Nuklearna podjela-- proces cijepanja atomskog jezgra na dva jezgra slične mase, koji se nazivaju fragmenti fisije. Kao rezultat fisije, mogu nastati i drugi produkti reakcije: svjetlosna jezgra (uglavnom alfa čestice), neutroni i gama zraci. Fisija može biti spontana (spontana) i prisilna (kao rezultat interakcije s drugim česticama, prvenstveno s neutronima). Fisija teških jezgara -- egzotermni proces, zbog čega se oslobađa velika količina energije u obliku kinetičke energije produkta reakcije, kao i zračenja. Nuklearna fisija služi kao izvor energije u nuklearnim reaktorima i nuklearnom oružju.
Godine 1938. njemački naučnici O. Gann i F. Strassmann otkrili su da kada se uranijum ozrači neutronima, elementi se formiraju iz sredine periodni sistem- barijum i lantan, koji su postavili temelje za praktična upotreba nuklearna energija.
Fisija teških jezgara nastaje hvatanjem neutrona. U tom slučaju se emituju nove čestice i oslobađa energija vezivanja jezgra, prenesena na fragmente fisije.
Fizičari A. Meitner i O. Frisch objasnili su ovaj fenomen činjenicom da je jezgro uranijuma koje je uhvatilo neutron podijeljeno na dva dijela, tzv. fragmenti. Postoji više od dvije stotine opcija podjele, na primjer:
- 235U + 1 n > 139 Xe + 95 Sr + 2 1 n.
- 92 0 54 38 0
U ovom slučaju oslobađa se 200 MeV energije po jezgru izotopa uranijuma 235 U.
Većina ove energije dolazi od fragmentiranih jezgara, a ostatak dolazi od kinetičke energije fisijskih neutrona i energije zračenja.
Za sintezu slično inficiranih protona potrebno je savladati Kulonove odbojne sile, što je moguće pri dovoljno velikim brzinama sudarajućih čestica. Preduvjeti za sintezu jezgara helijuma iz protona dostupna su u unutrašnjosti zvijezda. Na tlu termonuklearna reakcija fuzija je izvedena tokom eksperimentalnih termonuklearnih eksplozija.
Kako je za teška jezgra odnos broja neutrona i protona N/Z 1,6, a za lakša jezgra - fragmente blizu jedinice, fragmenti su u trenutku njihovog pojavljivanja preopterećeni neutronima, da bi prešli u ? stabilno stanje, emituju sekundarno neutroni. Emisija sekundarnih neutrona je važna karakteristika reakcije fisije teških jezgara, pa se sekundarni neutroni nazivaju i fisioni neutroni. Kada se svako jezgro uranijuma fisije, emituju se 2-3 fisiona neutrona. Sekundarni neutroni mogu izazvati nove događaje fisije, što ih čini mogućim lančana reakcija fisije- nuklearna reakcija u kojoj se kao produkti te reakcije formiraju čestice koje izazivaju reakciju. Karakterizirana je lančana reakcija faktor multiplikacije neutrona k, jednak omjeru broja neutrona u datoj fazi reakcije prema njihovom broju u prethodnoj fazi. Ako je k< 1, цепная реакция не возникает (или прекращается), при k >1 dolazi do razvoja lančane reakcije, broj podjela se povećava poput lavine i reakcija može postati eksplozivna. Pri k=1 dolazi do samoodržive reakcije u kojoj broj neutrona ostaje konstantan. To je upravo lančana reakcija koja se događa u nuklearnim reaktorima.
Koeficijent množenja zavisi od prirode fisione supstance, a za dati izotop - od njegove količine, kao i od veličine i oblika jezgro- prostor u kojem se odvija lančana reakcija. U lančanoj reakciji ne učestvuju svi neutroni koji imaju dovoljno energije za nuklearnu fisiju – neki od njih se „zaglave“ u jezgrima nefisilnih nečistoća koje su uvijek prisutne u jezgru, a neki napuštaju jezgro čije su dimenzije su konačne, prije nego što ih uhvati bilo koje jezgro (curenje neutrona). Minimalne dimenzije jezgra na kojima je moguća lančana reakcija se nazivaju kritične dimenzije, a minimalna masa fisionih supstanci koja se nalazi u sistemu kritičnih veličina naziva se kritična masa. Dakle, u komadu čistog uranijuma 92 235 U, svaki neutron zahvaćen jezgrom izaziva fisiju sa emisijom u prosjeku 2,5 sekundarnih neutrona, ali ako je masa takvog uranijuma manja od 9 kg, tada većina neutrona leti van bez izazivanja fisije, tako da ne dođe do lančane reakcije. Stoga su tvari čije jezgre sposobne za fisiju pohranjene u obliku komadića izoliranih jedan od drugog, manje od kritične mase. Ako se nekoliko takvih komada brzo i čvrsto poveže tako da njihova ukupna masa prelazi kritičnu masu, započet će lavino umnožavanje neutrona, a lančana reakcija će dobiti nekontroliranu eksplozivnu prirodu. To je ono na čemu se uređaj zasniva. atomska bomba.
Osim reakcije fisije teških jezgara, postoji još jedan način oslobađanja intranuklearne energije - reakcija fuzije lakih jezgara. Količina energije koja se oslobađa tokom procesa fuzije je tolika da pri visokoj koncentraciji jezgri u interakciji može biti dovoljna da izazove lančanu termonuklearnu reakciju. U ovom procesu, brzo toplotno kretanje jezgara je podržano energijom reakcije, a sama reakcija je podržana termičko kretanje. Da bi se postigla potrebna kinetička energija, temperatura reaktanta mora biti vrlo visoka (107 - 108 K). Na ovoj temperaturi, tvar je u stanju vruće, potpuno jonizirane plazme, koja se sastoji od atomskih jezgara i elektrona. Čovječanstvu se otvaraju potpuno nove mogućnosti implementacijom termonuklearne reakcije fuzije lakih elemenata. Može se zamisliti tri načina da se ova reakcija izvede:
- 1) spora termonuklearna reakcija koja se spontano javlja u dubinama Sunca i drugih zvezda;
- 2) brza samoodrživa termonuklearna reakcija nekontrolisane prirode, koja se javlja prilikom eksplozije hidrogenske bombe;
- 3) kontrolisana termonuklearna reakcija.
Nekontrolirana termonuklearna reakcija je hidrogenska bomba, čija se eksplozija događa kao rezultat nuklearne interakcije:
D + D -> He3 + n; D + D -> T + r; T + D -> He4 + n,
što dovodi do sinteze izotopa helijuma He3, koji sadrži dva protona i jedan neutron u jezgru, i običnog helijuma He4, koji sadrži dva protona i dva neutrona u jezgru. Ovdje je n neutron, a p je proton, D je deuterijum, a T je tricijum.
Počeo je eksperimente o zračenju uranijuma sporim neutronima iz izvora radijuma i berilijuma. Svrha ovih eksperimenata, koji su poslužili kao poticaj za brojne slične eksperimente izvedene u drugim laboratorijama, bilo je otkriće u to vrijeme nepoznatih transuranskih elemenata za koje se pretpostavljalo da su dobiveni kao rezultat raspadanja izotopa uranijuma nastalih tokom hvatanje neutrona. Novi radioaktivni proizvodi su zaista pronađeni, ali dalja istraživanja su pokazala da su radiohemijska svojstva mnogih "novih transuranijumskih elemenata" drugačija od očekivanih. Proučavanje ovih neobičnih proizvoda nastavilo se sve do 1939. godine, kada su radiohemičari Hahn i Strassmann dokazali da nove aktivnosti ne pripadaju teškim elementima, već atomima prosječne težine. Ispravnu interpretaciju neobičnog nuklearnog procesa dali su iste godine Meitner i Frisch, koji su predložili da se pobuđena jezgra urana podijeli na dva fragmenta približno jednake mase. Na osnovu analize energija vezivanja elemenata periodni sistem Došli su do zaključka da bi svaki događaj fisije trebao osloboditi vrlo veliku količinu energije, nekoliko desetina puta veću od energije oslobođene tokom raspada. To su potvrdili eksperimenti Frisha, koji je registrovao impulse fisionih fragmenata u jonizacionoj komori, i Joliota, koji je na osnovu mjerenja putanje fragmenata pokazao da potonji imaju visoku kinetičku energiju.
Sa slike 1 je jasno da jezgra sa A = 40-120 imaju najveću stabilnost, tj. nalazi se u sredini periodnog sistema. Procesi kombinacije (sinteze) lakih jezgara i fisije teških jezgara energetski su povoljni. U oba slučaja konačne jezgre se nalaze u području vrijednosti A gdje je specifična energija vezivanja veća od specifične energije vezivanja početnih jezgara. Stoga se ovi procesi moraju odvijati uz oslobađanje energije. Koristeći podatke o specifičnim energijama vezivanja, moguće je procijeniti energiju koja se oslobađa u jednom događaju fisije. Neka se jezgro masenog broja A 1 = 240 podijeli na dva jednaka fragmenta sa A 2 = 120. U ovom slučaju, specifična energija vezivanja fragmenata, u poređenju sa specifičnom energijom vezivanja početnog jezgra, raste za 0,8 MeV ( od 1 do 7,6 MeV za jezgro sa A 1 = 240 do 2 8,4 MeV za jezgro sa A 2 = 120). U tom slučaju energija se mora osloboditi
E = A 1 1 - 2A 2 2 = A 1 ( 2 - 1)240(8,4-7,6) MeV 200 MeV.
. Elementarna teorija fisije
Izračunajmo količinu energije koja se oslobađa tokom fisije teškog jezgra. Zamijenimo u (f.2) izraze za energije vezivanja jezgara (f.1), uz pretpostavku da su A 1 = 240 i Z 1 = 90. Zanemarimo posljednji član u (f.1) zbog njegove malenosti i zamijenimo dobijamo vrednosti parametara a 2 i a 3
Iz ovoga dobijamo da je fisija energetski povoljna kada je Z 2 /A > 17. Vrijednost Z 2 /A naziva se parametar fisibilnosti. Energija E koja se oslobađa tokom fisije raste sa povećanjem Z 2 /A; Z 2 /A = 17 za jezgra u oblasti itrijuma i cirkonijuma. Iz dobijenih procjena jasno je da je fisija energetski povoljna za sva jezgra sa A > 90. Zašto je većina jezgara stabilna u odnosu na spontanu fisiju? Da bismo odgovorili na ovo pitanje, pogledajmo kako se oblik jezgra mijenja tokom fisije.
Tokom procesa fisije, jezgro uzastopno prolazi sljedeće faze (slika 2): lopta, elipsoid, bučica, dva kruškasta fragmenta, dva sferna fragmenta. Kako se mijenja potencijalna energija jezgra tokom različitih faza fisije? Nakon što je došlo do fisije, a fragmenti se nalaze na udaljenosti jedni od drugih mnogo većoj od njihovog radijusa, potencijalna energija fragmenata, određena Kulonovom interakcijom između njih, može se smatrati jednakom nuli.
Razmotrimo početnu fazu fisije, kada jezgro, sa povećanjem r, poprima oblik sve izduženijeg elipsoida okretanja. U ovoj fazi podjele, r je mjera odstupanja jezgra od sfernog oblika (slika 3). Zbog evolucije oblika jezgra, promjena njegove potencijalne energije određena je promjenom sume površinske i Kulonove energije E" n + E" k. Pretpostavlja se da volumen jezgra ostaje nepromijenjen tokom procesa deformacije. U ovom slučaju, površinska energija E"n raste, kako se povećava površina jezgra. Kulonova energija E"k opada, kako se povećava prosječna udaljenost između nukleona. Neka sferna jezgra, kao rezultat blage deformacije koju karakterizira mali parametar, poprimi oblik aksijalno simetričnog elipsoida. Može se pokazati da površinska energija E" n i Kulonova energija E" k variraju u zavisnosti od:
U slučaju malih elipsoidnih deformacija, povećanje površinske energije se događa brže od smanjenja Kulonove energije.
U području teških jezgara 2E n > E k zbir površinske i Kulonove energije raste sa povećanjem . Iz (f.4) i (f.5) proizilazi da pri malim elipsoidnim deformacijama povećanje površinske energije sprečava dalje promjene oblika jezgra, a samim tim i fisiju. Izraz (f.5) vrijedi za male vrijednosti (male deformacije). Ako je deformacija toliko velika da jezgro poprimi oblik bučice, tada sile površinskog napona, poput Coulombovih sila, teže da razdvoje jezgro i daju fragmentima sferni oblik. U ovoj fazi fisije, povećanje naprezanja je praćeno smanjenjem i Kulonove i površinske energije. One. uz postepeno povećanje deformacije jezgra, njegova potencijalna energija prolazi kroz maksimum. Sada r ima značenje udaljenosti između centara budućih fragmenata. Kako se fragmenti udaljavaju jedan od drugog, potencijalna energija njihove interakcije će se smanjivati, budući da opada Kulonova energija odbijanja Ek. Ovisnost potencijalne energije o udaljenosti između fragmenata je prikazana na Sl. 4. Nulti nivo potencijalne energije odgovara zbiru površinske i Kulonove energije dva fragmenta koji nisu u interakciji.
Prisustvo potencijalne barijere sprečava trenutnu spontanu fisiju jezgara. Da bi se jezgro trenutno podijelilo, mora mu se dati energija Q koja prelazi visinu barijere H. Maksimalna potencijalna energija fisijskog jezgra je približno jednaka
e 2 Z 1 Z 2 /(R 1 +R 2), gdje su R 1 i R 2 polumjeri fragmenata. Na primjer, kada se jezgro zlata podijeli na dva identična fragmenta, e 2 Z 1 Z 2 /(R 1 + R 2) = 173 MeV, a količina energije E koja se oslobađa tokom fisije () jednaka je 132 MeV. Dakle, kada se zlatno jezgro fisije, potrebno je savladati potencijalnu barijeru od oko 40 MeV.
Što je visina barijere H veća, to je niži odnos Kulonove i površinske energije E prema /E p u početnom jezgru. Ovaj omjer, zauzvrat, raste sa povećanjem parametra djeljivosti Z 2 /A (). Što je jezgro teže, to je niža visina barijere H ,
budući da parametar fisibilnosti raste sa povećanjem masenog broja:
 |
One. Prema modelu kapljica, u prirodi ne bi trebalo postojati jezgra sa Z 2 /A > 49, jer se spontano cijepaju gotovo trenutno (unutar karakterističnog nuklearnog vremena reda 10 -22 s). Mogućnost postojanja atomskih jezgara sa Z 2 /A > 49 („ostrvo stabilnosti“) objašnjava se strukturom ljuske. Zavisnost oblika, visine potencijalne barijere H i energije fisije E od vrednosti parametra fisije Z 2 /A prikazana je na Sl. 5.
Energija E koja se oslobađa tokom fisije raste sa povećanjem Z 2 /A. Vrijednost Z 2 /A = 17 za 89 Y (itrijum). One. fisija je energetski povoljna za sve jezgre teže od itrijuma. Zašto je većina jezgara otporna na spontanu fisiju? Da bismo odgovorili na ovo pitanje, potrebno je razmotriti mehanizam podjele.
Tokom procesa fisije mijenja se oblik jezgra. Jezgro uzastopno prolazi kroz sljedeće faze (slika 7.1): lopta, elipsoid, bučica, dva fragmenta u obliku kruške, dva sferna fragmenta. Kako se mijenja potencijalna energija jezgra u različitim fazama fisije?
Početno jezgro sa uvećanjem r poprima oblik sve izduženijeg elipsoida revolucije. U ovom slučaju, zbog evolucije oblika jezgra, promjena njegove potencijalne energije je određena promjenom sume površinske i Kulonove energije E p + E k. U ovom slučaju površinska energija raste kao povećava se površina jezgra. Kulonova energija se smanjuje kako se prosječna udaljenost između protona povećava. Ako je, pod blagom deformacijom, koju karakterizira mali parametar , originalno jezgro poprimilo oblik aksijalno simetričnog elipsoida, površinska energija E" p i Kulonova energija E" k kao funkcije parametra deformacije mijenjaju se na sljedeći način:
U omjerima (7,4–7,5) E n i E k su površinska i Kulonova energija početnog sferno simetričnog jezgra.
U području teških jezgara 2E p > E k i zbir površinske i Kulonove energije raste sa povećanjem . Iz (7.4) i (7.5) proizilazi da pri malim deformacijama povećanje površinske energije sprečava dalje promjene oblika jezgra, a samim tim i fisiju.
Za male deformacije vrijedi relacija (7.5). Ako je deformacija toliko velika da jezgro poprimi oblik bučice, tada površinske i Kulonove sile teže da odvoje jezgro i da fragmentima daju sferni oblik. Dakle, s postepenim povećanjem deformacije jezgra, njegova potencijalna energija prolazi kroz maksimum. Grafikon promjena površinske i Kulonove energije jezgra u zavisnosti od r prikazan je na Sl. 7.2.
Prisustvo potencijalne barijere sprečava trenutnu spontanu fisiju jezgara. Da bi se jezgro rascijepilo, potrebno mu je dati energiju Q koja premašuje visinu fisione barijere H. Maksimalna potencijalna energija cijepajućeg jezgra E + H (na primjer zlato) na dva identična fragmenta je ≈ 173 MeV, a količina energije E koja se oslobađa tokom fisije je 132 MeV. Dakle, kada se zlatno jezgro fisije, potrebno je savladati potencijalnu barijeru od oko 40 MeV.
Visina fisione barijere H je veća, što je niži odnos Kulonove i površinske energije E prema /E p u početnom jezgru. Ovaj odnos se, zauzvrat, povećava sa povećanjem parametra podjele Z 2 /A (7.3). Što je jezgro teže, to je manja visina fisijske barijere H, jer parametar fisije, pod pretpostavkom da je Z proporcionalan A, raste sa povećanjem masenog broja:
| E k /E p = (a 3 Z 2)/(a 2 A) ~ A. | (7.6) |
Stoga, teže jezgre općenito moraju dati manje energije da bi izazvale nuklearnu fisiju.
Visina fisijske barijere nestaje na 2E p – E k = 0 (7,5). U ovom slučaju
2E p /E k = 2(a 2 A)/(a 3 Z 2),
Z 2 /A = 2a 2 /(a 3 Z 2) ≈ 49.
Dakle, prema modelu kapljica, jezgra sa Z 2 /A > 49 ne mogu postojati u prirodi, jer se moraju spontano podijeliti na dva fragmenta gotovo trenutno u karakterističnom nuklearnom vremenu reda od 10-22 s. Zavisnosti oblika i visine potencijalne barijere H, kao i energije fisije od vrednosti parametra Z 2 /A prikazane su na Sl. 7.3.
Rice. 7.3. Radijalna ovisnost oblika i visine potencijalne barijere i energije fisije E pri različitim vrijednostima parametra Z 2 /A. Vrijednost E p + E k je iscrtana na vertikalnoj osi.
Spontana fisija jezgara sa 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 godina za 232 Th do 0,3 s za 260 Rf.
Prisilna fisija jezgara sa 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.
Minimalna vrijednost energije ekscitacije složenog jezgra E* formiranog tokom hvatanja neutrona jednaka je energiji vezivanja neutrona u ovom jezgru ε n. Tabela 7.1 upoređuje visinu barijere H i energiju vezivanja neutrona ε n za izotope Th, U i Pu formirane nakon hvatanja neutrona. Energija vezivanja neutrona zavisi od broja neutrona u jezgru. Zbog energije uparivanja, energija veze parnog neutrona je veća od energije veze neparnog neutrona.
Tabela 7.1
Visina barijere fisije H, energija veze neutrona ε n
| Izotop | Visina fisijske barijere H, MeV | Izotop | Energija vezivanja neutrona ε n |
|---|---|---|---|
| 232 Th | 5.9 | 233 Th | 4.79 |
| 233U | 5.5 | 234 U | 6.84 |
| 235 U | 5.75 | 236U | 6.55 |
| 238 U | 5.85 | 239 U | 4.80 |
| 239 Pu | 5.5 | 240 Pu | 6.53 |
Karakteristična karakteristika fisije je da fragmenti, po pravilu, imaju različite mase. U slučaju najvjerovatnije fisije od 235 U, omjer masa fragmenata je u prosjeku ~ 1,5. Raspodjela mase fragmenata fisije 235 U termalnim neutronima prikazana je na Sl. 7.4. Za najvjerovatniju fisiju, teški fragment ima maseni broj 139, laki - 95. Među proizvodima fisije postoje fragmenti sa A = 72 - 161 i Z = 30 - 65. Vjerovatnoća fisije na dva fragmenta jednaka masa nije nula. Kada se 235 U cijepa termalnim neutronima, vjerovatnoća simetrične fisije je otprilike tri reda veličine manja nego u slučaju najvjerovatnije fisije na fragmente sa A = 139 i 95.
Asimetrična podjela se objašnjava strukturom ljuske jezgra. Jezgro se nastoji podijeliti na način da glavni dio nukleona svakog fragmenta formira najstabilniji magični kostur.
Odnos broja neutrona i broja protona u jezgru 235 U N/Z = 1,55, dok je za stabilne izotope sa masenim brojem blizu masenog broja fragmenata ovaj odnos 1,25 − 1,45. Posljedično, ispada da su fragmenti fisije jako preopterećeni neutronima i moraju biti
β - radioaktivan. Dakle, fisioni fragmenti prolaze kroz uzastopne β - raspade, a naboj primarnog fragmenta može se promijeniti za 4 − 6 jedinica. Ispod je tipičan lanac radioaktivnih raspada od 97 Kr, jedan od fragmenata nastalih tokom fisije 235 U:
Ekscitacija fragmenata, uzrokovana kršenjem odnosa broja protona i neutrona, karakterističnog za stabilna jezgra, također se uklanja zbog emisije brzih fisionih neutrona. Ovi neutroni se emituju pokretnim fragmentima u vremenu manjem od ~ 10 -14 s. U prosjeku, 2-3 brza neutrona se emituju u svakom događaju fisije. Njihov energetski spektar je kontinuiran sa maksimumom od oko 1 MeV. Prosječna energija brzog neutrona je blizu 2 MeV. Emisija više od jednog neutrona u svakom događaju fisije omogućava dobijanje energije kroz lančanu reakciju nuklearne fisije.
Uz najvjerovatnije fisije od 235 U toplinskim neutronima, lagani fragment (A = 95) poprima kinetičku energiju od ≈ 100 MeV, a teški fragment (A = 139) poprima kinetičku energiju od oko 67 MeV. Dakle, ukupna kinetička energija fragmenata je ≈ 167 MeV. Ukupna energija fisije u ovom slučaju je 200 MeV. Tako se preostala energija (33 MeV) raspoređuje između ostalih proizvoda fisije (neutrona, elektrona i antineutrina iz β - raspadnih fragmenata, γ zračenja iz fragmenata i njihovih proizvoda raspada). Raspodjela energije fisije između različitih proizvoda tokom fisije 235 U termalnim neutronima data je u tabeli 7.2.
Tabela 7.2
Distribucija energije fisije 235 U termalni neutroni
Proizvodi nuklearne fisije (NFP) su složena mješavina više od 200 radioaktivnih izotopa 36 elemenata (od cinka do gadolinijuma). Većina aktivnosti potiče od kratkotrajnih radionuklida. Dakle, 7, 49 i 343 dana nakon eksplozije, aktivnost PYD se smanjuje za 10, 100 i 1000 puta, respektivno, u odnosu na aktivnost jedan sat nakon eksplozije. Prinos biološki najznačajnijih radionuklida dat je u tabeli 7.3. Pored PYN, radioaktivnu kontaminaciju uzrokuju radionuklidi indukovane aktivnosti (3 H, 14 C, 28 Al, 24 Na, 56 Mn, 59 Fe, 60 Co itd.) i nepodijeljeni dio uranijuma i plutonijuma. Posebno je velika uloga indukovane aktivnosti tokom termonuklearnih eksplozija.
Tabela 7.3
Oslobađanje nekih fisionih produkata nuklearne eksplozije
| Radionuklid | Poluživot | Izlaz po podjeli, % | Aktivnost po 1 Mt, 10 15 Bq |
|---|---|---|---|
| 89 Sr | 50,5 dana. | 2.56 | 590 |
| 90 Sr | 29,12 godina | 3.5 | 3.9 |
| 95 Zr | 65 dana | 5.07 | 920 |
| 103 Ru | 41 dan | 5.2 | 1500 |
| 106 Ru | 365 dana | 2.44 | 78 |
| 131 I | 8,05 dana | 2.9 | 4200 |
| 136 Cs | 13,2 dana | 0.036 | 32 |
| 137 Cs | 30 godina | 5.57 | 5.9 |
| 140 Ba | 12,8 dana | 5.18 | 4700 |
| 141 Cs | 32,5 dana. | 4.58 | 1600 |
| 144 Cs | 288 dana | 4.69 | 190 |
| 3 H | 12,3 godine | 0.01 | 2,6·10 -2 |
Tokom nuklearnih eksplozija u atmosferi, značajan dio padavina (do 50% za eksplozije na tlu) pada u blizini ispitnog područja. Neke radioaktivne tvari zadržavaju se u donjem dijelu atmosfere i pod utjecajem vjetra kreću se na velike udaljenosti, ostajući na približno istoj geografskoj širini. Boraveći u vazduhu oko mesec dana, radioaktivne supstance postepeno padaju na Zemlju tokom ovog kretanja. Većina radionuklida se emituje u stratosferu (do visine od 10-15 km), gdje se globalno raspršuju i u velikoj mjeri dezintegriraju.
Različiti strukturni elementi nuklearnih reaktora su decenijama bili veoma aktivni (tabela 7.4)
Tabela 7.4
Specifične vrijednosti aktivnosti (Bq/t urana) glavnih fisionih produkata u gorivnim elementima uklonjenim iz reaktora nakon tri godine rada
| Radionuklid | 0 | 1 dan | 120 dana | 1 godina | 10 godina | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
| 89 Sr | 4. 04· 10 16 | 3. 98· 10 16 | 5. 78· 10 15 | 2. 7· 10 14 |
1. 2· 10 10 |
|
| 90 Sr | 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 | |
| 95 Nb | 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 | ||
| 134 Cs | 7. 50· 10 15 | 7. 50· 10 15 | 6. 71· 10 15 | 5. 36· 10 15 | 2. 73· 10 15 | 2. 6· 10 14 |
| 137 Cs | 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 | ||
| 140 La | 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 |
Proučavanje interakcije neutrona sa materijom dovelo je do otkrića nove vrste nuklearnih reakcija. Godine 1939. O. Hahn i F. Strassmann su istraživali hemijske produkte koji su rezultat bombardiranja jezgara uranijuma neutronima. Barijum je pronađen među produktima reakcije - hemijski element sa masom mnogo manjom od mase uranijuma. Problem su riješili njemački fizičari L. Meitner i O. Frisch, koji su pokazali da kada uranijum apsorbuje neutrone, jezgro se dijeli na dva fragmenta:
Gdje k > 1.
Tokom fisije jezgra uranijuma, termalni neutron sa energijom od ~0,1 eV oslobađa energiju od ~200 MeV. Bitno je da ovaj proces prati pojava neutrona sposobnih da izazovu fisiju drugih jezgri urana - lančana reakcija fisije . Dakle, jedan neutron može dovesti do razgranatog lanca nuklearnih fisija, a broj jezgara koje sudjeluju u reakciji fisije će se eksponencijalno povećati. Otvoreni su izgledi za korištenje lančane reakcije fisije u dva pravca:
· kontrolisane reakcije nuklearne fisije– stvaranje nuklearnih reaktora;
· odbjegla reakcija nuklearne fisije- stvaranje nuklearnog oružja.
1942. prvi nuklearni reaktor. U SSSR-u, prvi reaktor je pušten u rad 1946. godine. Trenutno termički i električna energija proizveden u stotinama nuklearnih reaktora koji rade u različitim zemljama širom svijeta.
Kao što se može vidjeti sa sl. 4.2, sa povećanjem vrijednosti A specifična energija vezivanja se povećava do A» 50. Ovo ponašanje se može objasniti kombinacijom sila; Energija vezivanja pojedinačnog nukleona povećava se ako ga ne privlače jedan ili dva, već nekoliko drugih nukleona. Međutim, u elementima sa vrijednostima masenog broja veće su A» 50 specifična energija vezivanja postepeno opada sa povećanjem A. To je zbog činjenice da su nuklearne privlačne sile kratkog dometa, s radijusom djelovanja reda veličine pojedinačnog nukleona. Izvan ovog radijusa prevladavaju sile elektrostatičkog odbijanja. Ako su dva protona razdvojena za više od 2,5 × 10 - 15 m, tada između njih prevladavaju sile Kulonove odbijanja, a ne nuklearnog privlačenja.
Posljedica ovakvog ponašanja specifične energije vezivanja ovisno o A je postojanje dva procesa - nuklearna fuzija i fisija . Razmotrimo interakciju elektrona i protona. Kada se formira atom vodika, oslobađa se energija od 13,6 eV i masa atoma vodika je 13,6 eV manja od zbira masa slobodnog elektrona i protona. Slično, masa dva laka jezgra premašuje masu nakon njihove kombinacije na D M. Ako ih povežete, spojit će se oslobađajući energiju D gđa 2. Ovaj proces se zove nuklearna fuzija . Razlika u masi može premašiti 0,5%.
Ako se teško jezgro podijeli na dva lakša jezgra, njihova će masa biti 0,1% manja od mase matičnog jezgra. Teška jezgra imaju tendenciju divizije u dva lakša jezgra uz oslobađanje energije. Energija atomske bombe i nuklearnog reaktora predstavlja energiju , oslobođeno tokom nuklearne fisije . Energija hidrogenske bombe je energija oslobođena tokom nuklearne fuzije. Alfa raspad se može smatrati visoko asimetričnom fisijom u kojoj je matično jezgro M dijeli se na malu alfa česticu i veliko rezidualno jezgro. Alfa raspad je moguć samo ako je reakcija
težina M ispada da je veći od zbira masa i alfa čestice. Sva jezgra sa Z> 82 (olovo) .At Z> 92 (uranijum) alfa raspad poluraspada je znatno duži od starosti Zemlje, a takvi elementi se ne javljaju u prirodi. Međutim, mogu se stvoriti umjetno. Na primjer, plutonijum ( Z= 94) može se dobiti iz uranijuma u nuklearnom reaktoru. Ova procedura je postala uobičajena i košta samo 15 dolara za 1 g. Do sada je bilo moguće dobiti elemente do Z= 118, ali po znatno višoj cijeni i po pravilu u zanemarljivim količinama. Može se nadati da će radiohemičari naučiti da dobijaju, iako u malim količinama, nove elemente iz Z> 118.
Kada bi se masivno jezgro uranijuma moglo podijeliti u dvije grupe nukleona, tada bi se te grupe nukleona preuredile u jezgra sa jačom vezom. Tokom procesa restrukturiranja, energija bi se oslobodila. Spontana nuklearna fisija je dozvoljena zakonom održanja energije. Međutim, potencijalna barijera reakcijama fisije u prirodnim jezgrima je toliko visoka da je vjerovatnoća spontane fisije mnogo manja od vjerovatnoće alfa raspada. Poluživot 238 U jezgara u odnosu na spontanu fisiju je 8×10 15 godina. Ovo je više od milion puta starije od Zemlje. Ako se neutron sudari s teškim jezgrom, može se pomaknuti na viši energetski nivo blizu vrha elektrostatičke potencijalne barijere, što rezultira povećanom vjerovatnoćom fisije. Jezgro u pobuđenom stanju može imati značajan ugaoni moment i dobiti ovalni oblik. Područja na periferiji jezgra lakše prodiru kroz barijeru jer su djelomično već iza barijere. Za jezgro ovalnog oblika uloga barijere je dodatno oslabljena. Kada se uhvati jezgro ili spori neutron, formiraju se stanja s vrlo kratkim životnim vijekom u odnosu na fisiju. Razlika u masi između jezgra uranijuma i tipičnih fisionih produkata je takva da, u prosjeku, fisija uranijuma oslobađa energiju od 200 MeV. Masa mirovanja jezgra uranijuma je 2,2×10 5 MeV. Oko 0,1% ove mase pretvara se u energiju, što je jednako omjeru od 200 MeV prema vrijednosti od 2,2 × 10 5 MeV.
Energetska ocjena,pušten od strane divizije,može se dobiti od Weizsäcker formule :
Kada se jezgro podijeli na dva fragmenta, površinska energija i Kulonova energija se mijenjaju 
, a površinska energija raste, a Kulonova energija opada. Fisija je moguća kada se energija oslobađa tokom fisije E > 0.
.
Evo A 1 = A/2, Z 1 = Z/2. Iz ovoga dobijamo da je fisija energetski povoljna kada Z 2 /A> 17. Magnituda Z 2 /A pozvao parametar djeljivosti . Energija E, koji se oslobađa tokom dijeljenja, povećava se s povećanjem Z 2 /A.
Tokom procesa podjele, jezgro mijenja oblik - uzastopno prolazi kroz sljedeće faze (slika 9.4): lopta, elipsoid, bučica, dva fragmenta u obliku kruške, dva sferna fragmenta.
Nakon što je došlo do fisije, a fragmenti se nalaze jedan od drugog na udaljenosti mnogo većoj od njihovog radijusa, potencijalna energija fragmenata, određena Kulonovom interakcijom između njih, može se smatrati jednakom nuli.
Zbog evolucije oblika jezgra, promjena njegove potencijalne energije određena je promjenom sume površinske i Kulonove energije . Pretpostavlja se da volumen jezgra ostaje nepromijenjen tokom deformacije. U ovom slučaju, površinska energija raste kako se povećava površina jezgre. Kulonova energija opada kako se prosječna udaljenost između nukleona povećava. U slučaju malih elipsoidnih deformacija, povećanje površinske energije se događa brže od smanjenja Kulonove energije.
U području teških jezgara, zbir površinske i Kulonove energije raste sa povećanjem deformacije. Kod malih elipsoidnih deformacija, povećanje površinske energije sprječava daljnje promjene oblika jezgra, a samim tim i fisiju. Prisustvo potencijalne barijere sprečava trenutnu spontanu fisiju jezgara. Da bi se jezgro trenutno podijelilo, mora mu se dati energija veća od visine fisijske barijere N.
Visina barijere Nšto je manji odnos Kulonove i površinske energije u početnom jezgru, to je veći. Ovaj omjer se zauzvrat povećava s povećanjem parametra djeljivosti Z 2 /A.Što je jezgro teže, to je niža visina barijere N, budući da parametar fisibilnosti raste sa povećanjem masenog broja:
Teža jezgra općenito moraju dati manje energije da bi izazvala fisiju. Iz Weizsäckerove formule slijedi da visina fisijske barijere nestaje na . One. Prema modelu kapljica, jezgra s bi trebala biti odsutna u prirodi, jer se spontano cijepaju gotovo trenutno (unutar karakterističnog nuklearnog vremena reda 10-22 s). Postojanje atomskih jezgara sa (" ostrvo stabilnosti ") objašnjava se strukturom ljuske atomskih jezgara. Spontana fisija jezgara sa , za koju je visina barijere N nije jednako nuli, sa stanovišta klasične fizike to je nemoguće. Sa tačke gledišta kvantna mehanika takva podjela je moguća kao rezultat prolaska fragmenata kroz potencijalnu barijeru i naziva se spontana fisija . Vjerovatnoća spontane fisije raste sa povećanjem parametra fisibilnosti, tj. sa smanjenjem visine fisijske barijere.
Prisilna fisija jezgara sa mogu izazvati bilo koje čestice: fotoni, neutroni, protoni, deuteroni, α-čestice, itd., ako je energija koju oni doprinose jezgru dovoljna za prevladavanje fisijske barijere.
Mase fragmenata nastalih tokom fisije termalnim neutronima nisu jednake. Jezgro ima tendenciju da se podijeli na takav način da glavni dio nukleona fragmenta formira stabilno magično jezgro. Na sl. Slika 9.5 prikazuje raspodjelu mase tokom podjele. Najvjerovatnija kombinacija masenih brojeva je 95 i 139.
Odnos broja neutrona i broja protona u jezgru je 1,55, dok je za stabilne elemente koji imaju masu blisku masi fisionih fragmenata ovaj odnos 1,25 - 1,45. Posljedično, fisioni fragmenti su jako preopterećeni neutronima i nestabilni su na β-raspad - radioaktivni.
Kao rezultat fisije, oslobađa se energija od ~200 MeV. Oko 80% dolazi od energije fragmenata. Tokom jednog akta fisije nastaju više od dva fisioni neutroni sa prosječnom energijom od ~2 MeV.
1 g bilo koje supstance sadrži 
. Fisiju 1 g uranijuma prati oslobađanje ~ 9 × 10 10 J. To je skoro 3 miliona puta veće od energije sagorevanja 1 g uglja (2,9 × 10 4 J). Naravno, 1 g uranijuma je mnogo skuplji od 1 g uglja, ali cijena 1 J energije dobivene sagorijevanjem uglja je 400 puta veća nego u slučaju uranijskog goriva. Proizvodnja 1 kWh energije koštala je 1,7 centi u elektranama na ugalj i 1,05 centi u nuklearnim elektranama.
Hvala za lančana reakcija proces nuklearne fisije može se obaviti samoodrživi . Sa svakom fisijom oslobađaju se 2 ili 3 neutrona (slika 9.6). Ako jedan od ovih neutrona uspije da izazove fisiju drugog jezgra uranijuma, tada će proces biti samoodrživi.
Zbirka fisione materije koja zadovoljava ovaj zahtjev naziva se kritični sklop . Prva takva skupština, tzv nuklearni reaktor , izgrađen je 1942. godine pod vodstvom Enrica Fermija na području Univerziteta u Čikagu. Prvi nuklearni reaktor pokrenut je 1946. godine pod vodstvom I. Kurchatova u Moskvi. Prva nuklearna elektrana snage 5 MW pokrenuta je u SSSR-u 1954. godine u Obninsku (slika 9.7).
misa a možete i učiniti superkritičan . U ovom slučaju, neutroni nastali tokom fisije će izazvati nekoliko sekundarnih fisija. Budući da neutroni putuju brzinama većim od 10 8 cm/s, superkritični sklop može u potpunosti reagirati (ili se raspasti) za manje od hiljaditi dio sekunde. Takav uređaj se zove atomska bomba . Nuklearni naboj napravljen od plutonija ili uranijuma prelazi u superkritično stanje, obično uz pomoć eksplozije. Subkritična masa je okružena hemijskim eksplozivom. Kada eksplodira, masa plutonijuma ili uranijuma se trenutno kompresuje. Budući da se gustoća sfere značajno povećava, ispada da je stopa apsorpcije neutrona veća od brzine gubitka neutrona zbog njihovog izlaska prema van. Ovo je uslov za superkritičnost.
Na sl. Slika 9.8 prikazuje dijagram atomske bombe Little Boy bačene na Hirošimu. Nuklearni eksploziv u bombi podijeljen je na dva dijela čija je masa bila manja od kritične mase. Kritična masa potrebna za eksploziju stvorena je spajanjem oba dijela „metodom pištolja“ uz korištenje konvencionalnih eksploziva.
Eksplozija 1 tone trinitrotoluena (TNT) oslobađa 10 9 cal, ili 4 × 10 9 J. Eksplozija atomske bombe koja potroši 1 kg plutonijuma oslobađa oko 8 × 10 13 J energije.
Ili je ovo skoro 20.000 puta više od eksplozije 1 tone TNT-a. Takva bomba se zove bomba od 20 kilotona. Moderne megatonske bombe su milione puta snažnije od konvencionalnih TNT eksploziva.
Proizvodnja plutonija se zasniva na zračenju 238 U neutronima, što dovodi do stvaranja izotopa 239 U, koji se kao rezultat beta raspada pretvara u 239 Np, a zatim nakon još jednog beta raspada u 239 Pu. Kada se apsorbuje niskoenergetski neutron, oba izotopa 235 U i 239 Pu podliježu fisiji. Produkte fisije karakteriše jače vezivanje (~1 MeV po nukleonu), zbog čega se kao rezultat fisije oslobađa približno 200 MeV energije.
Svaki utrošeni gram plutonija ili uranijuma proizvodi gotovo gram radioaktivnih fisionih produkata, koji imaju ogromnu radioaktivnost.
Da pogledate demo, kliknite na odgovarajuću hipervezu:
Oslobađanje energije tokom nuklearne fisije. Kao iu drugim nuklearnim reakcijama, energija oslobođena tijekom fisije je ekvivalentna razlici u masama čestica koje djeluju i konačnih proizvoda. Budući da je energija veze nukleona u uranijumu i energija veze jednog nukleona u fragmentima tokom fisije uranijuma, energija se mora osloboditi
Dakle, tijekom nuklearne fisije oslobađa se ogromna energija, velika većina se oslobađa u obliku kinetičke energije fisijskih fragmenata.
Distribucija proizvoda fisije po masi. Jezgro urana se u većini slučajeva dijeli asimetrično. Dva nuklearna fragmenta imaju, respektivno, različite brzine i različite mase.
Fragmenti se dijele u dvije grupe na osnovu njihove mase; jedan u blizini kriptona, a drugi u blizini ksenona. Mase fragmenata se u proseku odnose jedna na drugu, jer se iz zakona održanja energije i impulsa može dobiti da je. kinetičke energije fragmenti moraju biti obrnuto proporcionalni njihovoj masi:
Kriva prinosa proizvoda fisije je simetrična u odnosu na vertikalnu pravu liniju koja prolazi kroz tačku. Značajna širina maksimuma ukazuje na raznolikost puteva fisije.
Rice. 82. Raspodjela proizvoda fisije uranijuma po masi
Navedene karakteristike odnose se uglavnom na fisiju pod uticajem termičkih neutrona; U slučaju fisije pod uticajem neutrona sa energijama od nekoliko ili više, jezgro se raspada na još dva simetrična fragmenta mase.
Svojstva fisionih produkata. Prilikom fisije atoma uranijuma, vrlo mnogo elektrona ljuske se odvoji, a fragmenti fisije su približno višestruko ionizirani pozitivni ioni, koji, prolazeći kroz supstancu, snažno ioniziraju atome. Stoga su rasponi fragmenata u zraku mali i blizu 2 cm.
Lako je ustanoviti da fragmenti nastali tokom fisije moraju biti radioaktivni, skloni emitovanju neutrona. Zaista, za stabilna jezgra odnos broja neutrona i protona varira u zavisnosti od A na sledeći način:
(vidi skeniranje)
Jezgra proizvedena fisijom leže u sredini stola i stoga sadrže više neutrona nego što je prihvatljivo za njihovu stabilnost. Mogu se osloboditi viška neutrona i raspadom i direktnim emitiranjem neutrona.
Odloženi neutroni. Jedna moguća opcija fisije proizvodi radioaktivni brom. Na sl. 83 prikazuje dijagram njegovog raspada, na čijem kraju se nalaze stabilni izotopi
Zanimljiva karakteristika ovog lanca je da se kripton može osloboditi viška neutrona bilo zbog -raspada, ili ako je nastao u pobuđenom stanju zbog direktne emisije neutrona. Ovi neutroni se pojavljuju 56 sekundi nakon fisije (životni vijek je u odnosu na prijelaz u pobuđeno stanje, iako sam emituje neutrone gotovo trenutno.
Rice. 83. Šema raspada radioaktivnog broma koji nastaje u pobuđenom stanju tokom fisije uranijuma
Zovu se odloženi neutroni. Tokom vremena, intenzitet odloženih neutrona opada eksponencijalno, kao i kod normalnog radioaktivnog raspada.
Energija ovih neutrona jednaka je energiji pobude jezgra. Iako čine samo 0,75% svih neutrona emitovanih tokom fisije, odloženi neutroni igraju važnu ulogu u lančanoj reakciji.
Brzi neutroni. Preko 99% neutrona se oslobađa u izuzetno kratkom vremenu; oni se nazivaju brzi neutroni.
Kada se proučava proces fisije, postavlja se fundamentalno pitanje: koliko se neutrona proizvodi u jednom događaju fisije; ovo pitanje je važno jer ako je njihov broj u prosjeku velik, mogu se koristiti za fisiju naknadnih jezgara, odnosno javlja se mogućnost stvaranja lančane reakcije. Za rješavanje ovog pitanja 1939-1940. radio u gotovo svim najvećim nuklearnim laboratorijama na svijetu.
