Štěpná řetězová reakce

Z Enpedie
Přejít na: navigace, hledání


Štěpná řetězová reakce je z hlediska procesu využívání jaderné energie nejdůležitější jaderný proces, při němž se uvolňuje značné množství tepla, další neutrony a rovněž vzniká i řada štěpných produktů. Proces štěpení pro nejrozšířenější štěpný materiál 235U probíhá přes složené jádro a rovnicemi ho lze zapsat jako

235U + n -> [236U]*

a dále např.

[236U]* -> 139Ba + 94Kr + 3n

Uvedený příklad rozpadu složeného jádra je pouze jedním z možných procesů. Přibližně 16 % složených jader 236U se rozpadá neštěpně s poločasem rozpadu 2,4*107 let a dále druh a zastoupení jednotlivých štěpných produktů a počet uvolněných neutronů je otázkou pravděpodobnosti, jejíž rozdělení udává tzv. „velbloudí hrb“. Ten je pro případ štěpení tepelným neutronem zobrazen na následujícím obrázku.

Stepna graf01.jpg


Všechny štěpné produkty (přímo jich vzniká přibližně 60) mají příliš vysoký podíl neutronů k protonům a jsou tedy opět nestabilní. Každý z nich tedy tvoří vlastní rozpadovou řadu zhruba o 2 až 3 nuklidech (tedy dalších 180 druhů). Celková energie uvolněná při rozštěpení jednoho jádra činí přibližně 201 MeV, z nichž vzhledem k velmi malé interaktivitě neutrin lze využít přibližně 190 MeV. Rozložení energie je na následující tabulce (autorem Murray).

Forma uvolněné energie Uvolněná energie [MeV]
Kinetická energie štěpných produktů 167
Okamžité gama záření 7
Kinetická energie štěpných neutronů 5
Gama záření z rozpadu štěpných produktů 6
Beta záření z rozpadu štěpných produktů 5
Neutrina 11
Celková energie uvolněná rozštěpením jednoho jádra 235U 201


Při štěpení se uvolní i jisté množství neutronů, které závisí na druhu štěpného materiálu a dále i na energii nalétávajícího neutronu (s rostoucí energií počet vzniklých neutronů roste). Naprostá většina neutronů (asi 90 %) se uvolní do 10-14s po rozštěpení jádra jako neutrony okamžité. Tyto neutrony mají široké rozmezí energií od tepelné (0,0254 eV) až po více než 10 MeV. Jejich střední energie je ovšem 2 MeV a průměrná rychlost 1,96*107 m/s). Zbylé necelé jedno procento neutronů (podíl roste s vyhořením paliva) vzniká v podstatně delším časovém horizontu (od desetin vteřiny až po desítky sekund) následkem rozpadu produktů štěpení. Jejich střední energie je podstatně nižší (asi 0,5 MeV) a dle konvence se rozdělují do šesti tříd s různými poločasy rozpadů a výtěžky. Tyto zpožděné neutrony mají obrovský význam z hlediska řízení reakce, neboť obsluze umožňují reagovat na změny v kritičnosti soustavy.

Pro udržení štěpné řetězové reakce musí vzniknout na každý zachycený neutron způsobující štěpení alespoň jeden nový neutron, který způsobí štěpení dalšího jádra. Tuto podmínku lze vyjádřit pomocí koeficientu násobení, který je podílem počtu neutronů v dvou po sobě jdoucích generacích

k = ni / ni-1

Pokud je k=1 tak štěpná řetězová reakce probíhá konstantní rychlostí a o reaktoru říkáme, že je v kritickém stavu (což pravděpodobně neznalého posluchače pořádně vyděsí).