Štěpení uranu jader. Řetězová reakce. Popis procesu

Dělení jádro - těžký rozdělení atom do dvou fragmentů o přibližně stejné hmotnosti, s následujícím uvolněním velkého množství energie.

Objev jaderného štěpení začátku nové éry - „atomový věk“. Potenciál jeho možných využití a bilance rizik těžit z jeho používání, dal nejen ke vzniku mnoha sociologických, politických, hospodářských a vědeckých úspěchů, ale také vážný problém. Ani z čistě vědeckého hlediska jaderné proces štěpení vytvořil velké množství hádanek a komplikací, a kompletní teoretické vysvětlení pro to je věcí budoucnosti.

Sdílení - prospěšný

vazebné energie (na nukleon) se liší v různých jádrech. Těžší mají nižší vazebnou energii, než je umístěn ve středu periodické tabulky.

To znamená, že těžké jádra, ve kterých atomové číslo větší než 100, s výhodou rozdělena na dvě menší fragmenty, čímž se uvolní energie, která se přemění na kinetickou energii fragmentů. Tento proces se nazývá štěpení atomové jádro.

V souladu s křivkou stability, který ukazuje závislost počtu protonů od stabilních nuklidů na neutron těžší jádro upřednostňují větší počet neutronů (ve srovnání s počtem protonů) než lehčí. To naznačuje, že navíc k štípání zazní některé „náhradních“ neutrony. Kromě toho budou rovněž převzít část energie uvolněné. Studie štěpení atomů uranu ukázala, že tento generuje neutron 3-4: U → ^{238 145 90} La + Br + 3N.

Atomové číslo (a atomová hmotnost) fragmentu není rovná polovině atomové hmotnosti mateřské. Rozdíl mezi hmotností atomů, které jsou výsledkem štěpení je obvykle asi 50., důvod pro toto není ještě zcela jasné.

Vazebné energie ze ²³⁸ U, ¹⁴⁵ La Br a ⁹⁰ jsou 1803, 1198 a 763 MeV, resp. To znamená, že se uvolňuje energie štěpení uranu rovné 1198 + 158 = 763 až 1.803 MeV vyplývající z reakce.

spontánní štěpení

spontánnímu rozštěpení procesy jsou známy v přírodě, ale jsou velmi vzácné. Průměrná životnost tohoto procesu je asi 10 ^17, a například se průměrná životnost alfa-rozpad radionuklidu je asi 10 ^11.

Důvodem je to, že, aby se oddělil do dvou částí, jádro musí nejprve projít deformaci (stretch) v eliptického tvaru, a pak, před konečným štěpením na dva fragmenty tvoří „hrdlo“ uprostřed.

potenciální bariéra

V deformovaném stavu v jádru ze dvou sil. Jeden z nich - zvýšená povrchová energie (povrchové napětí kapiček kapaliny vysvětluje jeho kulovitý tvar), a druhá - Coulombova odpuzování mezi fragmenty štěpení. Společně produkují potenciální překážku.

Stejně jako v případě alfa rozpad nastat spontánní štěpení uranu atomových jader, fragmenty musí překonat tuto bariéru pomocí kvantové tunelování. Bariéra je asi 6 MeV, jako je tomu v případě, že alfa-rozpadu, ale pravděpodobnost tunelování a-částic, je podstatně větší, než je mnohem těžší štípací produkt atomu.

nucený degradace

Mnohem pravděpodobnější, že se indukuje štěpení uranu jader. V tomto případě je rodič jádro ozáří neutrony. Pokud rodič se absorbuje, pak jsou vázány k uvolnění vazební energii ve formě vibrační energie, která může být vyšší než 6 MeV potřebné k překonání potenciální překážku.

V případě další energie neutronů nestačí k překonání potenciální překážku, incident neutronů musí mít minimální kinetickou energii, aby bylo schopné vyvolat štěpení atomu. V případě ²³⁸ U dalších neutronů vazebné energie postrádá asi 1 MeV. To znamená, že štěpení uranu jader vyvolané pouze neutrony s kinetickou energií větší než 1 MeV. Na druhé straně, ²³⁵ U izotop má jeden nepárový neutronů. Když je jádro absorbuje další, tvoří s ním pár a další vazební energie je výsledkem tohoto párování. To je dostačující pro uvolnění množství energie potřebné k překonání potenciální bariéru jádra a rozdělení izotopů došlo v kolizi s jakýmkoliv neutronu.

beta rozpad

Navzdory tomu, že štěpná reakce jsou emitované třemi nebo čtyřmi neutrony, fragmenty ještě obsahují více neutronů než jejich stabilní isobars. To znamená, že fragmenty štěpení jsou obecně nestabilní vzhledem k rozpadu beta.

Například, v případě, že je rozdělení jádra uranu ²³⁸ U, stabilní isobary s A = 145, ¹⁴⁵ je neodymu Nd, což znamená, že lanthanu fragment Do ¹⁴⁵ se rozdělí do tří fází, a to vždy vyzařující elektron a neutrino až do dosažení stabilního nuklidu je tvořena. Stabilní isobary s A = 90 ⁹⁰ je zirkonium Zr, takže štěpení fragment brom Br ⁹⁰ se rozdělí do pěti stupňů řetězcem beta-rozpadu.

Tyto řetězce β-rozpadu vyzařují více energie, která je unášena pryč téměř všechny elektron a neutrin.

Jaderné reakce: štěpení uranu

Přímý radionuklid z neutronového záření s příliš velkým množstvím z nich, aby zajistily stabilitu jádra je nepravděpodobné. Zde jde o to, že neexistuje žádný Coulombova odpuzování, takže povrchová energie má tendenci udržet neutron kvůli rodiče. Nicméně, to se občas stává. Například štěpení fragment Br ⁹⁰ v první beta-rozpad produkuje krypton-90, který může být umístěn v excitovaném stavu s dostatečnou energií, aby překonání povrchové energie. V tomto případě může neutronového záření nastat přímo za vzniku krypton-89. Tento isobary je stále nestabilní, pokud jde o beta-rozpad ještě jít do stabilní yttrium-89, takže krypton-89 je rozdělena do tří etap.

Štěpení uranu: řetězová reakce

Neutrony emitované v štěpení mohou být absorbovány druhého rodiče-jádra, který se poté podrobí samostatně vyvolané štěpení. V případě uranu-238 tři neutrony, které vznikají s energií menší než 1 MeV (energie uvolněná při štěpení jádra uranu - 158 MeV - většinou převedeny do kinetické fragmenty energie štěpení), takže nemohou způsobit další rozdělení tohoto nuklidu. Pokud je však významná koncentrace vzácného izotopu U ²³⁵ se tyto volné neutrony mohou být zachyceny jádrech ²³⁵ U, může skutečně způsobit štěpení, protože v tomto případě není energetický práh, pod kterou je rozdělení neindukuje.

To je princip řetězová reakce.

Typy jaderných reakcí

Nechť k - počet neutronů ve vzorku štěpného materiálu v kroku n řetězu, dělený počtem neutronů, vytvořeného ve stupni n - 1. Tento počet závisí na počtu neutronů v kroku n - 1, se absorbováno jádrem, které mohou podstoupit umělé štěpení.

• Pokud je k <1 o, řetězová reakce je potom z vodní páry a proces se zastaví velice rychle. To je to, co se děje v přírodním uranové rudy, ve kterém je ^{koncentrace 235} U je tak malý, že pravděpodobnost absorpce neutronu tento izotop je velmi zanedbatelný.

• Je-li k> 1, bude řetězová reakce i nadále růst tak dlouho, dokud všechny štěpného materiálu nebudou použity (atomová bomba). Toho se dosáhne obohacení přírodní rudy, aby se získala dostatečně vysoká koncentrace uranu-235. Pro kulovité vzorek hodnota k se zvyšuje s pravděpodobností absorpce neutronů, který je závislý na poloměru koule. Proto U hmotnost musí být vyšší než určitý kritický potenciál pro štěpení uranu (řetězové reakce) může dojít.

• Pokud je k = 1, pak je řízená reakce. Používá se v jaderných reaktorech. Tento proces je řízen rozdělení mezi uranových tyčí kadmia nebo boru, které absorbují většina neutronů (tyto prvky jsou schopny zachytit neutrony). Dělení uran jádra je automaticky řízené pohybem tyče tak, aby hodnota k zůstává roven jedné.