Дзяленне ядра ўрану. Ланцуговая рэакцыя. апісанне працэсу

Дзяленне ядра - гэта расшчапленне цяжкага атама на два фрагменты прыкладна роўнай масы, якое суправаджаецца вылучэннем вялікай колькасці энергіі.

Адкрыццё ядзернага дзялення пачало новую эру - «атамны век». Патэнцыял магчымага яго выкарыстання і суадносіны рызыкі да карысці ад яго прымянення не толькі спарадзілі мноства сацыялагічных, палітычных, эканамічных і навуковых дасягненняў, але таксама і сур'ёзныя праблемы. Нават з чыста навуковага пункту гледжання працэс ядзернага дзялення стварыў вялікі лік галаваломак і ўскладненняў, і поўнае тэарэтычнае яго тлумачэнне з'яўляецца справай будучыні.

Дзяліцца - выгадна

Энергіі сувязі (на нуклонов) у розных ядраў адрозніваюцца. Больш цяжкія валодаюць меншай энергіяй сувязі, чым размешчаныя ў сярэдзіне перыядычным табліцы.

Гэта азначае, што цяжкім ядрам, у якіх атамная лік больш 100, выгадна дзяліцца на два меншых фрагмента, тым самым вызваляючы энергію, якая ператвараецца ў кінэтычную энергію аскепкаў. Гэты працэс называецца расшчапленнем атамнага ядра.

У адпаведнасці з крывой стабільнасці, якая паказвае залежнасць колькасці пратонаў ад ліку нейтронаў для стабільных нуклідаў, больш цяжкія ядра аддаюць перавагу большая колькасць нейтронаў (у параўнанні з колькасцю пратонаў), чым больш лёгкія. Гэта сведчыць аб тым, што разам з працэсам расшчаплення будуць выпусканага некаторыя «запасныя» нейтроны. Акрамя таго, яны будуць таксама прымаць на сябе частку якая вылучаецца энергіі. Вывучэнне дзялення ядра атама ўрану паказала, што пры гэтым вылучаецца 3-4 нейтрона: ²³⁸ U → ¹⁴⁵ La + ⁹⁰ Br + 3n.

Атамная лік (і атамная маса) асколка не роўная палове атамнай масы з бацькоў. Розніца паміж масамі атамаў, якія ўтварыліся ў выніку расшчаплення, звычайна складае каля 50. Праўда, прычына гэтага яшчэ не зусім зразумелая.

Энергіі сувязі ²³⁸ U, ¹⁴⁵ La і ⁹⁰ Br роўныя 1803, 1198 і 763 МЭВ адпаведна. Гэта азначае, што ў выніку дадзенай рэакцыі вызваляецца энергія дзялення ядра ўрану, роўная 1198 + 763-1803 = 158 МЭВ.

самаадвольнае дзяленне

Працэсы спантанага расшчаплення вядомыя ў прыродзе, але яны вельмі рэдкія. Сярэдні час жыцця названага працэсу складае каля 10 ¹⁷ гадоў, а, напрыклад, сярэдні час жыцця альфа-распаду таго ж радыенукліду складае каля 10 ¹¹ гадоў.

Прычына гэтага заключаецца ў тым, што для таго, каб падзяліцца на дзве часткі, ядро павінна спачатку падвергнуцца дэфармацыі (расцягнуцца) у эллипсоидальную форму, а затым, перад канчатковым расшчапленнем на два фрагменты, ўтварыць «рыльца» пасярэдзіне.

патэнцыйны бар'ер

У дэфармаваным стане на ядро дзейнічаюць дзве сілы. Адна з іх - ўзрослая павярхоўная энергія (павярхоўнае нацяжэнне кроплі вадкасці тлумачыць яе сферычную форму), а іншая - кулонаўскімі адштурхванне паміж аскепкамі дзялення. Разам яны вырабляюць патэнцыйны бар'ер.

Як і ў выпадку альфа-распаду, каб адбылося спантаннае дзяленне ядра атама ўрану, фрагменты павінны пераадолець гэты бар'ер з дапамогай квантавага тунэлявання. Велічыня бар'ера складае каля 6 МЭВ, як і ў выпадку з альфа-распадам, але верагоднасць тунэлявання α-часціцы значна больш, чым значна больш цяжкага прадукту расшчаплення атама.

вымушанае расшчапленне

Значна больш верагодным з'яўляецца індуцыраванае дзяленне ядра ўрану. У гэтым выпадку матчына ядро апрамяняецца нейтронах. Калі бацька яго паглынае, то яны звязваюцца, вызваляючы энергію сувязі ў выглядзе вагальнай энергіі, якая можа перавысіць 6 МЭВ, неабходных для пераадолення патэнцыйнага бар'ера.

Там, дзе энергіі дадатковага нейтрона недастаткова для пераадолення патэнцыйнага бар'ера, які падае нейтрон павінен валодаць мінімальнай кінэтычнай энергіяй для таго, каб мець магчымасць індукаваць расшчапленне атама. У выпадку ²³⁸ U энергіі сувязі дадатковых нейтронаў не хапае каля 1 МЭВ. Гэта азначае, што дзяленне ядра ўрану індукуецца толькі нейтроны з кінэтычнай энергіяй больш 1 МЭВ. З іншага боку, ізатоп ²³⁵ U мае адзін няпарны нейтрон. Калі ядро паглынае дадатковы, ён утворыць з ім пару, і ў выніку гэтага спарвання з'яўляецца дадатковая энергія сувязі. Гэтага дастаткова для вызвалення колькасці энергіі, неабходнага для таго, каб ядро пераадолела патэнцыйны бар'ер і дзяленне ізатопа адбывалася пры сутыкненні з любым нейтрона.

Бэта-распад

Нягледзячы на тое што пры рэакцыі дзялення выпускаюцца тры ці чатыры нейтрона, аскепкі па-ранейшаму ўтрымліваюць больш нейтронаў, чым іх стабільныя ізабарны. Гэта азначае, што фрагменты расшчаплення, як правіла, няўстойлівыя ў адносінах да бэта-распаду.

Напрыклад, калі адбываецца дзяленне ядра ўрану ²³⁸ U, стабільным ізабарны з А = 145 з'яўляецца неадым ¹⁴⁵ Nd, што азначае, што фрагмент лантан ¹⁴⁵ La распадаецца ў тры этапы, кожны раз выпраменьваючы электрон і антинейтрино, пакуль не будзе адукаваны стабільны нуклідаў. Стабільным ізабарны з A = 90 з'яўляецца цырконій ⁹⁰ Zr, таму асколак расшчаплення бром ⁹⁰ Br распадаецца ў пяць этапаў ланцуга β-распаду.

Гэтыя ланцугу β-распаду вылучаюць дадатковую энергію, якая амаль уся выносіцца электронамі і антинейтрино.

Ядзерныя рэакцыі: дзяленне ядраў ўрану

Прамое выпраменьванне нейтрона з нуклідаў з занадта вялікай іх колькасцю для забеспячэння стабільнасці ядра малаверагодна. Тут справа складаецца ў тым, што няма кулонаўскімі адштурхвання, і таму павярхоўная энергія мае тэндэнцыю да ўтрымання нейтрона ў сувязі з бацькам. Тым не менш гэта часам адбываецца. Напрыклад, фрагмент дзялення ⁹⁰ Br ў першай стадыі бэта-распаду вырабляе крыптон-90, які можа быць знаходзіцца ва ўзбуджаным стане з дастатковай энергіяй, каб пераадолець павярхоўную энергію. У гэтым выпадку выпраменьванне нейтронаў можа адбывацца непасрэдна з адукацыяй крыптону-89. Гэты ізабарны па-ранейшаму няўстойлівы па адносінах да β-распаду, пакуль не пяройдзе ў стабільны ітрый-89, так што крыптон-89 распадаецца ў тры этапы.

Дзяленне ядраў ўрану: ланцуговая рэакцыя

Нейтроны, выпусканых ў рэакцыі расшчаплення, могуць быць паглынутыя іншым ядром-бацькам, якое затым само падвяргаецца індукаванага падзелам. У выпадку ўрану-238 тры нейтрона, якія ўзнікаюць, выходзяць з энергіяй менш за 1 МЭВ (энергія, якая вылучаецца пры дзяленні ядра ўрану - 158 МЭВ - у асноўным пераходзіць у кінэтычную энергію аскепкаў расшчаплення), таму яны не могуць выклікаць далейшае дзяленне гэтага нуклідаў. Тым не менш пры значнай канцэнтрацыі рэдкага ізатопа ²³⁵ U гэтыя свабодныя нейтроны могуць быць захопленыя ядрамі ²³⁵ U, што сапраўды можа выклікаць расшчапленне, так як у гэтым выпадку адсутнічае энергетычны парог, ніжэй якога дзяленне ня індукуецца.

Такі прынцып ланцуговай рэакцыі.

Тыпы ядзерных рэакцый

Хай k - лік нейтронаў, вырабленае ва ўзоры дзеліцца матэрыялу на стадыі n гэтым ланцугу, падзеленае на колькасць нейтронаў, утвораных на стадыі n - 1. Гэты лік будзе залежаць ад таго, колькі нейтронаў, атрыманых на стадыі n - 1, паглынаюцца ядром, якое можа падвергнуцца змушанаму падзелам.

• Калі k <1, то ланцуговая рэакцыя проста вытхнецца і працэс спыніцца вельмі хутка. Менавіта гэта і адбываецца ў прыродным уранавай рудзе, у якой канцэнтрацыя ²³⁵ U настолькі малая, што верагоднасць паглынання аднаго з нейтронаў гэтым ізатопам вельмі нікчэмная.

• Калі k> 1, то ланцуговая рэакцыя будзе расці да тых часоў, пакуль увесь дзелячы матэрыял не будзе выкарыстаны (атамная бомба). Гэта дасягаецца шляхам узбагачэння прыроднай руды да атрымання досыць вялікай канцэнтрацыі ўрану-235. Для сферычнага ўзору велічыня k павялічваецца з ростам верагоднасці паглынання нейтронаў, якая залежыць ад радыусу сферы. Таму маса U павінна перавышаць некаторую крытычную масу, каб дзяленне ядраў ўрану (ланцуговая рэакцыя) магло адбывацца.

• Калі k = 1, то мае месца кіраваная рэакцыя. Гэта выкарыстоўваецца ў ядзерных рэактарах. Працэс кантралюецца размеркаваннем сярод ўрану стрыжняў з кадмію або бору, якія паглынаюць большую частку нейтронаў (гэтыя элементы валодаюць здольнасцю захопліваць нейтроны). Дзяленне ядра ўрану кантралюецца аўтаматычна шляхам перамяшчэння стрыжняў такім чынам, каб велічыня k заставалася роўнай адзінцы.