Reakcja łańcuchowa
(Przeredagowany na potrzeby internetu tekst broszury Spotkanie z promieniotwórczością).
2n - (dwa do potęgi n)
Liczba neutronów w niezakłóconej reakcji łańcuchowej wzrasta gwałtownie, jak w słynnej opowieści o szachu, który został poproszony o zapłacenie za pracę ziarenkami ryżu.
Poddany poprosił o tyle ryżu, ile zmieści się na szachownicy, jeśli na pierwszym polu położy się dwa ziarenka, na drugim cztery, na trzecim osiem i na każdym kolejnym dwa razy więcej niż na poprzednim. Okazało, bardzo szybko, że w całym państwie szacha zabrakło ryżu.
Niełatwo sobie wyobrazić, ile to jest 264 ziaren, które powinny się znaleźć na ostatnim polu szachownicy - ale jeżeli wiemy, że ziarenko ryżu waży ok. 0,02 g, to możemy obliczyć, że cały ryż z szachownicy ważyłby ok. 4•1011 ton.
Reakcja łańcuchowa
W pojedynczym akcie rozszczepienia jądra 235U powstaje średnio 2,5 neutronu. Dla uproszczenia przyjmijmy jednak, że tworzą się tylko dwa neutrony. Przyjmijmy dalej, że każdy z nich zostanie pochłonięty przez inne jądra 235U i wywoła kolejne rozszczepienia i w każdej reakcji utworzą się dwa neutrony. Otrzymamy w sumie 4 neutrony, które mogą wywołać kolejne cztery reakcje, w wyniku których liczba neutronów w układzie zwiększy się do ośmiu.
 |
|
W reakcji łańcuchowej nie tylko liczba neutronów gwałtownie wzrasta - błyskawicznie rośnie również energia w układzie, gdyż każdemu rozszczepieniu towarzyszy energia 200 MeV. Energia kinetyczna cząstek i jąder uczestniczących w procesie jest zamieniana podczas hamowania w materiale na ciepło.
Wywołując reakcję rozszczepienia w każdym jądrze zawartym w 1 g 235U wyzwolimy energię
(6,023•1023/235)•200 MeV = 5,125 1023 MeV = 8,2•1010 J
Tak wielką energię ma masa 1000 ton spadająca na powierzchnię Ziemi z wysokości 8,2 km!
Energia wyzwolona w eksplozji bomb jądrowych zrzuconych w 1945 roku na Hiroszimę i Nagasaki odpowiadała energii równoważnej wybuchowi ok. 20 000 ton trotylu (około 20 kiloton TNT). Ponieważ w wybuchu 1 kilotony TNT wydziela się energia około 4•1012 J, więc energia wybuchu 20 kt TNT jest równoważna energii wyzwalanej w całkowitym rozszczepieniu około 1 kg izotopu 235U.
Aby uzyskać moc cieplną 1 MW = 106 J/s musimy całkowicie rozszczepiać w każdej sekundzie zaledwie ok. 1,25•10-5 g izotopu uranu-235 (235U), co oznacza, że w ciągu doby zużyjemy ok. 1 grama tego surowca, a w ciągu roku ok. 365 g. Ponieważ w naturalnym uranie zawartość cennego 235U wynosi 0,72%, potrzebowalibyśmy ok. 50,7 kg uranu naturalnego dziennie. Jeśli uwzględnimy fakt, że nie wszystkie neutrony prowadzą do rozszczepienia, masa ta wzrośnie do ok. 61,1 kg.
Moc typowej elektrowni wynosi ok. 1000 MW, a więc jej roczne zapotrzebowanie na uran naturalny (przy założeniu pełnego wykorzystania energii z procesu całkowitego rozszczepienia izotopu 235U) wynosi ok. 61 ton. To doprawdy niewiele w porównaniu z setkami wagonów węgla, spalanego w elektrowni węglowej.
