Fisi nuklir adalah pemecahan atom berat menjadi dua fragmen dengan massa yang kira-kira sama, disertai dengan pelepasan sejumlah besar energi.

Penemuan fisi nuklir memulai era baru - "zaman atom". Potensi penggunaan yang mungkin dan rasio risiko untuk mendapatkan keuntungan dari penggunaannya tidak hanya menghasilkan banyak pencapaian sosiologis, politik, ekonomi dan ilmiah, tetapi juga masalah serius. Bahkan dari sudut pandang ilmiah murni, proses fisi nuklir telah menciptakan banyak teka-teki dan komplikasi, dan penjelasan teoretis lengkapnya adalah masalah masa depan.

Berbagi itu menguntungkan

Energi ikat (per nukleon) berbeda untuk inti yang berbeda. Yang lebih berat memiliki energi ikat yang lebih rendah daripada yang terletak di tengah tabel periodik.

Ini berarti bahwa untuk inti berat dengan nomor atom lebih besar dari 100, adalah menguntungkan untuk membagi menjadi dua fragmen yang lebih kecil, sehingga melepaskan energi, yang diubah menjadi energi kinetik fragmen. Proses ini disebut membelah

Menurut kurva stabilitas, yang menunjukkan ketergantungan jumlah proton pada jumlah neutron untuk nuklida stabil, inti yang lebih berat lebih menyukai lebih banyak neutron (dibandingkan dengan jumlah proton) daripada yang lebih ringan. Ini menunjukkan bahwa seiring dengan proses pemisahan, beberapa neutron "cadangan" akan dipancarkan. Selain itu, mereka juga akan mengambil sebagian dari energi yang dilepaskan. Studi tentang fisi nuklir atom uranium menunjukkan bahwa 3-4 neutron dilepaskan: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

Nomor atom (dan massa atom) fragmen tidak sama dengan setengah massa atom induknya. Perbedaan antara massa atom yang terbentuk sebagai hasil pemecahan biasanya sekitar 50. Benar, alasannya belum sepenuhnya jelas.

Energi ikat 238 U, 145 La, dan 90 Br berturut-turut adalah 1803, 1198, dan 763 MeV. Artinya, sebagai hasil dari reaksi ini, energi fisi inti uranium yang dilepaskan adalah sebesar 1198 + 763-1803 = 158 MeV.

Pembagian spontan

Proses pemisahan spontan diketahui di alam, tetapi sangat jarang. Masa hidup rata-rata dari proses ini adalah sekitar 10 17 tahun, dan, misalnya, masa hidup rata-rata peluruhan alfa dari radionuklida yang sama adalah sekitar 10 11 tahun.

Alasannya, untuk membelah menjadi dua bagian, nukleus harus terlebih dahulu dideformasi (diregangkan) menjadi bentuk ellipsoidal, dan kemudian, sebelum akhirnya membelah menjadi dua bagian, membentuk “leher” di tengahnya.

Potensi Hambatan

Dalam keadaan terdeformasi, dua gaya bekerja pada inti. Salah satunya adalah peningkatan energi permukaan (tegangan permukaan setetes cairan menjelaskan bentuk bolanya), dan yang lainnya adalah gaya tolak Coulomb antara fragmen fisi. Bersama-sama mereka menghasilkan penghalang potensial.

Seperti dalam kasus peluruhan alfa, agar fisi spontan inti atom uranium terjadi, fragmen harus mengatasi penghalang ini menggunakan terowongan kuantum. Penghalangnya sekitar 6 MeV, seperti dalam kasus peluruhan alfa, tetapi kemungkinan penerowongan partikel alfa jauh lebih besar daripada produk fisi atom yang jauh lebih berat.

pemisahan paksa

Jauh lebih mungkin adalah fisi yang diinduksi dari inti uranium. Dalam hal ini, inti induk disinari dengan neutron. Jika induk menyerapnya, mereka mengikat, melepaskan energi ikat dalam bentuk energi vibrasi yang dapat melebihi 6 MeV yang dibutuhkan untuk mengatasi penghalang potensial.

Jika energi neutron tambahan tidak cukup untuk mengatasi penghalang potensial, neutron yang datang harus memiliki energi kinetik minimum agar dapat menginduksi pemecahan atom. Dalam kasus 238 U, energi ikat neutron tambahan adalah sekitar 1 MeV pendek. Ini berarti bahwa pembelahan inti uranium hanya diinduksi oleh neutron dengan energi kinetik lebih besar dari 1 MeV. Di sisi lain, isotop 235 U memiliki satu neutron yang tidak berpasangan. Ketika nukleus menyerap satu tambahan, ia membentuk pasangan dengannya, dan sebagai hasil dari pasangan ini, energi ikat tambahan muncul. Ini cukup untuk melepaskan jumlah energi yang diperlukan inti untuk mengatasi penghalang potensial dan fisi isotop terjadi pada tumbukan dengan neutron apa pun.

peluruhan beta

Meskipun reaksi fisi memancarkan tiga atau empat neutron, fragmen masih mengandung lebih banyak neutron daripada isobar stabilnya. Ini berarti bahwa fragmen pembelahan umumnya tidak stabil terhadap peluruhan beta.

Misalnya, ketika fisi uranium 238U terjadi, isobar stabil dengan A = 145 adalah neodymium 145Nd, yang berarti bahwa fragmen lantanum 145La meluruh dalam tiga langkah, setiap kali memancarkan elektron dan antineutrino, hingga nuklida stabil terbentuk. Isobar stabil dengan A = 90 adalah zirkonium 90 Zr; oleh karena itu, fragmen pemecahan brom 90 Br terurai dalam lima tahap rantai peluruhan .

Rantai peluruhan ini melepaskan energi tambahan, yang hampir semuanya terbawa oleh elektron dan antineutrino.

Reaksi nuklir: pembelahan inti uranium

Emisi langsung neutron dari nuklida dengan terlalu banyak dari mereka untuk memastikan stabilitas nukleus tidak mungkin. Intinya di sini adalah bahwa tidak ada tolakan Coulomb, sehingga energi permukaan cenderung menjaga neutron tetap terikat dengan induknya. Namun, ini terkadang terjadi. Misalnya, fragmen fisi 90 Br pada tahap peluruhan beta pertama menghasilkan kripton-90, yang dapat berada dalam keadaan tereksitasi dengan energi yang cukup untuk mengatasi energi permukaan. Dalam hal ini, emisi neutron dapat terjadi secara langsung dengan pembentukan kripton-89. masih tidak stabil terhadap peluruhan sampai diubah menjadi yttrium-89 yang stabil, sehingga kripton-89 meluruh dalam tiga langkah.

Fisi inti uranium: reaksi berantai

Neutron yang dipancarkan dalam reaksi fisi dapat diserap oleh inti induk lain, yang kemudian dengan sendirinya mengalami fisi terinduksi. Dalam kasus uranium-238, tiga neutron yang dihasilkan keluar dengan energi kurang dari 1 MeV (energi yang dilepaskan selama fisi inti uranium - 158 MeV - sebagian besar diubah menjadi energi kinetik dari fragmen fisi ), sehingga mereka tidak dapat menyebabkan fisi lebih lanjut dari nuklida ini. Namun demikian, pada konsentrasi signifikan dari isotop langka 235 U, neutron bebas ini dapat ditangkap oleh inti 235 U, yang memang dapat menyebabkan fisi, karena dalam kasus ini tidak ada ambang energi di bawahnya yang tidak menyebabkan fisi.

Ini adalah prinsip reaksi berantai.

Jenis-jenis reaksi nuklir

Misalkan k adalah jumlah neutron yang dihasilkan dalam sampel bahan fisil pada tahap n dari rantai ini, dibagi dengan jumlah neutron yang dihasilkan pada tahap n - 1. Jumlah ini akan tergantung pada berapa banyak neutron yang dihasilkan pada tahap n - 1 yang diserap oleh nukleus, yang mungkin dipaksa untuk membelah.

jika 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.

Jika k > 1, maka reaksi berantai akan berkembang sampai semua bahan fisil telah digunakan, hal ini dicapai dengan pengayaan bijih alam untuk mendapatkan konsentrasi uranium-235 yang cukup besar. Untuk sampel bola, nilai k meningkat dengan peningkatan probabilitas penyerapan neutron, yang tergantung pada jari-jari bola. Oleh karena itu, massa U harus melebihi jumlah tertentu agar pembelahan inti uranium (reaksi berantai) dapat terjadi.

Jika k = 1, maka reaksi terkontrol berlangsung. Ini digunakan dalam reaktor nuklir. Prosesnya dikendalikan dengan mendistribusikan batang kadmium atau boron di antara uranium, yang menyerap sebagian besar neutron (elemen ini memiliki kemampuan untuk menangkap neutron). Fisi inti uranium dikendalikan secara otomatis dengan menggerakkan batang sedemikian rupa sehingga nilai k tetap sama dengan satu.

Fisi inti uranium dengan membombardirnya dengan neutron ditemukan pada tahun 1939 oleh ilmuwan Jerman Otto Hahn dan Fritz Strassmann.

Otto Hahn (1879-1968)
Fisikawan Jerman, ilmuwan perintis di bidang radiokimia. Menemukan fisi uranium, sejumlah elemen radioaktif

Fritz Strassmann (1902-1980)
Fisikawan dan kimiawan Jerman. Karya-karyanya berhubungan dengan kimia nuklir, fisi nuklir. Memberikan bukti kimia untuk proses fisi

Mari kita pertimbangkan mekanisme fenomena ini. Gambar 162, secara konvensional menggambarkan inti atom uranium. Setelah menyerap neutron ekstra, nukleus tereksitasi dan berubah bentuk, memperoleh bentuk memanjang (Gbr. 162, b).

Beras. 162. Proses fisi inti uranium di bawah pengaruh neutron yang jatuh ke dalamnya

Anda telah mengetahui bahwa dua jenis gaya bekerja dalam inti: gaya tolak elektrostatik antara proton, yang cenderung memecah inti, dan gaya tarik inti antara semua nukleon, yang menyebabkan inti tidak meluruh. Tetapi gaya nuklir adalah jarak pendek, oleh karena itu, dalam inti yang memanjang, mereka tidak dapat lagi menahan bagian-bagian inti yang sangat jauh satu sama lain. Di bawah aksi gaya tolak elektrostatik, nukleus terbelah menjadi dua bagian (Gbr. 162, c), yang menyebar ke arah yang berbeda dengan kecepatan tinggi dan memancarkan 2-3 neutron.

Ternyata sebagian energi internal inti diubah menjadi energi kinetik pecahan dan partikel terbang. Fragmen diperlambat dengan cepat di lingkungan, akibatnya energi kinetiknya diubah menjadi energi internal medium (yaitu, menjadi energi interaksi dan gerakan termal partikel penyusunnya).

Dengan fisi simultan dari sejumlah besar inti uranium, energi internal medium di sekitar uranium dan, karenanya, suhunya meningkat secara nyata (yaitu, medium memanas).

Dengan demikian, reaksi fisi inti uranium berjalan dengan pelepasan energi ke lingkungan.

Energi yang terkandung dalam inti atom sangat besar. Misalnya, dengan fisi lengkap semua inti yang ada dalam 1 g uranium, jumlah energi yang sama akan dilepaskan seperti yang dilepaskan selama pembakaran 2,5 ton minyak. Untuk mengubah energi internal inti atom menjadi energi listrik, pembangkit listrik tenaga nuklir menggunakan apa yang disebut reaksi berantai fisi nuklir.

Mari kita perhatikan mekanisme reaksi berantai dari fisi nuklir isotop uranium. Inti atom uranium (Gbr. 163) akibat penangkapan satu neutron terbagi menjadi dua bagian, sekaligus memancarkan tiga neutron. Dua dari neutron ini menyebabkan reaksi fisi dua inti lagi, sehingga menghasilkan empat neutron. Ini, pada gilirannya, menyebabkan pembelahan empat inti, setelah itu sembilan neutron terbentuk, dll.

Reaksi berantai dimungkinkan karena fakta bahwa selama pembelahan setiap inti, 2-3 neutron terbentuk, yang dapat mengambil bagian dalam pembelahan inti lain.

Gambar 163 menunjukkan diagram reaksi berantai di mana jumlah total neutron bebas dalam sepotong uranium meningkat seperti longsoran salju seiring waktu. Sejalan dengan itu, jumlah fisi nuklir dan energi yang dilepaskan per satuan waktu meningkat tajam. Oleh karena itu, reaksi semacam itu bersifat eksplosif (terjadi dalam bom atom).

Beras. 163. Reaksi berantai fisi inti uranium

Pilihan lain dimungkinkan, di mana jumlah neutron bebas berkurang seiring waktu. Dalam hal ini, reaksi berantai berhenti. Oleh karena itu, reaksi seperti itu juga tidak dapat digunakan untuk menghasilkan listrik.

Untuk tujuan damai, adalah mungkin untuk menggunakan energi hanya dari reaksi berantai di mana jumlah neutron tidak berubah dari waktu ke waktu.

Bagaimana memastikan bahwa jumlah neutron tetap konstan sepanjang waktu? Untuk mengatasi masalah ini, Anda perlu mengetahui faktor-faktor apa yang mempengaruhi kenaikan dan penurunan jumlah total neutron bebas dalam sepotong uranium di mana reaksi berantai terjadi.

Salah satu faktor tersebut adalah massa uranium. Faktanya adalah bahwa tidak setiap neutron yang dipancarkan selama fisi nuklir menyebabkan fisi inti lainnya (lihat Gambar 163). Jika massa (dan, karenanya, ukuran) sepotong uranium terlalu kecil, maka banyak neutron akan terbang keluar darinya, tidak punya waktu untuk bertemu dengan nukleus dalam perjalanan mereka, menyebabkan fisi dan dengan demikian menghasilkan generasi baru. neutron yang diperlukan untuk melanjutkan reaksi. Dalam hal ini, reaksi berantai akan berhenti. Agar reaksi berlanjut, perlu untuk meningkatkan massa uranium ke nilai tertentu, yang disebut kritis.

Mengapa reaksi berantai menjadi mungkin dengan peningkatan massa? Semakin besar massa sepotong, semakin besar dimensinya dan semakin panjang jalur yang dilalui neutron di dalamnya. Dalam hal ini, kemungkinan neutron bertemu inti meningkat. Dengan demikian, jumlah fisi nuklir dan jumlah neutron yang dipancarkan meningkat.

Pada massa kritis uranium, jumlah neutron yang muncul selama fisi inti menjadi sama dengan jumlah neutron yang hilang (yaitu, ditangkap oleh inti tanpa fisi dan terbang keluar dari potongan).

Oleh karena itu, jumlah total mereka tetap tidak berubah. Dalam hal ini, reaksi berantai dapat berlangsung lama, tanpa henti dan tanpa memperoleh sifat eksplosif.

• Massa terkecil uranium yang memungkinkan terjadinya reaksi berantai disebut massa kritis.

Jika massa uranium lebih dari kritis, maka sebagai akibat dari peningkatan tajam jumlah neutron bebas, reaksi berantai menyebabkan ledakan, dan jika kurang dari kritis, maka reaksi tidak berlangsung karena kekurangan neutron bebas.

Dimungkinkan untuk mengurangi hilangnya neutron (yang terbang keluar dari uranium tanpa bereaksi dengan inti) tidak hanya dengan meningkatkan massa uranium, tetapi juga dengan menggunakan cangkang reflektif khusus. Untuk melakukan ini, sepotong uranium ditempatkan dalam cangkang yang terbuat dari zat yang memantulkan neutron dengan baik (misalnya, berilium). Tercermin dari cangkang ini, neutron kembali ke uranium dan dapat mengambil bagian dalam fisi nuklir.

Ada beberapa faktor lain yang menjadi dasar kemungkinan terjadinya reaksi berantai. Misalnya, jika sepotong uranium mengandung terlalu banyak pengotor unsur kimia lain, maka mereka menyerap sebagian besar neutron dan reaksi berhenti.

Kehadiran moderator neutron yang disebut dalam uranium juga mempengaruhi jalannya reaksi. Faktanya adalah bahwa inti uranium-235 kemungkinan besar akan mengalami fisi di bawah aksi neutron lambat. Fisi nuklir menghasilkan neutron cepat. Jika neutron cepat diperlambat, maka sebagian besar akan ditangkap oleh inti uranium-235 dengan fisi berikutnya dari inti tersebut. Zat seperti grafit, air, air berat (termasuk deuterium, isotop hidrogen dengan nomor massa 2), dan beberapa lainnya digunakan sebagai moderator. Zat-zat ini hanya memperlambat neutron, hampir tanpa menyerapnya.

Dengan demikian, kemungkinan reaksi berantai ditentukan oleh massa uranium, jumlah pengotor di dalamnya, keberadaan cangkang dan moderator, dan beberapa faktor lainnya.

Massa kritis dari sepotong bola uranium-235 adalah sekitar 50 kg. Apalagi radiusnya hanya 9 cm, karena uranium memiliki kerapatan yang sangat tinggi.

Dengan menggunakan moderator dan cangkang reflektif dan mengurangi jumlah pengotor, dimungkinkan untuk mengurangi massa kritis uranium menjadi 0,8 kg.

pertanyaan

1. Mengapa fisi nuklir dapat dimulai hanya ketika terdeformasi di bawah aksi neutron yang diserap?
2. Apa yang terbentuk sebagai hasil dari fisi nuklir?
3. Dalam energi apa sebagian energi internal nukleus lewat selama pembelahannya; energi kinetik fragmen inti uranium selama perlambatan mereka di lingkungan?
4. Bagaimana reaksi fisi inti uranium berlangsung - dengan pelepasan energi ke lingkungan atau, sebaliknya, dengan penyerapan energi?
5. Jelaskan mekanisme reaksi berantai menggunakan Gambar 163.
6. Berapa massa kritis uranium?
7. Apakah mungkin terjadi reaksi berantai jika massa uranium lebih kecil dari massa kritisnya; lebih kritis? Mengapa?

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 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

Fisi inti uranium ditemukan pada tahun 1938 oleh ilmuwan Jerman O. Hahn dan F. Strassmann. Mereka berhasil menetapkan bahwa ketika membombardir inti uranium dengan neutron, unsur-unsur dari bagian tengah sistem periodik terbentuk: barium, kripton, dll. Fisikawan Austria L. Meitner dan fisikawan Inggris O. Frisch memberikan interpretasi yang benar tentang fakta ini . Mereka menjelaskan kemunculan unsur-unsur ini dengan peluruhan inti uranium, yang menangkap neutron, menjadi dua bagian yang kira-kira sama. Fenomena ini disebut fisi nuklir, dan inti yang dihasilkan disebut fragmen fisi.

Lihat juga

1. Vasiliev, A. Fisi uranium: dari Klaproth ke Gan, Kvant. - 2001. - No. 4. - S. 20-21.30.

Jatuhkan model nukleus

Reaksi fisi ini dapat dijelaskan berdasarkan model jatuhnya inti. Dalam model ini, nukleus dianggap sebagai setetes cairan tak termampatkan bermuatan listrik. Selain gaya nuklir yang bekerja di antara semua nukleon nukleus, proton mengalami tolakan elektrostatik tambahan, karena itu mereka terletak di pinggiran nukleus. Dalam keadaan tidak tereksitasi, gaya tolakan elektrostatik dikompensasi, sehingga nukleus memiliki bentuk bola (Gbr. 1a).

Setelah penangkapan oleh nukleus \(~^(235)_(92)U\) neutron, sebuah inti antara \(~(^(236)_(92)U)^*\) terbentuk, yaitu dalam keadaan tereksitasi. Dalam hal ini, energi neutron didistribusikan secara merata di antara semua nukleon, dan nukleus perantara itu sendiri berubah bentuk dan mulai berosilasi. Jika eksitasinya kecil, maka nukleus (Gbr. 1, b), membebaskan dirinya dari energi berlebih dengan memancarkan γ -kuantum atau neutron, kembali ke keadaan stabil. Jika energi eksitasi cukup tinggi, maka deformasi inti selama getaran bisa sangat besar sehingga penyempitan terbentuk di dalamnya (Gbr. 1c), mirip dengan penyempitan antara dua bagian tetesan cairan yang membelah. Gaya nuklir yang bekerja di pinggang yang sempit tidak dapat lagi menahan gaya tolakan Coulomb yang signifikan dari bagian-bagian inti. Penyempitan pecah, dan nukleus pecah menjadi dua "fragmen" (Gbr. 1d), yang menyebar ke arah yang berlawanan.

uran.swf Flash: Uranium Fission Perbesar Flash Pic. 2.

Saat ini, sekitar 100 isotop berbeda dengan nomor massa sekitar 90 hingga 145 diketahui, yang muncul dari fisi inti ini. Dua reaksi fisi khas dari nukleus ini memiliki bentuk:

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

Perhatikan bahwa sebagai akibat dari fisi nuklir yang diprakarsai oleh neutron, neutron baru dihasilkan yang dapat menyebabkan reaksi fisi di inti lain. Produk fisi inti uranium-235 juga dapat berupa isotop barium, xenon, strontium, rubidium, dll.

Selama pembelahan inti atom berat (\(~^(235)_(92)U\)) energi yang sangat besar dilepaskan - sekitar 200 MeV selama pembelahan setiap inti. Sekitar 80% dari energi ini dilepaskan dalam bentuk energi kinetik fragmen; 20% sisanya diperhitungkan oleh energi radiasi radioaktif fragmen dan energi kinetik neutron cepat.

Energi yang dilepaskan selama fisi nuklir dapat diperkirakan dengan menggunakan energi ikat spesifik nukleon dalam nukleus. Energi ikat spesifik nukleon dalam inti dengan nomor massa A 240 orde 7,6 MeV/nukleon, sedangkan dalam inti bernomor massa A= 90 – 145 energi spesifik kira-kira sama dengan 8,5 MeV/nukleon. Oleh karena itu, pembelahan inti uranium melepaskan energi orde 0,9 MeV/nukleon, atau sekitar 210 MeV per atom uranium. Dengan fisi lengkap semua inti yang terkandung dalam 1 g uranium, energi yang sama dilepaskan seperti selama pembakaran 3 ton batu bara atau 2,5 ton minyak.

Lihat juga

1. Varlamov A.A. Jatuhkan model nukleus // Kvant. - 1986. - No. 5. - S. 23-24

Reaksi berantai

Reaksi berantai- reaksi nuklir di mana partikel yang menyebabkan reaksi terbentuk sebagai produk dari reaksi ini.

Dalam fisi inti uranium-235, yang disebabkan oleh tumbukan dengan neutron, 2 atau 3 neutron dilepaskan. Dalam kondisi yang menguntungkan, neutron ini dapat menabrak inti uranium lainnya dan menyebabkan mereka fisi. Pada tahap ini, 4 hingga 9 neutron sudah akan muncul, yang mampu menyebabkan peluruhan baru inti uranium, dll. Proses seperti longsoran semacam itu disebut reaksi berantai. Skema untuk pengembangan reaksi berantai fisi inti uranium ditunjukkan pada gambar. 3.

reaksi.swf Flash: reaksi berantai Perbesar Flash Pic. 4.

Uranium terdapat di alam dalam bentuk dua isotop \[~^(238)_(92)U\] (99,3%) dan \(~^(235)_(92)U\) (0,7%). Ketika dibombardir oleh neutron, inti kedua isotop dapat terpecah menjadi dua fragmen. Dalam hal ini, reaksi fisi \(~^(235)_(92)U\) berlangsung paling intensif pada neutron lambat (termal), sedangkan inti \(~^(238)_(92)U\) masuk ke reaksi fisi hanya dengan neutron cepat dengan energi orde 1 MeV. Jika tidak, energi eksitasi dari inti yang dihasilkan \(~^(239)_(92)U\) tidak cukup untuk fisi, dan kemudian alih-alih fisi, reaksi nuklir terjadi:

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

Isotop uranium \(~^(238)_(92)U\) β -radioaktif, waktu paruh 23 menit. Isotop neptunium \(~^(239)_(93)Np\) juga bersifat radioaktif, dengan waktu paruh sekitar 2 hari.

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

Isotop plutonium \(~^(239)_(94)Np\) relatif stabil, dengan waktu paruh 24.000 tahun. Sifat paling penting dari plutonium adalah ia membelah di bawah pengaruh neutron dengan cara yang sama seperti \(~^(235)_(92)U\). Oleh karena itu, dengan bantuan \(~^(239)_(94)Np\) reaksi berantai dapat dilakukan.

Skema reaksi berantai yang dibahas di atas adalah kasus yang ideal. Dalam kondisi nyata, tidak semua neutron yang dihasilkan selama fisi berpartisipasi dalam fisi inti lain. Beberapa dari mereka ditangkap oleh inti atom asing non-fisil, yang lain terbang keluar dari uranium (kebocoran neutron).

Oleh karena itu, reaksi berantai fisi inti berat tidak selalu terjadi dan tidak untuk setiap massa uranium.

Faktor perkalian neutron

Perkembangan reaksi berantai ditandai dengan apa yang disebut faktor perkalian neutron Ke, yang diukur dengan perbandingan bilangan N i neutron yang menyebabkan pembelahan inti materi pada salah satu tahap reaksi, ke nomor N i-1 neutron yang menyebabkan fisi pada tahap reaksi sebelumnya:

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

Faktor perkalian tergantung pada sejumlah faktor, khususnya, pada sifat dan jumlah bahan fisil, dan pada bentuk geometris volume yang ditempatinya. Jumlah yang sama dari suatu zat memiliki nilai yang berbeda Ke. Ke maksimum jika zat memiliki bentuk bola, karena dalam hal ini hilangnya neutron cepat melalui permukaan akan menjadi yang terkecil.

Massa bahan fisil di mana reaksi berantai berlangsung dengan faktor perkalian Ke= 1 disebut massa kritis. Dalam potongan-potongan kecil uranium, sebagian besar neutron, tanpa menabrak inti apa pun, terbang keluar.

Nilai massa kritis ditentukan oleh geometri sistem fisik, strukturnya dan lingkungan eksternal. Jadi, untuk sebuah bola uranium murni \(~^(235)_(92)U\) massa kritisnya adalah 47 kg (sebuah bola dengan diameter 17 cm). Massa kritis uranium dapat dikurangi berkali-kali dengan menggunakan apa yang disebut moderator neutron. Faktanya adalah bahwa neutron yang dihasilkan selama peluruhan inti uranium memiliki kecepatan yang terlalu tinggi, dan kemungkinan penangkapan neutron lambat oleh inti uranium-235 ratusan kali lebih besar daripada yang cepat. Moderator neutron terbaik adalah air berat D 2 O. Saat berinteraksi dengan neutron, air biasa sendiri berubah menjadi air berat.

Moderator yang baik juga adalah grafit, yang intinya tidak menyerap neutron. Setelah interaksi elastis dengan deuterium atau inti karbon, neutron diperlambat ke kecepatan termal.

Penggunaan moderator neutron dan cangkang berilium khusus yang memantulkan neutron memungkinkan pengurangan massa kritis hingga 250 g.

Dengan faktor perkalian Ke= 1 jumlah inti fisil dipertahankan pada tingkat yang konstan. Mode ini disediakan di reaktor nuklir.

Jika massa bahan bakar nuklir lebih kecil dari massa kritis, maka faktor perkaliannya Ke < 1; каждое новое поколение вызывает все меньшее и меньшее число делений, и реакция без внешнего источника нейтронов быстро затухает.

Jika massa bahan bakar nuklir lebih besar dari yang kritis, maka faktor perkaliannya Ke> 1 dan setiap generasi baru neutron menyebabkan peningkatan jumlah fisi. Reaksi berantai tumbuh seperti longsoran salju dan bersifat ledakan, disertai dengan pelepasan energi yang sangat besar dan peningkatan suhu lingkungan hingga beberapa juta derajat. Reaksi berantai semacam ini terjadi ketika sebuah bom atom meledak.

Bom nuklir

Dalam keadaan normal, bom nuklir tidak meledak karena muatan nuklir di dalamnya dibagi menjadi beberapa bagian kecil oleh partisi yang menyerap produk peluruhan uranium - neutron. Reaksi berantai nuklir yang menyebabkan ledakan nuklir tidak dapat dipertahankan dalam kondisi seperti itu. Namun, jika fragmen muatan nuklir dihubungkan bersama, maka massa totalnya akan cukup untuk memulai reaksi berantai fisi uranium. Hasilnya adalah ledakan nuklir. Pada saat yang sama, kekuatan ledakan yang dikembangkan oleh bom nuklir yang relatif kecil setara dengan kekuatan yang dilepaskan selama ledakan jutaan dan miliaran ton TNT.

Beras. 5. Bom atom