Splijting van uranium kernen. Kettingreactie. Beschrijving van het proces

Het delen van de kern - een zwaar atoom splitsen in twee fragmenten van ongeveer gelijk gewicht, gevolgd door vrijmaking van een grote hoeveelheid energie.

De ontdekking van kernsplijting begin van een nieuw tijdperk - "atomic age". Het potentieel van de mogelijke toepassingen en de balans van de risico's te kunnen profiteren van het gebruik ervan, niet alleen gaf aanleiding tot veel sociologische, politieke, economische en wetenschappelijke prestaties, maar ook een ernstig probleem. Zelfs vanuit een puur wetenschappelijk oogpunt, de kernsplijting proces creëerde een groot aantal puzzels en complicaties, en een volledige theoretische verklaring, want het is een ding van de toekomst.

Sharing - voordelig

bindingsenergie (per nucleon) verschillen op verschillende kernen. Zwaardere een lagere bindingsenergie dan die in het midden van het periodiek systeem.

Dit betekent dat zware kernen waarin de atomaire getal groter dan 100, met voordeel verdeeld in twee kleinere fragmenten, waardoor energie wordt omgezet in kinetische energie van de fragmenten vrijgeven. Dit proces heet splitsen atoomkernen.

Volgens de stabiliteitskromme, die de afhankelijkheid van het aantal protonen van stabiele nucliden voor neutron zwaardere nucleus voorkeur een groter aantal neutronen toont (in vergelijking met het aantal protonen) dan lichtere. Dit suggereert dat naast het splitsingsproces wordt uitgezonden enkele "reserve" neutronen. Daarnaast zullen ze ook meer dan neemt een deel van de energie die vrijkomt. Studie splijting van uranium atomen gebleken dat dit genereert een neutron 3-4: U → ^{238 145 90} La + Br + 3n.

Het atoomnummer (en atoommassa) van het fragment is niet gelijk aan de helft van de atoommassa van de ouder. Het verschil tussen de massa van atomen gevormd als gevolg van splitsing gewoonlijk ongeveer 50. De reden hiervoor is nog niet helemaal duidelijk.

De bindingsenergieën van ²³⁸ U, ¹⁴⁵ La Br en ⁹⁰ zijn 1803, 1198 en 763 MeV resp. Betekent dit dat energie vrijkomt uraniumsplijting gelijke 1198 + 158 = 763-1803 MeV resulteert uit de reactie.

spontane splijting

spontane splitsing zijn bekend in de natuur, maar ze zijn zeer zeldzaam. De gemiddelde levensduur van deze werkwijze is ongeveer 10 ^{17 en,} bijvoorbeeld, de gemiddelde levensduur van alfa-verval van de radionuclide 10 ^11.

De reden hiervoor is dat voor het scheiden in twee delen, de kern eerst vervorming (rek) een ellipsvorm ondergaan, en vervolgens, voorafgaand aan de uiteindelijke splitsing in twee fragmenten vormen een "nek" in het midden.

potentiaalbarrière

In gedeformeerde toestand de kern van twee krachten. Een van hen - de verhoogde oppervlakenergie (oppervlakspanning van vloeistofdruppels verklaart zijn bolvorm), en de andere - de Coulomb afstoting tussen de splijtingsfragmenten. Samen maken ze de potentiaalbarrière.

Zoals bij alfaverval spontane splijting van uranium atoomkernen voorkomen, moet de fragmenten deze barrière middels tunneleffect overwinnen. De barrière ongeveer 6 MeV, zoals in het geval van alfa-verval, maar de kans op tunneling van α-deeltjes aanzienlijk groter is dan het veel zwaardere product splitsing voorstelt.

gedwongen degradatie

Veel meer kans wordt geïnduceerd splijting van uranium kernen. In dit geval wordt de moederkern bestraald met neutronen. Als een ouder absorbeert, dan worden ze gebonden aan de bindingsenergie vrij in de vorm van trillingsenergie die meer dan 6 MeV nodig potentiaalbarrière overwinnen.

Wanneer extra neutron energie niet voldoende om de potentiaalbarrière overwinnen, moet de invallende neutronen een minimum kinetische energie hebben om te kunnen de splitsing van de atoom induceren. Bij ²³⁸ U extra neutron bindingsenergie ontbreekt ongeveer 1 MeV. Dit betekent dat de splijting van uraniumkernen geïnduceerd alleen neutronen met een kinetische energie groter dan 1 MeV. Anderzijds, de ²³⁵ U isotoop één ongepaard neutron. Wanneer een kern absorbeert additionele vormt daarmee een paar en een aanvullend bindingsenergie is een resultaat van deze koppeling. Dit is voldoende om de hoeveelheid energie die nodig is om de potentiaalbarrière van de kern en de verdeling van isotopen zich in een botsing met enig neutron overwinnen vrijgeven.

bètaverval

Ondanks het feit dat de splitsingsreactie worden geëmitteerd door drie of vier neutronen, fragmenten bevatten nog meer neutronen dan de stabiele isobaren. Dit betekent dat de splitsing fragmenten die in het algemeen instabiel met betrekking tot bètaverval.

Bijvoorbeeld, als er een scheiding van de kern van uranium ²³⁸ U, stabiele isobaren A = 145 ¹⁴⁵ neodymium Nd, wat betekent dat het fragment lanthaan La ¹⁴⁵ splitst in drie fasen telkens met elektron en een neutrino uitstralen totdat een stabiel nuclide wordt gevormd. Stabiele isobaren met A = 90 ⁹⁰ Zr zirkonium, zodat splitsingsfragment broom Br ⁹⁰ splitst in vijf fasen keten β-verval.

Deze keten β-verval zenden extra energie afgekeerde bijna gedragen alle elektron en een neutrino.

Nucleaire reacties: splijting van uranium

Direct nuclide van neutronenstraling met een te groot aantal van hen om te zorgen voor de stabiliteit van de kern is onwaarschijnlijk. Hier het punt is dat er geen Coulomb afstoting, en dus de oppervlakte-energie heeft de neiging de neutron vanwege de bovenliggende behouden. Toch gebeurt het soms. Bijvoorbeeld splijtingsfragmenten Br ⁹⁰ in de eerste beta-verval produceert een krypton-90, die zich bevinden in een aangeslagen toestand met voldoende energie om de oppervlakte-energie te overwinnen. In dit geval kan de neutronenstraling direct opkomen bij een krypton-89 te vormen. Dit isobaren blijft stabiel ten opzichte van beta-verval heeft nog niet de stal yttrium-89, zodat de krypton-89 is verdeeld in drie fasen.

Uraniumsplijting: Chain Reaction

Neutronen uitgestoten in de splitsingsreactie kan worden opgenomen door de andere ouder-kern, die vervolgens ondergaat zelf-geïnduceerde splitsing. Bij uranium-238 drie neutronen, die niet optreden bij energieën lager dan 1 MeV (de energie die vrijkomt bij de splijting van uranium kern - 158 MeV - meestal omgezet in kinetische energie klievingsfragmenten), zodat ze een verdere opdeling van het nuclide veroorzaken. Indien echter een aanzienlijke concentratie van de zeldzame isotoop U ²³⁵ deze neutronen kunnen worden opgevangen door de kernen van ²³⁵ U, kan zelfs leiden splitsing, aangezien in dit geval er geen energie drempel waaronder de deling niet wordt geïnduceerd.

Dit is het principe kettingreactie.

Soorten Kernreacties

Zij k - aantal neutronen geproduceerd in een monster van het splijtbare materiaal in stap n van de keten, gedeeld door het aantal neutronen in trap n - 1. Dit aantal is afhankelijk van het aantal neutronen geproduceerd in stap n - 1, wordt geabsorbeerd door de kern, waarbij kunnen geïnduceerde splitsing ondergaan.

• Als k <1 op de kettingreactie is eenvoudig uit stoom en het proces snel te stoppen. Dit gebeurt in de natuurlijke uraniumerts, waarbij de concentratie ^{van 235} U is zo klein dat de kans op absorptie van een neutron dit isotoop is zeer verwaarloosbaar.

• Als k> 1, zal de kettingreactie blijven groeien zolang al het splijtbaar materiaal niet zal worden gebruikt (de atoombom). Dit wordt bereikt door verrijking natuurlijke erts met een voldoende hoge concentratie van uranium-235 te verkrijgen. Voor sferische monsterwaarde k toeneemt met de waarschijnlijkheid van neutronenabsorptie, die afhankelijk is van de straal van de bol. Daarom moet U gew een bepaalde kritische massa om splijting van uranium (kettingreactie) overschrijdt kunnen optreden.

• Als k = 1, dan is er een gecontroleerde reactie. Het wordt gebruikt in kernreactoren. Het proces wordt bestuurd verdeling uraniumstaven cadmium of boor, die de meeste neutronen absorberen (deze elementen kan vastleggen neutronen). Delen uranium kernen wordt automatisch geregeld door het bewegen van de stang, zodat de waarde k gelijk is aan één blijft.