Fission fan uranium kearnen. Chain reaksje. Beskriuwing fan it proses

Snijt de kearn - in swiere atom Splitting yn twa fragminten fan ûngefear likense gewicht, folge troch befrijing fan in grut bedrach fan enerzjy.

De fynst fan kearnenerzjy fission begjin fan in nij tiidrek - "Atomic leeftyd". De mooglikheden fan syn mooglike betsjuttings en it lykwicht fan de risiko om te profitearjen fan it brûken, net allinnich joech oanlieding ta in soad sosjologyske, politike, ekonomyske en wittenskiplike prestaasjes, mar ek in serieus probleem. Ek út in suver wittenskiplike eachpunt, de nukleêre fission proses soarge foar in grut tal fan puzels en komplikaasjes, en in komplete teoretyske ferklearring foar it is in ding fan 'e takomst.

Sharing - foardielich

binende enerzjy (per nucleon) ferskille yn ferskillende kearnen. Swierder hawwe in legere binende enerzjy as dat leit yn 'e midden fan' e periodike tabel.

Dat betsjut dat swiere kearnen dêr't de atomêre getal grutter as 100, advantageously yndield yn twa lytsere fragminten, dêrmei los enerzjy dy't wurdt omset yn Kinetic enerzjy fan de fragminten. Dat proses hjit Splitting atoomkearn.

Yn oerienstimming mei de stabiliteit kromme, dat toant de ôfhinklikheid fan it oantal protoanen fan stabile nuclides foar neutron swierdere kearn leaver in grutter tal neutroanen (yn ferliking mei it oantal protoanen) as lichter. Dat suggerearret dat der neist de splitting proses sil wurde ynfoege, wat "frije" neutroanen. Boppedat, se sille ek oernimme guon fan 'e enerzjy loslitten. Study fission fan uranium atomen die bliken dat dit genereart in neutron 3-4: U → ^{238 145 90} La + Br + 3n.

It atoomnûmer (en de atomêre massa) fan it fragmint is net gelyk oan de helte de atomêre massa fan 'e âlder. It ferskil tusken de massa fan de atomen foarme as in gefolch fan Cleavage is meastal likernôch 50. Lykwols, de reden foar dit is noch net hielendal dúdlik.

It binende enerzjy fan ²³⁸ U, ¹⁴⁵ La Br en ⁹⁰ binne 1803, 1198 en 763 MeV resp. Dat hâldt yn dat enerzjy wurdt útbrocht uranium fission gelikense 1198 + 158 = 763-1803 MeV dy't fuortkomme út de reaksje.

spontaan fission

spontaan splitting prosessen binne bekend yn de natuer, mar se binne tige seldsum. De gemiddelde libben fan dit proses is ûngefear 10 ^17, en, bygelyks, de trochsneed lifetime fan alfa-ferfal fan 'e radionuclide is ûngefear 10 ¹¹ s.

De reden dêrfoar is dat om te skieden yn twa dielen, de kearn moat earst ûndergean deformation (stretch) yn in ellipsoidal foarm, en dan, foarôfgeand oan lêste Cleavage yn twa fragminten foarmje in "hals" yn 'e midden.

potential barriêre

Yn de misfoarme steat by de kearn fan twa troepen. Ien fan har - it tanommen oerflak enerzjy (oerflak spanning fan floeibere druppeltjes ferklearret har sfearyske foarm), en de oare - de Coulomb ôfstjitting tusken de fission fragminten. Tegearre sy produsearje de potinsjele barriêre.

Lykas yn it gefal fan alfa ferfal te ûntsteane spontane fission fan uranium atomic kearnen, de biten moatte oerwinne dit barriêre troch middel fan de kwantumfysika tunneling. De dyk is sa'n 6 MeV, lykas yn it gefal fan alfa-ferfal, mar de kâns op tunneling fan α-dieltsjes is gâns grutter as de swierdere produkt splitting atoom.

twongen ôfbraak

Folle mear kâns wurdt feroarsake fission fan uranium kearnen. Yn dit gefal, it âlder kearn wurdt irradiated mei neutroanen. As in âlder is absorbearret, dan se binne bûn en meitsje de bining enerzjy yn 'e foarm fan vibrational enerzjy dat kin mear as 6 MeV nedich te oerwinnen de potinsjele barriêre.

Wêrôf neutron enerzjy is net genôch om te oerwinnen de potinsjele barrière, it foarfal neutron moat in minimale Kinetic enerzjy om te wêzen kinne induce de splitting fan it atoom. Yn it gefal fan ²³⁸ U ekstra neutron binende enerzjy ûntbrekt likernôch 1 MeV. Dat betsjut dat de fission fan uranium kearnen feroarsake allinnich neutroanen mei in Kinetic enerzjy grutter as 1 MeV. Oan 'e oare kant, de ²³⁵ U isotoop hat ien unpaired neutron. Wannear't in kearn absorbearret ekstra, it foarmet mei it in pear en in oanfoljende binende enerzjy is in gefolch fan dizze pairing. Dat is genôch en meitsje de hoemannichte enerzjy nedich om te oerwinnen de potinsjele barriêre fan de kearn en de ferdieling fan isotopen bard yn in botsing mei alle neutron.

Beta decay

Nettsjinsteande it feit dat de fission reaksje wurde ynfoege, troch trije of fjouwer neutroanen, fragminten noch befetsje mear neutroanen as harren stabile Isobaren. Dat betsjut dat de Cleavage fragminten binne oer it generaal net stabyl mei respekt nei beta ferfal.

Bygelyks, as der is in ôfdieling fan 'e kearn fan uranium ²³⁸ U, stabile Isobaren mei A = 145 ¹⁴⁵ is neodymium Nd, wat betsjut dat it fragmint lanthanum La ¹⁴⁵ splits yn trije stadia, eltse kear troch striele elektron en in neutrino oant in stabile nuclide wurdt foarme. Stable Isobaren mei A = 90 ⁹⁰ is zirconium Zr, sa Cleavage fragmint bromo Br ⁹⁰ splits yn fiif etappes chain β-ferfal.

Dy chain β-ferfal emit ekstra enerzjy dy't fuortfierd hast allegear fan it elektron en in neutrino.

Nuclear reaksjes: fission fan uranium

Direkte nuclide út neutron strieling mei te grut oantal fan harren te garandearjen de stabiliteit fan de kearn is net wierskynlik. Hjir it punt is dat der gjin Hudson Bay ôfstjitting, en sa it oerflak enerzjy oanstriid te behâlden it neutron fanwege de âlder. Dochs is it soms bart. Bygelyks, fission fragmint Br ⁹⁰ yn 'e earste beta-ferfal produsearret in krypton-90, dy't te finen is yn in oansleine tastân mei genôch enerzjy te oerwinnen it oerflak enerzjy. Yn dit gefal it neutron strieling foarkomme kinne direkt te foarmje in krypton-89. Dit Isobaren is noch altyd ynstabyl mei respekt nei beta-ferfal noch net gean yn de stâl yttrium-89, sadat de krypton-89 wurdt opdield yn trije etappes.

Uranium fission: Chain Reaction

Neutroanen ynfoege, yn 'e Cleavage reaksje kin wurde opheind troch de oare âlder-kearn, dy't dan ûndergiet himsels feroarsake fission. Yn it gefal fan uranium-238 trije neutroanen, dy't ûntsteane út mei de enerzjy minder as 1 MeV (de enerzjy útbrocht yn de fission fan uranium kearn - 158 MeV - meast omboud Kinetic enerzjy Cleavage fragminten), dus sy kinne net ta in fierdere divyzje fan dizze nuclide. Lykwols, as in grutte konsintraasje fan de seldsume isotoop ²³⁵ U dizze frije neutroanen kinne wurde ferovere troch de kearnen fan ²³⁵ U, dat kin eins feroarsaakje Cleavage, sûnt yn dit gefal is der gjin enerzjy drompel hjirûnder dêr't de ferdieling wurdt net feroarsake.

Dat is it prinsipe ketting reaksje.

Soarten Nuclear Reactions

Lit k - tal neutroanen produsearre yn in stekproef fan it fissile materiaal yn stap n fan de keatling, ferdield troch it tal neutroanen produsearre yn poadium n - 1. Dit oantal sil ôfhingje fan it tal neutroanen produsearre yn stap n - 1, wurde opnaam yn de kearn, dy't kin ûndergean feroarsake fission.

• As k <1 op, it ketting reaksje is gewoan út fan stoom en it proses stoppet hiel gau. Dit is wat der bart yn 'e natuerlike uraniumerts, wêryn de konsintraasje ^{fan 235} U is sa lyts, dat de kâns op opname fan in neutron dit isotoop is ekstreem negligible.

• As k> 1, it ketting reaksje sil fierder te groeien sa lang as al fan it fissile materiaal sil net brûkt wurde (de atoombom). Dit wurdt berikt troch enriching natuerlike erts te krijen in foldwaande hege konsintraasje fan uranium-235. Foar bolfoarmige sample wearde k tanimt mei de kâns op neutron absorption, dat is ôfhinklik fan de straal fan de bol. Dêrom U gewicht moat heger wêze as in beskate krityske massa oan fission fan uranium (chain reaksje) koe foarkomme.

• As k = 1, dan is der in kontrolearre reaksje. It wurdt brûkt yn kearnreaktors. It proses wurdt oanstjoerd ferdieling tusken uranium roeden fan cadmium of boron, dy't opfange measte neutroanen (dizze eleminten binne by steat it fêstlizzen fan neutroanen). Dielen uranium cores wurdt it automatysk regele troch mei de roede sadat de k wearde bliuwt gelyk oan ien.