Fission kärnor uran. Kedjereaktion. Beskrivning av processen

Dividera kärnan - en tung atom delas upp i två fragment om ungefär lika vikt, följt av frigöring av en stor mängd energi.

Upptäckten av kärnklyvning början på en ny era - "atomåldern". Potentialen av dess möjliga användningsområden och balansen mellan risk att dra nytta av dess användning, gav inte bara upphov till en hel del sociologiska, politiska, ekonomiska och vetenskapliga landvinningar, men också ett allvarligt problem. Även ur ett rent vetenskaplig synpunkt skapade kärnklyvningsprocessen ett stort antal pussel och komplikationer, och en fullständig teoretisk förklaring till det är en sak för framtiden.

Sharing - välgörande

bindningsenergin (per nukleon) skiljer sig åt i olika kärnor. Tyngre har en lägre bindningsenergi än den som ligger i mitten av det periodiska systemet.

Detta betyder att tunga kärnor i vilka atomnummer större än 100, med fördel uppdelad i två mindre fragment, för att därigenom frigöra energi som omvandlas till kinetisk energi av fragmenten. Denna process kallas dela atomkärna.

I enlighet med stabilitetskurvan, som visar beroendet av antalet protoner från stabila nuklider för neutron- tyngre nucleus föredrar ett större antal neutroner (jämfört med antalet protoner) än lättare. Detta tyder på att det utöver klyvningen hörs några "reservdelar" neutroner. Dessutom kommer de också att ta över en del av den energi som frigörs. Studie fission av uranatomer visade att detta alstrar en neutron 3-4: U → ^{238 145 90} La + Br + 3n.

Det atomnummer (och atomvikt) av fragmentet är inte lika med halva den atommassa av föräldern. Skillnaden mellan massorna av atomer bildade som ett resultat av klyvning är vanligen ca 50. Emellertid är anledningen till detta ännu inte helt klart.

Bindningsenergierna för ²³⁸ U, ¹⁴⁵ La Br och ⁹⁰ är 1803, 1198 och 763 MeV respektive. Detta innebär att energi frigörs uran fission lika 1198 + 158 = 763-1803 MeV resulterande från reaktionen.

spontan fission

spontana delningsprocesser är kända i naturen, men de är mycket sällsynta. Den genomsnittliga livslängden för denna process är omkring 10 ^17, och, till exempel, är den genomsnittliga livslängden för alfa-sönderfallet av radionukliden ca 10 ^11.

Anledningen till detta är att för att separera i två delar, måste kärnan först genomgå deformation (töjning) i en ellipsoid form och sedan, före den slutliga klyvningen i två fragment bildar en "hals" i mitten.

potentialbarriär

I det deformerade tillståndet i kärnan av två krafter. En av dem - den ökade ytenergin (ytspänning av vätskedroppar förklarar dess sfäriska form), och den andra - Coulomb repulsion mellan klyvningsfragment. Tillsammans producerar de potentialbarriären.

Såsom i fallet med alfasönderfall inträffar spontan fission av uranatom kärnor, måste fragmenten övervinna detta hinder genom tunneleffekt. Barriären är ca 6 MeV, såsom i fallet med alfa-förfall, men sannolikheten för tunnling av a-partiklar är avsevärt större än den mycket tyngre produkten delning atom.

forcerad degenerering

Mycket mer sannolikt induceras fission kärnor uran. I detta fall är den överordnade kärnan bestrålas med neutroner. Om en förälder det absorberar, då de är bundna för att frigöra den bindningsenergi i form av vibrationsenergi som kan överstiga 6 MeV som behövs för att övervinna potentialbarriären.

Där ytterligare neutron energi är inte tillräckligt för att övervinna den potentiella barriären måste händelsen neutron har en minsta kinetisk energi för att kunna framkalla uppdelning av atomen. I fallet med ²³⁸ U extra neutron bindningsenergi saknas ca 1 MeV. Detta innebär att fission av urankärnor induceras endast neutroner med en kinetisk energi som är större än 1 MeV. Å andra sidan, har ²³⁵ U isotopen en oparade neutron. När en kärna absorberar ytterligare, bildar den med det ett par och ytterligare bindningsenergi är ett resultat av denna parning. Detta är tillräckligt för att frigöra den mängd energi som behövs för att övervinna potentialbarriären av kärnan och uppdelningen av isotoper skett i en kollision med något neutron.

betasönderfall

Trots det faktum att klyvningsreaktionen som släpps ut från tre eller fyra neutroner, fragment innehåller fortfarande fler neutroner än deras stabila isobarer. Detta innebär att klyvningsfragment i allmänhet är instabila med avseende på betasönderfall.

Till exempel, när det finns en uppdelning av kärnan hos uran ²³⁸ U, stabila isobarerna med A = 145 ¹⁴⁵ är neodym Nd, vilket innebär att fragmentet lantan La ¹⁴⁵ delar sig i tre steg, varje gång genom att utstråla elektron och en neutrino tills en stabil nuklid bildas. Stabila isobarerna med A = 90 ⁹⁰ är zirkonium Zr, så klyvningsfragment brom Br ⁹⁰ delar sig i fem steg kedja β-sönderfall.

Dessa kedja β-sönderfall emitterar extra energi som bärs bort nästan alla av elektron och en neutrino.

Kärnreaktioner: fission av uran

Direkt nuklid från neutronstrålning med alltför stort antal av dem för att säkerställa stabiliteten i kärnan är osannolik. Här poängen är att det inte finns någon Coulomb repulsion, och så ytenergi tenderar att behålla neutron på grund av den överordnade. Ändå händer det ibland. Exempelvis klyvningsfragment Br ⁹⁰ i den första beta-sönderfall producerar en krypton-90, som kan vara placerad i ett exciterat tillstånd med tillräcklig energi för att övervinna ytenergin. I detta fall neutronstrålning kan ske direkt för att bilda en krypton-89. Detta isobars är fortfarande instabil med avseende på beta-sönderfall har ännu inte gå in i stallet yttrium-89, så att krypton-89 är uppdelad i tre etapper.

Uran fission: Chain Reaction

Neutroner som avges i klyvningsreaktionen kan absorberas av den andra föräldern-kärna, som sedan undergår självinducerad fission. I fallet med uran-238 tre neutroner, som uppstår ut med energier mindre än 1 MeV (den energi som frigörs i fission av kärn uran - 158 MeV - mestadels omvandlas till kinetisk energi klyvningsfragment), så att de inte kan orsaka en ytterligare uppdelning av denna nuklid. Om emellertid en signifikant koncentration av den sällsynta isotopen U ²³⁵ dessa fria neutroner kan fångas upp av kärnorna av ²³⁵ U, det kan faktiskt orsaka klyvning, eftersom i detta fall det inte finns någon energitröskel under vilken uppdelningen inte induceras.

Detta är principen kedjereaktion.

Olika typer av kärnreaktioner

Låt k - antalet neutroner som produceras i ett prov av det klyvbara materialet i steg n av kedjan, dividerat med antalet neutroner som produceras i steg n - 1. Detta antal kommer att bero på antalet neutroner producerade i steg n - 1, absorberas av kärnan, vilket kan genomgå inducerad fission.

• Om k <1 på, är den kedjereaktion helt enkelt av ånga och processen kommer att sluta mycket snabbt. Detta är vad som händer i den naturliga uranmalm, i vilken koncentrationen ^{av 235} U är så liten att sannolikheten för absorption av en neutron denna isotop är extremt försumbar.

• Om k> 1, kommer kedjereaktionen fortsätta att växa så länge som alla av klyvbart material kommer inte att användas (atombomben). Detta uppnås genom att anrika naturligt malm för att erhålla en tillräckligt hög koncentration av uran-235. För sfäriska sampelvärde k ökar med sannolikheten för neutronabsorption, vilken är beroende av radien hos sfären. Därför måste U vikt överstiger en viss critical mass för att fission av uran (kedjereaktion) kan inträffa.

• Om k = 1, då finns det en kontrollerad reaktion. Det används i kärnreaktorer. Processen styrs fördelning bland uran stavar av kadmium eller bor, som absorberar de flesta av neutronerna (dessa element är kapabel att fånga neutroner). Dividera uran kärnor det automatiskt styrda genom förflyttning av stången så att k-värdet förblir lika med ett.