Zagadnienia fizyczne dotyczące zjawiska rozpadu promieniotwórczego

 

Reakcja jądrowa - proces fizyczny zachodzący przy zbliżeniu się dwóch jąder atomowych lub jądra i cząstki elementarnej na odległość rzędu 10^-15 m (zasięg sił jądrowych), w następstwie czego powstają na ogół nowe jądra atomowe lub jądra i cząstki elementarne [3],[5]. Można wyróżnić dwa sposoby zwiększenia prawdopodobieństwa zajścia reakcji jądrowej:

a)      Poprzez zwiększenie temperatury do kilku milionów stopni, w wyniku czego reagujące ze sobą nukleony osiągną wystarczającą energię kinetyczną, by pokonać swoje wzajemne oddziaływanie elektrostatyczne (tzw. barierę culombowską). Zachodzące wówczas procesy jądrowe nazywamy reakcjami termojądrowymi.

b)      Poprzez bombardowanie różnych materiałów lżejszymi cząstkami, np, protonami, deuteronami, bądź cząstkami alfa, które wcześniej przyspiesza się do energii rzędu milionów eV. Reakcje jądrowe mogą zostać wywołane również przez przyspieszone elektrony oraz przez wysoko energetyczne promieniowanie gamma oraz promieniowanie X.

Rozszczepienie jądra - jest to zjawisko rozpadu jądra wzbudzonego na kilka (na ogół 2, rzadziej 3 lub 4) innych jąder. Powstałe fragmenty na ogół mają podobną masę. Zjawisku temu towarzyszy emisja wtórnych neutronów, promieniowanie gamma i wydzielanie się znacznych ilości energii. Ciężkie jądra można rozszczepić bombardując je różnymi cząstkami, lub też mogą się one rozpaść samorzutnie. Jeżeli liczba neutronów wtórnych emitowanych w wyniku procesu rozszczepienia jest większa niż liczba neutronów pochłoniętych to może rozwinąć się tzw.reakcja łańcuchowa.

Reakcji rozszczepienia towarzyszy wydzielenie się energii około 200MeV na rozszczepienie, w tym około 180MeV to energia kinetyczna produktów rozszczepienia [3],[5].

Wizualizacja łańcuchowej reakcji rozszczepienia jądra: jądro ²³⁵U rozpada się na dwa fragmenty x, y oraz emituje od 0 do 5 neutronów, które powodują lawinowo rozszczepienia dalszych jąder; zapoczątkowany proces rozchodzi się w czasie w postępie geometrycznym

Jądrowa reakcja łańcuchowa - wywołane neutronami reakcje rozszczepienia ciężkich jąder atomowych, podczas których neutrony wyzwalające się w jednym akcie rozszczepienia wywołują następne akty rozszczepienia [8].

Przekrój czynny na rozszczepienie s - wielkość określająca prawdopodobieństwo zajścia procesu rozszczepienia jąder, przy którym dwa układy fizyczne (czyli jądra oraz bombardujące je neutrony) znajdujące się w pewnym stanie początkowym A przejdą w wyniku zderzenia do pewnego stanu końcowego B. Wartość przekroju czynnego na rozszczepienie zależy od energii bombardujących neutronów.

Niektóre jądra, jak np.: ²³³U, ²³⁵U, ²³⁹Pu, ulegają rozszczepieniu w wyniku bombardowania ich neutronami o dowolnych energiach, włącznie z neutronami o energiach nieznacznie różniących się od zera. Inne jądra, jak np.: ²³²Th, ²³⁶U, ²³⁸U, rozszczepiają się wówczas, gdy energia neutronów jest większa od pewnej wartości energii zwanej energią progową rozszczepienia.

Przebieg energii wiązania na nukleon [1] Jądra ciężkie związane są słabiej niż jądra o ok. dwukrotnie mniejszej liczbie masowej, zatem w procesie rozszczepienia wyzwalana jest różnica tych energii wiązania	Prawdopodobieństwo powstania określonych produktów rozszczepiania jąder U-235 [23] Nie można przewidzieć, na jakie konkretne produkty rozpadnie się dane jądro uranu. Takich możliwości jest ok. 170 [5]

Masa krytyczna - najmniejsza ilość materiału rozszczepialnego, dla której w określonych warunkach może zajść i utrzymać się jądrowa reakcja łańcuchowa [3]. Przekroczenie przez paliwo wartości odpowiadającej masie krytycznej jest  najważniejszym warunkiem rozpoczęcie samopodtrzymującej się reakcji łańcuchowej.

Jej wartość zależy ona od  geometrycznych rozmiarów materiału, rodzaju izotopu, zanieczyszczeń oraz domieszek.