Cepitev jedra urana. Veriga reakcije. Opis postopka

Razdelitev jedra je razdelitev težkega atoma v dva drobca približno enake mase, skupaj s sproščanjem velike količine energije.

Odkritje jedrske divizije je začelo novo obdobje - "atomska doba". Potencial njegove uporabe in razmerja med tveganjem in koristjo njene uporabe niso ustvarjali le številnih socioloških, političnih, gospodarskih in znanstvenih dosežkov, temveč tudi resne težave. Tudi iz čisto znanstvenega vidika je proces jedrske cepitve ustvaril veliko število uganka in zapletov, popolna teoretična razlaga pa je stvar prihodnosti.

Delež - donosno

Energija vezave (na nukleon) za različna jedra se razlikuje. Težji imajo nižjo vezavno energijo kot tiste, ki se nahajajo sredi občasne tabele.

To pomeni, da težka jedra, v kateri je atomska število več 100, je prednostno deliti na dva manjša drobca, s čimer se sprosti energija, ki se pretvori v kinetično energijo fragmentov. Ta proces imenujemo razdelitev atomsko jedro.

V skladu s krivuljo stabilnost, ki prikazuje odvisnost števila protonov iz stabilnih radionuklidov za vzdržijo težje jedro raje večje število nevtronov (v primerjavi s številom protonov) kot vžigalnik. To nakazuje, da se bodo skupaj s postopkom cepitve oddajali tudi nekateri "rezervni" nevtroni. Poleg tega bodo tudi prevzeli del dodeljene energije. Študija fisije jedra atoma urana je pokazala, da se v tem primeru sproščajo 3-4 nevtroni: ²³⁸U → ¹⁴⁵La + ⁹⁰Br + 3n.

Atomsko število (in atomska masa) fragmenta ni enako polovici atomske mase staršev. Razlika med množicami atomov, ki so nastala zaradi cepitve, je ponavadi okoli 50. Res je, da razlog za to še ni popolnoma razumljen.

Moč komunikacije ²³⁸U, ¹⁴⁵La in ⁹⁰Br sta enaka 1803, 1198 in 763 MeV. To pomeni, da se zaradi te reakcije sprošča energija fisije uranovega jedra, enaka 1198 + 763-1803 = 158 MeV.

Spontana delitev

Procesi spontane fisije so znani po naravi, vendar so zelo redki. Povprečna življenjska doba tega procesa je približno 10¹⁷ let, in na primer, povprečna življenjska doba alfa razpadlega istega radionuklida je približno 10¹¹ let.

Razlog za to je, da je za ločili v dva dela, mora jedro najprej opravi deformacijo (raztegljive) v elipsaste oblike, in nato, da pred končnim cepitvi v dveh fragmentov tvori "vrat" v sredini.

Potencialna pregrada

V deformiranem stanju na jedru delujejo dve sili. Ena od njih je povečana površinska energija (površinska napetost kapljice kapljevine pojasnjuje njegovo kroglično obliko), druga pa kulonska odbojnost med fisijskimi fragmenti. Skupaj ustvarjajo potencialno oviro.

Kot pri razpadanju alfa pride do spontane fisije jedra atoma urana, fragmenti morajo to pregrado premagati s kvantnim tunelom. Pregrada je približno 6 MeV, kot v primeru razpadanja alfa, vendar verjetnost tuneliranja delci alfa so precej večji od produkta, ki je del težjega atoma.

Prisilno cepitev

Močnejša je indukcija cepitve jedra urana. V tem primeru je matično jedro obsevano z nevtroni. Če ga roditelj absorbira, se vežejo, sprostijo energijo vezave v obliki vibracijske energije, ki lahko presega 6 MeV, kar je potrebno za premagovanje potencialne pregrade.

Kje je dodatna nevtronov energije ni dovolj za odpravo morebitno oviro, mora incident nevtronov imajo minimalno kinetično energijo, da bi lahko inducira delitev atoma. V primeru ²³⁸U, energija vezave dodatnih neutronov je manjša od približno 1 MeV. To pomeni, da cepitev jedra urana povzroča samo nevtron s kinetično energijo večjo od 1 MeV. Po drugi strani pa je izotop ²³⁵U ima en nepohoten nevtron. Ko jedro absorbira dodatno, tvori par z njim, in kot rezultat tega seznanja se pojavi dodatna vezavna energija. To je dovolj, da sprosti količino energije, ki je potrebna, da jedro premaga potencialno oviro, in cepitev izotopa se je zgodila v trčenju s katerim koli nevtronom.

Beta razpad

Kljub temu, da med reakcijo fisije oddajajo tri ali štiri nevtrone, fragmenti še vedno vsebujejo več nevtronov kot njihovi stabilni izobarji. To pomeni, da so fragmenti cepitve praviloma nestabilni glede na beta propad.

Na primer, ko pride do fisije jedra urana ²³⁸U, stabilen izobar z A = 145 je neodim ¹⁴⁵Nd, kar pomeni, da je fragment lantana ¹⁴⁵La se razcepi v tri faze, vsakič, ko oddajajo elektron in antineutrin, dokler se ne tvori stabilen nuklid. Stabilen izobar z A = 90 je cirkonij ⁹⁰Zr, tako da razcepljeni razcepljeni brom ⁹⁰Br se razcepi na pet stopenj verige beta propad.

Te verige beta propad proizvede dodatno energijo, ki jo skoraj v celoti ovirajo elektroni in antineutrinozi.

Jedrske reakcije: cepitev jedra urana

Neposredno sevanje nevtona iz nuklida s prevelikim številom njih, da se zagotovi stabilnost jedra, ni verjetno. Tu je stvar, da ni kulonskega odbijanja, zato površinska energija nagiba k držanju nevtona v povezavi s staršem. Vendar se to včasih zgodi. Na primer, fragment delitve ⁹⁰Br v prvi stopnji beta razpada proizvede krypton-90, ki je lahko v vznemirjenem stanju z zadostno energijo za premagovanje površinske energije. V tem primeru se lahko nevtronsko sevanje pojavlja neposredno s tvorbo krypton-89. Ta izobar je še vedno nestabilen glede na beta propad, dokler ne preide na stabilen itrij-89, tako da se krypton-89 razpade v tri stopnje.

Fisija jeder urana: verižna reakcija

Neutrone, ki se oddajajo v cepitveni reakciji, lahko absorbira drugo starševsko jedro, ki se sama po sebi podvrže inducirani cepitvi. V primeru urana-238 tri nevtroni, ki izhajajo iz z energijami manj kot 1 MeV (katerih energija sprosti v cepitve jedra urana - 158 MeV - večinoma pretvorijo v kinetično energijo razpada fragmentov), ​​tako da ne more povzročiti nadaljnjo delitev tega radionuklida. Kljub temu s pomembno koncentracijo redkega izotopa ²³⁵Te proste nevtrone lahko ujamemo z jedri ²³⁵U, ki lahko dejansko povzroči delitev, ker v tem primeru ni nobenega energetskega praga, pod katerim delitev ni povzročena.

To je načelo verižne reakcije.

Vrste jedrskih reakcij

Naj k - število nevtronov proizvedenih v vzorcu z cepljivih snovi v koraku n verige, deljeno s številom nevtronov, proizvedenega v fazi n - 1. bo to število je odvisno od števila nevtronov, proizvedenih v stopnji n - 1, se absorbira v jedru, ki je lahko pride do prisilne delitve.

• Če k < 1, potem bo verižna reakcija preprosto izdihnila in postopek se bo zelo hitro ustavil. To se dogaja v naravnem okolju uranove rude, v kateri je koncentracija ²³⁵U je tako majhen, da je verjetnost absorpcije enega od nevtronov s tem izotopom izjemno zanemarljiva.

• Če k> 1, potem veriga reakcija raste, dokler se ne uporabi vse cepljive snovi (atomska bomba). To se doseže z obogatitvijo naravne rude do dovolj visoke koncentracije urana-235. Za sferični vzorec se vrednost k poveča z naraščajočo verjetnostjo absorpcije nevtronov, ki je odvisna od polmera krogle. Zato mora masa U presegati nekaj kritična masa, da bi lahko prišlo do fisije jeder urana (verižna reakcija).

• Če je k = 1, se izvede nadzorovana reakcija. To se uporablja v jedrski reaktorji. Postopek nadzira distribucija med uranovimi palicami iz kadmija ali borov, ki absorbirajo večino nevtronov (ti elementi imajo možnost zajetja nevtronov). Cepitev jedra urana se samodejno krmili s premikanjem palic tako, da vrednost k ostane enaka enoti.