A fissão nuclear é a divisão de um átomo pesado em dois fragmentos de massa aproximadamente igual, acompanhada pela liberação de uma grande quantidade de energia.

A descoberta da fissão nuclear iniciou uma nova era - a "era atômica". O potencial de seu possível uso e a relação de risco para se beneficiar de seu uso geraram não apenas muitas conquistas sociológicas, políticas, econômicas e científicas, mas também sérios problemas. Mesmo do ponto de vista puramente científico, o processo de fissão nuclear criou um grande número de quebra-cabeças e complicações, e sua explicação teórica completa é uma questão de futuro.

Compartilhar é lucrativo

As energias de ligação (por núcleon) diferem para diferentes núcleos. Os mais pesados ​​têm energias de ligação mais baixas do que os localizados no meio da tabela periódica.

Isso significa que para núcleos pesados ​​com número atômico maior que 100, é vantajoso dividir em dois fragmentos menores, liberando assim energia, que é convertida em energia cinética dos fragmentos. Esse processo é chamado de divisão

De acordo com a curva de estabilidade, que mostra a dependência do número de prótons do número de nêutrons para nuclídeos estáveis, núcleos mais pesados ​​preferem mais nêutrons (comparado ao número de prótons) do que os mais leves. Isso sugere que, juntamente com o processo de divisão, alguns nêutrons "sobressalentes" serão emitidos. Além disso, eles também absorverão parte da energia liberada. O estudo da fissão nuclear do átomo de urânio mostrou que 3-4 nêutrons são liberados: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

O número atômico (e massa atômica) do fragmento não é igual à metade da massa atômica do pai. A diferença entre as massas dos átomos formados como resultado da divisão é geralmente de cerca de 50. É verdade que a razão para isso ainda não está totalmente clara.

As energias de ligação de 238 U, 145 La e 90 Br são 1803, 1198 e 763 MeV, respectivamente. Isso significa que, como resultado dessa reação, a energia de fissão do núcleo de urânio é liberada, igual a 1198 + 763-1803 = 158 MeV.

Divisão espontânea

Os processos de divisão espontânea são conhecidos na natureza, mas são muito raros. O tempo médio de vida deste processo é de cerca de 10 17 anos e, por exemplo, o tempo médio de vida do decaimento alfa do mesmo radionuclídeo é de cerca de 10 11 anos.

A razão para isso é que, para se dividir em duas partes, o núcleo deve primeiro ser deformado (esticado) em uma forma elipsoidal e, então, antes de finalmente se dividir em dois fragmentos, formar um “pescoço” no meio.

Barreira Potencial

No estado deformado, duas forças atuam no núcleo. Uma é o aumento da energia superficial (a tensão superficial de uma gota líquida explica sua forma esférica), e a outra é a repulsão de Coulomb entre fragmentos de fissão. Juntos, eles produzem uma barreira potencial.

Como no caso do decaimento alfa, para que ocorra a fissão espontânea do núcleo do átomo de urânio, os fragmentos devem superar essa barreira usando tunelamento quântico. A barreira é de cerca de 6 MeV, como no caso do decaimento alfa, mas a probabilidade de tunelamento de uma partícula alfa é muito maior do que a de um produto de fissão de átomo muito mais pesado.

divisão forçada

Muito mais provável é a fissão induzida do núcleo de urânio. Neste caso, o núcleo pai é irradiado com nêutrons. Se o pai o absorve, eles se ligam, liberando energia de ligação na forma de energia vibracional que pode exceder os 6 MeV necessários para superar a barreira de potencial.

Onde a energia do nêutron adicional é insuficiente para superar a barreira de potencial, o nêutron incidente deve ter uma energia cinética mínima para poder induzir a divisão de um átomo. No caso de 238 U, a energia de ligação de nêutrons adicionais é cerca de 1 MeV curta. Isso significa que a fissão do núcleo de urânio é induzida apenas por um nêutron com energia cinética superior a 1 MeV. Por outro lado, o isótopo 235 U tem um nêutron desemparelhado. Quando o núcleo absorve um núcleo adicional, ele forma um par com ele e, como resultado desse emparelhamento, surge uma energia de ligação adicional. Isso é suficiente para liberar a quantidade de energia necessária para o núcleo superar a barreira de potencial e a fissão do isótopo ocorre na colisão com qualquer nêutron.

decaimento beta

Embora a reação de fissão emita três ou quatro nêutrons, os fragmentos ainda contêm mais nêutrons do que suas isóbaras estáveis. Isso significa que os fragmentos de clivagem são geralmente instáveis ​​contra o decaimento beta.

Por exemplo, quando o urânio 238 U é fissionado, o isóbaro estável com A = 145 é o neodímio 145 Nd, o que significa que o fragmento de lantânio 145 La decai em três etapas, cada vez emitindo um elétron e um antineutrino, até que um nuclídeo estável seja formado . O isóbaro estável com A = 90 é o zircônio 90 Zr; portanto, o fragmento de divisão do bromo 90 Br se decompõe em cinco estágios da cadeia de decaimento β.

Essas cadeias de decaimento beta liberam energia adicional, que é quase toda transportada por elétrons e antineutrinos.

Reações nucleares: fissão de núcleos de urânio

A emissão direta de um nêutron de um nuclídeo com muitos deles para garantir a estabilidade do núcleo é improvável. O ponto aqui é que não há repulsão de Coulomb e, portanto, a energia de superfície tende a manter o nêutron em ligação com o pai. No entanto, isso às vezes acontece. Por exemplo, um fragmento de fissão de 90 Br no primeiro estágio de decaimento beta produz criptônio-90, que pode estar em um estado excitado com energia suficiente para superar a energia de superfície. Nesse caso, a emissão de nêutrons pode ocorrer diretamente com a formação do criptônio-89. ainda instável em relação ao decaimento β até ser convertido em ítrio-89 estável, de modo que o criptônio-89 decai em três etapas.

Fissão de núcleos de urânio: uma reação em cadeia

Os nêutrons emitidos na reação de fissão podem ser absorvidos por outro núcleo pai, que então sofre fissão induzida. No caso do urânio-238, os três nêutrons que são produzidos saem com energias inferiores a 1 MeV (a energia liberada durante a fissão do núcleo de urânio - 158 MeV - é convertida principalmente na energia cinética dos fragmentos de fissão), então eles não podem causar mais fissão deste nuclídeo. No entanto, em uma concentração significativa do raro isótopo de 235 U, esses nêutrons livres podem ser capturados por núcleos de 235 U, o que pode de fato causar fissão, já que neste caso não há limite de energia abaixo do qual a fissão não é induzida.

Este é o princípio de uma reação em cadeia.

Tipos de reações nucleares

Seja k o número de nêutrons produzidos em uma amostra de material físsil no estágio n desta cadeia, dividido pelo número de nêutrons produzidos no estágio n - 1. Este número dependerá de quantos nêutrons produzidos no estágio n - 1 são absorvidos pelo núcleo, que pode ser forçado a se dividir.

Se 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.

Se k > 1, então a reação em cadeia crescerá até que todo o material físsil tenha sido usado, o que é conseguido através do enriquecimento do minério natural para obter uma concentração suficientemente grande de urânio-235. Para uma amostra esférica, o valor de k aumenta com o aumento da probabilidade de absorção de nêutrons, que depende do raio da esfera. Portanto, a massa U deve exceder uma certa quantidade para que ocorra a fissão dos núcleos de urânio (reação em cadeia).

Se k = 1, então ocorre uma reação controlada. Isso é usado em reatores nucleares. O processo é controlado pela distribuição de bastões de cádmio ou boro entre o urânio, que absorvem a maior parte dos nêutrons (esses elementos têm a capacidade de capturar nêutrons). A fissão do núcleo de urânio é controlada automaticamente movendo as hastes de tal forma que o valor de k permanece igual a um.

A fissão de núcleos de urânio bombardeando-os com nêutrons foi descoberta em 1939 pelos cientistas alemães Otto Hahn e Fritz Strassmann.

Otto Hahn (1879-1968)
Físico alemão, cientista pioneiro no campo da radioquímica. Descobriu a fissão do urânio, uma série de elementos radioativos

Fritz Strassmann (1902-1980)
Físico e químico alemão. Os trabalhos dizem respeito à química nuclear, fissão nuclear. Deu prova química ao processo de fissão

Vamos considerar o mecanismo desse fenômeno. A Figura 162 mostra convencionalmente o núcleo de um átomo de urânio. Tendo absorvido um nêutron extra, o núcleo é excitado e deformado, adquirindo uma forma alongada (Fig. 162, b).

Arroz. 162. O processo de fissão de um núcleo de urânio sob a influência de um nêutron que nele caiu

Você já sabe que dois tipos de forças atuam no núcleo: forças eletrostáticas repulsivas entre prótons, que tendem a quebrar o núcleo, e forças nucleares atrativas entre todos os nucleons, devido às quais o núcleo não decai. Mas as forças nucleares são de curto alcance, portanto, em um núcleo alongado, elas não podem mais segurar partes do núcleo que estão muito distantes umas das outras. Sob a ação de forças repulsivas eletrostáticas, o núcleo é dividido em duas partes (Fig. 162, c), que se espalham em diferentes direções com grande velocidade e emitem 2-3 nêutrons.

Acontece que parte da energia interna do núcleo é convertida em energia cinética de fragmentos e partículas voadoras. Os fragmentos são rapidamente desacelerados no ambiente, como resultado, sua energia cinética é convertida em energia interna do meio (ou seja, em energia de interação e movimento térmico de suas partículas constituintes).

Com a fissão simultânea de um grande número de núcleos de urânio, a energia interna do meio que envolve o urânio e, consequentemente, sua temperatura aumentam notavelmente (ou seja, o meio aquece).

Assim, a reação de fissão dos núcleos de urânio acompanha a liberação de energia para o meio ambiente.

A energia contida nos núcleos dos átomos é colossal. Por exemplo, com a fissão completa de todos os núcleos presentes em 1 g de urânio, seria liberada a mesma quantidade de energia que é liberada durante a combustão de 2,5 toneladas de óleo. Para converter a energia interna dos núcleos atômicos em energia elétrica, as usinas nucleares usam os chamados reações em cadeia de fissão nuclear.

Consideremos o mecanismo da reação em cadeia de fissão nuclear do isótopo de urânio. O núcleo do átomo de urânio (Fig. 163) como resultado da captura de um nêutron foi dividido em duas partes, emitindo três nêutrons. Dois desses nêutrons causaram a reação de fissão de mais dois núcleos, produzindo assim quatro nêutrons. Estes, por sua vez, causaram a fissão de quatro núcleos, após o que se formaram nove nêutrons, etc.

Uma reação em cadeia é possível devido ao fato de que durante a fissão de cada núcleo são formados 2-3 nêutrons, que podem participar da fissão de outros núcleos.

A Figura 163 mostra um diagrama de uma reação em cadeia na qual o número total de nêutrons livres em um pedaço de urânio aumenta como uma avalanche com o tempo. Correspondentemente, o número de fissões nucleares e a energia liberada por unidade de tempo aumentam acentuadamente. Portanto, essa reação é explosiva (ocorre em uma bomba atômica).

Arroz. 163. Reação em cadeia de fissão de núcleos de urânio

Outra opção é possível, na qual o número de nêutrons livres diminui com o tempo. Neste caso, a reação em cadeia para. Portanto, essa reação também não pode ser usada para gerar eletricidade.

Para fins pacíficos, é possível usar a energia apenas de uma reação em cadeia na qual o número de nêutrons não muda ao longo do tempo.

Como garantir que o número de nêutrons permaneça constante o tempo todo? Para resolver esse problema, você precisa saber quais fatores afetam o aumento e a diminuição do número total de nêutrons livres em um pedaço de urânio no qual ocorre uma reação em cadeia.

Um desses fatores é a massa de urânio. O fato é que nem todo nêutron emitido durante a fissão nuclear causa a fissão de outros núcleos (veja a Fig. 163). Se a massa (e, portanto, o tamanho) de um pedaço de urânio for muito pequena, muitos nêutrons sairão dele, não tendo tempo de encontrar o núcleo em seu caminho, causar sua fissão e, assim, gerar uma nova geração de urânio. nêutrons necessários para continuar a reação. Nesse caso, a reação em cadeia será interrompida. Para que a reação continue, é necessário aumentar a massa de urânio até um certo valor, chamado crítico.

Por que uma reação em cadeia se torna possível com o aumento da massa? Quanto maior a massa de uma peça, maiores suas dimensões e mais longo o caminho que os nêutrons percorrem nela. Nesse caso, a probabilidade de nêutrons encontrarem núcleos aumenta. Assim, o número de fissões nucleares e o número de nêutrons emitidos aumentam.

Em uma massa crítica de urânio, o número de nêutrons produzidos durante a fissão nuclear torna-se igual ao número de nêutrons perdidos (ou seja, capturados por núcleos sem fissão e escapando da peça).

Portanto, seu número total permanece inalterado. Nesse caso, a reação em cadeia pode continuar por muito tempo, sem parar e sem adquirir um caráter explosivo.

• A menor massa de urânio na qual uma reação em cadeia é possível é chamada de massa crítica.

Se a massa de urânio for mais do que crítica, como resultado de um aumento acentuado no número de nêutrons livres, a reação em cadeia leva a uma explosão e, se for menos do que crítica, a reação não ocorre devido a um falta de nêutrons livres.

É possível reduzir a perda de nêutrons (que saem do urânio sem reagir com os núcleos) não apenas aumentando a massa do urânio, mas também usando uma concha refletiva especial. Para fazer isso, um pedaço de urânio é colocado em uma concha feita de uma substância que reflete bem os nêutrons (por exemplo, berílio). Refletidos dessa concha, os nêutrons retornam ao urânio e podem participar da fissão nuclear.

Existem vários outros fatores dos quais depende a possibilidade de uma reação em cadeia. Por exemplo, se um pedaço de urânio contém muitas impurezas de outros elementos químicos, eles absorvem a maioria dos nêutrons e a reação é interrompida.

A presença do chamado moderador de nêutrons no urânio também afeta o curso da reação. O fato é que os núcleos de urânio-235 são mais propensos à fissão sob a ação de nêutrons lentos. A fissão nuclear produz nêutrons rápidos. Se os nêutrons rápidos forem desacelerados, a maioria deles será capturada por núcleos de urânio-235 com subsequente fissão desses núcleos. Substâncias como grafite, água, água pesada (que inclui deutério, um isótopo de hidrogênio com número de massa 2) e algumas outras são usadas como moderadores. Essas substâncias apenas desaceleram os nêutrons, quase sem absorvê-los.

Assim, a possibilidade de uma reação em cadeia é determinada pela massa de urânio, a quantidade de impurezas nele, a presença de uma concha e um moderador e alguns outros fatores.

A massa crítica de uma peça esférica de urânio-235 é de aproximadamente 50 kg. Além disso, seu raio é de apenas 9 cm, já que o urânio tem uma densidade muito alta.

Usando um moderador e uma concha refletiva e reduzindo a quantidade de impurezas, é possível reduzir a massa crítica de urânio para 0,8 kg.

Perguntas

1. Por que a fissão nuclear pode começar apenas quando é deformada sob a ação do nêutron absorvido?
2. O que é formado como resultado da fissão nuclear?
3. Em que energia passa uma parte da energia interna do núcleo durante sua fissão; energia cinética de fragmentos do núcleo de urânio durante sua desaceleração no ambiente?
4. Como ocorre a reação de fissão dos núcleos de urânio - com a liberação de energia no meio ambiente ou, inversamente, com a absorção de energia?
5. Descreva o mecanismo de uma reação em cadeia usando a Figura 163.
6. Qual é a massa crítica do urânio?
7. É possível que ocorra uma reação em cadeia se a massa de urânio for menor que a crítica; mais crítico? Por quê?

A energia E liberada durante a fissão aumenta com o aumento de Z 2 /A. O valor de Z 2 /A = 17 para 89 Y (ítrio). Aqueles. a fissão é energeticamente favorável para todos os núcleos mais pesados ​​que o ítrio. Por que a maioria dos núcleos são resistentes à fissão espontânea? Para responder a esta pergunta, é necessário considerar o mecanismo de divisão.

Durante a fissão, a forma do núcleo muda. O núcleo passa sequencialmente pelas seguintes etapas (Fig. 7.1): uma bola, um elipsóide, um haltere, dois fragmentos em forma de pêra, dois fragmentos esféricos. Como a energia potencial do núcleo muda em diferentes estágios da fissão?
Núcleo inicial com ampliação r toma a forma de um elipsóide de revolução cada vez mais alongado. Neste caso, devido à evolução da forma do núcleo, a mudança em sua energia potencial é determinada pela mudança na soma das energias de superfície e Coulomb E p + E k. Neste caso, a energia de superfície aumenta, uma vez que a área de superfície do núcleo aumenta. A energia de Coulomb diminui à medida que a distância média entre os prótons aumenta. Se, com uma leve deformação, caracterizada por um pequeno parâmetro , o núcleo inicial toma a forma de um elipsóide axialmente simétrico, a energia superficial E"p e a energia Coulombiana E"k em função do parâmetro de deformação mudam da seguinte forma:

Em proporções (7,4-7,5) E n e E k são as energias de superfície e de Coulomb do núcleo inicial esfericamente simétrico.
Na região de núcleos pesados, 2E n > Ek, e a soma das energias de superfície e de Coulomb aumenta com o aumento de . Segue de (7.4) e (7.5) que em pequenas deformações, um aumento na energia de superfície impede uma mudança adicional na forma do núcleo e, conseqüentemente, a fissão.
A relação (7.5) é válida para pequenas deformações. Se a deformação é tão grande que o núcleo toma a forma de um haltere, então a superfície e as forças de Coulomb tendem a separar o núcleo e dar aos fragmentos uma forma esférica. Assim, com um aumento gradual na deformação do núcleo, sua energia potencial passa por um máximo. O gráfico das energias de superfície e de Coulomb do núcleo em função de r é mostrado na fig. 7.2.

A presença de uma barreira potencial previne a fissão nuclear espontânea instantânea. Para que o núcleo se divida, ele precisa receber energia Q que exceda a altura da barreira de fissão H. A energia potencial máxima de um núcleo físsil E + H (por exemplo, ouro) em dois fragmentos idênticos é ≈ 173 MeV , e a energia E liberada durante a fissão é 132 MeV . Assim, durante a fissão do núcleo de ouro, é necessário ultrapassar uma barreira de potencial com uma altura de cerca de 40 MeV.
A altura da barreira de fissão H é tanto maior quanto menor for a razão entre as energias de Coulomb e de superfície E para /E p no núcleo inicial. Essa razão, por sua vez, aumenta com o aumento do parâmetro de divisão Z 2 /A (7.3). Quanto mais pesado o núcleo, menor a altura da barreira de fissão H, uma vez que o parâmetro de fissão, sob a suposição de que Z é proporcional a A, aumenta com o aumento do número de massa:

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

(7.6)

Portanto, núcleos mais pesados ​​geralmente precisam ser fornecidos com menos energia para causar fissão nuclear.
A altura da barreira de fissão desaparece em 2E p – Ec = 0 (7,5). Nesse caso

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

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

Assim, de acordo com o modelo de gota, núcleos com Z 2 /A > 49 não podem existir na natureza, pois devem se dividir espontaneamente em dois fragmentos quase instantaneamente em um tempo nuclear característico da ordem de 10-22 s. As dependências da forma e altura da barreira de potencial H, bem como da energia de fissão, no valor do parâmetro Z 2 /A são mostradas nas Figs. 7.3.

Arroz. 7.3. Dependência radial da forma e altura da barreira de potencial e da energia de fissão E em vários valores do parâmetro Z 2 /A. O valor de E p + E k é plotado no eixo vertical.

Fissão nuclear espontânea com 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 anos para 232 Th a 0,3 s para 260 Rf.
Fissão nuclear forçada com 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.
O valor mínimo da energia de excitação do núcleo composto E* formado durante a captura de um nêutron é igual à energia de ligação do nêutron neste núcleo ε n . A Tabela 7.1 compara a altura de barreira H e a energia de ligação de nêutrons ε n para isótopos Th, U, Pu formados após a captura de nêutrons. A energia de ligação de um nêutron depende do número de nêutrons no núcleo. Devido à energia de pareamento, a energia de ligação de um nêutron par é maior que a energia de ligação de um nêutron ímpar.

Tabela 7.1

Altura da barreira de fissão H, energia de ligação de nêutrons ε n

Isótopo	Altura da barreira de fissão H, MeV	Isótopo	Energia de ligação de nêutrons ε n
232º	5.9	233º	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

Uma característica da fissão é que os fragmentos, como regra, têm massas diferentes. No caso da fissão mais provável de 235 U, a razão mássica do fragmento é em média ~1,5. A distribuição de massa de fragmentos de fissão de 235 U por nêutrons térmicos é mostrada na Fig. . 7.4. Para a fissão mais provável, um fragmento pesado tem um número de massa de 139, um leve - 95. Entre os produtos de fissão existem fragmentos com A = 72 - 161 e Z = 30 - 65. A probabilidade de fissão em dois fragmentos de massa igual não é igual a zero. Na fissão de 235 U por nêutrons térmicos, a probabilidade de fissão simétrica é aproximadamente três ordens de grandeza menor do que no caso da fissão mais provável em fragmentos com A = 139 e 95.
A fissão assimétrica é explicada pela estrutura da concha do núcleo. O núcleo tende a se dividir de tal forma que a parte principal dos núcleons de cada fragmento forma o núcleo mágico mais estável.
A razão entre o número de nêutrons e o número de prótons no núcleo de 235 U N/Z = 1,55, enquanto para isótopos estáveis ​​com um número de massa próximo ao número de massa de fragmentos, essa razão é 1,25 − 1,45. Consequentemente, os fragmentos de fissão acabam por ser fortemente sobrecarregados com nêutrons e devem ser
β - radioativo. Portanto, os fragmentos de fissão sofrem sucessivos decaimentos β, e a carga do fragmento primário pode mudar de 4 a 6 unidades. Abaixo está uma cadeia característica de decaimentos radioativos de 97 Kr - um dos fragmentos formados durante a fissão de 235 U:

A excitação de fragmentos, causada por uma violação da proporção do número de prótons e nêutrons, que é característica de núcleos estáveis, também é removida devido à emissão de nêutrons de fissão imediatos. Esses nêutrons são emitidos por fragmentos em movimento em um tempo inferior a ~ 10 -14 s. Em média, 2 - 3 nêutrons imediatos são emitidos em cada evento de fissão. Seu espectro de energia é contínuo com um máximo em torno de 1 MeV. A energia média de um nêutron imediato é próxima de 2 MeV. A emissão de mais de um nêutron em cada evento de fissão possibilita a obtenção de energia por meio de uma reação em cadeia de fissão nuclear.
Na fissão mais provável de 235 U por nêutrons térmicos, um fragmento leve (A = 95) adquire uma energia cinética de ≈ 100 MeV, e um pesado (A = 139) adquire cerca de 67 MeV. Assim, a energia cinética total dos fragmentos é ≈ 167 MeV. A energia total de fissão neste caso é de 200 MeV. Assim, a energia restante (33 MeV) é distribuída entre outros produtos de fissão (nêutrons, elétrons e antineutrinos de β - decaimento de fragmentos, radiação γ de fragmentos e seus produtos de decaimento). A distribuição da energia de fissão entre os diferentes produtos durante a fissão de 235 U por nêutrons térmicos é dada na Tabela 7.2.

Tabela 7.2

Distribuição de energia de fissão 235 U nêutrons térmicos

Os produtos de fissão nuclear (NFs) são uma mistura complexa de mais de 200 isótopos radioativos de 36 elementos (do zinco ao gadolínio). A maior parte da atividade é composta por radionuclídeos de vida curta. Assim, após 7, 49 e 343 dias após a explosão, a atividade dos PNDs diminui em 10, 100 e 1000 vezes, respectivamente, em comparação com a atividade de uma hora após a explosão. O rendimento dos radionuclídeos biologicamente mais significativos é dado na Tabela 7.3. Além do PND, a contaminação radioativa é causada por radionuclídeos de atividade induzida (3 H, 14 C, 28 Al, 24 Na, 56 Mn, 59 Fe, 60 Co, etc.) e a parte indivisa de urânio e plutônio. O papel da atividade induzida em explosões termonucleares é especialmente grande.

Tabela 7.3

Liberação de alguns produtos de fissão em uma explosão nuclear

Radionuclídeo	Meia-vida	Saída por divisão, %	Atividade por 1 Mt, 10 15 Bq
89Sr	50,5 dias	2.56	590
90Sr	29,12 anos	3.5	3.9
95 Zr	65 dias	5.07	920
103 Ru	41 dias	5.2	1500
106 Ru	365 dias	2.44	78
131 eu	8,05 dias	2.9	4200
136Cs	13,2 dias	0.036	32
137Cs	30 anos	5.57	5.9
140 Ba	12,8 dias	5.18	4700
141Cs	32,5 dias	4.58	1600
144Cs	288 dias	4.69	190
3H	12,3 anos	0.01	2,6 10 -2

Durante explosões nucleares na atmosfera, uma parte significativa da precipitação (até 50% em explosões terrestres) cai perto da área de teste. Parte das substâncias radioativas fica retida na parte inferior da atmosfera e, sob a influência do vento, desloca-se por longas distâncias, permanecendo aproximadamente na mesma latitude. Estando no ar por cerca de um mês, as substâncias radioativas durante esse movimento caem gradualmente para a Terra. A maioria dos radionuclídeos são liberados na estratosfera (até uma altura de 10 a 15 km), onde estão dispersos globalmente e em grande parte decaem.
Vários elementos do projeto de reatores nucleares têm alta atividade há décadas (Tabela 7.4)

Tabela 7.4

Valores específicos de atividade (Bq/t urânio) dos principais produtos de fissão em elementos combustíveis retirados do reator após três anos de operação

Radionuclídeo	0	1 dia	120 dias	1 ano		10 anos
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 eu	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
143h	6. 77· 10 16	6. 70· 10 16	1. 65· 10 14	6. 11· 10 8
147h	7. 05 10 15	7. 05· 10 15	6. 78· 10 15	5. 68· 10 15	3. 35· 10 14

A fissão de núcleos de urânio foi descoberta em 1938 pelos cientistas alemães O. Hahn e F. Strassmann. Eles conseguiram estabelecer que, ao bombardear núcleos de urânio com nêutrons, são formados elementos da parte média do sistema periódico: bário, criptônio, etc. O físico austríaco L. Meitner e o físico inglês O. Frisch deram a interpretação correta desse fato . Eles explicaram o aparecimento desses elementos pelo decaimento dos núcleos de urânio, que capturou um nêutron, em duas partes aproximadamente iguais. Esse fenômeno é chamado de fissão nuclear, e os núcleos resultantes são chamados de fragmentos de fissão.

Veja também

1. Vasiliev, A. Fissão de urânio: de Klaproth a Gan, Kvant. - 2001. - No. 4. - S. 20-21.30.

Modelo de gota do núcleo

Esta reação de fissão pode ser explicada com base no modelo de gota do núcleo. Neste modelo, o núcleo é considerado como uma gota de um líquido incompressível eletricamente carregado. Além das forças nucleares que atuam entre todos os núcleos do núcleo, os prótons sofrem uma repulsão eletrostática adicional, devido à qual estão localizados na periferia do núcleo. No estado não excitado, as forças de repulsão eletrostática são compensadas, de modo que o núcleo tem uma forma esférica (Fig. 1a).

Após a captura pelo núcleo \(~^(235)_(92)U\) de um nêutron, um núcleo intermediário \(~(^(236)_(92)U)^*\) é formado, que é em estado excitado. Nesse caso, a energia do nêutron é distribuída uniformemente entre todos os núcleons, e o próprio núcleo intermediário é deformado e começa a oscilar. Se a excitação for pequena, então o núcleo (Fig. 1, b), liberando-se do excesso de energia emitindo γ -quântico ou nêutron, retorna a um estado estável. Se a energia de excitação for suficientemente alta, então a deformação do núcleo durante as vibrações pode ser tão grande que uma constrição é formada nele (Fig. 1c), semelhante à constrição entre duas partes de uma gota de líquido se partindo. As forças nucleares que atuam em uma cintura estreita não podem mais resistir à significativa força coulombiana de repulsão de partes do núcleo. A constrição se rompe e o núcleo se desfaz em dois "fragmentos" (Fig. 1d), que se espalham em direções opostas.

uran.swf Flash: Fissão de Urânio Ampliar Flash Pic. 2.

Atualmente, são conhecidos cerca de 100 isótopos diferentes com números de massa de cerca de 90 a 145, decorrentes da fissão deste núcleo. Duas reações de fissão típicas deste núcleo têm a forma:

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

Observe que, como resultado da fissão nuclear iniciada por um nêutron, são produzidos novos nêutrons que podem causar reações de fissão em outros núcleos. Os produtos de fissão de núcleos de urânio-235 também podem ser outros isótopos de bário, xenônio, estrôncio, rubídio, etc.

Durante a fissão de núcleos de átomos pesados ​​(\(~^(235)_(92)U\)) uma energia muito grande é liberada - cerca de 200 MeV durante a fissão de cada núcleo. Cerca de 80% dessa energia é liberada na forma de energia cinética de fragmentos; os 20% restantes são contabilizados pela energia da radiação radioativa dos fragmentos e pela energia cinética dos nêutrons imediatos.

A energia liberada durante a fissão nuclear pode ser estimada usando a energia de ligação específica dos nucleons no núcleo. A energia de ligação específica de nucleons em núcleos com um número de massa UMA≈ 240 da ordem de 7,6 MeV/nucleon, enquanto em núcleos com números de massa UMA= 90 – 145 energia específica é aproximadamente igual a 8,5 MeV/nucleon. Portanto, a fissão de um núcleo de urânio libera uma energia da ordem de 0,9 MeV/núcleon, ou aproximadamente 210 MeV por átomo de urânio. Com a fissão completa de todos os núcleos contidos em 1 g de urânio, é liberada a mesma energia que durante a combustão de 3 toneladas de carvão ou 2,5 toneladas de petróleo.

Veja também

1. Varlamov A.A. Modelo de queda do núcleo // Kvant. - 1986. - Nº 5. - S. 23-24

Reação em cadeia

Reação em cadeia- uma reação nuclear na qual as partículas que causam a reação são formadas como produtos dessa reação.

Na fissão de um núcleo de urânio-235, que é causada por uma colisão com um nêutron, são liberados 2 ou 3 nêutrons. Sob condições favoráveis, esses nêutrons podem atingir outros núcleos de urânio e causar fissão. Nesta fase, já aparecerão de 4 a 9 nêutrons, capazes de causar novos decaimentos de núcleos de urânio, etc. Esse processo tipo avalanche é chamado de reação em cadeia. O esquema para o desenvolvimento de uma reação em cadeia de fissão de núcleos de urânio é mostrado na fig. 3.

reação.swf Flash: reação em cadeia Ampliar Flash Pic. quatro.

O urânio ocorre na natureza na forma de dois isótopos \[~^(238)_(92)U\] (99,3%) e \(~^(235)_(92)U\) (0,7%). Quando bombardeados por nêutrons, os núcleos de ambos os isótopos podem se dividir em dois fragmentos. Neste caso, a reação de fissão \(~^(235)_(92)U\) prossegue mais intensamente em nêutrons lentos (térmicos), enquanto os núcleos \(~^(238)_(92)U\) entram em a fissão da reação apenas com nêutrons rápidos com uma energia da ordem de 1 MeV. Caso contrário, a energia de excitação dos núcleos formados \(~^(239)_(92)U\) é insuficiente para a fissão e, em vez de fissão, ocorrem reações nucleares:

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

Isótopo de urânio \(~^(238)_(92)U\) β -radioativo, meia-vida 23 min. O isótopo de neptúnio \(~^(239)_(93)Np\) também é radioativo, com meia-vida de cerca de 2 dias.

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

O isótopo de plutônio \(~^(239)_(94)Np\) é relativamente estável, com meia-vida de 24.000 anos. A propriedade mais importante do plutônio é que ele é físsil sob a influência de nêutrons da mesma forma que \(~^(235)_(92)U\). Portanto, com a ajuda de \(~^(239)_(94)Np\) uma reação em cadeia pode ser realizada.

O esquema de reação em cadeia discutido acima é um caso ideal. Em condições reais, nem todos os nêutrons produzidos durante a fissão participam da fissão de outros núcleos. Alguns deles são capturados por núcleos não físseis de átomos estranhos, outros voam para fora do urânio (vazamento de nêutrons).

Portanto, a reação em cadeia de fissão de núcleos pesados ​​nem sempre ocorre e nem para qualquer massa de urânio.

Fator de multiplicação de nêutrons

O desenvolvimento de uma reação em cadeia é caracterizado pelo chamado fator de multiplicação de nêutrons Para, que é medido pela razão entre o número N i nêutrons que causam fissão nuclear da matéria em um dos estágios da reação, ao número N i-1 nêutrons que causaram fissão no estágio anterior da reação:

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

O fator de multiplicação depende de vários fatores, em particular, da natureza e quantidade do material cindível e da forma geométrica do volume que ocupa. A mesma quantidade de uma dada substância tem um valor diferente Para. Para máximo se a substância tiver uma forma esférica, pois neste caso a perda de nêutrons imediatos através da superfície será a menor.

A massa de material físsil em que a reação em cadeia prossegue com o fator de multiplicação Para= 1 é chamado de massa crítica. Em pequenos pedaços de urânio, a maioria dos nêutrons, sem atingir nenhum núcleo, sai voando.

O valor da massa crítica é determinado pela geometria do sistema físico, sua estrutura e o ambiente externo. Assim, para uma bola de urânio puro \(~^(235)_(92)U\) a massa crítica é 47 kg (uma bola com um diâmetro de 17 cm). A massa crítica do urânio pode ser reduzida muitas vezes usando os chamados moderadores de nêutrons. O fato é que os nêutrons produzidos durante o decaimento dos núcleos de urânio têm velocidades muito altas, e a probabilidade de captura de nêutrons lentos pelos núcleos de urânio-235 é centenas de vezes maior que a dos rápidos. O melhor moderador de nêutrons é a água pesada D 2 O. Ao interagir com nêutrons, a própria água comum se transforma em água pesada.

Um bom moderador também é o grafite, cujos núcleos não absorvem nêutrons. Após a interação elástica com núcleos de deutério ou carbono, os nêutrons são desacelerados para velocidades térmicas.

O uso de moderadores de nêutrons e uma concha especial de berílio que reflete nêutrons permite reduzir a massa crítica para 250 g.

Com um fator de multiplicação Para= 1 o número de núcleos cindíveis é mantido a um nível constante. Este modo é fornecido em reatores nucleares.

Se a massa do combustível nuclear for menor que a massa crítica, então o fator de multiplicação Para < 1; каждое новое поколение вызывает все меньшее и меньшее число делений, и реакция без внешнего источника нейтронов быстро затухает.

Se a massa do combustível nuclear for maior que a crítica, então o fator de multiplicação Para> 1 e cada nova geração de nêutrons causa um número crescente de fissões. A reação em cadeia cresce como uma avalanche e tem o caráter de uma explosão, acompanhada por uma enorme liberação de energia e um aumento da temperatura ambiente para vários milhões de graus. Uma reação em cadeia desse tipo ocorre quando uma bomba atômica explode.

bomba nuclear

No estado normal, uma bomba nuclear não explode porque a carga nuclear nela é dividida em várias partes pequenas por partições que absorvem os produtos de decaimento do urânio - nêutrons. A reação nuclear em cadeia que causa uma explosão nuclear não pode ser sustentada sob tais condições. No entanto, se os fragmentos da carga nuclear estiverem conectados, sua massa total será suficiente para que a reação em cadeia da fissão do urânio comece a se desenvolver. O resultado é uma explosão nuclear. Ao mesmo tempo, o poder de explosão desenvolvido por uma bomba nuclear relativamente pequena é equivalente ao poder liberado durante a explosão de milhões e bilhões de toneladas de TNT.

Arroz. 5. Bomba atômica