Pembelahan nukleus uranium. Tindak balas rantai. Penerangan mengenai proses itu

Pembahagian nukleus adalah pemisahan atom berat menjadi dua serpihan massa yang hampir sama, disertai dengan pembebasan sejumlah besar tenaga.

Penemuan bahagian nuklear bermula era baru - "zaman atom". Potensi penggunaan yang mungkin dan nisbah risiko untuk mendapat manfaat daripada penggunaannya bukan sahaja menimbulkan banyak pencapaian sosiologi, politik, ekonomi dan saintifik, tetapi juga masalah yang serius. Malah dari sudut pandang ilmiah semata-mata, proses pembelahan nuklear mencipta sejumlah besar teka-teki dan komplikasi, dan penjelasan teoretisnya yang lengkap adalah perkara masa depan.

Berkongsi - menguntungkan

Tenaga yang mengikat (setiap nukleon) untuk nukleus berbeza. Yang lebih berat mempunyai tenaga mengikat yang lebih rendah daripada yang terletak di tengah-tengah jadual berkala.

Ini bermakna nukleus berat, yang mana bilangan atom lebih besar daripada 100, dibahagikan kepada dua serpihan yang lebih kecil, dengan itu melepaskan tenaga yang berubah menjadi tenaga kinetik serpihan. Proses ini dipanggil pemisahan nukleus atom.

Selaras dengan lengkung kestabilan, yang menunjukkan kebergantungan bilangan proton pada bilangan neutron untuk nukilida yang stabil, nukleus yang lebih berat lebih suka bilangan neutron yang lebih besar (berbanding bilangan proton) berbanding dengan yang lebih ringan. Ini menunjukkan bahawa dengan proses pemisahan, beberapa neutron "ganti" akan dikeluarkan. Di samping itu, mereka juga akan mengambil alih sebahagian daripada tenaga yang diperuntukkan. Kajian pembelahan nukleus atom uranium menunjukkan bahawa 3-4 neutron dilepaskan pada masa ini: ²³⁸ U → ¹⁴⁵ La + ⁹⁰ Br + 3n.

Nombor atom (dan jisim atom) serpihan tidak sama dengan separuh jisim atom ibu bapa. Perbezaan di antara massa atom dibentuk akibat pembahagian biasanya kira-kira 50. Walau bagaimanapun, sebab untuk ini belum difahami sepenuhnya.

Daya mengikat ²³⁸ U, ¹⁴⁵ La dan ⁹⁰ Br bersamaan dengan 1803, 1198 dan 763 MeV, masing-masing. Ini bermakna bahawa akibat daripada tindak balas ini, tenaga pembelahan nukleus uranium dilepaskan, sama dengan 1198 + 763-1803 = 158 MeV.

Bahagian spontan

Proses pemisahan spontan diketahui secara semula jadi, tetapi mereka sangat jarang berlaku. Jangka hayat purata proses ini adalah kira-kira ^10-17 tahun, dan, misalnya, jangka hayat purata pelepasan alfa radionuklida yang sama adalah kira-kira 10 ¹¹ tahun.

Alasannya ialah untuk membahagikan kepada dua bahagian, inti mestilah terlebih dahulu diubah (terbentang) ke dalam bentuk ellipsoidal, dan kemudian, sebelum pembahagian akhir menjadi dua serpihan, membentuk "leher" di tengah.

Potensi Penghalang

Dalam keadaan cacat, dua kuasa bertindak ke atas teras. Salah satunya ialah peningkatan tenaga permukaan (ketegangan permukaan setitik cecair menerangkan bentuk sfera), dan yang lainnya adalah penolakan Coulomb antara serpihan fisi. Bersama-sama mereka menghasilkan penghalang yang berpotensi.

Seperti dalam kerosakan alfa, pembelahan spontan nukleus atom uranium berlaku, serpihan mesti mengatasi halangan ini dengan terowong kuantum. Nilai halangan adalah kira-kira 6 MeV, seperti dalam hal kerosakan alfa, tetapi kebarangkalian terowong zarah α jauh lebih besar daripada produk pembahagian atom yang lebih berat.

Pemisahan paksa

Lebih teruk adalah pembelahan terintegrasi nukleus uranium. Dalam kes ini, nukleus ibu disinari dengan neutron. Jika ibu bapa menyerapnya, mereka mengikat, melepaskan tenaga mengikat dalam bentuk tenaga getaran, yang boleh melebihi 6 MeV, yang diperlukan untuk mengatasi halangan yang berpotensi.

Di mana tenaga neutron tambahan tidak mencukupi untuk mengatasi halangan yang berpotensi, neutron insiden mesti mempunyai tenaga kinetik minimum untuk dapat mempengaruhi pemisahan atom. Dalam kes ²³⁸ U, tenaga mengikat neutron tambahan adalah kurang daripada 1 MeV. Ini bermakna bahawa pembelahan nukleus uranium hanya disebabkan oleh neutron dengan tenaga kinetik melebihi 1 MeV. Sebaliknya, isotop ²³⁵ U mempunyai satu neutron yang tidak berpasangan. Apabila nukleus menyerap tambahan, ia membentuk sepasang dengannya, dan sebagai hasil dari pasangan ini, tenaga mengikat tambahan muncul. Ini mencukupi untuk membebaskan jumlah tenaga yang diperlukan untuk teras untuk mengatasi halangan yang berpotensi dan bahagian isotop berlaku ketika bertabrakan dengan mana-mana neutron.

Kerosakan beta

Walaupun tiga atau empat neutron dipancarkan semasa tindak balas fisi, serpihan masih mengandungi lebih banyak neutron daripada isobar stabilnya. Ini bermakna bahawa serpihan belahan adalah, sebagai peraturan, tidak stabil berkenaan dengan kerosakan beta.

Sebagai contoh, apabila pembelahan nukleus uranium ialah ²³⁸ U, isobar stabil dengan A = 145 adalah neodymium ¹⁴⁵ Nd, yang bermaksud bahawa serpihan lanthanum ¹⁴⁵ La terurai dalam tiga peringkat, setiap kali memancarkan elektron dan antineutrin sehingga nukilida stabil terbentuk. Isobar stabil dengan A = 90 adalah zirkonium ⁹⁰ Zr, oleh itu, pecahan bromin ⁹⁰ Br terurai menjadi lima peringkat rantai β-pereputan.

Rangkaian β-pereputan ini menimbulkan tenaga tambahan, yang hampir seluruhnya terbawa oleh elektron dan antineutrinos.

Reaksi nuklear: pembelahan nukleus uranium

Radiasi neutron langsung dari nukleus dengan terlalu banyak kuantiti mereka untuk memastikan kestabilan nukleus tidak mungkin. Di sini perkara itu tidak ada penolakan Coulomb, dan oleh itu tenaga permukaan cenderung menahan neutron sehubungan dengan ibu bapa. Walau bagaimanapun, ini kadang-kadang berlaku. Sebagai contoh, serpihan pembahagian ⁹⁰ Br pada peringkat pertama penghancuran beta menghasilkan krypton-90, yang boleh berada dalam keadaan teruja dengan tenaga yang mencukupi untuk mengatasi tenaga permukaan. Dalam kes ini, radiasi neutron boleh berlaku secara langsung dengan pembentukan krypton-89. Isobar ini masih tidak stabil sehubungan dengan β-pereputan sehingga ia menjadi stabil yttrium-89, sehingga krypton-89 mereput ke dalam tiga peringkat.

Pembelahan nukleus uranium: tindak balas rantai

Neutron yang dipancarkan dalam tindak balas belahan boleh diserap oleh nukleus induk lain, yang kemudiannya mengalami pembelahan yang disebabkan. Dalam kes uranium-238, tiga neutron yang timbul muncul pada tenaga yang kurang daripada 1 MeV (tenaga yang dilepaskan pada pembelahan nukleus uranium-158 MeV - pada dasarnya memasuki tenaga kinetik serpihan yang berpecah), jadi ia tidak boleh menyebabkan pembelahan nukleus ini. Walau bagaimanapun, pada kepekatan yang ketara daripada isotop ²³⁵ U yang jarang berlaku, neutron bebas ini boleh ditangkap oleh ²³⁵ U nukleus, yang sebenarnya boleh menyebabkan pemisahan, kerana dalam kes ini tidak ada ambang tenaga di bawah mana pembelahan itu tidak diinduksi.

Inilah prinsip tindak balas rantai.

Jenis tindak balas nuklear

Katakan bilangan neutron yang dihasilkan dalam sampel bahan fisil di peringkat n rantaian ini dibahagikan dengan bilangan neutron yang terbentuk di peringkat n-1. Nombor ini bergantung pada berapa banyak neutron yang diperolehi di peringkat n-1 diserap oleh nukleus, yang Boleh menjalani pembedahan paksa.

• Jika k <1, tindak balas rantai hanya akan mati dan prosesnya akan berhenti dengan cepat. Inilah yang berlaku di bijih uranium semulajadi , di mana kepekatan ²³⁵ U sangat kecil sehingga kebarangkalian penyerapan salah satu daripada neutron oleh isotop ini sangat tidak penting.

• Jika k> 1, tindak balas rantai akan meningkat sehingga semua bahan fisil digunakan (bom atom). Ini dicapai dengan memperkayakan bijih semulajadi pada kepekatan uranium-235 yang cukup tinggi. Untuk sampel sfera, nilai k meningkat dengan peningkatan kebarangkalian penyerapan neutron, yang bergantung kepada radius sfera. Oleh itu, jisim U mesti melebihi beberapa jisim kritikal, supaya pembelahan nuklei uranium (tindak balas rantai) dapat terjadi.

• Jika k = 1, maka tindak balas terkawal berlaku. Ini digunakan dalam reaktor nuklear. Proses ini dikawal oleh pengedaran antara rod uranium kadmium atau boron, yang menyerap kebanyakan neutron (unsur-unsur ini mempunyai keupayaan untuk menangkap neutron). Pembelahan teras uranium dikawal secara automatik dengan menggerakkan rod sedemikian rupa sehingga nilai k kekal sama dengan perpaduan.