Πυρηνική Σχάση

.
Πυρηνική αντίδραση κατά την οποία βαρείς ατομικοί πυρήνες διασπώνται και παράγονται δύο άλλοι ατομικοί πυρήνες (σπάνια περισσότεροι), πυρηνικά σωματίδια (νετρόνια), ενώ εκλύονται και μεγάλα ποσά ενέργειας. Η διάσπαση πραγματοποιείται είτε με το βομβαρδισμό των πυρήνων με νετρόνια, είτε αυθόρμητα (για μερικούς πολύ βαρείς πυρήνες). Το άθροισμα των ατομικών αριθμών των στοιχείων που προκύπτουν από τη σχάση (διάσπαση) ενός πυρήνα είναι ίσο με τον ατομικό αριθμό του στοιχείου του οποίου ο πυρήνας διασπάστηκε. Τα στοιχεία των οποίων οι πυρήνες μπορούν να υποστούν σχάση από νετρόνια λέγονται σχάσιμα στοιχεία και είναι κυρίως το ουράνιο (U), το θόριο (Th) και το πλουτώνιο (Pu).

.
Το φαινόμενο της σχάσης παρατηρήθηκε για πρώτη φορά το 1938, από τους γερμανούς φυσικούς Χαν (Otto Hahn) και Στράσμαν (Fritz Strassmann), οι οποίοι ανίχνευσαν ραδιενεργό βάριο (Ba) στα προϊόντα βομβαρδισμού πυρήνων ουρανίου με θερμικά νετρόνια. Οι δύο επιστήμονες έκαναν την ανακάλυψη πειραματιζόμενοι πάνω στις εργασίες του Φέρμι (E. Fermi) για την παραγωγή στοιχείων βαρύτερων από το ουράνιο, μέσω του βομβαρδισμού πυρήνων ουρανίου από νετρόνια. Ωστόσο, η σχάση είχε προβλεφθεί θεωρητικά λίγα χρόνια νωρίτερα, αν και τα πειράματα που έγιναν προς την κατεύθυνση αυτή δεν ήταν πολλά.

Η συστηματική έρευνα του φαινομένου της διάσπασης του πυρήνα του ουρανίου απέδειξε ότι μόνο ένα ισότοπο του ουρανίου διασπάται μ` αυτόν τον τρόπο. Το ουράνιο που υπάρχει στη φύση είναι αναλογία τριών ισοτόπων: του ισοτόπου-238 (92 U238) κατά 99,274%, του ισοτόπου-235 (92 U235) κατά 0,72%, και του ισοτόπου-237 (92 U237) κατά 0,006%. Το ελαφρύτερο ισότοπο (U-235) είναι πολύ σπάνιο. Το βαρύτερο ισότοπο, με μαζικό αριθμό 238 (U-238) που είναι και το αφθονότερο, δε διασπάται με βραδέα νετρόνια (νετρόνια μικρής ταχύτητας). Όταν το 92 U238 βομβαρδιστεί με νετρόνια που διαθέτουν ορισμένη τιμή ενέργειας, μεταβάλλεται σε ουράνιο με μαζικό αριθμό 239. Μόνο το ισότοπο του ουράνιου με μαζικό αριθμό 235, 92 U235, διασπάται με βραδέα νετρόνια (θερμικά νετρόνια). Η διάσπαση αυτή εκφράζεται με την ακόλουθη πυρηνική αντίδραση: (Βλέπε σχήμα) όπου 0 n1 το σύμβολό του νετρονίου και Ε η ενέργεια που απελευθερώνεται. Πάντως, ο παραπάνω τρόπος διάσπασης είναι μόνο ένας από τους σαράντα και πλέον τρόπους με τους οποίους μπορεί να διασπαστεί το συγκεκριμένο ισότοπο. Έτσι, παράγονται ογδόντα διαφορετικοί πυρήνες. Οι πυρήνες βαρίου (Ba) και κρυπτού (Kr) που προκύπτουν από τη συγκεκριμένη διάσπαση είναι ασταθείς (βλ. ραδιενέργεια) και με εκπομπή ακτινοβολίας βήτα (ηλεκτρόνια) μεταστοιχειώνονται διαδοχικά, μέχρις ότου καταλήξουν σε σταθερούς πυρήνες (πρασεοδύμιο 59 Ρr141 και ζιρκόνιο 40 Ζr92). Επειδή όμως γενικά, τα προϊόντα της σχάσης είναι πάρα πολλά, η μεταστοιχείωση των ραδιενεργών πυρήνων που προκύπτουν, μπορεί να διαρκέσει από μερικά δευτερόλεπτα έως και αρκετά χρόνια, ανάλογα με το είδος των πυρήνων που παράγονται. Τα νετρόνια που παράγονται από τη σχάση είναι συνήθως ταχύτατα και δεν προκαλούν νέες σχάσεις, επειδή οι βαρείς πυρήνες είναι ιδιαίτερα ευαίσθητοι ως προς το ενδεχόμενο της σχάσης στα βραδέα (αργά) νετρόνια. Για το λόγο αυτό στους πυρηνικούς αντιδραστήρες χρησιμοποιούνται κατάλληλες ουσίες, που έχουν την ιδιότητα να επιβραδύνουν τα ταχέα νετρόνια που προέρχονται από διασπάσεις.

Σε κάθε σχάση απελευθερώνονται από 1 έως 6 νετρόνια, ενώ ο μέσος όρος είναι περίπου 2,5 νετρόνια. Έτσι, αν προκληθεί μία αρχική σχάση, τα νετρόνια που θα παραχθούν είναι δυνατόν (αν επιβραδυνθούν κατάλληλα) να οδηγήσουν σε νέες σχάσεις, με ταυτόχρονη εκπομπή νέων νετρονίων, τα οποία με τη σειρά τους θα οδηγήσουν σε καινούργιες σχάσεις, κλπ. Αυτή η διαδικασία των αλλεπάλληλων πυρηνικών αντιδράσεων χωρίς εξωτερική παρέμβαση, λέγεται αλυσωτή αντίδραση και μέσω αυτής είναι δυνατή η εκμετάλλευση της πυρηνικής ενέργειας για πρακτικές εφαρμογές. Ανάλογα με τη φάση της αλυσωτής αντίδρασης, τα νετρόνια που απελευθερώνονται λέγονται νετρόνια πρώτης, δεύτερης, τρίτης, κλπ. γενιάς. Στο εσωτερικό των πυρηνικών αντιδραστήρων οι αλυσωτές αντιδράσεις είναι ελεγχόμενες και αυτοσυντηρούμενες. Η περιγραφή του είδους των αλυσωτών αντιδράσεων γίνεται μέσω του λεγόμενου παράγοντα πολλαπλασιασμού κ. Αν από κάθε σχάση παραμένει κατά μέσο όρο ένα νετρόνιο για τη συνέχιση των σχάσεων (δηλαδή κάθε σχάση προκαλεί μία μόνο καινούργια σχάση), ο αριθμός των σχάσεων ανά μονάδα χρόνου στο σχάσιμο υλικό είναι σταθερός. Τότε είναι κ=1 και η διάταξη λέγεται κρίσιμη. Αν από κάθε σχάση προκαλούνται περισσότερες από μία περαιτέρω σχάσεις, τότε ο αριθμός των σχάσεων αυξάνεται με την πάροδο του χρόνου. Στην περίπτωση αυτή, είναι κ>1 και η διάταξη λέγεται υπερκρίσιμη. Τέλος, αν από κάθε σχάση προκαλούνται κατά μέσο όρο λιγότερες από μία σχάση, είναι κ ‹ 1 και η διάταξη λέγεται υποκρίσιμη. Η απώλεια των νετρονίων οφείλεται είτε σε απορρόφησή τους από πυρήνες που δεν διασπώνται, είτε στη διαφυγή τους έξω από τη μάζα του σχάσιμου υλικού. Η ελάχιστη ποσότητα μάζας ενός υλικού που απαιτείται για να συντηρηθεί μία αλυσωτή αντίδραση λέγεται κρίσιμη μάζα. Αυτή εξαρτάται κυρίως από την καθαρότητα του υλικού. Όσο πιο μικρή είναι η συγκέντρωση ξένων πυρήνων στη μάζα του σχάσιμου υλικού, όσο πιο καθαρό είναι δηλαδή το υλικό, τόσο πιο μικρή είναι η κρίσιμη μάζα. Υπάρχουν τέλος, και αλυσωτές αντιδράσεις οι οποίες δεν είναι ελεγχόμενες, όπως για παράδειγμα αυτές που πραγματοποιούνται μετά από την έκρηξη μιας πυρηνικής βόμβας.

Τα ισότοπα των διαφόρων σχάσιμων στοιχείων δεν υφίστανται σχάση με την ίδια ευκολία. Για να εκφραστεί το πόσο εύκολα ή δύσκολα πραγματοποιείται σχάση σε ένα ισότοπο, χρησιμοποιείται η ενεργός διατομή σχάσεως σf, η οποία είναι συνάρτηση της ενέργειας που έχουν τα προσπίπτοντα νετρόνια. Όσο πιο μεγάλη είναι η τιμή της ενεργού διατομής σχάσεως, τόσο πιο εύκολο είναι να προκληθεί σχάση στο αντίστοιχο ισότοπο. Για παράδειγμα, οι πυρήνες των ισοτόπων ουράνιο-233 (92 U233), ουράνιο-235 (92 U235) και πλουτώνιο-239 (94 Pu239) έχουν μεγάλη ενεργό διατομή σχάσεως για θερμικά νετρόνια, οπότε διασπώνται σχετικά εύκολα. Όσο όμως μεγαλύτερη ενέργεια έχουν τα νετρόνια, τόσο μειώνεται η σf . Αντίθετα, οι πυρήνες των ισοτόπων θόριο-232 (90 Τh232) και ουράνιο-238 (92 U238) έχουν σf =0 για θερμικά νετρόνια, ενώ παρουσιάζουν ελάχιστη σf για ταχέα νετρόνια.

Κατά τη διαδικασία της σχάσεως, παρατηρείται το φαινόμενο το άθροισμα της μάζας των πυρήνων που δημιουργούνται και των νετρονίων που απελευθερώνονται να είναι μικρότερο από το άθροισμα της μάζας του αρχικού πυρήνα και του νετρονίου που προκαλεί τη σχάση. Υπάρχει δηλαδή ένα έλλειμμα μάζας Δm, το οποίο μετατρέπεται σε ενέργεια, σύμφωνα με την εξίσωση του Αϊνστάιν (Einstein): Ε=Δm.c2, όπου Ε η ενέργεια και c η ταχύτητα του φωτός. Η ενέργεια που εκλύεται σε κάθε σχάση είναι της τάξης των 200 μεγαηλεκτρονιοβόλτ (ΜeV) ή 200.106 ηλεκτρονιοβόλτ (eV). Η ενέργεια αυτή εμφανίζεται κατά το μεγαλύτερο ποσοστό ως κινητική ενέργεια των προϊόντων της σχάσης, ενώ μικρότερα ποσοστά εμφανίζονται ως κινητική ενέργεια των παραγόμενων νετρονίων και ως ακτινοβολία. Υπολογίζεται ότι κατά τη διάσπαση ενός γραμμαρίου (gr) ουρανίου-235 απελευθερώνεται ενέργεια ίση περίπου προς 25.000 κιλοβατώρες (KWh), ποσό που είναι 2,8 εκατομμύρια φορές μεγαλύτερο από αυτό που παράγεται κατά την καύση ίσης ποσότητας άνθρακα. Όμως αυτό ισχύει με την προϋπόθεση ότι θα υποστούν σχάση όλοι οι πυρήνες που βρίσκονται στο ένα γραμμάριο του ισοτόπου. Επειδή όμως αυτό είναι τεχνικά αδύνατον, η ενέργεια της πυρηνικής σχάσης είναι μόνο μερικές χιλιάδες φορές μεγαλύτερη από την ενέργεια που παράγεται από την καύση ίσης ποσότητας άνθρακα.

Η σχάση ερμηνεύεται σχετικά εύκολα αν δεχτεί κανείς το πρότυπο της "υγρής σταγόνας" για τον ατομικό πυρήνα, το οποίο πρότεινε ο δανός φυσικός Μπορ (Niels Bohr) (βλ. πυρήνας). Σύμφωνα με το πρότυπο αυτό, κάθε πυρήνας συμπεριφέρεται ως μια σταγόνα ρευστού, η οποία μπορεί να διαχωριστεί, όταν επιδράσουν δυνάμεις ισχυρότερες από τις πυρηνικές δυνάμεις συνοχής που τη συγκροτούν. Όταν ένας πυρήνας βομβαρδιστεί με ένα νετρόνιο κατάλληλης ταχύτητας, το συλλαμβάνει, παραμορφώνεται και παίρνει επίμηκες σχήμα. Διαδοχικές ταλαντώσεις τον οδηγούν σε κατάσταση αστάθειας. Οι δυνάμεις της ηλεκτροστατικής άπωσης μεταξύ των πρωτονίων του πυρήνα τείνουν να δημιουργήσουν στην κεντρική ζώνη μια σχισμή, η οποία συνεχώς επεκτείνεται, ώσπου ο πυρήνας διαχωρίζεται σε δύο τμήματα. Η ενέργεια που συγκρατεί ενωμένα τα σωματίδια στον πυρήνα οφείλεται στην υπεροχή των ελκτικών πυρηνικών δυνάμεων ανταλλαγής (που είναι πολύ ισχυρές αλλά μόνο σε μικρές αποστάσεις) έναντι των ηλεκτροστατικών απωστικών δυνάμεων μεταξύ των πρωτονίων. Η ενέργεια αυτή ελαττώνεται με την αύξηση της ακτίνας του πυρήνα, ώσπου φτάνει σε τιμές για τις οποίες οι πυρήνες δεν είναι πλέον σταθεροί και μπορούν να διασπαστούν αυτόματα.

Πηγή: Live-Pedia.gr

Το λήμμα βασίζεται στο αντίστοιχο λήμμα της ηλεκτρονικής εγκυκλοπαίδειας ΕΡΜΗΣ, το περιεχόμενο της οποίας διατέθηκε από το χορηγό περιεχομένου εκδόσεις ΜΕΙΔΙΑΜΑ.

.

.

Link

.

.

.