Hungary

A maghasadás olyan folyamat, amelyben egy atommag többnyire két (néha három) könnyebb részre szakad. Ennek során általában más részecskék (például neutronok) és elektromágneses sugárzás (gamma-sugárzás) is keletkeznek. A maghasadás spontán módon is létrejöhet, de többnyire azt valami előidézi.

A leggyakoribb hasadási reakció az atomreaktorokban:

n + 235U → X + Y + (0-8)n + γ + többletenergia,

ahol X és Y jelöli az urániumból keletkező atommagokat. Ezeket hasadási termékeknek (például 99Zr, 99Mo, 137Te, 140Xe) hívják, és össztömegük majdnem kiadja a kiinduló urániumatommag tömegét (figyeljük meg, hogy a reakció velejárója 0-tól 8 neutronig terjedő részecskekibocsátás is).

A hasadási reakció animációja: a kibocsátott neutronok és gamma-fotonok száma reakcióról reakcióra változhat

A 235U az egyetlen természetben található hasadásra képes izotóp. A hasadási képesség azt jelenti, hogy maghasadás következik be, ha 235U egy lassú (másnéven termikus) neutront befog. Azonban a természetben megtalálható uránium csak nagyon alacsony, kb. 0,72% koncentrációban tartalmaz 235U izotópot, a többi nagyrészt 238U izotóp. Más hasadásra képes izotópot azonban mesterségesen elő lehet állítani.

Az uránium hasadásakor átlagosan 2,5 neutron keletkezik, tehát a neutronok száma a rendszerben növekszik. A hasadási termékek többsége radioaktív, és így átlagosan 5 gamma-foton kerül kibocsátásra minden egyes reakcióban.

Az animáció a következő hasadási reakciót mutatja be: n + 235U → 90Kr + 143Ba + 3n + 4γ

Amikor egy neutront a 235U atommag elnyel, akkor 236U atommag keletkezik olyan nagyon nagy energiával, hogy a nukleonok a magon belül erőteljes rezgésbe kezdenek, és az atommag megnyúlik.

A képen a hasadási reakció fázisai láthatók.
Körülbelül 10-12 másodpercen belül a megnyúlás folyományaként egy szűkülés jön létre az atommag két része között. Az atommag ezután szinte kettéosztódik hasonlóan ahhoz, ahogyan egy csapon lógó vízcsepp megnyúlik a leesése előtt. A magerők még hatnak az atommag két átellenes oldalán lévő nukleonok között, de már nem túl erősen. Ezzel egyidőben a két rész közötti taszítás is fellép a protonok elektrosztatikus ereje miatt, és az atommag két hasadványra bomlik.

A képen a maghasadásra láthatunk egy példát. A csillag azt jelképezi, hogy az uránium atommag gerjesztett állapotban van, azaz olyan energiaállapotban, amely instabil.

A 235U hasadása során körülbelül 200MeV energia szabadul fel. Ennek összetevői a hasadványok és a neutronok kinetikus energiája (rendre kb. 167MeV és 5MeV), illetve a béta-bomlások (hasadványokként átlagosan 3 bomlás) során kb. 17MeV energiakibocsátás történik. A maradék 7MeV gamma-fotonokként sugárzódik ki.

Ne felejtsük el, hogy egy szénatom égetése során kb. 4eV energia szabadul fel, amely 50 milliószor kisebb, mint a hasadási érték! TNT robbanáskor az egy molekulára jutó energia szintén nagyon kicsi, kb. 18 milliószor kisebb a hasadáshoz képest.

Már tudjuk, hogy 235U hasadási reakciójakor körülbelül 2 neutron termelődik.

Ez az animáció a láncreakciót mutatja be.
Ha ezt a 2 neutront két másik 235U atommag befogja, akkor hasadásuk során 2-2 újabb neutron keletkezik, azaz már 4 neutronunk lesz. Ez a 4 neutron 4 újabb hasadást idézhet el, azaz 8 neutronnal fogunk rendelkezni. A rendszerben a neutronok száma gyorsan növekszik, ezt hívják láncreakciónak.

Nemcsak a neutronok száma növekszik elképesztő ütemben, hanem a kibocsátott energia is. Ha 1g 235U-ban minden atommag elhasad, a felszabaduló energia 6,023×1023/235×200MeV = 5,125×1023MeV = 8,2×1010J lesz. Ez az érték egy, a Föld felszínétől mért 8,2 kilométer magasból eső, 1000 tonna tömeg energiájával ekvivalens!

Az egyedi hasadások száma egyenesen arányos az anyagban lévő hasadásra képes atommagok számával. A hasadásban keletkező neutronok akkor tudnak újabb hasadást előidézni, ha hasadásra képes atommag fogja be őket. Azonban a hasadási neutronokat más atommagok is befoghatják, vagy kiszökhetnek az anyag térfogatából. Így a hasadás valószínűsége 1 alá esik. Azonban ezt a valószínűséget lehet bizonyos módokon növelni.

A hasadási neutronok 1-2MeV energiával rendelkeznek. Ezeknek a gyors neutronoknak kicsi az esélyük arra, hogy hasadásra késztessék a 235U-t, ezért ők sok-sok atommag mellett suhannak el, mielőtt hasadást hoznak létre. Az egyik megoldás, hogy lelassítjuk a neutronokat, azaz lecsökkentjük az energiájukat viszonylag kis értékre (néhány eV-ra). A nagyobb valószínűséget elképzelhetjük úgy is, hogy a lassú neutronok hosszabb ideig érintkeznek az urániumatommaggal. Az ilyen neutronokat termikus neutronoknak nevezzük, mert a mozgási energiájuk a levegőben lévő molekulákéval nagyjából megegyezik. Az atomreaktorokban például a neutronokat úgy lassítjuk le, hogy a hasadásra képes anyag közé úgynevezett moderátort (pl. víz vagy grafit) helyezünk.

A hasadási valószínűséget úgy is lehet növelni, hogy a hasadásra képes anyagot neutronreflektorral vesszük körül, azaz olyan anyaggal, amely visszaszórja a neutronokat, ezáltal növeli az ütközések számát. A berillium, a grafit és az acél például remek reflektoranyagok.

Ezen túl néhány neutront az anyag valamely más atommagja is befoghat. A termikus neutronokra a bór, a kadmium és a gadolínium ilyen hatékony befogó anyagok. A gyors neutronokat a természetes uránium leggyakoribb izotópja, a 238U könnyen befoghatja, és hasadásra képes 239Pu és 240Pu izotópokat hozhat létre. Ezért a láncreakcióra használt anyagunk kémai és izotópösszetételét rendkívül pontosan ismernünk kell. Az atomreaktorokról szóló következő fejezetben erről részletesen lesz szó. >