Reacţia de fisiune nucleară în lanţ
De la Wikipedia, enciclopedia liberă
Acest articol trebuie pus în formatul standard conform manualului de stil.Eticheta aceasta trebuie ştearsă la încheierea standardizării. Articolul a fost etichetat în luna octombrie 2006.
REACŢIA DE FISIUNE NUCLEARĂ ÎN LANŢ
Schematic, o reacţie de fisiune nucleară în lanţ ar putea fi restrânsă la următoarele trei secvenţe:
1.Un atom de uraniu-235 absoarbe un neutron şi se sparge în doi atomi noi (fragmente de fisiune), eliberând trei neutroni şi o oarecare cantitate de energie de legătură.
2.Unul din aceşti neutroni este absorbit de un atom de uraniu-238 şi nu mai participă, în continuare, la reacţie. Al doilea neutron este pur şi simplu pierdut în mediul/materialul înconjurător, nu se mai ciocneşte cu alţi atomi de uraniu, fapt pentru care nici el nu mai participă la continuarea reacţiei. Al treilea neutron se ciocneşte cu un atom de uraniu-235 care se sparge şi eliberează doi neutroni şi, din nou, energie de legătură.
3.Ultimii doi neutroni se ciocnesc fiecare cu câte un atom de uraniu-235 care se sparg şi eliberează de la unu la trei neutroni ce pot continua reacţia.
O reacţie nucleară în lanţ apare atunci când, în medie, cel puţin o reacţie nucleară este cauzată de o reacţie nucleară anterioară, acest lucru putând conduce la o creştere exponenţială a numărului de reacţii nucleare.
O reacţie în lanţ necontrolată în interiorul unei cantităţi suficient de combustibil de fisiune (masă critică) poate să conducă la o eliberare explozivă de energie, acesta fiind, de altfel, modul de funcţionare al armelor nucleare. Reacţia în lanţ poate fi, însă, controlată în mod adecvat şi folosită ca sursă de energie (în reactoarele nucleare).
Intuitiv, ecuaţiile de fisiune s-ar putea scrie:
•U-235 + 1 neutron = fragmente de fisiune +2,52 neutroni + 189 MeV
•Pu-239 + 1 neutron = fragmente de fisiune +2,95 neutroni + 200 MeV
Nu s-au luat în calcul cei 10 MeV corespunzând greu-detectabililor (şi inutilizabililor) neutrini.
Când un atom greu suferă u fisiune nucleară, acesta se sparge în două sau mai multe fragmente de fisiune. Fiecare dintre aceste fragmente de fisiune este un atom al unui mult mai uşor element din tabelul periodic al elementelor.
Prin urmare, un neutron poate să cauzeze o reacţie de fisiune nucleară care eliberează aproximativ 2,5 sau 3 neutroni. Crucial este câţi dintre aceştia cauzează, la rândul lor, alte fisiuni nucleare. Factorul efectiv de multiplicare a neutronilor, k, este numărul mediu de neutroni din aceşti 2,5 sau 3 care cauzează reacţia de fisiune, în opoziţie cu neutronii produşi de fisiune care sunt absorbiţi fără să mai cauzeze o nouă fisiune şi cei pierduţi (care părăsesc sistemul).
Timpul mediu de generare este timpul mediu scurs de la emisia neutronului până la captura de fisiune. Acest timp este foarte scurt: distanţa parcursă este aproape cât diametrul masei critice; viteza poate fi de aproximativ 10.000 km/s şi distanţa de 10 cm, astfel încât timpul este de ordinul 10 ns.
Putem distinge următoarele cazuri:
•k < 1 (masă subcritică): plecând cu o fisiune, avem în medie un total de 1/(1-k) fisiuni. Orice început de reacţie în lanţ se stinge imediat.
•k = 1 (masă critică): plecând cu un neutron liber, valoarea medie a numărului de neutroni liberi rezultaţi este 1 în orice moment de timp; în timp există o oarecare probabilitate ca reacţia în lanţ să se stingă, fapt compensat prin existenţa, în fiecare moment de timp, a mai multor neutroni.
•k > 1 (masă supercritică): plecând cu un neutron liber, există probabilitatea nebanală ca acesta să nu cauzeze o fisiune sau ca un început de reacţie în lanţ să se stingă. Totuşi, din moment ce numărul neutronilor liberi este destul de mare, este foarte probabil ca numărul lor să crească exponenţial. Atât numărul de neutroni prezenţi în agregat (şi astfel rata instantanee a reacţiei de fisiune) cât şi numărul de fisiuni apărute din momentul începerii reacţiei sunt proporţionali cu e(k-1) t / g , unde g este timpul mediu de generare iar t este timpul scurs. Desigur, aceasta nu poate continua prea mult timp: k descreşte când cantitatea rămasă de material de fisiune descreşte; la fel, geometria şi densitatea se modifică şi ele: geometria se modifică în mod radical atunci când materialul de fisiune rămas este rupt în bucăţi, sau, în alte circumstanţe, topit şi curgând aiurea etc.
Atunci când k este aproape de 1, acest calcul supraestimează, cumva, „rata de dublare”. Când nucleul de uraniu absoarbe un neutron el intră într-o stare excitată de durată foarte scurtă, care dispare apoi pe mai multe căi posibile. În mod tipic, nucleul se dezintegrează în două fragmente (produşi de fisiune), de obicei izotopi de iod şi cesiu, cu expulzarea unui număr de neutroni. Produşii de fisiune sunt ei înşişi instabili, cu durate de viaţă mai lungi sau mai scurte, tipic de ordinul câtorva secunde, şi se dezintegrează producând neutroni suplimentari.
În mod uzual, populaţia de neutroni emişi se împarte în două categorii: neutroni prompţi şi neutroni întârziaţi. Procentul neutronilor întârziaţi este mai mic de 1% din total. Într-un reactor nuclear, pentru a avea un proces stabil, valoarea k trebuie să fie în jur de 1. Când se atinge valoarea k = 1 luând în calcul toţi neutronii obţinuţi prin fisiune, reacţia se numeşte critică. Aceasta este situaţia atinsă într-un reactor nuclear. Acum modificările de putere sunt mici şi controlabile cu ajutorul barelor de control. Când valoarea k = 1 se obţine luând în calcul numai neutronii prompţi, reacţie se numeşte prompt-critică – poate să apară o rată de dublare mult mai mică, depinzând de criticitatea de exces (k - 1) Modificarea de reactivitate necesară pentru a trece de la critică la prompt-critică (adică fracţia de neutroni întârziaţi) este definită ca un dolar.
Valoarea lui k este sporită de reflectorul de neutroni care înconjoară materialul fisil şi de asemenea este sporită prin creşterea densităţii materialului fisil: pe fiecare centimetru parcurs, probabilitatea de ciocnire dintre un nucleu de şi un neutron este proporţională cu densitatea, în timp ce distanţa parcursă înainte de părăsire a sistemului este doar redusă de rădăcina cubică a densităţii. În metoda implozivă folosită la armele nucleare, detonarea are loc crescând densitatea cu un exploziv convenţional.
Probabilitatea unei reacţii în lanţ
Să presupunem că o fisiune a fost cauzată de ciocnirea dintre un neutron şi un nucleu a produs 3 neutroni. De asemenea să presupunem k > 1. Probabilitatea ca un neutron să cauzeze o nouă fisiune este k / 3. Probabilitatea ca un neutron liber să nu cauzeze o reacţie în lanţ este (1 – k / 3) (nici o fisiune) plus probabilitatea a cel puţin o fisiune, atâta timp cât nici unul dintre cei trei neutroni produşi nu cauzează o reacţie în lanţ. Ultima are probabilitatea de k / 3 ori cubul primei probabilităţi menţionate că un neutro liber nu cauzează o reacţie în lanţ. Această ecuaţie poate fi rezolvată uşor şi se găseşte că probabilitatea unei reacţii în lanţ este 1,5 - 0,5[ (12/k)-3 ]1/2 care variază de la 0 pentru k = 1, la 1 pentru k = 3. Pentru valori ale lui k puţin mai mari decât 1, se găseşte aproximativ k – 1.
Predetonarea
Detonarea unei arme nucleare presupune aducerea foarte rapidă a materialului fisil în starea sa supercritică optimă. Pe durata acestui proces sistemul este supercritic dar nu încă în starea optimă pentru o reacţie în lanţ. Neutronii liberi, în particular cei proveniţi din fisiuni spontane, pot cauza predetonarea. Pentru a respecta legea probabilităţii, durata acestei perioada este minimizată şi se folosesc materiale fisile şi alte materiale pentru care nu există prea multe fisiuni spontane. În fapt, combinaţia trebuie să fie astfel aleasă încât să nu existe nici o fisiune spontană pe durata fabricaţiei (asamblării). În particular, metoda detonării nu poate fi folosită cu plutoniu.
Scurt istoric
Conceptul de reacţie de fisiune nucleară în lanţ a fost dezvoltat de Leo Szilard în 1933, pentru care a solicitat, în anul următor, un patent de invenţie.
În 1936 Leo Szilard a încercat să obţină o reacţie în lanţ folosind beriliu şi indiu, dar a eşuat.
Prima reacţie nucleară în lanţ artificială, autoîntreţinută a fost iniţiată de Matallurgical Laboratory, condus de Enrico Fermi şi Leo Szilard, sub peluza stadionului Universităţii din Chicago, pe 2 Decembrie 1942, în cadrul Proiectului Manhattan.
Singura reacţie nucleară în lanţ autoîntreţinută naturală a fost descoperită la Oklo în Septembrie 1972.
Sursă documentară
