Kas ir kodolķēdes reakcija?

Kodola skaldīšanas reakcija notiek, kad nestabila elementa atomi tiek bombardēti ar neitroniem, sadalot katra atoma kodolu mazākās daļās. Ja katra kodola sadalīšana atbrīvo vairākus ātrgaitas neitronus, kas pēc tam var sadalīt vairāk elementa kodolu, notiek ķēdes reakcija. Kad papildu neitroni sašķeļ vairāk kodolu, tiek atbrīvota vairāk enerģijas, un ķēdes reakcija var izraisīt tādu sprādzienu kā kodolbumba. Ja ķēdes reakciju kontrolē, noņemot dažus papildu neitronus, enerģija joprojām tiek atbrīvota siltuma formā, taču var izvairīties no sprādziena. Kodolķēdes reakcija ir viens no trim kodolreakciju veidiem, kam ir atšķirīgas īpašības un ko var izmantot dažādos veidos.

TL; DR (pārāk ilgi; Nelasīju)

Kodolķēdes reakcija ir sadalīšanās reakcija, kas atbrīvo papildu neitronus. Neitroni sadala papildu atomus, atbrīvojot vēl vairāk neitronu. Tā kā izstaroto neitronu un sadalīto atomu skaits strauji palielinās, var rasties kodolsprādziens.

Atoma kodols uzkrāj daudz enerģijas, kas var kalpot noderīgiem mērķiem. Trīs kodolreakciju veidi, kas izmanto kodolenerģiju, ir radiācija, skaldīšana un kodolsintēze. Medicīniskās un rūpnieciskās rentgena iekārtas izmanto radioaktīvo elementu starojumu, lai radītu ķermeņa attēlus vai testēšanas materiālus. Spēkstacijās un kodolieročos enerģijas ražošanai tiek izmantota kodolsintēze. Kodolsintēze nodrošina sauli, taču zinātnieki nav spējuši radīt ilgtermiņa kodolsintēzes reakciju uz Zemes, kaut arī centieni turpinās. No šiem trim kodolreakciju veidiem tikai sadalīšanās var radīt ķēdes reakciju.

Kodolķēdes reakcijas atslēga ir nodrošināt, ka reakcija rada papildu neitronus un ka neitroni sašķeļ vairāk atomu. Tā kā elements urāns-235 ražo vairākus neitronus katram sadalītam atomam, šo urāna izotopu izmanto kodolreaktoros un kodolieročos.

Urāna forma un masa ietekmē to, vai var notikt ķēdes reakcija. Ja urāna masa ir pārāk maza, pārāk daudz neitronu izdalās ārpus urāna un tiek zaudēti reakcijas rezultātā. Ja urāna forma ir nepareiza, piemēram, plakana loksne, tiek zaudēts arī pārāk daudz neitronu. Ideāla forma ir cieta masa, kas ir pietiekami liela, lai sāktu ķēdes reakciju. Šajā gadījumā papildu neitroni skar citus atomus, un reizināšanas efekts izraisa ķēdes reakciju.

Vienīgais veids, kā kontrolēt vai apturēt kodola ķēdes reakciju, ir apturēt neitronu sadalīšanu vairāk atomu. Kontroles stieņi, kas izgatavoti no neitronu absorbējoša elementa, piemēram, bora, samazina brīvo neitronu skaitu un izvelk tos no reakcijas. Šo metodi izmanto, lai kontrolētu reaktorā saražoto enerģijas daudzumu un nodrošinātu kodolreakcijas kontroli.

Atomelektrostacijā vadības stieņi tiek pacelti un nolaisti urāna degvielā. Pilnībā nolaistu visus stieņus ieskauj degviela un tie absorbē lielāko daļu neitronu. Tādā gadījumā ķēdes reakcija apstājas. Kad stieņi tiek pacelti, mazāk no katra stieņa absorbē neitronus, un ķēdes reakcija paātrinās. Tādā veidā atomelektrostacijas operatori var kontrolēt un apturēt kodolķēdes reakciju.

Lai gan kodolķēdes reakcijas elektrostacijās visā pasaulē nodrošina ievērojamu elektroenerģijas daudzumu, atomelektrostacijām ir divas galvenās problēmas. Pirmkārt, vienmēr pastāv risks, ka vadības sistēma, kas balstīta uz vadības stieņiem, nedarbosies tehnisku kļūmju, cilvēku kļūdu vai sabotāžas dēļ. Tādā gadījumā var notikt sprādziens vai starojuma izdalīšanās. Otrkārt, lietotā degviela ir ļoti radioaktīva, un tā ir droši jāuzglabā tūkstošiem gadu. Šī problēma joprojām nav atrisināta, un vairākumā gadījumu izlietotā degviela paliek dažādās atomelektrostacijās. Rezultātā daudzās valstīs, tostarp Amerikas Savienotajās Valstīs, kodolķēdes reakciju praktiskais pielietojums ir samazinājies.