Fisija urana jezgre. Lančana reakcija. Opis postupka

Dijeljenjem jezgre - teški atom cijepanje u dva fragmenta od približno jednake težine, nakon čega slijedi oslobađanje velike količine energije.

Otkriće nuklearne fisije početku nove ere - „atomski doba”. Potencijal mogućih koristi i ravnoteže rizika koristi od njegove uporabe, ne samo da je iznjedrila puno socioloških, političkih, ekonomskih i znanstvenih dostignuća, ali i ozbiljan problem. Čak i iz čisto znanstvenog gledišta, proces nuklearne fisije stvorio veliki broj zagonetke i komplikacija, a kompletan teorijsko objašnjenje za to je stvar budućnosti.

Dijeljenje - korisno

energije vezanja (po nukleona) razlikuju se u različitim jezgre. Teže imaju niži obvezujući energije nego da se nalazi u sredini periodnog sustava elemenata.

To znači da teški jezgre u kojoj je atomska broj veći od 100, pogodno podijeliti u dvije manje fragmente, čime ispuštanje energije koja se pretvara u kinetičku energiju od fragmenata. Ovaj proces se naziva cijepanje atomske jezgre.

U skladu s krivuljom stabilnosti, što ukazuje na ovisnost o broju protona iz stabilnih radionuklida za teže neutrona jezgra preferiraju veći broj neutrona (u usporedbi s brojem protona) od upaljača. To sugerira da osim procesa cijepanje se emitiraju neke „rezervne” neutrone. Osim toga, oni će preuzeti dio energije izdana. Studija fisija atoma urana pokazala je da to stvara jedan neutron 3-4: U → ^{238 145 90} + La Br + 3N.

Atomski broj (a atomska masa) fragmenta nije jednaka polovici atomske mase lijeka. Razlika između mase atoma nastaju kao posljedica cijepanja je obično oko 50. Međutim, razlog za to je još uvijek nije posve jasna.

Vezna energije ²³⁸ U, ¹⁴⁵ Br La i ⁹⁰ su 1803, 1198 i 763 MeV respektivno. To znači da se oslobađa energija urana fisije jednak 1198 + 158 = 763-1803 MeV koji nastaje reakcijom.

spontana fisija

spontane cijepanje postupci su poznati u prirodi, ali su vrlo rijetki. Prosječni životni vijek ovog postupka je 10 i ^17, i, na primjer, prosječni životni vijek od alfa-propadanja radionuklida je oko 10 ¹¹ s.

Razlog za to je da u cilju odvajanja u dva dijela, jezgra mora prvo proći deformacije (stretch) u elipsoidnog oblika, a onda, prije konačnog cijepanja na dva fragmenta formiraju „vrat” u sredini.

potencijalna barijera

U deformiranom stanju u jezgri dvije sile. Jedan od njih - povećanje energije površine (površinskom napetošću tekućih kapljica objašnjava njegovu sferični oblik), a drugi - Coulomb odbojnost između fisije fragmenata. Zajedno oni proizvode potencijalnu barijeru.

Kao iu slučaju alfa raspad se dogodio spontani fisije urana atomske jezgre, fragmenti mora prevladati tu prepreku pomoću kvantnog tuneliranja. Prepreka bude oko 6 MeV, kao u slučaju alfa-raspadanja, a vjerojatnost tunela od a-čestica znatno više nego mnogo teže cijepanje proizvoda atoma.

prisiljeni degradacija

Mnogo je vjerojatnije je inducirana fisije urana jezgre. U tom slučaju, roditelj jezgra ozračena neutronima. Ako roditelj upija, a zatim su dužni objaviti obvezujuću energiju u obliku vibracijske energije koja može biti duži od 6 MeV potrebne za prevladavanje potencijalnu barijeru.

Gdje dodatna neutrona energija nije dovoljno da prevlada potencijalnu barijeru, incident neutrona mora imati minimalno kinetičku energiju kako bi se mogli izazvati cijepanje atoma. U slučaju ²³⁸ U dodatnih neutrona energije vezanja nedostaje oko 1 MeV. To znači da je fisija urana jezgri izazvana samo neutrone s kinetičkom energijom većom od 1 MeV. S druge strane, ²³⁵ U izotopa ima jedan nespareni neutron. Kada je jezgra apsorbira dodatne, čini se s njom par i dodatna energija vezanja je rezultat tog uparivanja. To je dovoljno za oslobađanje količinu energije potrebnu za prevladavanje potencijalnu barijeru jezgri i podjelu izotopa dogodile u sudaru s bilo neutrona.

beta raspad

Unatoč činjenici da je reakcija fisija emitira tri ili četiri neutronima, fragmenti dalje sadrži više od stabilnih neutrona izobare. To znači da su fragmenti razgradnje su općenito nestabilni u odnosu na beta raspada.

Na primjer, kada je podjela jezgre urana ²³⁸ U, stabilni izobare s A = 145, ¹⁴⁵ je neodimij Nd, što znači da je fragment lantan La ¹⁴⁵ dijeli u tri faze, i svaki put po zračeći elektron i neutrina do stabilne nuklida formira. Stabilni izobare s A = 90 ⁹⁰ cirkonijev Zr, tako cijepanjem fragment brom Br ⁹⁰ dijeli u pet faza lanca p-raspadanja.

Ove lanac β-raspada emitirati dodatnu energiju koja je protjerao gotovo sve elektrona i neutrina.

Nuklearne reakcije: fisija urana

Izravno radionuklida od neutronskog zračenja s previše velik broj njih kako bi se osigurala stabilnost jezgre je malo vjerojatno. Ovdje je stvar je da nema Coulomb odbojnost, pa površinska energija teži da zadrži neutron zbog roditelja. Ipak, to se ponekad događa. Na primjer, fragment fisije Br ⁹⁰ u prvom beta-raspadom daje kripton-90, koji se mogu nalaziti u pobuđenom stanju s dovoljnom energijom da se prevlada površinska energija. U tom slučaju neutronskog zračenja mogu se pojaviti izravno u obliku kripton-89. Ovaj izobare je još uvijek nestabilna u odnosu na beta-propadanja još ne ide u stabilnom itrijcm-89, tako da je Krypton-89 je podijeljen u tri faze.

Uranij fisija: lančana reakcija

Neutroni ispuštaju u reakciji cijepanja može se apsorbira drugi roditelj jezgre, koja se zatim podvrgava samo izazvanu fisija. U slučaju urana-238 tri neutrona, koja nastaju s energijama manje od 1 MeV (oslobođena energija u fisije urana jezgre - 158 MeV - uglavnom pretvaraju u kinetičku fragmenti energije odcjepljenju), tako da ne mogu izazvati daljnje podjele ove nuklida. Međutim, ako je značajna koncentracija od rijetkih izotopa ^U-235 ti slobodna neutrona mogu biti zarobljeni od jezgre ²³⁵ U, to zapravo može izazvati cijepanje, jer u tom slučaju ne postoji prag energije ispod koje je podjela nije izazvana.

To je lančana reakcija princip.

Vrste nuklearne reakcije

Neka k - broj neutrona proizvedenih u uzorku fisijskoga materijala u koraku n u lancu, podijeljen s brojem neutrona proizvedenih u stupnju n - 1. će taj broj ovisi o broju neutrona proizvedenih u stupnju n - 1, koji se apsorbira u jezgri, koji može proći inducirane fisije.

• Ako je k <1 na, lančana reakcija je jednostavno izvan pare, a proces će vrlo brzo prestati. To je ono što se događa u prirodnom urana rude, u kojoj je ^{koncentracija 235} U je toliko mali da je vjerojatnost apsorpcije neutrona Ovaj izotop je izuzetno zanemariv.

• Ako je k> 1, lančana reakcija će i dalje rasti sve dok se sve fisijski materijal neće upotrijebiti (atomska bomba). To se postiže obogaćuje prirodne rude da se dobije dovoljno visoku koncentraciju urana-235. Za uzorak kuglastih vrijednost k povećava s vjerojatnošću apsorpcije neutrona, koja ovisi o polumjeru kugle. Stoga U težina smije prelaziti određenu kritičnu masu za fisije urana (lančane reakcije) mogu se pojaviti.

• Ako je k = 1, tada se radi o kontroliranoj reakcija. To se koristi u nuklearnim reaktorima. Proces kontroliran distribuiranje urana šipke kadmija ili bor, koji apsorbiraju najveći dio neutrona (ovi elementi su sposobni za hvatanje neutrona). Podjela urana jezgre se automatski kontrolira pomicanjem štap tako da je k vrijednost ostaje jednak jedan.