Πυρινικές Αντιδράσεις - Φυσική Γ' Γυμνασίου Ευαγγελική Σχολή 2012 Σοφία Γεωργούλια

1. Εργασία στο μάθημα της
Φυσικής
ΟΝΟΜΑ ΣΟΦΙΑ
ΓΕΩΡΓΟΥΛΙΑ
ΠΥΡΗΝΙΚΕΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ

2. Πυρηνική αντίδραση
 Πυρηνική αντίδραση ονομάζεται η διαδικασία
οποιασδήποτε μετατροπής των πυρήνων των ατόμων
ενός στοιχείου, που συμβαίνει κυρίως μέσα σε ειδικό
χώρο αντιδραστήρα ή που μπορεί να συμβεί και εκτός
(πυρηνικά όπλα). Η αντίδραση αυτή συμβαίνει μεταξύ
του πυρήνα (ενός ατόμου) και ενός σωματιδίου -
βλήματος που εισέρχεται σ΄ αυτό από την οποία και
προκύπτει μετάπτωση του στοιχείου με διαφορετικό
ατομικό πυρήνα (μεταστοιχείωση).
 Διακρίνονται τρεις τύποι πυρηνικών αντιδράσεων:
 Η πυρηνική σχάση,
 Η πυρηνική σύντηξη και
 Η ραδιενεργός διάσπαση

3.  Στις πυρηνικές αντιδράσεις οι πυρήνες των ατόμων είτε διασπώνται,
οπότε γίνεται λόγος για σχάση, είτε συνενώνονται, οπότε γίνεται
λόγος για σύντηξη, είτε μεταμορφώνονται, συνήθως λόγω
βομβαρδισμού από άλλους πυρήνες ή σωματίδια τα νετρόνια. Επειδή
τα σωματίδια του πυρήνα συγκρατούνται με ισχυρές ελκτικές
δυνάμεις, μια πυρηνική αντίδραση είναι επόμενο να απελευθερώνει
τεράστια ποσά ενέργειας.
 Κοινό χαρακτηριστικό και των τριών τύπων πυρηνικών αντιδράσεων
είναι η μεταστοιχείωση που συμβαίνει ανεξάρτητα της συνέχειας της
αντίδρασης.
 Οι "πυρηνικοί σταθμοί ισχύος" χρησιμοποιούν την ενέργεια των
ελεγχόμενων πυρηνικών αντιδράσεων μέσα σε ένα πυρηνικό
αντιδραστήρα προκειμένου να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια.

4. Μια τυπική πυρηνική αντίδραση περιλαμβάνει συνήθως δύο
συνήθως αντιδρώντα σώματα ένα βαρύ σχετικά πυρήνα
στόχο, ο οποίος βομβαρδίζεται από ένα ελαφρότερο
σωματίδιο-βλήμα με αποτέλεσμα τον σχηματισμό ενός νέου
πυρήνα, του πυρήνα-προιόντος με ταυτόχρονη εκπομπή ενός
νέου ελαφρού σωματιδίου (του σωματιδίου-προιόντος).
Οι πρώτες πυρηνικές αντιδράσεις πραγματοποιήθηκαν στις
αρχές του αιώνα μας από τον Βρετανό φυσικό Ράδερφοντ, ο
οποίος χρησιμοποιούσε ως βλήματα σωματίδια άλφα.

5. Πως γίνεται η πυρηνική αντίδραση
και ποια υλικά χρησιμοποιούνται
 Το πυρηνικό καύσιμο που χρησιμοποιείται σήμερα στο σύνολο των
αντιδραστήρων είναι το ουράνιο. Το ουράνιο που υπάρχει στη
φύση, αποτελείται κατά 99,3% από το ισότοπο ουράνιο 238(που
είναι μη σχάσιμο και κατά 0,7% από το σχάσιμο ισότοπο ουράνιο
235. Λόγω του μικρού αυτού ποσοστού ύπαρξης σχάσιμου ουρανίου
στη φύση, χρησιμοποιείται μια μέθοδος που ονομάζεται
εμπλουτισμός και αυξάνει την περιεκτικότητα του πυρηνικού
καυσίμου σε ουράνιο 235. Ωστόσο, ορισμένα είδη αντιδραστήρων
χρησιμοποιούν φυσικό ουράνιο (μη εμπλουτισμένο).

6.  Το πυρηνικό καύσιμο με τη μορφή ράβδων (στηλών), που γενικά
ονομάζονται στοιχεία καυσίμου, τοποθετούνται στην καρδιά του
αντιδραστήρα. Ανάμεσά τους τοποθετούνται ράβδοι από βόριο και
κάδμιο που ονομάζονται ράβδοι ελέγχου και έχουν την ιδιότητα να
απορροφούν τα νετρόνια που εκπέμπονται από την σχάση. Οι
ράβδοι ελέγχου μπορούν να μετακινούνται με τηλεχειρισμό από
πάνω ή προς τα κάτω και να ρυθμίζουν έτσι τον αριθμό των
νετρονίων που εκπέμπονται.

7.  Τα νετρόνια που απελευθερώνονται κατά τη σχάση είναι ταχέα
νετρόνια, έχουν δηλαδή υψηλή ταχύτητα. Για να προκαλέσουν,
όμως, και αυτά άλλες σχάσεις και να διατηρηθεί η αλυσιδωτή
αντίδραση, πρέπει να επιβραδυνθούν. Μέσα στην καρδιά του
αντιδραστήρα βρίσκεται για τον λόγο αυτό ένα ακόμη υλικό, ο
επιβραδυντής, που μειώνει την ταχύτητα των νετρονίων, χωρίς, όσο
είναι δυνατό, να τα απορροφά. Ως επιβραδυντές χρησιμοποιούνται
το ελαφρύ (κοινό) νερό, το βαρύ νερό και ο γραφίτης. Οι
αντιδραστήρες που χρησιμοποιούν επιβραδυντή ονομάζονται
θερμικοί αντιδραστήρες, διότι λειτουργούν με (θερμικά) νετρόνια.
Υπάρχουν, ωστόσο, και οι αντιδραστήρες ταχέων νετρονίων
(υπερταχείς ή αναπαραγωγικοί) που λειτουργούν με ταχέα νετρόνια
και στους οποίους αποφεύγεται η χρήση επιβραδυντή. Όλη η καρδιά
του αντιδραστήρα περιβάλλεται από ένα στρώμα γραφίτη ή
βηρυλλίου, που ονομάζεται ανακλαστήρας και εμποδίζει τα νετρόνια
να διαφύγουν προς τα έξω.

8. Πυρηνικά ατυχήματα
 Το πρώτο πυρηνικό ατύχημα με διαρροή ραδιενέργειας
συνέβη στον Καναδά, το 1952. Ήταν ωστόσο μικρής
κλίμακας και δεν προκάλεσε θύματα ή αξιόλογη
ρύπανση. Από τότε έχουν καταγραφεί τουλάχιστον 25
μικρής ή μεσαίας σημασίας ατυχήματα και ένα σοβαρό,
αυτό στο Τσερνόμπιλ στις 26 Απριλίου 1986 (ΕΣΣΔ,
τώρα Ουκρανία). Το 1964 ένας αμερικανικός δορυφόρος
εφοδιασμένος με πλουτώνιο 238 για την παραγωγή
ηλεκτρικής ενέργειας δεν κατόρθωσε να μπει στην
προγραμματισμένη τροχιά και κατά την επάνοδό του στη
Γη καταστράφηκε απελευθερώνοντας στην ατμόσφαιρα
αρκετή ραδιενέργεια ώστε να μετρηθεί με τα μέσα της
εποχής.

9. Πυρηνική σχάση
 Πυρηνική σχάση ονομάζεται η διαδικασία κατά την οποία ένας
ασταθής ατομικός πυρήνας χωρίζεται (σχάται) σε δυο ή
περισσότερους (μικρότερους) πυρήνες και σε μερικά παραπροϊόντα
σωμάτια (όπως νετρόνια). Η σχάση αποτελεί μια περίπτωση
μεταστοιχείωσης κατά την οποία παράγονται δύο θραύσματα με
συγκρίσιμες μάζες. Στα βαρύτερα στοιχεία η σχάση είναι εξώθερμη
αντίδραση αποδίδοντας στο περιβάλλον ενέργεια ως ακτινοβολία γ
και ως κινητική ενέργεια των θραυσμάτων.
 Στα παραπροϊόντα τής σχάσης περιλαμβάνονται και νετρόνια, τα
οποία μπορούν να προκαλέσουν περαιτέρω σχάσεις δημιουργώντας
έτσι μια αυτοσυντηρούμενη αλυσιδωτή αντίδραση η οποία σε
ελεγχόμενη, χαμηλή ταχύτητα παράγει εκμεταλλεύσιμη ενέργεια. Σε
μη ελεγχόμενη μεγάλη ταχύτητα προκαλεί έκρηξη της οποίας η
ισχύς είναι μεγαλύτερη από κάθε έκρηξη που προέρχεται από
χημικές αντιδράσεις, γεγονός που βρίσκει χρήση στην κατασκευή
πυρηνικών όπλων.

10. Πυρηνική σύντηξη
 Πυρηνική σύντηξη (συν + τήξη) ονομάζεται η συνένωση
ελαφρών πυρήνων σε βαρύτερους με ταυτόχρονη απελευθέρωση
ενέργειας.
 Η ενέργεια που απελευθερώνεται, οφείλεται στο γεγονός ότι η
ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο στα προϊόντα της σύντηξης, είναι
μικρότερη από το άθροισμα των ενεργειών σύνδεσης που
χαρακτηρίζει κάθε αντιδρόν συστατικό της σύντηξης (μέχρι του
σχηματισμό του σιδήρου. Κατά την παραγωγή βαρύτερων πυρήνων
υπάρχει ενεργειακό έλλειμα). Οπότε με τη δημιουργία των
προϊόντων στη διαδικασία της σύντηξης, υπάρχει ένα "περίσσευμα"
ενέργειας, που οφείλεται στη διαφορά των ενεργειών σύνδεσης και
αυτή απελευθερώνεται στο περιβάλλον με μορφή κινητικής
ενέργειας στα παραπροϊόντα (πχ σωματίδια β ή νετρίνα
ηλεκτρονίου) και με τη μορφή ακτινοβολίας γ.
 Πυρηνική σύντηξη μπορούν να δημιουργήσουν μόνον ελαφρά
στοιχεία, όπως τα ισότοπα του υδρογόνου. Με την θέρμανση αερίου
υδρογόνου σε υψηλές θερμοκρασίες, προκαλούνται συγκρούσεις
των πυρήνων των ατόμων του υδρογόνου, τόσο ορμητικές και
βίαιες που τελικά αυτοί συνενώνονται δημιουργώντας σταδιακά,
πυρήνες ενός άλλου στοιχείου (μεταστοιχείωση), του ηλίου,
εκλύοντας ταυτόχρονα θερμική ενέργεια.

11. Ραδιενεργός διάσπαση
 Η διαδικασία μετατροπής των ασταθών αυτών πυρήνων οφείλεται
στην περίσσεια νετρονίων ή πρωτονίων και λέγεται ραδιενεργός
διάσπαση ή ραδιενεργός μετάπτωση. μπορεί είτε να συμβεί
αυτόματα στη φύση (φυσική ραδιενέργεια) είτε να προέλθει από
πυρήνες που έχουν παραχθεί τεχνητά μετά από πυρηνικές
αντιδράσεις στα εργαστήρια, στους επιταχυντές κ.λπ. (τεχνητή
ραδιενέργεια). Συχνά ο όρος ραδιενέργεια χρησιμοποιείται για να
δηλώσει την ακτινοβολία που προέρχεται από τους ραδιενεργούς
πυρήνες, υποκαθιστώντας τη λέξη ακτινοβολία.

12. ΤΕΛΟΣ