Kernspaltung ist die Aufspaltung eines schweren Atoms in zwei Fragmente ungefähr gleicher Masse, begleitet von der Freisetzung einer großen Energiemenge.

Mit der Entdeckung der Kernspaltung begann eine neue Ära – das „Atomzeitalter“. Das Potenzial seiner möglichen Verwendung und das Verhältnis von Risiko zu Nutzen seiner Verwendung haben nicht nur viele soziologische, politische, wirtschaftliche und wissenschaftliche Errungenschaften hervorgebracht, sondern auch ernsthafte Probleme. Auch aus rein wissenschaftlicher Sicht hat der Prozess der Kernspaltung eine Vielzahl von Rätseln und Komplikationen geschaffen, und seine vollständige theoretische Erklärung liegt in der Zukunft.

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Die Bindungsenergien (pro Nukleon) unterscheiden sich für verschiedene Kerne. Schwerere haben niedrigere Bindungsenergien als diejenigen, die sich in der Mitte des Periodensystems befinden.

Das bedeutet, dass es bei schweren Kernen mit einer Ordnungszahl größer 100 vorteilhaft ist, sich in zwei kleinere Bruchstücke zu teilen und dabei Energie freizusetzen, die in die kinetische Energie der Bruchstücke umgewandelt wird. Dieser Vorgang wird Splitten genannt

Gemäß der Stabilitätskurve, die bei stabilen Nukliden die Abhängigkeit der Protonenzahl von der Neutronenzahl zeigt, bevorzugen schwerere Kerne mehr Neutronen (im Vergleich zur Protonenzahl) als leichtere. Dies deutet darauf hin, dass zusammen mit dem Aufspaltungsprozess einige "Ersatz"-Neutronen emittiert werden. Außerdem nehmen sie auch einen Teil der freigesetzten Energie auf. Die Untersuchung der Kernspaltung des Uranatoms zeigte, dass 3-4 Neutronen freigesetzt werden: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

Die Ordnungszahl (und die Atommasse) des Fragments ist nicht gleich der halben Atommasse des Elternteils. Der Unterschied zwischen den Massen der durch die Spaltung gebildeten Atome beträgt normalerweise etwa 50. Der Grund dafür ist jedoch noch nicht ganz klar.

Die Bindungsenergien von 238 U, 145 La und 90 Br betragen 1803, 1198 bzw. 763 MeV. Dies bedeutet, dass als Ergebnis dieser Reaktion die Spaltenergie des Urankerns freigesetzt wird, die 1198 + 763-1803 = 158 MeV entspricht.

Spontane Teilung

Die Prozesse der spontanen Spaltung sind in der Natur bekannt, aber sehr selten. Die durchschnittliche Lebensdauer dieses Prozesses beträgt etwa 10 17 Jahre, und beispielsweise beträgt die durchschnittliche Lebensdauer des Alpha-Zerfalls desselben Radionuklids etwa 10 11 Jahre.

Der Grund dafür ist, dass der Kern, um ihn in zwei Teile zu spalten, zunächst in eine ellipsenförmige Form verformt (gedehnt) werden muss und dann, bevor er sich schließlich in zwei Fragmente aufspaltet, in der Mitte einen „Hals“ bildet.

Potenzielle Barriere

Im verformten Zustand wirken zwei Kräfte auf den Kern. Zum einen die erhöhte Oberflächenenergie (die Oberflächenspannung eines Flüssigkeitstropfens erklärt seine Kugelform) und zum anderen die Coulomb-Abstoßung zwischen Spaltfragmenten. Zusammen bilden sie eine Potentialbarriere.

Wie beim Alpha-Zerfall müssen die Bruchstücke diese Barriere durch Quantentunneln überwinden, damit die spontane Spaltung des Uran-Atomkerns stattfinden kann. Die Barriere beträgt etwa 6 MeV, wie im Fall des Alpha-Zerfalls, aber die Wahrscheinlichkeit, ein Alpha-Teilchen zu tunneln, ist viel größer als die eines Spaltprodukts eines viel schwereren Atoms.

erzwungene Spaltung

Viel wahrscheinlicher ist die induzierte Spaltung des Urankerns. Dabei wird der Mutterkern mit Neutronen bestrahlt. Wenn der Elternteil es absorbiert, binden sie und setzen Bindungsenergie in Form von Schwingungsenergie frei, die die zum Überwinden der Potentialbarriere erforderlichen 6 MeV überschreiten kann.

Wenn die Energie des zusätzlichen Neutrons nicht ausreicht, um die Potentialbarriere zu überwinden, muss das einfallende Neutron eine minimale kinetische Energie haben, um die Spaltung eines Atoms herbeiführen zu können. Im Fall von 238 U ist die Bindungsenergie zusätzlicher Neutronen etwa 1 MeV kurz. Das bedeutet, dass die Spaltung des Urankerns nur durch ein Neutron mit einer kinetischen Energie größer als 1 MeV induziert wird. Andererseits hat das 235 U-Isotop ein ungepaartes Neutron. Wenn der Kern ein zusätzliches absorbiert, bildet er mit ihm ein Paar, und als Ergebnis dieser Paarung erscheint zusätzliche Bindungsenergie. Dies reicht aus, um die Energiemenge freizusetzen, die der Kern benötigt, um die Potentialbarriere zu überwinden, und die Isotopenspaltung tritt bei Kollision mit einem beliebigen Neutron auf.

Beta-Zerfall

Obwohl die Spaltreaktion drei oder vier Neutronen emittiert, enthalten die Fragmente immer noch mehr Neutronen als ihre stabilen Isobaren. Dies bedeutet, dass Spaltfragmente im Allgemeinen gegen Beta-Zerfall instabil sind.

Wenn beispielsweise Uran 238U gespalten wird, ist die stabile Isobare mit A = 145 Neodym 145Nd, was bedeutet, dass das Lanthan 145La-Fragment in drei Schritten zerfällt, wobei jedes Mal ein Elektron und ein Antineutrino emittiert werden, bis ein stabiles Nuklid gebildet wird. Die stabile Isobare mit A = 90 ist Zirkonium 90 Zr, daher zerfällt das Brom 90 Br Spaltfragment in fünf Stufen der β-Zerfallskette.

Diese β-Zerfallsketten setzen zusätzliche Energie frei, die fast vollständig von Elektronen und Antineutrinos abgeführt wird.

Kernreaktionen: Spaltung von Urankernen

Die direkte Emission eines Neutrons von einem Nuklid mit zu vielen davon, um die Stabilität des Kerns zu gewährleisten, ist unwahrscheinlich. Der Punkt hier ist, dass es keine Coulomb-Abstoßung gibt und daher die Oberflächenenergie dazu neigt, das Neutron mit dem Elternteil in Verbindung zu halten. Dies kommt jedoch manchmal vor. Beispielsweise erzeugt ein 90-Br-Spaltfragment in der ersten Beta-Zerfallsstufe Krypton-90, das in einem angeregten Zustand mit genügend Energie sein kann, um die Oberflächenenergie zu überwinden. In diesem Fall kann die Emission von Neutronen direkt mit der Bildung von Krypton-89 erfolgen. immer noch instabil in Bezug auf den β-Zerfall, bis es in stabiles Yttrium-89 umgewandelt wird, so dass Krypton-89 in drei Schritten zerfällt.

Spaltung von Urankernen: eine Kettenreaktion

Die bei der Spaltungsreaktion emittierten Neutronen können von einem anderen Mutterkern absorbiert werden, der dann selbst einer induzierten Spaltung unterliegt. Im Fall von Uran-238 kommen die drei erzeugten Neutronen mit einer Energie von weniger als 1 MeV heraus (die bei der Spaltung des Urankerns freigesetzte Energie - 158 MeV - wird hauptsächlich in die kinetische Energie der Spaltfragmente umgewandelt ), sodass sie keine weitere Spaltung dieses Nuklids verursachen können. Bei einer signifikanten Konzentration des seltenen Isotops 235 U können diese freien Neutronen jedoch von 235 U-Kernen eingefangen werden, was tatsächlich eine Spaltung verursachen kann, da es in diesem Fall keine Energieschwelle gibt, unterhalb derer keine Spaltung induziert wird.

Das ist das Prinzip einer Kettenreaktion.

Arten von Kernreaktionen

Sei k die Anzahl der Neutronen, die in einer Probe aus spaltbarem Material in Stufe n dieser Kette erzeugt werden, geteilt durch die Anzahl der Neutronen, die in Stufe n - 1 erzeugt werden. Diese Zahl hängt davon ab, wie viele Neutronen, die in Stufe n - 1 erzeugt wurden, absorbiert werden durch den Kern, der zur Teilung gezwungen werden kann.

Wenn k< 1, то цепная реакция просто выдохнется и процесс остановится очень быстро. Именно это и происходит в природной в которой концентрация 235 U настолько мала, что вероятность поглощения одного из нейтронов этим изотопом крайне ничтожна.

Ist k > 1, dann wächst die Kettenreaktion, bis das gesamte spaltbare Material verbraucht ist, was durch die Anreicherung von natürlichem Erz erreicht wird, um eine ausreichend große Konzentration von Uran-235 zu erhalten. Bei einer kugelförmigen Probe steigt der Wert von k mit zunehmender Neutronenabsorptionswahrscheinlichkeit, die vom Radius der Kugel abhängt. Daher muss die Masse U einen bestimmten Betrag überschreiten, damit es zur Spaltung von Urankernen (Kettenreaktion) kommt.

Wenn k = 1, dann findet eine kontrollierte Reaktion statt. Dies wird in Kernreaktoren verwendet. Der Prozess wird gesteuert, indem Cadmium- oder Borstäbe im Uran verteilt werden, die die meisten Neutronen absorbieren (diese Elemente haben die Fähigkeit, Neutronen einzufangen). Die Spaltung des Urankerns wird automatisch gesteuert, indem die Stäbe so bewegt werden, dass der Wert von k gleich eins bleibt.

Die Spaltung von Urankernen durch Beschuss mit Neutronen wurde 1939 von den deutschen Wissenschaftlern Otto Hahn und Fritz Strassmann entdeckt.

Otto Hahn (1879-1968)
Deutscher Physiker, Pionierwissenschaftler auf dem Gebiet der Radiochemie. Entdeckt die Spaltung von Uran, einer Reihe von radioaktiven Elementen

Fritz Straßmann (1902-1980)
Deutscher Physiker und Chemiker. Die Arbeiten beziehen sich auf Kernchemie, Kernspaltung. Hat den Spaltungsprozess chemisch bewiesen

Betrachten wir den Mechanismus dieses Phänomens. Abbildung 162, a zeigt konventionell den Kern eines Atoms Uran. Nachdem der Kern ein zusätzliches Neutron absorbiert hat, wird er angeregt und verformt und nimmt eine längliche Form an (Abb. 162, b).

Reis. 162. Der Vorgang der Spaltung eines Urankerns unter dem Einfluss eines hineingefallenen Neutrons

Sie wissen bereits, dass im Kern zwei Arten von Kräften wirken: elektrostatische Abstoßungskräfte zwischen Protonen, die dazu neigen, den Kern zu brechen, und nukleare Anziehungskräfte zwischen allen Nukleonen, aufgrund derer der Kern nicht zerfällt. Kernkräfte sind jedoch von kurzer Reichweite, daher können sie in einem langgestreckten Kern Teile des Kerns, die sehr weit voneinander entfernt sind, nicht mehr halten. Unter Einwirkung elektrostatischer Abstoßungskräfte wird der Kern in zwei Teile zerrissen (Abb. 162, c), die mit großer Geschwindigkeit in verschiedene Richtungen streuen und 2-3 Neutronen emittieren.

Es stellt sich heraus, dass ein Teil der inneren Energie des Kerns in die kinetische Energie fliegender Fragmente und Teilchen umgewandelt wird. Die Fragmente werden in der Umgebung schnell abgebremst, wodurch ihre kinetische Energie in die innere Energie des Mediums (d. h. in die Energie der Wechselwirkung und thermischen Bewegung seiner konstituierenden Teilchen) umgewandelt wird.

Bei der gleichzeitigen Spaltung einer großen Anzahl von Urankernen steigt die innere Energie des Uran umgebenden Mediums und dementsprechend dessen Temperatur merklich an (d.h. das Medium erwärmt sich).

Somit geht die Spaltungsreaktion von Urankernen mit der Freisetzung von Energie in die Umgebung einher.

Die in den Atomkernen enthaltene Energie ist kolossal. Beispielsweise würde bei der vollständigen Spaltung aller in 1 g Uran vorhandenen Kerne die gleiche Energiemenge freigesetzt, die bei der Verbrennung von 2,5 Tonnen Öl freigesetzt wird. Um die innere Energie von Atomkernen in elektrische Energie umzuwandeln, verwenden Kernkraftwerke die sogenannte Kettenreaktionen der Kernspaltung.

Betrachten wir den Mechanismus der Kettenreaktion der Kernspaltung des Uranisotops. Der Kern des Uranatoms (Abb. 163) wurde infolge des Einfangs eines Neutrons in zwei Teile geteilt, während drei Neutronen emittiert wurden. Zwei dieser Neutronen verursachten die Spaltungsreaktion von zwei weiteren Kernen, wodurch vier Neutronen erzeugt wurden. Diese wiederum verursachten die Spaltung von vier Kernen, woraufhin neun Neutronen gebildet wurden usw.

Eine Kettenreaktion ist möglich, da bei der Spaltung jedes Kerns 2-3 Neutronen gebildet werden, die an der Spaltung anderer Kerne teilnehmen können.

Abbildung 163 zeigt ein Diagramm einer Kettenreaktion, bei der die Gesamtzahl der freien Neutronen in einem Stück Uran mit der Zeit wie eine Lawine zunimmt. Entsprechend steigen die Zahl der Kernspaltungen und die pro Zeiteinheit freigesetzte Energie stark an. Daher ist eine solche Reaktion explosiv (sie findet in einer Atombombe statt).

Reis. 163. Kettenreaktion der Spaltung von Urankernen

Eine andere Möglichkeit ist möglich, bei der die Zahl der freien Neutronen mit der Zeit abnimmt. In diesem Fall stoppt die Kettenreaktion. Daher kann eine solche Reaktion auch nicht zur Stromerzeugung genutzt werden.

Für friedliche Zwecke ist es möglich, nur die Energie einer solchen Kettenreaktion zu nutzen, bei der sich die Anzahl der Neutronen zeitlich nicht ändert.

Wie stellt man sicher, dass die Zahl der Neutronen immer konstant bleibt? Um dieses Problem zu lösen, muss man wissen, welche Faktoren die Zunahme und Abnahme der Gesamtzahl freier Neutronen in einem Stück Uran beeinflussen, in dem eine Kettenreaktion stattfindet.

Einer dieser Faktoren ist die Masse von Uran. Tatsache ist, dass nicht jedes Neutron, das bei der Kernspaltung emittiert wird, die Spaltung anderer Kerne verursacht (siehe Abb. 163). Wenn die Masse (und dementsprechend die Größe) eines Uranstücks zu klein ist, fliegen viele Neutronen daraus heraus, ohne Zeit zu haben, den Kern auf ihrem Weg zu treffen, seine Spaltung zu verursachen und so eine neue Generation von Uran zu erzeugen Neutronen notwendig, um die Reaktion fortzusetzen. In diesem Fall wird die Kettenreaktion gestoppt. Damit die Reaktion fortgesetzt werden kann, ist es notwendig, die Uranmasse auf einen bestimmten Wert zu erhöhen, genannt kritisch.

Warum wird bei Massenzunahme eine Kettenreaktion möglich? Je größer die Masse eines Stücks ist, desto größer sind seine Abmessungen und desto länger ist der Weg, den Neutronen darin zurücklegen. In diesem Fall steigt die Wahrscheinlichkeit, dass Neutronen auf Kerne treffen. Dementsprechend steigen die Zahl der Kernspaltungen und die Zahl der emittierten Neutronen.

Bei einer kritischen Masse von Uran wird die Anzahl der Neutronen, die während der Spaltung von Kernen erschienen, gleich der Anzahl der verlorenen Neutronen (dh von Kernen ohne Spaltung eingefangen und aus dem Stück herausfliegen).

Daher bleibt ihre Gesamtzahl unverändert. In diesem Fall kann die Kettenreaktion lange andauern, ohne anzuhalten und ohne einen explosiven Charakter anzunehmen.

• Die kleinste Masse von Uran, bei der eine Kettenreaktion möglich ist, wird als kritische Masse bezeichnet.

Wenn die Uranmasse mehr als kritisch ist, führt die Kettenreaktion infolge eines starken Anstiegs der Anzahl freier Neutronen zu einer Explosion, und wenn sie weniger als kritisch ist, läuft die Reaktion aufgrund von a nicht ab Mangel an freien Neutronen.

Es ist möglich, den Verlust von Neutronen (die aus Uran herausfliegen, ohne mit Kernen zu reagieren) nicht nur durch Erhöhen der Uranmasse, sondern auch durch Verwendung einer speziellen reflektierenden Hülle zu verringern. Dazu wird ein Stück Uran in eine Hülle aus einem Stoff gelegt, der Neutronen gut reflektiert (z. B. Beryllium). Von dieser Hülle reflektiert, kehren Neutronen zu Uran zurück und können an der Kernspaltung teilnehmen.

Es gibt mehrere andere Faktoren, von denen die Möglichkeit einer Kettenreaktion abhängt. Wenn zum Beispiel ein Stück Uran zu viele Verunreinigungen anderer chemischer Elemente enthält, dann absorbieren sie die meisten Neutronen und die Reaktion stoppt.

Auch die Anwesenheit des sogenannten Neutronenmoderators im Uran beeinflusst den Reaktionsverlauf. Tatsache ist, dass die Kerne von Uran-235 am wahrscheinlichsten unter der Einwirkung langsamer Neutronen spalten. Bei der Kernspaltung entstehen schnelle Neutronen. Wenn schnelle Neutronen abgebremst werden, werden die meisten von ihnen von Uran-235-Kernen mit anschließender Spaltung dieser Kerne eingefangen. Als Moderatoren werden Substanzen wie Graphit, Wasser, schweres Wasser (das Deuterium, ein Isotop des Wasserstoffs mit einer Massenzahl von 2, enthält) und einige andere verwendet. Diese Substanzen bremsen Neutronen nur ab, fast ohne sie zu absorbieren.

Somit wird die Möglichkeit einer Kettenreaktion durch die Uranmasse, die Menge an darin enthaltenen Verunreinigungen, das Vorhandensein einer Hülle und eines Moderators und einige andere Faktoren bestimmt.

Die kritische Masse eines kugelförmigen Stücks Uran-235 beträgt etwa 50 kg. Außerdem beträgt sein Radius nur 9 cm, da Uran eine sehr hohe Dichte hat.

Durch die Verwendung eines Moderators und einer reflektierenden Hülle und die Verringerung der Menge an Verunreinigungen ist es möglich, die kritische Masse von Uran auf 0,8 kg zu reduzieren.

Fragen

1. Warum kann die Kernspaltung erst beginnen, wenn sie unter der Wirkung des absorbierten Neutrons deformiert wird?
2. Was entsteht bei der Kernspaltung?
3. In welche Energie geht ein Teil der inneren Energie des Kerns während seiner Spaltung über? kinetische Energie von Fragmenten des Urankerns während ihrer Verzögerung in der Umgebung?
4. Wie läuft die Spaltreaktion von Urankernen ab - unter Abgabe von Energie an die Umgebung oder umgekehrt unter Aufnahme von Energie?
5. Beschreiben Sie den Mechanismus einer Kettenreaktion anhand von Abbildung 163.
6. Was ist die kritische Masse von Uran?
7. Kann es zu einer Kettenreaktion kommen, wenn die Uranmasse kleiner als die kritische ist? kritischer? Wieso den?

Die bei der Spaltung freigesetzte Energie E steigt mit steigendem Z 2 /A. Der Wert von Z 2 /A = 17 für 89 Y (Yttrium). Jene. die Spaltung ist für alle Kerne, die schwerer als Yttrium sind, energetisch günstig. Warum sind die meisten Kerne resistent gegen spontane Spaltung? Um diese Frage zu beantworten, ist es notwendig, den Teilungsmechanismus zu betrachten.

Während der Spaltung ändert sich die Form des Kerns. Der Kern durchläuft nacheinander die folgenden Stadien (Abb. 7.1): eine Kugel, ein Ellipsoid, eine Hantel, zwei birnenförmige Fragmente, zwei kugelförmige Fragmente. Wie ändert sich die potentielle Energie des Kerns in verschiedenen Stadien der Spaltung?
Anfangskern mit Vergrößerung r nimmt die Form eines zunehmend verlängerten Rotationsellipsoids an. In diesem Fall wird aufgrund der Entwicklung der Form des Kerns die Änderung seiner potentiellen Energie durch die Änderung der Summe der Oberflächen- und Coulomb-Energien E p + E k bestimmt. In diesem Fall steigt die Oberflächenenergie an, da die Oberfläche des Kerns zunimmt. Die Coulomb-Energie nimmt ab, wenn der durchschnittliche Abstand zwischen Protonen zunimmt. Nimmt der Ausgangskern bei geringer Verformung, gekennzeichnet durch einen kleinen Parameter , die Form eines rotationssymmetrischen Ellipsoids an, so ändern sich die Oberflächenenergie E" p und die Coulomb-Energie E" k als Funktion des Verformungsparameters wie folgt:

In Verhältnissen (7,4–7,5) E n und E k sind die Oberflächen- und Coulomb-Energien des anfänglichen kugelsymmetrischen Kerns.
Im Bereich der schweren Kerne ist 2E n > Ek, und die Summe aus Oberflächen- und Coulombenergie steigt mit zunehmendem . Aus (7.4) und (7.5) folgt, dass bei kleinen Deformationen eine Erhöhung der Oberflächenenergie eine weitere Formänderung des Kerns und damit eine Spaltung verhindert.
Beziehung (7.5) gilt für kleine Dehnungen . Wenn die Verformung so groß ist, dass der Kern die Form einer Hantel annimmt, dann neigen die Oberflächen- und Coulomb-Kräfte dazu, den Kern zu trennen und den Bruchstücken eine Kugelform zu verleihen. Mit einer allmählichen Zunahme der Deformation des Kerns durchläuft seine potentielle Energie also ein Maximum. Das Diagramm der Oberflächen- und Coulomb-Energien des Kerns als Funktion von r ist in Abb. 1 dargestellt. 7.2.

Das Vorhandensein einer Potentialbarriere verhindert eine sofortige spontane Kernspaltung. Damit sich der Kern spalten kann, muss ihm eine Energie Q zugeführt werden, die die Höhe der Spaltbarriere H übersteigt. Die maximale potentielle Energie des spaltbaren Kerns E + H (z. B. Gold) in zwei identische Fragmente beträgt ≈ 173 MeV , und die bei der Spaltung freigesetzte Energie E beträgt 132 MeV . So muss bei der Spaltung des Goldkerns eine Potentialbarriere mit einer Höhe von etwa 40 MeV überwunden werden.
Die Höhe der Spaltbarriere H ist umso größer, je kleiner das Verhältnis der Coulomb- und Oberflächenenergien E zu /E p im Ausgangskern ist. Dieses Verhältnis wiederum steigt mit einer Erhöhung des Teilungsparameters Z 2 /A (7.3). Je schwerer der Kern, desto geringer die Höhe der Spaltbarriere H, da der Spaltparameter, unter der Annahme, dass Z proportional zu A ist, mit zunehmender Massenzahl zunimmt:

E k / E p \u003d (a 3 Z 2) / (a ​​​​2 A) ~ A.

(7.6)

Daher muss schwereren Kernen im Allgemeinen weniger Energie zugeführt werden, um eine Kernspaltung zu bewirken.
Die Höhe der Spaltbarriere verschwindet bei 2E p – Ec = 0 (7,5). In diesem Fall

2E p / E k \u003d 2 (a 2 A) / (a ​​​​3 Z 2),

Z 2 /A \u003d 2a 2 / (a ​​​​3 Z 2) ≈ 49.

Daher können gemäß dem Tropfenmodell Kerne mit Z 2 /A > 49 in der Natur nicht existieren, da sie sich spontan in einer charakteristischen Kernzeit in der Größenordnung von 10–22 s fast augenblicklich in zwei Fragmente aufspalten sollten. Die Abhängigkeiten der Form und Höhe der Potentialbarriere H sowie der Spaltenergie vom Wert des Parameters Z 2 /A sind in den Fig. 2 und 3 dargestellt. 7.3.

Reis. 7.3. Radiale Abhängigkeit der Form und Höhe der Potentialbarriere und der Spaltenergie E bei verschiedenen Werten des Parameters Z 2 /A. Der Wert von E p + E k ist auf der vertikalen Achse aufgetragen.

Spontane Kernspaltung mit Z 2 /A< 49, для которых высота барьера H не равна нулю, с точки зрения классической физики невозможно. Однако в квантовой механике такое деление возможно за счет туннельного эффекта – прохождения осколков деления через потенциальный барьер. Оно носит название спонтанного деления. Вероятность спонтанного деления растет с увеличением параметра деления Z 2 /A, т. е. с уменьшением высоты барьера деления. В целом период спонтанного деления уменьшается при переходе от менее тяжелых ядер к более тяжелым от T 1/2 >10 21 Jahre für 232 Th bis 0,3 s für 260 Rf.
Erzwungene Kernspaltung mit Z 2 /A< 49 может быть вызвано их возбуждением фотонами, нейтронами, протонами, дейтронами, a частицами и другими частицами, если вносимая в ядро энергия достаточна для преодоления барьера деления.
Der Minimalwert der Anregungsenergie des beim Einfang eines Neutrons gebildeten zusammengesetzten Kerns E* ist gleich der Bindungsenergie des Neutrons in diesem Kern ε n . Tabelle 7.1 vergleicht die Barrierenhöhe H und die Neutronenbindungsenergie ε n für nach Neutroneneinfang gebildete Th-, U-, Pu-Isotope. Die Bindungsenergie eines Neutrons hängt von der Anzahl der Neutronen im Kern ab. Aufgrund der Paarungsenergie ist die Bindungsenergie eines geraden Neutrons größer als die Bindungsenergie eines ungeraden Neutrons.

Tabelle 7.1

Spaltbarrierenhöhe H, Neutronenbindungsenergie ε n

Isotop	Spaltbarrierenhöhe H, MeV	Isotop	Neutronenbindungsenergie ε n
232th	5.9	233th	4.79
233 u	5.5	234 u	6.84
235 u	5.75	236 u	6.55
238 u	5.85	239 u	4.80
239 Pu	5.5	240 Pu	6.53

Ein charakteristisches Merkmal der Spaltung ist, dass die Bruchstücke in der Regel unterschiedliche Massen haben. Bei der wahrscheinlichsten Spaltung von 235 U liegt das Bruchstückmassenverhältnis im Mittel bei ~1,5. Die Massenverteilung von 235 U-Spaltfragmenten durch thermische Neutronen ist in Abb. dargestellt. 7.4. Für die wahrscheinlichste Spaltung hat ein schweres Fragment eine Massenzahl von 139, ein leichtes - 95. Unter den Spaltprodukten gibt es Fragmente mit A = 72 - 161 und Z = 30 - 65. Die Wahrscheinlichkeit der Spaltung in zwei Fragmente von gleiche Masse ist nicht gleich Null. Bei der Spaltung von 235 U durch thermische Neutronen ist die Wahrscheinlichkeit einer symmetrischen Spaltung etwa drei Größenordnungen geringer als bei der wahrscheinlichsten Spaltung in Bruchstücke mit A = 139 und 95.
Die asymmetrische Spaltung wird durch die Schalenstruktur des Kerns erklärt. Der Kern neigt dazu, sich so zu spalten, dass der Hauptteil der Nukleonen jedes Fragments den stabilsten magischen Kern bildet.
Das Verhältnis der Zahl der Neutronen zur Zahl der Protonen im 235-U-Kern ist N/Z = 1,55, während dieses Verhältnis für stabile Isotope mit einer Massenzahl nahe der Massenzahl der Fragmente 1,25 − 1,45 beträgt. Folglich erweisen sich Spaltfragmente als stark mit Neutronen überladen und müssen es auch sein
β - radioaktiv. Daher erfahren Spaltfragmente aufeinanderfolgende β-Zerfälle, und die Ladung des Primärfragments kann sich um 4 - 6 Einheiten ändern. Unten ist eine charakteristische Kette radioaktiver Zerfälle von 97 Kr - eines der Fragmente, die während der Spaltung von 235 U entstanden sind:

Die Anregung von Fragmenten, die durch eine Verletzung des für stabile Kerne charakteristischen Verhältnisses der Anzahl von Protonen und Neutronen verursacht wird, wird ebenfalls durch die Emission von sofortigen Spaltungsneutronen entfernt. Diese Neutronen werden von sich bewegenden Fragmenten in einer Zeit von weniger als ~ 10 -14 s emittiert. Im Durchschnitt werden bei jedem Spaltungsereignis 2 - 3 prompte Neutronen emittiert. Ihr Energiespektrum ist kontinuierlich mit einem Maximum um 1 MeV. Die durchschnittliche Energie eines prompten Neutrons liegt nahe bei 2 MeV. Die Emission von mehr als einem Neutron bei jedem Spaltungsereignis ermöglicht es, Energie durch eine Kernspaltungskettenreaktion zu gewinnen.
Bei der wahrscheinlichsten Spaltung von 235 U durch thermische Neutronen erhält ein leichtes Fragment (A = 95) eine kinetische Energie von ≈ 100 MeV und ein schweres (A = 139) etwa 67 MeV. Somit beträgt die gesamte kinetische Energie der Fragmente ≈ 167 MeV. Die Gesamtspaltungsenergie beträgt in diesem Fall 200 MeV. Somit verteilt sich die verbleibende Energie (33 MeV) auf andere Spaltprodukte (Neutronen, Elektronen und Antineutrinos des β-Zerfalls von Fragmenten, γ-Strahlung von Fragmenten und deren Zerfallsprodukten). Die Verteilung der Spaltenergie zwischen verschiedenen Produkten bei der Spaltung von 235 U durch thermische Neutronen ist in Tabelle 7.2 angegeben.

Tabelle 7.2

Spaltungsenergieverteilung 235 U thermische Neutronen

Kernspaltungsprodukte (NFs) sind eine komplexe Mischung aus mehr als 200 radioaktiven Isotopen von 36 Elementen (von Zink bis Gadolinium). Der größte Teil der Aktivität besteht aus kurzlebigen Radionukliden. Somit nimmt die Aktivität von PNDs nach 7, 49 und 343 Tagen nach der Explosion um das 10-, 100- bzw. 1000-fache ab, verglichen mit der Aktivität eine Stunde nach der Explosion. Die Ausbeute der biologisch bedeutendsten Radionuklide ist in Tabelle 7.3 angegeben. Neben der PND wird die radioaktive Kontamination durch Radionuklide mit induzierter Aktivität (3 H, 14 C, 28 Al, 24 Na, 56 Mn, 59 Fe, 60 Co usw.) und den ungeteilten Anteil von Uran und Plutonium verursacht. Die Rolle der induzierten Aktivität bei thermonuklearen Explosionen ist besonders groß.

Tabelle 7.3

Freisetzung einiger Spaltprodukte bei einer nuklearen Explosion

Radionuklid	Halbwertzeit	Leistung pro Teilung, %	Aktivität pro 1 Mt, 10 15 Bq
89Sr	50,5 Tage	2.56	590
90Sr	29,12 Jahre alt	3.5	3.9
95Zr	65 Tage	5.07	920
103Ru	41 Tage	5.2	1500
106Ru	365 Tage	2.44	78
131 I	8,05 Tage	2.9	4200
136Cs	13,2 Tage	0.036	32
137Cs	30 Jahre	5.57	5.9
140 Ba	12,8 Tage	5.18	4700
141Cs	32,5 Tage	4.58	1600
144Cs	288 Tage	4.69	190
3H	12,3 Jahre alt	0.01	2,6 10 -2

Bei nuklearen Explosionen in der Atmosphäre fällt ein erheblicher Teil des Niederschlags (bis zu 50 % bei Bodenexplosionen) in der Nähe des Testgebiets. Ein Teil der radioaktiven Stoffe wird im unteren Teil der Atmosphäre zurückgehalten und bewegt sich unter dem Einfluss des Windes über weite Strecken, wobei er ungefähr auf demselben Breitengrad bleibt. In der Luft für etwa einen Monat fallen radioaktive Substanzen während dieser Bewegung allmählich auf die Erde. Die meisten Radionuklide werden in die Stratosphäre freigesetzt (bis zu einer Höhe von 10÷15 km), wo sie global verteilt werden und weitgehend zerfallen.
Verschiedene Elemente der Konstruktion von Kernreaktoren haben jahrzehntelang eine hohe Aktivität (Tabelle 7.4).

Tabelle 7.4

Spezifische Aktivitätswerte (Bq/t Uran) der Hauptspaltungsprodukte in Brennelementen, die nach drei Jahren Betrieb aus dem Reaktor entfernt wurden

Radionuklid	0	1 Tag	120 Tage	1 Jahr		10 Jahre
85 kr	5. 78· 10 14	5. 78· 10 14	5. 66· 10 14	5. 42· 10 14	4. 7· 10 14	3. 03· 10 14
89Sr	4. 04· 10 16	3. 98· 10 16	5. 78· 10 15	2. 7· 10 14	1. 2· 10 10
90Sr	3. 51· 10 15	3. 51· 10 15	3. 48· 10 15	3. 43· 10 15	3. 26· 10 15	2. 75· 10 15
95Zr	7. 29· 10 16	7. 21· 10 16	1. 99· 10 16	1. 4· 10 15	5. 14· 10 11
95 Nb	7. 23· 10 16	7. 23· 10 16	3. 57· 10 16	3. 03· 10 15	1. 14· 10 12
103Ru	7. 08· 10 16	6. 95· 10 16	8. 55· 10 15	1. 14· 10 14	2. 97· 10 8
106Ru	2. 37· 10 16	2. 37· 10 16	1. 89· 10 16	1. 19· 10 16	3. 02· 10 15	2. 46· 10 13
131 I	4. 49· 10 16	4. 19· 10 16	1. 5· 10 12	1. 01· 10 3
134Cs	7. 50· 10 15	7. 50· 10 15	6. 71· 10 15	5. 36· 10 15	2. 73· 10 15	2. 6· 10 14
137Cs	4. 69· 10 15	4. 69· 10 15	4. 65· 10 15	4. 58· 10 15	4. 38· 10 15	3. 73· 10 15
140 Ba	7. 93· 10 16	7. 51· 10 16	1. 19· 10 14	2. 03· 10 8
140la	8. 19· 10 16	8. 05· 10 16	1. 37· 10 14	2. 34· 10 8
141 n. Chr	7. 36· 10 16	7. 25· 10 16	5. 73· 10 15	3. 08· 10 13	5. 33· 10 6
144 n. Chr	5. 44· 10 16	5. 44· 10 16	4. 06· 10 16	2. 24· 10 16	3. 77· 10 15	7. 43· 10 12
143 Uhr	6. 77· 10 16	6. 70· 10 16	1. 65· 10 14	6. 11· 10 8
147 Uhr	7. 05 10 15	7. 05· 10 15	6. 78· 10 15	5. 68· 10 15	3. 35· 10 14

Die Spaltung von Urankernen wurde 1938 von den deutschen Wissenschaftlern O. Hahn und F. Strassmann entdeckt. Sie konnten feststellen, dass beim Beschuss von Urankernen mit Neutronen Elemente des mittleren Teils des Periodensystems gebildet werden: Barium, Krypton usw. Der österreichische Physiker L. Meitner und der englische Physiker O. Frisch haben diese Tatsache richtig interpretiert . Sie erklärten das Auftreten dieser Elemente durch den Zerfall von Urankernen, die ein Neutron einfingen, in zwei ungefähr gleiche Teile. Dieses Phänomen wird als Kernspaltung bezeichnet, und die resultierenden Kerne werden als Spaltfragmente bezeichnet.

siehe auch

1. Vasiliev, A. Spaltung von Uran: von Klaproth bis Gan, Kvant. - 2001. - Nr. 4. - S. 20-21.30.

Drop-Modell des Kerns

Diese Spaltreaktion lässt sich anhand des Tropfenmodells des Kerns erklären. In diesem Modell wird der Kern als Tropfen einer elektrisch geladenen, inkompressiblen Flüssigkeit betrachtet. Zusätzlich zu den zwischen allen Nukleonen des Kerns wirkenden Kernkräften erfahren Protonen eine zusätzliche elektrostatische Abstoßung, aufgrund derer sie sich an der Peripherie des Kerns befinden. Im nicht angeregten Zustand werden die elektrostatischen Abstoßungskräfte kompensiert, sodass der Kern eine Kugelform hat (Abb. 1a).

Nach dem Einfang eines Neutrons durch den Kern \(~^(235)_(92)U\) wird ein Zwischenkern \(~(^(236)_(92)U)^*\) gebildet, der ist in einem aufgeregten Zustand. In diesem Fall wird die Neutronenenergie gleichmäßig auf alle Nukleonen verteilt, und der Zwischenkern selbst wird deformiert und beginnt zu schwingen. Wenn die Anregung klein ist, dann befreit sich der Kern (Abb. 1, b) von überschüssiger Energie, indem er emittiert γ -Quantum oder Neutron, kehrt in einen stabilen Zustand zurück. Ist die Anregungsenergie ausreichend hoch, so kann die Verformung des Kerns bei Schwingungen so groß werden, dass sich darin eine Einschnürung ausbildet (Abb. 1c), ähnlich der Einschnürung zwischen zwei Teilen eines spaltenden Flüssigkeitstropfens. Kernkräfte, die in einer schmalen Taille wirken, können der signifikanten Coulomb-Kraft der Abstoßung von Teilen des Kerns nicht mehr widerstehen. Die Einschnürung bricht auf, und der Zellkern zerfällt in zwei "Fragmente" (Abb. 1d), die in entgegengesetzte Richtungen zerstreuen.

uran.swf Flash: Uranspaltung Flash Pic vergrößern. 2.

Derzeit sind etwa 100 verschiedene Isotope mit Massenzahlen von etwa 90 bis 145 bekannt, die bei der Spaltung dieses Kerns entstehen. Zwei typische Spaltreaktionen dieses Kerns haben die Form:

\(~^(235)_(92)U + \ ^1_0n \ ^(\nearrow)_(\searrow) \ \begin(matrix) ^(144)_(56)Ba + \ ^(89)_( 36)Kr + \ 3^1_0n \\ ^(140)_(54)Xe + \ ^(94)_(38)Sr + \ 2^1_0n \end(matrix)\) .

Beachten Sie, dass als Ergebnis der von einem Neutron initiierten Kernspaltung neue Neutronen erzeugt werden, die Spaltungsreaktionen in anderen Kernen hervorrufen können. Die Spaltprodukte von Uran-235-Kernen können auch andere Isotope von Barium, Xenon, Strontium, Rubidium usw. sein.

Während der Spaltung von Kernen schwerer Atome (\(~^(235)_(92)U\)) wird eine sehr große Energie freigesetzt - etwa 200 MeV während der Spaltung jedes Kerns. Etwa 80 % dieser Energie wird in Form von kinetischer Energie der Fragmente freigesetzt; Die restlichen 20% entfallen auf die Energie der radioaktiven Strahlung von Fragmenten und die kinetische Energie prompter Neutronen.

Die bei der Kernspaltung freigesetzte Energie lässt sich anhand der spezifischen Bindungsenergie von Nukleonen im Kern abschätzen. Die spezifische Bindungsenergie von Nukleonen in Kernen mit einer Massenzahl EIN≈ 240 in der Größenordnung von 7,6 MeV / Nukleon, während in Kernen mit Massenzahlen EIN= 90 – 145 spezifische Energie entspricht etwa 8,5 MeV/Nukleon. Daher setzt die Spaltung eines Urankerns eine Energie in der Größenordnung von 0,9 MeV/Nukleon oder ungefähr 210 MeV pro Uranatom frei. Bei der vollständigen Spaltung aller in 1 g Uran enthaltenen Kerne wird die gleiche Energie frei wie bei der Verbrennung von 3 Tonnen Kohle oder 2,5 Tonnen Öl.

siehe auch

1. Varlamov A.A. Drop-Modell des Kerns // Kvant. - 1986. - Nr. 5. - S. 23-24

Kettenreaktion

Kettenreaktion- eine Kernreaktion, bei der die die Reaktion verursachenden Teilchen als Produkte dieser Reaktion entstehen.

Bei der Spaltung eines Uran-235-Kerns, die durch eine Kollision mit einem Neutron verursacht wird, werden 2 oder 3 Neutronen freigesetzt. Unter günstigen Bedingungen können diese Neutronen auf andere Urankerne treffen und diese zur Spaltung bringen. In diesem Stadium erscheinen bereits 4 bis 9 Neutronen, die neue Zerfälle von Urankernen usw. verursachen können. Ein solcher lawinenartiger Prozess wird als Kettenreaktion bezeichnet. Das Schema für die Entwicklung einer Kettenreaktion der Spaltung von Urankernen ist in Abb. 1 dargestellt. 3.

reaktion.swf Flash: Kettenreaktion Flash Pic vergrößern. 4.

Uran kommt in der Natur in Form der beiden Isotope \[~^(238)_(92)U\] (99,3%) und \(~^(235)_(92)U\) (0,7%) vor. Beim Beschuss mit Neutronen können sich die Kerne beider Isotope in zwei Fragmente aufspalten. In diesem Fall läuft die Spaltreaktion \(~^(235)_(92)U\) am intensivsten an langsamen (thermischen) Neutronen ab, während die Kerne \(~^(238)_(92)U\) eintreten die Reaktionsspaltung nur mit schnellen Neutronen mit einer Energie in der Größenordnung von 1 MeV. Andernfalls reicht die Anregungsenergie der gebildeten Kerne \(~^(239)_(92)U\) nicht für die Spaltung aus, und statt der Spaltung treten Kernreaktionen auf:

\(~^(238)_(92)U + \ ^1_0n \to \ ^(239)_(92)U \to \ ^(239)_(93)Np + \ ^0_(-1)e\ ) .

Uranisotop \(~^(238)_(92)U\) β -radioaktiv, Halbwertszeit 23 min. Das Neptunium-Isotop \(~^(239)_(93)Np\) ist ebenfalls radioaktiv, mit einer Halbwertszeit von etwa 2 Tagen.

\(~^(239)_(93)Np \to \ ^(239)_(94)Pu + \ ^0_(-1)e\) .

Das Plutoniumisotop \(~^(239)_(94)Np\) ist mit einer Halbwertszeit von 24.000 Jahren relativ stabil. Die wichtigste Eigenschaft von Plutonium ist, dass es unter dem Einfluss von Neutronen genauso spaltbar ist wie \(~^(235)_(92)U\). Daher kann mit Hilfe von \(~^(239)_(94)Np\) eine Kettenreaktion durchgeführt werden.

Das oben diskutierte Kettenreaktionsschema ist ein Idealfall. Unter realen Bedingungen nehmen nicht alle während der Spaltung erzeugten Neutronen an der Spaltung anderer Kerne teil. Einige von ihnen werden von nicht spaltbaren Kernen fremder Atome eingefangen, andere fliegen aus Uran heraus (Neutronenleckage).

Daher tritt die Kettenreaktion der Spaltung schwerer Kerne nicht immer und nicht für jede Uranmasse auf.

Neutronenmultiplikationsfaktor

Die Entwicklung einer Kettenreaktion wird durch den sogenannten Neutronenmultiplikationsfaktor charakterisiert Zu, die durch das Verhältnis der Anzahl gemessen wird N i Neutronen, die in einer der Phasen der Reaktion die Kernspaltung von Materie verursachen, bis zur Zahl N i-1 Neutronen, die im vorherigen Stadium der Reaktion eine Spaltung verursacht haben:

\(~K = \dfrac(N_i)(N_(i - 1))\) .

Der Multiplikationsfaktor hängt von einer Reihe von Faktoren ab, insbesondere von Art und Menge des spaltbaren Materials sowie von der geometrischen Form des von ihm eingenommenen Volumens. Die gleiche Menge einer bestimmten Substanz hat einen anderen Wert Zu. Zu maximal, wenn die Substanz eine Kugelform hat, da in diesem Fall der Verlust von prompten Neutronen durch die Oberfläche am geringsten ist.

Die Masse des spaltbaren Materials, in der die Kettenreaktion abläuft, mit dem Multiplikationsfaktor Zu= 1 heißt kritische Masse. In kleinen Uranstücken fliegen die meisten Neutronen heraus, ohne auf einen Kern zu treffen.

Der Wert der kritischen Masse wird durch die Geometrie des physikalischen Systems, seine Struktur und die äußere Umgebung bestimmt. Für eine Kugel aus reinem Uran \(~^(235)_(92)U\) beträgt die kritische Masse also 47 kg (eine Kugel mit einem Durchmesser von 17 cm). Durch den Einsatz sogenannter Neutronenmoderatoren lässt sich die kritische Masse von Uran um ein Vielfaches verringern. Tatsache ist, dass Neutronen, die beim Zerfall von Urankernen entstehen, zu hohe Geschwindigkeiten haben und die Wahrscheinlichkeit, dass langsame Neutronen von Uran-235-Kernen eingefangen werden, hundertmal höher ist als die von schnellen. Der beste Moderator von Neutronen ist schweres Wasser D 2 O. Bei der Wechselwirkung mit Neutronen wird gewöhnliches Wasser selbst zu schwerem Wasser.

Ein guter Moderator ist auch Graphit, dessen Kerne keine Neutronen absorbieren. Bei elastischer Wechselwirkung mit Deuterium- oder Kohlenstoffkernen werden Neutronen auf thermische Geschwindigkeiten abgebremst.

Die Verwendung von Neutronenmoderatoren und einer speziellen Berylliumhülle, die Neutronen reflektiert, ermöglicht es, die kritische Masse auf 250 g zu reduzieren.

Mit Multiplikationsfaktor Zu= 1 wird die Zahl der Spaltkerne konstant gehalten. Dieser Modus ist in Kernreaktoren vorgesehen.

Wenn die Masse des Kernbrennstoffs kleiner als die kritische Masse ist, dann der Multiplikationsfaktor Zu < 1; каждое новое поколение вызывает все меньшее и меньшее число делений, и реакция без внешнего источника нейтронов быстро затухает.

Wenn die Masse des Kernbrennstoffs größer als die kritische ist, dann der Multiplikationsfaktor Zu> 1 und jede neue Generation von Neutronen verursacht eine zunehmende Anzahl von Spaltungen. Die Kettenreaktion wächst wie eine Lawine und hat den Charakter einer Explosion, begleitet von einer enormen Energiefreisetzung und einem Anstieg der Umgebungstemperatur auf mehrere Millionen Grad. Eine solche Kettenreaktion tritt auf, wenn eine Atombombe explodiert.

Atombombe

Im Normalzustand explodiert eine Atombombe nicht, weil die darin enthaltene Kernladung durch Trennwände, die die Zerfallsprodukte von Uran-Neutronen absorbieren, in mehrere kleine Teile unterteilt ist. Die nukleare Kettenreaktion, die eine nukleare Explosion verursacht, kann unter solchen Bedingungen nicht aufrechterhalten werden. Wenn jedoch die Fragmente der Kernladung miteinander verbunden sind, reicht ihre Gesamtmasse aus, damit sich die Kettenreaktion der Uranspaltung zu entwickeln beginnt. Das Ergebnis ist eine nukleare Explosion. Gleichzeitig entspricht die von einer relativ kleinen Atombombe entwickelte Explosionskraft der Kraft, die bei der Explosion von Millionen und Milliarden Tonnen TNT freigesetzt wird.

Reis. 5. Atombombe