Fisiunea nucleară este împărțirea unui atom greu în două fragmente de masă aproximativ egală, însoțită de eliberarea unei cantități mari de energie.
Descoperirea fisiunii nucleare a început o nouă eră -„Epoca atomică”. Potențialul utilizării sale posibile și raportul dintre risc și beneficiul utilizării sale nu au dat naștere la numeroase realizări sociologice, politice, economice și științifice, ci și probleme grave. Chiar și din punct de vedere pur științific, procesul de fisiune nucleară a creat un număr mare de puzzle-uri și complicații, iar explicația sa teoretică completă este o problemă de viitor.
Energiile de legare (pe nucleon) ale diferitor nuclei diferă. Cele mai grele au o energie de legare mai mică decât cele situate în mijlocul tabelului periodic.
Aceasta înseamnă că nucleele grele, în carenumăr atomic mai mare de 100, este avantajos să se împartă în două fragmente mai mici, eliberând astfel energie, care este transformată în energie cinetică a fragmentelor. Acest proces se numește fisiunea nucleului atomic.
În conformitate cu curba de stabilitate, careprezintă dependența numărului de protoni de numărul de neutroni pentru nuclidele stabile, nucleele mai grele preferă un număr mai mare de neutroni (în comparație cu numărul de protoni) decât cele mai ușoare. Acest lucru sugerează că, împreună cu procesul de fisiune, vor fi emiți unii neutroni „de rezervă”. În plus, vor prelua și o parte din energia eliberată. Un studiu privind fisiunea nucleului unui atom de uraniu a arătat că în acest caz sunt eliberați 3-4 neutroni: 238U → 145La + 90Br + 3n.
Numărul atomic (și masa atomică) a fragmentului nu este egaljumătate din masa atomică a părintelui. Diferența dintre masele de atomi formați ca urmare a clivajului este de obicei în jur de 50. Adevărat, motivul pentru aceasta nu este încă înțeles în întregime.
Energii de comunicare 238Y, 145La și 90Br sunt 1803, 1198, respectiv 763 MeV. Aceasta înseamnă că, ca urmare a acestei reacții, energia de fisiune a nucleului de uraniu este eliberată, egală cu 1198 + 763-1803 = 158 MeV.
Procesele de clivaj spontan sunt cunoscute în natură, dar sunt foarte rare. Durata medie de viață a acestui proces este de aproximativ 1017 ani și, de exemplu, durata medie de viață a descompunerii alfa a aceluiași radionuclid este de aproximativ 1011 ani.
Motivul pentru aceasta este că în ordinePentru a se împărți în două părți, miezul trebuie mai întâi să sufere deformare (întindere) într-o formă elipsoidală, iar apoi, înainte de divizare finală în două fragmente, să formeze un „gât” în mijloc.
Într-o stare deformată, douăforțe. Una dintre ele este energia de suprafață crescută (tensiunea superficială a unei picături de lichid explică forma sa sferică), iar cealaltă este repulsia Coulomb între fragmentele de fisiune. Împreună produc o barieră potențială.
Ca și în cazul alfa-cari se va întâmplafisiunea spontană a unui nucleu al unui atom de uraniu, fragmentele trebuie să depășească această barieră cu ajutorul tunelului cuantic. Valoarea barierei este de aproximativ 6 MeV, cum este cazul cariilor alfa, dar probabilitatea de tunelare a particulei α este mult mai mare decât produsul de scindare a atomului mult mai greu.
Este mult mai probabil indusfisiunea de uraniu. În acest caz, nucleul mamă este iradiat cu neutroni. Dacă părintele îl absoarbe, atunci se leagă, eliberând energia de legare sub formă de energie vibrațională, care poate depăși 6 MeV, necesară pentru a depăși bariera potențială.
În cazul în care energia neutronului suplimentarnu este suficient pentru a depăși bariera potențială, neutronul incident trebuie să aibă o energie cinetică minimă pentru a putea induce divizarea atomului. În cazul 238U energia de legare a neutronilor suplimentari nu este suficientă aproximativ 1 MeV. Aceasta înseamnă că fisiunea nucleului de uraniu este indusă doar de un neutron cu o energie cinetică mai mare de 1 MeV. Pe de altă parte, izotop 235U имеет один непарный нейтрон.Când miezul absoarbe suplimentarul, formează o pereche cu acesta și, ca urmare a acestei împerecheri, apare o energie suplimentară de legare. Aceasta este suficientă pentru a elibera cantitatea de energie necesară pentru ca nucleul să depășească o barieră potențială și fisiunea izotopului are loc în coliziune cu orice neutron.
În ciuda faptului că în timpul reacției de fisiunese emit trei sau patru neutroni, fragmentele conțin încă mai mulți neutroni decât izobarii stabili. Aceasta înseamnă că fragmentele de clivaj sunt, în general, instabile în raport cu descompunerea beta.
De exemplu, când apare fisiunea de uraniu 238U, izobar stabil cu A = 145 este neodim 145Nd, ceea ce înseamnă că fragmentul de lantan 145La scade în trei etape, emitând de fiecare dată un electron și un antineutrino, până când se formează o nuclidă stabilă. Zirconiul este un izobar stabil cu A = 90 90Zr, așadar, un fragment de clivaj de brom 90Br se descompune în cinci etape ale lanțului β-descompunere.
Aceste lanțuri β-descompunere eliberează energie suplimentară, care este aproape complet transportată de electroni și antineutrină.
Emisia directă de neutroni dintr-o nuclidăun număr mare dintre ele este puțin probabil să asigure stabilitatea miezului. Ideea este că nu există repulsie Coulomb și, prin urmare, energia de suprafață tinde să limiteze neutronul datorită părintelui. Cu toate acestea, acest lucru se întâmplă uneori. De exemplu, un fragment de divizare 90Br, în prima etapă a degradării beta producekrypton-90, care poate fi într-o stare excitată cu suficientă energie pentru a depăși energia de suprafață. În acest caz, emisia de neutroni poate apărea direct cu formarea krypton-89. Acest izobar este încă instabil în raport cu descompunerea β, până când devine stabil yttrium-89, astfel încât kripton-89 se descompune în trei etape.
Neutronii emisiți într-o reacție de fisiune,poate fi absorbit de un alt nucleu părinte, care apoi este supus fisiunii induse. În cazul uraniu-238, cei trei neutroni care apar apar cu o energie mai mică de 1 MeV (energia eliberată în timpul fisiunii nucleului de uraniu - 158 MeV - trece în principal în energia cinetică a fragmentelor de fisiune), deci nu pot provoca fisiunea suplimentară a acestei nuclee. Cu toate acestea, cu o concentrație semnificativă a unui izotop rar 235U acești neutroni liberi pot fi prinși de nuclee 235U, care poate provoca de fapt divizarea, deoarece în acest caz nu există un prag de energie sub care fisiunea nu este indusă.
Acesta este principiul reacției în lanț.
Fie k numărul de neutroni produși înun eșantion de material fisil în stadiul n al acestui lanț, împărțit la numărul de neutroni produși în stadiul n - 1. Acest număr va depinde de câte neutroni obținuți în stadiul n - 1 sunt absorbiți de nucleu, care poate suferi fisiune forțată.
• Dacă k <1, atunci reacția în lanț va expira pur și simplu, procesul se va opri foarte repede. Aceasta este exact ceea ce se întâmplă în minereul natural de uraniu, în care concentrația 235U este atât de mică încât probabilitatea absorbției unuia dintre neutroni de către acest izotop este extrem de neglijabilă.
• Dacă k> 1, atunci reacția în lanț va crește lapână când s-a folosit tot materialul fisil (bombă atomică). Acest lucru este obținut prin îmbogățirea minereului natural pentru a obține o concentrație suficient de mare de uraniu-235. Pentru un eșantion sferic, valoarea k crește odată cu creșterea probabilității de absorbție a neutronilor, care depinde de raza sferei. Prin urmare, masa U trebuie să depășească o anumită masă critică, astfel încât să poată fi fisiunea nucleelor de uraniu (reacția în lanț).
• Dacă k = 1, atunci are loc o reacție controlată.Este utilizat în reactoarele nucleare. Procesul este controlat de distribuția tijelor de cadmiu sau bor între uraniu, care absorb majoritatea neutronilor (aceste elemente au capacitatea de a capta neutroni). Fisiunea de uraniu este controlată automat prin mișcarea tijelor, astfel încât valoarea lui k să rămână egală cu unitatea.
