Fiziju jezgre urana. Lančana reakcija. Opis postupka

Podjela jezgre je cijepanje teškog atoma u dva fragmenta otprilike jednake mase, praćeno oslobađanjem velike količine energije.

Otkriće nuklearne divizije započelo je novu eru - "atomsku dob". Potencijal njegove uporabe i omjer rizika i koristi od njegove uporabe ne samo da su stvorili mnoga sociološka, ​​politička, ekonomska i znanstvena dostignuća već i ozbiljni problemi. Čak i sa čisto znanstvenog stajališta, proces nuklearne fisije stvorio je veliki broj zagonetki i komplikacija, a potpuno je teorijsko objašnjenje stvar budućnosti.

Udio - isplativo

Snage vezanja (po nukleonu) za različite jezgre razlikuju se. Teže one imaju nižu energiju vezanja od onih koje se nalaze u sredini periodičnog stola.

To znači da su teške jezgre, u kojima je atomska broj više 100, korisno je podijeliti na dva manja fragmenta, čime se oslobađa energija koja se pretvara u kinetičku energiju fragmenata. Taj se proces naziva razdvajanje atomska jezgra.

U skladu s krivuljom stabilnosti koja pokazuje ovisnost broja protona o broju neutrona za stabilne nukleofilne spojeve, teže jezgre preferiraju veći broj neutrona (u usporedbi s brojem protona) od lakših. To sugerira da će uz proces razdvajanja emitirati neke "rezervne" neutrone. Osim toga, oni će također preuzeti dio dodijeljene energije. Proučavanje fisije jezgre atoma urana pokazalo je da se u ovom slučaju oslobađaju 3-4 neutrona: ²³⁸U → ¹⁴⁵La + ⁹⁰Br + 3n.

Atomska veličina (i atomska masa) fragmenta nije jednak polovici atomske mase roditelja. Razlika između masa atoma nastalih uslijed cijepanja je obično oko 50. Istina, razlog za to još nije u potpunosti shvaćen.

Moć komunikacije ²³⁸U, ¹⁴⁵La i ⁹⁰Br iznose 1803, 1198 i 763 MeV. To znači da se kao rezultat ove reakcije oslobađa fisija energije jezgre urana, jednaka 1198 + 763-1803 = 158 MeV.

Spontana podjela

Procesi spontane fisije poznati su po prirodi, ali oni su vrlo rijetki. Prosječni vijek trajanja ovog procesa je oko 10¹⁷ godina, i, na primjer, prosječni životni vijek alfa propadanja istog radionuklida je oko 10¹¹ godine.

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, dvije sile djeluju na jezgru. Jedna od njih je povećana površinska energija (površinska napetost kapljice tekućine objašnjava njezin sferični oblik), a druga je Coulombova odbijanja između fragmenata fisije. Zajedno stvaraju potencijalnu barijeru.

Kao u slučaju propadanja alfa, spontana fisija jezgre atoma urana, fragmenti moraju prevladati tu barijeru kvantnim tuneliranjem. Prepreka je oko 6 MeV, kao u slučaju propadanja alfa, ali vjerojatnost tunela alfa čestice su znatno veće od mnogo teže dijeljenja atoma.

Prisilno razdvajanje

Mnogo je vjerojatnije da je inducirana fisija jezgre urana. U ovom slučaju, majčinska jezgra se ozračuje s neutronima. Ako ga roditelj apsorbira, oni se vežu, oslobađajuću energiju vezanja u obliku vibracijske energije, koja može premašiti 6 MeV, nužna za prevladavanje potencijalne barijere.

Tamo gdje je energija dodatnog neutrona nedostatna za prevladavanje potencijalne barijere, incidentni neutron trebao bi imati minimalnu kinetičku energiju kako bi mogao inducirati cijepanje atoma. U slučaju ²³⁸U, energija vezanja dodatnih neutrona je manja od oko 1 MeV. To znači da je fisija jezgre urana inducirana samo neutronom s kinetičkom energijom veću od 1 MeV. S druge strane, izotop ²³⁵U ima jedan neutralni neutron. Kada jezgra apsorbira dodatni, formira par s njim, a kao rezultat ovog uparivanja pojavljuje se dodatna energija vezanja. To je dovoljno za oslobađanje količine energije potrebne za jezgru da se prevlada potencijalna prepreka i fisija izotopa dogodila u sudaru s bilo kojim neutronskim.

Beta propadanje

Unatoč činjenici da tri ili četiri neutrona emitiraju tijekom fisije, fragmenti još uvijek sadrže više neutrona od njihovih stabilnih izobara. To znači da su fragmenti cijepanja, u pravilu, nestabilni s obzirom na beta-raspad.

Na primjer, kada se odredi fisija jezgre urana ²³⁸U, stabilni izobar s A = 145 je neodimij ¹⁴⁵Nd, što znači da je fragment lantana ¹⁴⁵La se dijeli u tri faze, svaki put emitirajući elektron i antineutrino, dok se ne formira stabilni nuklid. Stabilni izobar s A = 90 je cirkonij ⁹⁰Zr, tako da razlomak dijeli brom ⁹⁰Br se dijeli u pet faza lanca beta raspad.

Ti lanci beta raspadanje proizvodi dodatnu energiju, koja je gotovo u cijelosti odnesena od strane elektrona i antineutrinos.

Nuklearne reakcije: fisija jezgara urana

Izrazito je zračenje neutrona s nuklida s prevelikom količinom kako bi se osigurala stabilnost jezgre. Ovdje je stvar da ne postoji Coulombova odbojnost, pa stoga površinska energija teži zadržavanju neutrona u vezi s roditeljima. Međutim, to se ponekad događa. Na primjer, fragment podjele ⁹⁰Br u prvoj fazi beta propadanja proizvodi kripton-90, koji može biti u uzbudjenom stanju s dovoljnom energijom za prevladavanje površinske energije. U tom slučaju, neutronsko zračenje može nastati izravno s formiranjem kripton-89. Ovaj je izobar još uvijek nestabilan u odnosu na beta propadanja sve dok ne prođe do stabilnog itrij-89, tako da se kripton-89 raspada u tri faze.

Fisija jezgara urana: 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. Ipak, uz značajnu koncentraciju rijetkog izotopa ²³⁵U te slobodne neutrone mogu se uhvatiti jezgri ²³⁵U, što zapravo može uzrokovati cijepanje, jer u ovom slučaju ne postoji prag energije ispod kojeg podjela nije inducirana.

Ovo je načelo lančane reakcije.

Vrste nuklearnih reakcija

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 mogu proći prisilnu podjelu.

• Ako k < 1, tada će lančana reakcija jednostavno izdahnuti i proces će se zaustaviti vrlo brzo. To je ono što se događa u prirodnom rude urana, u kojem je koncentracija ²³⁵U je tako malen da je vjerojatnost apsorpcije jednog od neutrona s ovim izotopom izuzetno beznačajna.

• Ako je k> 1, lančana će reakcija rasti sve dok se ne koristi cijeli fisijski materijal (atomska bomba). To se postiže obogaćivanjem prirodne rude dovoljno visokoj koncentraciji urana 235. Za kuglasti uzorak, vrijednost k povećava s povećanjem vjerojatnosti apsorpcije neutrona, što ovisi o radijusu kugle. Stoga, masa U mora premašiti neke kritična masa, da se može pojaviti fisija jezgara urana (lančana reakcija).

• Ako je k = 1, tada se provodi kontrolirana reakcija. Ovo se koristi u nuklearni reaktori. Proces kontrolira raspodjela među šipkama urana iz kadmija ili bora, koji apsorbiraju većinu neutrona (ti elementi imaju sposobnost hvatanja neutrona). Fisija jezgre urana kontrolirana je automatski pomicanjem štapića na takav način da vrijednost k ostaje jednaka jedinstvu.