Tuumalõhustumine — määratlus, toimemehhanism ja rakendused

Tuumalõhustumine: kuidas uraani ja plutoonium lõhustuvad, vabastades suurt energiat — toimemehhanism, ketireaktsioonid ja rakendused tuumaenergiast relvadesse selges, põhjalikus ülevaates.

Tuumalõhustumine on teatud tüüpi tuumareaktsioon. See on protsess, mille käigus üks suur aatom jaguneb kaheks (mõnikord ka enamaks) väiksemaks aatomituumaks. Mõned lõhustumisreaktsioonid annavad väga palju energiat ning neid kasutatakse nii tuumarelvades kui ka tuumareaktorites. Tuumalõhustumise avastasid 1938. aasta detsembris Berliinis Saksa tuumakeemik Otto Hahn ja tema assistent Fritz Strassmann.

Mis on aatom ja tuum

Aatom on väikseim osake, mis moodustab keemilise elemendi (nt vesinik, hapnik, magneesium). Kõik aatomid on väga väikesed. Aatomid koosnevad kolmest põhikomponendist: prootonitest, neutronitest ja elektronidest. Prootonid ja neutronid on koondunud iga aatomi keskmes asuvasse palli, mida nimetatakse tuumaks. Elektronid tiirlevad ümber tuuma selle "elektronipilves". Suure tuumaga elemendid, nagu uraan ja plutoonium, võivad lõhustuda.

Kuidas lõhustumine toimub

Kui (suhteliselt) suurt aatomituuma tabab aeglaselt liikuv neutron, võib tuum muutuda ebastabiilseks ja laguneda kaheks (harvem ka enamaks) tuumaks. Tuuma lõhkemisel (ehk lõhustumisel) vabaneb suur hulk energiat peamiselt soojusena ja gammakiirgusena. Lõhustumine põhjustab sageli ka täiendavate neutronite eraldumise tuumast — need neutronid võivad omakorda tabada teisi tuumasid ja vallandada uusi lõhustumisreaktsioone.

Tuumaahelareaktsioon ja kriitilisus

Mõne isotoobi puhul (aatom, millel on sama palju prootoneid, kuid erinev hulk neutroneid) võib üks lõhustumisreaktsioon vabastada piisavalt neutroneid, et need tabavad teisi tuumasid ja panevad need lõhustuma. See ketireaktsioon võib korrata end järjest ja seda nimetatakse tuumaahelareaktsiooniks. Kui reaktsioon kestab ja intensiivsus kasvab kontrollimatult, vabaneb väga suur kogus energiat lühikese ajaga. Vabanevat energiakogust tuumaplahvatuse kirjeldamisel mõõdetakse sageli kilotonnides; üks kilotonn vastab tuhande tonni TNT energiale.

Kiiruse ja kontrolli tähtsus

Tuumaheli kiirus ja kontrollitavus on eri rakendustes väga erinevad:

• Tuumapomm: siin tuleb tuumaahelareaktsioon muuta võimalikult kiiresti ja kontrollimatult kasvavaks, et saavutada suur plahvatus. Selleks kasutatakse spetsiaalseid konstruktsioone, kõrge puhastusega isotoope ja kiireid neutronite vooge.
• Tuumareaktor: reaktoris tuleb ketireaktsioon hoida stabiilsena ja kontrollituna, et toota pidevat soojust. Selleks kasutatakse neutronite kiiruse alandamist (modereerimist), jäätmeid (nt juhtvardad) ja muid ohutusmehhanisme.

Tehnilised detailid: modereerijad, juhtvardad ja kriitiline mass

Reaktorites vähendatakse neutronite kiirust modereerijate (nt vesi, raskvesi või grafiit) abil — aeglasemad neutronid suurendavad lõhustumise tõenäosust mõnede isotoopide puhul. Reaktsiooni kontrollitakse juhtvardadega, mis neelavad liigseid neutroneid (nt boor, kroom või üksikud metallide sulamid). Kriitiline mass on minimaalne mass tuumamaterjali, mille korral ahelareaktsioon jätkub iseeneslikult; see sõltub isotoobi omadustest, geomeetriast ja ümbruse materjalidest.

Reaktorite tüübid ja kütuse töötlemine

Levinumad reaktoritüübid on kerge-vee reaktorid (LWR), raskvee reaktorid (CANDU), grafeedigeneraatorid ja kiiretahtelised (fast breeder) reaktorid. Reaktori kütuseks kasutatakse sageli uraani isotoopi U-235 või plutoonium-239, mõnikord rikastatuna. Pärast kasutust tekib radioaktiivne jäätmefraktsioon — fissiotooted —, mis vajab hoolikat käitlemist ja ladustamist.

Ohutus, jäätmekäitlus ja keskkonnamõjud

Tuumatehnoloogia nõuab ranged ohutus- ja järelevalvemeetmeid. Reaktorikaitsesüsteemid, jäätmekäitlus, kaitsestruktuurid ja hädaolukorra plaanid on vajalikud inimeste ja keskkonna kaitseks. Põhiprobleemid on järgmised:

• radioaktiivsed jäätmed — lühiajaline ja pikaaegne ladustamine, lõppjaamade planeerimine;
• tuumaõnnetused — lekked, plahvatused või süsteemirikked võivad viia radioaktiivse saastamiseni;
• tuumarelvade levik — tuumaenergia tehnoloogia ja isotoopide kontroll on rahvusvahelise julgeoleku küsimus.

Rakendused

• Elektritootmine: tuumareaktorid toodavad soojust vee aurustamiseks ja auruturbiinide käitamiseks.
• Meditsiin: fissiotooteid kasutatakse radioaktiivsete isotoopide tootmiseks diagnoosimiseks ja raviks.
• Tööstus ja teadus: neutronid ja gammakiirgus on kasulikud materjalianalüüsis ning uurimustes.
• Relvastus: lõhustumisel põhinevad tuumarelvad on sõjalise mõju äärmuslik näide.

Fissiotooted ja järelmõjud

Lõhustumisel tekivad mitmesugused tuumad (fissiotooted), mis on sageli tugevalt radioaktiivsed ning võivad tekitada järelsoojuse (decay heat). See tähendab, et ka pärast reaktori peatamist eraldub tuumkütusest soojust ja selle jahtumine nõuab jätkuvaid meetmeid, nagu juhtvardade asendamine, jahutuse tagamine ja pikaajaline jäätmekäitlus.

Kokkuvõte

Tuumalõhustumine on võimas füüsikaline protsess, mis vabastab suures koguses energiat, kui raske aatomituum jaguneb. Sellel on nii kasulikke rakendusi energiatootmises ja meditsiinis kui ka äärmuslikke ja ohtlikke kasutusviise relvastuses. Turvaline ja vastutustundlik kasutamine nõuab kõrgetasemelist tehnilist kontrolli, järelvalvet ja rahvusvahelist koostööd.

Küsimused ja vastused

K: Mis on tuumalõhustumine?

K: Kes avastas tuumalõhustumise?

K: Millest koosnevad aatomid?

K: Milliseid elemente saab lõhustuda?

K: Kuidas toimub tuumalõhustumisel ahelreaktsioon?

K: Kuidas kasutatakse tuumalõhustumisel tekkivat soojust?

Otsing