Hvaðan koma nifteindirnar sem skotið er í úran-235?

Nafn þitt

Netfang þitt

Netfang móttakanda

Ruslpóstvörn =

Svar

Hvaðan koma nifteindirnar sem skotið er í úran-235?
Þegar nifteindum er skotið á kjarna getur þrennt gerst, í meginatriðum, ef nifteindin fer nægilega nálægt kjarnanum. Í fyrsta lagi geta kjarnakraftar valdið stefnubreytingu á nifteindinni. Í öðru lagi getur kjarninn gleypt nifteindina og umbreyst án kjarnaklofnunar (en þó getur það valdið því að geislun komi úr kjarnanum). Í þriðja lagi getur orðið kjarnaklofnun. Við það losnar orka sem samsvarar muninum á massa upprunalega kjarnans og þeirra sem verða til við kjarnaklofnun.

Ástæðan fyrir þessari orkulosun er í stuttu máli sú að fyrir stóra kjarna með mörgum róteindum er mikil orka bundin í kjarnakröftunum sem eru nauðsynlegir til þess að yfirvinna þá rafstöðukrafta sem hrinda róteindum hverri frá annarri. Því þarf minni orku til að halda saman tveimur minni kjörnum heldur en einum stórum (þessi rök gilda reyndar einungis fyrir samsætur með massatölu hærri en 60, það er að segja kringum frumefnið járn).

Við kjarnaklofnun verða ekki einungis til minni kjarnar heldur losna einnig ljóseindir og nifteindir. Þær nifteindir sem losna við kjarnaklofnun geta svo stuðlað að klofnun í öðrum kjörnum og þannig koll af kolli. Þetta er keðjuverkun, og er hún lykilþáttur í hagnýtingu kjarnorkunnar.

Til að keðjuverkun geti átt sér stað þarf að uppfylla ákveðið skilyrði. Ímyndum okkur að við höfum kjarnkleyft efni í kjarnaofni. Gerum ráð fyrir því að við sérhverja klofnun á þessu efni losni að meðaltali n nifteindir. Nú getur farið svo að nifteind verði gleypt í efninu án þess að kjarnaklofnun eigi sér stað. Einnig getur verið að nifteind komist út úr kjarnaofninum án þess að valda kjarnaklofnun. Í hvorugu þessara tilfella er keðjuverkun haldið áfram.

Hins vegar eru einhverjar líkur á að nifteind sem losnar við klofnun valdi klofnun í öðrum kjarna. Köllum þessar líkur k. Nauðsynlegt skilyrði þess að kjarnaklofnun haldist við er að n*k sé stærra eða jafnt einum. Líkindastuðullinn k er háður ýmsu, til dæmis stærð og lögun kjarnaofnsins sem ræður miklu um hvort að nifteindir sleppi úr honum. Best væri að hafa ofninn sem stærstan með tilliti til þess að nifteindir sleppi ekki úr honum, en það væri óhagkvæmt. Því er oft gripið til þess ráðs að umlykja ofninn efni sem endurkastar nifteindum inn í hann.

Líkindastuðullinn er einnig mjög háður orku nifteindanna. Fyrir úransamsætuna U-235 eru til dæmis litlar líkur á því að orkuríkar nifteindir valdi kjarnaklofnun. Því er léttum samsætum komið fyrir í ofninum, en við árekstra milli þeirra og nifteinda hægir á nifteindunum og líkur aukast á að þær valdi kjarnaklofnun.

En hvers vegna er nauðsynlegt að margfeldið n*k sé stærra en einn til að keðjuverkun geti viðhaldist? Minnumst þess að n er sá fjöldi nifteinda sem losnar við kjarnaklofnun að meðaltali, og að k eru líkindin á því að nifteind valdi kjarnaklofnun. Þá getum við séð að sérhver kjarnaklofnun leiðir að meðaltali af sér n*k aðrar kjarnaklofnanir. Tökum dæmi: Gerum ráð fyrir að upphaflega eigi sér stað 1000 kjarnaklofnanir og að n*k sé hálfur. Þá má gera ráð fyrir því að þessar 1000 upphaflegu klofnanir leiði af sér 500 klofnanir, og í kjölfar þeirra fylgi 250 klofnanir og svo framvegis, þangað til að fjöldi klofnana verður hverfandi. Ef hins vegar n*k er einn má búast við að fjöldi klofnana hverju sinni haldist óbreyttur. Sé n*k stærra en einn eykst fjöldi klofnana með tíma.

Við kjarnorkusprengingu er heppilegt að hafa n*k stórt því þá losnar sem mest orka á sem stystum tíma. Í kjarnaofni er hins vegar nauðsynlegt að halda n*k í gildinu 1 til að hafa stjórn á keðjuverkuninni. Við erum svo heppin að náttúran hagar því svo að um 1% þeirra nifteinda sem losna við kjarnaklofnun verða til við tiltölulega hægfara ferli þegar óstöðugir dótturkjarnar gefa frá sér nifteindir (þetta á sér stað á nokkrum sekúndum). Mestur hluti nifteindanna losnar á svo skömmum tíma að líta má svo á að það gerist samtímis klofnun kjarnans. Þetta litla hlutfall tafinna nifteinda gerir okkur hins vegar kleift að stjórna hraða keðjuverkunarinnar með ýmsu móti, til dæmis með því bæta við ákveðnu hlutfalli efnis sem gleypir nifteindir í ofninum. Ef allar nifteindirnar mynduðust samstundis væri ekki unnt að stjórna keðjuverkuninni því ekkert stýrikerfi væri nægilega viðbragðsfljótt til þess.

Við getum dregið þetta saman þannig að við kjarnaklofnun, þar á meðal í samsætunni úrani-235 sem spurt er um, myndast nifteindir sem geta stuðlað að klofnun annars kjarna síðar meir. Þetta svarar kjarnanum í upphaflegu spurningunni. Einnig skal geta þess að kjarnaklofnun getur átt sér stað án þess að nifteindir stuðli að henni, en það er miklum mun óalgengara en að kjarni losi sig við umframorku eftir öðrum leiðum (til dæmis með alfa-geislun).

Frekara lesefni af Vísindavefnum:

• Hvað er að auðga úran? eftir Ágúst Valfells
• Hvernig verka venjulegar kjarnorkusprengjur? eftir Jón Tómas Guðmundsson

...