Μια αντίδραση πυρηνικής σχάσης λαμβάνει χώρα όταν τα άτομα ενός ασταθούς στοιχείου βομβαρδίζονται με νετρόνια, χωρίζοντας τον πυρήνα κάθε ατόμου σε μικρότερα μέρη. Εάν η διάσπαση κάθε πυρήνα απελευθερώνει πολλά νετρόνια υψηλής ταχύτητας που μπορούν στη συνέχεια να χωρίσουν περισσότερους από τους πυρήνες του στοιχείου, λαμβάνει χώρα μια αλυσιδωτή αντίδραση. Καθώς τα επιπλέον νετρόνια χωρίζουν περισσότερους πυρήνες, απελευθερώνεται περισσότερη ενέργεια και η αλυσιδωτή αντίδραση μπορεί να οδηγήσει σε έκρηξη όπως αυτή μιας πυρηνικής βόμβας. Εάν η αλυσιδωτή αντίδραση ελέγχεται αφαιρώντας μερικά από τα επιπλέον νετρόνια, η ενέργεια εξακολουθεί να απελευθερώνεται με τη μορφή θερμότητας, αλλά μπορεί να αποφευχθεί μια έκρηξη. Η αντίδραση πυρηνικής αλυσίδας είναι ένας από τους τρεις τύπους πυρηνικών αντιδράσεων που έχουν διαφορετικά χαρακτηριστικά και μπορούν να χρησιμοποιηθούν με διαφορετικούς τρόπους.
TL; DR (Πάρα πολύ καιρό; Δεν διαβάστηκε)
Μια αντίδραση πυρηνικής αλυσίδας είναι μια αντίδραση σχάσης που απελευθερώνει επιπλέον νετρόνια. Τα νετρόνια χωρίζουν επιπλέον άτομα απελευθερώνοντας ακόμη περισσότερα νετρόνια. Καθώς ο αριθμός των νετρονίων που εκπέμπονται και ο αριθμός των ατόμων διαχωρίζονται αυξάνεται εκθετικά, μπορεί να προκύψει μια πυρηνική έκρηξη.
Οι τρεις τύποι πυρηνικών αντιδράσεων
Ο πυρήνας ενός ατόμου αποθηκεύει πολλή ενέργεια που μπορεί να εξυπηρετήσει χρήσιμους σκοπούς. Οι τρεις τύποι πυρηνικών αντιδράσεων που χρησιμοποιούν πυρηνική ενέργεια είναι η ακτινοβολία, η σχάση και η σύντηξη. Ιατρικές και βιομηχανικές ακτινογραφικές μηχανές χρησιμοποιούν ακτινοβολία από ραδιενεργά στοιχεία για τη δημιουργία εικόνων του σώματος ή σε υλικά δοκιμών. Οι σταθμοί παραγωγής ενέργειας και τα πυρηνικά όπλα χρησιμοποιούν την πυρηνική σχάση για την παραγωγή ενέργειας. Η πυρηνική σύντηξη ενισχύει τον ήλιο, αλλά οι επιστήμονες δεν μπόρεσαν να δημιουργήσουν μια μακροπρόθεσμη αντίδραση πυρηνικής σύντηξης στη Γη, αν και οι προσπάθειες συνεχίζονται. Από αυτούς τους τρεις τύπους πυρηνικών αντιδράσεων, μόνο η σχάση μπορεί να δημιουργήσει αλυσιδωτή αντίδραση.
Πώς ξεκινά μια αντίδραση πυρηνικής αλυσίδας
Το κλειδί για μια αντίδραση πυρηνικής αλυσίδας είναι να διασφαλιστεί ότι η αντίδραση δημιουργεί επιπλέον νετρόνια και ότι τα νετρόνια χωρίζουν περισσότερα άτομα. Επειδή το στοιχείο ουράνιο-235 παράγει αρκετά νετρόνια για κάθε διαχωρισμένο άτομο, αυτό το ισότοπο ουρανίου χρησιμοποιείται σε πυρηνικούς αντιδραστήρες και σε πυρηνικά όπλα.
Το σχήμα και η μάζα του ουρανίου επηρεάζουν εάν μπορεί να λάβει χώρα αλυσιδωτή αντίδραση. Εάν η μάζα του ουρανίου είναι πολύ μικρή, πολλά από τα νετρόνια εκπέμπονται έξω από το ουράνιο και χάνονται στην αντίδραση. Εάν το ουράνιο έχει λάθος σχήμα, για παράδειγμα ένα επίπεδο φύλλο, χάνονται πάρα πολλά νετρόνια. Το ιδανικό σχήμα είναι μια συμπαγής μάζα αρκετά μεγάλη για να ξεκινήσει η αλυσιδωτή αντίδραση. Σε αυτήν την περίπτωση, τα επιπλέον νετρόνια χτυπούν άλλα άτομα και το αποτέλεσμα πολλαπλασιασμού οδηγεί στην αλυσιδωτή αντίδραση.
Έλεγχος ή διακοπή αντίδρασης πυρηνικής αλυσίδας
Ο μόνος τρόπος για τον έλεγχο ή τη διακοπή μιας αντίδρασης πυρηνικής αλυσίδας είναι να σταματήσει τα νετρόνια από το διαχωρισμό περισσότερων ατόμων. Οι ράβδοι ελέγχου που κατασκευάζονται από ένα στοιχείο απορρόφησης νετρονίων όπως το βόριο μειώνουν τον αριθμό των ελεύθερων νετρονίων και τα βγάζουν από την αντίδραση. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της ποσότητας ενέργειας που παράγεται από έναν αντιδραστήρα και για να διασφαλιστεί ότι η πυρηνική αντίδραση παραμένει υπό έλεγχο.
Σε μια πυρηνική μονάδα παραγωγής ενέργειας, οι ράβδοι ελέγχου ανυψώνονται και κατεβαίνουν στο καύσιμο ουρανίου. Όταν χαμηλώνουν πλήρως, όλες οι ράβδοι περιβάλλονται από καύσιμο και απορροφούν τα περισσότερα νετρόνια. Σε αυτήν την περίπτωση, η αλυσιδωτή αντίδραση σταματά. Καθώς οι ράβδοι ανυψώνονται, λιγότερο από κάθε ράβδο απορροφά νετρόνια και η αλυσιδωτή αντίδραση επιταχύνεται. Με αυτόν τον τρόπο, οι χειριστές του πυρηνικού σταθμού μπορούν να ελέγχουν και να σταματούν την αντίδραση της πυρηνικής αλυσίδας.
Προβλήματα με αντιδράσεις πυρηνικής αλυσίδας
Αν και οι αντιδράσεις πυρηνικής αλυσίδας σε σταθμούς παραγωγής ενέργειας σε όλο τον κόσμο παρέχουν σημαντικές ποσότητες ηλεκτρικής ενέργειας, οι πυρηνικοί σταθμοί παραγωγής ενέργειας έχουν δύο κύρια προβλήματα. Πρώτον, υπάρχει πάντα ο κίνδυνος το σύστημα ελέγχου που βασίζεται σε ράβδους ελέγχου να μην λειτουργεί λόγω τεχνικών βλαβών, ανθρώπινων σφαλμάτων ή σαμποτάζ. Σε αυτήν την περίπτωση θα μπορούσε να υπάρξει έκρηξη ή απελευθέρωση ακτινοβολίας. Δεύτερον, το χρησιμοποιημένο καύσιμο είναι εξαιρετικά ραδιενεργό και πρέπει να αποθηκεύεται με ασφάλεια για χιλιάδες χρόνια. Αυτό το πρόβλημα δεν έχει ακόμη επιλυθεί και τα χρησιμοποιημένα καύσιμα παραμένουν σε διάφορες πυρηνικές εγκαταστάσεις παραγωγής ενέργειας στις περισσότερες περιπτώσεις. Ως αποτέλεσμα, οι πρακτικές χρήσεις για αντιδράσεις πυρηνικής αλυσίδας έχουν μειωθεί σε πολλές χώρες, συμπεριλαμβανομένων των Ηνωμένων Πολιτειών.