Πυρηνική σχάση

Μια πολύ σημαντική κατηγορία πυρηνικών αντιδράσεων είναι εκείνη στην οποία συμβαίνει απορρόφηση νετρονίων από βαρείς πυρήνες. Ένα είδος τέτοιων αντιδράσεων είναι η πυρηνική σχάση, κατά την οποία ένας βαρύς πυρήνας (π.χ. 235U 92 ) σχάζεται σε δύο μικρότερους πυρήνες. Σε μια τέτοια αντίδραση η ολική μάζα ηρεμίας των προϊόντων είναι μικρότερη από την αρχική μάζα ηρεμίας. Η πρώτη πυρηνική σχάση παρατηρήθηκε το 1939 από τους Otto Hahn (Ότο Χαν) και Fritz Strassman (Φριτς Στράσμαν) μετά από βομβαρδισμό 235U 92 με νετρόνια. Υπάρχουν περίπου 90 διαφορετικοί συνδυασμοί των δύο θυγατρικών πυρήνων που αποτελούν τα θραύσματα του πυρήνα ουρανίου. Ένας από αυτούς, που αποτελεί συνηθισμένη διαδικασία σχάσης, είναι και ο εξής: Η αντίδραση αυτή είναι ισχυρά εξώθερμη και τα θραύσματα της σχάσης, καθώς και τα νετρόνια, έχουν μια υψηλή κινητική ενέργεια της τάξης των 200MeV. Μπορούμε να καταλάβουμε ποιοτικά το μηχανισμό της σχάσης, αν παρομοιάσουμε τον πυρήνα με μια σταγόνα σχεδόν σφαιρικού σχήματος. Καθώς ο πυρήνας συλλαμβάνει ένα νετρόνιο, με την πρόσθετη ενέργεια που παίρνει αρχίζει να ταλαντώνεται βίαια. Κατά τις ταλαντώσεις του αυτές παραμορφώνεται έντονα κατά τέτοιο τρόπο, ώστε στο μέσον του να σχηματίζεται ένα στένωμα (λαιμός), που χωρίζει δύο λοβούς. Η ηλεκτρική άπωση μεταξύ των δύο λοβών τούς ωθεί σε αποκόλληση. Οι δύο λοβοί αποχωρίζονται και αποτελούν τα θραύσματα της σχάσης (σχήμα 3-26). Τα νετρόνια που αποδεσμεύονται κατά τη σχάση ενός πυρήνα μπορούν στη συνέχεια να προκαλέσουν νέα σχάση σε άλλους πυρήνες και έτσι να έχουμε μια αλυσιδωτή αντίδραση. Αν η αλυσιδωτή αυτή αντίδραση δεν ελεγχθεί, δηλαδή δεν προχωρήσει αργά, τότε έχει ως αποτέλεσμα μια βίαιη έκρηξη και την απελευθέρωση ενός τεράστιου ποσού ενέργειας, ακόμη και από ένα γραμμάριο ουρανίου. Αυτή η μη ελεγχόμενη σχάση αποτελεί την αρχή λειτουργίας της πρώτης πυρηνικής βόμβας.

Αντίθετα, σε έναν αντιδραστήρα παραγωγής ηλεκτρικής ισχύος επιβραδύνονται με κατάλληλο μηχανισμό τα παραγόμενα νετρόνια, ώστε να διατηρούν μια αυτοσυντηρούμενη αλυσιδωτή αντίδραση, η οποία όμως θα προχωρεί αργά και ελεγχόμενα, χωρίς να οδηγεί σε έκρηξη.

3-25 Ο τέταρτος αντιδραστήρας στο Τσέρνομπιλ μέσα στη σαρκοφάγο του από τσιμέντο. Στο Τσέρνομπιλ το 1986 είχαμε το μεγαλύτερο πυρηνικό ατύχημα στην ανθρώπινη ιστορία.

Νετρόνιο Πυρήνας U-235 Νετρόνια Θραύσμα της σχάσης (α) (β) (γ) (δ) (ε)

3-26 Τα στάδια σε μια πυρηνική σχάση όπως περιγράφονται από το μοντέλο της υγρής σταγόνας για τον πυρήνα.