תגובת שרשרת גרעינית

תגובת שרשרת גרעינית היא רצף של ביקועים גרעיניים (ביקוע = פיצול גרעין אטומי) שבו כל ביקוע בדרך כלל גורם ליותר מביקוע אחד נוסף. דוגמה פשוטה: נייטרון (חלקיק חסר מטען) פוגע בגרעין אורניום-235 וגורם לו להתפרק. במקרה המתואר משתחררים שלושה נייטרונים. חלקם עוזבים, חלקם נלכדים בגרעינים אחרים וגורמים לביקועים נוספים, וכך התהליך גדל ומתחזק.

כשהתהליך אינו נשלט ויש מספיק חומר בקיע (מסה קריטית), הגדילה המהירה הזאת יכולה לשחרר אנרגיה רבה. זהו העיקרון שעומד מאחורי נשק גרעיני. מצד שני, אפשר לשלוט בתגובת השרשרת ולהשתמש בה כמקור אנרגיה בכורים גרעיניים.

כשגרעין כבד נשבר הוא נותן שני שברי ביקוע (אטומים קלים יחסית). אטומי שברי הביקוע לא תמיד מסתכמים בדיוק למסת גרעין המקור. ההפרש שבין המסות משתחרר כחלקיקי נייטרון וכאנרגיה. הנייטרונים המפולטים נעים מהר ולעיתים "נתפסים" בגרעינים אחרים בתהליך שנקרא לכידת ביקוע, שיכול להוביל לביקוע נוסף.

זמן ההיווצרות הממוצע הוא הזמן שעובר בין פליטת נייטרון לבין לכידתו בביקוע. נייטרונים עוברים מרחקים קצרים, עד כ-10 ס"מ, ומהירותם כ-10,000 קמ"ש. לכן הזמן הממוצע הוא בסדרי גודל של 10 ננו-שניות (10 ns). יחידה זו נקראת גם "שייק" (shake).

גורם הכפלת הנייטרון האפקטיבי, k, הוא מספר הנייטרונים הממוצע שנוצרים ומשתתפים בביקועים נוספים. אם k<1 התגובה דועכת, אם k=1 התגובה יציבה ו"קריטית" (מצב שנשמר בכורים), ואם k>1 יש גדילה מהירה של הביקועים (מסה על-קריטית).

k מושפע מהמהירות והכיוון של הנייטרונים, מהצפיפות של החומר ומהקיום של מחזירי נייטרונים (חומרים שמחזירים נייטרונים חזרה לחומר הבקיע). העלאת הצפיפות מעלה את ההסתברות לפגיעה בגרעין. בשיטות נשק גרעיני, כמו שיטת הקריסה כלפי פנים, משתמשים בהגדלת צפיפות כדי להשיג העלאת k במהירות.

אם בכל ביקוע משתחררים בממוצע שלושה נייטרונים, אז הסיכוי שנייטרון יחולל ביקוע נוסף הוא k/3. כאשר k גדל בין 1 ל-3, ההסתברות הכללית שהתגובה תשתמש בכל אפשרויות הגדלה עולה בין 0 ל-1. עבור k קרוב ל-1 השינוי בתגובתיות קטן, ועבור k גבוה יותר התהליך מתרחב במהירות.

במהלך הרכבה של חומר בקיע לנשק, אספת החומר עלולה להיות סופר-קריטית לפני שהשיא הרצוי הושג. נייטרונים הנוצרים מביקועים ספונטניים עלולים להתחיל תגובה מוקדמת זו. לכן מקצרים את זמן ההרכבה ומשתמשים בחומרים שיש בהם מעט ביקועים ספונטניים.

לאו סילארד הציע את רעיון תגובת השרשרת כבר ב-1933. ב-1939 סילארד ואנריקו פרמי הראו שכפול נייטרונים באורניום אפשרי. התגובה המלאכותית הראשונית שהתקיימה לעצמה נערכה ב-2 בדצמבר 1942, באוניברסיטת שיקגו, במסגרת פרויקט מנהטן, בהובלת פרמי וסילארד.

עדויות לתגובת שרשרת טבעית נמצאו ב-1972 במכרה אורניום באוקלו, בגבון. מעריכים שהכור הטבעי הזה פעל לפני כ-1.5 מיליארד שנים. אז היה אחוז האיזוטופ הבקיע אורניום-235 בסביבות 3%. היום השכיחות ירדה לכ-0.7%, ולכן כבר לא נוצרים כורים טבעיים כאלה. ממצאי אוקלו שימשו גם לקבוע גבולות על שינוי אפשרי של קבוע המבנה העדין לאורך מיליארדי שנים.

תגובת שרשרת גרעינית היא סדרה של פיצולים שמתחילה מאירוע אחד. נייטרון (חלקיק קטן) יכול לפגוע בגרעין אורניום-235. גרעין זה נשבר (ביקוע = נשבר לחלקים) ומשחרר שלושה נייטרונים. הנייטרונים האלה עלולים לפגוע בעוד גרעינים ולהשאיר עוד נייטרונים. כך התהליך ממשיך וגדל.

התהליך יכול לשמש לשני דברים שונים. בכורים גרעיניים שולטים בתגובת השרשרת ומייצרים חשמל. אם יש חומר בקיע בכמות מספקת, התגובה יכולה להיות מהירה מאוד ולשחרר המון אנרגיה.

נייטרונים עוברים מרחקים קצרים, עד כ-10 ס"מ. הם נעים מאוד מהר. הזמן בין שחרור נייטרון ללכידתו הוא כ-10 ננו-שניות. זה נקרא "שייק".

k הוא המספר הממוצע של נייטרונים שגורמים לביקוע נוסף. אם k קטן מ-1 התהליך דועך. אם k שווה ל-1 התהליך יציב. אם k גדול מ-1 התהליך גדל מהר.

אם בכל ביקוע יוצאים שלושה נייטרונים, הסיכוי שנייטרון יעורר ביקוע נוסף הוא k חלקי 3. כש-k גדל, כך גדל הסיכוי שהשרשרת תתגבר.

לפעמים מתרחשים ביקועים ספונטניים שמשחררים נייטרונים לבד. כדי למנוע התחלה מוקדמת של השרשרת, מקצרים את זמן ההרכבה של החומר.

לאו סילארד חשב על הרעיון כבר ב-1933. סילארד ואנריקו פרמי הראו פעולה של כפול נייטרונים ב-1939. התגובה המלאכותית הראשונה שהחזיקה מעמד התרחשה ב-2 בדצמבר 1942 בשיקגו.

בגבון, במכרה אוקלו, נמצאה פעם תגובת שרשרת טבעית. זה קרה לפני כ-1.5 מיליארד שנה. אז האורניום-235 היה נפוץ יותר, בערך 3%. היום הוא רק כ-0.7%, ולכן כורים טבעיים כבר לא מתרחשים.