Štěpení jádra uranu. Reakce řetězce. Popis procesu

Rozdělení jádra je rozdělení těžkého atomu na dva fragmenty přibližně stejné hmotnosti, doprovázené uvolněním velkého množství energie.

Objev jaderné divize začal novou éru - "atomový věk". Potenciál jeho možného využití a poměr rizik a přínosů jeho využití nejenže vedl k mnoha sociologickým, politickým, ekonomickým a vědeckým úspěchům, ale také k vážným problémům. Dokonce i z čistě vědeckého hlediska proces jaderného štěpení vytvořil velké množství hádanek a komplikací a jeho plné teoretické vysvětlení je věcí budoucnosti.

Podíl - ziskové

Vazebná energie (na nukleon) pro různé jádry se liší. Ty těžší mají nižší vazebnou energii než ty, které se nacházejí uprostřed periodické tabulky.

To znamená, že těžké jádra, ve kterých atomová číslo více 100, je výhodné rozdělit na dva menší fragmenty, čímž se uvolní energie, která se přemění na kinetickou energii fragmentů. Tento proces se nazývá rozdělení atomové jádro.

V souladu s křivkou stability, která ukazuje závislost počtu protonů na počtu neutronů u stabilních nuklidů, těžší jádra preferují větší počet neutronů (ve srovnání s počtem protonů) než lehčí. To naznačuje, že spolu s dělením budou uvolněny některé "náhradní" neutrony. Navíc budou mít část přidělené energie. Studie štěpení jádra atomu uranu ukázala, že v tomto případě se uvolní 3-4 neutrony: ²³⁸U → ¹⁴⁵La + ⁹⁰Br + 3n.

Atomové číslo (a atomová hmotnost) fragmentu se nerovná polovině atomové hmotnosti rodiče. Rozdíl mezi hmotami atomů vzniklých v důsledku rozštěpení je obvykle asi 50. Je pravda, že důvod pro to ještě není plně pochopen.

Síla komunikace ²³⁸U, ¹⁴⁵La a ⁹⁰Br se rovnají 1803, 1198 a 763 MeV. To znamená, že v důsledku této reakce se uvolní štěpná energie jádra uranu, rovnající se 1198 + 763-1803 = 158 MeV.

Spontánní rozdělení

Způsoby spontánního štěpení jsou v přírodě známé, jsou však velmi vzácné. Průměrná životnost tohoto procesu je asi 10^{17. místo} let, a například průměrná doba života alfa rozkladu stejného rádionuklidu je asi 10¹¹ roky.

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 působí na jádro dvě síly. Jednou z nich je zvýšená povrchová energie (povrchové napětí kvapky kapaliny vysvětluje jeho sférický tvar) a druhé je Coulombova odpuzování štěpných fragmentů. Společně vytvářejí potenciální bariéru.

Stejně jako v případě alfa rozpadu dochází k spontánnímu štěpení jádra atomu uranu, fragmenty musí překonat tuto bariéru kvantovým tunelováním. Bariéra je asi 6 MeV, jako v případě alfa rozkladu, ale pravděpodobnost tunelu částice alfa jsou mnohem větší než mnohem těžší produkt rozštěpující atom.

Nucené rozdělení

Mnohem pravděpodobnější je indukované štěpení jádra uranu. V tomto případě je jádro matky ozařováno neutrony. Pokud je rodič absorbuje, váže se a uvolní vazebnou energii ve formě vibrační energie, která může překročit 6 MeV, nutná k překonání potenciální bariéry.

Tam, kde je energie dodatečného neutronu nedostatečná k překonání potenciální bariéry, by neutron na náhodném místě měl mít minimální kinetickou energii, aby mohl indukovat štěpení atomu. V případě ²³⁸U, vazebná energie dodatečných neutronů je menší než 1 MeV. To znamená, že štěpení jádra uranu je vyvoláno pouze neutronem s kinetickou energií větší než 1 MeV. Na druhé straně je izotop ²³⁵U má jeden nepárový neutron. Když jádro absorbuje další, vytvoří s ním dvojici a v důsledku tohoto párování se objeví další vazebná energie. To stačí k uvolnění množství energie potřebné pro jádro k překonání potenciální bariéry a štěpení izotopu došlo v kolizi s jakýmkoli neutronem.

Beta rozpad

Navzdory skutečnosti, že během štěpné reakce se vyskytují tři nebo čtyři neutrony, fragmenty stále obsahují více neutronů než jejich stabilní isobary. To znamená, že fragmenty štěpení jsou zpravidla nestabilní vzhledem k rozpadu beta.

Například při štěpení jádra uranu ²³⁸U, stabilní isobar s A = 145 je neodym ¹⁴⁵Nd, což znamená, že fragment lanthanu ¹⁴⁵La se rozděluje na tři stupně, přičemž každý z nich vydává elektron a antineutrinos, dokud se nevytvoří stabilní nuklid. Stabilní isobar s A = 90 je zirkonium ⁹⁰Zr, takže štěrk rozdělil bróm ⁹⁰Br se rozdělí do pěti fází řetězce beta rozpadu.

Tyto řetězce beta rozklad produkují dodatečnou energii, která je téměř úplně unášena elektrony a antineutrinos.

Jaderné reakce: štěpení jader uranu

Přímé ozařování neutronu z nuklidu s příliš velkým množstvím, aby byla zajištěna stabilita jádra, je nepravděpodobná. Zde je, že neexistuje Coulombova odpuzování, a proto povrchová energie má tendenci udržovat neutron v souvislosti s rodičem. To se však někdy stává. Například fragment rozdělení ⁹⁰Br v prvním stadiu rozpadu beta produkuje krypton-90, který může být ve stavu excitace s dostatečnou energií k překonání povrchové energie. V tomto případě může docházet k neutronovému záření přímo s tvorbou krypton-89. Tento isobar je stále nestabilní vzhledem k beta, dokud neudělí stabilní yttrium-89, takže krypton-89 se rozpadne na tři stupně.

Štěpení uranových jader: 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. Nicméně s významnou koncentrací vzácného izotopu ²³⁵U těchto volných neutronů lze zachytit jádra ²³⁵U, což může ve skutečnosti způsobit rozdělení, protože v tomto případě neexistuje žádná energetická prahová hodnota, pod kterou není dělení vyvoláno.

To je princip řetězcové reakce.

Druhy jaderné reakce

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 nucené rozdělení.

• Pokud k < 1, pak řetězová reakce prostě vydechne a proces se zastaví velmi rychle. To je to, co se děje v přirozené uranová ruda, ve kterém koncentraci ²³⁵U je tak malá, že pravděpodobnost absorpce jednoho z neutronů tímto izotopem je velmi nevýznamná.

• Pokud k> 1, řetězová reakce poroste až do použití štěpného materiálu (atomová bomba). Toho je dosaženo obohacením přírodní rudy na dostatečně vysokou koncentraci uranu-235. U sférického vzorku se hodnota k zvyšuje s rostoucí pravděpodobností absorpce neutronů, což závisí na poloměru koule. Proto musí hmotnost U překročit některé kritické množství, že štěpení jader uranu (řetězová reakce) by mohlo nastat.

• Pokud k = 1, pak se provádí řízená reakce. Toto se používá v jaderné reaktory. Proces je řízen distribucí uranových tyčí z kadmia nebo boru, které absorbují většinu neutronů (tyto prvky mají schopnost zachycovat neutrony). Štěpení jádra uranu je řízeno automaticky pohybem tyčí takovým způsobem, že hodnota k zůstává rovná jednotě.