La fissió dels nuclis d'urani. reacció en cadena. Descripció del procés de

Dividint el nucli - una divisió d'àtom pesat en dos fragments d'aproximadament el mateix pes, seguit per l'alliberament d'una gran quantitat d'energia.

El descobriment de la fissió nuclear inici d'una nova era - "era atòmica". El potencial de les seves possibles usos i l'equilibri de risc-benefici del seu ús, no només va donar lloc a una gran quantitat d'èxits sociològics, polítics, econòmics i científics, sinó també un problema greu. Fins i tot des d'un punt de vista purament científic, el procés de fissió nuclear creat un gran nombre de trencaclosques i complicacions, i una explicació teòrica completa perquè és una cosa del futur.

Compartir - beneficiosa

energia d'enllaç (per nucleó) difereixen en diferents nuclis. Més pesat tenen una energia d'enllaç inferior a la que es troba al mig de la taula periòdica.

Això significa que els nuclis pesats en què el atòmic nombre més gran que 100, dividits avantatjosament en dos fragments més petits, alliberant d'aquesta manera l'energia que es converteix en energia cinètica dels fragments. Aquest procés s'anomena divisió nucli atòmic.

D'acord amb la corba d'estabilitat, que mostra la dependència del nombre de protons dels núclids estables per neutrons nucli més pesat prefereixen un major nombre de neutrons (en comparació amb el nombre de protons) que més lleuger. Això suggereix que, a més del procés de divisió s'emetrà alguns neutrons "sobrants". A més, també es farà càrrec de part de l'energia alliberada. la fissió d'àtoms d'urani estudi va demostrar que això genera un neutró 3-4: T → ^{238.145 90} La + Br + 3n.

El nombre atòmic (i la massa atòmica) del fragment no és igual a la meitat la massa atòmica dels pares. La diferència entre les masses dels àtoms formats com a resultat de l'escissió és generalment prop de 50. No obstant això, la raó d'això encara no està del tot clar.

Les energies d'enllaç de ²³⁸ U, ¹⁴⁵ La Br i ⁹⁰ són 1.803, 1.198 i 763 MeV, respectivament. Això vol dir que s'allibera energia de fissió d'urani igual 1.198 + 158 = 763-1803 MeV resultant de la reacció.

fissió espontània

processos d'escissió espontànies es coneixen a la natura, però són molt poc freqüents. El temps de vida mitjana d'aquest procés és d'aproximadament 10 ^17, i ^va, per exemple, la vida mitjana de desintegració alfa del radionúclid és d'aproximadament 10 Bibliografia ^11.

La raó d'això és que per tal de separar en dues parts, el nucli s'ha de sotmetre primer de deformació (estirament) en una forma elipsoidal, i després, abans de l'escissió final a dos fragments de formar un "coll" al mig.

barrera de potencial

En l'estat deformat al nucli de dues forces. Un d'ells - l'energia augment de la superfície (tensió superficial de les gotetes líquides explica la seva forma esfèrica), i l'altre - la repulsió de Coulomb entre els fragments de fissió. Junts produeixen la barrera de potencial.

Com en el cas de desintegració alfa que es produeixi la fissió espontània de nuclis d'urani atòmic, els fragments han de superar aquesta barrera per mitjà de túnel quàntic. La barrera és de voltant de 6 MeV, com en el cas de desintegració alfa, però la probabilitat d'efecte túnel de a-partícules és considerablement més gran que l'àtom de divisió de producte molt més pesat.

la degradació forçada

És molt més probable s'indueix la fissió dels nuclis d'urani. En aquest cas, el nucli pare s'irradia amb neutrons. Si un pare que absorbeix, a continuació, que estan obligats a alliberar l'energia d'enllaç en forma d'energia vibratòria que pot superar els 6 MeV necessaris per superar la barrera de potencial.

Quan l'energia de neutrons addicional no és suficient per superar la barrera de potencial, el neutró incident ha de tenir un mínim d'energia cinètica amb la finalitat de ser capaç d'induir la divisió de l'àtom. En el cas de ²³⁸ U energia d'enllaç de neutrons addicional no es troba aproximadament 1 MeV. Això vol dir que la fissió de nuclis d'urani va induir només neutrons amb una energia cinètica més gran que 1 MeV. D'altra banda, el ²³⁵ O isòtop té un neutró no aparellat. Quan un nucli absorbeix addicional, es forma amb ell un parell i una energia d'unió addicional és un resultat d'aquesta parella. Això és suficient per alliberar la quantitat d'energia necessària per superar la barrera de potencial del nucli i la divisió d'isòtops ocorregut en una col·lisió amb qualsevol de neutrons.

la desintegració beta

Tot i que la reacció de fissió són emesos per tres o quatre neutrons, els fragments encara contenen més neutrons que els seus isòbares estables. Això vol dir que els fragments d'escissió són generalment inestables pel que fa a la desintegració beta.

Per exemple, quan hi ha una divisió del nucli d'urani ²³⁸ O, isòbares estables amb A = 145 ¹⁴⁵ és de neodimi Nd, que vol dir que el lantani fragment La ¹⁴⁵ es divideix en tres etapes, cada vegada mitjançant la radiació d'electrons i un neutrí fins a un núclido estable es forma. isòbares estables amb A = 90 ⁹⁰ és Zr zirconi, així escissió fragment de brom Br ⁹⁰ es divideix en cinc etapes de la cadena β-càries.

Aquests β-decaïment cadena emeten energia extra que es realitza de distància gairebé tot l'electró i un neutrí.

Les reaccions nuclears: fissió de l'urani

núclid directa de la radiació de neutrons amb un nombre massa gran d'ells per assegurar l'estabilitat del nucli és poc probable. Aquí el punt és que no hi ha repulsió de Coulomb, i així l'energia superficial tendeix a retenir el neutró, pel fet que el pare. No obstant això, de vegades passa. Per exemple, el fragment de fissió Br ⁹⁰ a la primera desintegració beta produeix una criptó-90, que pot estar situat en un estat excitat amb energia suficient per superar l'energia superficial. En aquest cas la radiació de neutrons es pot produir directament per formar un criptó-89. Aquest isòbares segueix sent inestable pel que fa a la desintegració beta encara no ha entrar al itri-89 estable, de manera que el criptó-89 es divideix en tres etapes.

L'urani fissió: Reacció en Cadena

Neutrons emesos en la reacció d'escissió poden ser absorbits per l'altre pare-nucli, que a continuació se sotmet a la fissió acte-induït. En el cas d'urani-238 tres neutrons, que sorgeixen amb les energies de menys d'1 MeV (l'energia alliberada en la fissió del nucli d'urani - 158 MeV - la majoria convertits en fragments d'escissió energia cinètica), de manera que no poden causar una divisió addicional d'aquest núclido. No obstant això, si una concentració significativa de la rara isòtop U ²³⁵ aquests neutrons lliures pot ser capturat pels nuclis de ²³⁵ O, en realitat pot causar l'escissió, ja que en aquest cas no hi ha un llindar d'energia per sota del qual no es indueix la divisió.

Aquesta és la reacció en cadena de principi.

Tipus de reaccions nuclears

Sigui k - nombre de neutrons produïts en una mostra del material fissionable en l'etapa n de la cadena, dividits pel nombre de neutrons produïts en l'etapa n - 1. Aquest nombre dependrà de la quantitat de neutrons produïts en l'etapa n - 1, són absorbits pel nucli, el qual es poden sotmetre a la fissió induïda.

• Si k <1 el, la reacció en cadena és simplement fora de vapor i el procés s'aturarà molt ràpidament. Això és el que succeeix en el natural mineral d'urani, en el qual la concentració ^{de 235} O és tan petita que la probabilitat d'absorció d'un neutró aquest isòtop és extremadament insignificant.

• Si k> 1, la reacció en cadena seguirà creixent, sempre que tot el material fissible no serà utilitzat (la bomba atòmica). Això s'aconsegueix mitjançant l'enriquiment mineral natural per obtenir una concentració prou alta d'urani-235. Per esfèriques valor de la mostra k augmenta amb la probabilitat d'absorció de neutrons, que és depenent de la ràdio de l'esfera. Per tant U pes ha d'excedir una certa massa crítica a la fissió d'urani (reacció en cadena) podria ocórrer.

• Si k = 1, llavors hi ha una reacció controlada. S'utilitza en reactors nuclears. El procés es controla distribució entre barres d'urani de cadmi o bor, que absorbeixen la major part dels neutrons (aquests elements són capaços de capturar neutrons). La divisió de nuclis d'urani es controla automàticament movent la vareta de manera que el valor k segueix sent igual a un.