Jadrové štiepenie je rozdelenie ťažkého atómu na dva fragmenty približne rovnakej hmotnosti, sprevádzané uvoľnením veľkého množstva energie.

Objavom jadrového štiepenia sa začala nová éra – „atómový vek“. Potenciál jeho možného využitia a pomer rizika k prospechu z jeho používania priniesli nielen mnohé sociologické, politické, ekonomické a vedecké úspechy, ale aj vážne problémy. Aj z čisto vedeckého hľadiska proces jadrového štiepenia vytvoril veľké množstvo hádaniek a komplikácií a jeho úplné teoretické vysvetlenie je otázkou budúcnosti.

Zdieľanie je ziskové

Väzbové energie (na nukleón) sa líšia pre rôzne jadrá. Ťažšie majú nižšie väzbové energie ako tie, ktoré sa nachádzajú v strede periodickej tabuľky.

To znamená, že pre ťažké jadrá s atómovým číslom väčším ako 100 je výhodné rozdeliť sa na dva menšie fragmenty, čím sa uvoľní energia, ktorá sa premení na kinetickú energiu fragmentov. Tento proces sa nazýva štiepenie

Podľa krivky stability, ktorá ukazuje závislosť počtu protónov od počtu neutrónov pre stabilné nuklidy, ťažšie jadrá preferujú viac neutrónov (v porovnaní s počtom protónov) ako ľahšie. To naznačuje, že spolu s procesom štiepenia budú emitované nejaké "náhradné" neutróny. Okrem toho preberú aj časť uvoľnenej energie. Štúdium jadrového štiepenia atómu uránu ukázalo, že sa uvoľňujú 3-4 neutróny: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

Atómové číslo (a atómová hmotnosť) fragmentu sa nerovná polovici atómovej hmotnosti rodiča. Rozdiel medzi hmotnosťami atómov vytvorených v dôsledku štiepenia je zvyčajne asi 50. Pravda, dôvod ešte nie je celkom jasný.

Väzbové energie 238 U, 145 La a 90 Br sú 1803, 1198 a 763 MeV. To znamená, že v dôsledku tejto reakcie sa uvoľní štiepna energia jadra uránu, ktorá sa rovná 1198 + 763-1803 = 158 MeV.

Spontánne rozdelenie

Procesy spontánneho štiepenia sú v prírode známe, ale sú veľmi zriedkavé. Priemerná životnosť tohto procesu je približne 10 17 rokov a napríklad priemerná životnosť alfa rozpadu toho istého rádionuklidu je približne 10 11 rokov.

Dôvodom je to, že na to, aby sa jadro rozdelilo na dve časti, musí sa najprv zdeformovať (roztiahnuť) do elipsoidného tvaru a potom, pred konečným rozdelením na dva fragmenty, vytvoriť v strede „krk“.

Potenciálna bariéra

V deformovanom stave pôsobia na jadro dve sily. Jedným je zvýšená povrchová energia (povrchové napätie kvapky kvapaliny vysvetľuje jej sférický tvar) a druhým je Coulombovo odpudzovanie medzi štiepnymi úlomkami. Spolu vytvárajú potenciálnu bariéru.

Rovnako ako v prípade alfa rozpadu, aby došlo k samovoľnému štiepeniu jadra atómu uránu, musia fragmenty prekonať túto bariéru pomocou kvantového tunelovania. Bariéra je asi 6 MeV, ako v prípade rozpadu alfa, ale pravdepodobnosť tunelovania alfa častice je oveľa väčšia ako v prípade oveľa ťažšieho produktu štiepenia atómov.

nútené štiepenie

Oveľa pravdepodobnejšie je indukované štiepenie jadra uránu. V tomto prípade je materské jadro ožiarené neutrónmi. Ak ho rodič absorbuje, naviažu sa, čím sa uvoľní väzbová energia vo forme vibračnej energie, ktorá môže presiahnuť 6 MeV potrebných na prekonanie potenciálnej bariéry.

Ak je energia dodatočného neutrónu nedostatočná na prekonanie potenciálnej bariéry, dopadajúci neutrón musí mať minimálnu kinetickú energiu, aby mohol vyvolať štiepenie atómu. V prípade 238 U je väzbová energia ďalších neutrónov asi 1 MeV krátka. To znamená, že štiepenie jadra uránu je vyvolané iba neutrónom s kinetickou energiou väčšou ako 1 MeV. Na druhej strane izotop 235 U má jeden nepárový neutrón. Keď jadro pohltí ďalšie, vytvorí s ním pár a v dôsledku tohto párovania sa objaví dodatočná väzbová energia. To stačí na uvoľnenie množstva energie potrebnej na to, aby jadro prekonalo potenciálnu bariéru a štiepenie izotopov nastane pri zrážke s akýmkoľvek neutrónom.

beta rozpad

Aj keď štiepna reakcia emituje tri alebo štyri neutróny, fragmenty stále obsahujú viac neutrónov ako ich stabilné izobary. To znamená, že štiepne fragmenty sú vo všeobecnosti nestabilné voči beta rozpadu.

Napríklad, keď sa štiepi urán 238 U, stabilná izobara s A = 145 je neodým 145 Nd, čo znamená, že fragment lantánu 145 La sa rozpadá v troch krokoch, vždy pri emisii elektrónu a antineutrína, až kým nevznikne stabilný nuklid. Stabilná izobara s A = 90 je zirkónium 90 Zr, preto sa štiepiaci fragment brómu 90 Br rozkladá v piatich štádiách β-rozpadového reťazca.

Tieto β-rozpadové reťazce uvoľňujú dodatočnú energiu, ktorá je takmer celá odnesená elektrónmi a antineutrínami.

Jadrové reakcie: štiepenie jadier uránu

Priama emisia neutrónu z nuklidu s príliš veľkým počtom na zabezpečenie stability jadra je nepravdepodobná. Ide o to, že nedochádza k Coulombovmu odpudzovaniu, takže povrchová energia má tendenciu udržiavať neutrón vo väzbe s rodičom. To sa však občas stáva. Napríklad štiepny fragment 90 Br v prvom štádiu beta rozpadu produkuje kryptón-90, ktorý môže byť v excitovanom stave s dostatočnou energiou na prekonanie povrchovej energie. V tomto prípade môže k emisii neutrónov dôjsť priamo pri tvorbe kryptónu-89. stále nestabilný vzhľadom na β rozpad, kým sa nepremení na stabilné ytrium-89, takže kryptón-89 sa rozpadá v troch krokoch.

Štiepenie jadier uránu: reťazová reakcia

Neutróny emitované pri štiepnej reakcii môžu byť absorbované iným materským jadrom, ktoré potom samo podlieha indukovanému štiepeniu. V prípade uránu-238 tri vyrobené neutróny vychádzajú s energiou menšou ako 1 MeV (energia uvoľnená pri štiepení jadra uránu - 158 MeV - sa premieňa hlavne na kinetickú energiu štiepnych fragmentov), ​​takže nemôžu spôsobiť ďalšie štiepenie tohto nuklidu. Napriek tomu pri významnej koncentrácii vzácneho izotopu 235 U môžu byť tieto voľné neutróny zachytené jadrami 235 U, čo skutočne môže spôsobiť štiepenie, keďže v tomto prípade neexistuje energetická hranica, pod ktorou by sa štiepenie neindukovalo.

Toto je princíp reťazovej reakcie.

Typy jadrových reakcií

Nech k je počet neutrónov produkovaných vo vzorke štiepneho materiálu v štádiu n tohto reťazca vydelený počtom neutrónov produkovaných v štádiu n - 1. Toto číslo bude závisieť od toho, koľko neutrónov produkovaných v štádiu n - 1 je absorbovaných jadrom, ktoré môže podstúpiť indukované štiepenie.

Ak 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.

Ak je k > 1, reťazová reakcia bude rásť, kým sa nespotrebuje všetok štiepny materiál.To sa dosiahne obohatením prírodnej rudy na získanie dostatočne vysokej koncentrácie uránu-235. Pre guľovú vzorku sa hodnota k zvyšuje so zvyšovaním pravdepodobnosti absorpcie neutrónov, ktorá závisí od polomeru gule. Preto musí hmotnosť U prekročiť určitú hodnotu, aby došlo k štiepeniu jadier uránu (reťazová reakcia).

Ak k = 1, potom prebieha riadená reakcia. Používa sa v jadrových reaktoroch. Proces je riadený distribúciou kadmiových alebo bórových tyčiniek medzi urán, ktoré absorbujú väčšinu neutrónov (tieto prvky majú schopnosť zachytávať neutróny). Štiepenie jadra uránu je automaticky riadené pohybom tyčí tak, aby hodnota k zostala rovná jednej.

Štiepenie jadier uránu ich bombardovaním neutrónmi objavili v roku 1939 nemeckí vedci Otto Hahn a Fritz Strassmann.

Otto Hahn (1879-1968)
Nemecký fyzik, priekopnícky vedec v oblasti rádiochémie. Objavil štiepenie uránu, množstvo rádioaktívnych prvkov

Fritz Strassmann (1902-1980)
Nemecký fyzik a chemik. Práce sa týkajú jadrovej chémie, jadrového štiepenia. Poskytol chemický dôkaz procesu štiepenia

Pozrime sa na mechanizmus tohto javu. Obrázok 162, konvenčne zobrazuje jadro atómu uránu. Po pohltení ďalšieho neutrónu sa jadro excituje a deformuje, pričom nadobudne predĺžený tvar (obr. 162, b).

Ryža. 162. Proces štiepenia jadra uránu pod vplyvom neutrónu, ktorý do neho spadol

Už viete, že v jadre pôsobia dva druhy síl: elektrostatické odpudivé sily medzi protónmi, ktoré majú tendenciu jadro rozbíjať, a jadrové príťažlivé sily medzi všetkými nukleónmi, vďaka ktorým sa jadro nerozpadá. Jadrové sily sú však krátkeho dosahu, preto v predĺženom jadre už nedokážu udržať časti jadra, ktoré sú od seba veľmi vzdialené. Pod pôsobením elektrostatických odpudivých síl sa jadro roztrhne na dve časti (obr. 162, c), ktoré sa veľkou rýchlosťou rozptýlia rôznymi smermi a emitujú 2-3 neutróny.

Ukazuje sa, že časť vnútornej energie jadra sa premieňa na kinetickú energiu letiacich úlomkov a častíc. Fragmenty sa v prostredí rýchlo spomaľujú, v dôsledku čoho sa ich kinetická energia premieňa na vnútornú energiu média (t. j. na energiu interakcie a tepelného pohybu jeho častíc).

Pri súčasnom štiepení veľkého počtu jadier uránu sa vnútorná energia média obklopujúceho urán a tým aj jeho teplota výrazne zvýši (t. j. médium sa zohreje).

Reakcia štiepenia jadier uránu teda prebieha s uvoľňovaním energie do životného prostredia.

Energia obsiahnutá v jadrách atómov je kolosálna. Napríklad pri úplnom štiepení všetkých jadier prítomných v 1 g uránu by sa uvoľnilo rovnaké množstvo energie, aké sa uvoľní pri spaľovaní 2,5 tony ropy. Na premenu vnútornej energie atómových jadier na elektrickú energiu využívajú jadrové elektrárne tzv reťazové reakcie jadrového štiepenia.

Uvažujme o mechanizme reťazovej reakcie jadrového štiepenia izotopu uránu. Jadro atómu uránu (obr. 163) sa v dôsledku zachytenia neutrónu rozdelilo na dve časti, pričom sa emitovali tri neutróny. Dva z týchto neutrónov spôsobili štiepnu reakciu ďalších dvoch jadier, čím vznikli štyri neutróny. Tie zas spôsobili štiepenie štyroch jadier, po ktorých vzniklo deväť neutrónov atď.

Reťazová reakcia je možná vďaka tomu, že pri štiepení každého jadra vznikajú 2-3 neutróny, ktoré sa môžu podieľať na štiepení iných jadier.

Obrázok 163 ukazuje schému reťazovej reakcie, pri ktorej sa celkový počet voľných neutrónov v kúsku uránu s časom zvyšuje ako lavína. V súlade s tým prudko narastá počet jadrových štiepení a energia uvoľnená za jednotku času. Preto je takáto reakcia výbušná (prebieha v atómovej bombe).

Ryža. 163. Reťazová reakcia štiepenia jadier uránu

Je možná aj iná možnosť, pri ktorej počet voľných neutrónov s časom klesá. V tomto prípade sa reťazová reakcia zastaví. Preto sa takáto reakcia nedá použiť ani na výrobu elektriny.

Na mierové účely je možné využiť energiu len takej reťazovej reakcie, pri ktorej sa počet neutrónov v čase nemení.

Ako zabezpečiť, aby počet neutrónov zostal po celý čas konštantný? Na vyriešenie tohto problému musíte vedieť, aké faktory ovplyvňujú zvýšenie a zníženie celkového počtu voľných neutrónov v kuse uránu, v ktorom dochádza k reťazovej reakcii.

Jedným z takýchto faktorov je hmotnosť uránu. Faktom je, že nie každý neutrón emitovaný počas jadrového štiepenia spôsobuje štiepenie iných jadier (pozri obr. 163). Ak je hmotnosť (a teda aj veľkosť) kúska uránu príliš malá, vyletí z neho veľa neutrónov, ktoré nemajú čas stretnúť sa s jadrom na svojej ceste, spôsobia jeho štiepenie, a tak vygenerujú novú generáciu neutrónov potrebnú na pokračovanie reakcie. V tomto prípade sa reťazová reakcia zastaví. Aby reakcia pokračovala, je potrebné zvýšiť hmotnosť uránu na určitú hodnotu, tzv kritický.

Prečo je reťazová reakcia možná s nárastom hmotnosti? Čím väčšia je hmotnosť kusu, tým väčšie sú jeho rozmery a dlhšia dráha, ktorú v ňom neutróny prejdú. V tomto prípade sa zvyšuje pravdepodobnosť stretnutia neutrónov s jadrami. V súlade s tým sa zvyšuje počet jadrových štiepení a počet emitovaných neutrónov.

Pri kritickom množstve uránu sa počet neutrónov produkovaných počas jadrového štiepenia rovná počtu stratených neutrónov (tj zachytených jadrami bez štiepenia a úniku z časti).

Ich celkový počet preto zostáva nezmenený. V tomto prípade môže reťazová reakcia pokračovať dlho, bez zastavenia a bez získania výbušného charakteru.

• Najmenšia hmotnosť uránu, pri ktorej je možná reťazová reakcia, sa nazýva kritická hmotnosť.

Ak je hmotnosť uránu väčšia ako kritická, potom v dôsledku prudkého nárastu počtu voľných neutrónov vedie reťazová reakcia k výbuchu, a ak je menšia ako kritická, reakcia neprebieha v dôsledku nedostatku voľných neutrónov.

Znížiť straty neutrónov (ktoré vyletujú z uránu bez reakcie s jadrami) je možné nielen zvýšením hmotnosti uránu, ale aj použitím špeciálneho reflexného obalu. Na tento účel sa kúsok uránu vloží do obalu vyrobeného z látky, ktorá dobre odráža neutróny (napríklad berýlium). Neutróny sa odrážajú od tejto škrupiny a vracajú sa do uránu a môžu sa podieľať na jadrovom štiepení.

Existuje niekoľko ďalších faktorov, od ktorých závisí možnosť reťazovej reakcie. Napríklad, ak kúsok uránu obsahuje príliš veľa nečistôt iných chemických prvkov, potom absorbujú väčšinu neutrónov a reakcia sa zastaví.

Priebeh reakcie ovplyvňuje aj prítomnosť takzvaného moderátora neutrónov v uráne. Faktom je, že jadrá uránu-235 sa s najväčšou pravdepodobnosťou štiepia pôsobením pomalých neutrónov. Jadrové štiepenie produkuje rýchle neutróny. Ak sa rýchle neutróny spomalia, tak väčšinu z nich zachytia jadrá uránu-235 s následným štiepením týchto jadier. Ako moderátory sa používajú látky ako grafit, voda, ťažká voda (ktorá zahŕňa deutérium, izotop vodíka s hmotnostným číslom 2) a niektoré ďalšie. Tieto látky len spomaľujú neutróny, takmer bez toho, aby ich absorbovali.

Možnosť reťazovej reakcie je teda určená hmotnosťou uránu, množstvom nečistôt v ňom, prítomnosťou obalu a moderátora a niektorými ďalšími faktormi.

Kritická hmotnosť guľového kusu uránu-235 je približne 50 kg. Navyše, jeho polomer je iba 9 cm, pretože urán má veľmi vysokú hustotu.

Použitím moderátora a reflexného plášťa a znížením množstva nečistôt je možné znížiť kritickú hmotnosť uránu na 0,8 kg.

Otázky

1. Prečo sa jadrové štiepenie môže začať až vtedy, keď sa pôsobením absorbovaného neutrónu zdeformuje?
2. Čo vzniká v dôsledku jadrového štiepenia?
3. V akej energii prechádza časť vnútornej energie jadra pri jeho štiepení; kinetická energia úlomkov jadra uránu pri ich spomalení v prostredí?
4. Ako prebieha štiepna reakcia jadier uránu – s uvoľňovaním energie do okolia alebo naopak s absorpciou energie?
5. Opíšte mechanizmus reťazovej reakcie pomocou obrázku 163.
6. Aké je kritické množstvo uránu?
7. Je možné, aby došlo k reťazovej reakcii, ak je hmotnosť uránu menšia ako kritická? kritickejší? prečo?

Energia E uvoľnená pri štiepení sa zvyšuje so zvyšujúcim sa Z 2 /A. Hodnota Z2/A = 17 pre 89Y (ytrium). Tie. štiepenie je energeticky priaznivé pre všetky jadrá ťažšie ako ytrium. Prečo je väčšina jadier odolná voči spontánnemu štiepeniu? Na zodpovedanie tejto otázky je potrebné zvážiť mechanizmus delenia.

Počas štiepenia sa mení tvar jadra. Jadro postupne prechádza týmito štádiami (obr. 7.1): gulička, elipsoid, činka, dva úlomky hruškovitého tvaru, dva guľovité úlomky. Ako sa mení potenciálna energia jadra v rôznych štádiách štiepenia?
Počiatočné jadro so zväčšením r má podobu čoraz predĺženejšieho elipsoidu revolúcie. V tomto prípade je v dôsledku vývoja tvaru jadra zmena jeho potenciálnej energie určená zmenou súčtu povrchových a Coulombových energií Ep + E k. V tomto prípade sa povrchová energia zvyšuje, pretože sa zväčšuje povrch jadra. Coulombova energia klesá so zvyšujúcou sa priemernou vzdialenosťou medzi protónmi. Ak pri miernej deformácii, charakterizovanej malým parametrom, počiatočné jadro nadobudne tvar osovo symetrického elipsoidu, povrchová energia E" p a Coulombova energia E" k ako funkcie deformačného parametra sa menia takto:

V pomeroch (7,4 – 7,5) E n a E k sú povrchové a Coulombove energie počiatočného sféricky symetrického jadra.
V oblasti ťažkých jadier 2E n > Ek a súčet povrchových a Coulombových energií rastie so zvyšujúcou sa . Z (7.4) a (7.5) vyplýva, že pri malých deformáciách bráni nárast povrchovej energie ďalšej zmene tvaru jadra a tým aj štiepeniu.
Vzťah (7.5) platí pre malé kmene. Ak je deformácia taká veľká, že jadro nadobudne podobu činky, potom povrchové a Coulombove sily majú tendenciu jadro oddeliť a dať úlomkom guľovitý tvar. S postupným zvyšovaním deformácie jadra teda jeho potenciálna energia prechádza maximom. Graf povrchových a Coulombových energií jadra ako funkcie r je znázornený na obr. 7.2.

Prítomnosť potenciálnej bariéry zabraňuje okamžitému spontánnemu jadrovému štiepeniu. Aby sa jadro rozdelilo, je potrebné mu dodať energiu Q, ktorá presahuje výšku štiepnej bariéry H. Maximálna potenciálna energia štiepneho jadra E + H (napríklad zlata) na dva rovnaké fragmenty je ≈ 173 MeV a energia E uvoľnená pri štiepení je 132 MeV. Pri štiepení zlatého jadra je teda potrebné prekonať potenciálnu bariéru s výškou okolo 40 MeV.
Výška štiepnej bariéry H je tým väčšia, čím menší je pomer Coulombovej a povrchovej energie E k /E p v počiatočnom jadre. Tento pomer sa naopak zvyšuje so zvyšovaním deliaceho parametra Z2/A (7.3). Čím ťažšie je jadro, tým nižšia je výška štiepnej bariéry H, pretože parameter štiepenia za predpokladu, že Z je úmerné A, sa zvyšuje so zvyšujúcim sa hmotnostným číslom:

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

(7.6)

Ťažšie jadrá preto vo všeobecnosti potrebujú dodávať menej energie, aby spôsobili jadrové štiepenie.
Výška štiepnej bariéry zaniká pri 2E p – Ec = 0 (7,5). V tomto prípade

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

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

Podľa kapkového modelu teda jadrá so Z 2 /A > 49 nemôžu v prírode existovať, pretože by sa mali spontánne rozdeliť na dva fragmenty takmer okamžite v charakteristickom jadrovom čase rádovo 10–22 s. Závislosti tvaru a výšky potenciálovej bariéry H, ako aj štiepnej energie od hodnoty parametra Z 2 /A sú znázornené na obr. 7.3.

Ryža. 7.3. Radiálna závislosť tvaru a výšky potenciálovej bariéry a štiepnej energie E pri rôznych hodnotách parametra Z 2 /A. Hodnota E p + E k je vynesená na zvislej osi.

Spontánne jadrové štiepenie so 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 rokov pre 232 Th až 0,3 s pre 260 Rf.
Nútené jadrové štiepenie so 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.
Minimálna hodnota excitačnej energie zloženého jadra E* vzniknutého pri záchyte neutrónu sa rovná väzbovej energii neutrónu v tomto jadre ε n . Tabuľka 7.1 porovnáva výšku bariéry H a energiu väzby neutrónov ε n pre izotopy Th, U, Pu vytvorené po záchyte neutrónov. Väzbová energia neutrónu závisí od počtu neutrónov v jadre. V dôsledku párovej energie je väzbová energia párneho neutrónu väčšia ako väzbová energia nepárneho neutrónu.

Tabuľka 7.1

Výška štiepnej bariéry H, väzbová energia neutrónov ε n

izotop	Výška štiepnej bariéry H, MeV	izotop	Energia väzby neutrónov ε n
232	5.9	233 tis	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

Charakteristickým znakom štiepenia je, že fragmenty majú spravidla rôzne hmotnosti. V prípade najpravdepodobnejšieho štiepenia 235 U je hmotnostný pomer fragmentov v priemere ~1,5. Rozloženie hmotnosti štiepnych fragmentov 235 U tepelnými neutrónmi je znázornené na obr. 7.4. Pre najpravdepodobnejšie štiepenie má ťažký úlomok hmotnostné číslo 139, ľahký - 95. Medzi štiepnymi produktmi sú úlomky s A = 72 - 161 a Z = 30 - 65. Pravdepodobnosť štiepenia na dva úlomky rovnakej hmotnosti sa nerovná nule. Pri štiepení 235 U tepelnými neutrónmi je pravdepodobnosť symetrického štiepenia približne o tri rády nižšia ako v prípade najpravdepodobnejšieho štiepenia na fragmenty s A = 139 a 95.
Asymetrické štiepenie sa vysvetľuje štruktúrou obalu jadra. Jadro má tendenciu sa štiepiť takým spôsobom, že hlavná časť nukleónov každého fragmentu tvorí najstabilnejšie magické jadro.
Pomer počtu neutrónov k počtu protónov v jadre 235 U N/Z = 1,55, pričom pre stabilné izotopy s hmotnostným číslom blízkym hmotnostnému počtu fragmentov je tento pomer 1,25 − 1,45. Následne sa ukáže, že štiepne fragmenty sú silne preťažené neutrónmi a musia byť
β - rádioaktívne. Preto dochádza u štiepnych fragmentov k postupným β - rozpadom a náboj primárneho fragmentu sa môže zmeniť o 4 - 6 jednotiek. Nižšie je charakteristický reťazec rádioaktívnych rozpadov 97 Kr - jeden z fragmentov vytvorených počas štiepenia 235 U:

Excitácia fragmentov, spôsobená porušením pomeru počtu protónov a neutrónov, ktorý je charakteristický pre stabilné jadrá, je tiež odstránený v dôsledku emisie rýchlych štiepnych neutrónov. Tieto neutróny sú emitované pohyblivými fragmentmi v čase kratšom ako ~ 10 -14 s. Pri každom štiepnom prípade sú emitované v priemere 2 − 3 rýchle neutróny. Ich energetické spektrum je spojité s maximom okolo 1 MeV. Priemerná energia rýchleho neutrónu je blízka 2 MeV. Emisia viac ako jedného neutrónu pri každom štiepnom prípade umožňuje získať energiu prostredníctvom reťazovej reakcie jadrového štiepenia.
Pri najpravdepodobnejšom štiepení 235 U tepelnými neutrónmi získa ľahký fragment (A = 95) kinetickú energiu ≈ 100 MeV a ťažký (A = 139) asi 67 MeV. Celková kinetická energia fragmentov je teda ≈ 167 MeV. Celková energia štiepenia je v tomto prípade 200 MeV. Zvyšná energia (33 MeV) je teda rozdelená medzi ostatné štiepne produkty (neutróny, elektróny a antineutrína β - rozpad fragmentov, γ-žiarenie fragmentov a produkty ich rozpadu). Rozdelenie štiepnej energie medzi rôzne produkty počas štiepenia 235 U tepelnými neutrónmi je uvedené v tabuľke 7.2.

Tabuľka 7.2

Distribúcia štiepnej energie 235 U tepelných neutrónov

Produkty jadrového štiepenia (NF) sú komplexnou zmesou viac ako 200 rádioaktívnych izotopov 36 prvkov (od zinku po gadolínium). Väčšinu aktivity tvoria rádionuklidy s krátkou životnosťou. Po 7, 49 a 343 dňoch po výbuchu sa teda aktivita PND zníži 10, 100 a 1000-krát v porovnaní s aktivitou jednu hodinu po výbuchu. Výťažnosť biologicky najvýznamnejších rádionuklidov je uvedená v tabuľke 7.3. Rádioaktívnu kontamináciu spôsobujú okrem PND aj rádionuklidy indukovanej aktivity (3 H, 14 C, 28 Al, 24 Na, 56 Mn, 59 Fe, 60 Co atď.) a nerozdelená časť uránu a plutónia. Úloha indukovanej aktivity pri termonukleárnych výbuchoch je obzvlášť veľká.

Tabuľka 7.3

Uvoľnenie niektorých štiepnych produktov pri jadrovom výbuchu

Rádionuklid	Polovičný život	Výstup na divíziu, %	Aktivita na 1 Mt, 10 15 Bq
89Sr	50,5 dňa	2.56	590
90Sr	29,12 rokov	3.5	3.9
95 Zr	65 dní	5.07	920
103 Ru	41 dní	5.2	1500
106 Ru	365 dní	2.44	78
131 I	8,05 dňa	2.9	4200
136Cs	13,2 dňa	0.036	32
137Cs	30 rokov	5.57	5.9
140 Ba	12,8 dňa	5.18	4700
141Cs	32,5 dňa	4.58	1600
144Cs	288 dní	4.69	190
3H	12,3 rokov	0.01	2,6 10 -2

Pri jadrových výbuchoch v atmosfére značná časť zrážok (až 50 % pri pozemných výbuchoch) spadne v blízkosti testovacej oblasti. Časť rádioaktívnych látok sa zadržiava v spodnej časti atmosféry a pod vplyvom vetra sa pohybuje na veľké vzdialenosti, pričom zostáva približne na rovnakej zemepisnej šírke. Rádioaktívne látky, ktoré sú vo vzduchu asi mesiac, počas tohto pohybu postupne padajú na Zem. Väčšina rádionuklidov sa uvoľňuje do stratosféry (do výšky 10÷15 km), kde sú globálne rozptýlené a z veľkej časti sa rozpadávajú.
Rôzne prvky konštrukcie jadrových reaktorov majú vysokú aktivitu po celé desaťročia (tabuľka 7.4)

Tabuľka 7.4

Hodnoty špecifickej aktivity (Bq/t uránu) hlavných štiepnych produktov v palivových článkoch odstránených z reaktora po troch rokoch prevádzky

Rádionuklid	0	1 deň	120 dní	1 rok		10 rokov
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
95 Nb	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
140 la	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 hod	6. 77· 10 16	6. 70· 10 16	1. 65· 10 14	6. 11· 10 8
147 hod	7. 05 10 15	7. 05· 10 15	6. 78· 10 15	5. 68· 10 15	3. 35· 10 14

Štiepenie jadier uránu objavili v roku 1938 nemeckí vedci O. Hahn a F. Strassmann. Podarilo sa im zistiť, že pri bombardovaní jadier uránu neutrónmi vznikajú prvky strednej časti periodického systému: bárium, kryptón atď. Správnu interpretáciu tejto skutočnosti podali rakúsky fyzik L. Meitner a anglický fyzik O. Frisch. Vzhľad týchto prvkov vysvetlili rozpadom jadier uránu, ktoré zachytili neutrón, na dve približne rovnaké časti. Tento jav sa nazýva jadrové štiepenie a výsledné jadrá sa nazývajú štiepne fragmenty.

pozri tiež

1. Vasiliev, A. Štiepenie uránu: od Klaprotha po Gan, Kvant. - 2001. - č. 4. - S. 20-21.30 hod.

Kvapkový model jadra

Túto štiepnu reakciu možno vysvetliť na základe modelu kvapky jadra. V tomto modeli sa jadro považuje za kvapku elektricky nabitej nestlačiteľnej kvapaliny. Okrem jadrových síl pôsobiacich medzi všetkými nukleónmi jadra zažívajú protóny ďalšie elektrostatické odpudzovanie, vďaka čomu sa nachádzajú na periférii jadra. V neexcitovanom stave sú elektrostatické odpudzujúce sily kompenzované, takže jadro má guľovitý tvar (obr. 1a).

Po zachytení jadrom \(~^(235)_(92)U\) neutrónu vzniká intermediárne jadro \(~(^(236)_(92)U)^*\), ktoré je v excitovanom stave. V tomto prípade je energia neutrónov rovnomerne rozložená medzi všetky nukleóny a samotné stredné jadro sa deformuje a začína oscilovať. Ak je excitácia malá, potom jadro (obr. 1, b), oslobodzujúce sa od prebytočnej energie vyžarovaním γ -kvantový alebo neutrónový, vracia sa do stabilného stavu. Ak je excitačná energia dostatočne vysoká, potom môže byť deformácia jadra pri vibráciách taká veľká, že sa v ňom vytvorí zúženie (obr. 1c), podobné zúženiu medzi dvoma časťami štiepiacej sa kvapky kvapaliny. Jadrové sily pôsobiace v úzkom páse už nedokážu odolávať výraznej Coulombovej sile odpudzovania častí jadra. Zúženie sa zlomí a jadro sa rozpadne na dva „úlomky“ (obr. 1d), ktoré sa rozptýlia v opačných smeroch.

uran.swf Flash: Uranium Fission Zväčšiť Flash Obr. 2.

V súčasnosti je známych asi 100 rôznych izotopov s hmotnostnými číslami od asi 90 do 145, ktoré vznikajú štiepením tohto jadra. Dve typické štiepne reakcie tohto jadra majú tvar:

\(~^(235)_(92)U + \ ^1_0n \ ^(\nearrow)_(\searrow) \ \začiatok(matica) ^(144)_(56)Ba + \ ^(89)_(36)Kr + \ 3^1_0n \\ ^(140) +^2)_(54) (54) \end(matica)\) .

Všimnite si, že v dôsledku jadrového štiepenia iniciovaného neutrónom vznikajú nové neutróny, ktoré môžu spôsobiť štiepne reakcie v iných jadrách. Produktmi štiepenia jadier uránu-235 môžu byť aj iné izotopy bária, xenónu, stroncia, rubídia atď.

Pri štiepení jadier ťažkých atómov (\(~^(235)_(92)U\)) sa uvoľňuje veľmi veľká energia - asi 200 MeV pri štiepení každého jadra. Asi 80 % tejto energie sa uvoľní vo forme kinetickej energie fragmentov; zvyšných 20 % pripadá na energiu rádioaktívneho žiarenia fragmentov a kinetickú energiu rýchlych neutrónov.

Energiu uvoľnenú počas jadrového štiepenia možno odhadnúť pomocou špecifickej väzbovej energie nukleónov v jadre. Špecifická väzbová energia nukleónov v jadrách s hmotnostným číslom A≈ 240 rádovo 7,6 MeV/nukleón, zatiaľ čo v jadrách s hmotnostnými číslami A= 90 – 145 špecifická energia sa približne rovná 8,5 MeV/nukleón. Preto štiepenie jadra uránu uvoľňuje energiu rádovo 0,9 MeV/nukleón alebo približne 210 MeV na atóm uránu. Pri úplnom štiepení všetkých jadier obsiahnutých v 1 g uránu sa uvoľní rovnaká energia ako pri spaľovaní 3 ton uhlia alebo 2,5 tony ropy.

pozri tiež

1. Varlamov A.A. Kvapkový model jadra // Kvant. - 1986. - č. 5. - S. 23-24

Reťazová reakcia

Reťazová reakcia- jadrová reakcia, pri ktorej vznikajú častice spôsobujúce reakciu ako produkty tejto reakcie.

Pri štiepení jadra uránu-235, ktoré je spôsobené zrážkou s neutrónom, sa uvoľnia 2 alebo 3 neutróny. Za priaznivých podmienok môžu tieto neutróny zasiahnuť iné jadrá uránu a spôsobiť ich štiepenie. V tejto fáze sa už objaví 4 až 9 neutrónov schopných spôsobiť nové rozpady jadier uránu atď. Takýto lavínovitý proces sa nazýva reťazová reakcia. Schéma vývoja reťazovej reakcie štiepenia jadier uránu je znázornená na obr. 3.

reakcia.swf Flash: reťazová reakcia Zväčšiť Flash Obr. 4.

Urán sa v prírode vyskytuje vo forme dvoch izotopov \[~^(238)_(92)U\] (99,3%) a \(~^(235)_(92)U\) (0,7%). Pri bombardovaní neutrónmi sa jadrá oboch izotopov môžu rozdeliť na dva fragmenty. V tomto prípade štiepna reakcia \(~^(235)_(92)U\) prebieha najintenzívnejšie na pomalých (tepelných) neutrónoch, kým jadrá \(~^(238)_(92)U\) vstupujú do štiepnej reakcie len s rýchlymi neutrónmi s energiou rádovo 1 MeV. V opačnom prípade je excitačná energia vytvorených jadier \(~^(239)_(92)U\) nedostatočná na štiepenie a potom namiesto štiepenia dochádza k jadrovým reakciám:

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

Izotop uránu \(~^(238)_(92)U\) β -rádioaktívny, polčas rozpadu 23 min. Izotop neptúnia \(~^(239)_(93)Np\) je tiež rádioaktívny, s polčasom rozpadu približne 2 dni.

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

Izotop plutónia \(~^(239)_(94)Np\) je relatívne stabilný, s polčasom rozpadu 24 000 rokov. Najdôležitejšou vlastnosťou plutónia je, že je pod vplyvom neutrónov štiepne rovnakým spôsobom ako \(~^(235)_(92)U\). Preto je možné pomocou \(~^(239)_(94)Np\) uskutočniť reťazovú reakciu.

Schéma reťazovej reakcie diskutovaná vyššie je ideálnym prípadom. V reálnych podmienkach sa nie všetky neutróny vznikajúce pri štiepení podieľajú na štiepení iných jadier. Niektoré z nich zachytia neštiepne jadrá cudzích atómov, iné vyletia z uránu (únik neutrónov).

Preto reťazová reakcia štiepenia ťažkých jadier nenastáva vždy a nie pre akúkoľvek hmotnosť uránu.

Neutrónový multiplikačný faktor

Vývoj reťazovej reakcie je charakterizovaný takzvaným multiplikačným faktorom neutrónov TO, ktorý sa meria pomerom čísla N i neutrónov, ktoré spôsobujú jadrové štiepenie hmoty v jednom zo štádií reakcie, na počet N i-1 neutróny, ktoré spôsobili štiepenie v predchádzajúcej fáze reakcie:

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

Multiplikačný faktor závisí od mnohých faktorov, najmä od povahy a množstva štiepneho materiálu a od geometrického tvaru objemu, ktorý zaberá. Rovnaké množstvo danej látky má inú hodnotu TO. TO maximálne, ak má látka guľový tvar, pretože v tomto prípade bude strata rýchlych neutrónov cez povrch najmenšia.

Hmotnosť štiepneho materiálu, v ktorom reťazová reakcia prebieha s multiplikačným faktorom TO= 1 sa nazýva kritická hmotnosť. V malých kúskoch uránu väčšina neutrónov vyletí bez toho, aby zasiahli akékoľvek jadro.

Hodnota kritickej hmotnosti je určená geometriou fyzikálneho systému, jeho štruktúrou a vonkajším prostredím. Takže pre guľu čistého uránu \(~^(235)_(92)U\) je kritická hmotnosť 47 kg (guľa s priemerom 17 cm). Kritická hmotnosť uránu sa môže mnohonásobne znížiť, ak sa použijú takzvané moderátory neutrónov. Faktom je, že neutróny vznikajúce pri rozpade jadier uránu majú príliš vysoké rýchlosti a pravdepodobnosť zachytenia pomalých neutrónov jadrami uránu-235 je stokrát väčšia ako u rýchlych. Najlepším moderátorom neutrónov je ťažká voda D 2 O. Pri interakcii s neutrónmi sa obyčajná voda sama mení na ťažkú ​​vodu.

Dobrým moderátorom je aj grafit, ktorého jadrá nepohlcujú neutróny. Pri pružnej interakcii s deutériom alebo uhlíkovými jadrami sa neutróny spomalia na tepelné rýchlosti.

Použitie neutrónových moderátorov a špeciálneho berýliového obalu, ktorý odráža neutróny, umožňuje znížiť kritickú hmotnosť na 250 g.

S multiplikačným faktorom TO= 1 počet štiepnych jadier sa udržiava na konštantnej úrovni. Tento režim sa poskytuje v jadrových reaktoroch.

Ak je hmotnosť jadrového paliva menšia ako kritická hmotnosť, potom multiplikačný faktor TO < 1; каждое новое поколение вызывает все меньшее и меньшее число делений, и реакция без внешнего источника нейтронов быстро затухает.

Ak je hmotnosť jadrového paliva väčšia ako kritická, potom multiplikačný faktor TO> 1 a každá nová generácia neutrónov spôsobuje rastúci počet štiepení. Reťazová reakcia rastie ako lavína a má charakter výbuchu, sprevádzaného obrovským uvoľnením energie a zvýšením teploty okolia na niekoľko miliónov stupňov. K reťazovej reakcii tohto druhu dochádza pri výbuchu atómovej bomby.

Atómová bomba

V normálnom stave jadrová bomba nevybuchne, pretože jadrový náboj v nej je rozdelený na niekoľko malých častí prepážkami, ktoré pohlcujú produkty rozpadu uránu – neutróny. Jadrová reťazová reakcia, ktorá spôsobí jadrový výbuch, sa za takýchto podmienok nedá udržať. Ak sa však fragmenty jadrovej nálože spoja, ich celková hmotnosť bude dostatočná na to, aby sa začala rozvíjať reťazová reakcia štiepenia uránu. Výsledkom je jadrový výbuch. Zároveň je sila výbuchu vyvinutá relatívne malou jadrovou bombou ekvivalentná sile uvoľnenej pri výbuchu miliónov a miliárd ton TNT.

Ryža. 5. Atómová bomba