Jak przebiega reakcja łańcuchowa uranu U-235?

Reakcja łańcuchowa rozszczepienia jądra atomowego stanowi jedno z fundamentalnych zjawisk fizyki jądrowej, a jednocześnie jeden z najbardziej doniosłych procesów, jakie człowiek kiedykolwiek poznał. To dzięki niej możliwe stało się zarówno wytwarzanie energii elektrycznej w elektrowniach jądrowych, jak i skonstruowanie najbardziej destrukcyjnych narzędzi militarnych XX wieku. Zrozumienie przebiegu reakcji łańcuchowej pozwala spojrzeć z zupełnie nowej perspektywy na miejsca historyczne takie jak dawna kopalnia uranu w Kowarach, która – choć sama nie była miejscem działalności jądrowej – stanowiła początek drogi do procesów, których skutki odcisnęły piętno na całych epokach.

Historyczne tło: od eksperymentu do rewolucji naukowej

Pod koniec 1938 roku Otto Hahn i Fritz Strassmann prowadzili badania nad oddziaływaniem neutronów na uran. Intencją badaczy było poszukiwanie cięższych pierwiastków poprzez tzw. transuranowce. Jednak w próbkach pojawił się bar – pierwiastek znacznie lżejszy niż uran. Był to wynik tak sprzeczny z obowiązującymi teoriami, że wymagał przełomowego wyjaśnienia.

Lise Meitner, wybitna fizyczka jądrowa współpracująca z Hanem, analizując dane w Szwecji, dokonała rewolucyjnej interpretacji: jądro uranu rzeczywiście pękło na dwie mniejsze części. Zjawisko to nazwano fission – rozszczepieniem. Później wspominała, że skala zaskoczenia była ogromna:

„W tej chwili założenie tak całkowitego rozpadu wydaje mi się bardzo trudne do przyjęcia, ale w fizyce jądrowej doświadczyliśmy już tylu niespodzianek, że nie można bezwarunkowo powiedzieć: ‘To niemożliwe’.”
— Lise Meitner, fizyczka jądrowa, współautorka teoretycznej interpretacji rozszczepienia uranu

Jej słowa celnie oddają stan nauki tamtego okresu: epokę, w której teorię należało dopasować do faktów, a nie odwrotnie. Rozszczepienie było zjawiskiem nie tylko nowym, ale i brzemiennym w konsekwencje.

Wkrótce potem fizycy zauważyli coś jeszcze bardziej znaczącego: proces rozszczepienia generuje dodatkowe neutrony, co oznacza, że może się powtarzać w sposób samopodtrzymujący – tworząc reakcję łańcuchową. Tę możliwość bardzo szybko podchwyciły różne środowiska naukowe i polityczne, co stało się fundamentem późniejszych programów energetycznych i militarnych.

Rola izotopu U-235: dlaczego właśnie on?

Z punktu widzenia reakcji łańcuchowej kluczowe znaczenie ma izotop U-235, który stanowi zaledwie ok. 0,7% naturalnego uranu. Większość surowca wydobywanego w miejscach takich jak kopalnia uranu w Sudetach składa się z U-238, który nie jest izotopem rozszczepialnym przy neutronach wolnych.

U-235 posiada natomiast właściwość umożliwiającą pochłonięcie neutronu termicznego (wolnego) i przejście w jądro wzbudzone U-236*, które zazwyczaj natychmiast pęka. Jest to efekt kombinacji struktury nukleonowej, energii wiązania i tzw. przekroju czynnego na rozszczepienie.

W wyniku rozszczepienia jądra U-235 powstają:

• dwa lżejsze fragmenty jądrowe (np. krypton, bar, cez),
• 2–3 neutrony o wysokiej energii,
• promieniowanie gamma,
• energia rzędu ok. 200 MeV.

Właśnie dzięki emisji dodatkowych neutronów możliwa jest dalsza propagacja procesu.

Mechanizm reakcji łańcuchowej – szczegółowa analiza

Reakcja łańcuchowa składa się z kilku precyzyjnie określonych etapów:

Etap 1: Inicjacja

Wolny neutron uderza w jądro U-235 i zostaje przez nie pochłonięty. Jądro przechodzi w niestabilny stan U-236*.

Etap 2: Rozszczepienie

Jądro wzbudzone nie jest w stanie utrzymać swojej struktury. Następuje jego gwałtowne pęknięcie na dwie mniejsze części.

Etap 3: Emisja neutronów

W wyniku rozpadu pojawia się 2–3 szybkie neutrony, których energia wynosi ok. 1–2 MeV.

Etap 4: Utrwalenie procesu

Jeżeli neutrony nie opuszczą układu, a materiał ma odpowiednią masę i gęstość, kolejne jądra U-235 ulegną rozszczepieniu.

Etap 5: Propagacja

Każde kolejne rozszczepienie dostarcza nowych neutronów, a więc – kolejnych możliwości kontynuacji procesu. To właśnie jest istotą reakcji łańcuchowej.

Warunki umożliwiające jej podtrzymanie określa się jako masę krytyczną. Zależy ona od:

• stężenia U-235,
• geometrii materiału,
• obecności moderatora neutronów,
• współczynnika odbicia neutronów (tzw. reflektora),
• temperatury i zmian gęstości.

Dlaczego reakcja łańcuchowa może być kontrolowana lub niekontrolowana?

W praktyce reakcja łańcuchowa przyjmuje dwa zasadnicze modele:

A. Reakcja kontrolowana – reaktory jądrowe

W reaktorze paliwo zawiera od kilku do kilkunastu procent U-235. Neutrony są spowalniane przez moderator (np. wodę, grafit), dzięki czemu łatwiej powodują kolejne rozszczepienia. Pręty kontrolne pochłaniają część neutronów i pozwalają zachować stabilność procesu.

Systemy bezpieczeństwa nadzorują temperaturę, ciśnienie i szybkość reakcji. Energia cieplna powstała w wyniku rozszczepień służy do produkcji prądu.

B. Reakcja niekontrolowana – broń jądrowa

Aby doprowadzić do gwałtownego, wykładniczego wzrostu liczby rozszczepień, konstrukcje militarne wykorzystują błyskawiczne łączenie podkrytycznych porcji U-235 w jedną bryłę powyżej masy krytycznej. Wówczas w ułamku sekundy zachodzi miliony rozszczepień.

Ten potencjał energii ujął w słowach Otto Hahn:

„Odkrycie rozszczepienia jądrowego jest niezwykle doniosłe i rzeczywiście niebezpieczne, ale co więcej — jest pełne obietnic.”
— Otto Hahn, chemik-radiochemik, laureat Nagrody Nobla 1944

Hahn uświadamiał, że energia jądrowa to zarówno dobrodziejstwo cywilizacyjne, jak i realne zagrożenie. Ta podwójna natura zjawiska towarzyszy nam do dziś.

Jak tę wiedzę wykorzystać w edukacji turystów i młodzieży?

Turysta odwiedzający dawne miejsce wydobycia, takie jak kopalnia uranu, często widzi jedynie tunel, minerał, fragment historii przemysłu. Tymczasem z punktu widzenia fizyki, każdy kawałek rudy jest początkiem opowieści o jednym z najbardziej skomplikowanych procesów we wszechświecie.

W przystępnej analogii: reakcja łańcuchowa przypomina błyskawicznie przewracające się kostki domina. Jedna kostka to jedno rozszczepienie. Każda przewrócona powoduje upadek kolejnych. Różnica polega na tym, że w świecie jądrowym upadek jednej kostki uwalnia energię tysiące razy większą niż jakikolwiek proces chemiczny.

Znaczenie kopalni uranu w historii technologii jądrowej

Choć sama kopalnia nie jest miejscem reakcji jądrowych, to właśnie wydobycie surowca stanowi początek całego cyklu technologicznego: od rudy, przez przemiał, koncentrację, wzbogacanie, aż po paliwo jądrowe. To długi, wieloetapowy proces, który wymaga ogromnej precyzji, wiedzy i odpowiedzialności.

Każdy odwiedzający takie miejsce dowiaduje się, że ruda uranu w swojej naturalnej postaci jest bezpieczna, a potencjał energetyczny ujawnia się dopiero w zaawansowanych procesach przemysłowych. Jest to jedna z kluczowych informacji, które warto przekazywać, aby uniknąć błędnych skojarzeń i mitów dotyczących promieniotwórczości.

Podsumowanie

• Reakcja łańcuchowa U-235 jest możliwa dzięki emisji dodatkowych neutronów przy każdym rozszczepieniu.
• Jej przebieg może mieć charakter kontrolowany (reaktory) lub niekontrolowany (broń).
• Odkrycie procesu zmieniło naukę, energetykę i historię polityczną świata.
• Miejsca takie jak dawna kopalnia uranu stanowią ważny element dziedzictwa technologicznego, który warto zwiedzić.
• Zrozumienie zasad rozszczepienia pozwala lepiej interpretować zarówno historyczne, jak i współczesne konsekwencje wykorzystywania energii jądrowej.