Tuumareaktsioon — definitsioon, fissioon, tuumasüntees ja rakendused

Tuumareaktsioon on protsess, milles osaleb üks või mitu aatomituuma. Tuumareaktsioonide käigus võivad tuumade koostis ja iseloom muutuda, vabanev või neeldunud energia võib olla väga suur ning tekkida võivad uued, sageli radioaktiivsed tuumad ja osakesed.

1. Tuumasüntees — reaktsioon, mille käigus kaks või enam osakest (nt kaks tuuma või tuum + neutron) põrkuvad väga suure energiaga kokku ja ühinevad uueks tuumaks. Sellises protsessis muutub tuumade kogumass väiksemaks võrreldes algsete osakeste massiga; massi defitsiidi ehk massidefekti tõttu vabaneb sideenergia vastavalt seosele E = mc^2. Tuumasünteesi nõudmised on äärmiselt ranged — vajalikud on väga kõrged temperatuurid ja tihedused (miljonite kraadide ulatuses) ning piisav kokkupuude, mistõttu kontrollitud termotuumasüntees on tehniliselt keeruline. Looduses toimub tuumasüntees pidevalt näiteks Päikeses ja tähtedes; katsealadel kasutatakse magnetilist (tokamak) või inertiaalset konfimendi meetodit.
2. Tuuma lõhustumine (fissioon) — suurema tuuma jagunemine kaheks või enamaks kergemaks tuumaks, sageli koos neutroneid ja suurt kogust energiat eraldades. Fissiooni võib algatada kokkupõrge neutrooniga; tekkinud vabanenud neutronid võivad põhjustada edasisi fissioone — tekib ketireaktsioon. Ketireaktsiooni säilitamiseks on oluline kriitiline mass ja neutroonide „majandus” (neutronite arv, mis põhjustab uusi lõhustumisi). Tuumareaktorites reguleeritakse ketireaktsiooni kasutades neilektrisid, moderaatoreid ja kontrollvardasid, et toota soojust ja sellest omakorda elektrit.
3. Radioaktiivne lagunemine — protsess, mille käigus instabiilne tuum spontaanselt kiirgab osakesi või footoneid (näiteks α-, β- või γ-kiirgus) ja muutub teistsuguseks tuumaks. Radioaktiivsuse puhul on reaktsioon üldjuhul iseeneslik; selle kiirust iseloomustab poolestusaeg ning see ei sõltu enamasti keemilisest keskkonnast. On küll väheseid erandeid (nt elektronidevahetusega seotud protsessid), kuid enamik lagunemisi ei ole praktiliselt mõjutatavad katalüsaatorite ega keemiliste tingimustega.

Mehhanism ja energia põhjus

Energia, mis tuumareaktsioonides vabanev, tuleneb tuumade sidumisenergiate erinevusest. Kergeimate tuumade (näiteks vesiniku isotoobid) ühendamisel tekib tuum, mille sidumisenergia ühe nukleoni kohta on suurem — see tähendab, et osa massist muundub energiaks. Suuremate tuumade lõhustumisel tekivad kergemad tuumad, mis samuti paiknevad sidumisenergia kõveral „tõhusamal” kohal (lähemal rauale), ja vabaneb energia. Sellest lähtub nii energia tootmine tuumaelektrijaamades kui ka puhtalt hävitusjõulisel eesmärgil valmistatud pommid.

Näide ja esinemiskohad

Näites joonisel ^6Li sulandub deuteeriumiga. Seejuures tekib berüllium, mis seejärel laguneb kaheks alfa-osakeseks. Sellised ahelad ja vaheproduktid on tavalised tuumareaktsioonide käigus ning neile lisandub sageli neutroneid ja gamma-kiirgust.

Tuumareaktsioonid toimuvad järgmistes kohtades:

• Päikeses ja tähtedes (tuumasüntees);
• Tuumareaktorites, kus kontrollitud fissioon toodab soojust ja elektrit;
• Osakeste kiirendites, kus tekitatakse spetsiifilisi reaktsioone või loobakse radioisotoope uurimiseks ja meditsiiniks;
• Kosmoses, kus kõrgeenergia kiirgus ja kosmilised osakesed põhjustavad reaksioone kosmilise kiirguse käigus.

Lisaks põhjustavad Kosmosest pärinevad osakesed Maa atmosfääris sekundaarseid tuumareaktsioone ja muudetud tuumade tekke tõttu muutub õhk veidi radioaktiivseks (näiteks tekivad neutrontest või löökreaktsioonidest radioaktiivsed isotoobid).

Rakendused

Tuumareaktsioonidel on mitmesuguseid kasutusvaldkondi:

• Energiatootmine — tuumareaktorid toodavad soojust, millest pumbatakse elektrit;
• Relvastus — kontrollimatu ketireaktsioon ja massiivne energiaeraldus tuumapommides;
• Meditsiin — radioisotoope kasutatakse diagnostikas (PET, SPECT) ja ravis (kiiritusravi);
• Tööstus ja teadus — neutronikilde, radioaktiivsete allikate kasutus, materjalide uurimine;
• Ruumiuuringud — RTG-d ja muud radioisotoopse energiaallikad kosmosesüsteemides;
• Isotoopide tootmine osakete kiirendites või reaktorites spetsiifilisteks rakendusteks.

Ohud, jäätmed ja ohutus

Tuumareaktsioonidega kaasnevad märkimisväärsed ohud: kiirguskahjustus elusorganismidele, keskkonna saastumine ja pikaealised radioaktiivsed jäätmed. Tuumaelektrijaamade ohutus põhineb mitmel kaitserežiimil: kontrollvardad, jahutussüsteemid, kiirguskindlad kapslid ja range regulatsioon. Tekkinud tuumajäätmed vajavad pikaajalist ladustamist või töötlemist (taaskasutus, reprocessing), et vähendada radioloogilist riski.

Erinevus keemilistest reaktsioonidest

Tuumareaktsioonid erinevad keemilistest reaktsioonidest selle poolest, et neis muutub tuuma koosseis ja energiaühiku kohta vabanevad/kuluva energiakogused on tavaliselt palju suuremad. Keemilised reaktsioonid mõjutavad elektronide konfiguratsiooni ja elektrienergiaid; tuumareaktsioonid toimuvad tuuma tasemel ja ei vaja katalüsaatoreid. Samas — kuigi enamik radioaktiivsetest lagunemistest ei ole keemiliste vahenditega mõjutatavad — on teadus kirjeldanud erandeid (näiteks elektronvõtul põhinevad protsessid), kus keskkond võib pisut mõjutada teatud lagunemiste kiirust.

Lühidalt: tuumareaktsioonid on võimsad protsessid, mis muudavad tuumade struktuuri, vabastavad või neelavad suurt energiahulka ning millel on nii ulatuslikud kasulikud rakendused kui ka tõsised ohud ja jäätmekohustused.

Küsimused ja vastused

K: Mis on tuumareaktsioon?

K: Kuidas toimub tuumasüntees?

K: Mis on tuumalõhustumisreaktsiooni tulemus?

K: Mille poolest erineb radioaktiivne lagunemine teist tüüpi reaktsioonidest?

K: Kus toimuvad tuumareaktsioonid?

K: Milleks kasutatakse tuumareaktsioonis vabanevat energiat?

Otsing