Az atommaghasadás egyfajta nukleáris reakció. Ez az, amikor egy atom kisebb atomokra hasad szét. Egyes hasadási reakciók nagy energiát bocsátanak ki, és ezeket a nukleáris fegyverekben és atomreaktorokban használják. Az atommaghasadást 1938 decemberében fedezte fel Otto Hahn német atomkémikus és asszisztense, Fritz Strassmann Berlinben.

Az atom a legkisebb részecske, amely egy kémiai elemet alkot (pl. hidrogén, oxigén, magnézium). Minden atom nagyon kicsi. Az atomok három összetevőből vagy részecskéből állnak: Protonokból, neutronokból és elektronokból. A protonok és a neutronok egy gömbben, az atommagban, minden atom középpontjában helyezkednek el. Az elektronok az atommag körül keringenek az "elektronfelhőben". A nagy atommaggal rendelkező elemek, mint például az urán és a plutónium, hasadásra képesek.

Ha egy (viszonylag) nagyon nagy atommagot egy lassan mozgó neutron talál el, az néha instabillá válik, és két atommagra törik. Amikor az atommag széttöredezik (vagy hasad), energiát szabadít fel, többnyire gamma-sugárzás és hő formájában. Ennek hatására néhány neutron is kiszabadul az atommagból.

Néhány izotóp esetében (olyan atom, amelynek azonos számú protonja van, de különböző számú neutronja) az ilyen hasadás sok neutront szabadíthat fel. Ha ezek a neutronok aztán más atomokba csapódnak, akkor a többi atomot hasadásra késztetik. Ez újra és újra megtörténhet. Ezt nevezzük nukleáris láncreakciónak, és nagyon gyorsan hatalmas mennyiségű energiát szabadíthat fel. A nukleáris láncreakció által felszabaduló energia mennyiségét kilotonnában mérik. Egy kilotonna megegyezik ezer tonna TNT (trinitrotoluol) energiájával.

Egy atombombában ennek nagyon gyorsan kell megtörténnie, hogy nagyon nagy robbanás keletkezzen. Egy atomreaktorban ennek lassan kell történnie, hogy hőt termeljen. A hőt arra használják fel, hogy a vizet gőzzé forralják, amely egy gőzturbinát forgat, és így villamos energiát termel.

Az atommaghasadás fizikai háttere

Az atommaghasadás során a nehéz mag két (vagy néha több) kisebb magra esik szét. Egy tipikus hasadásnál a folyamat átlagosan kb. 200 MeV energiát szabadít fel részecskénként és gamma-sugárzás formájában. Ez az energia nagyon nagy, ha tömegegységre vetítve nézzük: körülbelül 1 kg teljesen hasadt U-235 nuklid fissionja hozzávetőlegesen 8×10^13 J energiát ad le, ami nagyságrendekkel több, mint ugyanennyi hagyományos vegyi üzemanyag.

A hasadások során általában 2–3 szabad neutron keletkezik (az átlag értéke nuklidfüggő, pl. U-235 esetén kb. 2,4). Ezen neutronok sebessége befolyásolja, hogy milyen valószínűséggel okoznak további hasadást; a lassított (termikus) neutronok sok hasadóanyag esetében nagyobb valószínűséggel idéznek elő hasadást.

Láncreakció, kritikus tömeg és típusai

A láncreakció akkor tartósítható, ha egy hasadási eseményből származó neutronok közül legalább egy átlagosan egy másik atommagot hasít tovább. Ennek három alapállapota:

  • Alkritikus: minden hasadás átlagosan kevesebb, mint egy új hasadást vált ki — a reakció lassul és elhal.
  • Kritikus: átlagosan pontosan egy új hasadás keletkezik — a reaktivitás állandó, ez az üzemi állapot egy stabil atomreaktorban.
  • Szuperkritikus: átlagosan több, mint egy új hasadás jön létre — a reaktivitás nő, és ha nem szabályozzák, a teljesítmény gyorsan növekszik (ez a robbanás alapja az atomfegyvereknél).

A kritikus tömeg az a minimális tömeg (és geometriájú és anyagú elrendezés), amelyben a láncreakció önfenntartóvá válik. Kritikus tömeg függ az adott nuklid tisztaságától, sűrűségétől, a geometriai elrendezéstől, valamint attól, hogy van-e körülötte reflektor (ami visszaveri a neutronokat).

Mitől lassul vagy gyorsul a láncreakció? – moderátorok és szabályozás

Az atomreaktorokban a láncreakciót szabályozni kell. Néhány fontos fogalom és eszköz:

  • Moderátor: anyag, amely lelassítja (moderálja) a neutronokat anélkül, hogy sokat nyelne el. Gyakori moderátorok: könnyűvíz, nehézvíz, grafit. A lassú neutronok általában nagyobb hatáskeresztmetszettel bírnak a legtöbb fisszilis nuklidra.
  • Szabályozórudak: olyan anyagokból készülnek (pl. bór, kadmium, hafnium), amelyek hatékonyan elnyelik a neutronokat. Be- vagy kihúzásukkal a reaktor teljesítménye szabályozható.
  • Hűtőközeg: elvezeti a reakció során keletkező hőt (pl. víz, gáznemű hélium, nehézvíz, folyékony fémek), és közvetíti azt a turbináknak vagy hőcserélőknek.

Történet – felfedezés és fejlődés

Az atommaghasadás kísérleti felfedezése Otto Hahn és Fritz Strassmann nevéhez fűződik 1938 decemberében, de a folyamat elméleti értelmezését jelentős részben Lise Meitner és Otto Frisch adta meg, akik megmagyarázták, hogyan jön létre a hasadás és hogy miért szabadul fel nagy energia. A láncreakció elméleti és gyakorlati lehetőségét később Enrico Fermi és mások fejlesztették tovább; 1942-ben Fermi irányításával jött létre az első önfenntartó láncreakció a Chicago Pile-1 kísérletben.

A második világháború idején a kutatások a Manhattan-projekt keretében robbanásszerűen fejlődtek, amiből megszülettek az első atomfegyverek (Hiroshima, Nagasaki, 1945). Ugyanakkor a hőhasznosításra alapozott békés felhasználás — az atomerőművek — is kidolgozásra került a háború utáni években.

Alkalmazások

  • Villamosenergia-termelés: atomreaktorokban a hasadások hője vízgőzt állít elő, ami turbinákat forgat és áramot termel. A típusok között vannak könnyűvizes, nehézvizes, gázhűtéses és gyorsreaktorok.
  • Orvosi alkalmazások: radioizotópok előállítása diagnosztikai és terápiás célokra (pl. rákkezelés, képalkotás).
  • Ipari és tudományos felhasználás: izotópok, neutronforrások, kutatási célú reaktorok, anyagvizsgálat.
  • Hajtóművek: nukleáris meghajtás hajókon és tengeralattjárókon, illetve kutatások folynak űrhajtásra alkalmas nukleáris rendszereken is.
  • Nukleáris fegyverek: az ellenőrizetlen láncreakció gyors energiakibocsátása adja a fegyverek robbanóerejét; a békés és katonai felhasználás különbsége a reakció szabályozása és időskálája.

Biztonság, környezet és hulladék

A hasadás során keletkező magtörmelék (fission products) gyakran erősen radioaktív, és a bomlásukból származó sugárzás, valamint a bomlás okozta hő (bomlási hő) hosszabb időn át jelen van. Ennek kezelése a nukleáris energiaellátás egyik legfontosabb problémája: a kiégett fűtőanyag tárolása, átkonvertálása vagy végső elhelyezése (mélygeológiai tárolók) komoly technikai és társadalmi kérdés.

A nukleáris balesetek (pl. Csernobil, 1986; Fukushima, 2011) rámutattak a tervezés, üzemeltetés és vészhelyzeti intézkedések fontosságára. A reaktortípusok, a biztonsági rendszerek, a többpúpú védelem (defense-in-depth) és a nemzetközi szabályozás célja a kockázatok minimalizálása.

Fontos nuklidok és terminológia

  • Fisszilis nuklidok: olyan izotópok (pl. U-235, Pu-239), amelyek könnyen hasadhatnak lassú neutronok által.
  • Fertilis nuklidok: nem közvetlenül fisszilis, de neutronbefogással átalakíthatók fisszilis anyaggá (pl. U-238 → Pu-239 folyamat).
  • Bomlási hő: a magtörmelék folyamatos radioaktív bomlása miatt felszabaduló hő, amelyet a kiégett üzemanyag még jó ideig lead.

Összefoglalás

Az atommaghasadás az atommagok szétszakadása, amely jelentős mennyiségű energiát és szabad neutronokat szabadít fel. Ez a jelenség alapozza meg a nukleáris láncreakciót, amely vagy szabályozott formában hasznosítható az energiatermelésben, vagy gyors és ellenőrizetlen formában robbanást eredményezhet. A technológia hatalmas előnyöket kínál (nagy energiasűrűség, alacsony üvegházhatású gázkibocsátás az üzemelés során), ugyanakkor komoly kihívásokat is (sugárzó hulladék, balesetek kockázata, proliferációs gondok) — ezért a biztonság, a nemzetközi együttműködés és az átlátható szabályozás kulcsfontosságú.