Fissão de núcleos de urânio. Reacção em cadeia. Descrição do processo

Dividindo-se o núcleo – um átomo pesado divisão em dois fragmentos de cerca de igual peso, seguida pela libertação de uma grande quantidade de energia.

A descoberta da fissão nuclear início de uma nova era – "era atómica". O potencial de seus possíveis usos e o balanço de riscos para beneficiar da sua utilização, não só deu origem a uma série de realizações sociológicos, políticos, econômicos e científicos, mas também um problema sério. Mesmo de um ponto de vista puramente científico, o processo de fissão nuclear criou um grande número de quebra-cabeças e complicações, e uma explicação teórica completa, pois é uma coisa do futuro.

Sharing – benéfica

energia de ligação (por núcleo) diferem em diferentes núcleos. Mais pesado têm uma energia de ligação mais baixa do que localizado no meio da tabela periódica.

Isto significa que os núcleos pesados em que o atómica número maior do que 100, vantajosamente dividida em dois fragmentos mais pequenos, libertando assim a energia que é convertida em energia cinética dos fragmentos. Este processo é chamado de divisão núcleo atômico.

De acordo com a curva de estabilidade, o que mostra a dependência do número de protões a partir de nuclidos estáveis para neutrões núcleo mais pesados preferem um maior número de neutrões (em comparação com o número de protões) do isqueiro. Isto sugere que, em adição ao processo de separação será emitida alguns neutrões "reposição". Além disso, eles também irá assumir uma parte da energia liberada. Estudo fissão dos átomos de urânio mostraram que isso gera um nêutron 3-4: U → ^{238 145 90} La + Br + 3n.

O número atómico (e da massa atómica) de que o fragmento não é igual a metade da massa atómica do pai. A diferença entre as massas de átomos formados como um resultado de clivagem é geralmente de cerca de 50. No entanto, a razão para isto não é ainda inteiramente clara.

As energias de ligação de ²³⁸ L, ¹⁴⁵ La Br e ⁹⁰ são de 1803, 1198 e 763 MeV respectivamente. Isto significa que a energia é libertada fissão urânio igual 1198 + 158 = 763-1803 MeV resultante da reacção.

fissão espontânea

processos de divisão espontâneas são conhecidos na natureza, mas que são muito raros. O tempo de vida média deste processo é de cerca de 10 ^17, e, por exemplo, o tempo médio de vida de alfa-decaimento do radionuclídeo é de cerca de 10 ^11.

A razão para isto é que, de modo a separar-se em duas partes, o núcleo deve primeiro sofrer deformação (alongamento), em uma forma elipsoidal, e, em seguida, antes da clivagem final em dois fragmentos de formar um "pescoço" no meio.

barreira de potencial

No estado deformado na parte de núcleo de duas forças. Um deles – o aumento da energia superficial (tensão superficial de gotículas líquidas explica a sua forma esférica), e o outro – a repulsão de Coulomb entre os fragmentos de fissão. Juntos, eles produzem a barreira potencial.

Tal como no caso de deterioração de alfa para ocorrer fissão espontânea de urânio atómica núcleos, os fragmentos tem de ultrapassar esta barreira por meio de encapsulamento de quantum. A barreira é de cerca de 6 MeV, tal como no caso da alfa-cárie, mas a probabilidade de encapsulamento de partículas a é consideravelmente maior do que a muito mais pesado átomo de divisão de produto.

degradação forçado

Muito mais provável é induzida a fissão de núcleos de urânio. Neste caso, o núcleo mãe é irradiado com neutrões. Se um dos pais que absorve, em seguida, eles são obrigados a libertar a energia de ligação sob a forma de energia vibratória que podem exceder 6 MeV necessários para ultrapassar a barreira de potencial.

Onde a energia de nêutrons adicional não é suficiente para superar a barreira de potencial, o nêutron incidente deve ter um mínimo de energia cinética, a fim de ser capaz de induzir a divisão do átomo. No caso do ²³⁸ U energia de ligação de nêutrons adicional está faltando cerca de 1 MeV. Isto significa que a fissão de núcleos de urânio induzida apenas nêutrons com uma energia cinética superior a 1 MeV. Por outro lado, o ²³⁵ U isótopo tem um nêutron não pareado. Quando um núcleo absorve adicional, ele forma com ele um par e uma energia de ligao adicional é um resultado deste emparelhamento. Isto é suficiente para libertar a quantidade de energia necessária para ultrapassar a barreira de potencial do núcleo e a divisão de isótopos ocorreram em caso de colisão com qualquer neutrões.

decaimento beta

Apesar do facto da reacção de cisão são emitidos por três ou quatro neutrões, fragmentos ainda conter mais do que os seus neutrões isobars estáveis. Isto significa que os fragmentos de clivagem são geralmente instável em relação ao decaimento beta.

Por exemplo, quando existe uma divisão do núcleo de urânio ²³⁸ L, isobars estáveis com a = 145 ¹⁴⁵ é neodimio Nd, o que significa que o lantânio fragmento La ¹⁴⁵ divide-se em três etapas, de cada vez, irradiando de electrões e um neutrino até um nuclídeo estável está formado. isobars estável com um = 90 ⁹⁰ é Zr zircónio, assim clivagem fragmento de bromo Br ⁹⁰ divide em cinco etapas da cadeia β-cárie.

Estes β-decaimento cadeia emitem energia extra que é levado a quase totalidade do electrão e um neutrino.

reações nucleares: fissão do urânio

nuclide direta de radiação de neutrões com o número muito grande deles para garantir a estabilidade do núcleo é improvável. Aqui, o ponto é que não há repulsão de Coulomb, e assim a energia de superfície tende a reter o nêutron devido ao pai. No entanto, às vezes acontece. Por exemplo, um fragmento de fissão Br ⁹⁰ no primeiro beta-decaimento produz um crípton-90, o qual pode estar localizado em um estado animado com energia suficiente para ultrapassar a energia de superfície. Neste caso, a radiação de neutrões pode ocorrer directamente para formar um crípton-89. Este isobars ainda é instável em relação ao beta-decaimento ainda não ir para o ítrio-89 estável, de modo que o krypton-89 é dividido em três etapas.

Urânio fissão: Reação em Cadeia

Neutrões emitidos na reacção de clivagem pode ser absorvida pelo outro progenitor-núcleo, que é então submetido a fissão auto-induzido. No caso do urânio-238 três neutrões, que surgem com energias menores que 1 MeV (a energia libertada na cisão do núcleo urânio – 158 MeV – na maior parte convertidos em fragmentos de clivagem de energia cinética), de modo que não pode causar uma outra divisão desta nuclídeo. No entanto, se uma concentração significativa do isótopo raro ^U235 estes neutrões livres podem ser capturados por os núcleos de ²³⁵ L, que podem, na verdade, causar a clivagem, uma vez que neste caso existe um limiar abaixo do qual a energia da divisão não é induzida.

Esta é a reacção em cadeia princípio.

Tipos de reações nucleares

Seja k – número de neutrões produzidos em uma amostra do material físsil na etapa n da cadeia, dividido pelo número de neutrões produzidos em fase n – 1. Este número irá depender do número de neutrões produzidos no passo n – 1, são absorvidos pelo núcleo, que pode sofrer cisão induzida.

• Se k <1 em diante, a reação em cadeia é simplesmente fora do vapor e o processo irá parar muito rapidamente. Isto é o que acontece no natural minério de urânio, em que a concentração ^{de 235} U é tão pequena que a probabilidade de absorção de um nêutron este isótopo é extremamente insignificante.

• Se k> 1, a reação em cadeia vai continuar a crescer, desde que todo o material físsil não será usado (a bomba atômica). Isto é conseguido através do enriquecimento de minério natural para se obter uma concentração suficientemente elevada de urânio-235. Para esféricas valor da amostra de k aumenta com a probabilidade de absorção de neutrões, que é dependente do raio da esfera. Portanto L peso deve ser superior a uma determinada critical mass de fissão de Urânio (reacção em cadeia) pode ocorrer.

• Se k = 1, então existe uma reacção controlada. É utilizado em reactores nucleares. O processo é controlado de distribuição entre as barras de urânio de cádmio ou boro, que absorvem a maior parte dos neutrões (estes elementos são capazes de capturar neutrões). Dividindo núcleos de urânio é automaticamente controlada movendo-se a haste de modo a que o valor k mantém-se igual a um.