Štiepna reťazová reakcia

Ak pomalý neutrón narazí na jadro uránu ²³⁵U, môže dôjsť k jeho rozštiepeniu na dva štiepne fragmenty a k uvoľneniu dvoch, niekedy troch rýchlych neutrónov. Tieto neutróny môžu následne vyvolať štiepenie ďalších jadier ²³⁵U, pri ktorom sa opäť uvoľnia ďalšie neutróny. V každej ďalšej generácii sa počet neutrónov zvyšuje. Ak by sa pri každom štiepení uvoľnili iba dva neutróny a všetky by vyvolali ďalšie štiepenie, v tridsiatej generácii by sa štiepilo už približne 10¹⁰ jadier. Tento proces sa nazýva štiepna reťazová reakcia.

Vedeli ste, že...?

Obsah izotopu ²³⁵U v prírodnom uráne je približne 0,7 %, zatiaľ čo v palive pre väčšinu ľahkovodných reaktorov predstavuje približne 3,5 až 5 %.

 

Podmienky vzniku reťazovej reakcie

Reťazová reakcia môže prebiehať iba vtedy, ak uvoľnené neutróny s vysokou pravdepodobnosťou spôsobujú štiepenie ďalších jadier ²³⁵U. Takéto podmienky však nie sú samozrejmosťou a závisia od viacerých faktorov.

Kritické množstvo paliva

Ak je v aktívnej zóne reaktora príliš malé množstvo štiepneho materiálu alebo je jeho koncentrácia nedostatočná, neutróny uniknú z aktívnej zóny skôr, než spôsobia ďalšie štiepenie. Najmenšie množstvo štiepneho materiálu, pri ktorom môže reťazová reakcia prebiehať samovoľne, sa nazýva kritické množstvo (kritická hmotnosť).

Absorbátory

Mnohé atómové jadrá dokážu zachytávať neutróny prostredníctvom radiačného záchytu. Zachytené neutróny už nemôžu vyvolať ďalšie štiepenie. Ak je v aktívnej zóne príliš veľa absorbátorov, reťazová reakcia sa nemôže rozvinúť. Významnými absorbátormi neutrónov sú napríklad bór, kadmium alebo urán ²³⁸U.

Moderátor

Rýchle neutróny majú pomerne malú pravdepodobnosť, že spôsobia štiepenie jadra ²³⁵U. Oveľa častejšie sa od jadier iba rozptyľujú. Na zvýšenie pravdepodobnosti štiepenia je preto potrebné neutróny spomaliť. Na tento účel sa v jadrových reaktoroch používa moderátor.

Vedeli ste, že...?

Multiplikačný faktor k vyjadruje pomer počtu neutrónov v jednej generácii k počtu neutrónov v predchádzajúcej generácii. Je základným parametrom určujúcim priebeh štiepnej reťazovej reakcie.

 

Objav štiepnej reťazovej reakcie

Myšlienku jadrovej reťazovej reakcie vyslovil už v roku 1933 fyzik Leó Szilárd, ktorý predpokladal, že pri jadrovej reakcii môžu vznikať ďalšie neutróny schopné vyvolať nasledujúce reakcie.

V roku 1934 uskutočnil Enrico Fermi (1901 – 1954) sériu experimentov, pri ktorých ožaroval rôzne prvky neutrónmi a skúmal vznik umelej rádioaktivity. Mimoriadne zaujímavé výsledky získal pri experimentoch s uránom. Spočiatku sa domnieval, že vznikajú nové, ťažšie prvky.

V roku 1938 Otto Hahn a Fritz Strassmann experimentálne objavili štiepenie jadra uránu, ktoré následne fyzikálne vysvetlili Lise Meitnerová a Otto Frisch. Ich výpočty ukázali, že pri štiepení sa uvoľňuje veľké množstvo energie. Keď sa potvrdilo, že pri štiepení vznikajú aj ďalšie neutróny, otvorila sa možnosť uskutočnenia samovoľne sa udržiavajúcej štiepnej reťazovej reakcie.

Prvú riadenú, samovoľne sa udržiavajúcu štiepnu reťazovú reakciu uskutočnil 2. decembra 1942 tím vedcov pod vedením Enrica Fermiho v experimentálnom reaktore Chicago Pile-1. Tento úspech položil základy praktického využívania jadrovej energie.

Vedeli ste, že...?

Enrico Fermi pri svojich experimentoch zistil, že voda účinne spomaľuje neutróny, čím výrazne zvyšuje pravdepodobnosť štiepenia jadier uránu.