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Fissione di nuclei di uranio. Reazione a catena. Descrizione del processo

Dividendo il nucleo – un atomo pesante scissione in due frammenti di approssimativamente uguale peso, seguita da liberazione di una grande quantità di energia.

La scoperta della fissione nucleare inizio di una nuova era – "era atomica". Il potenziale dei suoi possibili usi e l'equilibrio del rischio di beneficiare dal suo uso, non solo ha dato luogo a un sacco di successi sociologici, politici, economici e scientifici, ma anche un problema serio. Anche da un punto di vista puramente scientifico, il processo di fissione nucleare ha creato un gran numero di enigmi e complicazioni, e una spiegazione teorica completo perché è una cosa del futuro.

Sharing – benefico

energia di legame (per nucleone) differiscono in diversi nuclei. Pesante hanno un'energia di legame inferiore a quella situata al centro della tavola periodica.

Ciò significa che i nuclei pesanti in cui il atomico numero maggiore di 100, vantaggiosamente suddiviso in due frammenti più piccoli, liberando così l'energia che viene convertita in energia cinetica dei frammenti. Questo processo è chiamato splitting nucleo atomico.

In conformità con la curva di stabilità, che mostra la dipendenza del numero di protoni da nuclidi stabili per neutroni nucleo pesanti preferiscono un maggior numero di neutroni (rispetto al numero di protoni) rispetto leggero. Questo suggerisce che, oltre al processo di scissione verrà emesso alcuni neutroni "pezzi". Inoltre, essi dovranno anche prendere in consegna una parte dell'energia rilasciata. Studio fissione degli atomi di uranio ha dimostrato che questo genera un neutrone 3-4: U → 238 145 90 La + Br + 3n.

Il numero atomico (e la massa atomica) del frammento non è uguale alla metà della massa atomica del genitore. La differenza tra le masse di atomi formate come risultato della scissione è solitamente circa 50. Tuttavia, la ragione di questo non è ancora del tutto chiaro.

Le energie di legame di 238 U, 145 La Br e 90 sono 1803, 1198 e 763 MeV rispettivamente. Ciò significa che l'energia viene rilasciata fissione dell'uranio pari 1198 + 158 = 763-1803 MeV risultante dalla reazione.

fissione spontanea

processi di scissione spontanei Sono noti in natura, ma sono molto rare. La durata media di questo processo è di circa 10 17, e, per esempio, la vita media di decadimento alfa del radionuclide è di circa 10 11.

La ragione di questo è che, al fine di separare in due parti, il nucleo deve prima subire deformazioni (allungamento) in una forma ellissoidale, e quindi, prima della scissione finale in due frammenti formare un "collo" nel mezzo.

barriera di potenziale

Nello stato deformato al centro delle due forze. Uno di loro – la maggiore energia superficiale (tensione superficiale di goccioline liquide spiega la sua forma sferica), e l'altro – la repulsione coulombiana tra i frammenti di fissione. Insieme producono la barriera di potenziale.

Come nel caso di decadimento alfa verificarsi fissione spontanea di uranio atomico nuclei, i frammenti devono superare questo ostacolo mediante tunneling quantistico. La barriera è di circa 6 MeV, come nel caso di decadimento alfa, ma la probabilità di tunneling di a-particelle è notevolmente maggiore rispetto alla molto più pesante atomo prodotto scissione.

degradazione forzata

Molto più probabile è indotta fissione di nuclei di uranio. In questo caso, il nucleo genitore è irradiato con neutroni. Se un genitore assorbe, allora essi sono tenuti a liberare l'energia di legame, sotto forma di energia vibrazionale che può superare i 6 MeV necessarie per superare la barriera di potenziale.

Dove l'energia dei neutroni supplementare non è sufficiente per superare la barriera di potenziale, il neutrone incidente deve avere un'energia cinetica minima per essere in grado di indurre la scissione dell'atomo. Nel caso di 238 U ulteriori neutroni energia di legame è mancante circa 1 MeV. Ciò significa che la fissione di nuclei di uranio indotta solo neutroni con un'energia cinetica maggiore di 1 MeV. D'altra parte, il 235 U isotopo ha un neutrone spaiato. Quando un nucleo assorbe ulteriore, forma con esso una coppia e un ulteriore energia di legame è il risultato di questo abbinamento. Questo è sufficiente per rilasciare la quantità di energia necessaria per superare la barriera di potenziale del nucleo e la divisione di isotopi verificati in una collisione con qualsiasi neutroni.

decadimento beta

Nonostante il fatto che la reazione di fissione sono emessi da tre o quattro neutroni, frammenti contengono ancora più neutroni rispetto ai loro isobare stabili. Ciò significa che i frammenti di scissione sono generalmente instabili rispetto al decadimento beta.

Ad esempio, quando v'è una divisione del nucleo di uranio 238 U, isobare stabili con A = 145 145 è neodimio Nd, che significa che il lantanio frammento La 145 si divide in tre fasi, ogni volta irradiando elettrone e un neutrino finché un nuclide stabile si forma. isobare stabili con A = 90 90 è zirconio Zr, così scissione frammento bromo Br 90 divide in cinque fasi catena β-decadimento.

Questi β-decadimento catena emettono energia supplementare che viene portato via quasi tutto l'elettrone e un neutrino.

Le reazioni nucleari: la fissione dell'uranio

nuclide diretta dalle radiazioni di neutroni con numero troppo grande di loro per garantire la stabilità del nucleo è improbabile. Qui il punto è che non c'è repulsione coulombiana, e quindi l'energia superficiale tende a trattenere il neutrone dovuta al genitore. Tuttavia, talvolta accade. Ad esempio, frammenti di fissione Br 90 nella prima beta-decadimento produce un cripto-90, che può trovarsi in uno stato eccitato con energia sufficiente a superare l'energia superficiale. In questo caso la radiazione neutronica può avvenire direttamente per formare un cripto-89. Questo isobare è ancora instabile rispetto al decadimento beta non ha ancora andare nella stalla ittrio-89, in modo che il kripton-89 è diviso in tre fasi.

Fissione: Chain Reaction

Neutroni emessi nella reazione di scissione possono essere assorbiti dal genitore-nucleo, che poi subisce fissione autoindotta. Nel caso di uranio-238 tre neutroni, che nascono con energie meno di 1 MeV (l'energia liberata nella fissione del nucleo dell'uranio – 158 MeV – principalmente convertiti in frammenti di scissione energia cinetica), quindi non possono causare una ulteriore divisione di questo radionuclide. Tuttavia, se una concentrazione significativa del raro isotopo U 235 questi neutroni liberi può essere catturato dai nuclei di 235 U, può effettivamente causare scissione, poiché in questo caso non esiste una soglia di energia sotto della quale la divisione non è indotta.

Questa è la reazione a catena principio.

Tipi di reazioni nucleari

Sia k – numero di neutroni prodotti in un campione del materiale fissile nel passaggio n della catena, diviso per il numero di neutroni prodotti in fase n – 1. Il numero dipenderà dal numero di neutroni prodotti nel passaggio n – 1, sono assorbiti dal nucleo, che può subire fissione indotta.

• Se k <1 in poi, la reazione a catena è semplicemente fuori di vapore e il processo si fermerà molto rapidamente. Questo è ciò che accade nel naturale minerale di uranio, in cui la concentrazione di 235 U è così piccola che la probabilità di assorbimento di un neutrone questo isotopo è estremamente trascurabile.

• Se k> 1, la reazione a catena continuerà a crescere finché tutto il materiale fissile non saranno utilizzati (la bomba atomica). Ciò si ottiene arricchendo minerale naturale per ottenere una concentrazione sufficientemente elevata di uranio-235. Per sferici valore campione k aumenta con la probabilità di assorbimento di neutroni, che dipende dal raggio della sfera. Pertanto U peso deve superare una certa critical mass per fissione dell'uranio (reazione a catena) potrebbero verificarsi.

• Se k = 1, allora c'è una reazione controllata. Viene utilizzato in reattori nucleari. Il processo è controllato ripartizione tra barre di uranio di cadmio o boro, che assorbono la maggior parte dei neutroni (questi elementi sono in grado di catturare neutroni). Dividendo nuclei di uranio viene controllata automaticamente spostando l'asta in modo che il valore k rimane uguale a uno.