19.6: Rozszczepienie jądra

Wiele cięższych pierwiastków o mniejszych energiach wiązania na nukleon może rozkładać się na bardziej stabilne pierwiastki, które mają pośrednie liczby mas i większe energie wiązania na nukleon – to znaczy liczby masowe i energie wiązania na nukleon, które są bliższe “szczytowi” wykresu energii wiązania w pobliżu 56. Czasami wytwarzane są również neutrony. Ten rozkład dużego jądra na mniejsze kawałki nazywa się rozszczepieniem. Łamanie jest raczej losowe przy tworzeniu dużej liczby różnych produktów. Rozszczepienie zwykle nie zachodzi naturalnie, ale jest indukowane przez bombardowanie neutronami.

Ogromna ilość energii jest wytwarzana przez rozszczepienie ciężkich pierwiastków. Na przykład, gdy jeden mol U-235 ulega rozszczepieniu, produkty ważą około 0,2 grama mniej niż reagenty; ta “utracona” masa jest przekształcana w bardzo dużą ilość energii — około 1,8 ×^{10 10} kJ na mol U-235. Reakcje rozszczepienia jądra atomowego wytwarzają niewiarygodnie duże ilości energii w porównaniu z reakcjami chemicznymi. Na przykład rozszczepienie 1 kilograma uranu-235 wytwarza około 2,5 miliona razy więcej energii niż jest wytwarzane przez spalanie 1 kilograma węgla.

Podczas rozszczepienia U-235 wytwarza dwa “średniej wielkości” jądra i dwa lub trzy neutrony. Neutrony te mogą następnie powodować rozszczepienie innych atomów uranu-235, które z kolei dostarczają więcej neutronów, które mogą powodować rozszczepienie jeszcze większej liczby jąder i tak dalej. Jeśli tak się stanie, mamy do czynienia z jądrową reakcją łańcuchową. Z drugiej strony, jeśli zbyt wiele neutronów ucieknie z materiału masowego bez interakcji z jądrem, nie dojdzie do reakcji łańcuchowej.

Materia, która może ulec rozszczepieniu w wyniku bombardowania neutronami, nazywana jest rozszczepialną; materia, która może ulec rozszczepieniu w wyniku bombardowania przez wolno poruszające się neutrony termiczne, jest dodatkowo nazywana rozszczepialną.

Rozszczepienie jądra atomowego staje się samowystarczalne, gdy liczba neutronów wytworzonych w wyniku rozszczepienia jest równa lub większa od liczby neutronów pochłoniętych przez rozszczepiające się jądra plus liczby, które uciekają do otoczenia. Ilość materiału rozszczepialnego, która będzie wspierać samopodtrzymującą się reakcję łańcuchową, jest masą krytyczną. Ilość materiału rozszczepialnego, która nie jest w stanie wytrzymać reakcji łańcuchowej, to masa podkrytyczna. Ilość materiału, w której występuje rosnące tempo rozszczepienia, jest znana jako masa nadkrytyczna.

Masa krytyczna zależy od rodzaju materiału: jego czystości, temperatury, kształtu próbki i sposobu kontrolowania reakcji neutronowych. Materiały zazwyczaj stają się mniej gęste w wyższych temperaturach, co pozwala neutronom na łatwiejszą ucieczkę. Neutrony rozpoczynające się w środku płaskiego obiektu mogą dotrzeć do powierzchni łatwiej niż neutrony zaczynające się w środku obiektu sferycznego. Jeśli materiał jest zamknięty w pojemniku wykonanym z materiału odbijającego neutrony, takiego jak grafit, wówczas znacznie mniej neutronów może się wydostać, co oznacza, że do osiągnięcia masy krytycznej potrzeba znacznie mniej materiału rozszczepialnego.

Ten tekst jest adaptacją <a href=”https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/21-4-transmutation-and-nuclear-energy”>Openstax, Chemia 2e, Sekcja 21.4: Transmutacja i energia jądrowa.