Ang nuclear fission ay ang paghahati ng isang mabigat na atom sa dalawang fragment ng humigit-kumulang pantay na masa, na sinamahan ng paglabas ng isang malaking halaga ng enerhiya.
Ang pagtuklas ng nuclear fission ay nagsimula ng isang bagong panahon - ang "atomic age". Ang potensyal ng posibleng paggamit nito at ang ratio ng panganib upang makinabang mula sa paggamit nito ay hindi lamang nakabuo ng maraming sosyolohikal, pampulitika, pang-ekonomiya at pang-agham na mga tagumpay, kundi pati na rin ang mga seryosong problema. Kahit na mula sa isang purong pang-agham na pananaw, ang proseso ng nuclear fission ay lumikha ng isang malaking bilang ng mga palaisipan at komplikasyon, at ang buong teoretikal na paliwanag nito ay isang bagay sa hinaharap.
Ang pagbabahagi ay kumikita
Ang mga nagbubuklod na enerhiya (bawat nucleon) ay naiiba para sa iba't ibang nuclei. Ang mga mas mabibigat ay may mas mababang binding energies kaysa sa mga nasa gitna ng periodic table.
Nangangahulugan ito na para sa mabibigat na nuclei na may atomic number na higit sa 100, ito ay kapaki-pakinabang na hatiin sa dalawang mas maliit na mga fragment, sa gayon ay naglalabas ng enerhiya, na na-convert sa kinetic energy ng mga fragment. Ang prosesong ito ay tinatawag na paghahati
Ayon sa curve ng katatagan, na nagpapakita ng pag-asa ng bilang ng mga proton sa bilang ng mga neutron para sa mga matatag na nuclides, mas gusto ng mas mabibigat na nuclei ang mas maraming neutron (kumpara sa bilang ng mga proton) kaysa sa mas magaan. Iminumungkahi nito na kasama ang proseso ng paghahati, ang ilang "mga ekstrang" neutron ay ilalabas. Bilang karagdagan, kukuha din sila ng ilan sa inilabas na enerhiya. Ang pag-aaral ng nuclear fission ng uranium atom ay nagpakita na 3-4 na neutron ang pinakawalan: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.
Ang atomic number (at atomic mass) ng fragment ay hindi katumbas ng kalahati ng atomic mass ng magulang. Ang pagkakaiba sa pagitan ng mga masa ng mga atomo na nabuo bilang resulta ng paghahati ay karaniwang mga 50. Totoo, ang dahilan para dito ay hindi pa ganap na malinaw.
Ang mga nagbubuklod na enerhiya ng 238 U, 145 La, at 90 Br ay 1803, 1198, at 763 MeV, ayon sa pagkakabanggit. Nangangahulugan ito na bilang isang resulta ng reaksyong ito, ang enerhiya ng fission ng uranium nucleus ay inilabas, katumbas ng 1198 + 763-1803 = 158 MeV.
Kusang paghahati
Ang mga proseso ng kusang paghahati ay kilala sa kalikasan, ngunit ang mga ito ay napakabihirang. Ang average na buhay ng prosesong ito ay humigit-kumulang 10 17 taon, at, halimbawa, ang average na buhay ng alpha decay ng parehong radionuclide ay humigit-kumulang 10 11 taon.
Ang dahilan para dito ay upang mahati sa dalawang bahagi, ang nucleus ay dapat munang ma-deform (mag-unat) sa isang ellipsoidal na hugis, at pagkatapos, bago tuluyang mahati sa dalawang fragment, bumuo ng isang "leeg" sa gitna.
Potensyal na Harang
Sa deformed state, dalawang pwersa ang kumikilos sa core. Ang isa ay ang tumaas na enerhiya sa ibabaw (ang pag-igting sa ibabaw ng isang likidong patak ay nagpapaliwanag sa spherical na hugis nito), at ang isa pa ay ang Coulomb repulsion sa pagitan ng mga fission fragment. Magkasama silang gumagawa ng isang potensyal na hadlang.
Tulad ng kaso ng alpha decay, para mangyari ang kusang fission ng uranium atom nucleus, dapat malampasan ng mga fragment ang hadlang na ito gamit ang quantum tunneling. Ang hadlang ay humigit-kumulang 6 MeV, tulad ng kaso ng alpha decay, ngunit ang posibilidad ng pag-tunnel ng isang alpha particle ay mas malaki kaysa sa mas mabigat na atom fission na produkto.
sapilitang paghahati
Mas malamang ay ang sapilitan na fission ng uranium nucleus. Sa kasong ito, ang parent nucleus ay na-irradiated ng mga neutron. Kung ang magulang ay sumisipsip nito, sila ay nagbibigkis, na naglalabas ng nagbubuklod na enerhiya sa anyo ng vibrational energy na maaaring lumampas sa 6 MeV na kinakailangan upang madaig ang potensyal na hadlang.
Kung ang enerhiya ng karagdagang neutron ay hindi sapat upang mapagtagumpayan ang potensyal na hadlang, ang insidente na neutron ay dapat na may pinakamababang kinetic energy upang magawa ang paghahati ng isang atom. Sa kaso ng 238 U, ang nagbubuklod na enerhiya ng karagdagang mga neutron ay halos 1 MeV na maikli. Nangangahulugan ito na ang fission ng uranium nucleus ay naiimpluwensyahan lamang ng isang neutron na may kinetic energy na higit sa 1 MeV. Sa kabilang banda, ang 235 U isotope ay may isang hindi pares na neutron. Kapag ang nucleus ay sumisipsip ng karagdagang isa, ito ay bumubuo ng isang pares kasama nito, at bilang resulta ng pagpapares na ito, ang karagdagang nagbubuklod na enerhiya ay lilitaw. Ito ay sapat na upang palabasin ang dami ng enerhiya na kinakailangan para sa nucleus upang madaig ang potensyal na hadlang at ang isotope fission ay nangyayari sa pagbangga sa anumang neutron.
pagkabulok ng beta
Kahit na ang reaksyon ng fission ay naglalabas ng tatlo o apat na neutron, ang mga fragment ay naglalaman pa rin ng mas maraming neutron kaysa sa kanilang mga matatag na isobar. Nangangahulugan ito na ang mga cleavage fragment ay karaniwang hindi matatag laban sa beta decay.
Halimbawa, kapag nangyari ang uranium 238U fission, ang stable isobar na may A = 145 ay neodymium 145Nd, na nangangahulugan na ang lanthanum 145La fragment ay nabubulok sa tatlong hakbang, sa bawat oras na naglalabas ng isang electron at isang antineutrino, hanggang sa mabuo ang isang stable na nuclide. Ang stable isobar na may A = 90 ay zirconium 90 Zr; samakatuwid, ang bromine 90 Br splitting fragment ay nabubulok sa limang yugto ng β-decay chain.
Ang mga β-decay chain na ito ay naglalabas ng karagdagang enerhiya, na halos lahat ay dinadala ng mga electron at antineutrino.
Mga reaksyong nuklear: fission ng uranium nuclei
Direktang pagpapalabas ng isang neutron mula sa isang nuclide na may napakaraming mga ito upang matiyak na ang katatagan ng nucleus ay hindi malamang. Ang punto dito ay walang Coulomb repulsion, at sa gayon ang enerhiya sa ibabaw ay may posibilidad na panatilihin ang neutron sa bono sa magulang. Gayunpaman, kung minsan ito ay nangyayari. Halimbawa, ang isang 90 Br fission fragment sa unang yugto ng beta decay ay gumagawa ng krypton-90, na maaaring nasa isang excited na estado na may sapat na enerhiya upang madaig ang enerhiya sa ibabaw. Sa kasong ito, ang paglabas ng mga neutron ay maaaring mangyari nang direkta sa pagbuo ng krypton-89. hindi pa rin matatag sa pagkabulok ng β hanggang sa ito ay maging matatag na yttrium-89, upang ang krypton-89 ay nabubulok sa tatlong hakbang.
Fission ng uranium nuclei: isang chain reaction
Ang mga neutron na ibinubuga sa reaksyon ng fission ay maaaring masipsip ng isa pang parent nucleus, na pagkatapos ay sumasailalim sa sapilitan na fission. Sa kaso ng uranium-238, ang tatlong neutron na ginawa ay lumalabas na may enerhiya na mas mababa sa 1 MeV (ang enerhiya na inilabas sa panahon ng fission ng uranium nucleus - 158 MeV - ay pangunahing na-convert sa kinetic energy ng mga fragment ng fission. ), kaya hindi sila maaaring maging sanhi ng karagdagang fission ng nuclide na ito. Gayunpaman, sa isang makabuluhang konsentrasyon ng bihirang isotope 235 U, ang mga libreng neutron na ito ay maaaring makuha ng 235 U nuclei, na maaari talagang maging sanhi ng fission, dahil sa kasong ito ay walang energy threshold sa ibaba kung saan ang fission ay hindi naiimpluwensyahan.
Ito ang prinsipyo ng isang chain reaction.
Mga uri ng mga reaksyong nuklear
Hayaang k ang bilang ng mga neutron na ginawa sa isang sample ng fissile material sa stage n ng chain na ito, na hinati sa bilang ng mga neutron na ginawa sa stage n - 1. Ang bilang na ito ay depende sa kung gaano karaming mga neutron na ginawa sa stage n - 1 ang nasisipsip sa pamamagitan ng nucleus, na maaaring piliting hatiin.
Kung ang 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.
Kung k > 1, lalago ang chain reaction hanggang sa magamit ang lahat ng fissile material. Ito ay nakakamit sa pamamagitan ng pagpapayaman ng natural na ore upang makakuha ng sapat na malaking konsentrasyon ng uranium-235. Para sa isang spherical sample, ang halaga ng k ay tumataas na may pagtaas sa posibilidad ng pagsipsip ng neutron, na nakasalalay sa radius ng globo. Samakatuwid, ang mass U ay dapat lumampas sa isang tiyak na halaga upang mangyari ang fission ng uranium nuclei (chain reaction).
Kung k = 1, pagkatapos ay isang kontroladong reaksyon ang magaganap. Ginagamit ito sa mga nuclear reactor. Ang proseso ay kinokontrol sa pamamagitan ng pamamahagi ng cadmium o boron rods sa uranium, na sumisipsip ng karamihan sa mga neutron (ang mga elementong ito ay may kakayahang kumuha ng mga neutron). Ang fission ng uranium nucleus ay awtomatikong kinokontrol sa pamamagitan ng paggalaw ng mga rod sa paraan na ang halaga ng k ay nananatiling katumbas ng isa.
Ang fission ng uranium nuclei sa pamamagitan ng pagbomba sa kanila ng mga neutron ay natuklasan noong 1939 ng mga German scientist na sina Otto Hahn at Fritz Strassmann.
Otto Hahn (1879-1968)
German physicist, pioneering scientist sa larangan ng radiochemistry. Natuklasan ang fission ng uranium, isang bilang ng mga radioactive na elemento
Fritz Strassmann (1902-1980)
German physicist at chemist. Ang mga gawa ay nauugnay sa nuclear chemistry, nuclear fission. Nagbigay ng kemikal na patunay sa proseso ng fission
Isaalang-alang natin ang mekanismo ng hindi pangkaraniwang bagay na ito. Figure 162, isang conventionally inilalarawan ang nucleus ng isang atom uranium. Ang pagkakaroon ng pagsipsip ng dagdag na neutron, ang nucleus ay nasasabik at nababago, na nakakakuha ng isang pinahabang hugis (Larawan 162, b).
kanin. 162. Ang proseso ng fission ng isang uranium nucleus sa ilalim ng impluwensya ng isang neutron na nahulog dito
Alam mo na na dalawang uri ng pwersa ang kumikilos sa nucleus: electrostatic repulsive forces sa pagitan ng mga proton, na may posibilidad na masira ang nucleus, at nuclear attractive forces sa pagitan ng lahat ng nucleon, dahil sa kung saan ang nucleus ay hindi nabubulok. Ngunit ang mga puwersang nuklear ay maikli, samakatuwid, sa isang pinahabang nucleus, hindi na nila mahawakan ang mga bahagi ng nucleus na napakalayo sa isa't isa. Sa ilalim ng pagkilos ng electrostatic repulsive forces, ang nucleus ay napunit sa dalawang bahagi (Fig. 162, c), na nakakalat sa iba't ibang direksyon na may mahusay na bilis at naglalabas ng 2-3 neutrons.
Lumalabas na ang bahagi ng panloob na enerhiya ng nucleus ay na-convert sa kinetic energy ng mga lumilipad na fragment at particle. Ang mga fragment ay mabilis na nagpapabagal sa kapaligiran, bilang isang resulta kung saan ang kanilang kinetic energy ay na-convert sa panloob na enerhiya ng daluyan (i.e., sa enerhiya ng pakikipag-ugnayan at thermal motion ng mga nasasakupang particle nito).
Sa sabay-sabay na fission ng isang malaking bilang ng uranium nuclei, ang panloob na enerhiya ng medium na nakapalibot sa uranium at, nang naaayon, ang temperatura nito ay kapansin-pansing tumaas (i.e., ang medium ay uminit).
Kaya, ang reaksyon ng fission ng uranium nuclei ay napupunta sa paglabas ng enerhiya sa kapaligiran.
Ang enerhiya na nakapaloob sa nuclei ng mga atom ay napakalaki. Halimbawa, sa kumpletong fission ng lahat ng nuclei na nasa 1 g ng uranium, ang parehong halaga ng enerhiya ay ilalabas tulad ng inilabas sa panahon ng pagkasunog ng 2.5 tonelada ng langis. Upang i-convert ang panloob na enerhiya ng atomic nuclei sa elektrikal na enerhiya, ginagamit ng mga nuclear power plant ang tinatawag na nuclear fission chain reactions.
Isaalang-alang natin ang mekanismo ng chain reaction ng nuclear fission ng uranium isotope. Ang nucleus ng uranium atom (Fig. 163) bilang resulta ng pagkuha ng isang neutron ay nahahati sa dalawang bahagi, habang naglalabas ng tatlong neutron. Dalawa sa mga neutron na ito ang naging sanhi ng reaksyon ng fission ng dalawa pang nuclei, kaya gumagawa ng apat na neutron. Ang mga ito naman ay naging sanhi ng fission ng apat na nuclei, pagkatapos ay nabuo ang siyam na neutron, atbp.
Ang isang chain reaction ay posible dahil sa ang katunayan na sa panahon ng fission ng bawat nucleus, 2-3 neutrons ay nabuo, na maaaring makilahok sa fission ng iba pang mga nuclei.
Ang Figure 163 ay nagpapakita ng isang diagram ng isang chain reaction kung saan ang kabuuang bilang ng mga libreng neutron sa isang piraso ng uranium ay tumataas tulad ng isang avalanche sa paglipas ng panahon. Kaugnay nito, ang bilang ng mga nuclear fission at ang enerhiya na inilabas sa bawat yunit ng oras ay tumaas nang husto. Samakatuwid, ang gayong reaksyon ay sumasabog (ito ay nagaganap sa isang atomic bomb).
kanin. 163. Chain reaction ng fission ng uranium nuclei
Posible ang isa pang pagpipilian, kung saan ang bilang ng mga libreng neutron ay bumababa sa paglipas ng panahon. Sa kasong ito, hihinto ang chain reaction. Samakatuwid, ang gayong reaksyon ay hindi rin magagamit upang makabuo ng kuryente.
Para sa mapayapang layunin, posibleng gamitin lamang ang enerhiya ng naturang chain reaction kung saan ang bilang ng mga neutron ay hindi nagbabago sa paglipas ng panahon.
Paano masisiguro na ang bilang ng mga neutron ay nananatiling pare-pareho sa lahat ng oras? Upang malutas ang problemang ito, kinakailangang malaman kung anong mga salik ang nakakaimpluwensya sa pagtaas at pagbaba sa kabuuang bilang ng mga libreng neutron sa isang piraso ng uranium kung saan nagaganap ang isang chain reaction.
Ang isang kadahilanan ay ang masa ng uranium. Ang katotohanan ay hindi lahat ng neutron na ibinubuga sa panahon ng nuclear fission ay nagiging sanhi ng fission ng iba pang nuclei (tingnan ang Fig. 163). Kung ang masa (at, nang naaayon, ang sukat) ng isang piraso ng uranium ay masyadong maliit, kung gayon maraming mga neutron ang lilipad mula dito, na walang oras upang matugunan ang nucleus sa kanilang daan, maging sanhi ng fission nito at sa gayon ay makabuo ng isang bagong henerasyon ng mga neutron na kinakailangan upang ipagpatuloy ang reaksyon. Sa kasong ito, titigil ang chain reaction. Upang magpatuloy ang reaksyon, kinakailangan upang madagdagan ang masa ng uranium sa isang tiyak na halaga, na tinatawag na mapanganib.
Bakit nagiging posible ang isang chain reaction sa pagtaas ng masa? Kung mas malaki ang masa ng isang piraso, mas malaki ang mga sukat nito at mas mahaba ang landas na dinadaanan ng mga neutron dito. Sa kasong ito, ang posibilidad ng mga neutron na nakakatugon sa nuclei ay tumataas. Alinsunod dito, ang bilang ng mga nuclear fission at ang bilang ng mga emitted neutron ay tumaas.
Sa isang kritikal na masa ng uranium, ang bilang ng mga neutron na lumitaw sa panahon ng fission ng nuclei ay magiging katumbas ng bilang ng mga nawawalang neutron (ibig sabihin, nakuha ng nuclei nang walang fission at lumilipad palabas ng piraso).
Samakatuwid, ang kanilang kabuuang bilang ay nananatiling hindi nagbabago. Sa kasong ito, ang chain reaction ay maaaring magpatuloy nang mahabang panahon, nang walang tigil at walang nakakakuha ng isang paputok na karakter.
- Ang pinakamaliit na masa ng uranium kung saan posible ang isang chain reaction ay tinatawag na critical mass.
Kung ang masa ng uranium ay higit sa kritikal, kung gayon bilang isang resulta ng isang matalim na pagtaas sa bilang ng mga libreng neutron, ang reaksyon ng kadena ay humahantong sa isang pagsabog, at kung ito ay mas mababa sa kritikal, kung gayon ang reaksyon ay hindi nagpapatuloy dahil sa isang kakulangan ng mga libreng neutron.
Posibleng bawasan ang pagkawala ng mga neutron (na lumilipad palabas ng uranium nang hindi tumutugon sa nuclei) hindi lamang sa pamamagitan ng pagtaas ng masa ng uranium, kundi pati na rin sa pamamagitan ng paggamit ng isang espesyal na reflective shell. Upang gawin ito, ang isang piraso ng uranium ay inilalagay sa isang shell na gawa sa isang sangkap na nagpapakita ng mabuti sa mga neutron (halimbawa, beryllium). Sinasalamin mula sa shell na ito, ang mga neutron ay bumalik sa uranium at maaaring makilahok sa nuclear fission.
Mayroong ilang iba pang mga kadahilanan kung saan nakasalalay ang posibilidad ng isang chain reaction. Halimbawa, kung ang isang piraso ng uranium ay naglalaman ng napakaraming mga impurities ng iba pang mga elemento ng kemikal, kung gayon ang mga ito ay sumisipsip ng karamihan sa mga neutron at huminto ang reaksyon.
Ang pagkakaroon ng tinatawag na neutron moderator sa uranium ay nakakaapekto rin sa kurso ng reaksyon. Ang katotohanan ay ang nuclei ng uranium-235 ay malamang na mag-fission sa ilalim ng pagkilos ng mga mabagal na neutron. Ang nuclear fission ay gumagawa ng mabilis na mga neutron. Kung ang mga mabilis na neutron ay pinabagal, kung gayon ang karamihan sa kanila ay mahuhuli ng uranium-235 nuclei na may kasunod na fission ng mga nuclei na ito. Ang mga sangkap tulad ng grapayt, tubig, mabigat na tubig (na kinabibilangan ng deuterium, isang isotope ng hydrogen na may mass number na 2), at ilang iba pa ay ginagamit bilang mga moderator. Ang mga sangkap na ito ay nagpapabagal lamang sa mga neutron, halos hindi sinisipsip ang mga ito.
Kaya, ang posibilidad ng isang chain reaction ay tinutukoy ng masa ng uranium, ang dami ng mga impurities sa loob nito, ang pagkakaroon ng isang shell at isang moderator, at ilang iba pang mga kadahilanan.
Ang kritikal na masa ng isang spherical na piraso ng uranium-235 ay humigit-kumulang 50 kg. Bukod dito, ang radius nito ay 9 cm lamang, dahil ang uranium ay may napakataas na density.
Sa pamamagitan ng paggamit ng isang moderator at isang reflective shell at pagbabawas ng dami ng mga impurities, posible na bawasan ang kritikal na masa ng uranium sa 0.8 kg.
Mga tanong
- Bakit ang nuclear fission ay maaaring magsimula lamang kapag ito ay deformed sa ilalim ng pagkilos ng hinihigop na neutron?
- Ano ang nabuo bilang resulta ng nuclear fission?
- Sa anong enerhiya pumasa ang isang bahagi ng panloob na enerhiya ng nucleus sa panahon ng fission nito; kinetic energy ng mga fragment ng uranium nucleus sa panahon ng kanilang deceleration sa kapaligiran?
- Paano nagpapatuloy ang reaksyon ng fission ng uranium nuclei - sa paglabas ng enerhiya sa kapaligiran o, sa kabaligtaran, sa pagsipsip ng enerhiya?
- Ilarawan ang mekanismo ng isang chain reaction gamit ang Figure 163.
- Ano ang kritikal na masa ng uranium?
- Posible bang magkaroon ng chain reaction kung ang masa ng uranium ay mas mababa kaysa sa kritikal; mas kritikal? Bakit?
Ang enerhiya na inilabas sa panahon ng fission ay tumataas sa pagtaas ng Z 2 /A. Ang halaga ng Z 2 /A = 17 para sa 89 Y (yttrium). Yung. Ang fission ay masigasig na pabor para sa lahat ng nuclei na mas mabigat kaysa sa yttrium. Bakit ang karamihan sa mga nuclei ay lumalaban sa spontaneous fission? Upang masagot ang tanong na ito, kinakailangang isaalang-alang ang mekanismo ng paghahati.
Sa panahon ng fission, nagbabago ang hugis ng nucleus. Ang nucleus ay sunud-sunod na dumadaan sa mga sumusunod na yugto (Larawan 7.1): isang bola, isang ellipsoid, isang dumbbell, dalawang mga fragment na hugis peras, dalawang mga spherical na fragment. Paano nagbabago ang potensyal na enerhiya ng nucleus sa iba't ibang yugto ng fission?
Paunang core na may magnification r tumatagal ang anyo ng isang lalong pinahabang ellipsoid ng rebolusyon. Sa kasong ito, dahil sa ebolusyon ng hugis ng nucleus, ang pagbabago sa potensyal na enerhiya nito ay tinutukoy ng pagbabago sa kabuuan ng ibabaw at Coulomb energies E p + E k. Sa kasong ito, ang enerhiya sa ibabaw ay tumataas, dahil ang ibabaw na lugar ng nucleus ay tumataas. Bumababa ang enerhiya ng Coulomb habang tumataas ang average na distansya sa pagitan ng mga proton. Kung, na may bahagyang pagpapapangit, na nailalarawan sa pamamagitan ng isang maliit na parameter , ang paunang core ay tumatagal sa anyo ng isang axially symmetric ellipsoid, ang enerhiya sa ibabaw E" p at ang enerhiya ng Coulomb E" k bilang mga function ng pagbabago ng parameter ng pagpapapangit tulad ng sumusunod:
Sa mga ratio (7.4–7.5) E n at E k ay ang surface at Coulomb energies ng inisyal na spherically symmetric nucleus.
Sa rehiyon ng mabibigat na nuclei, 2E n > Ek, at ang kabuuan ng ibabaw at Coulomb na enerhiya ay tumataas sa pagtaas . Ito ay sumusunod mula sa (7.4) at (7.5) na, sa mga maliliit na deformation, ang pagtaas ng enerhiya sa ibabaw ay pumipigil sa karagdagang pagbabago sa hugis ng nucleus at, dahil dito, ang fission.
Ang kaugnayan (7.5) ay may bisa para sa maliliit na mga strain . Kung ang pagpapapangit ay napakalaki na ang nucleus ay tumatagal ng anyo ng isang dumbbell, kung gayon ang ibabaw at ang mga puwersa ng Coulomb ay may posibilidad na paghiwalayin ang nucleus at bigyan ang mga fragment ng isang spherical na hugis. Kaya, na may unti-unting pagtaas sa pagpapapangit ng nucleus, ang potensyal na enerhiya nito ay dumadaan sa isang maximum. Ang plot ng surface at Coulomb energies ng nucleus bilang function ng r ay ipinapakita sa fig. 7.2.
Ang pagkakaroon ng isang potensyal na hadlang ay pumipigil sa biglaang kusang nuclear fission. Upang mahati ang nucleus, kailangan itong bigyan ng enerhiya na Q na lumampas sa taas ng fission barrier H. Ang maximum na potensyal na enerhiya ng fissile nucleus E + H (halimbawa, ginto) sa dalawang magkaparehong fragment ay ≈ 173 MeV , at ang enerhiyang E na inilabas sa panahon ng fission ay 132 MeV . Kaya, sa panahon ng fission ng gold nucleus, kinakailangan upang mapagtagumpayan ang isang potensyal na hadlang na may taas na humigit-kumulang 40 MeV.
Ang taas ng fission barrier H ay mas malaki, mas maliit ang ratio ng Coulomb at surface energies E hanggang /E p sa paunang nucleus. Ang ratio na ito, sa turn, ay tumataas na may pagtaas sa division parameter Z 2 /A (7.3). Ang mas mabigat na nucleus, mas mababa ang taas ng fission barrier H, dahil ang fission parameter, sa pag-aakalang Z ay proporsyonal sa A, ay tumataas sa pagtaas ng mass number:
| E k / E p \u003d (a 3 Z 2) / (a 2 A) ~ A. | (7.6) |
Samakatuwid, ang mas mabibigat na nuclei sa pangkalahatan ay kailangang mabigyan ng mas kaunting enerhiya upang maging sanhi ng nuclear fission.
Ang taas ng fission barrier ay naglalaho sa 2E p – Ec = 0 (7.5). Sa kasong ito
2E p / E k \u003d 2 (a 2 A) / (a 3 Z 2),
Z 2 /A \u003d 2a 2 / (a 3 Z 2) ≈ 49.
Kaya, ayon sa drop model, ang nuclei na may Z 2 /A > 49 ay hindi maaaring umiral sa kalikasan, dahil dapat silang kusang nahati sa dalawang fragment halos agad-agad sa isang katangiang nuklear na oras ng pagkakasunud-sunod ng 10-22 s. Ang mga dependences ng hugis at taas ng potensyal na hadlang H, pati na rin ang enerhiya ng fission, sa halaga ng parameter Z 2 / A ay ipinapakita sa Fig. 7.3.
kanin. 7.3. Radial dependence ng hugis at taas ng potensyal na hadlang at ang fission energy E sa iba't ibang halaga ng parameter Z 2 /A. Ang halaga ng E p + E k ay naka-plot sa vertical axis.
Kusang nuclear fission na may 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 taon para sa 232 Th hanggang 0.3 s para sa 260 Rf.
Sapilitang nuclear fission na may 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.
Ang pinakamababang halaga ng enerhiya ng paggulo ng tambalang nucleus E* na nabuo sa panahon ng pagkuha ng isang neutron ay katumbas ng nagbubuklod na enerhiya ng neutron sa nucleus na ito ε n . Inihahambing ng Talahanayan 7.1 ang taas ng hadlang H at ang enerhiyang nagbubuklod ng neutron ε n para sa Th, U, Pu isotopes na nabuo pagkatapos ng pagkuha ng neutron. Ang nagbubuklod na enerhiya ng isang neutron ay nakasalalay sa bilang ng mga neutron sa nucleus. Dahil sa enerhiya ng pagpapares, ang nagbubuklod na enerhiya ng kahit na neutron ay mas malaki kaysa sa nagbubuklod na enerhiya ng isang kakaibang neutron.
Talahanayan 7.1
Fission barrier taas H, neutron binding energy ε n
| Isotope | Fission barrier taas H, MeV | Isotope | Neutron binding energy 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 |
Ang isang katangian ng fission ay ang mga fragment, bilang panuntunan, ay may iba't ibang masa. Sa kaso ng pinaka-malamang na fission na 235 U, ang fragment mass ratio ay nasa average na ~1.5. Ang pamamahagi ng masa ng 235 U fission fragment ng mga thermal neutron ay ipinapakita sa fig. 7.4. Para sa pinaka-malamang na fission, ang isang mabigat na fragment ay may mass number na 139, isang magaan na isa - 95. Kabilang sa mga produkto ng fission mayroong mga fragment na may A = 72 - 161 at Z = 30 - 65. Ang posibilidad ng fission sa dalawang fragment ng ang pantay na masa ay hindi katumbas ng zero. Sa fission ng 235 U ng mga thermal neutron, ang posibilidad ng simetriko fission ay humigit-kumulang tatlong order ng magnitude na mas mababa kaysa sa kaso ng pinaka-malamang na fission sa mga fragment na may A = 139 at 95.
Ang asymmetric fission ay ipinaliwanag ng istraktura ng shell ng nucleus. Ang nucleus ay may posibilidad na hatiin sa paraan na ang pangunahing bahagi ng mga nucleon ng bawat fragment ay bumubuo ng pinaka-matatag na mahiwagang core.
Ang ratio ng bilang ng mga neutron sa bilang ng mga proton sa 235 U nucleus N/Z = 1.55, habang para sa stable isotopes na may mass number na malapit sa mass number ng mga fragment, ang ratio na ito ay 1.25 − 1.45. Dahil dito, ang mga fragment ng fission ay lumalabas na labis na napuno ng mga neutron at dapat na
β - radioactive. Samakatuwid, ang mga fission fragment ay nakakaranas ng sunud-sunod na β - decays, at ang singil ng pangunahing fragment ay maaaring magbago ng 4 - 6 na yunit. Nasa ibaba ang isang katangian ng chain ng radioactive decay na 97 Kr - isa sa mga fragment na nabuo sa panahon ng fission ng 235 U:
Ang paggulo ng mga fragment, na sanhi ng isang paglabag sa ratio ng bilang ng mga proton at neutron, na katangian ng stable nuclei, ay tinanggal din dahil sa paglabas ng mga prompt na fission neutron. Ang mga neutron na ito ay ibinubuga sa pamamagitan ng paglipat ng mga fragment sa isang oras na mas mababa sa ~ 10 -14 s. Sa karaniwan, 2 − 3 prompt neutron ang ibinubuga sa bawat fission event. Ang kanilang spectrum ng enerhiya ay tuloy-tuloy na may maximum na humigit-kumulang 1 MeV. Ang average na enerhiya ng isang prompt neutron ay malapit sa 2 MeV. Ang paglabas ng higit sa isang neutron sa bawat fission event ay ginagawang posible na makakuha ng enerhiya sa pamamagitan ng nuclear fission chain reaction.
Sa pinaka-malamang na fission ng 235 U ng mga thermal neutron, ang isang light fragment (A = 95) ay nakakakuha ng kinetic energy na ≈ 100 MeV, at ang isang mabigat (A = 139) ay nakakakuha ng humigit-kumulang 67 MeV. Kaya, ang kabuuang kinetic energy ng mga fragment ay ≈ 167 MeV. Ang kabuuang fission energy sa kasong ito ay 200 MeV. Kaya, ang natitirang enerhiya (33 MeV) ay ipinamamahagi sa iba pang mga produkto ng fission (neutrons, electron at antineutrino ng β - pagkabulok ng mga fragment, γ-radiation ng mga fragment at ang kanilang mga produkto ng pagkabulok). Ang pamamahagi ng enerhiya ng fission sa pagitan ng iba't ibang mga produkto sa panahon ng fission ng 235 U ng mga thermal neutron ay ibinibigay sa Talahanayan 7.2.
Talahanayan 7.2
Pamamahagi ng enerhiya ng fission 235 U thermal neutrons
Ang nuclear fission products (NFs) ay isang kumplikadong pinaghalong higit sa 200 radioactive isotopes ng 36 na elemento (mula sa zinc hanggang gadolinium). Karamihan sa aktibidad ay binubuo ng panandaliang radionuclides. Kaya, pagkatapos ng 7, 49, at 343 araw pagkatapos ng pagsabog, ang aktibidad ng mga PND ay bumababa ng 10, 100, at 1000 beses, ayon sa pagkakabanggit, kumpara sa aktibidad isang oras pagkatapos ng pagsabog. Ang ani ng pinakabiologically makabuluhang radionuclides ay ibinibigay sa Talahanayan 7.3. Bilang karagdagan sa PND, ang radioactive contamination ay sanhi ng radionuclides ng sapilitan na aktibidad (3 H, 14 C, 28 Al, 24 Na, 56 Mn, 59 Fe, 60 Co, atbp.) at ang hindi nahahati na bahagi ng uranium at plutonium. Ang papel na ginagampanan ng sapilitan aktibidad sa thermonuclear pagsabog ay lalo na mahusay.
Talahanayan 7.3
Paglabas ng ilang produkto ng fission sa isang nuclear explosion
| Radionuclide | Kalahating buhay | Output bawat dibisyon, % | Aktibidad bawat 1 Mt, 10 15 Bq |
|---|---|---|---|
| 89Sr | 50.5 araw | 2.56 | 590 |
| 90Sr | 29.12 taong gulang | 3.5 | 3.9 |
| 95 Zr | 65 araw | 5.07 | 920 |
| 103 Ru | 41 araw | 5.2 | 1500 |
| 106 Ru | 365 araw | 2.44 | 78 |
| 131 I | 8.05 araw | 2.9 | 4200 |
| 136Cs | 13.2 araw | 0.036 | 32 |
| 137Cs | 30 taon | 5.57 | 5.9 |
| 140 Ba | 12.8 araw | 5.18 | 4700 |
| 141Cs | 32.5 araw | 4.58 | 1600 |
| 144Cs | 288 araw | 4.69 | 190 |
| 3H | 12.3 taong gulang | 0.01 | 2.6 10 -2 |
Sa panahon ng mga pagsabog ng nuklear sa atmospera, isang makabuluhang bahagi ng pag-ulan (hanggang sa 50% sa mga pagsabog sa lupa) ay bumabagsak malapit sa lugar ng pagsubok. Ang bahagi ng mga radioactive substance ay nananatili sa ibabang bahagi ng atmospera at, sa ilalim ng impluwensya ng hangin, gumagalaw sa malalayong distansya, na natitira humigit-kumulang sa parehong latitude. Ang pagiging nasa hangin sa loob ng halos isang buwan, ang mga radioactive substance sa panahon ng paggalaw na ito ay unti-unting nahuhulog sa Earth. Karamihan sa mga radionuclides ay inilalabas sa stratosphere (sa taas na 10÷15 km), kung saan ang mga ito ay nakakalat sa buong mundo at higit sa lahat ay nabubulok.
Ang iba't ibang elemento ng disenyo ng mga nuclear reactor ay may mataas na aktibidad sa loob ng mga dekada (Talahanayan 7.4)
Talahanayan 7.4
Mga tiyak na halaga ng aktibidad (Bq/t uranium) ng mga pangunahing produkto ng fission sa mga elemento ng gasolina na inalis mula sa reaktor pagkatapos ng tatlong taon ng operasyon
| Radionuclide | 0 | 1 araw | 120 araw | 1 taon | 10 taon | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 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 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 |
| 143 Pm | 6. 77· 10 16 | 6. 70· 10 16 | 1. 65· 10 14 | 6. 11· 10 8 | ||
| 147 Pm | 7. 05 10 15 | 7. 05· 10 15 | 6. 78· 10 15 | 5. 68· 10 15 |
3. 35· 10 14 |
Ang fission ng uranium nuclei ay natuklasan noong 1938 ng mga German scientist na sina O. Hahn at F. Strassmann. Nagawa nilang itatag na kapag binomba ang uranium nuclei na may mga neutron, ang mga elemento ng gitnang bahagi ng periodic system ay nabuo: barium, krypton, atbp. Ang Austrian physicist na si L. Meitner at ang English physicist na si O. Frisch ay nagbigay ng tamang interpretasyon sa katotohanang ito. . Ipinaliwanag nila ang hitsura ng mga elementong ito sa pamamagitan ng pagkabulok ng uranium nuclei, na nakakuha ng neutron, sa dalawang humigit-kumulang pantay na bahagi. Ang phenomenon na ito ay tinatawag na nuclear fission, at ang nagresultang nuclei ay tinatawag na fission fragment.
Tingnan din
- Vasiliev, A. Fission ng uranium: mula Klaproth hanggang Gan, Kvant. - 2001. - Bilang 4. - S. 20-21.30.
I-drop ang modelo ng nucleus
Ang reaksyon ng fission na ito ay maaaring ipaliwanag batay sa drop model ng nucleus. Sa modelong ito, ang nucleus ay itinuturing bilang isang patak ng isang de-koryenteng sisingilin na incompressible na likido. Bilang karagdagan sa mga puwersang nuklear na kumikilos sa pagitan ng lahat ng mga nucleon ng nucleus, ang mga proton ay nakakaranas ng karagdagang electrostatic repulsion, dahil kung saan sila ay matatagpuan sa periphery ng nucleus. Sa unexcited state, ang electrostatic repulsion forces ay binabayaran, kaya ang nucleus ay may spherical na hugis (Fig. 1a).
Matapos makuha ng nucleus \(~^(235)_(92)U\) ng isang neutron, nabuo ang isang intermediate nucleus \(~(^(236)_(92)U)^*\), na kung saan ay sa isang nasasabik na estado. Sa kasong ito, ang enerhiya ng neutron ay pantay na ipinamamahagi sa lahat ng mga nucleon, at ang intermediate na nucleus mismo ay deformed at nagsisimulang mag-oscillate. Kung ang paggulo ay maliit, pagkatapos ay ang nucleus (Larawan 1, b), na nagpapalaya sa sarili mula sa labis na enerhiya sa pamamagitan ng paglabas γ -quantum o neutron, bumabalik sa isang matatag na estado. Kung ang enerhiya ng paggulo ay sapat na mataas, kung gayon ang pagpapapangit ng core sa panahon ng mga panginginig ng boses ay maaaring maging napakalaki na ang isang constriction ay nabuo sa loob nito (Larawan 1c), na katulad ng constriction sa pagitan ng dalawang bahagi ng isang paghahati ng likidong drop. Ang mga puwersang nuklear na kumikilos sa isang makitid na baywang ay hindi na kayang labanan ang makabuluhang puwersa ng Coulomb ng pagtanggi ng mga bahagi ng nucleus. Nasisira ang constriction, at ang nucleus ay nahahati sa dalawang "fragment" (Fig. 1d), na nakakalat sa magkasalungat na direksyon.
Sa kasalukuyan, mga 100 iba't ibang isotopes na may mga numero ng masa mula 90 hanggang 145 ang kilala, na nagmumula sa fission ng nucleus na ito. Dalawang tipikal na reaksyon ng fission ng nucleus na ito ang may anyo:
\(~^(235)_(92)U + \ ^1_0n \ ^(\malapit)_(\searrow) \ \begin(matrix) ^(144)_(56)Ba + \ ^(89)_( 36)Kr + \ 3^1_0n \\ ^(140)_(54)Xe + \ ^(94)_(38)Sr + \ 2^1_0n \end(matrix)\) .
Tandaan na bilang resulta ng nuclear fission na pinasimulan ng isang neutron, ang mga bagong neutron ay ginawa na maaaring magdulot ng fission reactions sa ibang nuclei. Ang mga produkto ng fission ng uranium-235 nuclei ay maaari ding iba pang isotopes ng barium, xenon, strontium, rubidium, atbp.
Sa panahon ng fission ng nuclei ng mabibigat na atoms (\(~^(235)_(92)U\)) isang napakalaking enerhiya ang inilalabas - mga 200 MeV sa panahon ng fission ng bawat nucleus. Tungkol sa 80% ng enerhiya na ito ay inilabas sa anyo ng fragment kinetic energy; ang natitirang 20% ay binibilang ng enerhiya ng radioactive radiation ng mga fragment at ang kinetic energy ng prompt neutrons.
Ang enerhiya na inilabas sa panahon ng nuclear fission ay maaaring matantya gamit ang tiyak na nagbubuklod na enerhiya ng mga nucleon sa nucleus. Ang tiyak na nagbubuklod na enerhiya ng mga nucleon sa nuclei na may mass number A≈ 240 ng pagkakasunud-sunod ng 7.6 MeV/nucleon, habang nasa nuclei na may mass number A= 90 – 145 tiyak na enerhiya ay tinatayang katumbas ng 8.5 MeV/nucleon. Samakatuwid, ang fission ng isang uranium nucleus ay naglalabas ng enerhiya sa pagkakasunud-sunod na 0.9 MeV/nucleon, o humigit-kumulang 210 MeV bawat uranium atom. Sa kumpletong fission ng lahat ng nuclei na nilalaman sa 1 g ng uranium, ang parehong enerhiya ay inilabas bilang sa panahon ng combustion ng 3 tonelada ng karbon o 2.5 tonelada ng langis.
Tingnan din
- Varlamov A.A. I-drop ang modelo ng nucleus // Kvant. - 1986. - Hindi. 5. - S. 23-24
Chain reaction
Chain reaction- isang reaksyong nuklear kung saan ang mga particle na nagdudulot ng reaksyon ay nabuo bilang mga produkto ng reaksyong ito.
Sa fission ng isang uranium-235 nucleus, na sanhi ng isang banggaan sa isang neutron, 2 o 3 neutron ang pinakawalan. Sa ilalim ng kanais-nais na mga kondisyon, ang mga neutron na ito ay maaaring tumama sa iba pang uranium nuclei at maging sanhi ng mga ito sa fission. Sa yugtong ito, mula 4 hanggang 9 na neutron ay lilitaw na, na may kakayahang magdulot ng mga bagong pagkabulok ng uranium nuclei, atbp. Ang ganitong proseso na parang avalanche ay tinatawag na chain reaction. Ang pamamaraan para sa pagbuo ng isang chain reaction ng fission ng uranium nuclei ay ipinapakita sa fig. 3.
Ang uranium ay nangyayari sa kalikasan sa anyo ng dalawang isotopes \[~^(238)_(92)U\] (99.3%) at \(~^(235)_(92)U\) (0.7%). Kapag binomba ng mga neutron, ang nuclei ng parehong isotopes ay maaaring hatiin sa dalawang fragment. Sa kasong ito, ang reaksyon ng fission \(~^(235)_(92)U\) ay nagpapatuloy sa pinakamabagal (thermal) neutron, habang ang nuclei \(~^(238)_(92)U\) ay pumapasok sa ang reaksyon fission lamang sa mga mabilis na neutron na may enerhiya ng pagkakasunud-sunod ng 1 MeV. Kung hindi, ang enerhiya ng paggulo ng nabuong nuclei \(~^(239)_(92)U\) ay hindi sapat para sa fission, at pagkatapos ay sa halip na fission, ang mga nuclear reaction ay magaganap:
\(~^(238)_(92)U + \ ^1_0n \to \ ^(239)_(92)U \to \ ^(239)_(93)Np + \ ^0_(-1)e\ ).
Uranium isotope \(~^(238)_(92)U\) β -radioactive, kalahating buhay 23 min. Ang neptunium isotope \(~^(239)_(93)Np\) ay radioactive din, na may kalahating buhay na humigit-kumulang 2 araw.
\(~^(239)_(93)Np \to \ ^(239)_(94)Pu + \ ^0_(-1)e\) .
Ang plutonium isotope \(~^(239)_(94)Np\) ay medyo matatag, na may kalahating buhay na 24,000 taon. Ang pinakamahalagang pag-aari ng plutonium ay na ito ay fissile sa ilalim ng impluwensya ng mga neutron sa parehong paraan tulad ng \(~^(235)_(92)U\). Samakatuwid, sa tulong ng \(~^(239)_(94)Np\) maaaring maisagawa ang isang chain reaction.
Ang chain reaction scheme na tinalakay sa itaas ay isang mainam na kaso. Sa totoong mga kondisyon, hindi lahat ng neutron na ginawa sa panahon ng fission ay nakikilahok sa fission ng ibang nuclei. Ang ilan sa kanila ay nakuha ng non-fissile nuclei ng mga dayuhang atomo, ang iba ay lumipad palabas ng uranium (neutron leakage).
Samakatuwid, ang chain reaction ng fission ng heavy nuclei ay hindi palaging nangyayari at hindi para sa anumang masa ng uranium.
Salik ng pagpaparami ng neutron
Ang pagbuo ng isang chain reaction ay nailalarawan sa pamamagitan ng tinatawag na neutron multiplication factor Upang, na sinusukat ng ratio ng numero N i mga neutron na nagdudulot ng nuclear fission ng matter sa isa sa mga yugto ng reaksyon, sa numero N i-1 neutrons na nagdulot ng fission sa nakaraang yugto ng reaksyon:
\(~K = \dfrac(N_i)(N_(i - 1))\) .
Ang multiplication factor ay nakasalalay sa isang bilang ng mga kadahilanan, sa partikular, sa likas na katangian at dami ng fissile na materyal, at sa geometric na hugis ng volume na sinasakop nito. Ang parehong halaga ng isang naibigay na sangkap ay may ibang halaga Upang. Upang maximum kung ang sangkap ay may spherical na hugis, dahil sa kasong ito ang pagkawala ng mga prompt neutron sa ibabaw ay ang pinakamaliit.
Ang masa ng fissile material kung saan nagpapatuloy ang chain reaction sa multiplication factor Upang= 1 ay tinatawag na kritikal na masa. Sa maliliit na piraso ng uranium, karamihan sa mga neutron, nang hindi tumatama sa anumang nucleus, ay lumilipad palabas.
Ang halaga ng kritikal na masa ay tinutukoy ng geometry ng pisikal na sistema, ang istraktura nito at ang panlabas na kapaligiran. Kaya, para sa isang bola ng purong uranium \(~^(235)_(92)U\) ang kritikal na masa ay 47 kg (isang bola na may diameter na 17 cm). Ang kritikal na masa ng uranium ay maaaring mabawasan ng maraming beses sa pamamagitan ng paggamit ng tinatawag na neutron moderators. Ang katotohanan ay ang mga neutron na ginawa sa panahon ng pagkabulok ng uranium nuclei ay may masyadong mataas na bilis, at ang posibilidad na makuha ang mabagal na neutron sa pamamagitan ng uranium-235 nuclei ay daan-daang beses na mas malaki kaysa sa mga mabilis. Ang pinakamahusay na moderator ng mga neutron ay mabigat na tubig D 2 O. Kapag nakikipag-ugnayan sa mga neutron, ang ordinaryong tubig mismo ay nagiging mabigat na tubig.
Ang isang mahusay na moderator ay grapayt din, na ang nuclei ay hindi sumisipsip ng mga neutron. Sa nababanat na pakikipag-ugnayan sa deuterium o carbon nuclei, ang mga neutron ay pinabagal sa thermal velocities.
Ang paggamit ng mga moderator ng neutron at isang espesyal na shell ng beryllium na sumasalamin sa mga neutron ay ginagawang posible na bawasan ang kritikal na masa sa 250 g.
Na may multiplication factor Upang= 1 ang bilang ng fissile nuclei ay pinananatili sa isang pare-parehong antas. Ang mode na ito ay ibinibigay sa mga nuclear reactor.
Kung ang masa ng nuclear fuel ay mas mababa kaysa sa kritikal na masa, kung gayon ang multiplication factor Upang < 1; каждое новое поколение вызывает все меньшее и меньшее число делений, и реакция без внешнего источника нейтронов быстро затухает.
Kung ang masa ng nuclear fuel ay mas malaki kaysa sa kritikal, kung gayon ang multiplication factor Upang> 1 at bawat bagong henerasyon ng mga neutron ay nagdudulot ng pagtaas ng bilang ng mga fission. Ang chain reaction ay lumalaki tulad ng isang avalanche at may katangian ng isang pagsabog, na sinamahan ng isang malaking release ng enerhiya at isang pagtaas sa ambient temperatura sa ilang milyong degrees. Ang isang chain reaction ng ganitong uri ay nangyayari kapag ang isang atomic bomb ay sumabog.
bombang nuklear
Sa normal na estado, ang isang nuclear bomb ay hindi sumasabog dahil ang nuclear charge sa loob nito ay nahahati sa ilang maliliit na bahagi sa pamamagitan ng mga partisyon na sumisipsip ng mga nabubulok na produkto ng uranium - neutrons. Ang nuclear chain reaction na nagdudulot ng nuclear explosion ay hindi maaaring mapanatili sa ilalim ng ganitong mga kondisyon. Gayunpaman, kung ang mga fragment ng nuclear charge ay magkakaugnay, kung gayon ang kanilang kabuuang masa ay magiging sapat para sa chain reaction ng uranium fission na magsimulang umunlad. Ang resulta ay isang nuclear explosion. Kasabay nito, ang lakas ng pagsabog na binuo ng isang medyo maliit na bombang nuklear ay katumbas ng lakas na inilabas sa panahon ng pagsabog ng milyun-milyon at bilyun-bilyong tonelada ng TNT.
kanin. 5. Bomba ng atom
