Enrico Fermi, olasz fizikus, atomfizikaval és kvantummechanikaval foglalkozott, kidolgozta a feles spinu részecskékre (a róla elnevezett fermionokra) érvényes kvantumstatisztikat 1926-ban, és a beta-bomlas elméletét 1934-ben. Neutronbesugarzassal újabb radioaktiv izotópokat hozott létre, amiért 1938-ban fizikai Nobel dijat kapott. q7j12jh
A maghasadast O. Hahn, F. Strassmann és L. Meitner felfedezte fel, Enrico Fermi egy korabbi kisérlete alapjan, és azt talaltak, hogy neutronsugarzas hatasara az uranatom magja két közepes méretu magra esik szét. Ennek folyaman Fermi felismerte az önfenntartó lancreakció lehetoségét (Szilard Leóval 1939-ben), s o valósitotta meg az altala tervezett elso atomreaktort 1942 dec. 2.-én. Majd az atombomba kidolgozasaban is részt vett.
Késobb kimutattak, hogy elméletileg minden atommag elhasadhat, de a gyakorlatban csak néhany uran- és plutóniumizotóp esetében jön létre könnyen a hasadas Ezek az izotópok raadasul energetikailag kedvezobb allapotba jutnak a hasadas soran, tehat több energia szabadul fel, mint amennyi a hasitashoz szükséges.
A természetes uran 99.3 %-a 238-as, 0.7 %-a pedig 235-ös izotóp. Az U-238-as csak igen ritkan hasad, és csak akkor, ha a neutron nagy sebességgel ütközik a magnak. Az U-235-ös hasadasa gyakorlati szempontból sokkal jelentosebb: ezt a magreakciót hasznalja ki a ma muködo atomreaktorok dönto többsége.
Ha egy lassú (kis energiajú, mas néven termikus) neutron ütközik az U-235 magjanak, a mag befogja azt, és egy új gerjesztett mag, U-236 jön létre. Az esetek kb. 85 %-aban igen rövid ido alatt (10-14s alatt) bekövetkezik a maghasadas, 15 %-aban pedig a mag gamma-sugarzassal szabadul meg felesleges energiajatól. A hasadvanyok igen sokfélék lehetnek: ma 35 elem mintegy 200 izotópjat ismerjük, ami. az uran hasadasi terméke lehet
1 db U-235 elhasadasakor kb. 200 MeV =3.2*10-11 J energia szabadul fel.
A maghasadas soran a két hasadvany magon kivül néhany (U-235 esetén atlagosan 2.4) neutron is kilép. A kiszabaduló neutronok szama attól függ, milyen hasadasi termékek jönnek létre.
A lancreakció alapgondolata: az U-235-magot meglojük egy neutronnal, aminek hatasara nagy valószinuséggel bekövetkezik a maghasadas. A hasadasból keletkezo neutronok újabb uranmagokat hasithatnak el, és raadasul minden egyes hasadasnal felszabadul a mar emlitett 200 MeV energia. Ekkor tehat mar külso neutronforras nélkül is muködik, azaz önfenntartó a folyamat.
Az U-235 hasadasakor a magból nagyenergiajú neutronok lépnek ki, amelyek csak igen kis valószinuséggel hoznak létre újabb maghasadast. Ahhoz, hogy gyors neutronokkal valósitsunk meg lancreakciót, nagyon nagy dúsitasú uranra van szükség, ez pedig igen draga megoldas. Jarhatóbb út olyan anyagok alkalmazasa, amelyek a gyors neutronokat annyira lelassitjak, hogy azok nagy valószinuséggel hozzanak létre újabb hasitast. Ezek az anyagok a moderatorok. Moderator hasznalataval akar természetes urannal (0.7% U-235-tartalom) is létrejöhet lancreakció.
A moderatorként hasznalt anyagokkal szemben két fo követelményt tamasztunk: legyen minél kisebb rendszamú, és minél kevésbé legyen hajlamos a neutronok elnyelésére. Ezen igényeknek a gyakorlatban csak négy anyag felel meg: a viz (H2O, könnyuviz), a nehézviz (D2O), a grafit (C) és a berillium (Be). Ezek közül a viz a legelterjedtebb moderator. A nehézviz tulajdonsagai ugyan valamivel kedvezobbek, de sajnos roppant draga anyag.
Ha elkezdünk egyre több U-235-öt egymas mellé, jó darabig nem indul be a vart lancreakció. Ennek oka abban keresendo, hogy kis mennyiségu hasadóanyag esetén a szerteszét repülo neutronoknak igen nagy hanyada kilép az uranból anélkül, hogy hasadast okozna. Növelve a hasadóanyag mennyiségét, a teljes térfogathoz képest egyre csökken az a felület (a fajlagos felület), amin keresztül kiszökhetnek a neutronok. Egy adott méretet elérve kevesebb neutron tud kiszökni, mint ami az önfenntartó lancreakcióhoz szükséges, ekkor érjük el az ún. kritikus tömeget. Példaul golyó alakú, moderator nélküli fém U-235 kritikus tömege 49 kg.
A neutronok szamat a reaktorban nyilvanvalóan szabalyoznunk kell, hiszen ettol függ a létrejövo maghasadasok szama, és igy a felszabaduló energia is. A lancreakció szabalyozasahoz olyan anyagok kellenek, amelyek eloszeretettel elnyelik a neutronokat. A leginkabb hasznalatos neutronabszorbensek a kadmium (Cd) és a bór (B).
A szabalyozas legfobb eszközei az ún. szabalyozó rudak, amelyek minden reaktorban megtalalhatók. Ezek olyan, neutronelnyelo anyagból készült rudak, amelyeket a hasadóanyagba lehet engedni, ill. kihúzni, igy szabalyozva a maghasadast létrehozó neutronok szamat. Ha példaul csökkenteni akarjuk a reaktorban felszabaduló energiat, elég beljebb tolni a szabalyozó rudakat, hiszen ez elnyeli az épp hasitani készülo neutronok egy részét, igy csökken a hasitasra rendelkezésre alló neutronok szama. Ha növelni akarjuk a teljesitményt, több neutronra van szükségünk a hasitashoz, vagyis kijjebb kell húzni a neutronelnyelo rudakat. A szabalyozórudak foleg a rövid idon belüli beavatkozashoz és a leallashoz szükségesek.
Az atomreaktorokat ötféleképpen osztalyozhatjuk. 1. A moderator anyaga szerint, ami lehet: viz, nehézviz, berillium, grafit. 2. A hutoközeg szerint: nyomott vizes, vizforraló, hélium, szén-dioxid vagy folyékonyfém hutésü. 3. A hasitas módja szerint: lassú ill. gyors neutronokkal muködo termikus, ill. gyorsreaktor. 4. A reaktormag elrendezése szerint: heterogén atomrektorban a hasadóanyag el van valasztva a moderator anyagatól és a hutoközegtol, homogén atomreaktorban a hasadóanyag a hutoközeggel és esetleg a moderatorral homogén keveréket alkot. 5. Rendeltetés szerint: energiatermelo teljesitményreaktor (atomeromu), jarmureaktor (tengeralattjarók, hajók), tenyésztoreaktor (szaporitóreaktor), kutatóreaktor.
A nyomottvizes atomreaktor (PWR: Pressurized Water Reactor) a könnyuvizes tipushoz tartozik: moderatora és hutoközege egyarant könnyuviz (H2O). Az abran latható, hogy a viz két zart, egymastól teljesen elvalasztott körben kering.
1 Reaktortartaly 8 Frissgoz 14 Kondenzator
2 Futoelemek 9 Tapviz 15 Hutoviz
3 Szabalyozórudak 10 Nagynyomasú turbina 16 Tapviz szivattyú
4 Szabalyozórúd hajtas 11 Kisnyomasú turbina 17 Tapviz elomelegito
5 Nyomastartó edény 12 Generator 18 Betonvédelem
6 Gozfejleszto 13 Gerjesztogép 19 Hutoviz szivattyú
7 Primer köri keringteto szivattyú
A primer körben (sötétkék ) a vizet nagyon nagy nyomason tartjak (130-150 bar), emiatt az még a magas üzemi homérsékleten (300-330 oC) sem forr fel. (A magas primer köri nyomasról kapta a tipus a nevét.) Az allandó nyomast a nyomastartó edény (térfogatkompenzator) biztositja. (Ha a primer körben a nyomas lecsökken, a térfogatkompenzatorban levo villamos futotestekkel melegitik a vizet, ezaltal növelve a nyomast. Nyomasnövekedés esetén pedig a mar lehult hutovizbol fecskendeznek be a térfogatkompenzatorba, aminek a felso részében goz van, melynek nyomasa igy lecsökken.) A primer köri viz az ún. gozfejleszto kis atméroju csöveiben atadja hojét a szekunder kör vizének, azaz lehul, majd alacsonyabb homérsékleten jut vissza a reaktorba.
A szekunder körben levo viz nyomasa sokkal alacsonyabb (40-60 bar), mint a primer körben lévoé, emiatt a gozfejlesztoben a felmelegedett viz felforr(piros). Innen kerül (csepplevalasztas utan) a goz a nagynyomasú, majd a kisnyomasú turbinara. A turbinaból kilépo goz a kondenzatorban cseppfolyósodik, ahonnan elomelegités utan újra a gozfejlesztobe kerül.
A primer és a szekunder kör vize nem keveredik egymassal! A gozfejlesztoben is csöveken keresztül adódik at a primer oldal hoje. Igy elérheto, hogy a hutoközegbe került radioaktiv anyagok a primer körben maradjanak, és ne kerülhessenek a turbinaba és a kondenzatorba. Ez egy újabb védogat a radioaktiv szennyezodések kijutasa ellen.
A nyomottvizes reaktorokban az üzemanyag altalaban alacsonyan (3-4 %) dúsitott uran-dioxid, néha uran-plutónium-oxid keverék (ún. MOX). A nyomottvizes a legelterjedtebb reaktortipus: a vilagon jelenleg üzemelo atomreaktorok összteljesitményének mintegy 63.8 %-at adjak.
Üzemanyag-köteg nyomottvizes reaktorhoz

Ez a legjobban kiformalt és bevalott atomrektor. Az 1990-es évektol ilyen reaktor muködik az atomeromuvek túlnyomó részében, ami kb. 80%-ot jelent.
Az atomereaktorok felhasznalasa: a legelterjedtebb a villamosenergia gyartasaban; a vilagon 440 atomeromuvi blokk üzemel, nem okoz üveghazhatast, és a vilag villamosenergiajanak a 32%-at atomeromuvekbol nyerik. A futoelemekben az atomeromuben történo felhasznalas soran óriasi valtozasok mennek végbe. A hasadóanyag (235U) fogyasaval parhuzamosan radioaktiv atommagok keletkeznek: egyrészt hasadasok soran (hasadasi termékek), masrészt az eredetileg a friss üzemanyagban lévo magok (235U, 238U) neutronokat fognak be, és sorozatos bomlasokon keresztül kialakulnak a transzuranok. A kiégett futoelem aktivitasa olyan nagy, hogy a futoelemet huteni kell, nehogy a bomlasok soran felszabaduló hotol megolvadjon. Ezen kivül az intenziv sugarzast el kell szigetelni a környezettol. A két feladatot egyszerre oldja meg a pihenteto medence, ami vizzel van tele. Néhany év "pihenés" utan az üzemanyag aktivitasa olyan mértékben lecsökken, hogy a kazettak szallithatóak és a tarolas soran elegendo a léghutés is.
Az atomrektorok alkalmasak a jarmuhajtasra. A hajókon és tengeralattjarokon elterjedt ez az “üzemanyag”. Az az elonyük, hogy üzemanyag-utanpótlas nélkül gyakorlatilag korlatlan a hatótavolsaguk. A tengeralattjaró pedig nem kell felemelkedjen a felszinre levegoért, ami a dizelmotor üzemeltetésére szükséges.
A kutatórektorok kis teljesitményü, ún. zéróreaktorok. Egyrészt az ezekben maghasadaskor keletkezo több szaz fajta radioaktiv izotópot hasznositjak, masrészt a felszabaduló különbözo energiajú neutronokkal, protonokkal, pl. gyógyaszati célokra izotópokat hoznak létre, esetleg anyagszerkezeti és egyéb vizsgalatokat végeznek, ezeket nevezzük anyagvizsgaló atomreaktoroknak.
Az atomenergia még viszonylag új eroforras, és ha majd elfogy minden hagyomanyos üzemanyag (a koolaj és szén), az atomenergia lesz a fo “üzemanyag”, csak még túl draga lenne az, hogy a kocsinkba szereljünk a motor helyett egy atomreaktort. De lehet, hogy 100 év múlva mar ez az alom is valóravalik.