Fisiunea nucleară este divizarea unui atom greu în două fragmente de masă aproximativ egală, însoțită de eliberarea unei cantități mari de energie.

Descoperirea fisiunii nucleare a început o nouă eră - „era atomică”. Potențialul posibilei sale utilizări și raportul de risc de a beneficia de pe urma utilizării sale au generat nu numai multe realizări sociologice, politice, economice și științifice, ci și probleme serioase. Chiar și din punct de vedere pur științific, procesul de fisiune nucleară a creat un număr mare de puzzle-uri și complicații, iar explicația sa teoretică completă este o chestiune de viitor.

Împărțirea este profitabilă

Energiile de legare (pe nucleon) diferă pentru diferite nuclee. Cele mai grele au energii de legare mai mici decât cele situate la mijlocul tabelului periodic.

Aceasta înseamnă că pentru nucleele grele cu un număr atomic mai mare de 100, este avantajos să se împartă în două fragmente mai mici, eliberând astfel energie, care este convertită în energia cinetică a fragmentelor. Acest proces se numește divizare

Conform curbei de stabilitate, care arată dependența numărului de protoni de numărul de neutroni pentru nuclizii stabili, nucleele mai grele preferă mai mulți neutroni (comparativ cu numărul de protoni) decât pe cele mai ușoare. Acest lucru sugerează că, odată cu procesul de scindare, vor fi emiși niște neutroni „de rezervă”. În plus, vor prelua și o parte din energia eliberată. Studiul fisiunii nucleare a atomului de uraniu a arătat că sunt eliberați 3-4 neutroni: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

Numărul atomic (și masa atomică) al fragmentului nu este egal cu jumătate din masa atomică a părintelui. Diferența dintre masele de atomi formate ca urmare a divizării este de obicei de aproximativ 50. Cu toate acestea, motivul pentru aceasta nu este încă pe deplin clar.

Energiile de legare ale 238 U, 145 La și 90 Br sunt 1803, 1198 și, respectiv, 763 MeV. Aceasta înseamnă că, în urma acestei reacții, se eliberează energia de fisiune a nucleului de uraniu, egală cu 1198 + 763-1803 = 158 MeV.

Diviziunea spontană

Procesele de scindare spontană sunt cunoscute în natură, dar sunt foarte rare. Durata medie de viață a acestui proces este de aproximativ 10 17 ani și, de exemplu, durata medie de viață a descompunerii alfa a aceluiași radionuclid este de aproximativ 10 11 ani.

Motivul pentru aceasta este că, pentru a se împărți în două părți, nucleul trebuie mai întâi deformat (întins) într-o formă elipsoidală și apoi, înainte de a se împărți în cele din urmă în două fragmente, să formeze un „gât” în mijloc.

Bariera potențială

În starea deformată, două forțe acționează asupra miezului. Una este energia de suprafață crescută (tensiunea superficială a unei picături de lichid explică forma sa sferică), iar cealaltă este repulsia Coulomb între fragmentele de fisiune. Împreună produc o barieră potențială.

Ca și în cazul dezintegrarii alfa, pentru ca fisiunea spontană a nucleului atomului de uraniu să aibă loc, fragmentele trebuie să depășească această barieră folosind tunelul cuantic. Bariera este de aproximativ 6 MeV, ca în cazul dezintegrarii alfa, dar probabilitatea tunelului unei particule alfa este mult mai mare decât a unui produs de fisiune atomică mult mai greu.

despicare forțată

Mult mai probabil este fisiunea indusă a nucleului de uraniu. În acest caz, nucleul părinte este iradiat cu neutroni. Dacă părintele o absoarbe, se leagă, eliberând energie de legare sub formă de energie vibrațională care poate depăși cei 6 MeV necesari pentru a depăși bariera potențială.

Acolo unde energia neutronului suplimentar este insuficientă pentru a depăși bariera de potențial, neutronul incident trebuie să aibă o energie cinetică minimă pentru a putea induce scindarea unui atom. În cazul 238 U, energia de legare a neutronilor suplimentari este de aproximativ 1 MeV. Aceasta înseamnă că fisiunea nucleului de uraniu este indusă doar de un neutron cu o energie cinetică mai mare de 1 MeV. Pe de altă parte, izotopul 235 U are un neutron nepereche. Când nucleul absoarbe unul suplimentar, formează o pereche cu acesta și, ca urmare a acestei împerecheri, apare o energie suplimentară de legare. Acest lucru este suficient pentru a elibera cantitatea de energie necesară nucleului pentru a depăși bariera potențială, iar fisiunea izotopului are loc la coliziunea cu orice neutron.

dezintegrare beta

Chiar dacă reacția de fisiune emite trei sau patru neutroni, fragmentele conțin încă mai mulți neutroni decât izobarele lor stabile. Aceasta înseamnă că fragmentele de clivaj sunt în general instabile împotriva degradarii beta.

De exemplu, când are loc fisiunea uraniului 238U, izobara stabilă cu A = 145 este neodim 145Nd, ceea ce înseamnă că fragmentul de lantan 145La se descompune în trei etape, emițând de fiecare dată un electron și un antineutrin, până când se formează un nuclid stabil. Izobara stabilă cu A = 90 este zirconiu 90 Zr; prin urmare, fragmentul de scindare a bromului 90 Br se descompune în cinci etape ale lanțului de descompunere β.

Aceste lanțuri de dezintegrare β eliberează energie suplimentară, care este aproape în totalitate transportată de electroni și antineutrini.

Reacții nucleare: fisiunea nucleelor ​​de uraniu

Emisia directă a unui neutron dintr-un nuclid cu prea multe dintre ele pentru a asigura stabilitatea nucleului este puțin probabilă. Ideea aici este că nu există repulsie coulombiană și astfel energia de suprafață tinde să mențină neutronul în legătură cu părintele. Cu toate acestea, asta se întâmplă uneori. De exemplu, un fragment de fisiune de 90 Br în prima etapă de dezintegrare beta produce krypton-90, care poate fi într-o stare excitată cu suficientă energie pentru a depăși energia de suprafață. În acest caz, emisia de neutroni poate avea loc direct cu formarea criptonului-89. încă instabil în ceea ce privește dezintegrarea β până când este convertit în ytriu-89 stabil, astfel încât criptonul-89 se descompune în trei pași.

Fisiunea nucleelor ​​de uraniu: o reacție în lanț

Neutronii emiși în reacția de fisiune pot fi absorbiți de un alt nucleu părinte, care apoi suferă o fisiune indusă. În cazul uraniului-238, cei trei neutroni care sunt produși ies cu o energie mai mică de 1 MeV (energia eliberată în timpul fisiunii nucleului de uraniu - 158 MeV - este transformată în principal în energia cinetică a fragmentelor de fisiune). ), deci nu pot provoca o fisiune suplimentară a acestui nuclid. Cu toate acestea, la o concentrație semnificativă a izotopului rar 235 U, acești neutroni liberi pot fi capturați de nuclee de 235 U, ceea ce poate provoca într-adevăr fisiunea, deoarece în acest caz nu există un prag de energie sub care fisiunea să nu fie indusă.

Acesta este principiul unei reacții în lanț.

Tipuri de reacții nucleare

Fie k numărul de neutroni produși într-o probă de material fisionabil în etapa n a acestui lanț, împărțit la numărul de neutroni produși în etapa n - 1. Acest număr va depinde de câți neutroni produși în etapa n - 1 sunt absorbiți de nucleu, care poate fi forțat să se divizeze.

Dacă 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.

Dacă k > 1, atunci reacția în lanț va crește până când tot materialul fisionabil a fost folosit.Acest lucru se realizează prin îmbogățirea minereului natural pentru a obține o concentrație suficient de mare de uraniu-235. Pentru o probă sferică, valoarea lui k crește odată cu creșterea probabilității de absorbție a neutronilor, care depinde de raza sferei. Prin urmare, masa U trebuie să depășească o anumită cantitate pentru ca fisiunea nucleelor ​​de uraniu să aibă loc (reacție în lanț).

Dacă k = 1, atunci are loc o reacție controlată. Acesta este folosit în reactoare nucleare. Procesul este controlat prin distribuirea baghetelor de cadmiu sau bor între uraniu, care absorb majoritatea neutronilor (aceste elemente au capacitatea de a capta neutroni). Fisiunea nucleului de uraniu este controlată automat prin deplasarea tijelor în așa fel încât valoarea lui k să rămână egală cu unu.

Fisiunea nucleelor ​​de uraniu prin bombardarea lor cu neutroni a fost descoperită în 1939 de oamenii de știință germani Otto Hahn și Fritz Strassmann.

Otto Hahn (1879-1968)
Fizician german, om de știință de pionier în domeniul radiochimiei. A descoperit fisiunea uraniului, o serie de elemente radioactive

Fritz Strassmann (1902-1980)
fizician și chimist german. Lucrările se referă la chimia nucleară, fisiunea nucleară. A dat dovadă chimică procesului de fisiune

Să luăm în considerare mecanismul acestui fenomen. Figura 162, a descrie în mod convențional nucleul unui atom de uraniu. După ce a absorbit un neutron în plus, nucleul este excitat și deformat, dobândind o formă alungită (Fig. 162, b).

Orez. 162. Procesul de fisiune a unui nucleu de uraniu sub influența unui neutron care a căzut în el

Știți deja că în nucleu acționează două tipuri de forțe: forțe de repulsie electrostatice între protoni, care au tendința de a rupe nucleul, și forțe de atracție nucleară între toți nucleonii, datorită cărora nucleul nu se descompune. Dar forțele nucleare sunt cu rază scurtă de acțiune, prin urmare, într-un nucleu alungit, ele nu mai pot ține părți ale nucleului care sunt foarte îndepărtate unele de altele. Sub acțiunea forțelor de respingere electrostatice, nucleul este rupt în două părți (Fig. 162, c), care se împrăștie în direcții diferite cu viteză mare și emit 2-3 neutroni.

Se pare că o parte din energia internă a nucleului este convertită în energia cinetică a fragmentelor și particulelor zburătoare. Fragmentele sunt decelerate rapid în mediu, în urma căreia energia lor cinetică este convertită în energia internă a mediului (adică, în energia de interacțiune și mișcarea termică a particulelor sale constitutive).

Odată cu fisiunea simultană a unui număr mare de nuclee de uraniu, energia internă a mediului din jurul uraniului și, în consecință, temperatura acestuia cresc semnificativ (adică mediul se încălzește).

Astfel, reacția de fisiune a nucleelor ​​de uraniu merge cu eliberarea de energie în mediu.

Energia conținută în nucleele atomilor este colosală. De exemplu, odată cu fisiunea completă a tuturor nucleelor ​​prezente în 1 g de uraniu, ar fi eliberată aceeași cantitate de energie ca cea eliberată în timpul arderii a 2,5 tone de petrol. Pentru a converti energia internă a nucleelor ​​atomice în energie electrică, centralele nucleare folosesc așa-numitele reacții în lanț de fisiune nucleară.

Să luăm în considerare mecanismul reacției în lanț a fisiunii nucleare a izotopului de uraniu. Nucleul atomului de uraniu (Fig. 163) ca urmare a captării unui neutron a fost împărțit în două părți, în timp ce emite trei neutroni. Doi dintre acești neutroni au provocat reacția de fisiune a încă două nuclee, producând astfel patru neutroni. Acestea, la rândul lor, au provocat fisiunea a patru nuclee, după care s-au format nouă neutroni etc.

O reacție în lanț este posibilă datorită faptului că în timpul fisiunii fiecărui nucleu se formează 2-3 neutroni, care pot lua parte la fisiunea altor nuclee.

Figura 163 prezintă o diagramă a unei reacții în lanț în care numărul total de neutroni liberi dintr-o bucată de uraniu crește ca o avalanșă în timp. În mod corespunzător, numărul de fisiuni nucleare și energia eliberată pe unitatea de timp cresc brusc. Prin urmare, o astfel de reacție este explozivă (are loc într-o bombă atomică).

Orez. 163. Reacția în lanț de fisiune a nucleelor ​​de uraniu

Este posibilă o altă opțiune, în care numărul de neutroni liberi scade cu timpul. În acest caz, reacția în lanț se oprește. Prin urmare, o astfel de reacție nu poate fi folosită nici pentru a genera energie electrică.

În scopuri pașnice, este posibil să se folosească numai energia unei astfel de reacții în lanț în care numărul de neutroni nu se modifică în timp.

Cum să ne asigurăm că numărul de neutroni rămâne constant tot timpul? Pentru a rezolva această problemă este necesar să se cunoască ce factori influențează creșterea și scăderea numărului total de neutroni liberi dintr-o bucată de uraniu în care are loc o reacție în lanț.

Un astfel de factor este masa uraniului. Faptul este că nu fiecare neutron emis în timpul fisiunii nucleare provoacă fisiunea altor nuclee (vezi Fig. 163). Dacă masa (și, în consecință, dimensiunea) unei bucăți de uraniu este prea mică, atunci mulți neutroni vor zbura din ea, neavând timp să întâlnească nucleul în drum, provoacă fisiunea acestuia și generează astfel o nouă generație de neutroni necesari pentru a continua reactia. În acest caz, reacția în lanț se va opri. Pentru ca reacția să continue, este necesară creșterea masei de uraniu la o anumită valoare, numită critic.

De ce devine posibilă o reacție în lanț cu o creștere a masei? Cu cât masa unei piese este mai mare, cu atât dimensiunile acesteia sunt mai mari și calea pe care neutronii o parcurg este mai lungă. În acest caz, probabilitatea ca neutronii să întâlnească nuclee crește. În consecință, numărul de fisiuni nucleare și numărul de neutroni emiși crește.

La o masă critică de uraniu, numărul de neutroni care au apărut în timpul fisiunii nucleelor ​​devine egal cu numărul de neutroni pierduți (adică, capturați de nuclee fără fisiune și zburând din bucată).

Prin urmare, numărul lor total rămâne neschimbat. În acest caz, reacția în lanț poate dura mult timp, fără a se opri și fără a dobândi un caracter exploziv.

• Cea mai mică masă de uraniu la care este posibilă o reacție în lanț se numește masă critică.

Dacă masa uraniului este mai mult decât critică, atunci, ca urmare a unei creșteri bruște a numărului de neutroni liberi, reacția în lanț duce la o explozie, iar dacă este mai puțin critică, atunci reacția nu are loc din cauza unei lipsa neutronilor liberi.

Este posibil să se reducă pierderea de neutroni (care zboară din uraniu fără a reacționa cu nucleele) nu numai prin creșterea masei de uraniu, ci și prin utilizarea unei învelișuri reflectorizante speciale. Pentru a face acest lucru, o bucată de uraniu este plasată într-o coajă dintr-o substanță care reflectă bine neutronii (de exemplu, beriliu). Reflectați din acest înveliș, neutronii revin la uraniu și pot lua parte la fisiunea nucleară.

Există mai mulți alți factori de care depinde posibilitatea unei reacții în lanț. De exemplu, dacă o bucată de uraniu conține prea multe impurități ale altor elemente chimice, atunci aceștia absorb majoritatea neutronilor și reacția se oprește.

Prezența așa-numitului moderator de neutroni în uraniu afectează, de asemenea, cursul reacției. Faptul este că nucleele de uraniu-235 sunt cel mai susceptibile de a fisiune sub acțiunea neutronilor lenți. Fisiunea nucleară produce neutroni rapizi. Dacă neutronii rapizi sunt încetiniți, atunci cei mai mulți dintre ei vor fi capturați de nucleele de uraniu-235 cu fisiunea ulterioară a acestor nuclee. Substanțe precum grafitul, apa, apa grea (care include deuteriul, un izotop de hidrogen cu un număr de masă de 2) și unele altele sunt folosite ca moderatori. Aceste substanțe nu fac decât să încetinească neutronii, aproape fără a-i absorbi.

Astfel, posibilitatea unei reacții în lanț este determinată de masa uraniului, de cantitatea de impurități din acesta, de prezența unui înveliș și a unui moderator și de alți factori.

Masa critică a unei bucăți sferice de uraniu-235 este de aproximativ 50 kg. Mai mult, raza sa este de numai 9 cm, deoarece uraniul are o densitate foarte mare.

Prin utilizarea unui moderator și a unei carcase reflectorizante și prin reducerea cantității de impurități, este posibilă reducerea masei critice a uraniului la 0,8 kg.

Întrebări

1. De ce fisiunea nucleară poate începe doar atunci când este deformată sub acțiunea neutronului absorbit?
2. Ce se formează ca urmare a fisiunii nucleare?
3. În ce energie trece o parte din energia internă a nucleului în timpul fisiunii sale; energia cinetică a fragmentelor de nucleu de uraniu în timpul decelerarii lor în mediu?
4. Cum decurge reacția de fisiune a nucleelor ​​de uraniu - cu eliberarea de energie în mediu sau, dimpotrivă, cu absorbția energiei?
5. Descrieți mecanismul unei reacții în lanț folosind figura 163.
6. Care este masa critică a uraniului?
7. Este posibil să aibă loc o reacție în lanț dacă masa de uraniu este mai mică decât cea critică? mai critic? De ce?

Energia E eliberată în timpul fisiunii crește odată cu creșterea Z 2 /A. Valoarea lui Z 2 /A = 17 pentru 89 Y (itriu). Acestea. fisiunea este favorabilă energetic pentru toate nucleele mai grele decât ytriul. De ce majoritatea nucleelor ​​sunt rezistente la fisiunea spontană? Pentru a răspunde la această întrebare, este necesar să luăm în considerare mecanismul de divizare.

În timpul fisiunii, forma nucleului se modifică. Nucleul trece secvenţial prin următoarele etape (Fig. 7.1): o minge, un elipsoid, o ganteră, două fragmente în formă de para, două fragmente sferice. Cum se modifică energia potențială a nucleului în diferite stadii de fisiune?
Miez inițial cu mărire r ia forma unui elipsoid de revoluție din ce în ce mai alungit. În acest caz, datorită evoluției formei nucleului, modificarea energiei potențiale a acestuia este determinată de modificarea sumei energiilor de suprafață și Coulomb E p + E k. În acest caz, energia de suprafață crește, deoarece aria suprafeței nucleului crește. Energia Coulomb scade pe măsură ce distanța medie dintre protoni crește. Dacă, cu o deformare ușoară, caracterizată printr-un parametru mic, miezul inițial ia forma unui elipsoid simetric axial, energia de suprafață E" p și energia coulombiană E" k în funcție de parametrul de deformare se modifică astfel:

În rapoarte (7,4–7,5) E n și E k sunt energiile de suprafață și de Coulomb ale nucleului inițial simetric sferic.
În regiunea nucleelor ​​grele, 2E n > Ek, iar suma energiilor de suprafață și Coulomb crește odată cu creșterea . Din (7.4) și (7.5) rezultă că, la deformații mici, o creștere a energiei de suprafață împiedică o nouă modificare a formei nucleului și, în consecință, fisiunea.
Relația (7.5) este valabilă pentru tulpini mici. Dacă deformarea este atât de mare încât nucleul ia forma unei gantere, atunci forțele de suprafață și Coulomb au tendința de a separa nucleul și de a da fragmentelor o formă sferică. Astfel, cu o creștere treptată a deformării nucleului, energia potențială a acestuia trece printr-un maxim. Graficul energiilor de suprafață și Coulomb ale nucleului în funcție de r este prezentat în fig. 7.2.

Prezența unei bariere potențiale împiedică fisiunea nucleară spontană instantanee. Pentru ca nucleul să se despartă, trebuie să i se acorde energie Q care depășește înălțimea barierei de fisiune H. Energia potențială maximă a nucleului fisionabil E + H (de exemplu, aur) în două fragmente identice este ≈ 173 MeV. , iar energia E eliberată în timpul fisiunii este de 132 MeV . Astfel, în timpul fisiunii nucleului de aur, este necesară depășirea unei bariere de potențial cu o înălțime de aproximativ 40 MeV.
Înălțimea barierei de fisiune H este cu atât mai mare, cu atât este mai mic raportul dintre energiile Coulomb și de suprafață E la /E p în nucleul inițial. Acest raport, la rândul său, crește odată cu creșterea parametrului de divizare Z 2 /A (7.3). Cu cât nucleul este mai greu, cu atât înălțimea barierei de fisiune H este mai mică, deoarece parametrul de fisiune, presupunând că Z este proporțional cu A, crește odată cu creșterea numărului de masă:

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

(7.6)

Prin urmare, nucleele mai grele trebuie, în general, să fie furnizate cu mai puțină energie pentru a provoca fisiunea nucleară.
Înălțimea barierei de fisiune dispare la 2E p – Ec = 0 (7.5). În acest caz

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

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

Astfel, conform modelului de picătură, nucleele cu Z 2 /A > 49 nu pot exista în natură, deoarece ar trebui să se dividă spontan în două fragmente aproape instantaneu într-un timp nuclear caracteristic de ordinul 10–22 s. Dependența formei și înălțimii barierei de potențial H, precum și a energiei de fisiune, de valoarea parametrului Z 2 /A sunt prezentate în Fig. 7.3.

Orez. 7.3. Dependența radială a formei și înălțimii barierei de potențial și a energiei de fisiune E la diferite valori ale parametrului Z 2 /A. Valoarea lui E p + E k este trasată pe axa verticală.

Fisiune nucleară spontană cu 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 ani pentru 232 Th la 0,3 s pentru 260 Rf.
Fisiunea nucleară forțată cu 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.
Valoarea minimă a energiei de excitație a nucleului compus E* format în timpul captării unui neutron este egală cu energia de legare a neutronului din acest nucleu ε n . Tabelul 7.1 compară înălțimea barierei H și energia de legare a neutronilor ε n pentru izotopii Th, U, Pu formați după captarea neutronilor. Energia de legare a unui neutron depinde de numărul de neutroni din nucleu. Datorită energiei de împerechere, energia de legare a unui neutron par este mai mare decât energia de legare a unui neutron impar.

Tabelul 7.1

Înălțimea barierei de fisiune H, energia de legare a neutronilor ε n

Izotop	Înălțimea barierei de fisiune H, MeV	Izotop	Energia de legare a neutronilor ε n
232th	5.9	233th	4.79
233 U	5.5	234 U	6.84
235 U	5.75	236 U	6.55
238 U	5.85	239 U	4.80
239 Pu	5.5	240 Pu	6.53

O trăsătură caracteristică a fisiunii este că fragmentele, de regulă, au mase diferite. În cazul celei mai probabile fisiuni de 235 U, raportul masei fragmentului este în medie de ~1,5. Distribuția de masă a fragmentelor de fisiune de 235 U de către neutroni termici este prezentată în Fig. 7.4. Pentru cea mai probabilă fisiune, un fragment greu are un număr de masă de 139, unul ușor - 95. Printre produsele de fisiune se numără fragmente cu A = 72 - 161 și Z = 30 - 65. Probabilitatea de fisiune în două fragmente de masa egală nu este egală cu zero. În fisiunea de 235 U de către neutroni termici, probabilitatea fisiunii simetrice este cu aproximativ trei ordine de mărime mai mică decât în ​​cazul celei mai probabile fisiuni în fragmente cu A = 139 și 95.
Fisiunea asimetrică se explică prin structura învelișului nucleului. Nucleul tinde să se dividă în așa fel încât partea principală a nucleonilor fiecărui fragment să formeze cel mai stabil nucleu magic.
Raportul dintre numărul de neutroni și numărul de protoni din nucleul de 235 U N/Z = 1,55, în timp ce pentru izotopii stabili cu un număr de masă apropiat de numărul de masă al fragmentelor, acest raport este 1,25 − 1,45. În consecință, fragmentele de fisiune se dovedesc a fi puternic supraîncărcate cu neutroni și trebuie să fie
β - radioactiv. Prin urmare, fragmentele de fisiune suferă dezintegrari succesive β, iar sarcina fragmentului primar se poate modifica cu 4 - 6 unități. Mai jos este un lanț caracteristic de descompunere radioactivă de 97 Kr - unul dintre fragmentele formate în timpul fisiunii a 235 U:

Excitația fragmentelor, cauzată de o încălcare a raportului dintre numărul de protoni și neutroni, care este caracteristică nucleelor ​​stabile, este, de asemenea, eliminată datorită emisiei de neutroni de fisiune promptă. Acești neutroni sunt emiși de fragmente în mișcare într-un timp mai mic de ~ 10 -14 s. În medie, 2 - 3 neutroni prompti sunt emiși în fiecare eveniment de fisiune. Spectrul lor de energie este continuu cu un maxim de aproximativ 1 MeV. Energia medie a unui neutron prompt este aproape de 2 MeV. Emisia a mai mult de un neutron în fiecare eveniment de fisiune face posibilă obținerea de energie printr-o reacție în lanț de fisiune nucleară.
În cea mai probabilă fisiune a 235 U de către neutroni termici, un fragment ușor (A = 95) capătă o energie cinetică de ≈ 100 MeV, iar unul greu (A = 139) capătă aproximativ 67 MeV. Astfel, energia cinetică totală a fragmentelor este ≈ 167 MeV. Energia totală de fisiune în acest caz este de 200 MeV. Astfel, energia rămasă (33 MeV) este distribuită între alți produși de fisiune (neutroni, electroni și antineutrini ai β - dezintegrarea fragmentelor, γ-radiația fragmentelor și produsele lor de descompunere). Distribuția energiei de fisiune între diferiți produși în timpul fisiunii a 235 U de către neutroni termici este dată în Tabelul 7.2.

Tabelul 7.2

Distribuția energiei de fisiune 235 U neutroni termici

Produsele de fisiune nucleară (NF) sunt un amestec complex de peste 200 de izotopi radioactivi din 36 de elemente (de la zinc la gadoliniu). Cea mai mare parte a activității este alcătuită din radionuclizi de scurtă durată. Astfel, după 7, 49 și 343 de zile de la explozie, activitatea PND-urilor scade de 10, 100 și, respectiv, de 1000 de ori, comparativ cu activitatea la o oră după explozie. Randamentul celor mai semnificativi radionuclizi biologic este prezentat în Tabelul 7.3. Pe lângă PND, contaminarea radioactivă este cauzată de radionuclizi cu activitate indusă (3 H, 14 C, 28 Al, 24 Na, 56 Mn, 59 Fe, 60 Co etc.) și partea nedivizată a uraniului și plutoniului. Rolul activității induse în exploziile termonucleare este deosebit de mare.

Tabelul 7.3

Eliberarea unor produse de fisiune într-o explozie nucleară

Radionuclidul	Jumătate de viață	Producție pe diviziune, %	Activitate la 1 Mt, 10 15 Bq
89 Sr	50,5 zile	2.56	590
90 Sr	29,12 ani	3.5	3.9
95 Zr	65 de zile	5.07	920
103 Ru	41 de zile	5.2	1500
106 Ru	365 de zile	2.44	78
131 I	8,05 zile	2.9	4200
136Cs	13,2 zile	0.036	32
137Cs	30 de ani	5.57	5.9
140 Ba	12,8 zile	5.18	4700
141Cs	32,5 zile	4.58	1600
144Cs	288 de zile	4.69	190
3H	12,3 ani	0.01	2,6 10 -2

În timpul exploziilor nucleare din atmosferă, o parte semnificativă a precipitațiilor (până la 50% în explozii la sol) cade în apropierea zonei de testare. O parte din substanțele radioactive este reținută în partea inferioară a atmosferei și, sub influența vântului, se deplasează pe distanțe mari, rămânând aproximativ la aceeași latitudine. Fiind în aer aproximativ o lună, substanțele radioactive în timpul acestei mișcări cad treptat pe Pământ. Majoritatea radionuclizilor sunt eliberați în stratosferă (la o înălțime de 10÷15 km), unde sunt dispersați la nivel global și se descompun în mare parte.
Diverse elemente ale proiectării reactoarelor nucleare au activitate ridicată de zeci de ani (Tabelul 7.4)

Tabelul 7.4

Valori specifice activității (Bq/t uraniu) ale principalelor produse de fisiune din elementele de combustibil scoase din reactor după trei ani de funcționare

Radionuclidul	0	1 zi	120 de zile	1 an		10 ani
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
89 Sr	4. 04· 10 16	3. 98· 10 16	5. 78· 10 15	2. 7· 10 14	1. 2· 10 10
90 Sr	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 I	4. 49· 10 16	4. 19· 10 16	1. 5· 10 12	1. 01· 10 3
134Cs	7. 50· 10 15	7. 50· 10 15	6. 71· 10 15	5. 36· 10 15	2. 73· 10 15	2. 6· 10 14
137Cs	4. 69· 10 15	4. 69· 10 15	4. 65· 10 15	4. 58· 10 15	4. 38· 10 15	3. 73· 10 15
140 Ba	7. 93· 10 16	7. 51· 10 16	1. 19· 10 14	2. 03· 10 8
140la	8. 19· 10 16	8. 05· 10 16	1. 37· 10 14	2. 34· 10 8
141 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
ora 143	6. 77· 10 16	6. 70· 10 16	1. 65· 10 14	6. 11· 10 8
ora 147	7. 05 10 15	7. 05· 10 15	6. 78· 10 15	5. 68· 10 15	3. 35· 10 14

Fisiunea nucleelor ​​de uraniu a fost descoperită în 1938 de oamenii de știință germani O. Hahn și F. Strassmann. Ei au reușit să stabilească că la bombardarea nucleelor ​​de uraniu cu neutroni se formează elemente din partea de mijloc a sistemului periodic: bariu, cripton etc. Fizicianul austriac L. Meitner și fizicianul englez O. Frisch au dat interpretarea corectă a acestui fapt. . Ei au explicat apariția acestor elemente prin descompunerea nucleelor ​​de uraniu, care au capturat un neutron, în două părți aproximativ egale. Acest fenomen se numește fisiune nucleară, iar nucleele rezultate se numesc fragmente de fisiune.

Vezi si

1. Vasiliev, A. Fisiunea uraniului: de la Klaproth la Gan, Kvant. - 2001. - Nr 4. - S. 20-21.30.

Modelul drop al nucleului

Această reacție de fisiune poate fi explicată pe baza modelului de picătură al nucleului. În acest model, nucleul este considerat ca o picătură de lichid incompresibil încărcat electric. Pe lângă forțele nucleare care acționează între toți nucleonii nucleului, protonii experimentează o repulsie electrostatică suplimentară, datorită căreia se află la periferia nucleului. În starea neexcitată, forțele de repulsie electrostatică sunt compensate, astfel încât nucleul are formă sferică (Fig. 1a).

După capturarea de către nucleul \(~^(235)_(92)U\) a unui neutron, se formează un nucleu intermediar \(~(^(236)_(92)U)^*\), care este într-o stare excitată. În acest caz, energia neutronilor este distribuită uniform între toți nucleonii, iar nucleul intermediar însuși este deformat și începe să oscileze. Dacă excitația este mică, atunci nucleul (Fig. 1, b), eliberându-se de excesul de energie prin emiterea γ -cuantică sau neutronă, revine la o stare stabilă. Dacă energia de excitație este suficient de mare, atunci deformarea miezului în timpul vibrațiilor poate fi atât de mare încât se formează o constricție în el (Fig. 1c), similară constrângerii dintre două părți ale unei picături de lichid de scindare. Forțele nucleare care acționează într-o talie îngustă nu mai pot rezista forței Coulombice semnificative de repulsie a unor părți ale nucleului. Constricția se rupe, iar nucleul se rupe în două „fragmente” (Fig. 1d), care se împrăștie în direcții opuse.

uran.swf Bliț: Fisiune de uraniu Măriți imaginea blițului. 2.

În prezent, sunt cunoscuți aproximativ 100 de izotopi diferiți cu numere de masă de la aproximativ 90 la 145, care decurg din fisiunea acestui nucleu. Două reacții de fisiune tipice ale acestui nucleu au forma:

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

Rețineți că, ca urmare a fisiunii nucleare inițiate de un neutron, sunt produși noi neutroni care pot provoca reacții de fisiune în alte nuclee. Produșii de fisiune ai nucleelor ​​de uraniu-235 pot fi și alți izotopi de bariu, xenon, stronțiu, rubidiu etc.

În timpul fisiunii nucleelor ​​atomilor grei (\(~^(235)_(92)U\)) se eliberează o energie foarte mare - aproximativ 200 MeV în timpul fisiunii fiecărui nucleu. Aproximativ 80% din această energie este eliberată sub formă de energie cinetică fragmentară; restul de 20% este reprezentat de energia radiației radioactive a fragmentelor și energia cinetică a neutronilor prompti.

Energia eliberată în timpul fisiunii nucleare poate fi estimată folosind energia de legare specifică a nucleonilor din nucleu. Energia specifică de legare a nucleonilor din nucleele cu număr de masă A≈ 240 de ordinul a 7,6 MeV/nucleon, în timp ce în nuclee cu numere de masă A= 90 – 145 energia specifică este aproximativ egală cu 8,5 MeV/nucleon. Prin urmare, fisiunea unui nucleu de uraniu eliberează o energie de ordinul a 0,9 MeV/nucleon, sau aproximativ 210 MeV per atom de uraniu. Odată cu fisiunea completă a tuturor nucleelor ​​conținute în 1 g de uraniu, se eliberează aceeași energie ca la arderea a 3 tone de cărbune sau a 2,5 tone de petrol.

Vezi si

1. Varlamov A.A. Modelul drop al nucleului // Kvant. - 1986. - Nr 5. - S. 23-24

Reacție în lanț

Reacție în lanț- o reacție nucleară în care particulele care provoacă reacția se formează ca produse ale acestei reacții.

În fisiunea unui nucleu de uraniu-235, care este cauzată de o coliziune cu un neutron, sunt eliberați 2 sau 3 neutroni. În condiții favorabile, acești neutroni pot lovi alte nuclee de uraniu și pot provoca fisiunea acestora. În această etapă, vor apărea deja de la 4 la 9 neutroni, capabili să provoace noi dezintegrari ale nucleelor ​​de uraniu etc. Un astfel de proces asemănător avalanșei se numește reacție în lanț. Schema de dezvoltare a unei reacții în lanț de fisiune a nucleelor ​​de uraniu este prezentată în fig. 3.

reactie.swf Flash: reacție în lanț Mărire Flash Pic. 4.

Uraniul se găsește în natură sub formă de doi izotopi \[~^(238)_(92)U\] (99,3%) și \(~^(235)_(92)U\) (0,7%). Când sunt bombardate de neutroni, nucleele ambilor izotopi se pot împărți în două fragmente. În acest caz, reacția de fisiune \(~^(235)_(92)U\) are loc cel mai intens pe neutroni lenți (termici), în timp ce nucleele \(~^(238)_(92)U\) intră în fisiunea de reacție numai cu neutroni rapizi cu o energie de ordinul a 1 MeV. În caz contrar, energia de excitație a nucleelor ​​formate \(~^(239)_(92)U\) este insuficientă pentru fisiune și atunci, în loc de fisiune, au loc reacții nucleare:

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

Izotop de uraniu \(~^(238)_(92)U\) β -radioactiv, timp de înjumătățire 23 min. Izotopul de neptuniu \(~^(239)_(93)Np\) este și el radioactiv, cu un timp de înjumătățire de aproximativ 2 zile.

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

Izotopul plutoniului \(~^(239)_(94)Np\) este relativ stabil, cu un timp de înjumătățire de 24.000 de ani. Cea mai importantă proprietate a plutoniului este că este fisionabil sub influența neutronilor în același mod ca \(~^(235)_(92)U\). Prin urmare, cu ajutorul lui \(~^(239)_(94)Np\) se poate realiza o reacție în lanț.

Schema de reacție în lanț discutată mai sus este un caz ideal. În condiții reale, nu toți neutronii produși în timpul fisiunii participă la fisiunea altor nuclee. Unele dintre ele sunt captate de nuclee nefisibile ale atomilor străini, altele zboară din uraniu (scurgere de neutroni).

Prin urmare, reacția în lanț de fisiune a nucleelor ​​grele nu are loc întotdeauna și nu pentru orice masă de uraniu.

Factorul de multiplicare a neutronilor

Dezvoltarea unei reacții în lanț este caracterizată de așa-numitul factor de multiplicare a neutronilor La, care se măsoară prin raportul numărului N i neutroni care provoacă fisiunea nucleară a materiei la una din etapele reacției, la număr N i-1 neutroni care au provocat fisiunea în etapa anterioară a reacției:

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

Factorul de multiplicare depinde de o serie de factori, în special de natura și cantitatea materialului fisionabil și de forma geometrică a volumului pe care îl ocupă. Aceeași cantitate dintr-o substanță dată are o valoare diferită La. La maxim dacă substanța are formă sferică, deoarece în acest caz pierderea de neutroni prompti prin suprafață va fi cea mai mică.

Masa de material fisionabil în care reacția în lanț are loc cu factorul de multiplicare La= 1 se numește masa critică. În bucăți mici de uraniu, majoritatea neutronilor, fără să lovească niciun nucleu, zboară afară.

Valoarea masei critice este determinată de geometria sistemului fizic, structura acestuia și mediul extern. Deci, pentru o bilă de uraniu pur \(~^(235)_(92)U\) masa critică este de 47 kg (o bilă cu diametrul de 17 cm). Masa critică a uraniului poate fi redusă de multe ori prin utilizarea așa-numiților moderatori de neutroni. Cert este că neutronii produși în timpul dezintegrarii nucleelor ​​de uraniu au viteze prea mari, iar probabilitatea de captare a neutronilor lenți de către nucleele de uraniu-235 este de sute de ori mai mare decât cea a celor rapide. Cel mai bun moderator al neutronilor este apa grea D 2 O. Când interacționează cu neutronii, apa obișnuită însăși se transformă în apă grea.

Un moderator bun este și grafitul, ale cărui nuclee nu absorb neutronii. La interacțiunea elastică cu nucleele de deuteriu sau de carbon, neutronii sunt încetiniți la viteze termice.

Utilizarea moderatorilor de neutroni și a unei învelișuri speciale de beriliu care reflectă neutronii face posibilă reducerea masei critice la 250 g.

Cu un factor de multiplicare La= 1 numărul de nuclee fisionabile se menține la un nivel constant. Acest mod este furnizat în reactoare nucleare.

Dacă masa combustibilului nuclear este mai mică decât masa critică, atunci factorul de multiplicare La < 1; каждое новое поколение вызывает все меньшее и меньшее число делений, и реакция без внешнего источника нейтронов быстро затухает.

Dacă masa combustibilului nuclear este mai mare decât cea critică, atunci factorul de multiplicare La> 1 și fiecare nouă generație de neutroni provoacă un număr tot mai mare de fisiuni. Reacția în lanț crește ca o avalanșă și are caracterul unei explozii, însoțită de o eliberare uriașă de energie și o creștere a temperaturii ambientale până la câteva milioane de grade. O reacție în lanț de acest fel are loc atunci când o bombă atomică explodează.

Bombă nucleară

În stare normală, o bombă nucleară nu explodează deoarece sarcina nucleară din ea este împărțită în mai multe părți mici prin partiții care absorb produsele de descompunere ai uraniului - neutroni. Reacția nucleară în lanț care provoacă o explozie nucleară nu poate fi susținută în astfel de condiții. Cu toate acestea, dacă fragmentele de sarcină nucleară sunt conectate între ele, atunci masa lor totală va fi suficientă pentru ca reacția în lanț a fisiunii uraniului să înceapă să se dezvolte. Rezultatul este o explozie nucleară. În același timp, puterea de explozie dezvoltată de o bombă nucleară relativ mică este echivalentă cu puterea eliberată în timpul exploziei a milioane și miliarde de tone de TNT.

Orez. 5. Bombă atomică