Fissionul nucleului de uraniu. Reacția lanțului. Descrierea procesului

Diviziunea nucleului este împărțirea unui atom greu în două fragmente de masă aproximativ egală, însoțite de eliberarea unei cantități mari de energie.

Descoperirea diviziei nucleare a început o nouă eră - "epoca atomică". Potențialul de utilizare a vehiculului și soldul riscului de a beneficia de pe urma utilizării sale, nu numai că a dat naștere la o mulțime de realizări sociologice, politice, economice și științifice, dar, de asemenea, o problemă gravă. Chiar și din punct de vedere pur științific de vedere, procesul de fisiune nucleară a creat un număr mare de puzzle-uri și complicații, precum și o explicație teoretică completă pentru că este un lucru al viitorului.

Partajați - profitabil

Energiile de legare (pe nucleon) pentru diferite nuclee diferă. Cele mai grele au o energie de legare mai mică decât cele situate în mijlocul mesei periodice.

Acest lucru înseamnă că nucleele grele, în care nucleul atomic mai mult 100, este avantajos să se împartă în două fragmente mai mici, eliberând astfel energia care este transformată în energia cinetică a fragmentelor. Acest proces se numește divizare nucleul atomic.

În conformitate cu curba de stabilitate, care arată dependența numărului de protoni de numărul de neutroni pentru nucleele stabile, nucleele mai grele preferă un număr mai mare de neutroni (în comparație cu numărul de protoni) decât cele mai ușoare. Acest lucru sugerează că, odată cu procesul de divizare, vor fi emise și câteva neutroni "de rezervă". În plus, aceștia vor prelua și o parte din energia alocată. Studiul fiziologiei nucleului atomului de uraniu a arătat că în acest caz sunt eliberate 3-4 neutroni: ²³⁸U → ¹⁴⁵La + ⁹⁰Br + 3n.

Numărul atomic (și masa atomică) a fragmentului nu este egal cu jumătate din masa atomică a părintelui. Diferența dintre masele de atomi formate ca urmare a despărțirii este, de obicei, de aproximativ 50. Adevărat, motivul pentru aceasta nu este încă pe deplin înțeles.

Puterea comunicării ²³⁸U, ¹⁴⁵La și ⁹⁰Br sunt egale cu 1803, 1198 și respectiv 763 MeV. Aceasta înseamnă că, ca urmare a acestei reacții, energia de fisiune a nucleului de uraniu este eliberată, egală cu 1198 + 763-1803 = 158 MeV.

Diviziunea spontană

Procesele de fisiune spontană sunt cunoscute în natură, însă sunt foarte rare. Durata medie de viață a acestui proces este de aproximativ 10¹⁷ ani și, de exemplu, durata medie de viață a degradării alfa a aceluiași radionuclid este de aproximativ 10¹¹ ani.

Motivul pentru aceasta este că, pentru a se separa în două părți, miezul trebuie să fie supuse mai întâi de deformare (intindere) într-o formă elipsoidală, și apoi, înainte de clivajul finală în două fragmente formează un „gât“, în mijloc.

Potential Bariera

În starea deformată, două forțe acționează asupra nucleului. Unul dintre ele este energia de suprafață mărită (tensiunea superficială a picăturii de lichid explică forma sa sferică), iar cealaltă este repulsia Coulomb între fragmentele de fisiune. Împreună, acestea produc o barieră potențială.

Ca și în cazul decăderii alfa, apare fisiunea spontană a nucleului atomului de uraniu, fragmentele trebuie să depășească această barieră prin tunelul cuantic. Bariera este de aproximativ 6 MeV, ca în cazul degradării alfa, dar probabilitatea tunelării particulele alfa sunt mult mai mari decât produsul de divizare a atomului mult mai greu.

Forțarea divizării

Este mult mai probabilă fisiunea indusă de nucleul de uraniu. În acest caz, nucleul mamei este iradiat cu neutroni. Dacă părintele o absoarbe, ele se leagă, eliberând energia de legare sub forma energiei vibrationale, care poate depăși 6 MeV, necesară pentru a depăși bariera potențială.

În cazul în care energia neutronului suplimentar este insuficientă pentru a depăși bariera potențială, neutronul incident ar trebui să aibă o energie cinetică minimă pentru a putea induce divizarea atomului. În cazul ²³⁸U, energia de legare a neutronilor adiționali este scurtă de aproximativ 1 MeV. Aceasta înseamnă că fisiunea nucleului de uraniu este indusă doar de un neutron cu o energie cinetică mai mare de 1 MeV. Pe de altă parte, izotopul ²³⁵U are un neutron neparat. Când un nucleu absoarbe unul suplimentar, acesta formează o pereche cu el și, ca urmare a acestei perechi, apare o energie de legare suplimentară. Acest lucru este suficient pentru a elibera cantitatea de energie necesară pentru a depăși bariera potențială a nucleului și diviziunea izotopilor au avut loc într-o coliziune cu orice neutroni.

Degradarea beta

În ciuda faptului că trei sau patru neutroni sunt emise în timpul reacției de fisiune, fragmentele conțin încă mai multe neutroni decât izobarul lor stabil. Aceasta înseamnă că fragmentele de scindare sunt, de regulă, instabile în ceea ce privește decăderea beta.

De exemplu, când are loc fisiunea nucleului de uraniu ²³⁸U, un izobar stabil cu A = 145 este neodim ¹⁴⁵Nd, ceea ce înseamnă că fragmentul de lantan ¹⁴⁵La se împarte în trei etape, de fiecare dată când emit un electron și antineutrinos, până când se formează un nucleu stabil. Un izobar stabil cu A = 90 este zirconiu ⁹⁰Zr, astfel încât spărgătorul să divizeze bromul ⁹⁰Br se împarte în cinci etape ale lanțului beta degradare.

Aceste lanțuri beta decay produc energie suplimentară, care este aproape în întregime purtate de electroni și antineutrinos.

Reacții nucleare: fisiune de nuclee de uraniu

Radiația directă a unui neutron din nucleu cu prea multă cantitate pentru a asigura stabilitatea nucleului este puțin probabilă. Aici lucrul este că nu există nici o repulsie Coulomb și, prin urmare, energia de suprafață tinde să mențină neutronul în legătură cu părintele. Cu toate acestea, acest lucru se întâmplă uneori. De exemplu, fragmentul divizării ⁹⁰Br în prima beta-decaderea produce un kripton-90, care poate fi amplasat într-o stare excitată cu energie suficientă pentru a învinge energia de suprafață. În acest caz, radiația neutronică poate apărea direct cu formarea de krypton-89. Acest isobar este încă instabil în raport cu beta până la trecerea la yttrium-89 stabil, astfel încât krypton-89 se descompune în trei etape.

Fisiunea nucleelor ​​de uraniu: reacția în lanț

Neutronii emiși în reacția de scindare poate fi absorbită de către celălalt părinte-nucleu, care este supus apoi fisiune autoindusă. În cazul de uraniu-238 trei neutroni, care apar cu energii mai puțin de 1 MeV (energia eliberată în fisiunea bază de uraniu - 158 MeV - cea mai mare parte transformate în fragmente de clivaj cu energie cinetică), astfel încât acestea nu pot provoca o diviziune în continuare a acestui nuclid. Cu toate acestea, în cazul în concentrații semnificative de izotop rare ²³⁵U aceste neutroni liberi pot fi capturați de nuclei ²³⁵U, care poate provoca divizarea, deoarece în acest caz nu există prag de energie sub care divizarea nu este indusă.

Acesta este principiul reacției în lanț.

Tipuri de reacții nucleare

Să k - numărul de neutroni produse într-o probă de material fisionabil în etapa n a lanțului, împărțit la numărul de neutroni produși în etapa n - 1. Acest număr va depinde de numărul de neutroni produse în etapa n - 1, sunt absorbite de miez, care pot suferi fisiune induse.

• Dacă k < 1, atunci reacția în lanț va expira pur și simplu și procesul se va opri foarte repede. Asta se întâmplă în naturale uraniu de uraniu, în care concentrația ²³⁵U este atât de mic încât probabilitatea de absorbție a unuia dintre neutroni de către acest izotop este extrem de nesemnificativă.

• Dacă k> 1, atunci reacția în lanț va crește până când se va folosi tot materialul fisionabil (bomba atomică). Acest lucru se realizează prin îmbogățirea minereului natural cu o concentrație suficient de mare de uraniu-235. Pentru o probă sferică, valoarea k crește odată cu creșterea probabilității de absorbție a neutronilor, care depinde de raza sferei. Prin urmare, masa U trebuie să depășească unele masa critică, că se poate produce fisiunea nucleilor de uraniu (reacția în lanț).

• Dacă k = 1, atunci are loc o reacție controlată. Acesta este folosit în reactori nucleari. Procesul este controlat de distribuție între tije de uraniu de cadmiu sau bor, care absorb cea mai mare parte neutroni (aceste elemente sunt capabile de a captura neutroni). Fissionul miezului de uraniu este controlat automat prin mutarea barelor în așa fel încât valoarea lui k să rămână egală cu unitatea.