Reakcja łańcuchowa

Zakładamy, że ktoś zdradza tajemnicę dwóm przyjaciołom lub przyjaciółkom, którzy nie zatrzymują powierzonego sekretu dla siebie i przekazują go dalej, za każdym razem dwóm kolejnym osobom, a te z kolei następnym osobom, itd. A kiedy dowie się o tym cała szkoła? Już po dziewięciu etapach takiego przekazywania sekretu wie o nim więcej niż 1000 ludzi. To właśnie jest reakcja łańcuchowa. Jeden krok ma więcej niż jedno następstwo.

Co ma to wspólnego z elektrowniami jądrowymi?

To proste: w elektrowniach jądrowych jądra atomowe ulegają rozszczepieniu. Rozpad jądra uranu może spowodować rozpad kolejnych jąder, które znajdują się w pobliżu. One zaś rozpad kolejnych… Jądrowe reakcje łańcuchowe są kontrolowane w elektrowniach jądrowych w taki sposób, aby nie doszło do rozpadu większej ilości atomów niż jest to konieczne.

W reakcji łańcuchowej wystarczy jeden mały impuls, aby wywołać ogromny efekt - tak jak w przypadku lawiny, kiedy to mała śnieżka staje się wielotonowym czołem lawiny zmierzającym w stronę doliny. W elektrowniach jądrowych można się obejść bez takich niekontrolowanych reakcji łańcuchowych, sterując nimi za pomocą odpowiednich rozwiązań technologicznych.

W jaki sposób zostaje wywoływana reakcja łańcuchowa?

Wyzwalaczem reakcji łańcuchowych w elektrowniach jądrowych są neutrony termiczne, które są względnie powoli poruszającymi się neutronami o niskiej energii. Kiedy neutrony te zetkną się z uranem-235 w prętach paliwowych, to mogą zostać pochłonięte przez jądro. Z pewnym prawdopodobieństwem jądro uranu-235 może rozszczepić się na dwa fragmenty. Jednocześnie zostają uwolnione dwa lub trzy neutrony o wysokiej energii.

Energia szybkich neutronów, emitowanych w procesie rozszczepienia jest zmniejszana przez kolejne zderzenia z materiałem moderatora. Spowolnione neutrony mogą wywołać kolejne rozszczepienia – a to oznacza rozwój reakcji łańcuchowej, co pokazano na poniższym rysunku.

A skąd pochodzi ten pierwszy neutron, który inicjuje reakcję łańcuchową? Neutrony inicjujące reakcję pochodzą zwykle z zewnętrznego źródła neutronów lub spontanicznej reakcji rozszczepienia jąder atomowych paliwa.

Rys. Reakcja łańcuchowa rozszczepienia, źródło: Adobe Stock, opracowanie własne

Pojedyncze etapy reakcji łańcuchowej nazywa się “generacją” lub “pokoleniem”. Podczas pierwszej generacji istnieje tylko jedno jądro atomowe, w następnej dwa, a w kolejnej cztery. Jeżeli za każdym razem powstaną dwa neutrony i wywołają one rozszczepienia, to ile jąder powstanie podczas dziesiątej generacji? Odpowiedź jest prosta, powstanie 210 jąder, czyli 1024 jąder.