ΠΥΡΙΝΙΚΗ ΣΧΑΣΗ/ΒΙΒΛΙΟΦΑΓΟΣ[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Πυρηνική σχάση ονομάζεται η διαδικασία κατά την οποία ένας ασταθής ατομικός πυρήνας χωρίζεται (σχάται) σε δυο ή περισσότερους (μικρότερους) πυρήνες και σε μερικά παραπροϊόντα σωμάτια (όπως νετρόνια). Η σχάση αποτελεί μια περίπτωση μεταστοιχείωσης κατά την οποία παράγονται δύο θραύσματα με συγκρίσιμες μάζες. Στα βαρύτερα στοιχεία η σχάση είναι εξώθερμη αντίδραση αποδίδοντας στο περιβάλλον ενέργεια ως ακτινοβολία γάμμα και ως κινητική ενέργεια των θραυσμάτων.

Στα παραπροϊόντα τής σχάσης περιλαμβάνονται και νετρόνια, τα οποία μπορούν να προκαλέσουν περαιτέρω σχάσεις δημιουργώντας έτσι μια αυτοσυντηρούμενη αλυσιδωτή αντίδραση η οποία σε ελεγχόμενη, χαμηλή ταχύτητα παράγει εκμεταλλεύσιμη ενέργεια. Σε μη ελεγχόμενη μεγάλη ταχύτητα προκαλεί έκρηξη της οποίας η ισχύς είναι μεγαλύτερη από κάθε έκρηξη που προέρχεται από χημικές αντιδράσεις, γεγονός που βρίσκει χρήση στην κατασκευή πυρηνικών όπλων.

Σχεδιάγραμμα πυρηνικού αντιδραστήρα

Η σχάση μπορεί να είναι αυθόρμητη ή να προκληθεί από άλλη αντίδραση. Ένας βαρύς πυρήνας μπορεί να κατεβάσει την συνολική του ενέργεια αν χωριστεί σε μικρότερους πυρήνες αλλά το φράγμα δυναμικού που πρέπει να περάσει για να το επιτύχει είναι τόσο μεγάλο που καθιστά τέτοια γεγονότα πολύ σπάνια. Για παράδειγμα ο χρόνος ημιζωής για την σχάση τού ²³²U είναι κάπου 100 τρισεκατομμύρια χρόνια. Την ίδια στιγμή ο χρόνος ημιζωής του για α-διάσπαση είναι λιγότερο από 3 χρόνια (Το κανάλι τής αυθόρμητης σχάσης δεν γίνεται σημαντικό πριν Α>240). Πρώτα όμως ανακαλύφθηκε η σχάση που προκαλείται από προηγούμενη αντίδραση. Το γνωστότερο παράδειγμα είναι τού ²³⁵U που αντιδρά με θερμικά νετρόνια. Συντίθεται ένας πυρήνας²³⁶U* (ο αστερίσκος δηλώνει ότι βρίσκεται σε διεγερμένη κατάσταση).

Η ενέργεια τής διέγερσης που αποκτήθηκε από την σύλληψη τού νετρονίου θέτει ολόκληρο τον πυρήνα σε ταλάντωση και ως αποτέλεσμα προκαλείται σχάση σε πλήθος διαφορετικών προϊόντων. Ένα τυπικό κανάλι είναι η αντίδραση:

Η ενέργεια που απελευθερώνεται σε αυτό το παράδειγμα είναι κάπου 180 MeV. Τα δύο νετρόνια που παράγονται σε αυτό το παράδειγμα (την στιγμή τής σχάσης) λέγονται άμεσα νετρόνια και σε αντιδιαστολή με τα καθυστερημένα νετρόνια που θα παραχθούν μέσω τών θυγατρικών ⁹²Kr ¹⁴²Ba (ή παραγώγων τους) οι οποίοι έχουν πλεόνασμα νετρονίων (τα βαρύτερα σταθερά ισότοπά τους είναι τα ισότοπα του Κρυπτού ⁸⁶Kr και του Βαρίου ¹³⁸Ba).

Η διάσπαση του ατόμου επιτεύχθηκε για πρώτη φορά από τους Όττο Χαν και Φριτς Στράσσμαν το 1938, ενώ είχε προηγούμενα μελετηθεί θεωρητικά από τον Ενρίκο Φέρμι το 1934.

Παράδειγμα σχάσης που προκλήθηκε από το βομβαρδισμό ενός πυρήνα Ουρανίου-235 με θερμικό νετρόνιο. Από την αντίδραση ελευθερώνονται τρία νετρόνια.

Τα βραδέα ή θερμικά νετρόνια (με ενέργειες 0,01-0,10 eV) είναι πιο πιθανό να προκαλέσουν σχάση σε ασταθείς πυρήνες (όπως π.χ. του U-235). Ωστόσο, τα νετρόνια τα οποία παράγονται κατά τη σχάση έχουν μεγάλες ταχύτητες και αναφέρονται ως ταχέα νετρόνια (με ενέργειες 0,10-1,0 eV). Για να συντηρηθεί η αλυσιδωτή πυρηνική αντίδραση, θα πρέπει τα “ταχέα” νετρόνια να επιβραδυνθούν σε “θερμικά”. Οι αντιδραστήρες που απαιτούν επιβραδυντές ονομάζονται θερμικοί αντιδραστήρες (thermal reactors).

Στην “καρδιά του αντιδραστήρα” φέρονται επιβραδυντικό υλικό και ρυθμιστικές ράβδοι (ή “ράβδοι ελέγχου” ή “ράβδοι ρύθμισης”) που συγκρατούν την αλυσιδωτή αντίδραση σε σταθερό ρυθμό ανάπτυξης έτσι ώστε να επιτυγχάνεται η ομαλή ροή της θερμότητας. Ένα “ψυκτικό μέσο” (που μπορεί να είναι αέριο ή υγρό όπως το νερό) κυκλοφορεί μέσα στον αντιδραστήρα και θερμαίνεται. Στη συνέχεια αυτό οδηγείται σε ένα “εναλλάκτη θερμότητας” όπου προκαλεί βρασμό σε νερό που υπάρχει εκεί. Ο παραγόμενος ατμός στη συνέχεια θέτει σε κίνηση στροβίλους που παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα αλλά και κινητική ενέργεια

Η παρεμβολή ενός επιβραδυντή νετρονίων μεταξύ των ράβδων με πυρηνικά καύσιμα, είναι κοινό γνώρισμα του πυρήνα όλων των θερμικών αντιδραστήρων. Τα περισσότερα από τα παραγόμενα κατά τη σχάση του καυσίμου νετρόνια διαφεύγουν από τις ράβδους και συγκρούονται με τα άτομα του επιβραδυντή, πριν “χτυπήσουν” άλλες ράβδους καυσίμου. Με τις συγκρούσεις αυτές μέρος της κινητικής τους ενέργειας μεταφέρεται στα άτομα του επιβραδυντή. Αυτό θερμαίνει τον επιβραδυντή, αλλά τα αργά πλέον νετρόνια εισέρχονται στις ράβδους και είναι σε θέση να προκαλέσουν σχάση στο πυρηνικό καύσιμο.

Ως επιβραδυντές στους πυρηνικούς αντιδραστήρες θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ουσίες, όπως ο άνθρακας (ως γραφίτης εξαιρετικής καθαρότητας), το φυσικό νερό, τα βαρύ ύδωρ και το βηρύλλιο. Το φυσικό νερό είναι ο δραστικότερος επιβραδυντής, αλλά παρουσιάζει το φαινόμενο όχι απλώς να τα επιβραδύνει τα νετρόνια, αλλά και να τα “συλλαμβάνει” (neutron capture) με αποτέλεσμα να είναι αδύνατη η διατήρηση της αλυσιδωτής πυρηνικής αντίδρασης, εάν ως “καύσιμο” χρησιμοποιείται φυσικό ουράνιο με περιεκτικότητα σε U-235 0,71%. Για να χρησιμοποιηθεί φυσικό νερό θα πρέπει το “καύσιμο” να είναι εμπλουτισμένο ουράνιο με περιεκτικότητα σε U-235 τουλάχιστον 2,5%.

Οι επιλογές για να συντηρηθεί η πυρηνική αντίδραση είναι:

α) Καύσιμο: φυσικό ουράνιο, επιβραδυντής: βαρύ ύδωρ (>99,5% σε δευτέριο D-δηλ. Υδρογόνο με 2 νετρόνια).

β) Καύσιμο: εμπλουτισμένο ουράνιο (2,5-3,5% σε U-235) ,επιβραδυντής: φυσικό νερό.

Το βαρύ ύδωρ συνδυάζει πολλά επιθυμητά χαρακτηριστικά. Παρουσιάζει μικρότερη πιθανότητα “σύλληψης” των νετρονίων σε σχέση με το φυσικό νερό και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως επιβραδυντής σε αντιδραστήρες που ως καύσιμο χρησιμοποιούν φυσικό ουράνιο. Ακόμη ως υγρό, σε σχέση με τους στερεούς επιβραδυντές (π.χ. τον γραφίτη), έχει τη δυνατότητα κυκλοφορίας και μπορεί να δράσει ως μέσο ψύξης και μεταφοράς θερμότητας σε κλειστό βρόχο, από τον πυρήνα του αντιδραστήρα σε γεννήτριες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας.

Σήμερα, στους περισσότερους πυρηνικούς αντιδραστήρες παραγωγής ενέργειας, χρησιμοποιείται φυσικό νερό, αφού έγινε εφικτή η παραγωγή εμπλουτισμένου ουρανίου.