2. Urāna dalīšanās ķēdes reakcija

Kodolreakcijas notiek dažādos gadījumos. Piemēram, kodolu radioaktīvās sabrukšanas procesā. Kodolreakciju var izraisīt brīvs neitrons, ielidojot kādā smagā elementa kodolā. Dažreiz notiek spontāna kodolu sadalīšanās divās daļās, kā arī sintēzes reakcijā, kad notiek kodolu saplūšana.
Pastāv eksotermiskās (enerģija izdalās) un endotermiskās (enerģija tika absorbēta) kodolreakcijas.

Piemēram, reakcijā piedalās četras daļiņas:

 

Saskaitot daļiņu miera masas pirms reakcijas ($14,0031 u + 4,0026 u = 18,0057 u$) un pēc reakcijas ($16,999 u+ 1,0078u=\mathrm{18,0068}u$), vienādojumā labajā pusē daļiņu miera masas summa ir lielāka, tātad enerģija tiek absorbēta.
Lai aprēķinātu enerģiju (vienam kodolam), izmanto formulu $E={m\cdot c}^2$ un masu pārveido kilogramos.

 

 

 

Aplūko smago kodolu dalīšanās reakciju, piemēram, urāna kodola dalīšanās reakciju!

 

 

Ja kodolā iekļūst brīvs neitrons, tas var izraisīt atoma kodola deformāciju un kodolspēku pavājināšanos. Kulona spēka dēļ kodols sadalās šķembās.

 

Smago kodolu dalīšanās reakcijās izdalās enerģija. Piemēram, daloties viena urāna kodolam, atbrīvojas aptuveni \(200\) \(MeV\) liela enerģija.

 

 

Urāna kodolam sadaloties, rodas divi vai trīs brīvi neitroni, kuri var izraisīt citu urāna kodolu sadalīšanās procesu.
Brīvo neitronu skaita maiņu ķēdes reakcijā raksturo ar neitronu daudzkāršošanās koeficientu \(k\), kurš ir vienāds ar

 

$k=\frac{N_n}{N_{n-1}}$, kur

 

$N_n$ — brīvo neitronu skaits n-tajā dalīšanās ciklā,

$N_{n-1}$ — brīvo neitronu skaits iepriekšējā dalīšanās ciklā.

Ja \(k\) > \(1\), notiek nevadāma ķēdes reakcija un var notikt kodolsprādziens.

 

 

Šādas reakcijas notiek kodolierocī. Kodolu skaits, kas sadalās, pieaug ģeometriskajā progresijā. Izdalītā enerģija ir milzīga.

Ja \(k\) = \(1\), tad notiek vadāma ķēdes reakcija.

 

 

Urāna kodolam sadaloties, rodas trīs brīvi neitroni, bet citu urāna kodolu sadalīšanās procesu izraisa tikai viens neitrons. Šādas reakcijas notiek kodolreaktoros, kodolspēkstacijās.

 

Ja \(k\) < \(1\), ķēdes reakcija apstājas.

Ja ap urānu \(235\) ir materiāli, kas labi atstaro neitronus (piemēram, ūdens), kritiskā masa būtiski samazinās.

 

Sfēra ir pārāk maza, lai notiktu ķēdes reakcija. Liela daļa neitronu no tās izkļūst ārā.
Sfēras izmērs ir pietiekams ķēdes reakcijai. Kritiskā masa ir sasniegta.
Sfēra nav liela, bet tai ir neitronu atstarojoša materiāla apvalks, tāpēc kritiskā masa ir sasniegta.