Kaj je jedrska verižna reakcija?

Reakcija jedrske cepitve poteka, ko atome nestabilnega elementa bombardiramo z nevtroni, pri čemer jedro vsakega atoma razdelimo na manjše dele. Če razcep vsakega jedra sprosti več hitrih nevtronov, ki lahko nato razcepijo več jeder elementa, pride do verižne reakcije. Ko odvečni nevtroni razcepijo več jeder, se sprosti več energije in verižna reakcija lahko povzroči eksplozijo, kakršna je jedrska bomba. Če verižno reakcijo nadziramo z odstranjevanjem nekaterih dodatnih nevtronov, se energija še vedno sprošča v obliki toplote, vendar se je mogoče izogniti eksploziji. Jedrska verižna reakcija je ena od treh vrst jedrskih reakcij, ki imajo različne značilnosti in se lahko uporabljajo na različne načine.

TL; DR (predolgo; Nisem prebral)

Jedrska verižna reakcija je cepitvena reakcija, ki sprosti dodatne nevtrone. Nevtroni delijo dodatne atome, ki sproščajo še več nevtronov. Ko število oddanih nevtronov in število razcepljenih atomov eksponentno narašča, lahko pride do jedrske eksplozije.

Jedro atoma shrani veliko energije, ki lahko služi v koristne namene. Tri vrste jedrskih reakcij, ki uporabljajo jedrsko energijo, so sevanje, cepitev in fuzija. Medicinski in industrijski rentgenski aparati uporabljajo sevanje radioaktivnih elementov za ustvarjanje slik telesa ali za preskušanje materialov. Elektrarne in jedrsko orožje uporabljajo jedrsko cepitev za proizvodnjo energije. Jedrska fuzija poganja sonce, vendar znanstveniki niso mogli ustvariti dolgotrajne reakcije jedrske fuzije na Zemlji, čeprav se prizadevanja nadaljujejo. Od teh treh vrst jedrskih reakcij lahko samo cepitev ustvari verižno reakcijo.

Ključ jedrske verižne reakcije je zagotoviti, da reakcija ustvari dodatne nevtrone in da nevtroni razdelijo več atomov. Ker element uran-235 proizvaja več nevtronov za vsak razcepljeni atom, se ta izotop urana uporablja v jedrskih reaktorjih in jedrskem orožju.

Oblika in masa urana vplivata na to, ali lahko poteka verižna reakcija. Če je masa urana premajhna, se preveč nevtronov odda izven urana in se izgubijo v reakciji. Če je uran napačne oblike, na primer ravna plošča, se izgubi tudi preveč nevtronov. Idealna oblika je trdna masa, ki je dovolj velika, da začne verižno reakcijo. V tem primeru odvečni nevtroni zadenejo druge atome, multiplikacijski učinek pa vodi do verižne reakcije.

Edini način za nadzor ali zaustavitev jedrske verižne reakcije je preprečiti, da bi nevtroni cepili več atomov. Kontrolne palice iz nevtronsko absorpcijskega elementa, kot je bor, zmanjšajo število prostih nevtronov in jih izločijo iz reakcije. Ta metoda se uporablja za nadzor količine energije, ki jo proizvede reaktor, in za zagotovitev, da jedrska reakcija ostane pod nadzorom.

V jedrski elektrarni se krmilne palice dvignejo in spustijo v uranovo gorivo. Ko so popolnoma palice, so vse palice obdane z gorivom in absorbirajo večino nevtronov. V tem primeru se verižna reakcija ustavi. Ko so palice dvignjene, manj vsake palice absorbira nevtrone in verižna reakcija se pospeši. Na ta način lahko upravljavci jedrske elektrarne nadzorujejo in ustavijo jedrsko verižno reakcijo.

Čeprav jedrske verižne reakcije v elektrarnah po vsem svetu dovajajo znatne količine električne energije, imajo jedrske elektrarne dva glavna problema. Prvič, vedno obstaja tveganje, da nadzorni sistem, ki temelji na krmilnih palicah, ne bo deloval zaradi tehničnih napak, človeške napake ali sabotaže. V tem primeru lahko pride do eksplozije ali sproščanja sevanja. Drugič, izrabljeno gorivo je zelo radioaktivno in ga je treba varno hraniti tisoče let. Ta problem še vedno ni rešen, izrabljeno gorivo pa v večini primerov ostane v različnih jedrskih elektrarnah. Posledično se je v mnogih državah, tudi v ZDA, zmanjšala praktična uporaba jedrskih verižnih reakcij.