Làncreakcio ès felezèsi idő

A maghasadás felfedezésének története A fizika tudománya a XX. század első évtizedeiben olyan robbanásszerűen fejlődött, hogy maguk a fizikusok sem voltak képesek lépést tartani a fejlődéssel. Jól példázza ezt a maghasadás felfedezése. 1934-ben Szilárd Leó elméleti megfontolások alapján azzal állt elő, hogy a 235-ös urán izotóp képes a hasadásra és hasadásakor felszabadulnak neutronok, amelyek újabb hasadást idézhetnek elő. Elméletét elmondta Rutherfordnak, aki a korábbi felfedezésekben élenjárt Azonban Szilárd Leó elméletére Rutherford is azt mondta, hogy ez teljességgel lehetetlen. Ugyanebben az évben egy német vegyésznő, Ida Noddack egy cikkében szintén megemlíti a maghasadást, mint egy lehetséges magreakciót. Még öt évnek kellett eltelnie, hogy az egyre szaporodó kísérleti bizonyítékok rákényszerítsék a fizikusokat a maghasadás felfedezésére. Ebben az öt évben Enrico Fermi , a Frederick Joliot-Curie és Irene Joliot-Curie házaspár és más tudósok mindegyike találkozott a maghasadás jelenségével. Mivel számukra teljesen hihetetlen volt ennek a jelenségnek a léte, kísérleti eredményeikre más magyarázatot kerestek.

*folytatás Végül Otto Hahn és Fritz Strassmann egy 1939 februárjában megjelent cikkükben mondják ki, hogy valóban létrejöhet maghasadás. Ugyanezen év márciusában három különböző helyen kísérletekkel igazolták, hogy a hasadáskor több neutron is keletkezik. Még szintén ebben az évben Bohr a cseppmodell segítségével megmutatta, hogy a 235-ös urán izotóp hasad. Mivel 1939-et írtak, a maghasadással kapcsolatos kutatások mindenütt titkossá váltak. A felfedezéseket ezért nehéz akár országokhoz, akár nevekhez kötni. Ami közismert: 1942. december 2-án Fermi vezetésével beindították az első olyan láncreakciót, amely folyamatosan termelt energiát, 200 watt teljesítménnyel.

Láncreakcio A láncreakció általánosan események, folyamatok gyors egymásutániságát jelenti, amiben egyetlen esemény sok egyéb, általában a kiváltó okhoz hasonló eseményt indít el. Láncreakció bekövetkezhet a természetben, a társadalomban, az atommagok bomlásában (nukleáris láncreakció), de a lelki életben is. A láncreakciót egy ok váltja ki, amely katalizátorként (iniciátorként) viselkedve elindítja a folyamatokat, és több lépcsőben létrehoz egy új állapotot. A láncreakció egyik szemléletes, sarkított példája a „pillangó effektus”, amely a determinisztikus káoszmegnyilvánulási formája. Eszerint, ha például az Amazonas őserdejében egy pillangó a korábbiszokásától eltérően nem kettőt, hanem hármat legyint a szárnyaival, ennek következménye később akár egy tornádó is lehet a Florida félszigeten.

A láncreakcio A maghasadás során a végtermékektől függően 2 - 3 neutron szabadul fel, átlagosan 2,47 db. Ezek a neutronok újabb maghasadások lehetőségét hordják magukban, amennyiben egy 235-ös urán izotóppal ütköznek. A probléma az, hogy a keletkező neutronok nagy energiájú, gyors neutronok és ezzel az izotóppal nem lépnek kölcsönhatásba. Újabb hasadás létrejöttéhez, a keletkező neutronok közül legalább egyet le kell lassítani. Amennyiben ez megtörténik és a lelassított neutron egy újabb 235-ös urán izotóp magjával ütközik, akkor újabb hasadás jöhet létre. Ennél az újabb hasadásnál megint keletkezik 2 vagy 3 neutron és ha ezek közül is lelassul legalább egy, akkor a folyamat nem áll le. Az így létrejövő folyamatot láncreakciónak nevezzük. A láncreakció létrejöttében az a döntő, hogy a hasadás során keletkeznek olyan újabb neutronok, amelyek megfelelő körülmények között újabb hasadást idéznek elő. A láncreakció gyakorlati megvalósításának egyik feltétele a keletkező neutronok lelassítása. A láncreakciónak és a következtében felszabaduló hatalmas energia hasznosításának két lehetséges módja van. A hasadásos reaktorokban a láncreakció ellenőrzött formában zajlik és hőenergia termelésére használják. A keletkező hő segítségével áramot termelnek. Egy másik felhasználás során, a legpusztítóbb fegyverek egyikében, a hasadásos bombában (atombomba) a láncreakció ellenőrizetlen robbanásszerű módon megy végbe.

A szabályozott láncreakció A láncreakciónak és a következtében felszabaduló hatalmas energia hasznosításának két lehetséges módja van. A hasadásos reaktorokban a láncreakció ellenőrzött formában zajlik és hőenergia termelésére használják. A keletkező hő segítségével áramot termelnek. A másik felhasználás a hasadásos bomba (atombomba). A hasadásos reaktorokban a láncreakció megvalósításához a következő feladatokat kell megoldani: Dúsítás: a megfelelő fűtőanyag (hasadó anyag) előállítása. Lassítás: a maghasadáskor keletkező gyors neutronokat le kell lassítani, hogy újabb hasadást tudjanak előidézni. Reflektor: meg kell akadályozni, hogy a neutronok kiszökjenek a reaktorból. Szabályozás:a hasadást előidéző neutronok számát szabályozni kell, hogy a reaktor nehogy fölrobbanjon. Hűtés: a reaktort hűteni kell, nehogy túl melegedjen.

Nukleáris láncreakcio Nukleáris láncreakcióról beszélünk, ha egymagreakció terméke újabb magreakciót vált ki. Ez a magreakciók számának exponenciális növekedését eredményezi. Az atomerőművekben (és a nukleáris fegyverekben) az urán és a plutóniummaghasadásának láncreakcióját alkalmazzák. Lényege az, hogy a maghasadás során felszabaduló 2-3 neutron újabb maghasadást váltson ki. A neutronnal a reaktorban alapvetően 3 dolog történhet: újabb maghasadást idéz elő egy hasadásképtelen atommag befogja elhagyja a reaktor aktív térfogatát Az egy hasadásból származó neutronok számát, amelyek újabb hasadást váltanak ki, ksokszorozási tényezőnek nevezzük.

A hasadásos bomba A hasadásos bombában (atombomba) a láncreakció ellenőrizetlenül zajlik. Létrehozásához a kritikus térfogatnál (kritikus tömeg) nagyobb térfogatú hasadóanyag szükséges. Ez az urán esetén körülbelül 10 cm átmérőt jelent. A kritikus térfogat az a térfogat, amelynél a hasadáskor keletkező neutronok már nem szöknek el mielőtt újabb hasadást okoznának. Ha ennél a térfogatnál nagyobb térfogatú hasadóanyagot lassú neutronokkal bombáznak, abban beindul a szabályozatlan láncreakció, bekövetkezik a robbanás. A bomba szerkezete a következő: közepében található egy neutronforrás, ami a hasadáshoz szükséges neutronokat szolgáltatja. A kritikus térfogatnál nagyobb térfogatú hasadóanyagot (lehet plutónium vagy 235-ös urán) több, a kritikus térfogatnál kisebb részre szétszedve, a neutronforrás körül, tőle elszigetelve helyezik el. Ennek következtében a láncreakció nem indul be. A hasadóanyagot hagyományos robbanóanyag veszi körül. A bomba felrobbantásakor a hagyományos robbanótöltet összepréseli az uránt, közepében a neutronforrással. Beindul a szabályozatlan láncreakció és a másodperc törtrésze alatt hihetetlen mennyiségű energia szabadul fel, szörnyű pusztítást végezve.

Felezési idő A felezési idő megegyezik azzal az időtartammal, amely alatt egy folytonos, monoton csökkenő vizsgált érték feleződik. Tipikus példa a radioaktív atommagok bomlása. A radioaktív bomlás jellemzői: a τközepes élettartam .  A még el nem bomlott radioaktív atommagok száma exponenciálisan csökken az idő múlásával. A bomlási állandó az idő együtthatójaként jelenik meg az e szám negatív hatványaként felírt exponenciális kitevőjében. A közepes élettartam elnevezésben a közepes jelző az élettartamokvárható értékére utal, amely speciálisan az exponenciális eloszlás esetében , megegyezik azzal az idővel, amely alatt a bomlatlan magok száma e-ed részére csökken. 

Biológiai vagy eliminációs felezési időnek nevezzük azt az időtartamot, amely alatt a szervezet a felvett vagy véráramba juttatott radioaktív, toxikus vagy gyógyhatással rendelkező anyag mennyiségét a felére csökkenti. Jelölése T1/2. Az eliminációban biológiai (anyagcsere, kiválasztás), fizikai (radioaktív bomlás) és kémiai (vegyületek lebomlása) folyamatok együttesen vesznek részt. A gyógyszertanban, ezen belül a farmakokinetikában használatos felezési idő megadja azt az időtartamot, ami alatt a vérbe jutott gyógyszer koncentrációja a felére csökken. Habár ebben a folyamatban is több tényező játszik szerepet, májon keresztül történő elimináció esetén a folyamat leírható egy exponenciális függvénnyel: ahol: Ct a koncentráció t idő elteltével, C0 a kezdeti koncentráció t = 0 időpontban, k az eliminációs konstans. Az eliminációs konstans és a felezési idő közötti összefüggést az alábbi egyenlet adja meg: