Fissio uraaniytimiä. Ketjureaktio. Prosessin kuvaus

Jakamalla ydin - raskas atomi halkaisu kahdeksi fragmentiksi suunnilleen yhtä suuri paino, jonka jälkeen vapautuminen on suuri määrä energiaa.

Löytö ydinfission aloittaa uuden aikakauden - "Atomic Age". Potentiaalia sen mahdollisia käyttötarkoituksia ja tasapaino riskin hyötyä sen käytöstä, paitsi synnytti paljon sosiologinen, poliittisia, taloudellisia ja tieteellisiä saavutuksia, mutta myös vakava ongelma. Jopa puhtaasti tieteellisestä näkökulmasta, ydinfission prosessi loi lukuisia pulmia ja komplikaatioita, ja täysin teoreettinen selitys se on asia tulevaisuuden.

Jakaminen - hyödyllistä

sidosenergia (per nukleoni) eroavat eri ytimiä. Painavampi on pienempi sitova energiaa kuin sijaitsee keskellä jaksollisen.

Tämä tarkoittaa sitä, että raskaat ytimet, jossa atomien lukumäärä on suurempi kuin 100, edullisesti jaettu kahteen pienemmiksi fragmenteiksi, vapauttaen energiaa, joka muunnetaan kineettisen energian fragmenttien. Tätä prosessia kutsutaan halkaisu atomin ytimen.

Mukaisesti vakavuuskäyrä, joka esittää riippuvuutta protonien lukumäärä stabiileista nuklidien neutronien raskaampia ydin mieluummin suurempi määrä neutroneja (verrattuna protonien lukumäärä) kuin sytytin. Tämä viittaa siihen, että sen lisäksi, repimisprosessia välähtää joitakin "vara" neutroneja. Lisäksi ne sisältävät myös joitakin energia vapautuu. Tutkimus fission Uraaniatomien osoitti, että tämä tuottaa neutronin 3-4: U → ^{238 145 90} La + Br + 3n.

Atomi numero (ja atomimassa) fragmentin ei ole sama kuin puoli atomimassa vanhemman. Ero massojen atomien muodostettu pilkkomisen tuloksena on yleensä noin 50. Kuitenkin, syy tähän ei ole vielä täysin selvä.

Sitoutuminen energiat ²³⁸ U, ¹⁴⁵ La Br ja ⁹⁰ ovat 1803, 1198 ja 763 MeV. Tämä tarkoittaa sitä, että energiaa vapautuu uraanin fission yhtä suuri 1198 + 158 = 763-1803 MeV reaktion seurauksena.

spontaani fissio

spontaani halkaisu menetelmät ovat tunnettuja luonnossa, mutta ne ovat hyvin harvinaisia. Keskimääräinen elinikä tässä prosessissa on noin 10 ^17, ja, esimerkiksi, keskimääräinen käyttöikä alfa-rappeutuminen radionuklidi on noin 10 ¹¹ s.

Syy tähän on se, että jotta erotetaan kahteen osaan, runko on ensimmäinen deformoitua (venytys) kanssa soikiomainen muoto, ja sitten, ennen lopullista katkaisua kahdeksi fragmentiksi muodostavat "kaula" keskellä.

potentiaalivalli

Deformoidussa tilassa ytimessä kahden voiman. Yksi niistä - pinta on suurempi energia (pintajännitys nestepisaroiden selittää sen pallomainen muoto), ja muut - Coulombin välistä hylkimistä fissioprosessia fragmentit. Yhdessä ne tuottavat esteeksi.

Kuten alfa hajoaminen tapahtuu spontaani fissio uraanin atomien ytimet, fragmentit on voitettava tämä este avulla tunneli-ilmiö. Este on noin 6 MeV, kuten tapauksessa alfa-hajoamisen, mutta todennäköisyys tunnelointi α-hiukkasten on huomattavasti suurempi kuin paljon raskaampaa tuotetta halkaisu atomi.

pakko hajoaminen

Paljon todennäköisempää aiheutetaan fissio uraaniytimiä. Tällöin vanhempi ydin säteilytetään neutroneja. Jos vanhempi se imee, niin ne ovat sitoutuneet vapauttamaan sitova energian muodossa värähtelyenergialle jotka voivat ylittää 6 MeV tarvitaan välttämättä esteeksi.

Jos muita neutronien energia ei riitä voittamaan potentiaalivallia, tapaus neutroni on oltava vähintään kineettinen energia, jotta se pystyy aiheuttamaan jakamisen atomin. Tapauksessa ²³⁸ U ylimääräisiä neutroni sitova energia puuttuu noin 1 MeV. Tämä tarkoittaa sitä, että fissio uraaniytimiä indusoi vain neutroneja, joiden kineettinen energia on yli 1 MeV. Toisaalta, ²³⁵ U isotooppia on yksi pariton neutronin. Kun ydin absorboi lisää, se muodostaa sen kanssa pari ja lisäksi sitova energia on tuloksena pariksi. Tämä on riittävä vapauttamaan määrä energiaa, joka tarvitaan voittamaan esteeksi tuman ja jako isotooppien tapahtui törmäys tahansa neutroneja.

beetahajoaminen

Huolimatta siitä, että fissioreaktiossa päästetään kolme tai neljä neutroneja, fragmentit sisältävät yhä enemmän neutroneja kuin niiden vakaa isobaarit. Tämä tarkoittaa, että katkaisun fragmentit ovat yleensä epästabiileja suhteen beetahajoaminen.

Esimerkiksi, kun on tuman jakautumista uraanin ²³⁸ U, vakaa isobaarit A = 145 ¹⁴⁵ on neodyymi Nd, mikä tarkoittaa, että fragmentti, lantaani La ¹⁴⁵ jakaa kolmeen vaiheeseen, joka kerta säteilevän elektroni ja neutriinon kunnes vakaa nuklidin on muodostettu. Vakaa isobaarit A = 90 ⁹⁰ on zirkonium Zr, joten pilkkomisfragmentin bromi Br ⁹⁰ jakaa viiteen vaiheeseen ketju β-hajoaminen.

Näiden ketju β-hajoaminen päästää ylimääräistä energiaa, joka kuljetetaan pois lähes kaikki elektronin ja neutriino.

Ydinreaktioita: fissio uraanin

Suora nuklidin mistä neutronisäteilyä liian suuri osa niistä vakauden takaamiseksi tuman on epätodennäköistä. Tässä on, että ei ole Coulomb repulsio, ja niin pintaenergia pyrkii pitämään neutroneja muuttumattomaan. Kuitenkin, se joskus tapahtuu. Esimerkiksi, fissiotuotteiden fragmentti Br ⁹⁰ ensimmäisen beta-hajoaminen tuottaa krypton-90, joka voi sijaita viritetyssä tilassa riittävästi energiaa voittamiseksi pintaenergian. Tässä tapauksessa saattaa esiintyä neutronisäteilyä suoraan muodostamiseksi krypton-89. Tämä isobaarit on edelleen epävakaa suhteen beeta-rappeutuminen ei ole vielä mennä vakaa yttrium-89, niin, että krypton-89 on jaettu kolmeen vaiheeseen.

Uraani fissio: Chain Reaction

Neutronit purkautuvan lohkaisureaktion voi absorboida toisen vanhemman-ydin, joka sitten läpikäy itse aiheutettuja fission. Tapauksessa uraani-238 kolme neutroneja, jotka johtuvat energioita vähemmän kuin 1 MeV (vapautuva energia fissioreaktiossa uraanin ydin - 158 MeV - enimmäkseen muunnetaan kineettinen energia pilkkomisfragmentit), joten ne eivät voi aiheuttaa jakamista vielä tämän nuklidin. Kuitenkin, jos merkittävä pitoisuus harvinaisten isotooppia U ²³⁵ nämä vapaita neutroneja voidaan kerätä ytimiä ²³⁵ U, ja se voi aiheuttaa katkaisun, koska tässä tapauksessa ei ole energiaa, jonka alapuolella jako ei ole indusoitu.

Tämä periaate ketjureaktio.

Tyypit ydinreaktiot

Anna k - määrä neutroneja tuotetaan näyte fissiomateriaali vaiheessa n ketjun, jaettuna määrä neutroneja valmistettu vaiheessa n - 1. Tämä määrä riippuu määrä neutroneja valmistettu vaiheessa n - 1, imeytyy ydin, joka voi tapahtua indusoitu ydinfission.

• Jos k <1, ketjureaktio on yksinkertaisesti ulos höyryä ja prosessi pysähtyy erittäin nopeasti. Tämä on mitä tapahtuu luonnollinen uraani malmi, jossa ^{pitoisuus 235} U on niin pieni, että todennäköisyys imeytymistä neutronin tämä isotooppi on erittäin vähäinen.

• Jos k> 1, ketjureaktio jatkaa kasvuaan niin kauan kuin kaikki fissiomateriaalin ei käytetä (atomipommi). Tämä saavutetaan rikastuttaa luonnollinen malmi saada riittävän korkea pitoisuus uraani-235. Pallomaisen näytteen arvo k kasvaa todennäköisyys neutroniabsorptiokyky, joka on riippuvainen säde. Näin ollen U paino on ylitettävä tietty kriittinen massa fission uraanin (ketjureaktion) voi esiintyä.

• Jos k = 1, niin on kontrolloitu reaktio. Sitä käytetään ydinreaktoreissa. Säätelee prosessin jakautuminen uraani tangot kadmiumia tai booria, jotka absorboivat suurimman osan neutronien (nämä elementit kykenevät ottamaan talteen neutroneja). Jakamalla uraani ydintä se on automaattisesti säädetään liikuttamalla tankoa niin, että k-arvo pysyy yhtä suuri kuin yksi.