Energi E yang dilepaskan selama fisi meningkat dengan meningkatnya Z 2 /A. Nilai Z 2 /A = 17 untuk 89 Y (yttrium). Itu. fisi secara energetik menguntungkan untuk semua inti yang lebih berat dari itrium. Mengapa sebagian besar inti tahan terhadap pembelahan spontan? Untuk menjawab pertanyaan ini, perlu diperhatikan mekanisme pembagiannya.

Selama pembelahan, bentuk inti berubah. Nukleus secara berurutan melewati tahap-tahap berikut (Gbr. 7.1): bola, ellipsoid, halter, dua fragmen berbentuk buah pir, dua fragmen bulat. Bagaimana energi potensial inti berubah pada berbagai tahap fisi?
Inti awal dengan pembesaran r mengambil bentuk ellipsoid revolusi yang semakin memanjang. Dalam hal ini, karena evolusi bentuk inti, perubahan energi potensialnya ditentukan oleh perubahan jumlah energi permukaan dan energi Coulomb E p + E k. Dalam hal ini, energi permukaan meningkat, karena luas permukaan nukleus meningkat. Energi Coulomb berkurang dengan bertambahnya jarak rata-rata antara proton. Jika, dengan sedikit deformasi, dicirikan oleh parameter kecil , inti awal berbentuk ellipsoid simetris aksial, energi permukaan E" p dan energi Coulomb E" k sebagai fungsi dari perubahan parameter deformasi sebagai berikut:

Dalam rasio (7,4–7,5) E n dan E k adalah energi permukaan dan Coulomb dari inti simetris bola awal.
Di wilayah inti berat, 2E n > Ek, dan jumlah energi permukaan dan Coulomb meningkat dengan bertambahnya . Ini mengikuti dari (7.4) dan (7.5) bahwa pada deformasi kecil, peningkatan energi permukaan mencegah perubahan lebih lanjut dalam bentuk nukleus dan, akibatnya, fisi.
Relasi (7.5) berlaku untuk regangan kecil . Jika deformasi begitu besar sehingga inti berbentuk halter, maka permukaan dan gaya Coulomb cenderung memisahkan inti dan memberikan fragmen bentuk bola. Jadi, dengan peningkatan bertahap dalam deformasi nukleus, energi potensialnya melewati maksimum. Plot energi permukaan dan Coulomb inti sebagai fungsi dari r ditunjukkan pada gambar. 7.2.

Kehadiran penghalang potensial mencegah fisi nuklir spontan seketika. Agar inti dapat membelah, perlu diberikan energi Q yang melebihi tinggi penghalang fisi H. Energi potensial maksimum inti fisil E + H (misalnya emas) menjadi dua fragmen identik adalah ≈ 173 MeV , dan energi E yang dilepaskan selama fisi adalah 132 MeV . Jadi, selama pembelahan inti emas, perlu untuk mengatasi penghalang potensial dengan ketinggian sekitar 40 MeV.
Ketinggian penghalang fisi H semakin besar, semakin kecil rasio Coulomb dan energi permukaan E terhadap /E p di inti awal. Rasio ini, pada gilirannya, meningkat dengan peningkatan parameter pembagian Z 2 /A (7.3). Semakin berat nukleus, semakin rendah ketinggian penghalang fisi H, karena parameter fisi, dengan asumsi bahwa Z sebanding dengan A, meningkat dengan meningkatnya nomor massa:

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

(7.6)

Oleh karena itu, inti yang lebih berat biasanya perlu disuplai dengan energi yang lebih sedikit untuk menyebabkan fisi nuklir.
Ketinggian penghalang fisi menghilang pada 2E p – Ec = 0 (7,5). Pada kasus ini

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

Z 2 /A \u003d 2a 2 / (a ​​3 Z 2) 49.

Jadi, menurut model drop, inti dengan Z 2 /A > 49 tidak dapat eksis di alam, karena mereka harus secara spontan membelah menjadi dua fragmen hampir seketika dalam waktu nuklir karakteristik dari urutan 10-22 detik. Ketergantungan bentuk dan ketinggian penghalang potensial H, serta energi fisi, pada nilai parameter Z 2 /A ditunjukkan pada Gambar. 7.3.

Beras. 7.3. Ketergantungan radial dari bentuk dan ketinggian penghalang potensial dan energi fisi E pada berbagai nilai parameter Z 2 /A. Nilai E p + E k diplot pada sumbu vertikal.

Fisi nuklir spontan dengan 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 tahun untuk 232 Th hingga 0,3 detik untuk 260 Rf.
Fisi nuklir paksa dengan 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.
Nilai minimum energi eksitasi inti senyawa E* yang terbentuk selama penangkapan neutron sama dengan energi ikat neutron dalam inti ini n . Tabel 7.1 membandingkan tinggi penghalang H dan energi ikat neutron n untuk isotop Th, U, Pu yang terbentuk setelah penangkapan neutron. Energi ikat neutron bergantung pada jumlah neutron dalam inti. Karena energi berpasangan, energi ikat neutron genap lebih besar daripada energi ikat neutron ganjil.

Tabel 7.1

Tinggi penghalang fisi H, energi ikat neutron n

Isotop	Tinggi penghalang fisi H, MeV	Isotop	Energi ikat neutron 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

Ciri khas fisi adalah bahwa fragmen, sebagai suatu peraturan, memiliki massa yang berbeda. Dalam kasus pembelahan 235 U yang paling mungkin, rasio massa fragmen rata-rata ~1,5. Distribusi massa fragmen fisi 235 U oleh neutron termal ditunjukkan pada Gambar. 7.4. Untuk fisi yang paling mungkin, fragmen berat memiliki nomor massa 139, ringan - 95. Di antara produk fisi ada fragmen dengan A = 72 - 161 dan Z = 30 - 65. Probabilitas fisi menjadi dua fragmen massa yang sama tidak sama dengan nol. Dalam fisi 235 U oleh neutron termal, probabilitas fisi simetris kira-kira tiga kali lipat lebih rendah daripada dalam kasus fisi yang paling mungkin menjadi fragmen dengan A = 139 dan 95.
Fisi asimetris dijelaskan oleh struktur cangkang nukleus. Nukleus cenderung membelah sedemikian rupa sehingga bagian utama nukleon dari setiap fragmen membentuk inti magis yang paling stabil.
Perbandingan jumlah neutron dengan jumlah proton pada inti 235 U N/Z = 1,55, sedangkan untuk isotop stabil dengan nomor massa mendekati jumlah massa fragmen, rasionya adalah 1,25 1,45. Akibatnya, fragmen fisi berubah menjadi sangat kelebihan muatan dengan neutron dan harus
- radioaktif. Oleh karena itu, fragmen fisi mengalami - peluruhan berturut-turut, dan muatan fragmen primer dapat berubah sebesar 4 - 6 unit. Di bawah ini adalah rantai karakteristik peluruhan radioaktif 97 Kr - salah satu fragmen yang terbentuk selama fisi 235 U:

Eksitasi fragmen, yang disebabkan oleh pelanggaran rasio jumlah proton dan neutron, yang merupakan karakteristik inti stabil, juga dihilangkan karena emisi neutron fisi yang cepat. Neutron ini dipancarkan oleh fragmen yang bergerak dalam waktu kurang dari ~ 10 -14 detik. Rata-rata, 2 3 neutron cepat dipancarkan dalam setiap peristiwa fisi. Spektrum energi mereka kontinu dengan maksimum sekitar 1 MeV. Energi rata-rata neutron cepat mendekati 2 MeV. Emisi lebih dari satu neutron dalam setiap peristiwa fisi memungkinkan untuk memperoleh energi melalui reaksi berantai fisi nuklir.
Dalam fisi yang paling mungkin dari 235 U oleh neutron termal, sebuah fragmen ringan (A = 95) memperoleh energi kinetik 100 MeV, dan yang berat (A = 139) memperoleh sekitar 67 MeV. Jadi, energi kinetik total fragmen adalah 167 MeV. Energi fisi total dalam hal ini adalah 200 MeV. Dengan demikian, energi yang tersisa (33 MeV) didistribusikan di antara produk fisi lainnya (neutron, elektron, dan antineutrino - peluruhan fragmen, radiasi fragmen dan produk peluruhannya). Distribusi energi fisi antara produk yang berbeda selama fisi 235 U oleh neutron termal diberikan pada Tabel 7.2.

Tabel 7.2

Distribusi energi fisi 235 U neutron termal

Produk fisi nuklir (NFs) adalah campuran kompleks lebih dari 200 isotop radioaktif dari 36 elemen (dari seng hingga gadolinium). Sebagian besar aktivitas terdiri dari radionuklida berumur pendek. Jadi, setelah 7, 49, dan 343 hari setelah ledakan, aktivitas PND menurun masing-masing 10, 100, dan 1000 kali, dibandingkan dengan aktivitas satu jam setelah ledakan. Hasil radionuklida yang paling signifikan secara biologis disajikan pada Tabel 7.3. Selain PND, kontaminasi radioaktif disebabkan oleh radionuklida aktivitas induksi (3 H, 14 C, 28 Al, 24 Na, 56 Mn, 59 Fe, 60 Co, dll.) dan bagian uranium dan plutonium yang tidak terbagi. Peran aktivitas induksi dalam ledakan termonuklir sangat besar.

Tabel 7.3

Pelepasan beberapa produk fisi dalam ledakan nuklir

Radionuklida	Setengah hidup	Keluaran per divisi, %	Aktivitas per 1 Mt, 10 15 Bq
89Sr	50,5 hari	2.56	590
90Sr	29,12 tahun	3.5	3.9
95 Zr	65 hari	5.07	920
103 Ru	41 hari	5.2	1500
106 Ru	365 hari	2.44	78
131 aku	8,05 hari	2.9	4200
136Cs	13,2 hari	0.036	32
137Cs	30 tahun	5.57	5.9
140 Ba	12,8 hari	5.18	4700
141Cs	32,5 hari	4.58	1600
144Cs	288 hari	4.69	190
3H	12,3 tahun	0.01	2.6 10 -2

Selama ledakan nuklir di atmosfer, sebagian besar presipitasi (hingga 50% dalam ledakan tanah) jatuh di dekat area pengujian. Bagian dari zat radioaktif disimpan di bagian bawah atmosfer dan, di bawah pengaruh angin, bergerak dalam jarak yang jauh, tetap berada pada garis lintang yang sama. Berada di udara selama sekitar satu bulan, zat radioaktif selama gerakan ini secara bertahap jatuh ke Bumi. Sebagian besar radionuklida dilepaskan ke stratosfer (sampai ketinggian 10÷15 km), di mana mereka tersebar secara global dan sebagian besar membusuk.
Berbagai elemen desain reaktor nuklir memiliki aktivitas yang tinggi selama beberapa dekade (Tabel 7.4)

Tabel 7.4

Nilai aktivitas spesifik (Bq/t uranium) dari produk fisi utama dalam elemen bahan bakar yang dikeluarkan dari reaktor setelah tiga tahun beroperasi

Radionuklida	0	1 hari	120 hari	1 tahun		10 tahun
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
95 Zr	7. 29· 10 16	7. 21· 10 16	1. 99· 10 16	1. 4· 10 15	5. 14· 10 11
95Nb	7. 23· 10 16	7. 23· 10 16	3. 57· 10 16	3. 03· 10 15	1. 14· 10 12
103 Ru	7. 08· 10 16	6. 95· 10 16	8. 55· 10 15	1. 14· 10 14	2. 97· 10 8
106 Ru	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 aku	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 Ce	7. 36· 10 16	7. 25· 10 16	5. 73· 10 15	3. 08· 10 13	5. 33· 10 6
144 Ce	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 sore	6. 77· 10 16	6. 70· 10 16	1. 65· 10 14	6. 11· 10 8
147 sore	7. 05 10 15	7. 05· 10 15	6. 78· 10 15	5. 68· 10 15	3. 35· 10 14

Reaksi fisi nuklir- reaksi fisi, yang terdiri dari fakta bahwa inti berat di bawah aksi neutron, dan ternyata kemudian, partikel lain, dibagi menjadi beberapa inti yang lebih ringan (fragmen), paling sering menjadi dua inti yang massanya dekat.

Sebuah fitur dari fisi nuklir adalah bahwa hal itu disertai dengan emisi dua atau tiga neutron sekunder, yang disebut neutron fisi. Karena untuk inti sedang jumlah neutron kira-kira sama dengan jumlah proton ( N/Z 1), dan untuk inti berat, jumlah neutron secara signifikan melebihi jumlah proton ( N/Z 1.6), maka fragmen fisi yang dihasilkan kelebihan beban dengan neutron, sebagai akibatnya mereka melepaskan neutron fisi. Namun, emisi neutron fisi tidak sepenuhnya menghilangkan kelebihan inti fragmen oleh neutron. Ini mengarah pada fakta bahwa fragmen tersebut bersifat radioaktif. Mereka dapat menjalani serangkaian - -transformasi, disertai dengan emisi -kuanta. Karena - -peluruhan disertai dengan transformasi neutron menjadi proton, maka setelah rantai transformasi - -, rasio antara neutron dan proton dalam fragmen akan mencapai nilai yang sesuai dengan isotop stabil. Misalnya, selama fisi inti uranium U

U+ n → Xe + Sr +2 n(265.1)

pecahan fisi Sebagai hasil dari tiga aksi - peluruhan, Xe berubah menjadi isotop stabil lantanum La:

hehe → Cs → ba → La.

Fragmen fisi bisa beragam, jadi reaksi (265.1) bukan satu-satunya yang mengarah ke fisi U.

Kebanyakan neutron dipancarkan hampir seketika selama fisi ( t 10 –14 s), dan sebagian (sekitar 0,7%) dipancarkan oleh fragmen fisi beberapa waktu setelah fisi (0,05 s t 60 detik). Yang pertama disebut instan, kedua - terlambat. Rata-rata, 2,5 neutron dipancarkan untuk setiap peristiwa fisi. Mereka memiliki spektrum energi yang relatif luas mulai dari 0 hingga 7 MeV, dengan energi rata-rata sekitar 2 MeV per neutron.

Perhitungan menunjukkan bahwa fisi nuklir juga harus disertai dengan pelepasan sejumlah besar energi. Memang, energi ikat spesifik untuk inti bermassa sedang adalah sekitar 8,7 MeV, sedangkan untuk inti berat adalah 7,6 MeV. Akibatnya, pembelahan inti berat menjadi dua fragmen harus melepaskan energi yang sama dengan sekitar 1,1 MeV per nukleon.

Teori fisi inti atom (N. Bohr, Ya. I. Frenkel) didasarkan pada model jatuhnya inti. Nukleus dianggap sebagai setetes cairan tak termampatkan bermuatan listrik (dengan kerapatan sama dengan inti dan tunduk pada hukum mekanika kuantum), partikel yang, ketika neutron memasuki nukleus, mulai berosilasi, sebagai akibatnya nukleus terbelah menjadi dua bagian, terbang terpisah dengan energi yang sangat besar.

Probabilitas fisi nuklir ditentukan oleh energi neutron. Misalnya, jika neutron berenergi tinggi menyebabkan pembelahan hampir semua inti, maka neutron dengan energi beberapa mega-elektron-volt - hanya inti berat ( TETAPI>210), Neutron dengan energi aktivasi(energi minimum yang diperlukan untuk pelaksanaan reaksi fisi nuklir) orde 1 MeV, menyebabkan fisi inti uranium U, thorium Th, protactinium Pa, plutonium Pu. Inti U, Pu, dan U, Th dibagi dengan neutron termal (dua isotop terakhir tidak terjadi di alam, mereka diperoleh secara artifisial).

Neutron sekunder yang dipancarkan selama fisi nuklir dapat menyebabkan peristiwa fisi baru, yang memungkinkan untuk melakukan reaksi fisi berantai- reaksi nuklir di mana partikel yang menyebabkan reaksi terbentuk sebagai produk dari reaksi ini. Reaksi fisi berantai ditandai dengan faktor perkalian k neutron, yang sama dengan rasio jumlah neutron pada generasi tertentu dengan jumlah mereka pada generasi sebelumnya. Kondisi yang diperlukan untuk pengembangan reaksi fisi berantai adalah persyaratan k 1.

Ternyata tidak semua neutron sekunder yang dihasilkan menyebabkan fisi nuklir berikutnya, yang mengarah pada penurunan faktor perkalian. Pertama, karena dimensi yang terbatas inti(ruang di mana reaksi yang berharga berlangsung) dan daya tembus tinggi dari neutron, beberapa dari mereka akan meninggalkan inti sebelum mereka ditangkap oleh inti apapun. Kedua, bagian dari neutron ditangkap oleh inti pengotor non-fisil, yang selalu ada di inti.Selain itu, bersama dengan fisi, proses penangkapan radiasi dan hamburan inelastis yang bersaing dapat terjadi.

Faktor perkalian tergantung pada sifat bahan fisil, dan untuk isotop tertentu, pada jumlah, serta ukuran dan bentuk zona aktif. Dimensi minimum zona aktif yang memungkinkan terjadinya reaksi berantai disebut dimensi kritis. Massa minimum bahan fisil yang terletak dalam sistem ukuran kritis, yang diperlukan untuk implementasi reaksi berantai, ditelepon massa kritis.

Laju perkembangan reaksi berantai berbeda. Membiarkan T - waktu rata-rata

kehidupan satu generasi, dan N adalah jumlah neutron dalam satu generasi. Di generasi berikutnya, jumlah mereka adalah kn,t. e. peningkatan jumlah neutron per generasi dN = kN – N = N(k- satu). Peningkatan jumlah neutron per satuan waktu, yaitu laju pertumbuhan reaksi berantai,

. (266.1)

Mengintegrasikan (266.1), kami memperoleh

,

di mana N0 adalah jumlah neutron pada saat awal waktu, dan N- nomor mereka sekaligus t. N ditentukan oleh tanda ( k- satu). Pada k>1 pergi mengembangkan respon. jumlah divisi tumbuh terus menerus dan reaksi dapat menjadi eksplosif. Pada k= 1 pergi respon mandiri dimana jumlah neutron tidak berubah terhadap waktu. Pada k <1 идет reaksi memudar,

Reaksi berantai dibagi menjadi terkendali dan tidak terkendali. Ledakan bom atom, misalnya, merupakan reaksi yang tidak terkendali. Untuk mencegah bom atom meledak selama penyimpanan, U (atau Pu) di dalamnya dibagi menjadi dua bagian yang saling berjauhan dengan massa di bawah kritis. Kemudian, dengan bantuan ledakan biasa, massa ini saling mendekat, massa total bahan fisil menjadi lebih kritis, dan reaksi berantai eksplosif terjadi, disertai dengan pelepasan sejumlah besar energi dan kehancuran besar seketika. Reaksi eksplosif dimulai karena tersedianya neutron fisi spontan atau neutron radiasi kosmik. Reaksi berantai terkendali dilakukan dalam reaktor nuklir.

Reaksi nuklir. Interaksi partikel dengan inti atom, yang mengarah pada transformasi inti ini menjadi inti baru dengan pelepasan partikel sekunder atau gamma kuanta, disebut reaksi nuklir.

Reaksi nuklir pertama dilakukan oleh Rutherford pada tahun 1919. Ia menemukan bahwa ketika partikel alfa bertabrakan dengan inti atom nitrogen, proton yang bergerak cepat akan terbentuk. Ini berarti bahwa inti isotop nitrogen, sebagai akibat dari tumbukan dengan partikel alfa, berubah menjadi inti isotop oksigen:

.

Reaksi nuklir dapat berlangsung dengan pelepasan atau penyerapan energi. Menggunakan hukum hubungan antara massa dan energi, hasil energi dari reaksi nuklir dapat ditentukan dengan menemukan perbedaan antara massa partikel yang masuk ke dalam reaksi dan produk reaksi:

Reaksi berantai pembelahan inti uranium. Di antara berbagai reaksi nuklir, reaksi berantai dari pembelahan beberapa inti berat sangat penting dalam kehidupan masyarakat manusia modern.

Reaksi fisi inti uranium selama pemboman mereka dengan neutron ditemukan pada tahun 1939. Sebagai hasil dari studi eksperimental dan teoritis yang dilakukan oleh E. Fermi, I. Joliot-Curie, O. Hahn, F. Strassmann, L. Meitner, O Frisch, F. Joliot-Curie, ditemukan bahwa ketika satu neutron memasuki inti uranium, inti dibagi menjadi dua atau tiga bagian.

Fisi satu inti uranium melepaskan energi sekitar 200 MeV. Energi kinetik dari pergerakan inti fragmen menyumbang sekitar 165 MeV, sisa energi dibawa pergi oleh gamma kuanta.

Mengetahui energi yang dilepaskan selama fisi satu inti uranium, kita dapat menghitung bahwa hasil energi dari fisi semua inti 1 kg uranium adalah 80 ribu miliar joule. Ini beberapa juta kali lebih banyak daripada yang dilepaskan saat membakar 1 kg batu bara atau minyak. Oleh karena itu, dilakukan pencarian cara untuk melepaskan energi nuklir dalam jumlah yang signifikan untuk digunakan untuk tujuan praktis.

F. Joliot-Curie adalah orang pertama yang menyarankan kemungkinan reaksi berantai nuklir pada tahun 1934. Pada tahun 1939, bersama dengan H. Halban dan L. Kovarsky, ia secara eksperimental menemukan bahwa selama fisi inti uranium, selain fragmen-inti , 2 -3 neutron bebas. Dalam kondisi yang menguntungkan, neutron ini dapat menabrak inti uranium lainnya dan menyebabkan mereka fisi. Selama fisi tiga inti uranium, 6-9 neutron baru harus dilepaskan, mereka akan jatuh ke inti uranium baru, dll. Skema untuk pengembangan reaksi berantai fisi inti uranium ditunjukkan pada Gambar 316.

Beras. 316

Implementasi praktis dari reaksi berantai bukanlah tugas yang sederhana seperti yang terlihat pada diagram. Neutron yang dilepaskan selama pembelahan inti uranium hanya mampu menyebabkan pembelahan inti isotop uranium dengan nomor massa 235, sedangkan energinya tidak cukup untuk menghancurkan inti isotop uranium dengan nomor massa 238. Dalam uranium alam, uranium dengan nomor massa 238 menyumbang 99,8%, sedangkan uranium dengan nomor massa 235 hanya menyumbang 0,7%. Oleh karena itu, cara pertama yang mungkin untuk melakukan reaksi berantai fisi dikaitkan dengan pemisahan isotop uranium dan produksi isotop murni dalam jumlah yang cukup besar. Kondisi yang diperlukan untuk pelaksanaan reaksi berantai adalah adanya uranium dalam jumlah yang cukup besar, karena dalam sampel kecil, sebagian besar neutron terbang melalui sampel tanpa menabrak nukleus apa pun. Massa minimum uranium di mana reaksi berantai dapat terjadi disebut massa kritis. Massa kritis untuk uranium-235 adalah beberapa puluh kilogram.

Cara paling sederhana untuk melakukan reaksi berantai dalam uranium-235 adalah sebagai berikut: dua potong logam uranium dibuat, masing-masing dengan massa sedikit lebih kecil dari yang kritis. Reaksi berantai di masing-masing secara terpisah tidak bisa berjalan. Dengan koneksi yang cepat dari potongan-potongan ini, reaksi berantai berkembang dan energi yang sangat besar dilepaskan. Suhu uranium mencapai jutaan derajat, uranium itu sendiri dan zat lain yang ada di dekatnya berubah menjadi uap. Bola gas panas mengembang dengan cepat, membakar dan menghancurkan segala sesuatu yang dilaluinya. Ini adalah bagaimana ledakan nuklir terjadi.

Sangat sulit untuk menggunakan energi ledakan nuklir untuk tujuan damai, karena pelepasan energi dalam hal ini tidak dapat dikendalikan. Reaksi berantai terkendali dari fisi inti uranium dilakukan dalam reaktor nuklir.

Reaktor nuklir. Reaktor nuklir pertama adalah reaktor neutron lambat (Gbr. 317). Sebagian besar neutron yang dilepaskan selama fisi inti uranium memiliki energi 1-2 MeV. Pada saat yang sama, kecepatan mereka sama dengan sekitar 107 m / s, oleh karena itu mereka disebut neutron cepat. Pada energi seperti itu, neutron berinteraksi dengan inti uranium dan uranium dengan efisiensi yang kira-kira sama. Dan karena ada 140 kali lebih banyak inti uranium dalam uranium alami daripada inti uranium, sebagian besar neutron ini diserap oleh inti uranium dan reaksi berantai tidak berkembang. Neutron yang bergerak dengan kecepatan mendekati kecepatan gerak termal (sekitar 2·10 3 m/s) disebut lambat atau termal. Neutron lambat berinteraksi dengan baik dengan inti uranium-235 dan diserap oleh mereka 500 kali lebih efisien daripada yang cepat. Oleh karena itu, ketika uranium alam disinari dengan neutron lambat, kebanyakan dari mereka diserap bukan di inti uranium-238, tetapi di inti uranium-235 dan menyebabkan fisi mereka. Akibatnya, untuk pengembangan reaksi berantai dalam uranium alam, kecepatan neutron harus dikurangi menjadi termal.

Beras. 317

Neutron diperlambat sebagai akibat tumbukan dengan inti atom medium tempat mereka bergerak. Untuk memperlambat neutron dalam reaktor, zat khusus yang disebut moderator digunakan. Inti atom zat moderator harus memiliki massa yang relatif kecil, karena dalam tumbukan dengan inti ringan, neutron kehilangan lebih banyak energi daripada dalam tumbukan dengan inti yang berat. Moderator yang paling umum adalah air biasa dan grafit.

Ruang di mana reaksi berantai berlangsung disebut teras reaktor. Untuk mengurangi kebocoran neutron, teras reaktor dikelilingi oleh reflektor neutron, yang melemparkan sebagian besar neutron yang dipancarkan ke dalam teras. Reflektor biasanya bahan yang sama yang berfungsi sebagai moderator.

Energi yang dilepaskan selama pengoperasian reaktor dihilangkan menggunakan pendingin. Hanya cairan dan gas yang tidak memiliki kemampuan menyerap neutron yang dapat digunakan sebagai pendingin. Air biasa banyak digunakan sebagai pendingin, terkadang karbon dioksida dan bahkan natrium logam cair digunakan.

Reaktor dikendalikan dengan menggunakan batang kendali (atau kendali) khusus yang dimasukkan ke dalam teras reaktor. Batang kendali terbuat dari senyawa boron atau kadmium, yang menyerap neutron termal dengan efisiensi yang sangat tinggi. Sebelum memulai pengoperasian reaktor, mereka sepenuhnya dimasukkan ke dalam intinya. Menyerap sebagian besar neutron, mereka membuat tidak mungkin untuk mengembangkan reaksi berantai. Untuk memulai reaktor, batang kendali secara bertahap ditarik dari teras sampai pelepasan energi mencapai tingkat yang telah ditentukan. Ketika daya meningkat di atas level yang ditetapkan, automata dinyalakan, membenamkan batang kendali ke kedalaman zona aktif.

Energi nuklir. Energi nuklir untuk layanan perdamaian ditempatkan untuk pertama kalinya di negara kita. Akademisi Igor Vasilievich Kurchatov (1903-1960) adalah penyelenggara dan pemimpin pertama pekerjaan pada ilmu dan teknologi atom di Uni Soviet.

Saat ini, yang terbesar di Uni Soviet dan di Eropa, PLTN Leningrad. DI DAN. Lenin memiliki kapasitas 4000 MW, yaitu 800 kali kekuatan pembangkit listrik tenaga nuklir pertama.

Biaya listrik yang dihasilkan di pembangkit listrik tenaga nuklir besar lebih rendah daripada biaya listrik yang dihasilkan di pembangkit listrik termal. Oleh karena itu, energi nuklir berkembang dengan kecepatan yang dipercepat.

Reaktor nuklir digunakan sebagai pembangkit listrik di kapal laut. Kapal sipil pertama di dunia dengan pembangkit listrik tenaga nuklir, pemecah es nuklir Lenin, dibangun di Uni Soviet pada tahun 1959.

Kapal pemecah es bertenaga nuklir Soviet Arktika, yang dibangun pada tahun 1975, menjadi kapal permukaan pertama di dunia yang mencapai Kutub Utara.

reaksi termonuklir. Energi nuklir dilepaskan tidak hanya dalam reaksi fisi nuklir inti berat, tetapi juga dalam reaksi kombinasi inti atom ringan.

Untuk menghubungkan proton yang bermuatan serupa, perlu untuk mengatasi gaya tolak Coulomb, yang mungkin terjadi pada partikel yang bertabrakan dengan kecepatan yang cukup tinggi. Kondisi yang diperlukan untuk sintesis inti helium dari proton ditemukan di bagian dalam bintang. Di Bumi, reaksi fusi termonuklir telah dilakukan dalam ledakan termonuklir eksperimental.

Sintesis helium dari isotop ringan hidrogen terjadi pada suhu sekitar 108 K, dan untuk sintesis helium dari isotop berat hidrogen - deuterium dan tritium - sesuai dengan skema

pemanasan hingga sekitar 5 10 7 K diperlukan.

Selama sintesis 1 g helium dari deuterium dan tritium, energi 4,2·10 11 J dilepaskan ketika 10 ton solar dibakar.

Cadangan hidrogen di Bumi praktis tidak ada habisnya, sehingga penggunaan energi fusi termonuklir untuk tujuan damai adalah salah satu tugas terpenting sains dan teknologi modern.

Reaksi termonuklir terkontrol dari sintesis helium dari isotop hidrogen berat dengan pemanasan seharusnya dilakukan dengan melewatkan arus listrik melalui plasma. Medan magnet digunakan untuk menjaga plasma yang dipanaskan agar tidak menyentuh dinding ruang. Di fasilitas eksperimental Tokamak-10, fisikawan Soviet berhasil memanaskan plasma hingga suhu 13 juta derajat. Hidrogen dapat dipanaskan ke suhu yang lebih tinggi menggunakan radiasi laser. Untuk melakukan ini, berkas cahaya dari beberapa laser harus difokuskan pada bola kaca, yang di dalamnya terdapat campuran isotop berat deuterium dan tritium. Dalam percobaan pada instalasi laser, plasma dengan suhu beberapa puluh juta derajat telah diperoleh.

Reaksi nuklir berantai. Sebagai hasil dari percobaan iradiasi neutron uranium, ditemukan bahwa di bawah aksi neutron, inti uranium dibagi menjadi dua inti (fragmen) sekitar setengah massa dan muatan; proses ini disertai dengan emisi beberapa (dua atau tiga) neutron (Gbr. 402). Selain uranium, beberapa elemen lagi dari antara elemen terakhir dari sistem periodik Mendeleev mampu fisi. Unsur-unsur ini, seperti uranium, fisi tidak hanya di bawah pengaruh neutron, tetapi juga tanpa pengaruh eksternal (spontan). Fisi spontan didirikan secara eksperimental oleh fisikawan Soviet K. A. Petrzhak dan Georgy Nikolaevich Flerov (lahir 1913) pada tahun 1940. Ini adalah proses yang sangat langka. Jadi, dalam 1 g uranium, hanya sekitar 20 fisi spontan yang terjadi per jam.

Beras. 402. Fisi inti uranium di bawah pengaruh neutron: a) inti menangkap neutron; b) dampak neutron pada nukleus menyebabkan nukleus berosilasi; c) nukleus terbagi menjadi dua bagian; lebih banyak neutron yang dipancarkan.

Karena tolakan elektrostatik timbal balik, fragmen fisi menyebar ke arah yang berlawanan, memperoleh energi kinetik yang sangat besar (sekitar ). Dengan demikian, reaksi fisi terjadi dengan pelepasan energi yang signifikan. Fragmen yang bergerak cepat mengionisasi atom medium secara intens. Properti fragmen ini digunakan untuk mendeteksi proses fisi menggunakan ruang ionisasi atau ruang awan. Sebuah foto jejak fragmen fisi di ruang awan ditunjukkan pada gambar. 403. Sangat signifikan bahwa neutron yang dipancarkan selama fisi inti uranium (yang disebut neutron fisi sekunder) mampu menyebabkan fisi inti uranium baru. Berkat ini, dimungkinkan untuk melakukan reaksi berantai fisi: setelah muncul, reaksi, pada prinsipnya, dapat berlanjut dengan sendirinya, mencakup peningkatan jumlah inti. Skema pengembangan reaksi cellon yang tumbuh seperti itu ditunjukkan pada Gambar. 404.

Beras. 403. Foto jejak fragmen fisi uranium di ruang awan: fragmen () menyebar ke arah yang berlawanan dari lapisan tipis uranium yang disimpan di piring yang menghalangi ruang. Gambar tersebut juga menunjukkan banyak jejak tipis milik proton yang tersingkir oleh neutron dari molekul mobil air yang terkandung di dalam ruangan.

Melakukan reaksi fisi berantai dalam praktiknya tidak mudah; Pengalaman menunjukkan bahwa dalam massa uranium alam tidak terjadi reaksi berantai. Alasan untuk ini terletak pada hilangnya neutron sekunder; di uranium alam sebagian besar neutron keluar dari permainan tanpa menyebabkan fisi. Seperti yang telah diungkapkan oleh penelitian, hilangnya neutron terjadi pada isotop uranium yang paling umum - uranium - 238 (). Isotop ini dengan mudah menyerap neutron dalam reaksi yang mirip dengan reaksi perak dengan neutron (lihat 222); ini menghasilkan isotop radioaktif artifisial. Ia membelah dengan susah payah dan hanya di bawah aksi neutron cepat.

Isotop yang terkandung dalam uranium alam dalam jumlah tertentu memiliki sifat yang lebih berhasil untuk reaksi berantai. Itu dibagi di bawah aksi neutron dari energi apa pun - cepat dan lambat, dan semakin baik, semakin rendah energi neutron. Proses bersaing dengan fisi - penyerapan sederhana neutron - tidak mungkin kontras dengan. Oleh karena itu, dalam uranium-235 murni, reaksi berantai fisi dimungkinkan, asalkan massa uranium-235 cukup besar. Dalam uranium bermassa rendah, reaksi fisi dihentikan karena emisi neutron sekunder di luar materinya.

Beras. 404. Perkembangan Reaksi Fisi yang Berharga: Dapat diterima dengan syarat bahwa dua neutron dipancarkan selama fisi nuklir dan tidak ada kehilangan neutron, mis. setiap neutron menyebabkan fisi baru; lingkaran - fragmen fisi, panah - neutron fisi

Memang, karena ukuran inti atom yang kecil, sebuah neutron menempuh jarak yang jauh dalam materi (diukur dalam sentimeter) sebelum secara tidak sengaja menabrak inti. Jika dimensi tubuh kecil, maka kemungkinan tabrakan dalam perjalanan ke pintu keluar kecil. Hampir semua neutron fisi sekunder terbang keluar melalui permukaan tubuh tanpa menyebabkan fisi baru, yaitu, tanpa melanjutkan reaksi.

Dari tubuh berdimensi besar, terutama neutron yang terbentuk di lapisan permukaan yang terbang keluar. Neutron yang terbentuk di dalam tubuh memiliki ketebalan uranium yang cukup di depannya dan sebagian besar menyebabkan fisi baru, melanjutkan reaksi (Gbr. 405). Semakin besar massa uranium, semakin kecil fraksi volume lapisan permukaan, dari mana banyak neutron hilang, dan semakin menguntungkan kondisi untuk pengembangan reaksi berantai.

Beras. 405. Pengembangan reaksi berantai fisi di . a) Dalam massa kecil, sebagian besar neutron fisi terbang keluar. b) Dalam massa uranium yang besar, banyak neutron fisi menyebabkan pembelahan inti baru; jumlah divisi meningkat dari generasi ke generasi. Lingkaran - fragmen fisi, panah - neutron fisi

Dengan meningkatkan jumlah secara bertahap, kita akan mencapai massa kritis, yaitu massa terkecil, mulai dari mana reaksi berantai fisi berkelanjutan dimungkinkan. Dengan peningkatan massa lebih lanjut, reaksi akan mulai berkembang pesat (ini akan dimulai dengan pembelahan spontan). Ketika massa berkurang di bawah nilai kritis, reaksi meluruh.

Jadi, Anda dapat melakukan reaksi fisi berantai. Jika sudah cukup murni, pisahkan dari.

Seperti yang kita lihat di 202, pemisahan isotop adalah operasi yang kompleks dan mahal, tetapi masih mungkin. Memang, ekstraksi dari uranium alam adalah salah satu cara di mana reaksi berantai fisi dipraktekkan.

Bersamaan dengan ini, reaksi berantai dicapai dengan cara lain, yang tidak memerlukan pemisahan isotop uranium. Metode ini pada prinsipnya agak lebih rumit, tetapi lebih mudah untuk diterapkan. Ini menggunakan perlambatan neutron fisi sekunder yang cepat ke kecepatan gerakan termal. Kita telah melihat bahwa dalam uranium alam, neutron sekunder langsung sebagian besar diserap oleh isotop. Karena penyerapan dalam tidak menyebabkan fisi, reaksi berakhir. Pengukuran menunjukkan bahwa ketika neutron diperlambat ke kecepatan termal, daya serap meningkat lebih dari daya serap. Penyerapan neutron oleh isotop , yang mengarah ke fisi, berada di atas angin. Oleh karena itu, jika neutron fisi diperlambat, mencegahnya diserap ke dalam , reaksi berantai akan mungkin terjadi dengan uranium alam.

Beras. 406. Sistem uranium alam dan moderator di mana reaksi berantai fisi dapat berkembang

Dalam praktiknya, hasil ini dicapai dengan menempatkan batang cerobong uranium alam dalam bentuk kisi langka di moderator (Gbr. 406). Zat yang memiliki massa atom rendah dan neutron yang menyerap lemah digunakan sebagai moderator. Moderator yang baik adalah grafit, air berat, berilium.

Biarkan pembelahan inti uranium terjadi di salah satu batang. Karena batangnya relatif tipis, neutron sekunder cepat akan terbang hampir seluruhnya ke moderator. Batang terletak di kisi sangat jarang. Sebelum mengenai batang baru, neutron yang dipancarkan mengalami banyak tumbukan dengan inti moderator dan melambat hingga kecepatan gerak termal (Gbr. 407). Setelah kemudian mengenai batang uranium, neutron kemungkinan besar akan diserap dan menyebabkan fisi baru, sehingga melanjutkan reaksi. Reaksi fisi berantai pertama kali dilakukan di Amerika Serikat pada tahun 1942. sekelompok ilmuwan yang dipimpin oleh fisikawan Italia Enrico Fermi (1901-1954) dalam sistem dengan uranium alam. Proses ini diterapkan secara independen di Uni Soviet pada tahun 1946. Akademisi Igor Vasilievich Kurchatov (1903-1960) dengan karyawan.

Beras. 407. Pengembangan reaksi fisi yang berharga dalam sistem uranium alam dan moderator. Sebuah neutron cepat, terbang keluar dari batang tipis, mengenai moderator dan melambat. Sekali lagi dalam uranium, neutron yang diperlambat kemungkinan akan diserap ke dalam , menyebabkan fisi (simbol: dua lingkaran putih). Beberapa neutron diserap tanpa menyebabkan pembelahan (simbol: lingkaran hitam)