Tuumalõhustumisreaktsioon toimub siis, kui ebastabiilse elemendi aatomeid pommitatakse neutronitega, jagades iga aatomi tuuma väiksemateks osadeks. Kui iga tuuma lõhustamisel vabaneb mitu kiiret neutronit, mis võivad seejärel jagada rohkem elemendi tuuma, toimub ahelreaktsioon. Kui täiendavad neutronid jagavad rohkem tuuma, vabaneb rohkem energiat ja ahelreaktsioon võib põhjustada sellise plahvatuse nagu tuumapomm. Kui ahelreaktsiooni kontrollitakse mõne ekstra neutroni eemaldamise teel, eraldub energia siiski soojuse kujul, kuid plahvatust on võimalik vältida. Tuumahelreaktsioon on üks kolmest tuumareaktsioonide tüübist, millel on erinevad omadused ja mida saab kasutada erineval viisil.
TL; DR (liiga pikk; Ei lugenud)
Tuumaahelreaktsioon on lõhustumisreaktsioon, mis vabastab täiendavaid neutroneid. Neutronid jagavad täiendavaid aatomeid, vabastades veelgi neutroneid. Kui eralduvate neutronite ja jagatud aatomite arv kasvab hüppeliselt, võib see põhjustada tuumaplahvatuse.
Tuumareaktsioonide kolm tüüpi
Aatomi tuum salvestab palju energiat, mis võib olla kasulik eesmärkidel. Tuumaenergiat kasutavad kolm tüüpi tuumareaktsioonid on kiirgus, lõhustumine ja sulandumine. Meditsiinilised ja tööstuslikud röntgeniaparaadid kasutavad radioaktiivsete elementide kiirgust keha kujutiste loomiseks või materjalide testimiseks. Elektrijaamad ja tuumarelvad kasutavad energia tootmiseks tuumalõhustumist. Tuumasüntees toidab päikest, kuid teadlased pole suutnud Maal luua pikaajalist tuumasünteesireaktsiooni, kuigi jõupingutused jätkuvad. Nendest kolmest tuumareaktsioonide tüübist võib ahelreaktsiooni tekitada ainult lõhustumine.
Kuidas algab tuumaahela reaktsioon
Tuumaahelareaktsiooni võti on tagada, et reaktsioon tekitaks täiendavaid neutroneid ja et neutronid jagaksid rohkem aatomeid. Kuna element uraan-235 toodab iga jagatud aatomi kohta mitu neutronit, kasutatakse seda uraani isotoopi tuumaenergia reaktorites ja tuumarelvades.
Uraani kuju ja mass mõjutavad ahelreaktsiooni toimumist. Kui uraani mass on liiga väike, eraldub liiga palju neutrone väljaspool uraani ja kaob reaktsioonil. Kui uraan on vale kujuga, näiteks tasase lehega, läheb kaotsi ka liiga palju neutroneid. Ideaalne kuju on tahke mass, mis on ahelreaktsiooni alustamiseks piisavalt suur. Sellisel juhul tabavad ekstra neutronid teisi aatomeid ja korrutamisefekt viib ahelreaktsioonini.
Tuumahelreaktsiooni juhtimine või peatamine
Ainus viis tuumahelreaktsiooni juhtimiseks või peatamiseks on peatada neutronite rohkemate aatomite lõhustamine. Neutronit neelavast elemendist nagu boorist valmistatud kontrollvardad vähendavad vabade neutronite arvu ja viivad need reaktsioonist välja. Seda meetodit kasutatakse reaktoris toodetud energia hulga kontrollimiseks ja tuumareaktsiooni kontrolli all hoidmise tagamiseks.
Tuumaelektrijaamas tõstetakse juhtvardad üles ja langetatakse uraanikütuse sisse. Täielikult langetatuna on kõik vardad kütusega ümbritsetud ja neelavad suurema osa neutronitest. Sel juhul ahelreaktsioon peatub. Kui vardad on üles tõstetud, neelab vähem iga varda neutroneid ja ahelreaktsioon kiireneb. Nii saavad tuumajaama operaatorid kontrollida ja peatada tuumaahela reaktsiooni.
Tuumahelreaktsioonidega seotud probleemid
Ehkki tuumaahela reaktsioonid kogu maailmas asuvates elektrijaamades annavad märkimisväärse koguse elektrienergiat, on tuumajaamadel kaks peamist probleemi. Esiteks on alati oht, et juhtvardadel põhinev juhtimissüsteem ei toimi tehniliste rikete, inimlike eksimuste või sabotaaži tõttu. Sel juhul võib toimuda plahvatus või kiirgus. Teiseks on kasutatud kütus väga radioaktiivne ja seda tuleb ohutult säilitada tuhandeid aastaid. See probleem pole endiselt lahendatud ja enamikul juhtudel jääb kasutatud tuumkütust erinevates tuumaelektrijaamades. Seetõttu on tuumahelareaktsioonide praktiline kasutamine paljudes riikides, sealhulgas Ameerika Ühendriikides, vähenenud.