עבריתHE⌄
ביקוע גרעיני
ביקוע גרעיני הוא פיצול של גרעין כבד לשני שברים קלים יותר, בדרך כלל תוך פליטת נייטרונים ושחרור אנרגיה. כדי להבין את התהליך לא מספיק לומר שהגרעין “נשבר”: מקור האנרגיה הוא ההבדל באנרגיית הקישור בין המצב ההתחלתי לתוצרים, ואילו אוכלוסיית הנייטרונים קובעת אם יתקבל אירוע יחיד או תגובת שרשרת.
מגרעין כבד לשברים קשורים יותר
לאחר לכידת נייטרון יכול להיווצר גרעין מורכב מעורר. הוא מתעוות ולבסוף מתפצל לשני שברים, לרוב לא שווים, יחד עם כמה נייטרונים מהירים. מספרי המסה והמטען נשמרים, אך מסת המנוחה הכוללת של התוצרים קטנה במעט; הפרש המסה מופיע כאנרגיה לפי ΔE=Δmc².
גרעינים כבדים נמצאים באזור שבו אנרגיית הקישור הממוצעת לנוקלאון נמוכה מזו של גרעינים בינוניים סביב ברזל וניקל. מעבר לשברים בינוניים מגדיל את הקישור הכולל ולכן יכול לשחרר בסדר גודל של מאות MeV. רוב האנרגיה מתחילה כאנרגיה קינטית של שברי הביקוע והופכת במהירות לחום בחומר.
נייטרונים ותגובת שרשרת
לא כל נייטרון שנפלט יוצר ביקוע נוסף. חלק בורחים, חלק נבלעים ללא ביקוע וחלק מואטים לפני תגובה. גורם ההכפלה האפקטיבי k משווה בין מספר הנייטרונים בדור אחד לדור הקודם: k<1 פירושו דעיכה של השרשרת, k=1 מצב קריטי יציב, ו-k>1 גידול עד שהמערכת משתנה.
בכור שולטים בגאומטריה, בממתן ובחומרים בולעי נייטרונים כדי לשמור את k קרוב לאחד. נייטרונים מושהים מהווים רק חלק קטן מן הפליטות, אך הם מאריכים את סקלת הזמן של התגובה ומאפשרים בקרה הנדסית. זהו מרכיב מרכזי בהבדל בין פעולה יציבה לבין גידול מהיר.
ערך Q ומה נמדד בפועל
ערך Q הוא הפרש האנרגיה בין המצב ההתחלתי לתוצרים. חישוב עקבי דורש מסות אטומיות או גרעיניות מתאימות ושמירה על יחידות. לא כל האנרגיה מופיעה באותה צורה: חלק באנרגיית תנועה, חלק בקרינת גמא, ובהמשך חלק יכול לעבור לנייטרינו בתהליכי בטא של תוצרי הביקוע.
המדידה הניסויית עוקבת אחרי ספקטרום השברים, הנייטרונים והגמא. תוצרי ביקוע רבים עשירים בנייטרונים ולכן עוברים דעיכות בטא. כתוצאה מכך נשאר חום דעיכה גם לאחר עצירת תגובת השרשרת; חום שיורי זה חיוני להבנת בטיחות כורים.
איזוטופים בקיעים וסף אנרגיה
יכולת הביקוע תלויה במבנה הגרעין, באנרגיית העירור ובמחסום הביקוע. יש איזוטופים שיכולים להתבקע ביעילות לאחר לכידת נייטרון תרמי, ואחרים דורשים נייטרונים מהירים יותר. לכן “גרעין כבד” אינו לבדו תנאי לדלק מתאים; חתכי הפעולה וספקטרום הנייטרונים קובעים.
יש להבחין בין ביקוע להיתוך. בשני המקרים ניתן לשחרר אנרגיה כאשר התוצרים נעים לעבר קישור חזק יותר, אך בביקוע מתחילים מגרעין כבד ומתפצלים, ואילו בהיתוך מאחדים גרעינים קלים תוך התגברות על הדחייה החשמלית.
חתך הפעולה לביקוע תלוי מאוד באנרגיית הנייטרון. לכן אותו איזוטופ יכול להתנהג אחרת בספקטרום תרמי ובספקטרום מהיר. נתון זה מחבר בין הפיזיקה הגרעינית לבין תכנון הכור: בחירת ממתן, גאומטריה וחומרים משנה את הסיכוי של נייטרון ליצור ביקוע נוסף או להיבלע בתהליך אחר.
דוגמאות פתורות
שימור A ו-Z
פתרון
יש לבדוק תחילה שימור של A ושל Z. נייטרונים חופשיים תורמים ל-A אך מטענם אפס.
מדוע כ-200 MeV?
פתרון
המעבר משבר כבד לשברים בינוניים מגדיל את אנרגיית הקישור הכוללת; הפרש מסה קטן מוכפל ב-c² ונותן סדר גודל של מאות MeV.
מה פירוש k=1?
פתרון
k=1 פירושו שבממוצע כל דור של נייטרונים מחליף את עצמו, ולכן ההספק יכול להישאר בקירוב קבוע.