KURZUS: Bevezetés a nukleáris technikába

MODUL: III. modul: Az ionizáló sugárzások kölcsönhatásai, detektálása és a maghasadás

9. lecke: Maghasadás és láncreakció

| Feldolgozandó:
A maghasadás energiaviszonyai (Sükösd 8.1.: 191-197. old.) A hasadási neutronok (Sükösd 8.2.: 198-200. old.) A láncreakció (Sükösd 1.3.1., 201-211. old.)
Tanulási célok:
A lecke anyagának feldolgozása után ismerni fogja:
a maghasadás energiaviszonyait és a hasadási gát fogalmát. a prompt és a késő neutronok fogalmát és szerepét a szabályozott láncreakció fenntartásában. az effektív sokszorozási tényező és a reaktivitás fogalmát. a kritikussági feltétel megteremtésének a lehetőségeit. a hatékony neutronlassítás (moderálás) feltételeit.
A lecke anyagának rövid összefoglalása
Maghasadáskor egy nehéz atommag két közepes méretű atommagra hasad szét. Ezt a folyamatot nagy energia felszabadulás és néhány neutron kilépése kíséri. A folyadékcsepp modell alapján belátható, hogy Z=36-tól a maghasadás energia-felszabadulással jár. A maghasadás létrejöttét azonban megakadályozza egy potenciálgát, az un. hasadási gát. Urán atommagok esetén a hasadási gát még elég magas, kb. 7-8 MeV. A termikus neutronok energiája ennél sok nagyságrenddel kisebb. Azért tudnak a termikus neutronok mégis maghasadást kiváltani, mert az atommagba beépülő neutron kötési energiája átadódik az atommagnak és ez az energia már elegendő, hogy az atommagot átsegítse a hasadási gáton. A maghasadásban felszabaduló energia egy nem elhanyagolható része a radioaktív hasadvány termékek radioaktív bomlása során szabadul fel. Ezért nagyon fontos, hogy egy atomreaktorban a láncreakció leállítása után se maradjon ki az fűtőanyag hűtése.
A hasadó nehéz atommagok esetén az egyensúlyi neutron/proton arány nagyobb, mint a keletkező hasadvány termékek esetében. Ezért maghasadáskor szükségszerű, hogy neutronok váljanak szabaddá. Prompt neutronoknak azokat a neutronokat nevezzük, amelyek a maghasadás pillanatában keletkeznek. Ezeknek a neutronoknak a várható értéke hasadásonként 2,5. A maghasadásnál keletkező neutronok másik kategóriája a késő neutronok, amelyek az összes neutronszámnak csak kis hányadát képviselik, azonban egy reaktor irányításában döntő jelentőségük van.
A láncreakció a neutronháztartáson alapul. U-235 esetén hasadásonként 2-3 gyors neutron keletkezik. Ezeknek a neutronoknak egy része kiszökik a hasadóanyagból, másik része befogódik ugyan, de nem hasít. A láncreakció szempontjából azok a neutronok a lényegesek, amelyek lelassulnak, termalizálódnak. Ezek a maradék neutronok okozzák a következő neutron generációban a maghasadásokat. Mennyiségüket az effektív sokszorozási tényezővel és a reaktivitással jellemezzük. Az effektív sokszorozási tényező értékétől függően szubkritikus, kritikus, szuperkritikus és promptkritikus rendszerekről beszélünk.
Neutrongenerációs időnek azt az átlagos időtartamot nevezik, amely aközött telik el, hogy egy neutron maghasadást hoz létre, és ebből a maghasadásból keletkezett neutron (a következő neutron generáció) újabb maghasadást hoz létre. Vízzel moderált atomreaktorok esetén, prompt neutronokra a neutrongenerációs idő kb. 0,1 ms. A késő neutronokra a generációs idő meghosszabbodik az előfutár mag bomlási idejével. A reaktorok szabályozhatóságát a késő neutronok teremtik meg. Úgy kell a reaktorokat építeni és üzemeltetni, hogy a csak prompt neutronokkal számolt sokszorozási tényező értéke mindig 1 alatt maradjon.
Az effektív sokszorozási tényező értékének a növeléséhez, azaz a kritikus állapot eléréséhez csökkenteni kell a neutronok kiszökésének és hasadás nélküli elnyelődésének arányát és növelni kell a neutronok által okozott maghasadások arányát. A neutronok kiszökésének gyakoriságát a reaktor térfogatának növelésével csökkenthetjük. A hasadás nélküli elnyelődés arányát a hasadóanyag dúsításával és az inhomogén reaktor felépítéssel csökkenthetjük. A maghasadás valószínűségének a növelése a neutronok energiájának a helyes megválasztásával történhet.
A neutronok lassítására használt anyagokat moderátoroknak nevezzük. A moderátor anyagoknak az alábbi kritériumoknak kell eleget tenniük: legyen nagy a sűrűségük és a neutronszórási hatáskeresztmetszetük. Legyen kicsi a neutronelnyelési hatáskeresztmetszetük és ütközéskor lehetőleg energiájuk minél nagyobb hányadát veszítsék el a neutronok.

| Ellenőrző kérdések
1. Milyen atommagok esetében jár energia felszabadulással az atommaghasadás?
| a) nagy tömegszámú atommagok esetében.
| b) közepes tömegszámú atommagok esetében.
| c) alacsony tömegszámú atommagok esetében.
| d) minden atommag esetében.
2. Mekkora a hasadási gát magassága urán atommagok esetén?
| a) 1-2 keV.
| b) 7-8 MeV.
| c) 6-7 eV.
| d) kb. 200 MeV.
3. Melyik fajta neutronok teremtik meg a reaktorok szabályozhatóságát?
| a) a prompt neutronok.
| b) a gyors neutronok.
| c) a lassú neutronok.
| d) a késő neutronok.
4. Az alábbi moderátor anyagok közül melyiknek legjobb a moderálási jósága?
| a) könnyűvíz.
| b) nehézvíz.
| c) grafit.
| d) a 9-es tömegszámú berillium.