Mikä on ydinketjureaktio?

Ydinfissioreaktio tapahtuu, kun epästabiilin elementin atomeja pommitetaan neutronilla, mikä jakaa kunkin atomin ytimen pienempiin osiin. Jos kunkin ytimen jakautuminen vapauttaa useita nopeita neutroneja, jotka voivat sitten jakaa enemmän elementin ytimiä, tapahtuu ketjureaktio. Kun ylimääräiset neutronit jakavat enemmän ytimiä, vapautuu enemmän energiaa ja ketjureaktio voi johtaa räjähdykseen, kuten ydinpommiin. Jos ketjureaktiota hallitaan poistamalla osa ylimääräisistä neutroneista, energiaa vapautuu edelleen lämmön muodossa, mutta räjähdys voidaan välttää. Ydinketjureaktio on yksi kolmesta ydinreaktiotyypistä, joilla on erilaiset ominaisuudet ja joita voidaan käyttää eri tavoin.

TL; DR (liian pitkä; Ei lukenut)

Ydinketjureaktio on fissioreaktio, joka vapauttaa ylimääräisiä neutroneja. Neutronit jakavat muita atomeja vapauttaen vielä enemmän neutroneja. Kun päästettyjen neutronien ja jaettujen atomien määrä nousee eksponentiaalisesti, seurauksena voi olla ydinräjähdys.

Atomin ydin tallentaa paljon energiaa, joka voi palvella hyödyllisiä tarkoituksia. Kolme ydinreaktiotyyppiä, jotka käyttävät ydinenergiaa, ovat säteily, fissio ja fuusio. Lääketieteelliset ja teolliset röntgenkoneet käyttävät radioaktiivisten elementtien säteilyä kehon kuvien luomiseen tai testausmateriaaleihin. Voimalaitokset ja ydinaseet käyttävät ydinfissiota energian tuottamiseen. Ydinfuusio käyttää aurinkoa, mutta tutkijat eivät ole pystyneet luomaan pitkäaikaista ydinfuusioreaktiota maapallolle, vaikka ponnistelut jatkuvat. Näistä kolmesta ydinreaktiotyypistä vain fissio voi luoda ketjureaktion.

Avain ydinketjureaktioon on varmistaa, että reaktio tuottaa ylimääräisiä neutroneja ja että neutronit jakavat enemmän atomeja. Koska elementti uraani-235 tuottaa useita neutroneja jokaiselle halkaistulle atomille, tätä uraanin isotooppia käytetään ydinreaktoreissa ja ydinaseissa.

Uraanin muoto ja massa vaikuttavat siihen, voidaanko ketjureaktio tapahtua. Jos uraanin massa on liian pieni, liian monta neutronia erittyy uraanin ulkopuolelle ja menetetään reaktiossa. Jos uraani on väärän muotoinen, esimerkiksi tasainen levy, menetetään myös liian monta neutronia. Ihanteellinen muoto on riittävän suuri kiinteä massa ketjureaktion aloittamiseksi. Tällöin ylimääräiset neutronit osuvat muihin atomeihin, ja lisääntymisvaikutus johtaa ketjureaktioon.

Ainoa tapa hallita tai pysäyttää ydinketjureaktio on estää neutronit jakamasta enemmän atomeja. Neutronia absorboivasta elementistä, kuten boorista, valmistetut kontrollisauvat vähentävät vapaiden neutronien määrää ja vievät ne pois reaktiosta. Tätä menetelmää käytetään reaktorin tuottaman energiamäärän säätämiseen ja sen varmistamiseksi, että ydinreaktio pysyy hallinnassa.

Ydinvoimalaitoksessa säätösauvat nostetaan ja lasketaan uraanipolttoaineeksi. Täysin laskettuna kaikki sauvat ovat polttoaineen ympäröimiä ja absorboivat suurimman osan neutroneista. Tällöin ketjureaktio loppuu. Kun tangot kohoavat, vähemmän jokaisesta sauvasta absorboi neutroneja, ja ketjureaktio nopeutuu. Tällä tavoin ydinvoimalan operaattorit voivat hallita ja pysäyttää ydinreaktion.

Vaikka ydinvoimaketjureaktiot voimaloissa ympäri maailmaa tuottavat huomattavia määriä sähköä, ydinvoimalaitoksilla on kaksi pääongelmaa. Ensinnäkin on aina olemassa vaara, että ohjaustankoihin perustuva ohjausjärjestelmä ei toimi teknisten vikojen, inhimillisten virheiden tai sabotaasin takia. Siinä tapauksessa voi olla räjähdys tai säteily. Toiseksi käytetty polttoaine on erittäin radioaktiivista ja sitä on varastoitava turvallisesti tuhansien vuosien ajan. Tätä ongelmaa ei ole vielä ratkaistu, ja useimmissa tapauksissa käytettyä polttoainetta on useissa ydinvoimaloissa. Tämän seurauksena ydinketjureaktioiden käytännön käyttö on vähentynyt monissa maissa, myös Yhdysvalloissa.