מהי תגובת שרשרת גרעינית?

תגובת ביקוע גרעינית מתרחשת כאשר אטומי היסוד הלא יציב מופגזים בנויטרונים, המפצלים את הגרעין של כל אטום לחלקים קטנים יותר. אם הפיצול של כל גרעין משחרר כמה נויטרונים מהירים שיכולים לפצל יותר מגרעיני היסוד, מתרחשת תגובת שרשרת. ככל שהנייטרונים הנוספים מפצלים יותר גרעינים, יותר אנרגיה משתחררת ותגובת השרשרת יכולה לגרום לפיצוץ כמו זה של פצצה גרעינית. אם תגובת השרשרת נשלטת על ידי הסרת חלק מהניטרונים הנוספים, האנרגיה עדיין משתחררת בצורה של חום, אך ניתן להימנע מפיצוץ. תגובת השרשרת הגרעינית היא אחת משלושה סוגים של תגובות גרעיניות בעלות מאפיינים שונים וניתן להשתמש בהן בדרכים שונות.

TL; DR (ארוך מדי; לא קרא)

תגובת שרשרת גרעינית היא תגובת ביקוע שמשחררת נויטרונים נוספים. הנויטרונים מפצלים אטומים נוספים המשחררים עוד יותר נויטרונים. מכיוון שמספר הנייטרונים הנפלטים ומספר האטומים המתפצלים עולה באופן אקספוננציאלי, עלולה להתפוצץ גרעיני.

הגרעין של אטום אוגר הרבה אנרגיה שיכולה לשרת מטרות שימושיות. שלושת סוגי התגובות הגרעיניות המשתמשות באנרגיה גרעינית הם קרינה, ביקוע והתמזגות. מכונות רנטגן רפואיות ותעשייתיות משתמשות בקרינה של אלמנטים רדיואקטיביים כדי ליצור תמונות של הגוף או בחומרי בדיקה. תחנות כוח ונשק גרעיני משתמשים בביקוע גרעיני כדי לייצר אנרגיה. היתוך גרעיני מניע את השמש, אך מדענים לא הצליחו ליצור תגובת היתוך גרעינית ארוכת טווח על כדור הארץ למרות שהמאמצים נמשכים. מבין שלושת סוגי התגובות הגרעיניות הללו, רק ביקוע יכול ליצור תגובת שרשרת.

המפתח לתגובת שרשרת גרעינית הוא להבטיח שהתגובה מייצרת נויטרונים נוספים ושהנייטרונים מפצלים יותר אטומים. מכיוון שהיסוד אורניום -235 מייצר כמה נויטרונים לכל אטום מפוצל, איזוטופ זה של אורניום משמש בכורים חשמליים ובנשק גרעיני.

צורתו ומסתו של האורניום משפיעים אם יכולה להתקיים תגובת שרשרת. אם מסת האורניום קטנה מדי, רבים מדי מהנייטרונים נפלטים מחוץ לאורניום ואובדים לתגובה. אם האורניום הוא בצורה הלא נכונה, למשל יריעה שטוחה, יותר מדי נויטרונים הולכים לאיבוד גם כן. הצורה האידיאלית היא מסה מוצקה הגדולה מספיק בכדי להתחיל את תגובת השרשרת. במקרה זה, הנויטרונים הנוספים פוגעים באטומים אחרים, ואפקט הכפל מוביל לתגובת השרשרת.

הדרך היחידה לשלוט בתגובת שרשרת גרעינית או לעצור אותה היא לעצור את הנויטרונים מפיצול אטומים נוספים. מוטות בקרה עשויים אלמנט קולט נויטרונים כמו בורון מפחיתים את מספר הנויטרונים החופשיים ומוציאים אותם מהתגובה. שיטה זו משמשת לשליטה בכמות האנרגיה המופקת על ידי כור וכדי להבטיח שהתגובה הגרעינית תישאר בשליטה.

בתחנת כוח גרעינית מוטות הבקרה מורמים ומורידים לדלק האורניום. בהורדה מלאה, כל המוטות מוקפים בדלק וסופגים את רוב הנייטרונים. במקרה זה, תגובת השרשרת נעצרת. ככל שהמוטות מורמים, פחות מכל מוט סופג נויטרונים ותגובת השרשרת מואצת. באופן זה מפעילי תחנת הכוח הגרעינית יכולים לשלוט ולעצור את תגובת השרשרת הגרעינית.

למרות שתגובות שרשרת גרעיניות בתחנות כוח ברחבי העולם מספקות כמויות משמעותיות של כוח חשמלי, יש לתחנות כוח גרעיניות שתי בעיות עיקריות. ראשית, תמיד קיים סיכון שמערכת הבקרה המבוססת על מוטות בקרה לא תפעל בגלל כשלים טכניים, טעות אנוש או חבלה. במקרה כזה יכול להיות פיצוץ או שחרור קרינה. שנית, דלק משומש הוא רדיואקטיבי ביותר ויש לאחסן אותו בבטחה לאורך אלפי שנים. בעיה זו עדיין לא נפתרה, ודלק משומש נשאר ברוב המקרים בתחנות כוח גרעיניות שונות. כתוצאה מכך, השימושים המעשיים בתגובות שרשרת גרעינית פחתו במדינות רבות, כולל בארצות הברית.