Fizyka

Zoe

Zjawisko odkryte przez Hahna i Strassmanna polega na tym, iż jądro uranu pod wpływem uderzenia neutronem rozpada się. — No i cóż z tego? — gotowi zdziwić się Czytelnicy — ‚przecież takich procesów znamy wiele i coraz więcej. Dlaczegóż ten właśnie zasługuje na wyróżnienie? O cóż tu tyle hałasu?

Procesy rozbijania jąder atomowych, poznane przed 1939 r., polegały na wytrącaniu z bombardowanego jądra,, odłupywaniu niewielkiej cząstki, złożonej z kilku tylko nukleonów (od 1 do 4). Zjawisko natomiast zaobserwowane w 1939 r., sprowadza się do rozpadu jądra atomu uranu na dwie, prawie jednakowe pod względem masy cząstki, tj. do pęknięcia jądra. Ale to nie jest różnica jedyna i najważniejsza. Najważniejsze jest to, że poza tymi dwiema dużymi cząstkami wyzwalają się z jądra w wyniku pęknięcia jeszcze dwa lub trzy neutrony. Straciliśmy 1 neutron-pocisk na spowodowanie pęknięcia, a otrzymaliśmy 2 lub 3 nowe neutrony, tzn. 2 lub 3 nowe pociski. Mogą one (przynajmniej niektóre z nich) wywołać eksplozję dalszych atomów uranu i powstawanie nowych neutronów. Następuje rozgałęziający się łańcuch eksplozji (jądrowa reakcja łańcuchowa), który ogarnia całą masę uranu. Wystarczy tylko zainicjować ten proces przez ugodzenie jednego jądra. A jaka z tego korzyść praktyczna?

We wszystkich procesach rozbicia jąder atomowych wydzielają się olbrzymie ilości energii (w stosunku do reagujących mas), bez porównania większe od energii powstającej w jakichkolwiek procesach chemicznych (np. procesach spa. lania paliwa). Z dawniej poznanych procesów jądrowych nie można jednak było czerpać energii, gdyż dla uzyskania jednego skutecznego „strzału“ trzeba było ostrzeliwać jądro olbrzymią ilością pocisków, zaś rozpędzenie każdego pocisku wymagało nakładu energii. Zamiast zysku otrzymywaliśmy więc stratę energii.

Proces natomiast pękania nie wymaga żadnego doprowadzania energii z zewnątrz. Wystarczy zainicjować proces, a to może zrobić choćby któryś z błąkających się w atmosferze neutronów, pochodzących z promieniowania kosmicznego. W raz zapoczątkowanym procesie pękania wyzwalają się zatem olbrzymie ilości energii jądrowej bez jakiegokolwiek naszego dalszego udziału. Nawiasem mówiąc, dla energii jądrowej utarła się niefortunna nazwa „energia atomowa“ (odpowiedniejsza byłaby również nazwa „bomba jądrowa“ niż przyjęta nazwa „bomba atomowa“).

Skoro tak łatwe jest zapoczątkowanie łańcuchowego procesu pękania — może powiedzieć w tym miejscu Czytelnik — to w każdym kawałku uranu proces taki powinien się rozpocząć i doprowadzić do rozpadu całej masy uranu, czyli każdy kawałek uranu powinien być … eksplodującą bombą atomową. Okazuje się jednak, że nie każdy kawałek, lecz tylko dostatecznie duży, i to w odpowiednich warunkach, posiada własności wybuchowe.

W procesie pękania tworzą się neutrony, które powodują dalsze procesy pękania. Nie należy jednak zapominać, że część tych neutronów wybiega poza środowisko reagujące, a może ich wybiegać bardzo dużo. Reakcja łańcuchowa tylko wtedy więc przebiega, gdy ilość neutronów, tworzących się w procesie pękania, pokrywa straty spowodowane przez ucieczkę neutronów (i straty neutronów w innych procesach ubocznych, o których wspomnimy dalej).

Wybieganie neutronów poza powierzchnię, która ogranicza masę reagującą, jest zjawiskiem powierzchniowym, zaś pękanie uranu jest zjawiskiem objętościowym. W miarę wzrostu rozmiarów reagującej masy rośnie stosunek objętości do powierzchni i przy pewnej określonej dla danego kształtu objętości (np. dla kształtu kulistego), zwanej krytyczną (odpowiadająca jej masa nazywa się masą krytyczną), ucieczka neutronów zostaje-skcmpensowana pojawianiem się nowych neutronów w wyniku pękania. Dopiero powyżej tych rozmiarów krytycznych może przebiegać reakcja łańcuchowa, wyzwalająca energię jądrową. Duże rozmiary krytyczne zmuszają badaczy do wykonywania wszystkich prac w tej dziedzinie od razu w skali przemysłowej, z pominięciem prób laboratoryjnych. Urządzenia, wyzwalające w skali technicznej energię w procesie pękania jąder atomowych, nazwano reaktorami lub stosami atomowymi.

15 grudnia 1948 r. został uruchomiony pierwszy eksperymentalny reaktor atomowy we Francji—Zoe. Mieści się on w lochach fortu Chatillon pod Paryżem. Reaktor ten stanowi wynik pracy zbiorowej zespołu uczonych (fizyków, chemików) i techników rozmaitych specjalności, teoretyków i praktyków, zgrupowanych wokół Komisariatu do Spraw Energii Atomowej we Francji, na czele którego stoi Fryderyk Joliot-Curie.

Zapowiedzieliśmy odcyfrowanie tajemniczych liter nazwy reaktora paryskiego. Wyjaśnienie tajemnicy rozpoczniemy od końca. Aby wytłumaczyć znaczenie ciężkiej Wedy (litera „E“) w reaktorze francuskim, musimy bliżej zanalizować skład uranu i prędkość wybiegających neutronów.

— Jak to skład? — zapytają się Czytelnicy — przecież uran jest pierwiastkiem. Słusznie, lecz pierwiastek może posiadać kilka izotopów. I istotnie uran naturalny stanowi mieszaninę trzech izotopów: uranu 238 (U238, którego jądro składa się z 238 nukleonów), uranu 235 (U235 o jądrze złożonym z 235 nukleonów) i uranu 234 (U234 — 234 nukleony). Drugi izotop stanowi l/139 część masy mieszaniny, zaś reszta przypada na U238 (izotop trzeci występuje w zupełnie znikomej ilości, poniżej 0,01%, możemy go więc pominąć w rozważaniach). Każdy z tych izotopów w inny sposób reaguje na bombardowanie neutronami.

Leave a Comment

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *