Делене на урановите ядра. Верижна реакция. Описание на процеса

Разделяне на сърцевината - тежък атом разделяне на два фрагмента от приблизително равно на теглото, последвано от освобождаване на голямо количество енергия.

Откриването на ядрения разпад начало на нова ера - "атомния век". Потенциалът на възможностите за употребата му и баланса на риска, за да се възползват от използването му, не само е довела до много социологически, политически, икономически и научни постижения, но и сериозен проблем. Дори от чисто научна гледна точка, процесът на ядрения разпад създаде голям брой пъзели и усложнения, както и пълен теоретично обяснение за това е нещо от бъдещето.

Споделяне - полезно

свързваща енергия (на нуклон) се различават в различни ядра. По-тежки имат по-ниска енергия, отколкото задължителен, че се намира в средата на периодичната таблица.

Това означава, че тежки ядра в който атомното число по-голямо от 100, за предпочитане разделени на две по-малки фрагменти, при което се освобождава енергия, която се преобразува в кинетична 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 в допълнение към процеса на разделяне ще бъде излъчвана някои "резервни" неутрони. В допълнение, те също ще поеме част от енергията, освободена. Проучване делене на уранови атоми показва, че това генерира неутрони 3-4: U → ^{238 145 90} La + Br + 3n.

Атомния номер (и атомната маса) на фрагмента не е равна на половината от атомната маса на родителя. Разликата между масите на атоми образуват в резултат на разцепване е обикновено около 50. Въпреки това, причината за това все още не е напълно ясно.

Свързващите енергиите на ²³⁸ U, ¹⁴⁵ La Вг и ⁹⁰ са 1803, 1198 и 763 MeV съответно. Това означава, че енергия се освобождава уран делене равно 1198 + 158 = 763-1803 MeV резултат от реакцията.

спонтанно делене

спонтанни процеси разделяне са известни в природата, но те са много рядко. Средната живот на този процес е около 10 ^17, и, например, средният живот на алфа-разпад на радионуклида е около 10 ^11.

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.

потенциал бариера

В деформирано състояние в основата на две сили. Един от тях - увеличената повърхностна енергия (повърхностното напрежение на течни капчици обяснява неговата сферична форма), и от друга - на отблъскване между Кулон фрагменти на делене. Заедно те произвеждат потенциална бариера.

Както в случая на алфа-разпад да настъпи спонтанно делене на уран атомен ядра, фрагменти трябва да преодолее тази бариера чрез тунелен преход. Преградата е около 6 MeV, както в случая на алфа-разпад, но вероятността за тунелиране на а-частици е значително по-голяма от много по-тежки продукт разделяне атом.

принудени деградация

Много по-вероятно е делене на урановите ядра. В този случай, ядрото родител се облъчва с неутрони. Ако родител абсорбира, тогава те са свързани, за да се освободи свързващата енергия под формата на вибрационна енергия, която може да надвишава 6 MeV необходими за преодоляване на бариерата потенциал.

Когато допълнителен неутрон енергия не е достатъчно за преодоляване на потенциал бариера, неутрона падащата трябва да има минимална кинетична енергия, за да бъде в състояние да предизвика разделяне на атома. В случая на ²³⁸ U допълнителен неутрон задължителен енергия липсва около 1 MeV. Това означава, че деленето на урановите ядра, предизвикана само неутрони с кинетична енергия, по-голяма от 1 MeV. От друга страна, на ²³⁵ U изотоп има един несвоени неутрони. Когато ядро поглъща допълнително, той образува с него двойка и допълнително свързване енергия е резултат от това сдвояване. Това е достатъчно за освобождаване на количеството енергия, необходима за преодоляване на бариерата потенциал на ядрото и разделението на изотопи, наблюдавани при сблъсък с всяка неутрони.

бета разпад

Независимо от факта, че реакцията на разпад се отделят от три или четири неутрони, фрагменти все още съдържат повече неутрони, отколкото техните стабилни isobars. Това означава, че фрагментите разцепване обикновено са нестабилни по отношение на бета-разпад.

Например, когато има разделяне на ядрото на уран ²³⁸ U, стабилни isobars с А = 145 ¹⁴⁵ е неодим Nd, което означава, че лантан на фрагмент La ¹⁴⁵ се разделя на три етапа, всеки път, чрез излъчване на електронен и неутрино докато стабилен изотоп е оформен. Стабилни isobars с А = 90 ⁹⁰ е цирконий Zr, така разцепване фрагмент бромо Br ⁹⁰ се разделя на пет етапа верига β-разпад.

Тези вериги β-разпад излъчват допълнителна енергия, която се отвежда почти всички електрона и неутрино.

Ядрени реакции: разпад на уран

Директен нуклиди от неутронна радиация с прекалено голям брой от тях, за да се гарантира стабилността на ядрото е малко вероятно. Тук въпросът е, че няма Кулон отблъскване, и така повърхностната енергия има тенденция да се запази неутрона дължи на родител. Независимо от това, че понякога се случва. Например, делене фрагмент Br ⁹⁰ в първата бета-разпад произвежда криптон-90, който може да бъде разположен в възбудено състояние с достатъчно енергия за преодоляване на енергия повърхност. В този случай радиация неутронния може да се получи директно до образуване на криптон-89. Това isobars все още е нестабилна по отношение на бета-разпад все още не отидат в стабилна итрий-89, така че криптон-89 е разделен на три етапа.

Уран делене: верижна реакция

Неутроните отделяни в реакцията на разцепване може да се абсорбира от друг родител-ядро, което след това се подлага на самостоятелно индуцира 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, ако значителна концентрация на редкия изотоп U ²³⁵ тези свободни неутрони могат да бъдат уловени от ядрата на ²³⁵ U, той може действително да доведе до разцепване, тъй като в този случай няма праг на енергия, под която разделението не е предизвикан.

Това е принцип 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 се подложи на делене.

• Ако к <1 на, верижната реакция е просто на пара и процесът ще спре много бързо. Това е, което се случва в естествения уранова руда, в които концентрацията ^{на 235} U е толкова малка, че вероятността за усвояване на неутронна този изотоп е изключително незначително.

• Ако к> 1, верижната реакция ще продължи да расте, докато всички от делящ се материал няма да се използва (атомната бомба). Това се постига чрез обогатяване на руда естествено да се получи достатъчно висока концентрация на уран-235. За сферични стойност проба к увеличава с вероятността за поглъщане на неутроните, което е зависимо от радиуса на сферата. Затова U тегло трябва да надвишава определена критична маса, за да разпад на уран (верижна реакция) може да се случи.

• Ако к = 1, тогава има контролирана реакция. Той се използва в ядрените реактори. Процесът се контролира разпределение между уран пръти на кадмий или бор, които абсорбират най на неутроните (тези елементи са способни на улавяне на неутрони). Разделяне уранови ядра се контролира автоматично чрез преместване на пръта, така че стойността на к остава равен на единица.