Деленето на урановото ядро. Верижна реакция. Описание на процеса

Разделянето на ядрото е разделянето на тежък атом на два фрагмента с приблизително еднаква маса, придружени от освобождаването на голямо количество енергия.

Откриването на ядрено деление започва нова ера - "атомната епоха". Потенциалът за възможната му употреба и съотношението риск / полза от неговото използване не само генерираха много социологически, политически, икономически и научни постижения, но и сериозни проблеми. Дори от чисто научна гледна точка процесът на ядрено делене е създал голям брой пъзели и усложнения, а пълното му теоретично обяснение е въпрос на бъдещето.

Дял - печеливш

Свързващите енергии (за нуклеон) за различните ядра се различават. По-тежките имат по-ниска свързваща енергия, отколкото тези, разположени в средата на периодичната таблица.

Това означава, че тежки ядра, в които атомната номер повече 100, е благоприятно да се делят на два по-малки фрагмента, като по този начин освобождават енергията, която се превръща в кинетичната енергия на фрагментите. Този процес се нарича разделяне атомно ядро.

В съответствие с кривата на стабилност, която показва зависимостта на броя на протоните от стабилен изотоп за неутронно-тежки ядро ​​предпочитат по-голям брой неутрони (в сравнение с броя на протоните) от запалката. Това предполага, че заедно с процеса на разделяне, ще бъдат излъчени някои "резервни" неутрони. Освен това те ще поемат част от разпределената енергия. Проучването на разпадането на ядрото на атома на урана показва, че в този случай се освобождават 3-4 неутрона: ²³⁸U → ¹⁴⁵La + ⁹⁰Br + 3n.

Атомното число (и атомната маса) на фрагмента не е равно на половината от атомната маса на родителя. Разликата между масите на атомите, образувани в резултат на разделянето, обикновено е около 50. Вярно е, че причината за това все още не е напълно разбрана.

Силата на комуникацията ²³⁸U, ¹⁴⁵La и ⁹⁰Br са равно на 1803, 1198 и 763 MeV, съответно. Това означава, че в резултат на тази реакция, енергията на делене на урановото ядро ​​се освобождава, равна на 1198 + 763-1803 = 158 MeV.

Спонтанно разделение

Процесите на спонтанно делене са известни в природата, но те са много редки. Средната продължителност на този процес е около 10¹⁷ години и, например, средната продължителност на живота на алфа разпадането на същия радионуклид е около 10¹¹ години.

Причината за това е, че за да се разделят на две части, сърцевината трябва първо да се подложи на деформация (участък) в елипсовидна форма, а след това, преди окончателното разцепване в два фрагмента образуват "гърло" в средата.

Потенциална бариера

В деформираното състояние две сили действат върху сърцевината. Една от тях е повишената повърхностна енергия (повърхностното напрежение на течен капк обяснява сферичната си форма), а другото е Coulomb отблъскване между фрагментите на делене. Заедно те създават потенциална бариера.

Както в случая на алфа разпадане, спонтанното делене на ядрото на урановия атом се случва, фрагментите трябва да преодолеят тази бариера чрез квантов тунел. Бариерата е около 6 MeV, както в случая на алфа разпад, но вероятността за тунелиране алфа частиците са много по-големи от много по-тежкия продукт, разделящ атомите.

Принудително разделяне

Много по-вероятно е индуцираното делене на урановото ядро. В този случай ядрото на майката се облъчва с неутрони. Ако родителят го абсорбира, те се свързват, освобождавайки свързващата енергия под формата на вибрационна енергия, която може да надвишава 6 MeV, необходима за преодоляване на потенциалната бариера.

Когато енергията на допълнителния неутрон е недостатъчна, за да се преодолее потенциалната бариера, неутронът на инцидента трябва да има минимална кинетична енергия, за да може да предизвика индуциране на разцепването на атома. В случай на ²³⁸U, енергията на свързване на допълнителните неутрони е малко от около 1 MeV. Това означава, че деленето на урановото ядро ​​се индуцира само от неутрон с кинетична енергия, по-голяма от 1 MeV. От друга страна, изотопът ²³⁵U има един неутрален неутрон. Когато ядрото поглъща още една, тя образува двойка с нея и в резултат на това сдвояване се появява допълнителна енергия за свързване. Това е достатъчно, за да се освободи количеството енергия, необходима на ядрото, за да се преодолее потенциалната преграда и разграждането на изотопа се случи в сблъсък с всеки неутрон.

Бета разпад

Въпреки факта, че три или четири неутрона се излъчват по време на реакцията на делене, фрагментите все още съдържат повече неутрони, отколкото техните стабилни isobars. Това означава, че фрагментите от разцепването като правило са нестабилни по отношение на бета разпад.

Например, когато се извършва деленето на ураново ядро ²³⁸U, стабилен изообар с А = 145 е неодим ¹⁴⁵Nd, което означава, че фрагментът на лантан ¹⁴⁵La се разделя на три етапа, като всеки път излъчва електрони и антинеутрини, докато се образува стабилен нуклид. Стабилен изобар с А = 90 е цирконий ⁹⁰Zr, така че раздробяването разцепва бром ⁹⁰Br се разделя на пет етапа от веригата бета разпад.

Тези вериги бета разпадане произвежда допълнителна енергия, която е почти изцяло пренесен от електрони и antineutrinos.

Ядрени реакции: делене на урановите ядра

Директното излъчване на неутрона от нуклида с твърде много количество, за да се осигури стабилността на ядрото, е малко вероятно. Тук нещо е, че няма Coulomb отблъскване и следователно повърхностната енергия има тенденция да държи неутрона във връзка с родителя. Това обаче понякога се случва. Например, фрагментът на разделението ⁹⁰Br в първия стадий на бета разпадане произвежда криптон-90, който може да бъде в разбудено състояние с достатъчна енергия за преодоляване на повърхностната енергия. В този случай неутронното лъчение може да се случи директно с образуването на криптон-89. Този isobar все още е нестабилен по отношение на бета разпад, докато не премине до стабилен итрий-89, така че криптон-89 се разпада на три етапа.

Шприцване на урановите ядра: верижна реакция

Неутроните, излъчвани в реакцията на разцепване, могат да бъдат абсорбирани от друго ядро ​​на ядрото, което след това се подлага на индуцирано делене. В случай на уран-238 три неутрони, които възникват с енергия по-малко от 1 MeV (Енергията, освободена при делене на ядрото уран - 158 MeV - предимно превърнати в фрагменти кинетични енергия разцепване), така че да не може да доведе до по-нататъшно разделяне на тази нуклид. Въпреки това, със значителна концентрация на редки изотопи ²³⁵Тези свободни неутрони могат да бъдат улавяни от ядра ²³⁵U, което в действителност може да причини разцепване, тъй като в този случай няма енергиен праг, под който не се индуцира разделянето.

Това е принципът на верижна реакция.

Видове ядрени реакции

Нека к - брой неутрони, произведени в проба на ядрен материал в етап п на веригата, разделен на броя на неутроните, произведени в етап п - 1. Този номер ще зависят от броя на неутроните, произведени в етап п - 1, се абсорбират от сърцевината, която може да претърпи принудително разделение.

• Ако k < 1, тогава верижната реакция просто ще изтече и процесът ще спре много бързо. Това се случва в естествения уранова руда, в която концентрацията ²³⁵U е толкова малка, че вероятността за абсорбиране на един от неутроните от този изотоп е изключително незначителна.

• Ако k> 1, верижната реакция ще нарасне, докато не се използва целия делящ се материал (атомна бомба). Това се постига чрез обогатяване на естествената руда до достатъчно висока концентрация на уран-235. За сферична проба стойността на k нараства с увеличаване на вероятността за неутронна абсорбция, която зависи от радиуса на сферата. Следователно, масата U трябва да надхвърля някои критична маса, че може да възникне делене на урановите ядра (верижна реакция).

• Ако k = 1, тогава се извършва контролирана реакция. Това се използва в ядрени реактори. Процесът се контролира от разпределението между уранови пръти от кадмий или бор, които абсорбират повечето от неутроните (тези елементи имат способността да улавят неутрони). Деленето на урановото ядро ​​се контролира автоматично, като се движат прътите по такъв начин, че стойността на k остава равна на единството.