Fissionul nucleului de uraniu. Reacția lanțului. Descrierea procesului

Divizarea nucleului este împărțirea unui atom greu în două fragmente de masă aproximativ egală, însoțite de eliberarea unei cantități mari de energie.

Descoperirea diviziei nucleare a început o nouă eră - "epoca atomică". Potențialul posibilei sale utilizări și raportul de risc pentru a beneficia de aplicarea sa nu numai că au dat naștere la multe realizări sociologice, politice, economice și științifice, dar și la probleme serioase. Chiar și din punct de vedere pur științific, procesul de fisiune nucleară a creat un mare număr de puzzle-uri și complicații, iar explicația sa teoretică completă este o chestiune a viitorului.

Partajați - profitabil

Energiile de legare (pe nucleon) pentru diferite nuclee diferă. Cele mai grele au o energie de legare mai mică decât cele situate în mijlocul mesei periodice.

Aceasta înseamnă că nucleele grele, pentru care numărul atomic este mai mare de 100, sunt în mod avantajos împărțite în două fragmente mai mici, eliberând astfel energia care se transformă în energia cinetică a fragmentelor. Acest proces se numește împărțirea nucleului atomic.

În conformitate cu curba de stabilitate, care arată dependența numărului de protoni față de numărul de neutroni pentru nucleele stabile, nucleele mai grele preferă un număr mai mare de neutroni (în comparație cu numărul de protoni) decât cele mai ușoare. Acest lucru sugerează că, împreună cu procesul de divizare, vor fi emise și câteva neutroni "de rezervă". În plus, aceștia vor prelua și o parte din energia alocată. Studiul fiziologiei nucleului atomului de uraniu a arătat că în acest moment sunt eliberate 3-4 neutroni: ²³⁸ U → ¹⁴⁵ La + ⁹⁰ Br + 3n.

Numărul atomic (și masa atomică) a fragmentului nu este egal cu jumătate din masa atomică a părintelui. Diferența dintre masele de atomi formate ca rezultat al despicării este de obicei de aproximativ 50 de ani. Cu toate acestea, motivul pentru aceasta nu este încă pe deplin înțeles.

Energiile de legare de ²³⁸ U, ¹⁴⁵ La și ⁹⁰ Br sunt egale cu 1803, 1198 și respectiv 763 MeV. Aceasta înseamnă că, ca urmare a acestei reacții, energia de fisiune a nucleului de uraniu este eliberată, egală cu 1198 + 763-1803 = 158 MeV.

Diviziune spontană

Procesele de divizare spontană sunt cunoscute în natură, însă sunt foarte rare. Durata medie de viață a acestui proces este de aproximativ ^10-17 ani și, de exemplu, durata medie de viață a degradării alfa a aceluiași radionuclid este de aproximativ 10 ¹¹ ani.

Motivul pentru aceasta este că, pentru a se împărți în două părți, nucleul trebuie mai întâi deformat (întins) într-o formă elipsoidală și apoi, înainte de divizarea finală în două fragmente, să formeze un "gât" în mijloc.

Potențială barieră

În starea deformată, două forțe acționează asupra nucleului. Una dintre ele este energia de suprafață mărită (tensiunea superficială a unei picături de lichid explică forma sa sferică), iar cealaltă este repulsia Coulomb între fragmentele de fisiune. Împreună, acestea produc o barieră potențială.

Ca și în cazul degradării alfa, apare fisiunea spontană a nucleului atomului de uraniu, fragmentele trebuie să depășească această barieră prin tuneluri cuantice. Valoarea barieră este de aproximativ 6 MeV, ca în cazul degradării alfa, dar probabilitatea tunelării particulei α este mult mai mare decât produsul mult mai greu de despicare atomică.

Forțarea divizării

Este mult mai probabilă fisiunea indusă de nucleul de uraniu. În acest caz, nucleul mamei este iradiat cu neutroni. Dacă părintele o absoarbe, ele se leagă, eliberând energia de legare sub forma unei energii vibrationale, care poate depăși 6 MeV, necesară pentru a depăși bariera potențială.

Atunci când energia neutronului suplimentar este insuficientă pentru a depăși bariera potențială, neutronul incident trebuie să aibă o energie cinetică minimă pentru a putea induce divizarea atomului. În cazul lui ²³⁸ U, energia de legare a neutronilor adiționali este scurtă de aproximativ 1 MeV. Aceasta înseamnă că fisiunea nucleului de uraniu este indusă doar de un neutron cu o energie cinetică mai mare de 1 MeV. Pe de altă parte, izotopul ²³⁵ U are un neutron nepereche. Când un nucleu absoarbe unul suplimentar, acesta formează o pereche cu el și, ca urmare a acestei perechi, apare o energie suplimentară de legare. Acest lucru este suficient pentru a elibera cantitatea de energie necesară pentru ca miezul să depășească bariera potențială, iar diviziunea izotopică apare atunci când se ciocnește cu orice neutron.

Degradarea beta

În ciuda faptului că trei sau patru neutroni sunt emise în timpul reacției de fisiune, fragmentele conțin încă mai multe neutroni decât izobarii lor stabili. Aceasta înseamnă că fragmentele de scindare sunt, de regulă, instabile în ceea ce privește decăderea beta.

De exemplu, atunci când fisiunea nucleului de uraniu este ²³⁸ U, izobarul stabil cu A = 145 este neodimul ¹⁴⁵ Nd, ceea ce înseamnă că fragmentele lantanului ¹⁴⁵ La se descompun în trei etape, de fiecare dată când emit un electron și antineutrinos până când se formează un nucleu stabil. Un izobar stabil cu A = 90 este zirconiu ⁹⁰ Zr, prin urmare fragmentul de divizare a bromului ⁹⁰ Br se descompune în cinci etape ale lanțului de descompunere β.

Aceste lanțuri de decantare β secretă energie suplimentară, care este aproape în întregime purtată de electroni și antineutrinos.

Reacții nucleare: fisiune de nuclee de uraniu

Radiația directă a unui neutron din nucleu cu prea multă cantitate pentru a asigura stabilitatea nucleului este puțin probabilă. Aici lucrul este că nu există o repulsie Coulomb și, prin urmare, energia de suprafață tinde să mențină neutronul în legătură cu părintele. Cu toate acestea, acest lucru se întâmplă uneori. De exemplu, fragmentul de divizare a lui ⁹⁰ Br în prima etapă a dezintegrării beta produce krypton-90, care poate fi într-o stare excitat, cu o cantitate suficientă de energie pentru a depăși energia de suprafață. În acest caz, radiația neutronică poate apărea direct cu formarea de krypton-89. Acest isobar este încă instabil în ceea ce privește decăderea β până când devine yttrium-89 stabil, astfel încât krypton-89 se descompune în trei etape.

Fisiunea nucleelor de uraniu: reacția în lanț

Neutronii emise în reacția de scindare pot fi absorbiți de un alt nucleu parental, care apoi suferă el însuși fisiune indusă. În cazul uraniului-238, cele trei neutroni care apar apar la o energie mai mică de 1 MeV (energia eliberată la fisiunea nucleului de uraniu - 158 MeV - în esență, trece peste energia cinetică a fragmentelor de divizare), astfel încât nu pot cauza o fisiune ulterioară a acestui nuclid. Cu toate acestea, la o concentrație semnificativă a izotopului rar ²³⁵ U, aceste neutroni liberi pot fi capturați de nucleele de ²³⁵ U, ceea ce poate provoca divizarea, deoarece în acest caz nu există prag de energie sub care nu este indusă fisiunea.

Acesta este principiul reacției în lanț.

Tipuri de reacții nucleare

Fie k numărul de neutroni produsi într-o probă de material fisionabil în etapa n din acest lanț împărțit la numărul de neutroni formați în etapa n-1. Acest număr va depinde de câte neutroni obținute în etapa n-1 sunt absorbite de nucleu, care Poate fi supus divizării forțate.

• Dacă k <1, atunci reacția în lanț va pierde pur și simplu și procesul se va opri foarte repede. Acesta este exact ceea ce se întâmplă în minereurile de uraniu natural , în care concentrația de ²³⁵ U este atât de mică încât probabilitatea de absorbție a unuia dintre neutroni de către acest izotop este extrem de nesemnificativă.

• Dacă k> 1, atunci reacția în lanț va crește până când se va folosi tot materialul fisionabil (bomba atomică). Acest lucru se realizează prin îmbogățirea minereului natural cu o concentrație suficient de mare de uraniu-235. Pentru o probă sferică, valoarea k crește odată cu creșterea probabilității de absorbție a neutronilor, care depinde de raza sferei. Prin urmare, masa U trebuie să depășească o anumită masă critică, astfel încât să se poată produce fisiunea nucleilor de uraniu (reacția în lanț).

• Dacă k = 1, atunci are loc o reacție controlată. Acesta este utilizat în reactoarele nucleare. Procesul este controlat prin distribuția între tijele de uraniu de cadmiu sau bor, care absoarbe majoritatea neutronilor (aceste elemente au capacitatea de a capta neutronii). Fissionul miezului de uraniu este controlat automat prin mutarea tijelor în așa fel încât valoarea lui k rămâne egală cu unitatea.