Ahelreaktsioon

Ahelreaktsioon on protsess, mille käigus protsessi lõpptulemus (või kõrvaltulemus) käivitab uue samatüübilise protsessi. Ahelreaktsioon on iseennast võimendav sündmuste ahel. Ahelreaktsioonid on näiteks tuumalõhustumine, mõningad keemilised reaktsioonid ja elektronlaviin.

Keemiline ahelreaktsioon

Vesiniku (H2) ja kloori (Cl2) ühinemine ahelreaktsioonina toimub läbi vabade radikaalide tekke. Piisab ühe vaba radikaali (H või Cl) olemasolust, et see reageeriks mõne Cl2 või H2 molekuliga tekitades ühe soolhappe (HCl) molekuli ja uue vaba radikaali, mis omakorda alustab uut keemilist reaktsiooni.

Elektronlaviin
Elektronlaviin tekib tugevas elektromagnetväljas vabade elektronide olemasolu korral. Elektromagnetvälja poolt kiirendatud elektronid põrkuvad vastu aatomeid ja ioniseerivad neid. Selle tulemusena tekib järjest rohkem vabu elektrone, mis omakorda kiirendatakse elektromagnetvälja poolt ning mis löövad lahti uusi vabu elektrone. Niimoodi tekib näiteks elektriline läbilöök dielektrikus.

Tuumalõhustumine ahelreaktsioonina
Tuumalõhustumine toimub ahelreaktsioonina siis, kui igast lõhustunud aatomituumast vabanenud neutronid põhjustavad veel vähemalt ühe tuuma lõhustumise. Iga tuumalõhustumise tagajärjel vabaneb lisaks lõhustunud tuumapooltele veel 2-3 vaba neutronit. Osa neutronitest lendab tuumkütusest välja, osa neeldub tuumkütuse sees olevates lisaainetes (nn. neutronmürkides) ja ülejäänud leiavad uue tuumkütuse tuuma, mis neutroni neelamise järel lõhustub. Tekib ahelreaktsioon.

Ahelreaktsiooni toimumiseks peab lõhustuv materjal (ehk tuumkütus) ületama kriitilise massi. Sellisel juhul piisab ühest spontaansest tuumalõhustumisest, et vallandada ahelreaktsioon.

Kriitiline mass

Kriitiline mass on tuumkütuse hulk, mille puhul iga tuumalõhustumine tekitab vähemalt ühe neutroni, mis algatab uue tuumalõhustumise. Kriitiline mass sõltub lisaks tuumkütuse tegelikule massile veel paljudest teguritest, mis mõjutavad neutronite võimet algatada uut tuumalõhustumist. Need tegurid on:
Neutronmürkide olemasolu tuumkütuses. Neutronmürgid on aatomituumad, mis neelavad neutroneid ilma lõhustumata (näiteks tuumkütuse mittelõhustuvad isotoobid, juba toimunud tuumalõhustumise jääkproduktid ja muud võõrelemendid tuumkütuses).
Tuumkütuse tihedus. Mida tihedamalt on tuumakütus kokku surutud, seda suurema tõenäosusega "leiab" vaba neutron lõhustuva tuuma.
Neutronpeeglite olemasolu. Berülliumist vms. materjalist valmistatud neutronpeeglid suunavad tuumkütusest välja lennanud neutronid uuesti tagasi ning annavad neutronile veel ühe võimaluse leida lõhustuv tuum.
Tuumkütuse kuju. Tavaliselt vormitakse tuumkütus varrasteks (tuumareaktorites) või kerakujuliseks, et sõltumata tuumalõhustumisel vabanenud neutroni liikumise suunast oleks tal võimalikult suur tõenäosus jääda tuumkütusesse.

Efektiivne neutronkordaja
Efektiivne neutronkordaja (k) on keskmine neutronite arv, ühe tuumalõhustumise kohta, mis tekitab uue tuumalõhustumise. Ülejäänud neutronid väljuvad tuumkütusest või neelduvad neutronmürkides. Neutronkordaja k väärtus määrab ahelreaktsiooni tüübi.

k < 1 (alakriitiline mass): Süsteem ei suuda ahelreaktsiooni alal hoida. Iga spontaansest tuumalõhustumisest alanud ahelreaktsioon sureb enne tervet tuumkütust hõlmava reaktsiooni tekitamist välja.
k = 1 (kriitiline mass): Iga tuumalõhustumine tekitab keskmiselt veel ühe tuumalõhustumise. Kõik tuumajaamad töötavad sellel tasemel.
k > 1 (ülekriitiline mass): Iga tuumalõhustamine tekitab rohkem kui ühe tuumalõhustumise. Ahelreaktsioon kasvab eksponentsiaalselt ning toimub plahvatus. Kõik tuumarelvad plahvatavad ülekriitilise massi saavutamisel.

Vaata ka
ahelreaktsioon (keemia)
autokatalüüs
kriitiline mass
tuumajaam
tuumalõhustumine
tuumapomm

Tuumafüüsika