Rodzaje reakcji jądrowych do pozyskiwania

Mirosław Kwiatek
Temat: Rodzaje reakcji jądrowych do pozyskiwania energii wiązania nukleonów w
jądrach
Jeśli 2 ciała/cząstki oddziaływają na siebie np. grawitacyjnie, elektrostatycznie czy jądrowo
to część ich wspólnej masy jest potrzebna na energię wiązania zgodnie ze wzorem
Einsteina: E = c2 m. Jeśli stosunkowo mało jest przeznaczone wspólnej masy na energię
wiązania to oddziaływanie jest słabe. Np. (wbrew pozorom) najsłabsze jest grawitacyjne. Np.
m
c
dla ciała o masie 1 kg leżącego na Ziemi będzie: M + m = M + m = 10-34.
m nazywa się niedoborem masy bo wspólna masa jest mniejsza od sumy mas.
m
Ale dla jądra izotopu 4He analogiczny stosunek jest już znacznie większy: M + m = 10-3.gdzie
M byłoby masą 2 neutronów a m – masą 2 protonów. Mamy tu z oddziaływaniem silniejszym
niż grawitacyjne, jądrowym.
Energie wiązania jąder różnych izotopów (różnych) pierwiastków zmierzono {tzw
spektroskopem masowym}; różnią się od siebie bo każdy izotop ma inną liczbę nukleonów
(neutronów i protonów) w jądrze (skomplikowane są oddziaływania wzajemne pomiędzy
nukleonami w jądrze). Podzielono następnie te energie wiązania przez liczbę nukleonów
sporządzając wykres zależności energii przypadającej na jeden nukleon od liczby
nukleonów w jądrze (liczby masowej A). Okazało się, że otrzymano krzywą z maksimum!
(Taki wykres niekiedy uznaje się za najważniejszy w fizyce!) Maksymalna liczba masowa
jest rzędu 250 – maksimum energii przypada na mniej więcej A = 70 (Utarło się energie
mierzyć w tzw MeV; maksimum wynosi 8,7)
Z tego, ze wykres ma maksimum wynikają bardzo ważne wnioski:
1) Energia wiązania kilku MeV przypadająca na jeden nukleon jest olbrzymia; a nukleonów w
jądrze i jąder w jakimś kawałku izotopu bardzo dużo więc taką energię przydałoby się
wykorzystać
2) Jeśli udałoby się przeprowadzić reakcję jądrową podziału jądra ciężkiego na 2 jądra lżejsze
ale w dalszym ciągu mające oddzielnie liczby masowe A > 70 to pozyskalibyśmy energię!
3) Energię też pozyskalibyśmy gdyby się udało przeprowadzić reakcję syntezy dwóch jąder
lekkich w jedno cięższe ale tak by dla jądra cięższego było też A < 70
Krzywa omawianego wykresu jest asymetryczna tzn. bardziej stroma z lewej strony.
Wynika z tego, że większy zysk energetyczny dałyby prawdopodobnie reakcje syntezy od
reakcji rozszczepienia. I tak jest w rzeczywistości ale tylko w bombach – tzw bomba
wodorowa (termojądrowa) bardziej jest niszcząca niż tzw atomowa (np. uranowa). Niestety
jeszcze nie udało się skonstruować elektrowni będącej odpowiednikiem bomby
wodorowej (na razie trzeba włożyć do doświadczalnych nawet więcej energii niż się
uzyskuje) ale jeśli chodzi o bomby to też wodorową zbudowano po uranowej (kilka lat).
Gdyby oszacować zyski energetyczne obu rodzajów reakcji to otrzymalibyśmy
stosunek: 8
Dla reakcji rozszczepieniowych najlepszy byłby oczywiście jakiś jeden z najcięższych
izotopów jako wyjściowy. Np. 235U albo 238Pu. Z kolei dla reakcji syntezy jednym z 2
wyjściowych izotopów powinien być izotop jak najlżejszy. Gdyby jednak dokładniej
popatrzeć na lewą część wykresu to zobaczylibyśmy wiele lokalnych maksimów (do A=20);
Najdłuższa linia a przy tym najbardziej stroma (największa różnica energii) jest od 1H (prot)
poprzez 2H (deuter), 3H (tryt) do 4He. Dlatego oba jądra do syntezy są lekkie (np. deuter +
tryt) aby zamienić je w 4He. Jest natomiast sprawą przypadku to, na jakie 2 części może
rozpaść się jądro uranu; Może powstać 170 różnych jąder (przykładowe pary: bar i krypton
141
Ba + 92Kr, ksenon 144Xe + stront 90Sr; w obu przykładach do bilansu nukleonów dokładają
się jeszcze neutrony: jeden na wejściu i 2 – na wyjściu); Otrzymujemy na jedno jądro ok. 200
MeV energii
Dlaczego tzw. kontrolowana reakcja syntezy jądrowej (reakcja fuzji) jest trudna (w bombie
jest niekontrolowana tzn – nie można tej reakcji zatrzymać)? Dlatego, że warunkiem
przeprowadzenia jest b. wysoka temperatura – ponad 5 mln stopni. (stąd nazwa:
termojadrowa) a najlepiej kilkaset mln. stopni

(E = kT
2
a na pokonanie siły odpychania 2 protonów trzeba energii 0,4 MeV;
1eV = 1,6 x 10-19 J
105 x 10-19 = kT
Stała Boltzmanna k = 1,38 x 10-23 J/K
10-14 = 10-23T
T = 10-14/10-23 = 109 K gdybyśmy dokładniej liczyli to wyszłoby 10 mld stopni
Ale wg rozkładu Maxwella pewna ilość cząstek ma jeszcze energię znacznie powyżej średniej
więc wystarcza np. 100 mln stopni)
Tak wysokiej temperatury nie wytrzyma żaden materiał konstrukcyjny więc zjonizowany
(„jądrowy”) deuter (plazmę deuteru) zamyka się w b. silnym polu magnetycznym.. W bombie
wodorowej zapalnikiem jest bomba rozszczepieniowa – przez krótki czas jest tu więc ta
potrzebna wysoka temperatura. Jedną wielką bombą w stadium wybuchu trwającego już 5
mld. lat jest w przybliżeniu nasze Słońce (jak każda gwiazda)
Przykładowa bomba wodorowa składa się z cienkiej powłoki (czaszy) uranowej otoczonej
skroplonym ciężkim wodorem z zanurzonymi w nim, rozłożonymi równomiernie na
obwodzie kilkoma klasycznymi (prochowymi) ładunkami wybuchowymi. Całość jest
umieszczona w grubej czaszy stalowej. Na początku eksplozji bomby detonują ładunki
klasyczne. Pancerz stalowy ma za zadanie skierowania w pierwszej chwili energii w
kierunku uranowej skorupy. Odłamki uranu skupiają się wewnątrz bomby w litą kulkę –
zwiększają się w ten sposób wymiary bryłki (‘masy’) uranu do tzw. krytycznych (W
skorupie nie można przeprowadzić zbyt długiego prostego odcinka przechodzącego
całkowicie wewnątrz materiału uranowego a wewnątrz kuli powstałej z tej samej masy – już
można. Prawdopodobieństwo oddziaływania neutronu z uranem jest wprost proporcjonalne
do grubości warstwy uranu przez którą neutron przelatuje). Jest to warunkiem
zapoczątkowania reakcji jądrowej rozszczepienia uranu. Wydziela się olbrzymia temperatura,
która doprowadza do zapoczątkowania syntezy wodorowej deuteru z deuterem (dopiero teraz
w odpowiedniej chwili rozrywa się pancerz stalowy)
Energię wybuchu bomb mierzy się w tzw. kilotonach trotylu kt TNT lub megatonach
trotylu Mt TNT. (Trotyl jest związkiem tzw. nitrowym, azotowym; Trójnitrotoluen (NO2)3C6H2CH3)
Bomba na Hiroszimę miała 15 kt a największy wybuch testowy miała bomba 15 Mt
(Amerykanie, 1954 r, Atol Bikini na Pacyfiku; budowano jeszcze bomby ponad 20 Mt, setki
Mt) 1 tona trotylu daje energię 4,6 GJ.. Bomba na Hiroszimę (rozszczepieniowa) miała
więc energię ok. 70 TJ. A ta największa – termojądrowa, jeszcze tysiąc razy więcej (a
rekordzistki – jeszcze rząd wielkości więcej)…
2007-07-28