การแบ่งเซลล์นิวเคลียสของยูเรเนียม ปฏิกิริยาลูกโซ่ รายละเอียดของกระบวนการ

หารหลัก - แตกอะตอมหนักเป็นสองชิ้นส่วนของน้ำหนักที่เท่ากันโดยประมาณตามด้วยการปลดปล่อยของจำนวนมากของพลังงาน

การค้นพบของการเริ่มต้นนิวเคลียร์ของยุคใหม่ - "ยุคปรมาณู" ศักยภาพของการใช้งานที่เป็นไปได้และความสมดุลของความเสี่ยงที่จะได้รับประโยชน์จากการใช้งานไม่เพียง แต่ก่อให้เกิดจำนวนมากทางสังคมวิทยาการเมืองเศรษฐกิจและวิทยาศาสตร์ความสำเร็จ แต่ยังเป็นปัญหาร้ายแรง แม้จากจุดทางวิทยาศาสตร์อย่างหมดจดในมุมมองของกระบวนการนิวเคลียร์ที่สร้างขึ้นเป็นจำนวนมากของปริศนาและภาวะแทรกซ้อนและคำอธิบายทฤษฎีที่สมบูรณ์แบบสำหรับมันเป็นเรื่องของอนาคต

ร่วมกัน - ประโยชน์

มีผลผูกพันพลังงาน (ต่อ nucleon) แตกต่างกันในนิวเคลียสที่แตกต่างกัน หนักมีผลผูกพันพลังงานต่ำกว่าที่ตั้งอยู่กลางตารางธาตุ

ซึ่งหมายความว่านิวเคลียสหนักในการที่อะตอม จำนวนมากกว่า 100 แบ่งออกเป็นสองกอบชิ้นส่วนที่มีขนาดเล็กจึงปล่อยพลังงานที่จะถูกแปลงเป็นพลังงานจลน์ของชิ้นส่วน กระบวนการนี้เรียกว่าแยก นิวเคลียสของอะตอม

สอดคล้องกับเส้นโค้งความมั่นคงซึ่งแสดงให้เห็นการพึ่งพาอาศัยกันของจำนวนโปรตอนจากไอโซโทปเสถียรนิวตรอนในนิวเคลียสหนักต้องการเป็นจำนวนมากของนิวตรอน (เมื่อเทียบกับจำนวนโปรตอน) กว่าเบา นี้แสดงให้เห็นว่านอกเหนือไปจากกระบวนการแยกจะถูกปล่อยออกมาบางส่วนนิวตรอน "ว่าง" นอกจากนี้พวกเขายังจะใช้เวลามากกว่าบางส่วนของพลังงานที่ปล่อยออก ฟิชชันการศึกษาของอะตอมยูเรเนียมแสดงให้เห็นว่านี้สร้างนิวตรอน 3-4: U → ^{238 145 90} La + Br + 3n

เลขอะตอม (และมวลอะตอม) ของชิ้นส่วนไม่เท่ากับครึ่งหนึ่งของ มวลอะตอม ของผู้ปกครอง ความแตกต่างระหว่างมวลของอะตอมที่เกิดขึ้นเป็นผลมาจากความแตกแยกมักจะเป็นเรื่องเกี่ยวกับ 50 แต่เหตุผลนี้ยังไม่เป็นที่ชัดเจน

พลังงานที่มีผลผูกพัน ²³⁸ U ¹⁴⁵ La Br และ ⁹⁰ 1803 1198 และ 763 MeV ตามลำดับ ซึ่งหมายความว่าพลังงานจะถูกปล่อยออกฟิชชันยูเรเนียมเท่ากับ 1,198 + 158 = 763-1803 MeV ที่เกิดจากปฏิกิริยา

ฟิวชั่นที่เกิดขึ้นเอง

กระบวนการแยกที่เกิดขึ้นเองเป็นที่รู้จักกันในธรรมชาติ แต่พวกเขาจะหายากมาก อายุการใช้งานเฉลี่ยของกระบวนการนี้เป็นเรื่องเกี่ยวกับ 10 ^{17 และยกตัวอย่างเช่นอายุการใช้งานเฉลี่ยของอัลฟาสลายของ} radionuclide เป็นเรื่องเกี่ยวกับ 10 ¹¹

เหตุผลของเรื่องนี้ก็คือว่าในการสั่งซื้อที่จะแยกออกเป็นสองส่วนหลักแรกที่ต้องได้รับการเปลี่ยนรูป (ยืด) ในรูปแบบรูปวงรีแล้วก่อนที่จะมีความแตกแยกสุดท้ายออกเป็นสองชิ้นส่วนในรูปแบบ "คอ" ที่อยู่ตรงกลาง

อุปสรรคที่อาจเกิดขึ้น

ในสภาพพิการที่เป็นแกนหลักของทั้งสองกองกำลัง หนึ่งของพวกเขา - พลังงานพื้นผิวเพิ่มขึ้น (แรงตึงผิวของหยดของเหลวอธิบายรูปทรงกลม) และอื่น ๆ - เขม่นประจุไฟฟ้าระหว่างชิ้นส่วนฟิชชัน พวกเขาช่วยกันผลิตอุปสรรคที่อาจเกิดขึ้น

เช่นในกรณีของการสลายตัวของอัลฟาฟิชชันที่จะเกิดขึ้นโดยธรรมชาติของอะตอมนิวเคลียสยูเรเนียมเศษจะต้องเอาชนะอุปสรรคนี้โดยใช้วิธีการขุดเจาะอุโมงค์ควอนตัม อุปสรรคคือประมาณ 6 MeV เช่นในกรณีของอัลฟาผุ แต่น่าจะเป็นของการขุดเจาะอุโมงค์ของαอนุภาคเป็นอย่างมากมากกว่าแยกอะตอมสินค้าหนักกว่ามาก

การย่อยสลายบังคับ

ฟิชชันมากมีแนวโน้มที่จะถูกเหนี่ยวนำนิวเคลียสของยูเรเนียม ในกรณีนี้ผู้ปกครองนิวเคลียสที่มีการฉายรังสีด้วยนิวตรอน หากผู้ปกครองก็จะดูดซับแล้วพวกเขาก็จะผูกพันที่จะปล่อยพลังงานที่มีผลผูกพันในรูปแบบของพลังงานการสั่นที่สามารถเกิน 6 MeV จำเป็นที่จะเอาชนะอุปสรรคที่อาจเกิดขึ้น

ที่ไหนพลังงานนิวตรอนเพิ่มเติมไม่เพียงพอที่จะเอาชนะอุปสรรคที่อาจเกิดขึ้นนิวตรอนเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นจะต้องมีพลังงานจลน์ขั้นต่ำในการสั่งซื้อเพื่อให้สามารถที่จะทำให้เกิดการแยกของอะตอม ในกรณีของ ²³⁸ U พลังงานนิวตรอนที่มีผลผูกพันเพิ่มเติมจะหายไปประมาณ 1 MeV ซึ่งหมายความว่าการแบ่งเซลล์นิวเคลียสของยูเรเนียมเหนี่ยวนำให้เกิดนิวตรอนเท่านั้นที่มีพลังงานจลน์มากกว่า 1 MeV บนมืออื่น ๆ ที่ ^U-235 ไอโซโทปมีหนึ่งนิวตรอน unpaired เมื่อนิวเคลียสดูดซับเพิ่มเติมมันเป็นกับมันเป็นคู่และพลังงานที่มีผลผูกพันเพิ่มเติมเป็นผลมาจากการจับคู่นี้ นี้ก็เพียงพอแล้วที่จะปล่อยปริมาณของพลังงานที่จำเป็นในการเอาชนะอุปสรรคที่อาจเกิดขึ้นจากนิวเคลียสและหมวดไอโซโทปที่เกิดขึ้นในการปะทะกันกับนิวตรอนใด ๆ

เบต้าสลาย

แม้จะมีความจริงที่ว่าปฏิกิริยาฟิชชันจะถูกปล่อยออกมาจากสามหรือสี่นิวตรอนเศษยังคงมีนิวตรอนมากกว่า isobars มั่นคงของพวกเขา ซึ่งหมายความว่าเศษความแตกแยกจะไม่แน่นอนโดยทั่วไปเกี่ยวกับการสลายตัวเบต้า

ตัวอย่างเช่นเมื่อมีการแบ่งนิวเคลียสของยูเรเนียม ²³⁸ U ที่ isobars มั่นคงกับ A = 145 ¹⁴⁵ นีโอไดเมีย Nd ซึ่งหมายความว่าแลนทานัมส่วนลา ¹⁴⁵ แยกเป็นสามขั้นตอนในแต่ละครั้งโดยแผ่อิเล็กตรอนและนิวตริโนจนไอโซโทปเสถียรจะเกิดขึ้น isobars มั่นคงกับ A = 90 ⁹⁰ เซอร์โคเนียม Zr ชิ้นแตกแยกดังนั้น Bromo Br ⁹⁰ แยกเป็นห้าขั้นตอนห่วงโซ่β-ผุ

เหล่านี้β-สลายโซ่ปล่อยพลังงานพิเศษซึ่งมีการดำเนินการไปเกือบทั้งหมดของอิเล็กตรอนและนิวตริโน

ปฏิกิริยานิวเคลียร์: ฟิชชันของยูเรเนียม

นิวไคลด์โดยตรงจากรังสีนิวตรอนที่มีจำนวนมากเกินไปของพวกเขาเพื่อให้มั่นใจเสถียรภาพของนิวเคลียสไม่น่า นี่เป็นจุดที่ไม่มีประจุไฟฟ้าเขม่นและเพื่อให้พลังงานพื้นผิวที่มีแนวโน้มที่จะรักษานิวตรอนเนื่องจากผู้ปกครอง แต่บางครั้งมันก็เกิดขึ้น ยกตัวอย่างเช่นฟิชชันส่วน Br ⁹⁰ ในครั้งแรกเบต้าผุผลิตคริปทอน-90 ซึ่งอาจจะอยู่ในสถานะที่ตื่นเต้นมีพลังงานเพียงพอที่จะเอาชนะพลังงานพื้นผิว ในกรณีนี้การฉายรังสีนิวตรอนอาจเกิดขึ้นโดยตรงในรูปแบบคริปทอน-89 isobars นี้ยังคงไม่แน่นอนเกี่ยวกับการสลายตัวของเบต้ายังไม่ได้ไปลงในเสถียรภาพอิตเทรียม-89 เพื่อให้คริปทอน-89 จะถูกแบ่งออกเป็นสามขั้นตอน

ยูเรเนียมฟิชชัน: ปฏิกิริยาลูกโซ่

นิวตรอนที่เกิดขึ้นในการตอบสนองความแตกแยกสามารถดูดซึมโดยผู้ปกครองนิวเคลียสอื่น ๆ ซึ่งจากนั้นจะผ่านการฟิชชันด้วยตนเองที่เกิดขึ้น ในกรณีของยูเรเนียม -238 สามนิวตรอนซึ่งเกิดขึ้นจากที่มีพลังงานน้อยกว่า 1 MeV (พลังงานที่ปล่อยออกมาในการแบ่งเซลล์ของแกนยูเรเนียม - 158 MeV - แปลงส่วนใหญ่เข้ามาในการเคลื่อนไหวเศษพลังงานความแตกแยก) ดังนั้นพวกเขาจึงไม่สามารถทำให้เกิดการแบ่งต่อไปของนิวไคลด์นี้ แต่ถ้ามีความเข้มข้นอย่างมีนัยสำคัญของไอโซโทปที่หายาก U ²³⁵ นิวตรอนฟรีเหล่านี้สามารถบันทึกโดยนิวเคลียสของ ^U-235 ก็สามารถก่อให้เกิดความแตกแยกจริงเนื่องจากในกรณีนี้ไม่มีเกณฑ์พลังงานด้านล่างซึ่งส่วนที่ไม่ได้รับการเหนี่ยวนำให้เกิด

นี้เป็นปฏิกิริยาลูกโซ่หลักการ

ประเภทของปฏิกิริยานิวเคลียร์

ให้ k - จำนวนของนิวตรอนที่ผลิตในตัวอย่างของวัสดุฟิสไซล์ในขั้นตอนที่ n ของห่วงโซ่การหารด้วยจำนวนนิวตรอนที่เกิดขึ้นในขั้นตอนที่ n - 1. หมายเลขนี้จะขึ้นอยู่กับจำนวนของนิวตรอนที่เกิดขึ้นในขั้นตอนที่ n - 1, ถูกดูดซึมโดยหลักซึ่ง สามารถได้รับการชักนำให้เกิดการแบ่งเซลล์

•หาก k <1, ปฏิกิริยาลูกโซ่เป็นเพียงออกจากไอน้ำและกระบวนการที่จะหยุดได้อย่างรวดเร็ว นี่คือสิ่งที่เกิดขึ้นในธรรมชาติ แร่ยูเรเนียม ^{ที่มีความเข้มข้นของ U-235} ที่มีขนาดเล็กเพื่อที่ว่าน่าจะเป็นของการดูดซึมของนิวตรอนไอโซโทปนี้เป็นเล็กน้อยมาก

•หาก k> 1 ปฏิกิริยาลูกโซ่จะยังคงเติบโตตราบเท่าที่ทั้งหมดของวัสดุฟิสไซล์จะไม่ถูกนำมาใช้ (ระเบิดปรมาณู) นี้จะทำได้โดยการเพิ่มคุณค่าแร่ธรรมชาติเพื่อให้ได้ความเข้มข้นสูงพอสมควรของยูเรเนียม-235 สำหรับทรงกลมค่าตัวอย่าง k เพิ่มขึ้นกับความน่าจะเป็นของการดูดซึมนิวตรอนซึ่งจะขึ้นอยู่กับรัศมีของทรงกลม ดังนั้นน้ำหนัก U ต้องเกินมวลที่สำคัญบางอย่างที่จะเกิดฟิชชันของยูเรเนียม (ปฏิกิริยาลูกโซ่) ที่อาจเกิดขึ้น

•หาก k = 1 แล้วมีปฏิกิริยาควบคุม มันถูกใช้ใน เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ กระบวนการในการควบคุมการกระจายในหมู่แท่งยูเรเนียมของแคดเมียมหรือโบรอนซึ่งดูดซับมากที่สุดของนิวตรอน (องค์ประกอบเหล่านี้มีความสามารถในการจับนิวตรอน) หารแกนยูเรเนียมก็ถูกควบคุมโดยอัตโนมัติโดยการย้ายก้านเพื่อให้ค่า k ยังคงเท่ากับหนึ่ง