Fizika

Az atommaghasadás olyan reakció, amelynek során egy atommag kettéválik (vagy hasad). A szabályozott hasadás a valóság, míg a szabályozott fúzió a jövő reménye. Világszerte több száz maghasadási erőmű tanúsítja, hogy a szabályozott maghasadás megvalósítható és – legalábbis rövid távon – gazdaságos, amint azt az 1. ábra mutatja. Míg a TMI és Csernobil (és most Fukusima Daiichi) után az atomenergia évtizedekig nem keltett nagy érdeklődést, a globális felmelegedéssel kapcsolatos növekvő aggodalmak miatt az atomenergia ismét életképes energetikai alternatívaként került az asztalra. 2009 végén 30 országban 442 reaktor működött, amelyek a világ villamosenergia-termelésének 15%-át biztosítják. Franciaország villamosenergiájának több mint 75%-át nukleáris energiával biztosítja, míg az Egyesült Államokban 104 működő reaktor biztosítja villamosenergiájának 20%-át. Ausztráliában és Új-Zélandon egy sincs. Kína havonta egy-egy atomerőművet épít.

1. ábra. Az atomerőmű közelében élő embereknek nincs mérhető, az erőműre visszavezethető sugárterhelése. A világ elektromos energiájának mintegy 16%-át ilyen erőművekben szabályozott maghasadással állítják elő. A hűtőtornyok a legszembetűnőbb jellemzők, de nem csak az atomenergiára jellemzőek. A reaktor a tornyoktól balra lévő kis kupolás épületben található. (credit: Kalmthouts)

A maghasadás a fúzió ellentéte, és csak a nehéz atommagok szétválásakor szabadul fel energia. Amint azt a Fúzióban megjegyeztük, akkor szabadul fel energia, ha a magreakció termékeinek nukleononkénti kötési energiája (BE/A) nagyobb, mint a kiindulási atommagoké. A 2. ábrán látható, hogy a BE/A nagyobb a közepes tömegű atommagok esetében, mint a nehéz atommagok esetében, ami azt jelenti, hogy a nehéz atommagok hasadásakor a termékeknek nukleononként kisebb a tömegük, így a reakcióban tömeg semmisül meg és energia szabadul fel. A hasadási reakciónkénti energiamennyiség még nukleáris mércével mérve is nagy lehet. A 2. ábrán látható grafikon szerint a BE/A körülbelül 7,6 MeV/nukleon a legnehezebb atommagok esetében (A körülbelül 240), míg a BE/A körülbelül 8,6 MeV/nukleon az A körülbelül 120 atommagok esetében. Ha tehát egy nehéz atommag kettéhasad, akkor nukleononként kb. 1 MeV, azaz hasadásonként kb. 240 MeV szabadul fel. Ez körülbelül 10-szerese a fúziós reakciónkénti energiának, és körülbelül 100-szorosa az átlagos α, β vagy γ bomlás energiájának.

Spontán hasadás is előfordulhat, de általában nem ez a leggyakoribb bomlási mód egy adott nuklid esetében. Például a 238U spontán hasadhat, de többnyire α-kibocsátással bomlik. A 2. ábrán látható módon a neutronok által kiváltott hasadás a döntő. Mivel töltés nélküliek, még a kis energiájú neutronok is becsapódhatnak az atommagba, és elnyelődhetnek, amint megérezik a vonzó nukleáris erőt. A nagy atommagokat egy folyadékcsepp modellel írjuk le, felületi feszültséggel és oszcillációs módokkal, mivel a nagyszámú nukleonok úgy viselkednek, mint az atomok egy cseppben. A neutron vonzódik, és így energiát ad le, aminek következtében az atommag folyadékcseppként deformálódik. Ha eléggé megnyúlik, az atommag középen beszűkül. Az érintkező nukleonok száma és az atommagot összetartó magerő ereje csökken. A két vége közötti Coulomb-taszításnak ekkor sikerül hasítani az atommagot, amely vízcseppként két nagy darabra és néhány neutronra pattan szét. A neutronok által kiváltott hasadás a következőképpen írható fel:

n + AX → FF1 + FF2 + xn,

ahol FF1 és FF2 a két leánymag, az úgynevezett hasadási töredékek, x pedig a keletkezett neutronok száma. Leggyakrabban a hasadási töredékek tömege nem azonos. A felszabaduló energia nagy része a hasadási töredékek mozgási energiájába megy át, a maradék pedig a neutronokba és a töredékek gerjesztett állapotába. Mivel a neutronok képesek a hasadást előidézni, lehetséges egy önfenntartó láncreakció, feltéve, hogy átlagosan egynél több neutron keletkezik – vagyis ha x>1 n + AX → FF1 + FF2 + xn-ben. Ez a 3. ábrán is látható. Egy tipikus neutronindukált hasadási reakcióra példa a

n+{}_{\text{92}}^{\text{235}}\text{U}\to {}_{\text{56}}^{\text{142}}\text{Ba}+{}_{\text{36}}}^{\text{91}}\text{Kr}+3\text{n}\\\\.

Megjegyezzük, hogy ebben az egyenletben a teljes töltés változatlan marad (megmarad): 92 + 0 = 56 + 36. Továbbá, ami az egész számokat illeti, a tömeg is állandó: 1 + 235 = 142 + 91 + 3. Ez nem igaz, ha a tömegeket 6 vagy 7 szignifikáns helyig vesszük figyelembe, mint az előző példában.

2. ábra. Neutronok által kiváltott hasadás látható. Először is, ebbe a nagy magba energia kerül, amikor elnyel egy neutront. Úgy viselkedik, mint egy megütött folyadékcsepp, az atommag deformálódik, és középen szűkülni kezd. Mivel kevesebb nukleon érintkezik, a taszító Coulomb-erő képes az atommagot két részre bontani, miközben néhány neutron is elrepül.

3. ábra. Egy láncreakció képes önfenntartó hasadást előidézni, ha minden egyes hasadás elegendő neutront termel ahhoz, hogy legalább egy újabb hasadást indukáljon. Ez több tényezőtől függ, többek között attól, hogy hány neutron keletkezik egy átlagos hasadás során, és hogy mennyire könnyű egy adott típusú nuklidot hasadásra bírni.

Nem minden hasadással keletkező neutron indukál hasadást. Egyes neutronok kikerülnek a hasadó anyagból, míg mások kölcsönhatásba lépnek egy atommaggal anélkül, hogy azt hasadásra késztetnék. A neutronok által keltett hasadások számát növelhetjük, ha nagy mennyiségű hasadó anyaggal rendelkezünk. Egy adott nuklid önfenntartó hasadásához szükséges minimális mennyiséget kritikus tömegnek nevezzük. Egyes nuklidok, például a 239Pu, több neutront termelnek hasadásonként, mint mások, például a 235U . Emellett egyes nuklidok könnyebben hasadnak, mint mások. Különösen a 235U és a 239Pu könnyebben hasad, mint a sokkal nagyobb mennyiségben előforduló 238U . Mindkét tényező befolyásolja a kritikus tömeget, amely a 239Pu esetében a legkisebb.

A 235U és a 239Pu azért könnyebben hasad, mint a 238U, mert a nukleáris erő vonzóbb a páros számú neutronok számára az atommagban, mint a páratlan számúak számára. Vegyük például, hogy {}_{\text{92}}^{\text{235}}{\text{U}}_{\text{143}}\\\ 143 neutronja van, és {}_{\text{94}}^{\text{239}}}{\text{P}}_{\text{145}}\\\ 145 neutronja van, míg {}_{\text{92}}^{\text{238}}{\text{U}}_{\text{146}}\\\ 146. Amikor egy neutron olyan atommaggal találkozik, amelynek páratlan számú neutronja van, a nukleáris erő vonzóbb, mert a további neutron páros számot eredményez. A keletkező atommagban körülbelül 2-MeV-tal több energia rakódik le, mintha a neutronok száma már páros lenne. Ez a többletenergia nagyobb deformációt eredményez, ami valószínűbbé teszi a hasadást. Így a 235U és a 239Pu kiváló hasadóanyag. A 235U izotóp a természetes uránnak csak 0,72%-át teszi ki, míg a 238U 99,27%-át, a 239Pu pedig nem létezik a természetben. Ausztrália rendelkezik a világ legnagyobb uránkészletével, amely a teljes uránkészlet 28%-át teszi ki. Ezt követi Kazahsztán és Kanada. Az USA a globális készletek mindössze 3%-ával rendelkezik.

A legtöbb hasadási reaktor 235U-t használ, amelyet némi ráfordítással választanak el a 238U-tól. Ezt nevezik dúsításnak. A legelterjedtebb elválasztási módszer az urán-hexafluorid (UF6) gáznemű diffúziója membránokon keresztül. Mivel a 235U kisebb tömegű, mint a 238U , az UF6 molekulái azonos hőmérsékleten nagyobb átlagsebességgel rendelkeznek, és gyorsabban diffundálnak. A 235U másik érdekes tulajdonsága, hogy előnyben részesíti a nagyon lassan mozgó neutronok elnyelését (az eV töredékének energiájával), míg a hasadási reakciókban gyors neutronok keletkeznek, amelyek energiája egy MeV nagyságrendű. Ahhoz, hogy 235U-val önfenntartó hasadási reaktort lehessen létrehozni, a neutronokat le kell lassítani (“termalizálni”). A víz nagyon hatékony, mivel a neutronok a vízmolekulák protonjaival ütköznek és energiát veszítenek. A 4. ábra egy reaktorkonstrukció vázlatát mutatja, amelyet nyomottvizes reaktornak neveznek.

4. ábra. A nyomottvizes reaktor okosan úgy van megtervezve, hogy nagy mennyiségű 235U hasadását szabályozza, miközben a hasadási reakcióban keletkező hőt gőz előállítására használja fel az elektromos energia előállításához. A szabályozó rudak úgy állítják be a neutronáramot, hogy a kritikusságot elérjék, de ne lépjék túl. Abban az esetben, ha a reaktor túlmelegszik és felforralja a vizet, a láncreakció megszűnik, mivel a vízre a neutronok hőtermeléséhez van szükség. Ez az eredendő biztonsági funkció szélsőséges körülmények között túlterhelhető.

A neutronáram beállítására olyan nukleoidokat tartalmazó szabályozó rudakat használnak, amelyek nagyon erősen elnyelik a neutronokat. A nagy teljesítmény előállításához a reaktorok több száz vagy ezer kritikus tömeget tartalmaznak, és a láncreakció könnyen önfenntartóvá válik, ezt az állapotot nevezik kritikusságnak. A neutronáramot gondosan szabályozni kell, hogy elkerüljük a hasadások exponenciális növekedését, amit szuperkritikusságnak nevezünk. A szabályozó rudak segítenek megelőzni a túlmelegedést, esetleg az olvadást vagy a robbanásszerű szétesést. A víz, amelyet a neutronok termikalizálására használnak, ami ahhoz szükséges, hogy a neutronok a 235U-ban hasadást idézzenek elő, és elérjék a kritikusságot, negatív visszacsatolást biztosít a hőmérsékletnövekedéshez. Abban az esetben, ha a reaktor túlmelegszik és a víz gőzzé forr, vagy megsérül, a víz hiánya megöli a láncreakciót. A reaktor radioaktív hasadási termékei azonban továbbra is jelentős hőt termelhetnek. Ezért a hűtőközeg elvesztése esetén bekövetkező balesethez más biztonsági elemeket is be kell építeni, például segédhűtővizet és szivattyúkat.

A már említett egyik nuklid a 239Pu, amelynek felezési ideje 24 120 y, és a természetben nem létezik. A 238U-ból reaktorokban plutónium-239-et állítanak elő, és ez lehetőséget ad a természetes uránium többi 99%-ának energiaforrásként való hasznosítására. A következő, tenyésztésnek nevezett reakciósorozat során 239Pu keletkezik. A tenyésztés a 238U neutronbefogásával kezdődik :

Az urán-239 ezután β- bomlik:

239U → 239Np + β- + ve(t1/2 = 23 perc).

Neptúnium-239 szintén β- bomlik:

239Np → 239Pu + β- + ve(t1/2 = 2,4 d).

Plutónium-239 a reaktorok üzemanyagában olyan sebességgel épül fel, amely a 238U általi neutronbefogás valószínűségétől függ (minden reaktorüzemanyag több 238U-t tartalmaz, mint 235U-t). A kifejezetten plutónium előállítására tervezett reaktorokat szaporítóreaktoroknak nevezik. Úgy tűnik, hogy ezek eleve veszélyesebbek, mint a hagyományos reaktorok, de egyelőre nem tudni, hogy veszélyeik gazdaságilag elfogadhatóvá tehetők-e. A csernobili négy reaktort, köztük a megsemmisültet is, plutónium tenyésztésére és villamosenergia-termelésre építették. Ezeknek a reaktoroknak a kialakítása jelentősen különbözött a fentebb bemutatott nyomottvizes reaktortól. A plutónium-239-nek reaktortüzelőanyagként előnyei vannak a 235U-val szemben: hasadásonként átlagosan több neutron keletkezik, és egy termikus neutron könnyebben okozza a hasadást. Kémiailag is különbözik az urántól, így eleve könnyebb leválasztani az uránércből. Ez azt jelenti, hogy a 239Pu kritikus tömege különösen kicsi, ami előnyös a nukleáris fegyverek számára.

PhET Explorations: Nuclear Fission

Láncreakciót indíthatunk el, vagy nem radioaktív izotópokat vezethetünk be, hogy megakadályozzuk azt. Irányítsd az energiatermelést egy atomreaktorban!

Kattints a szimuláció letöltéséhez. Java segítségével futtatható.

A szakasz összefoglalása

• Az atommaghasadás olyan reakció, amelyben egy atommag kettéválik.
• A hasadás energiát szabadít fel, amikor nehéz atommagok közepes tömegű atommagokra hasadnak.
• Az önfenntartó hasadás lehetséges, mert a neutronok által indukált hasadás során neutronok is keletkeznek, amelyek további hasadásokat indukálhatnak, n + AX → FF1 + FF2 + xn, ahol FF1 és FF2 a két leánymag, vagy hasadási töredék, x pedig a keletkezett neutronok száma.
• A kritikus tömeg eléréséhez egy minimális tömegnek, az úgynevezett kritikus tömegnek kell jelen lennie.
• A kritikus tömegnél nagyobb tömeg szuperkritikusságot eredményezhet.
• Új vagy más izotópok (különösen 239Pu) nukleáris átalakulással történő előállítását nevezzük tenyésztésnek, és az erre a célra tervezett reaktorokat nevezzük tenyésztőreaktoroknak.