Egy különc gondolatai

A kezdetek.
Röntgen 1895-ben felfedezte a róla elnevezett röntgensugárzást. Egy 1896-ban megrendezett ülés után Henri Becquerel elkezdte kutatni, hogy milyen kapcsolat lehet a fluoreszcens fény és a röntgen sugárzás között (az ülésen az a vélemény alakult ki, hogy a röntgensugárzás a röntgencső falának fluoreszkáló pontján keletkezik). A következő kísérletet végezte el: egy fényképezőlemezt vastagon becsomagolt fekete papírba, több órán keresztül napsütésnek tette ki és ugye nyilván semmilyen hatást nem ért el vele. Ugyanezt megismételte, de ezúttal uránsókristályt helyezett a becsomagolt fotólemezre és a megfelelő idő eltelte után a fekete papírt levéve a fotólemezen fekete elszíneződést tapasztalt. Fizikus lévén meg akarta ismételni a kísérletet, de nem sütött a nap, és ezért az uránsókristály a fotólemezen napokig volt a fiókban, és ugyanazt a hatást elérte. További kísérletei során kimutatta, hogy a fluoreszcencia jelenségéhez semmi köze a sugárzásnak, valamint a sugárzás nem függ az urán fizikai vagy kémiai állapotától. A kísérleteit Marie Sklodowska-Curie és férje, Pierre Curie folytatta tovább. 1898-ban felfedezték a polóniumot és a rádiumot. A polónium Marie Curie szülőhazája előtt tiszteleg, Lengyelország után kapta a nevét. A Curie házaspár munkásságával Rutherford foglalatoskodott tovább, aki felfedezte az alfa és a béta sugárzást.

Radioaktív bomlások.
A ma ismert elemek atommagjai között vannak stabil és instabil atommagok. A stabil atommagok bomlásait még nem figyelték meg, az instabil atommagok minden külső beavatkozás nélkül más atommaggá alakulnak, miközben nagy energiájú sugárzást bocsátanak ki, ezt nevezik radioaktív sugárzásnak, a bomlást pedig értelemszerűen radioaktív bomlásnak. A sugárzásnak három típusát különböztetik meg, alfa, béta és gamma sugárzást.
Az alfa sugárzást kibocsátó atommagokban alfa-bomlások játszanak le, ami gyakorlatilag azt jelenti, hogy egy pozitív elektromos töltésű sugárzás indul ki, ami egy héliumatommag, mert két protonból és két neutronból áll, ez az ún. alfa-részecske. Az alfa-bomlás következtében a mag tömegszáma 4-gyel csökken, tehát az elem is másik elem atomjává alakul át. Az atommagból kirepülő alfa-részecske energiája 4-7,5 MeV, amiből sebességére 10000-20000 km/s közötti érték adódik. ( 1 MeV= 1.60217653*10^-13 joules) Ilyen magreakció játszódik le pl a tórium 227-es tömegszámú izotópjában. (Izotóp: azonos rendszámú, de eltérő tömegszámú atom.) Egy alfa-részecske kibocsájtásával a tömegszáma néggyel, a rendszáma kettővel csökken és a 223-as tömegszámú rádiumatommá alakul. A bomlás alatt felszabaduló energia 6,15 MeV. Ez az energia a szétlökődő alfa-részecske és a rádiumatom mozgási energiája.
Ha egy radioaktív anyagban béta-bomlások játszódnak le, az anyag béta-sugárzást bocsát ki. Ez a részecske lehet elektron vagy pozitron. A pozitron az elektron antirészecskéje, tömege megegyezik az elektron tömegével, töltéseik nagysága is megegyezik, csak a pozitron pozitív töltésű. Ha a mag elektront bocsát ki, akkor negatív, ha pozitront, akkor pozitív béta-bomlásról beszélünk. A negatív béta-bomlás során egyszeresen pozitív lesz az atommag, ezért az egyik protonból neutron lesz, tehát a rendszám eggyel csökken. A pozitív béta-bomlás alatt egyszeresen negatív töltésű lesz az atommag, ezért egy neutron protonná alakul át, a rendszám eggyel növekszik. A tömegszám egyik esetben sem változik. Mivel a rendszám változik, így a béta-bomlással is új elem jön létre. Például a szén tizennégyes tömegszámú izotópja negatív béta-bomlásra képes, egy elektron kibocsátásával nitrogénné alakul. A béta-részecskék energiája nagyon tág határok között mozoghat, sebességük általában nagyobb mint 10000 km/s, de megközelítheti a fénysebességet is.
A gamma-sugárzás általában alfa- és béta-bomlást követően lehet észlelni. Nagy energiájú elektromágneses sugárzás, ezért kibocsátásakor sem a rendszám sem a tömegszám nem változik. Az alfa- és béta-bomlást követően az atommag gerjesztett állapotban van és az energiaminimum elve miatt az atommag gamma-foton kibocsátásával kerül alacsonyabb energiájú állapotba.

Maghasadás.
A természetben a spotán maghasadás bekövetkezésének esélye nagyon kicsi. Ahhoz, hogy bekövetkezzék, az atommagot átmenetileg magasabb energiájú állapotba kell hozni, azaz aktiválni. A természetben előforduló atommagok közül aktiválással is csak az urán 235-ös izotópja képes hasadásra. Az aktiváláshoz lassú neutronokra van szükség. A hasadás a következőképpen zajlik le: a 235-ös urán izotóp befogja a neutront és 236-os izotóppá alakul, a neutron befogása miatt azonban az atommag rezgésbe jön. A folyamat egy vízcsepp segítségével érthető meg a legjobban. Ahogy rezgésbe kerül a vízcsepp, ketté válik. Az atommag alakja a rezgés következtében megváltozik, hasonlóan a vízcsepphez. A szétválás pillanata előtti pillanatban az atommag két szélső része között megszűnik az erős kölcsönhatás, míg a Coulomb-taszítás alig csökken. Ennek következtében a mag két részre hasad, és ez a két rész a Coulomb-taszítás miatt nagy sebességgel szétlökődik. Az urán általában báriumra és kriptonra bomlik szét, de mindkettőnek egy radioaktív izotópjára, ezért béta-bomlással tovább bomlanak, mindkét hasadási termék rövid bomlási sorral stabil maggá alakul. A bomlás során 2,47 db neutron jön létre, amelyek magukban hordozzák a további maghasadás lehetőségét, ha találkoznak egy 235-ös urán izotóppal. De ezek a neutronok nagy energiájú, gyors neutronok, ezért nem lépnek kölcsönhatásba az urán izotópokkal. Újabb hasadás létrejöttéhez legalább egy neutront le kell lassítani, és amennyiben ez megtörténik akkor hasadás jöhet létre. Ennél az újabb hasadásnál megint keletkezik ugyanannyi neutron és ha ezek közül is lelassul legalább egy neutron, akkor a folyamat nem áll le, ez a láncreakció.
A maghasadás során felszabaduló energia 200 MeV, amelynek jelentős része a szétlökődő atommagok mozgási energiája. A felszabaduló energiát a hasadási termékek a többi atommal való ütközésekben veszítik el úgy, hogy a többi atom mozgási energiáját növelik. Ennek következtében a hasadó magot tartalmazó anyag hőmérséklete megnő, az így keletkezett hőenergiát hasznosítják az atomerőművekben.

A láncreakció gyakorlati felhasználása.
Mindenki által ismert a két lehetséges felhasználása a hatalmas felszabaduló energiának. Az atombombát most félreteszem, nézzük a hasadásos reaktorokat, amelyekben öt problémára kell megoldást találni.
1. A megfelelő fűtőanyag előállítása
A természetes uránban a 235-ös iztóp csak 0,7% arányban található meg. Kedvezőbbek lesznek a láncreakció feltételei, ha nagyobb arányban van jelen, ezért iparilag dúsítják a fűtőanyagot. A legtöbb reaktorban használt dúsított uránban a 235-ös izotóp aránya 2-4% közötti.
2. Lassítás
Le kell lassítani a hasadás során keletkező kettő-három neutront. Ezek a neutronok ugyanis nem lépnek hatásba a 235-ös izotóppal, de a 238-assal igen, negatív béta-bomlás során a 238-as urán izotópból pedig plutónium lesz, ami szintén radioaktív és a hasadásos bombák előállítására használják, ezért az elhasznált fűtőelemek további sorsát szigorúan ellenőrzik.
A gyors neutronok lelassítására olyan könnyű atommagok alkalmasak, amelyek nem fogják be őket. Azért kellenek könnyű atommagok, mert két közel azonos tömegű részecske ütközése esetén veszít a gyorsabb legtöbb energiát. Nehéz magokkal történő ütközésnél a neutron energiája alig csökken. Azt az anyagot, amelyet a neutronok lassítására használnak, lassító közegnek, moderátornak nevezik. Lassító közegként használják a vizet, a grafitot. A hasadó anyagot rudak formájában helyezik el a reaktortérben, ezek a fűtőelemek. A fűtőelemek közötti térben található a lassító közeg. A keletkező neutronok nagy része kirepül a vékony fütőelemrudakból és a lassító közeg atommagjaival összeütközbe lelassul, majd újabb fűtőelembe jutva előbb-utóbb ütközik egy 235-ös urán izotóppal és maghasadást hoz létre.
3. A reflektor
A hasadásos reaktornak azt a részét, ahol a láncreakció zajlik, aktív zónának nevezik. Mivel ennek mérete véges, a hasadáskor keletkező neutronok egy része elszökik az aktív zónából, mielőtt lelassulna. Az ilyen módon elvesző neutronok számát úgy csökkentik, hogy egyrészt megfelelő méretű reaktort építenek, másrészt a reaktor belső falát olyan anyaggal borítják be, amiről a neutronok egy része visszaverődik, ez a reflektor.
4. Szabályozás
Mivel a 235-ös urán izotóp hasadása során átlagosan 2,47 neutron keletkezik, így átlagosan több, mint egy neutron maradna fent, ezért előbb utóbb nem lehetne megfékezni a hasadást, az atomreaktor felrobbanna. Ezért neutronokat erősen elnyelő anyagokkal szabályozzák a folyamatot, pl vízben feloldott bórral, illetve az aktív zónába belógó kadmium rudakkal. Ha növelni akarják a neutronok számát, akkor kijjebb húzzák a rudakat, ha csökkenteni, akkor pedig beljebb tolják.
5. A hűtés
A reaktort természetesen hűteni is kell. Az energiatermeléshez használt reaktorokban nyomottvizes hűtést alkalmaznak. Az első vízkörből a víz sosem kerül ki, az nagynyomású víz, a reaktort hűti, majd a második vízkört felforralja, amit egy turbinán lecsapatnak (energiát felhasználják) a harmadik vízkör segítségével, amely már lehet egy folyó. A paksi atomerőmű alatt átfolyó Duna 3-4°C-vel melegebb.

E.M.