Fisjon av uran kjerner. Kjedereaksjon. Beskrivelse av prosessen

Oppdeling kjernen - et tungt atom splitting i to fragmenter med tilnærmet lik vekt, fulgt av frigjøring av en stor mengde energi.

Oppdagelsen av fisjon starten på en ny æra - "atomalderen". Potensialet i dens mulige bruksområder og balansen mellom risiko å dra nytte av bruken, ikke bare ga opphav til en rekke sosiologiske, politiske, økonomiske og vitenskapelige prestasjoner, men også et alvorlig problem. Selv fra et rent vitenskapelig synspunkt, den kjernefysiske fisjonsprosessen skapt et stort antall oppgaver og komplikasjoner, og en fullstendig teoretisk forklaring på det er en ting for fremtiden.

Deling - gunstig

bindingsenergi (per nukleon) skiller seg i forskjellige kjerner. Tyngre har en lavere bindingsenergi enn den som ligger i midten av det periodiske system.

Dette betyr at tunge atomkjerner hvori atomnummer som er høyere enn 100, fortrinnsvis delt inn i to mindre fragmenter, og derved frigjør energi som blir omdannet til kinetisk energi av fragmentene. Denne prosessen kalles splitting atomkjernen.

I overensstemmelse med stabiliteten kurve som viser avhengigheten av antall protoner fra stabile nuklider for nøytron tyngre kjerne foretrekker et større antall nøytroner (sammenlignet med det antall protoner) enn lysere. Dette tyder på at i tillegg til kløyving vil det avgis noen "spare" nøytroner. I tillegg vil de også ta over noe av energien frigjøres. Studier fisjon av uran atomer viste at dette genererer et nøytron 3-4: U → ^{238 145 90} La + Br + 3n.

Atomnummeret (og atomvekten) av fragmentet ikke er lik halvparten av atomvekten av den overordnede. Forskjellen mellom massene av atomer som er dannet som følge av spaltningen er vanligvis ca 50. Imidlertid er årsaken til dette er ennå ikke helt klart.

Bindings energiene av ²³⁸ U, ¹⁴⁵ La Br og ⁹⁰ er henholdsvis 1803, 1198 og 763 MeV. Dette betyr at energi frigjøres uran fisjon lik 1198 + 158 = 763 til 1,803 MeV et resultat av reaksjonen.

spontan fisjon

spontane splitting prosesser er kjent i naturen, men de er svært sjeldne. Den gjennomsnittlige levetid for denne prosessen er omtrent 10 ^17, og, for eksempel den gjennomsnittlige levetid for alfa-nedbrytning av radionukleidet er omtrent 10 ¹¹ s.

Grunnen til dette er at for å skille seg i to deler, må kjernen først gjennomgår deformasjon (strekk) i en ellipsoide form, og deretter, før den endelige spaltning i to fragmenter danner en "hals" i midten.

potensialbarriere

I den deformerte tilstand i kjernen av to krefter. En av dem - den økede overflateenergi (overflatespenning av væskedråper forklarer dens kuleform), og den andre - Coulomb frastøting mellom de fisjonsfragmentene. Sammen produserer den potensialbarriere.

Som i tilfellet av alfa-nedbrytning å oppstå spontan fisjon av uran atomkjerner, må fragmentene overvinne denne hindring ved hjelp av kvantetunnelering. Barrieren er ca 6 MeV, som i tilfelle av alfa-nedbrytning, men sannsynligheten for tunnelering av a-partikler er betydelig større enn det mye tyngre produktet splitting atom.

tvunget degradering

Mye mer sannsynlig er indusert fisjon av uran kjerner. I dette tilfellet er den opprinnelige kjernen bestråles med nøytroner. Hvis en forelder den absorberer, og de er bundet til for å frigjøre bindingsenergien i form av vibrasjonsenergi som kan overstige 6 MeV for å overvinne den potensialbarriere.

Hvor ytterligere nøytronenergien er ikke nok til å overvinne den potensialbarriere, må den innfalne neutronstrøm har et minimum kinetisk energi for å være i stand til å indusere en deling av atom. I tilfellet med ²³⁸ U ytterligere nøytron bindingsenergi mangler omtrent 1 MeV. Dette betyr at spalting av urankjerner indusert bare nøytroner med en kinetisk energi som er større enn 1 MeV. På den annen side, har det ²³⁵ U isotopen en uparet nøytron. Når en kjerne absorberer ytterligere, danner det sammen med det et par og et ytterligere bindingsenergi er et resultat av denne sammenkoblingen. Dette er tilstrekkelig til å frigi den mengde energi som trengs for å overvinne den potensialbarriere av kjernen og fordelingen av isotoper forekom i en kollisjon med et nøytron.

betahenfall

Til tross for det faktum at fisjonsreaksjon blir emittert av tre eller fire nøytroner, fragmenter fremdeles inneholde flere nøytroner enn sine stabile isobarer. Dette betyr at spaltingsfragmenter generelt er ustabile med hensyn til betastråling.

For eksempel, når det er en divisjon av kjernen av uran ²³⁸ U, stabile isobarer med A = 145 ¹⁴⁵ er neodym Nd, noe som betyr at fragmentet lantan La ¹⁴⁵ deler seg i tre trinn, hver gang med utstrålende elektron og et nøytrino inntil en stabil nuklid er dannet. Stabile isobarer med A = 90 ⁹⁰ er zirkonium Zr, så spaltingsproduktet brom Br ⁹⁰ deler seg i fem trinn kjede β-nedbrytning.

Disse kjede β-decay avgir ekstra energi som transporteres bort nesten alt av elektronet og en nøytrino.

Kjernefysiske reaksjoner: fisjon av uran

Direkte nuklide fra nøytronstråling med for stort antall av dem for å sikre stabiliteten av kjernen er usannsynlig. Her poenget er at det ikke er noen Coulomb frastøtning, og slik at den overflateenergi har en tendens til å beholde den nøytron på grunn av den overordnede. Likevel, noen ganger skjer det. For eksempel, fisjonsfragment Br ⁹⁰ i den første beta-nedbrytning frembringer en krypton-90, som kan befinne seg i en eksitert tilstand med tilstrekkelig energi til å overvinne overflateenergien. I dette tilfellet kan forekomme nøytronstråling direkte for å danne en krypton-89. Dette isobarene er fortsatt ustabil med hensyn til beta-decay har ennå ikke gå inn i stallen yttrium-89, slik at krypton-89 er delt inn i tre stadier.

Uran fisjon: Chain Reaction

Nøytronene fra spaltningsreaksjonen kan absorberes av den andre forelder-kjerne, som deretter undergår selv-indusert fisjon. I tilfelle av uran-238 tre nøytroner, som oppstår ut med energier mindre enn 1 MeV (den energi som frigjøres i den fisjon av uran kjerne - 158 MeV - for det meste omdannet til kinetisk energi spaltingsfragmenter), slik at de ikke kan forårsake en ytterligere oppdeling av denne nuklide. Hvis imidlertid en betydelig konsentrasjon av det sjeldne isotopen U ²³⁵ disse frie nøytroner kan bli fanget av kjernen til ²³⁵ U, det kan faktisk føre til spaltning, da det i dette tilfellet er det ingen energiterskel under hvilken delingen ikke blir indusert.

Dette er prinsippet kjedereaksjon.

Typer av kjernefysiske reaksjoner

La k - antallet nøytroner som produseres i en prøve av spaltbart materiale i trinn n av kjeden, dividert med antallet av nøytroner som produseres i trinn n - 1. Dette antall vil være avhengig av antallet nøytroner som produseres i trinn n - 1, er absorbert av kjernen, hvilken kan gjennomgå Induced fisjon.

• Ved k <1 på, er den kjedereaksjon ganske enkelt ut av damp og prosessen stopper meget hurtig. Dette er hva som skjer i den naturlig uranmalm, i hvilken konsentrasjonen ^{av 235} U er så liten at sannsynligheten for absorpsjonen av et nøytron denne isotopen er ytterst ubetydelig.

• Ved k> 1, vil den kjedereaksjonen fortsetter å vokse så lenge alt av spaltbart materiale vil ikke bli brukt (atombomben). Dette oppnås ved å anrike naturlig malm for å oppnå en tilstrekkelig høy konsentrasjon av uran-235. For sfæriske Prøveverdi k øker med sannsynligheten for nøytronabsorpsjon, som er avhengig av radien av sfæren. Derfor U vekt må overstige en viss critical mass til spalting av uran (chain reaction) kunne forekomme.

• Dersom k = 1, så er det en kontrollert reaksjon. Den brukes i kjernereaktorer. Prosessen er styrt fordeling blant uran staver av kadmium eller bor, som absorberer mesteparten av de nøytroner (disse elementer er i stand til fanging av nøytroner). Oppdeling av urankjerner det blir automatisk kontrollert ved bevegelse av stangen, slik at k-verdien forblir lik en.