תגובת שרשרת גרעינית

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

יש לך הודעות חדשות (השווה לגרסה הקודמת).

תגובת שרשרת גרעינית מתרחשת כאשר תגובה גרעינית אחת מובילה לתגובה גרעינית אחרת, ובכך מביאה לגידול מעריכי במספר התגובות הגרעיניות.

תגובת שרשרת גרעינית לא מבוקרת, בצירוף כמות גדולה ומספקת של דלק ביקוע (ראו מסה קריטית), עשויה להוביל להתפוצצות של שחרור אנרגיה; זהו הרעיון העומד מאחורי נשק גרעיני. תגובת השרשרת העומדת תחת בקרה מספקת יכולה לשמש כמקור אנרגיה (ראו כור גרעיני).

המקרה היחיד בו תגובת שרשרת גרעינית התקיימה בכוחות עצמה היה באוקלו, גבון.

תגובת השרשרת הגרעינית הראשונה שנוצרה באופן מלאכותי והתקיימה בזכות עצמה נוצרה בידי צוות שבראשו עמד אנריקו פרמי באוניברסיטת שיקגו, ב-2 בדצמבר 1942, כחלק מפרויקט מנהטן.

פקטור הכפל האפקטיבי הנויטרוני k הוא המספר הממוצע של נייטרונים מתגובת ביקוע גרעיני אשר יכולים לגרום לתגובת ביקוע גרעיני נוסף. זאת בניגוד לנויטרונים הנוצרים מביקוע גרעיני ונספגים מבלי שהם גורמים לביקוע נוסף, ועל כן יוצאים מן המערכת.

ניתן להבחין בין המקרים הבאים:

k<1 (מסה תת-קריטית): כשמתחילים עם ביקוע אחד, יש לנו ממוצע של ביקועים.
k=1 (מסה קריטית): כשמתחילים עם ביקוע אחד, יש בממוצע ביקוע אחד בכל יחידת זמן; היחידה הזו היא הזמן אשר לוקח לנייטרון לפגוע בגרעין אחר; המרחק הוא בשיעור הקוטר של המסה הקריטית; לדוגמה, המהירות עשוייה להיות 10,000 קמ"ש והמרחק 10 ס"מ, אזי הזמן הוא 10 ננו-שניות.
k>1 (מסה על קריטית): k פוחת כאשר כמות חומר הביקוע שנותרה פוחתת, או כאשר חומר הביקוע הנותר מתפרק. בנשק גרעיני הדבר יכול להתרחש לדוגמה כך: לאחר 80 מחזורים של 10 ננו שניות, כלומר 800 ננו שניות, התרחשו $1 + k + ... + k^{80} = {{k^{81}-1}\over{k-1}}$ ביקועים.

כאשר k קרוב ל-1, החישוב לעתים עובר במידת מה את "שיעור ההכפלה". כשגרעין אורניום סופג נייטרון, הוא נכנס למצב רגיש וקצר זמן עד מאוד, שדועך במספר אופנים אפשריים: לרוב הוא דועך לשני חלקים, שהם תוצרי ביקוע, איזוטופים של יוד וצסיום, עם התפוצצות של מספר נייטרונים. תוצרי הביקוע אינם יציבים בעצמם, עם טווח רחב של זמן חיים, אך לרוב מספר שניות, והם דועכים וכאמור מפיקים נייטרונים נוספים.

נהוג לחלק את קבוצת הנייטרונים הנוצרים לשני סוגים: "נויטרונים מידיים" ו"נויטרונים מושהים". אופייני כי שיעור הניוטרונים המושהים הוא פחות מאחוז אחד מן הכל. בכור גרעיני המשתנה k נע סביב ערך של 1 כדי לשמור על תהליך יציב. k=1 כאשר כל הנייטרונים המופקים מגיעים לשימוש, והביקוע נקרא "קריטי". זהו המצב בכור גרעיני. לאחר מכן, השינוי באנרגיה איטי וניתן לשליטה.

הערך k גדל באמצעות מחזירי נייטרונים המקיפים את החומר הבקיע, וכן על ידי הגדלת צפיפות החומר הבקיע. הסבירות לנייטרון מטייל לכל ס"מ שיפגע בגרעין עומד ביחס ישר לצפיפות ואילו המרחק שהנויטרון עובר לפני עזיבתו את המערכת קטן בשורש ריבועי לפי הצפיפות. בשיטת הפיצוץ בקריסה פנימה בנשקים גרעיניים, הפיצוץ מתרחש על ידי העלאת הצפיפות.