Štiepenie uránu jadier. Reťazová reakcia. opis procesu

Delenie jadro - ťažký rozdelenie atóm do dvoch fragmentov s približne rovnakou hmotnosťou, s nasledujúcim uvoľnením veľkého množstva energie.

Objav jadrového štiepenia začiatku novej éry - "atómový vek". Potenciál jeho možných využití a bilancia rizík ťažiť z jeho používania, dal nielen k vzniku mnohých sociologických, politických, hospodárskych a vedeckých úspechov, ale aj vážny problém. Ani z čisto vedeckého hľadiska jadrovej proces štiepenia vytvoril veľké množstvo hádaniek a komplikácií, a kompletné teoretické vysvetlenie pre to je vecou budúcnosti.

Zdieľanie - prospešný

väzobné energie (na nukleón) sa líši v rôznych jadrách. Ťažšie majú nižšiu väzbovú energiu, ako je umiestnený v strede periodickej tabuľky.

To znamená, že ťažké jadra, v ktorých atómové číslo väčšie ako 100, výhodne rozdelená na dve menšie fragmenty, čím sa uvoľní energia, ktorá sa premení na kinetickú energiu fragmentov. Tento proces sa nazýva štiepenie atómové jadro.

V súlade s krivkou stability, ktorý ukazuje závislosť počtu protónov od stabilných nuklidov na neutrón ťažšie jadro uprednostňujú väčší počet neutrónov (v porovnaní s počtom protónov) než ľahšie. To naznačuje, že navyše k štiepanie zaznie niektoré "náhradných" neutróny. Okrem toho budú takisto prevziať časť energie uvoľnenej. Štúdia štiepenie atómov uránu ukázala, že tento generuje neutrón 3-4: U → ^{238 145 90} La + Br + 3N.

Atómové číslo (a atómová hmotnosť) fragmentu nie je rovná polovici atómovej hmotnosti materskej. Rozdiel medzi hmotnosťou atómov, ktoré sú výsledkom štiepenia je zvyčajne asi 50., dôvod pre toto nie je ešte celkom jasné.

Väzbové energie zo ²³⁸ U, ¹⁴⁵ La Br a ⁹⁰ sú 1803, 1198 a 763 MeV, resp. To znamená, že sa uvoľňuje energia štiepenie uránu rovné 1198 + 158 = 763 až 1.803 MeV vyplývajúce z reakcie.

spontánna štiepenie

spontánnemu rozštiepeniu procesy sú známe v prírode, ale sú veľmi zriedkavé. Priemerná životnosť tohto procesu je asi 10 ^17, a napríklad sa priemerná životnosť alfa-rozpad rádionuklidu je asi 10 ^11.

Dôvodom je to, že, aby sa oddelil do dvoch častí, jadro musí najprv prejsť deformácii (stretch) v eliptického tvaru, a potom, pred konečným štiepením na dva fragmenty tvoria "hrdlo" uprostred.

potenciálny bariéra

V deformovanom stave v jadre z dvoch síl. Jeden z nich - zvýšená povrchová energia (povrchové napätie kvapôčok kvapaliny vysvetľuje jeho guľovitý tvar), a druhá - Coulombovho odpudzovanie medzi fragmenty štiepenia. Spoločne produkujú potenciálnu prekážku.

Rovnako ako v prípade alfa rozpad nastať spontánne štiepenie uránu atómových jadier, fragmenty musí prekonať túto bariéru pomocou kvantovej tunelovanie. Bariéra je asi 6 MeV, ako je tomu v prípade, že alfa-rozpadu, ale pravdepodobnosť tunelovanie a-častíc, je podstatne väčšia, než je oveľa ťažšie štiepací produkt atómu.

nútený degradácie

Oveľa pravdepodobnejšie, že sa indukuje štiepenie uránu jadier. V tomto prípade je rodič jadro ožiari neutróny. Ak rodič sa absorbuje, potom sú viazané k uvoľneniu väzobné energiu vo forme vibračnej energie, ktorá môže byť vyššia ako 6 MeV potrebné na prekonanie potenciálnu prekážku.

V prípade ďalšej energie neutrónov nestačí na prekonanie potenciálnu prekážku, incident neutrónov musí mať minimálnu kinetickú energiu, aby bolo schopné vyvolať štiepenie atómu. V prípade ²³⁸ U ďalších neutrónov väzobné energie chýba asi 1 MeV. To znamená, že štiepenie uránu jadier vyvolané len neutróny s kinetickou energiou väčšou ako 1 MeV. Na druhej strane, ²³⁵ U izotop má jeden nepárový neutrónov. Keď je jadro absorbuje ďalší, tvorí s ním pár a ďalšie väzobné energie je výsledkom tohto párovanie. To je dostačujúce pre uvoľnenie množstvo energie potrebnej na prekonanie potenciálnej bariéru jadra a rozdelenie izotopov došlo v kolízii s akýmkoľvek neutrónu.

beta rozpad

Napriek tomu, že štiepna reakcia sú emitované tromi alebo štyrmi neutróny, fragmenty ešte obsahujú viac neutrónov než ich stabilné isobars. To znamená, že fragmenty štiepenia sú všeobecne nestabilné vzhľadom k rozpadu beta.

Napríklad, v prípade, že je rozdelenie jadra uránu ²³⁸ U, stabilný Isobar s A = 145, ¹⁴⁵ je neodýmu Nd, čo znamená, že lantánu fragment Do ¹⁴⁵ sa rozdelia do troch fáz, a to vždy vyžarujúci elektrón a neutríno až do dosiahnutia stabilného nuklidu je tvorená. Stabilné Isobar s A = 90 ⁹⁰ je zirkónium Zr, takže štiepenie fragment bróm Br ⁹⁰ sa rozdelia do piatich stupňov reťazcom beta-rozpadu.

Tieto reťazca β-rozpade vyžarujú viac energie, ktorá je unášaná preč takmer všetky elektrón a neutrín.

Jadrové reakcie: štiepenie uránu

Priamy rádionuklid z neutrónového žiarenia s príliš veľkým množstvom z nich, aby zabezpečili stabilitu jadra je nepravdepodobné. Tu ide o to, že neexistuje žiadny Coulombovho odpudzovanie, takže povrchová energia má tendenciu udržať neutrón kvôli rodičia. Avšak, to sa občas stáva. Napríklad štiepenie fragment Br ⁹⁰ v prvej beta-rozpad produkuje kryptón-90, ktorý môže byť umiestnený v excitovanom stave s dostatočnou energiou, aby prekonanie povrchové energie. V tomto prípade môže neutrónového žiarenia nastať priamo za vzniku kryptón-89. Tento Isobar je stále nestabilná, pokiaľ ide o beta-rozpad ešte ísť do stabilnej ytrium-89, takže kryptón-89 je rozdelená do troch etáp.

Štiepenie uránu: reťazová reakcia

Neutróny emitované v štiepenie môžu byť absorbované druhého rodiča-jadra, ktorý sa potom podrobí samostatne vyvolané štiepenie. V prípade uránu-238 tri neutróny, ktoré vznikajú s energiou menšou ako 1 MeV (energia uvoľnená pri štiepení jadra uránu - 158 MeV - väčšinou prevedené do kinetickej fragmenty energie štiepenie), takže nemôžu spôsobiť ďalšie rozdelenie tohto nuklidu. Ak je však významná koncentrácia vzácneho izotopu U ²³⁵ sa tieto voľné neutróny môžu byť zachytené jadrách ²³⁵ U, môže skutočne spôsobiť štiepenie, pretože v tomto prípade nie je energetický prah, pod ktorou je rozdelenie neindukuje.

To je princíp reťazová reakcia.

Typy jadrových reakcií

Nech k - počet neutrónov vo vzorke štiepneho materiálu v kroku n reťazi, delený počtom neutrónov, vytvoreného v stupni n - 1. Tento počet závisí od počtu neutrónov v krok n - 1, sa absorbované jadrom, ktoré môžu podstúpiť umelé štiepenie.

• Ak je k <1 o, reťazová reakcia je potom z vodnej pary a proces sa zastaví veľmi rýchlo. To je to, čo sa deje v prírodnom uránovej rudy, v ktorom je ^{koncentrácia 235} U je tak malý, že pravdepodobnosť absorpcie neutrónu tento izotop je veľmi zanedbateľný.

• Ak je k> 1, bude reťazová reakcia aj naďalej rásť tak dlho, kým všetky štiepneho materiálu nebudú použité (atómová bomba). To sa dosiahne obohatenie prírodné rudy, aby sa získala dostatočne vysoká koncentrácia uránu-235. Pre guľovité vzorku hodnota k sa zvyšuje s pravdepodobnosťou absorpcie neutrónov, ktorý je závislý na polomeru gule. Preto U hmotnosť musí byť vyššia ako určitý kritický potenciál pre štiepenie uránu (reťazovej reakcie) môže dôjsť.

• Ak je k = 1, potom je riadená reakcia. Používa sa v jadrových reaktoroch. Tento proces je riadený rozdelenie medzi uránových tyčí kadmia alebo bóru, ktoré absorbujú väčšina neutrónov (tieto prvky sú schopné zachytiť neutróny). Delenie urán jadra je automaticky riadené pohybom tyče tak, aby hodnota k zostáva rovný jednej.