Phân hạch hạt nhân uranium. phản ứng dây chuyền. Mô tả quá trình

Chia cốt lõi - một tách nguyên tử nặng thành hai mảnh trọng lượng xấp xỉ bằng nhau, sau đó giải phóng một lượng lớn năng lượng.

Việc phát hiện ra bắt đầu phân hạch hạt nhân của một kỷ nguyên mới - "thời đại nguyên tử". Tiềm năng của khả năng sử dụng của nó và sự cân bằng rủi ro để được hưởng lợi từ việc sử dụng nó, không chỉ đã dẫn đến nhiều thành tựu xã hội học, chính trị, kinh tế và khoa học, mà còn là một vấn đề nghiêm trọng. Thậm chí từ một quan điểm thuần túy khoa học, quá trình phân hạch hạt nhân đã tạo ra một số lượng lớn các câu đố và các biến chứng, và giải thích đầy đủ lý thuyết cho nó là một vấn đề của tương lai.

Chia sẻ - có lợi

năng lượng liên kết (trên mỗi nucleon) khác nhau về hạt nhân khác nhau. Nặng hơn có năng lượng liên kết thấp hơn nằm ở giữa bảng tuần hoàn.

Điều này có nghĩa rằng hạt nhân nặng, trong đó nguyên tử số lớn hơn 100, thuận lợi chia thành hai mảnh nhỏ hơn, do đó giải phóng năng lượng đó được chuyển thành động năng của các mảnh vỡ. Quá trình này được gọi là tách hạt nhân nguyên tử.

Phù hợp với đường cong ổn định, trong đó cho thấy sự phụ thuộc của số lượng proton từ nuclides ổn định cho neutron hạt nhân nặng hơn thích một số lượng lớn neutron (so với số lượng các proton) hơn nhẹ hơn. Điều này cho thấy ngoài các quá trình tách sẽ được phát ra một số neutron "rảnh rỗi". Bên cạnh đó, họ cũng sẽ tiến hành một số năng lượng phát hành. phân hạch nghiên cứu của các nguyên tử uranium cho thấy rằng điều này sẽ tạo ra một neutron 3-4: U → ^{238 145 90} La + Br + 3n.

Số nguyên tử (và khối lượng nguyên tử) của đoạn là không bằng một nửa khối lượng nguyên tử của công ty mẹ. Sự khác biệt giữa khối lượng của nguyên tử được hình thành như là kết quả của sự phân cắt thường là khoảng 50. Tuy nhiên, lý do cho điều này vẫn chưa hoàn toàn rõ ràng.

Các nguồn năng lượng liên kết của ²³⁸ U, ¹⁴⁵ La Br và ⁹⁰ là 1803, 1198, 763 MeV tương ứng. Điều này có nghĩa rằng năng lượng được giải phóng urani phân hạch bằng 1198 + 158 = 763-1803 MeV kết quả từ phản ứng.

phân hạch tự phát

quá trình tách tự phát được biết trong tự nhiên, nhưng chúng rất hiếm. Tuổi thọ trung bình của quá trình này là khoảng 10 ^17, và, ví dụ, tuổi thọ trung bình của alpha-phân rã của hạt nhân phóng xạ là khoảng 10 ^11.

Lý do cho điều này là để tách thành hai phần, cốt lõi đầu tiên phải trải qua biến dạng (căng) ở dạng elip, và sau đó, trước khi lại sự phân thức thành hai mảnh tạo thành một "cổ" ở giữa.

rào cản tiềm năng

Trong trạng thái biến dạng cốt lõi của hai lực lượng. Một trong số đó - tăng năng lượng bề mặt (sức căng bề mặt của giọt chất lỏng giải thích hình dạng hình cầu của nó), và người kia - những lực đẩy Coulomb giữa các mảnh vỡ phân hạch. Họ cùng nhau tạo ra những rào cản tiềm năng.

Như trong trường hợp của phân rã alpha để xảy ra phản ứng phân hạch tự phát của hạt nhân urani nguyên tử, các mảnh vỡ phải vượt qua rào cản này bằng phương pháp hầm lượng tử. Rào cản là khoảng 6 MeV, như trong trường hợp của alpha-phân rã, nhưng xác suất của đường hầm của α-hạt lớn đáng kể so với các nguyên tử tách sản phẩm nặng hơn nhiều.

suy thoái buộc

Nhiều khả năng được cảm ứng phân hạch hạt nhân uranium. Trong trường hợp này, các hạt nhân mẹ được chiếu xạ với neutron. Nếu cha mẹ nó hấp thụ, sau đó họ đang bị ràng buộc để giải phóng năng lượng liên kết theo hình thức năng lượng rung động có thể vượt quá 6 MeV cần thiết để vượt qua những rào cản tiềm năng.

Trong trường hợp thêm năng lượng neutron là không đủ để vượt qua những rào cản tiềm năng, các neutron sự cố phải có một động năng tối thiểu để có thể gây ra sự chia tách của nguyên tử. Trong trường hợp của ²³⁸ U năng lượng liên kết thêm neutron là mất tích khoảng 1 MeV. Điều này có nghĩa rằng sự phân hạch của hạt nhân urani gây ra chỉ neutron với một động năng lớn hơn 1 MeV. Mặt khác, ²³⁵ U đồng vị có một neutron lẻ. Khi một hạt nhân hấp thụ bổ sung, nó tạo thành với nó một cặp vợ chồng và một năng lượng liên kết thêm là kết quả của cặp đôi này. Đây là đủ để giải phóng lượng năng lượng cần thiết để vượt qua những rào cản tiềm năng của hạt nhân và các bộ phận của đồng vị xảy ra trong một vụ va chạm với bất kỳ neutron.

phân rã beta

Mặc dù thực tế rằng phản ứng phân hạch được phát ra bởi ba hoặc bốn neutron, mảnh vỡ vẫn chứa neutron hơn isobars ổn định của họ. Điều này có nghĩa rằng các mảnh vỡ phân chia nói chung là không ổn định đối với phân rã beta với.

Ví dụ, khi có một bộ phận của hạt nhân uranium ²³⁸ U, isobars ổn định với A = 145 ¹⁴⁵ là neodymium Nd, có nghĩa là lantan đoạn La ¹⁴⁵ chia thành ba giai đoạn, mỗi thời gian bằng cách tỏa ra electron và một neutrino cho đến khi một nuclide ổn định được hình thành. isobars ổn định với A = 90 ⁹⁰ là zirconi Zr, vì vậy sự phân mảnh bromo Br ⁹⁰ chia thành năm giai đoạn chuỗi β-phân rã.

Những β-sâu chuỗi phát ra năng lượng phụ trợ được mang đi hầu hết các electron và một neutrino.

phản ứng hạt nhân: phân hạch uranium

nuclide trực tiếp từ bức xạ neutron với số lượng quá lớn trong số họ để đảm bảo sự ổn định của hạt nhân là khó xảy ra. Dưới đây là điểm mà không có Coulomb lực đẩy, và do đó năng lượng bề mặt có xu hướng giữ lại các neutron do phụ huynh. Tuy nhiên, đôi khi nó xảy ra. Ví dụ, phân hạch mảnh Br ⁹⁰ trong beta-phân rã đầu tiên tạo ra một krypton-90, có thể được đặt trong một trạng thái kích thích có đủ năng lượng để khắc phục tình trạng năng lượng bề mặt. Trong trường hợp này các bức xạ neutron có thể xảy ra trực tiếp để tạo thành một krypton-89. isobars này vẫn không ổn định đối với beta-phân rã vẫn chưa đi vào yttrium-89 ổn định với, do đó krypton-89 được chia thành ba giai đoạn.

Uranium phân hạch: Chain Reaction

Neutron phát ra trong phản ứng tách từ có thể được hấp thụ bởi phụ huynh-hạt nhân khác, sau đó trải qua phân hạch tự gây ra. Trong trường hợp của urani-238 ba neutron, mà nảy sinh ra với năng lượng ít hơn 1 MeV (năng lượng giải phóng trong sự phân hạch của lõi uranium - 158 MeV - chủ yếu là chuyển đổi thành các mảnh năng lượng tách từ động), do đó họ không thể gây ra một bộ phận tiếp tục nuclide này. Tuy nhiên, nếu nồng độ đáng kể của các đồng vị hiếm U ²³⁵ những neutron tự do có thể được chụp bởi các hạt nhân ²³⁵ U, nó có thể thực sự gây ra sự phân tách, vì trong trường hợp này không có ngưỡng năng lượng dưới đây mà bộ phận không gây ra.

Đây là phản ứng dây chuyền nguyên tắc.

Các loại phản ứng hạt nhân

Cho k - số neutron sinh ra trong một mẫu của các vật liệu phân hạch trong bước n của chuỗi, chia cho số lượng neutron sinh ra trong giai đoạn n - 1. Con số này sẽ phụ thuộc vào số lượng neutron sinh ra ở bước n - 1, được hấp thụ bởi cốt lõi, mà có thể trải qua phân hạch gây ra.

• Nếu k <1 trên, các phản ứng dây chuyền chỉ đơn giản là ra khỏi hơi nước và quá trình này sẽ dừng lại rất nhanh chóng. Đây là những gì xảy ra trong tự nhiên quặng uranium, trong đó nồng độ ^{của 235} U là quá nhỏ mà khả năng hấp thụ một neutron đồng vị này là cực kỳ không đáng kể.

• Nếu k> 1, phản ứng dây chuyền sẽ tiếp tục phát triển miễn là tất cả các vật liệu phân hạch sẽ không được sử dụng (bom nguyên tử). Điều này đạt được bằng cách làm giàu quặng tự nhiên để có được nồng độ đủ cao uranium-235. Đối với cầu giá trị mẫu k tăng với khả năng hấp thụ neutron, mà phụ thuộc vào bán kính của hình cầu. Do đó U trọng lượng vượt quá một khối lượng quan trọng nhất định để phân hạch của urani (chain reaction) có thể xảy ra.

• Nếu k = 1, sau đó là một phản ứng có kiểm soát. Nó được sử dụng trong các lò phản ứng hạt nhân. Quá trình này được điều khiển phân phối giữa các thanh uranium của cadmium hoặc boron, mà hấp thụ hầu hết các neutron (những yếu tố này có khả năng chụp neutron). Chia lõi uranium nó sẽ tự động kiểm soát bằng cách di chuyển thanh để các giá trị k vẫn bằng một.