En nuklear fissionsreaktion finder sted, når atomerne i et ustabilt element bombarderes med neutroner, der splitter kernen i hvert atom i mindre dele. Hvis opdelingen af hver kerne frigiver flere højhastighedsneutroner, der derefter kan opdele flere af elementets kerner, finder en kædereaktion sted. Da de ekstra neutroner deler flere kerner, frigøres mere energi, og kædereaktionen kan resultere i en eksplosion som en atombombes. Hvis kædereaktionen styres ved at fjerne nogle af de ekstra neutroner, frigives der stadig energi i form af varme, men en eksplosion kan undgås. Den nukleare kædereaktion er en af tre typer nukleare reaktioner, der har forskellige karakteristika og kan bruges på forskellige måder.
TL; DR (for lang; Har ikke læst)
En nuklear kædereaktion er en fissionsreaktion, der frigiver ekstra neutroner. Neutronerne deler yderligere atomer, der frigiver endnu flere neutroner. Da antallet af udsendte neutroner og antallet af atomer delt eksponentielt stiger, kan en nuklear eksplosion resultere.
De tre typer nukleare reaktioner
Atomets kerne lagrer meget energi, der kan tjene nyttige formål. De tre typer nukleare reaktioner, der bruger nuklear energi, er stråling, fission og fusion. Medicinske og industrielle røntgenmaskiner bruger stråling fra radioaktive elementer til at skabe billeder af kroppen eller i testmaterialer. Kraftværker og atomvåben bruger kernefission til at producere energi. Kernefusion driver solen, men forskere har ikke været i stand til at skabe en langsigtet nuklear fusionsreaktion på Jorden, selvom indsatsen fortsætter. Af disse tre typer nukleare reaktioner er det kun fission, der kan skabe en kædereaktion.
Sådan starter en atomkædereaktion
Nøglen til en nuklear kædereaktion er at sikre, at reaktionen genererer ekstra neutroner, og at neutronerne deler flere atomer. Fordi elementet uran-235 producerer flere neutroner for hvert splitatom, bruges denne urotisotop i atomkraftreaktorer og i atomvåben.
Urans form og masse påvirker, om en kædereaktion kan finde sted. Hvis uranmassen er for lille, udsendes for mange af neutronerne uden for uranet og går tabt på grund af reaktionen. Hvis uran har den forkerte form, for eksempel et fladt ark, går også for mange neutroner tabt. Den ideelle form er en massiv masse, der er stor nok til at starte kædereaktionen. I dette tilfælde rammer de ekstra neutroner andre atomer, og multiplikationseffekten fører til kædereaktionen.
Kontrol eller stop af en atomkædereaktion
Den eneste måde at kontrollere eller stoppe en nuklear kædereaktion er at stoppe neutronerne i at splitte flere atomer. Kontrolstænger lavet af et neutronabsorberende element såsom bor reducerer antallet af frie neutroner og tager dem ud af reaktionen. Denne metode bruges til at kontrollere mængden af energi produceret af en reaktor og for at sikre, at den nukleare reaktion forbliver under kontrol.
I et atomkraftværk hæves kontrolstængerne og sænkes ned i uranbrændstoffet. Når de er helt sænket, er alle stængerne omgivet af brændstof og absorberer de fleste neutroner. I så fald stopper kædereaktionen. Når stængerne hæves, absorberer mindre af hver stang neutroner, og kædereaktionen øges. På denne måde kan operatørerne af atomkraftværket kontrollere og stoppe atomkædereaktionen.
Problemer med atomkædereaktioner
Selvom atomkædereaktioner i kraftværker rundt om i verden leverer betydelige mængder elektrisk kraft, har kernekraftværker to hovedproblemer. For det første er der altid en risiko for, at kontrolsystemet baseret på kontrolstænger ikke fungerer på grund af tekniske fejl, menneskelige fejl eller sabotage. I så fald kan der være en eksplosion eller en frigivelse af stråling. For det andet er brugt brændstof stærkt radioaktivt og skal opbevares sikkert i tusinder af år. Dette problem er stadig ikke løst, og brugt brændstof forbliver i forskellige kernekraftværker i de fleste tilfælde. Som et resultat er praktiske anvendelser til nukleare kædereaktioner faldet i mange lande, herunder i USA.