La fisión nuclear es la división de un átomo pesado en dos fragmentos de masa aproximadamente igual, acompañado por la liberación de una gran cantidad de energía.
El descubrimiento de la fisión nuclear ha comenzado una nueva era:"Edad atómica". El potencial de su posible uso y la relación entre el riesgo y el beneficio de su uso no solo dieron lugar a muchos logros sociológicos, políticos, económicos y científicos, sino también a serios problemas. Incluso desde un punto de vista puramente científico, el proceso de fisión nuclear ha creado una gran cantidad de acertijos y complicaciones, y su explicación teórica completa es una cuestión del futuro.
Las energías de unión (por nucleón) de diferentes núcleos difieren. Las más pesadas tienen una energía de enlace más baja que las ubicadas en el medio de la tabla periódica.
Esto significa que los núcleos pesados, en los queCon un número atómico superior a 100, es ventajoso dividirlo en dos fragmentos más pequeños, liberando así energía, que se convierte en energía cinética de los fragmentos. Este proceso se llama fisión del núcleo atómico.
De acuerdo con la curva de estabilidad, quemuestra la dependencia de la cantidad de protones en la cantidad de neutrones para los nucleidos estables, los núcleos más pesados prefieren una mayor cantidad de neutrones (en comparación con la cantidad de protones) que los más ligeros. Esto sugiere que junto con el proceso de fisión, se emitirán algunos neutrones "de repuesto". Además, también tomarán parte de la energía liberada. El estudio de la fisión del núcleo de un átomo de uranio mostró que se liberan 3-4 neutrones en este caso: 238U → 145La + 90Br + 3n.
El número atómico (y la masa atómica) del fragmento no es igualla mitad de la masa atómica del progenitor. La diferencia entre las masas de átomos formadas como resultado de la escisión suele ser de alrededor de 50. Es cierto, la razón de esto aún no se comprende por completo.
Energías de comunicación 238En 145La y 90Br son 1803, 1198 y 763 MeV, respectivamente. Esto significa que, como resultado de esta reacción, se libera la energía de fisión del núcleo de uranio, equivalente a 1198 + 763-1803 = 158 MeV.
Los procesos de escisión espontánea son conocidos en la naturaleza, pero son muy raros. La vida media de este proceso es de aproximadamente 1017 años, y, por ejemplo, la vida media de la desintegración alfa del mismo radionúclido es de aproximadamente 1011 años de edad
La razón de esto es que paraPara dividirse en dos partes, el núcleo primero debe sufrir deformación (estiramiento) en una forma elipsoidal, y luego, antes de la división final en dos fragmentos, formar un "cuello" en el medio.
En un estado deformado, dosfuerza Uno de ellos es el aumento de la energía superficial (la tensión superficial de una gota de líquido explica su forma esférica), y el otro es la repulsión de Coulomb entre fragmentos de fisión. Juntos producen una barrera potencial.
Como ocurre con la desintegración alfaFisión espontánea del núcleo de un átomo de uranio, los fragmentos deben superar esta barrera con la ayuda de túneles cuánticos. El valor de la barrera es de aproximadamente 6 MeV, como es el caso de la desintegración alfa, pero la probabilidad de tunelización de la partícula α es mucho mayor que el producto de escisión de átomos mucho más pesado.
Mucho más probable es inducidafisión de uranio. En este caso, el núcleo madre se irradia con neutrones. Si el padre lo absorbe, entonces se unen, liberando la energía de unión en forma de energía vibratoria, que puede exceder los 6 MeV, necesaria para superar la barrera potencial.
Donde la energía del neutrón adicionalno suficiente para superar la barrera potencial, el neutrón incidente debe tener una energía cinética mínima para poder inducir la división del átomo. En caso de 238U la energía de unión de neutrones adicionales no es suficiente alrededor de 1 MeV. Esto significa que la fisión del núcleo de uranio es inducida solo por un neutrón con una energía cinética mayor que 1 MeV. Isótopo por otro lado 235U tiene un neutrón no apareado.Cuando el núcleo absorbe el adicional, forma un par con él y, como resultado de este emparejamiento, aparece energía de unión adicional. Esto es suficiente para liberar la cantidad de energía necesaria para que el núcleo supere una barrera potencial y se produzca la fisión del isótopo en una colisión con cualquier neutrón.
A pesar de que durante la reacción de fisiónse emiten tres o cuatro neutrones; los fragmentos aún contienen más neutrones que sus isobaras estables. Esto significa que los fragmentos de escisión son generalmente inestables con respecto a la desintegración beta.
Por ejemplo, cuando ocurre fisión de uranio 238U, isobar estable con A = 145 es neodimio 145Nd, lo que significa que el fragmento de lantano 145La decae en tres etapas, cada vez que emite un electrón y un antineutrino, hasta que se forma un nucleido estable. El circonio es un isobar estable con A = 90 90Zr, por lo tanto, un fragmento de escisión de bromo 90Br se desintegra en cinco etapas de la cadena de desintegración β.
Estas cadenas de desintegración β liberan energía adicional, que los electrones y los antineutrinos se llevan casi por completo.
Emisión directa de neutrones de un nucleido con tambiénEs improbable que un gran número de ellos garantice la estabilidad del núcleo. El punto aquí es que no hay repulsión de Coulomb y, por lo tanto, la energía superficial tiende a confinar el neutrón debido al progenitor. Sin embargo, esto a veces sucede. Por ejemplo, un fragmento de división 90Br en la primera etapa de la desintegración beta produceKriptón-90, que puede estar en un estado excitado con suficiente energía para superar la energía de la superficie. En este caso, la emisión de neutrones puede ocurrir directamente con la formación de criptón-89. Este isobar aún es inestable con respecto a la desintegración β, hasta que se estabiliza el itrio-89, de modo que el criptón-89 se desintegra en tres etapas.
Neutrones emitidos en una reacción de fisión,puede ser absorbido por otro núcleo padre, que luego se somete a la fisión inducida. En el caso del uranio-238, los tres neutrones que surgen, salen con una energía de menos de 1 MeV (la energía liberada durante la fisión del núcleo de uranio - 158 MeV - se destina principalmente a la energía cinética de los fragmentos de fisión), por lo que no pueden causar una mayor fisión de este nucleido. Sin embargo, con una concentración significativa de un isótopo raro 235U estos neutrones libres pueden ser capturados por núcleos 235U, que en realidad puede causar división, ya que en este caso no hay un umbral de energía por debajo del cual no se induzca la fisión.
Este es el principio de la reacción en cadena.
Sea k el número de neutrones producidos enuna muestra de material fisionable en la etapa n de esta cadena, dividida por el número de neutrones producidos en la etapa n - 1. Este número dependerá de cuántos neutrones obtenidos en la etapa n - 1 sean absorbidos por el núcleo, que puede sufrir fisión forzada.
• Si k <1, entonces la reacción en cadena simplemente expirará y el proceso se detendrá muy rápidamente. Esto es exactamente lo que sucede en el mineral de uranio natural, en el que la concentración 235U es tan pequeño que la probabilidad de absorción de uno de los neutrones por este isótopo es extremadamente insignificante.
• Если k > 1, то цепная реакция будет расти до hasta que se haya utilizado todo el material fisionable (bomba atómica). Esto se logra enriqueciendo el mineral natural para obtener una concentración suficientemente alta de uranio-235. Para una muestra esférica, el valor de k aumenta con la probabilidad creciente de absorción de neutrones, que depende del radio de la esfera. Por lo tanto, la masa U debe exceder una cierta masa crítica para que pueda ocurrir la fisión de los núcleos de uranio (reacción en cadena).
• Si k = 1, se produce una reacción controlada.Se utiliza en reactores nucleares. El proceso está controlado por la distribución de barras de cadmio o boro entre el uranio, que absorbe la mayoría de los neutrones (estos elementos tienen la capacidad de capturar neutrones). La fisión de uranio se controla automáticamente moviendo las barras para que el valor de k permanezca igual a la unidad.
