie rozszczepienia jąder w reaktorze jądrowym jest możliwe jedynie w przypadku materiałów, których jądra można rozszczepiać neutronami o dowolnych energiach z dostatecznie dużym prawdopodobieństwem. Materiały takie nazywa się materiałami rozszczepialnymi. Materiał rozszczepialny użyty w odpowiedniej masie i w odpowiednim układzie fizycznym tworzy masę krytyczną, to jest masę, w której przebiega samorzutnie reakcja łańcuchowa rozszczepienia jądra.

Do materiałów rozszczepialnych zaliczamy tylko cztery(!) izotopy:

1) uran-235: jedyny występujący w przyrodzie materiał rozszczepialny, zawarty w uranie naturalnym tylko w 0,714%;

2) pluton-239: sztucznie wytwarzany w reaktorze przez wychwyt neutronów w uranie-238 według następującej reakcji:

$$^{238}_{92}U(n,\gamma) ^{239}_{92}U \; \xrightarrow[]{{\beta}-} \; ^{239}_{93}Np \; \xrightarrow[]{{\beta}-} \; ^{239}_{94}Pu$$

3) pluton-241: sztucznie wytwarzany w reaktorze w wyniku kolejnych reakcji radiacyjnego wychwytu neutronów z Pu-239:

$$^{239}_{94}Pu(n,\gamma) ^{240}_{94}Pu(n,\gamma) ^{241}_{94}Pu$$

Udział plutonu Pu-241 w porównaniu do Pu-239 jest stosunkowo nieznaczny (maksymalnie 20%).

4) uran-233: sztucznie wytwarzany w reaktorze przez wychwyt neutronów w torze Th-232, występującym w przyrodzie, według następującej reakcji:

$$^{232}_{90}Th(n,\gamma) ^{233}_{90}Th \; \xrightarrow[]{{\beta}-} \;  ^{233}_{91}Pa \; \xrightarrow[]{{\beta}-} \; ^{233}_{92}U$$

Inne ciężkie izotopy, jak np. uran-238, mogą być rozszczepialne z niewielkim prawdopodobieństwem tylko neutronami prędkimi (o energii E > 1 MeV). Ich techniczne wykorzystanie jako jedynego materiału rozszczepialnego w reaktorze nie jest możliwe. Dlatego definiujemy pojęcie materiału paliworodnego. Jest to substancja, której jądra w odpowiednich warunkach reagują z neutronami i po kilku przemianach promieniotwórczych przekształcają się w jądra materiału rozszczepialnego. Materiał paliworodny może w niektórych przypadkach ulegać również rozszczepieniu z wydzieleniem energii i kilku neutronów, nie jest jednak w stanie w żadnym przypadku stworzyć układu krytycznego, tzn. reaktor tylko z materiałem paliworodnym nie będzie działał. W przypadku materiałów paliworodnych prawdopodobieństwo reakcji wychwytu neutronów (n,γ) jest znacznie większe od prawdopodobieństwa reakcji rozszczepienia (n,f).

Do materiałów paliworodnych zalicza się trzy izotopy:
tor-232, uran-238 oraz pluton-240.

---

Zapamiętaj!

Zaledwie cztery izotopy, spośród ponad 3000 znanych nam, zaliczamy do materiałów rozszczepialnych! Są to dwa izotopy uranu: U-233 i U-235 oraz dwa izotopy plutonu: Pu-239 i Pu-241. Tylko U-235 występuje naturalnie na Ziemi, pozostałe izotopy wytwarzane są w wyniku zachodzących reakcji jądrowych w reaktorach.