Reakcje jądrowe

Przemiany jąder występujące pod wpływem bombardowania ich przez cząstki elementarne lub przez jądra innych atomów nazywamy reakcjami jądrowymi. W ten sposób zostały w zasadzie urzeczywistnione marzenia alchemików dotyczące przemian jednych pierwiastków w inne. Z punktu widzenia ekonomiki przemiany tego rodzaju, np. metali nieszlachetnych w złoto, nie mają sensu ze względu na niesłychanie wysokie koszty. Z substancji wytwarzanych w skali technicznej za pośrednictwem przemian jądrowych należy wymienić przede wszystkim pluton (Pu-239), powstający z izotopu uranu U-238 pod działaniem neutronów.

Podstawowe znaczenie dla techniki jądrowej mają przede wszystkim reakcje jądrowe zachodzące pod wpływem bombardowania danej substancji neutronami. Z typowych reakcji syntezy jąder można wymienić reakcję przebiegającą według zależności:

$$^6_3Li + ^1_0n \rightarrow ^3_1H + ^4_2He$$

lub równoważny zapis:

$$^6_3Li (n, \alpha) ^3_1H$$

Równanie to ma następujące znaczenie. Podczas bombardowania izotopu litu $^6_3Li$ za pomocą neutronów $^1_0n$ powstaje izotop wodoru $^3_1H$ (tryt). Przemianie tej towarzyszy emisja jednej cząstki alfa ($^4_2He$).

Jako cząstki obojętne neutrony przenikają do jądra bez oporu, podczas gdy cząstki naładowane elektrycznie są odpychane przez powłokę lub przez jądro atomu. Cząstki te mogą więc wywoływać reakcje jądrowe tylko wówczas, gdy dotrą do jądra dzięki dostatecznej prędkości. W odróżnieniu od cząstek naładowanych neutrony o bardzo nieznacznych energiach mogą już wywoływać najrozmaitsze reakcje.

Reakcje jądrowe w reaktorach jądrowych

W reaktorach jądrowych podstawową rolę odgrywają następujące reakcje neutronowe:

1. rozpraszanie sprężyste - podczas reakcji tego typu neutrony i jądra atomów zderzają się ze sobą podobnie jak kulki sprężyste. W wyniku tych zderzeń ulegają zmianie tylko kierunki ruchu i prędkości zderzających się elementów, natomiast suma energii cząstek oraz momenty pędów zachowują wartości pierwotne. Jeżeli jądro odznacza się dużym ciężarem, to neutron odbija się od niego praktycznie bez straty energii, podobnie jak odbijałby się od ściany. Jeżeli natomiast jądro jest bardzo lekkie, to neutron może zostać podczas zderzenia silnie spowolniony, jadro zostaje wówczas odrzucone;
2. rozpraszanie niesprężyste - w tym przypadku neutron wnika do jądra, a następnie wylatuje z niego ze zmniejszoną energią. Przyrost energii, który uzyskuje wówczas jądro jest następnie emitowany np. w postaci kwantu promieniowania gamma. Jądro pozostające bezpośrednio po zderzeniu w stanie wzbudzenia powraca po wyemitowaniu tego kwantu do stanu podstawowego;
3. wychwyt neutronów - reakcje takie, o podstawowym znaczeniu dla techniki jądrowej, polegają na pochłanianiu (absorbowaniu) neutronu przez jądro. Masa jądra wzrasta o jedną jednostkę (masy atomowej). Jądro ulega jednocześnie wzbudzeniu i powraca następnie do stanu podstawowego za pośrednictwem emisji promieniowania gamma. Jądra powstające podczas tego rodzaju reakcji są często nietrwałe i ulegają dodatkowym przemianom jądrowym;
4. rozszczepienie jąder atomowych - tym typem reakcji zajmiemy się szczegółowo w kolejnym rozdziale.

Od czego zależy los neutronu? Kanały reakcji i przekrój czynny

Wymienione powyżej typy reakcji (rozpraszanie, wychwyt, rozszczepienie) to scenariusze tego, co może się wydarzyć. W fizyce jądrowej nazywamy je kanałami reakcji. Ale skąd neutron “wie”, którą ścieżkę wybrać, gdy zderza się z jądrem atomowym, np. uranu-235?

W świecie atomów nie ma pewności – jest tylko prawdopodobieństwo. O tym, który scenariusz się zrealizuje, decyduje fizyczna wielkość, którą nazywamy przekrojem czynnym (ang. cross-section).

Najłatwiej wyobrazić to sobie jako wielkość tarczy. Gdy neutron leci w stronę jądra, “widzi” przed sobą tarczę. Jeśli w nią trafi, zachodzi konkretna reakcja (np. rozszczepienie). Jeśli tarcza jest mała, neutron ma małą szansę na trafienie i najpewniej po prostu się odbije (ulegnie rozproszeniu), lecąc dalej.

Kluczowe jest jednak to, że wielkość tej tarczy zmienia się w zależności od prędkości (energii) neutronu:

• dla neutronów powolnych (termicznych) jądro uranu-235 zachowuje się jak ogromna tarcza. Prawdopodobieństwo, że neutron zostanie pochłonięty i wywoła rozszczepienie, jest bardzo duże. To dlatego w reaktorach celowo spowalniamy neutrony.
• dla neutronów szybkich ta sama tarcza wydaje się nagle malutka. Szybki neutron ma ogromne trudności z wywołaniem rozszczepienia – najczęściej odbija się od jądra jak piłeczka pingpongowa (rozpraszanie) lub zostaje pochłonięty bez efektu rozszczepienia (wychwyt).

Sprawdź to w symulacji (interaktywna symulacja: kanały reakcji neutronu z U-235)

Poniższy symulator pozwala Ci eksperymentować z tym zjawiskiem. Wciel się w rolę operatora i zmieniaj energię wystrzeliwanego neutronu:

• zwiększaj energię (przesuń suwak w prawo), a zobaczysz, jak na wykresie maleje szansa na rozszczepienie (kolor czerwony), a rośnie szansa na zwykłe odbicie się (rozpraszanie) neutronu (kolor zielony).
• zmniejszaj energię (przesuń suwak w lewo), a zauważysz, że dla powolnych neutronów szansa na skuteczne rozszczepienie jądra (i tym samym uwolnienie energii) gwałtownie rośnie.

Interaktywna symulacja: kanały reakcji neutronu z U-235

Energia neutronu

0,025 eV · Neutron termiczny - idealny do reaktora

Rozszczepienie (fission) 80,0%

Wychwyt (n,γ) 10,0%

Rozpraszanie (scattering) 10,0%

Reakcja (n,2n) - emisja dwóch neutronów 0,0%

Uwaga: wartości prawdopodobieństw są uproszczone dla celów edukacyjnych i przybliżone.

WYSTRZEL NEUTRON

Wybierz energię i uruchom symulację.

---

Zapamiętaj!

Nie tylko reakcje rozszczepienia, indukowane przez neutrony, zachodzą w reaktorach jądrowych. Neutrony mogą także ulegać rozproszeniu na jądrach atomowych lub zostają przez nie pochłonięte (zwykle towarzyszy temu emisja promieniowania gamma i nazywamy tę reakcję “wychwytem radiacyjnym”)