Η πυρηνική σχάση είναι μια διαδικασία κατά την οποία ένας πυρήνας χωρίζεται σε δύο (ή μερικές φορές ακόμα και τρεις) ελαφρύτερους πυρήνες. Γενικά απελευθερώνονται επίσης άλλα σωματίδια (νετρόνια, για παράδειγμα) και ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (ακτίνες γάμμα). Η σχάση μπορεί να συμβεί αυθόρμητα, αλλά πιο συχνά προκαλείται τεχνητά.

Η πιο συνηθισμένη αντίδραση σχάσης που λαμβάνει χώρα σε πυρηνικούς αντιδραστήρες είναι:

n + ²³⁵U → X + Y + (0-8)n + γ + πλεονάζουσα ενέργεια

όπου X και Y υποδηλώνουν τους πυρήνες στους οποίους έχει διαιρεθεί το Ουράνιο. Αυτά ονομάζονται κλάσματα σχάσης (παραδείγματα: ⁹⁹Zr, ⁹⁹Mo, ¹³⁷Te, ¹⁴⁰Xe κ.λπ.) και έχουν μάζες που σχεδόν αθροίζονται στη μάζα του αρχικού πυρήνα Ουρανίου (σημειώστε ότι απελευθερώνονται 0 έως 8 νετρόνια).

Το ισότοπο ²³⁵U είναι ο μόνος σχάσιμος πυρήνας που υπάρχει στη φύση. Σχάσιμος σημαίνει ικανός να υποστεί σχάση όταν συλλαμβάνει ένα αργό (ή θερμικό) νετρόνιο. Ωστόσο, στο φυσικό Ουράνιο, το ισότοπο ²³⁵U βρίσκεται σε πολύ χαμηλές συγκεντρώσεις, περίπου 0,72% – το υπόλοιπο είναι κυρίως ²³⁸U. Ωστόσο, άλλοι σχάσιμοι πυρήνες έχουν παραχθεί τεχνητά.

Στην πυρηνική σχάση του Ουρανίου παράγονται κατά μέσο όρο 2,5 νετρόνια, έτσι ώστε η αντίδραση οδηγεί σε πολλαπλασιαζόμενο αριθμό νετρονίων στο σύστημα. Τα περισσότερα από τα κλάσματα σχάσης είναι ραδιενεργά, και κατά μέσο όρο εκπέμπονται περίπου πέντε φωτόνια (ακτίνες γάμμα) σε μία μόνο αντίδραση.

Η κινούμενη εικόνα απεικονίζει την αντίδραση σχάσης n + ²³⁵U → ⁹⁰Kr + ¹⁴³Ba + 3n + 4γ

Όταν ένα νετρόνιο απορροφάται από τον πυρήνα ²³⁵U, σχηματίζεται ένας πυρήνας ²³⁶U με τόσο υψηλή ενέργεια που τα νουκλεόνια στο εσωτερικό αρχίζουν να ταλαντώνονται έντονα και ο πυρήνας επιμηκύνεται.

Μέσα σε περίπου 10^-12 s αυτή η επιμήκυνση δημιουργεί έναν λαιμό μεταξύ δύο τμημάτων του πυρήνα. Ο πυρήνας στη συνέχεια διαιρείται όπως μια σταγόνα νερού που στάζει από μια βρύση χωρίζεται σε δύο σταγόνες. Οι πυρηνικές δυνάμεις εξακολουθούν να δρουν μεταξύ των νουκλεονίων στα δύο αντίθετα άκρα του επιμηκυμένου πυρήνα, αλλά όχι τόσο έντονα. Ταυτόχρονα τα δύο τμήματα απωθούνται μεταξύ τους μέσω ηλεκτροστατικών δυνάμεων μεταξύ των πρωτονίων, και ο πυρήνας σχίζεται σε δύο κλάσματα.

Η εικόνα απεικονίζει ένα παράδειγμα πυρηνικής σχάσης. Ο αστερίσκος δείχνει ότι ο πυρήνας Ουρανίου βρίσκεται σε διεγερμένη κατάσταση, δηλαδή κατέχει πλεόνασμα ενέργειας που δεν θα επιτρέψει στον πυρήνα να είναι σταθερός.

Η ενέργεια που απελευθερώνεται όταν ένα ²³⁵U υπόκειται σε σχάση είναι περίπου 200 MeV. Αυτή η ενέργεια είναι η κινητική ενέργεια των κλασμάτων σχάσης (περίπου 167 MeV), νετρονίων (περίπου 5 MeV), και περίπου 17 MeV απελευθερώνονται στις βήτα αποσυνθέσεις (κατά μέσο όρο, 3 αποσυνθέσεις ανά κλάσμα). Τα υπόλοιπα 7 MeV εκπέμπονται ως ακτίνες γάμμα.

Θυμηθείτε ότι η καύση ενός μόνο ατόμου άνθρακα αποδίδει μόνο περίπου 4 eV ενέργειας – περίπου 50 εκατομμύρια φορές λιγότερο! Η ενέργεια ανά μόριο που απελευθερώνεται από την έκρηξη TNT είναι επίσης πολύ μικρή σε σύγκριση: περίπου 18 εκατομμύρια φορές μικρότερη.

Μάθαμε ότι σε μια τυπική αντίδραση σχάσης ²³⁵U παράγονται περίπου 2 νετρόνια.

Αν αυτά τα 2 νετρόνια απορροφηθούν στη συνέχεια από δύο άλλους πυρήνες ²³⁵U, οδηγώντας σε σχάσεις με 2 νετρόνια ανά σχάση όπως πριν. Αυτό μας αφήνει με 4 νετρόνια. Αυτά τα τέσσερα νετρόνια μπορούν να προκαλέσουν τέσσερις νέες διαδικασίες σχάσης, ως αποτέλεσμα των οποίων θα εμφανιστούν οκτώ νετρόνια. Ο αριθμός των νετρονίων που παράγονται στο σύστημα αυξάνεται γεωμετρικά σε αυτό που ονομάζεται αλυσιδωτή αντίδραση.

Δεν είναι μόνο ο αριθμός των νετρονίων που αυξάνεται γρήγορα – η απελευθερούμενη ενέργεια επίσης αυξάνεται με τρομακτικό ρυθμό. Αν κάθε πυρήνας σε 1 g ²³⁵U υποστεί σχάση, η απελευθερούμενη ενέργεια θα είναι 6,023 × 10²³/235 × 200 MeV = 5,125 × 10²³ MeV = 8,2 ×10¹⁰ J. Αυτή είναι η ενέργεια της μάζας 1000 τόνων που πέφτει στη Γη από ύψος 8,2 χιλιομέτρων!

Ο αριθμός των μεμονωμένων σχάσεων σε μια αλυσιδωτή αντίδραση είναι ανάλογος του αριθμού των σχάσιμων πυρήνων στο υλικό. Τα νετρόνια που παράγονται από τη σχάση μπορούν να εκκινήσουν μια άλλη σχάση εάν απορροφηθούν από έναν σχάσιμο πυρήνα. Αλλά τα νετρόνια σχάσης μπορούν να απορροφηθούν από άλλο τύπο πυρήνων ή ακόμα και να ξεφύγουν από το υλικό. Επομένως, η πιθανότητα πραγματοποίησης σχάσης είναι μικρότερη από 1. Ωστόσο, υπάρχουν ορισμένοι τρόποι για να αυξηθεί αυτή η πιθανότητα.

Τα νετρόνια που απελευθερώνονται στη σχάση έχουν περίπου 1-2 MeV ενέργειας. Τέτοια γρήγορα νετρόνια έχουν πολύ μικρή πιθανότητα να προκαλέσουν σχάση του ²³⁵U και έτσι αυτά τα νετρόνια θα παρέλθουν από πολλούς, πολλούς πυρήνες πριν απορροφηθούν από έναν και επάγουν σχάση. Μία λύση είναι να τα επιβραδύνουμε, δηλαδή να διασφαλίσουμε ότι έχουν σχετικά μικρές ενέργειες (ένα κλάσμα του 1 eV). Μπορείτε να σκεφτείτε την υψηλότερη πιθανότητα ως προερχόμενη από το γεγονός ότι τα αργά νετρόνια ξοδεύουν περισσότερο χρόνο σε επαφή με τον πυρήνα Ουρανίου. Ονομάζουμε τέτοια νετρόνια θερμικά νετρόνια, επειδή οι κινητικές τους ενέργειες είναι κοντά στις κινητικές ενέργειες των μορίων στον αέρα γύρω μας. Για να επιβραδύνουμε νετρόνια σε έναν αντιδραστήρα σχάσης για παράδειγμα, γεμίζουμε τα κενά μεταξύ του σχάσιμου υλικού με ένα λεγόμενο συντονιστή, για παράδειγμα νερό ή γραφίτη.

Μια άλλη μέθοδος αύξησης της πιθανότητας σύλληψης νετρονίων είναι να περιβάλλουμε το σχάσιμο υλικό με έναν ανακλαστήρα νετρονίων, που θα διασκορπίζει τα νετρόνια πίσω για να αυξήσει τον αριθμό των συγκρούσεων. Ειδικότερα, βηρύλλιο, γραφίτης και χάλυβας είναι κοινά υλικά ανακλαστήρων.

Επιπλέον, ορισμένα νετρόνια θα συναντήσουν πυρήνες που απορροφούν νετρόνια. Στην περίπτωση θερμικών νετρονίων τέτοιοι αποτελεσματικοί απορροφητές περιλαμβάνουν πυρήνες βορίου, καδμίου και γαδολινίου. Τα γρήγορα νετρόνια απορροφούνται έντονα από το πιο κοινό ισότοπο στο φυσικό ουράνιο, ²³⁸U, παράγοντας σχάσιμο ²³⁹Pu και ²⁴⁰Pu. Επομένως, πρέπει να γνωρίζει κανείς τη χημική και ισοτοπική σύνθεση ενός υλικού στο οποίο αναμένουμε να παρατηρήσουμε αλυσιδωτή αντίδραση. Θα μάθουμε περισσότερα για όλα αυτά στην επόμενη ενότητα, αφιερωμένη στους πυρηνικούς αντιδραστήρες.