Σχάση των πυρήνων ουρανίου. αντίδραση αλύσου. Περιγραφή της διαδικασίας

Διαιρώντας τον πυρήνα - ένα βαρύ διάσπαση άτομο σε δύο θραύσματα περίπου ίσου βάρους, ακολουθούμενη από απελευθέρωση μιας μεγάλης ποσότητας ενέργειας.

Η ανακάλυψη της έναρξης της πυρηνικής σχάσης μιας νέας εποχής - «ατομική εποχή». Το δυναμικό της πιθανές χρήσεις του και την ισορροπία του κινδύνου να επωφεληθούν από τη χρήση του, όχι μόνο οδήγησε σε πολλά κοινωνιολογικά, πολιτικά, οικονομικά και επιστημονικά επιτεύγματα, αλλά και ένα σοβαρό πρόβλημα. Ακόμη και από καθαρά επιστημονική άποψη, η διαδικασία της πυρηνικής σχάσης δημιούργησε ένα μεγάλο αριθμό από γρίφους και επιπλοκές, και μια πλήρη θεωρητική εξήγηση γι 'αυτό είναι ένα πράγμα του μέλλοντος.

Sharing - ευεργετικό

ενέργεια σύνδεσης (ανά νουκλεόνιο) διαφέρουν σε διαφορετικές πυρήνες. Τα βαρύτερα έχουν χαμηλότερη ενέργεια σύνδεσης από αυτή που βρίσκεται στη μέση του περιοδικού πίνακα.

Αυτό σημαίνει ότι τα βαρέα πυρήνες στο οποίο ο ατομικός αριθμός μεγαλύτερος από 100, πλεονεκτικά διαιρείται σε δύο μικρότερα θραύσματα, απελευθερώνοντας έτσι ενέργεια που μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια από τα θραύσματα. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται διαχωρισμός ατομικού πυρήνα.

Σύμφωνα με την καμπύλη σταθερότητας, το οποίο δείχνει την εξάρτηση από τον αριθμό των πρωτονίων από σταθερές νουκλίδια για νετρονίων βαρύτερο πυρήνα προτιμούν ένα μεγαλύτερο αριθμό των νετρονίων (σε σύγκριση με τον αριθμό των πρωτονίων) από τα ελαφρύτερα. Αυτό σημαίνει ότι εκτός από τη διαδικασία διαχωρισμού θα εκπέμπεται κάποια «ανταλλακτικά» τα νετρόνια. Επιπλέον, θα λάβει επίσης πάνω μέρος της ενέργειας που απελευθερώνεται. Μελέτη σχάση των ατόμων του ουρανίου έδειξε ότι αυτό δημιουργεί ένα νετρόνιο 3-4: U → ^{238 145 90} La + Br + 3n.

Ο ατομικός αριθμός (και η ατομική μάζα) του θραύσματος δεν είναι ίση με το ήμισυ την ατομική μάζα του μητρικού. Η διαφορά μεταξύ των μαζών των ατόμων που σχηματίζεται ως αποτέλεσμα της διάσπασης είναι συνήθως περίπου 50. Εντούτοις, ο λόγος για αυτό δεν είναι ακόμη απολύτως σαφής.

Οι δεσμευτικές ενέργειες των ²³⁸ U, ¹⁴⁵ La Br και ⁹⁰ είναι 1803, 1198 και 763 MeV, αντίστοιχα. Αυτό σημαίνει ότι η ενέργεια απελευθερώνεται σχάσης ουρανίου ίση 1198 + 158 = 763 - 1803 MeV προκύπτει από την αντίδραση.

αυθόρμητη σχάση

αυθόρμητες διεργασίες διάσπασης είναι γνωστοί στη φύση, αλλά είναι πολύ σπάνια. Η μέση διάρκεια ζωής αυτής της διαδικασίας είναι περίπου 10 ^17, και, για παράδειγμα, η μέση διάρκεια ζωής των αλφα-αποσύνθεσης του ραδιονουκλιδίου είναι περίπου 10 ^11.

Ο λόγος για αυτό είναι ότι, προκειμένου να διαχωριστεί σε δύο μέρη, ο πυρήνας πρέπει πρώτα να υποβληθούν σε παραμόρφωση (τέντωμα) σε μία ελλειψοειδή μορφή, και στη συνέχεια, πριν από την τελική διάσπαση σε δύο θραύσματα σχηματίζουν ένα «λαιμό» στη μέση.

φράγμα δυναμικού

Στην παραμορφωμένη κατάσταση στον πυρήνα των δύο δυνάμεων. Ένας από αυτούς - η αυξημένη επιφανειακή ενέργεια (επιφανειακή τάση των υγρών σταγονιδίων εξηγεί σφαιρικού σχήματος του), και το άλλο - το απώθησης Coulomb μεταξύ των θραυσμάτων σχάσης. Μαζί παράγουν το δυναμικό φράγμα.

Όπως και στην περίπτωση της διάσπασης άλφα να συμβεί αυθόρμητη σχάση των πυρήνων ουρανίου ατομικής, τα θραύσματα θα πρέπει να ξεπεραστεί αυτό το εμπόδιο με τη βοήθεια της κβαντικής σήραγγας. Το φράγμα είναι περίπου 6 MeV, όπως στην περίπτωση των αλφα-αποσύνθεσης, αλλά η πιθανότητα διάνοιξης σηράγγων των α-σωματιδίων είναι σημαντικά μεγαλύτερη από την πολύ βαρύτερο άτομο σχισίματος προϊόν.

αναγκαστική υποβάθμιση

Πολύ πιο πιθανό προκαλείται σχάση των πυρήνων ουρανίου. Στην περίπτωση αυτή, η μητρική πυρήνα ακτινοβολείται με νετρόνια. Εάν ένας γονέας απορροφά, τότε αυτά είναι δεσμευμένα για να απελευθερώσει την ενέργεια δέσμευσης με τη μορφή δονητικής ενέργειας που μπορεί να υπερβαίνει τα 6 MeV που απαιτείται για να ξεπεραστεί το δυναμικό φράγμα.

Σε περίπτωση που πρόσθετη ενέργεια των νετρονίων δεν είναι αρκετή για να ξεπεράσει το φράγμα δυναμικού, το περιστατικό νετρονίων πρέπει να έχει ελάχιστη κινητική ενέργεια, ώστε να είναι σε θέση να προκαλέσει τη διάσπαση του ατόμου. Στην περίπτωση των ²³⁸ U ενέργεια σύνδεσης επιπλέον νετρονίων λείπει περίπου 1 MeV. Αυτό σημαίνει ότι η σχάση των πυρήνων ουρανίου που επάγεται μόνο νετρόνια με κινητική ενέργεια μεγαλύτερη από 1 MeV. Από την άλλη πλευρά, η ²³⁵ U ισότοπο έχει ένα μη ζευγαρωμένο νετρονίων. Όταν ένας πυρήνας απορροφά επιπλέον, σχηματίζει με αυτό ένα ζευγάρι και ένα επιπλέον ενέργεια σύνδεσης είναι ένα αποτέλεσμα αυτής της σύζευξης. Αυτό είναι αρκετό για να απελευθερώσει την ποσότητα της ενέργειας που απαιτείται για να ξεπεραστεί το δυναμικό φράγμα του πυρήνα και τη διαίρεση των ισοτόπων εμφανιστεί σε μια σύγκρουση με κάποιο νετρονίων.

βήτα διάσπαση

Παρά το γεγονός ότι η αντίδραση σχάσης εκπέμπονται από τρεις ή τέσσερις νετρόνια, θραύσματα εξακολουθούν να περιέχουν περισσότερα νετρόνια από σταθερό ισοβαρών τους. Αυτό σημαίνει ότι τα θραύσματα διάσπασης είναι γενικά ασταθείς σε σχέση με βήτα διάσπαση.

Για παράδειγμα, όταν υπάρχει ένα τμήμα του πυρήνα του ουρανίου ²³⁸ U, σταθερό ισοβαρείς με Α = 145 ¹⁴⁵ είναι νεοδύμιο Nd, πράγμα που σημαίνει ότι το λανθάνιο θραύσμα La ¹⁴⁵ χωρίζει σε τρία στάδια, κάθε φορά από ακτινοβολεί ηλεκτρόνιο και ένα νετρίνο μέχρι ένα σταθερό νουκλεΐδιο σχηματίζεται. Σταθερό Ισοβαρή με Α = 90 ⁹⁰ είναι ζιρκόνιο Zr, έτσι διάσπαση θραύσμα βρωμο Br ⁹⁰ χωρίζεται σε πέντε στάδια αλυσίδας β-διάσπασης.

Αυτά τα β-αλυσίδας διάσπασης εκπέμπουν έξτρα ενέργεια που μεταφέρεται μακριά σχεδόν όλα του ηλεκτρονίου και ένα νετρίνο.

Πυρηνικές αντιδράσεις: σχάση του ουρανίου

Άμεση ραδιονουκλεϊδίων από την ακτινοβολία νετρονίων με πολύ μεγάλο αριθμό από αυτούς να διασφαλιστεί η σταθερότητα του πυρήνα είναι απίθανο. Εδώ το θέμα είναι ότι δεν υπάρχει καμία Coulomb απώθηση, και έτσι η επιφανειακή ενέργεια τείνει να συγκρατεί το οφείλεται στη μητρική νετρονίων. Παρ 'όλα αυτά, μερικές φορές συμβαίνει. Για παράδειγμα, το θραύσμα σχάσης Br ⁹⁰ στο πρώτο βήτα-διάσπαση παράγει ένα κρυπτό-90, η οποία μπορεί να βρίσκεται σε μία διεγερμένη κατάσταση με αρκετή ενέργεια για να ξεπεράσει την επιφανειακή ενέργεια. Στην περίπτωση αυτή, η ακτινοβολία νετρονίων μπορεί να συμβεί άμεσα να σχηματίσουν ένα κρυπτό-89. Αυτό ισοβαρείς εξακολουθεί να είναι ασταθής σε σχέση με το β-διάσπαση δεν έχει πάει στο σταθερό ύττριο-89, έτσι ώστε το κρυπτό-89 χωρίζεται σε τρία στάδια.

Ουράνιο σχάση: Αλυσιδωτή Αντίδραση

Τα νετρόνια που εκπέμπονται στην αντίδραση διάσπασης μπορεί να απορροφηθεί από τον άλλο γονέα-πυρήνα, το οποίο στη συνέχεια υφίσταται αυτο-επαγόμενης σχάσης. Στην περίπτωση του ουρανίου-238 τρεις νετρόνια, τα οποία προκύπτουν με ενέργειες μικρότερες από 1 MeV (η ενέργεια που απελευθερώνεται στην σχάσης του πυρήνα ουρανίου - 158 MeV - ως επί το πλείστον μετατρέπεται σε κινητική θραύσματα διάσπασης ενέργεια), έτσι ώστε να μην μπορούν να προκαλέσουν περαιτέρω διαίρεση της παρούσας νουκλιδίου. Ωστόσο, εάν ένα σημαντικό συγκέντρωση της σπάνιας ισότοπο U ²³⁵ αυτά τα ελεύθερα νετρόνια μπορούν να συλληφθούν από τους πυρήνες των ²³⁵ U, μπορεί να προκαλέσει πραγματικά διάσπαση, δεδομένου ότι σε αυτή την περίπτωση δεν υπάρχει όριο ενέργειας κάτω από το οποίο η διαίρεση δεν επάγεται.

Αυτή είναι η αλυσιδωτή αντίδραση αρχή.

Τύποι των πυρηνικών αντιδράσεων

Έστω k - αριθμός των νετρονίων που παράγονται σε ένα δείγμα του σχάσιμου υλικού στην βαθμίδα ν της αλυσίδας, διαιρούμενο με τον αριθμό των νετρονίων που παράγεται στο στάδιο n - 1. Αυτός ο αριθμός θα εξαρτάται από τον αριθμό των νετρονίων που παράγονται στο στάδιο n - 1, απορροφώνται από τον πυρήνα, η οποία μπορεί να υποβληθεί σε σχάση Προκαλούμενη.

• Αν k <1 και στο εξής, η αλυσιδωτή αντίδραση είναι απλά από τον ατμό και η διαδικασία θα σταματήσει πολύ γρήγορα. Αυτό είναι ό, τι συμβαίνει στο φυσικό μετάλλευμα ουρανίου, στην οποία η συγκέντρωση ^{του 235} U είναι τόσο μικρή ώστε η πιθανότητα απορρόφησης ενός νετρονίων αυτό ισότοπο είναι εξαιρετικά αμελητέα.

• Αν k> 1, η αλυσιδωτή αντίδραση θα συνεχίσει να αυξάνεται όσο όλο το σχάσιμο υλικό δεν θα χρησιμοποιηθεί (η ατομική βόμβα). Αυτό επιτυγχάνεται με τον εμπλουτισμό φυσικό μετάλλευμα για να ληφθεί μία επαρκώς υψηλή συγκέντρωση ουρανίου-235. Για σφαιρικά τιμή δείγματος k αυξάνει με την πιθανότητα απορρόφησης νετρονίων, η οποία εξαρτάται από την ακτίνα της σφαίρας. Ως εκ τούτου U βάρους πρέπει να υπερβαίνει ένα ορισμένο κρίσιμη μάζα για σχάση του ουρανίου (αλυσιδωτή αντίδραση) θα μπορούσε να συμβεί.

• Αν k = 1, τότε υπάρχει μια ελεγχόμενη αντίδραση. Χρησιμοποιείται σε πυρηνικούς αντιδραστήρες. Η διαδικασία ελέγχεται κατανομή μεταξύ των ράβδων ουρανίου του καδμίου ή βορίου, που απορροφούν το μεγαλύτερο μέρος των νετρονίων (αυτά τα στοιχεία είναι ικανό να συλλάβει νετρόνια). Διαιρώντας πυρήνες ουρανίου που ελέγχεται αυτόματα μετακινώντας τη ράβδο έτσι ώστε η τιμή k παραμένει ίση με ένα.