REAKCJE SYNTEZY I ROZCZEPIENIA PODSTAWĄ WYZWOLENIA ENERGII JĄDROWEJ

Jak już wcześniej wspomniano, istotą wybuchu jądrowego jest wydzielenie się energii w wyniku określonych procesów jądrowych. Znanych jest wiele procesów jądrowych, lecz nie wszystkim towarzyszy wyzwolenie energii. Podstawowy warunek jaki musi być spełniony aby nastąpiła emisja energii jest taki, aby masa wchodzących w reakcję materiałów była większa od masy produktów reakcji. Między masą i energią istnieje bowiem zależność: zmniejszeniu masy w czasie reakcji jądrowej towarzyszy wyzwolenie energii w ilości zależnej od ubytku masy. Dodatkowym warunkiem dla spowodowania wybuchu przez reakcję jądrową, w której zachodzi ubytek masy, jest wyzwolenie wystarczająco dużej ilości energii, która zapewni samorzutny dalszy przebieg zapoczątkowanej reakcji. Warunek ten spełniają dwa typy reakcji jądrowych, dających olbrzymie ilości energii w krótkim okresie czasu, a mianowicie reakcja rozszczepienia i reakcja syntezy. Pierwszą z nich dają jądra najcięższe (o dużej liczbie atomowej), drugą zaś najlżejsze (o małej liczbie atomowej).

Materiałem używanym do wybuchów jądrowych przez rozszczepienie są przeważnie izotopy uranu 235U i plutonu 239P. Może być także wykorzystywany uran 233U, który otrzymuje się w wyniku reakcji pochłaniania neutronów przez jądra atomów izotopu toru 232Th. Ładunek jądrowy zazwyczaj zawiera wysokowzbogacony 235U (ponad 93%) lub dostatecznie czysty 239P (ponad 95%). Do celów wojskowych może być wykorzystany również pluton powstający w reaktorach energetycznych, nawet w postaci dwutlenku, aczkolwiek z mniejszym skutkiem[1].

Łańcuchowa reakcja rozszczepienia, która jak wspomniano wyżej, jest istotą wybuchu jądrowego polega na rozszczepieniu jądra atomu uranu lub plutonu, czemu towarzyszy wyzwolenie wielkiej ilości energii a także emisja dwóch rodzajów neutronów: natychmiastowych i opóźnionych, emitowanych po pewnym czasie przez nuklidy będące fragmentami rozszczepienia. Gdy reakcja łańcuchowa rozszczepienia rozwija się w stanie nadkrytycznym na neutronach natychmiastowych, wpływ neutronów opóźnionych (z udziałem mniejszym niż 1%) spowalniających reakcję, jest znikomy. Powstałe neutrony są następnie wychwytywane przez jądra materiału rozszczepialnego (uranu lub plutonu), co prowadzi do kolejnych rozpadów jąder. Ze względu na to, że procesowi rozszczepienia towarzyszy, obok wyzwolenia energii, natychmiastowe uwolnienie nuetronów, proces ten może przebiegać jako reakcja łańcuchowa czyli samopodtrzymująca się, co jest podstawową zasadą bomby jądrowej. Niemniej jednak część uwalnianych neutronów ulega rozproszeniu lub zostaje wychwycona, nie powodując rozszczepienia. W warunkach kiedy neutrony rozpraszają się z szybkością większą niż szybkość ich uwalniania, reakcja łańcuchowa nie może sama się podtrzymać. Dla wywołania wybuchu jądrowego konieczne jest stworzenie warunków, w których strata neutronów byłaby jak najmniejsza, co osiąga się przez zwiększenie "rozmiarów" materiału rozszczepialnego i zmniejszenie w ten sposób stosunku powierzchni do objętości. Wielkość tę określa się jako masę krytyczną materiału rozszczepialnego. Wybuch nastąpi wówczas, jeżeli ilość uranu lub plutonu zawarta w broni jądrowej przewyższy masę krytyczną czyli osiągnie masę nadkrytyczną[1].

W reakcji syntezy para lekkich jąder łączy się, tworząc jądro ciężkiego atomu. Przykładem jest synteza izotopu wodoru zwanego deuterem. W odpowiednich warunkach dwa jądra deuteru mogą połączyć się tworząc jądro cięższego pierwiastka helu. Towarzyszy temu wydzielenie energii. Reakcja syntezy może zajść tylko w bardzo wysokiej temperaturze i dlatego nazywa się ją reakcją termojądrową. W niektórych reakcjach syntezy jąder ciężkich izotopów wodoru uwalniane są neutrony o wysokiej energii, które mogą powodować rozszczepienie uranu lub plutonu. Wynika stąd, że przeprowadzenie reakcji syntezy w obecności materiału rozszczepialnego pozwala na znacznie lepsze wykorzystanie tego ostatniego dla wyzwolenia energii, a wybuchy które są wynikiem przebiegu reakcji rozszczepienia i syntezy mają ogromną moc.

Powyższa zasada jest wykorzystywana we współczesnych bombach termojądrowych, które są typu 3F, co oznacza "fission - fusion - fission" (rozszczepienie - synteza - rozszczepienie).

O ogromnej mocy bomby termojądrowej świadczą poniższe dane:

Dla porównania - do kompletnego zniszczenia Hiroszimy wystarczyła bomba atomowa o energii równoważnej 20 kiloton TNT[4].

Poprzednia strona
Następna strona