Rozszczepianie i synteza j±drowa

ROZSZCZEPIANIE I SYNTEZA J¡DROWA

    W roku 1934 Enrico Fermi i Emilio Segre przeprowadzili do¶wiadczenie, w którym bombardowali uran neutronami. Zaobserwowali rozpady beta. Nie zgadza³o siê to z dotychczasow± wiedz±, poniewa¿ jak by³o wiadomo uran rozpada³ siê z emisj± cz±steczek alfa, a nie beta. Tymczasem obserwowano emisjê beta. Naukowcom wydawa³o siê wiêc, i¿ w wyniku bombardowania neutronami powstaj± nowe pierwiastki - transuaranowce rozpadaj±ce siê w³a¶nie w rozpadzie beta.
    W 1938 roku dwaj naukowcy Otto Hahn i Fritz Strassman zauwa¿yli, ¿e jednym z produktów reakcji przeprowadzonej przez Fermiego i Segre jest izotop baru ¹⁴¹₅₆Ba. Rok pó¼niej Otto Frisch i Lisa Meitner zaproponowali teoriê, zgodnie z któr±, j±dro uranu jest rozszczepiane na dwa fragmenty: ¹⁴¹₅₆Ba i ⁹²₃₆Kr. Wyemitowane zostaj± te¿ neutrony.
    Mo¿emy teraz zapisaæ inn± reakcjê rozszczepienia uranu przebiegaj±c± w wyniku bombardowania powolnymi neutronami, która wygl±da tak:

10n + 23592U › 23692U* › 14456Ba + 8936Kr + 310n + Q

Ostrzeliwany neutronem uran zmienia siê w bardzo nietrwa³y izotop uranu ²³⁶₉₂U*, który nastêpnie rozpada siê na bar i krypton z emisj± trzech neutronów i du¿ej ilo¶ci energii (Q).
Istniej± te¿ inne rodzaje rozpadu uranu. Na przyk³ad:

10n + 23592U › 23692U* › 14054Xe + 9438Sr + 210n + Q

W tym wypadku powstaje stront i ksenon oraz emitowane s± dwa neutrony i energia.
Ogólnie mo¿na zapisaæ:

gdzie: A i B s± produktami rozszczepienia. Neutrony bombarduj±ce uran s± neutronami powolnymi. Teoriê spowalniania neutronów opracowa³ Enrico Fermi.
Powsta³e w wyniku rozszczepienia zwi±zki mog± nastêpnie same ulegaæ rozpadowi promieniotwórczemu. To w³a¶nie cz±steczki beta z takiego rozpadu obserwowa³ Fermi w swoim do¶wiadczeniu.

14054Xe › 14055Cs + beta- › 14056Ba + beta- › 14057La + beta- › 14058Ce + beta-

W czasie rozszczepiania atomów zostaje wyemitowana du¿a porcja energii. Aby pokazaæ ile to energii, rozpatrzmy rozszczepienie uranu - ²³⁶₉₂U*. Efektem koñcowym w rozpatrywanym przypadku s± j±dra ¹⁴⁰₅₈Ce i ⁹⁴₄₀Zr, sze¶æ cz±steczek beta, dwa neutrony. Zapiszmy ca³kowit± masê na pocz±tku i na koñcu:

na pocz±tku mamy:
na koñcu mamy:

    Tak wiêc w czasie reakcji uby³o ~0,233 u masy - zosta³a ona zamienione na energiê. Zgodnie z równaniem Einsteina równowa¿no¶ci masy i energii, energia która siê wydzieli³a równa jest ~208 MeV. Dla porównania energia wyemitowana w rozpadzie alfa jest ponad 40 razy mniejsza i wynosi ~5 MeV.
    W czasie rozszczepiania j±der uranu nastêpuje emisja pewnej liczby neutronów. Neutrony te mog± wywo³ywaæ kolejne rozszczepienia w próbce uranu. A ka¿de kolejne rozszczepienie powoduje wyzwolenie energii i emisjê nastêpnych neutronów. Reakcja ta staje siê ³añcuchow± reakcj± samopodtrzymuj±c±.
    2 grudnia 1942 roku na University of Chicago zosta³ uruchomiony pierwszy reaktor j±drowy (nazywany stosem atomowym) zbudowany przez Enrico Fermiego.

Innym rodzajem reakcji j±drowych jest reakcja syntezy. Od wielu wieków naukowcy zastanawiali sk±d S³oñce i inne gwiazdy czerpi± swoj± energiê. Gdyby by³o to klasyczne spalanie, S³oñce zgas³oby po niezbyt d³ugim czasie. W 1938 roku Hans Albrecht Bethe (ur. 1906) stwierdzi³, i¿ mechanizmem zapewniaj±cym S³oñcu energiê jest w³a¶nie synteza j±drowa. Synteza ta mia³a polegaæ na ³±czeniu siê dwóch j±der w jedno ciê¿sze j±dro z emisj± znacznej ilo¶ci energii. Reakcje takie mog± zachodziæ we wnêtrzu gwiazd, czyli w ¶rodowisku o bardzo wysokiej temperaturze i ci¶nieniu. Atomy w takich warunkach s± silnie zjonizowane i tworz± gor±c± plazmê. W takich warunkach zachodzi synteza j±der atomowych i zostaje wyzwolona wielka energia. Wed³ug Bethego cykl syntezy mia³ wygl±daæ w nastêpuj±cy sposób:

11H + 126C › 137N + gamma | 137N › 136C + 0+1e + niu | 11H + 136C › 147N + gamma | 11H + 147N › 158O + gamma | 158O › 157N + 0+1e + niu | 11H + 157N › 126C + 42He

gdzie:

to neutrina, ⁰₊₁e pozytony.
Ostatecznie z tych sze¶ciu równañ otrzymujemy:

gdzie: Q wydzielona energia.
Zobatrzmy teraz jak wygl±da bilans mas:

przed reakcj±:
po reakcji:

Uby³o wiêc ~0,0273 u. Zosta³a wydzielona energia w ilo¶ci ~25,7 MeV.
Kolejnym znanym cyklem syntezy j±drowej jest tak zwany cykl protonowy-protonowy:

11H + 11H › 21H + 0+1e + niu | 21H + 11H › 32He + gamma | 32He + 32He › 42He + 211H

Daje on energiê w ilo¶ci ~26,2 MeV.

Czy mo¿na wykorzystaæ syntezê j±drow± do wytworzenia energii na Ziemi podobnie jak robi siê to ze zjawiskiem rozszczepiania j±der? Tak. Jednak jest to znacznie trudniejsze. Trudno jest zbudowaæ pomieszczenie do otrzymywania i przechowywania bardzo gor±cej plazmy. Stosuje siê specjalne pu³apki magnetyczne, w których w specjalnie dobranych polach magnetycznych wiêzi siê gor±ce jony. Buduje siê specjalne urz±dzenia zwane tokamakami, w których pracuje siê nad syntez± j±drow±.