Fisi inti uranium. reaksi berantai. Deskripsi dari proses

Membagi inti - sebuah membelah atom berat menjadi dua fragmen berat badan kira-kira sama, diikuti oleh pembebasan sejumlah besar energi.

Penemuan fisi nuklir awal dari sebuah era baru - "zaman atom". Potensi kemungkinan penggunaan dan keseimbangan risiko untuk mendapatkan keuntungan dari penggunaannya, tidak hanya memunculkan banyak sosiologis, politik, ekonomi dan ilmiah prestasi, tetapi juga masalah serius. Bahkan dari titik ilmiah murni pandang, proses fisi nuklir menciptakan sejumlah besar teka-teki dan komplikasi, dan penjelasan teoritis lengkap untuk itu adalah hal masa depan.

Berbagi - menguntungkan

mengikat energi (per nukleon) berbeda dalam inti yang berbeda. Lebih berat memiliki energi ikat yang lebih rendah dari itu terletak di tengah-tengah tabel periodik.

Ini berarti bahwa inti berat di mana atom jumlah lebih besar dari 100, menguntungkan dibagi menjadi dua fragmen yang lebih kecil, sehingga melepaskan energi yang diubah menjadi energi kinetik dari fragmen. Proses ini disebut membelah inti atom.

Sesuai dengan kurva stabilitas, yang menunjukkan ketergantungan jumlah proton dari isotop stabil untuk neutron inti yang lebih berat lebih jumlah yang lebih besar dari neutron (dibandingkan dengan jumlah proton) dari ringan. Hal ini menunjukkan bahwa selain proses splitting akan dipancarkan beberapa "spare" neutron. Selain itu, mereka juga akan mengambil alih beberapa energi yang dilepaskan. fisi studi atom uranium menunjukkan bahwa ini menghasilkan neutron 3-4: U → ^{238 145 90} La + Br + 3n.

Nomor atom (dan massa atom) dari fragmen tidak sama dengan setengah massa atom induk. Perbedaan antara massa atom terbentuk sebagai hasil dari pembelahan biasanya sekitar 50. Namun, alasan untuk ini belum sepenuhnya jelas.

Energi pengikatan ²³⁸ U, ¹⁴⁵ La Br dan ⁹⁰ adalah tahun 1803, 1198 dan 763 MeV masing-masing. Ini berarti bahwa energi yang dilepaskan fisi uranium yang sama 1198 + 158 = 763-1803 MeV dihasilkan dari reaksi.

fisi spontan

proses pemisahan spontan yang dikenal di alam, tetapi mereka sangat langka. Umur rata-rata dari proses ini adalah sekitar 10 ^17, dan, misalnya, seumur hidup rata-rata alpha-peluruhan radionuklida adalah sekitar 10 ^11.

Alasan untuk ini adalah bahwa dalam rangka untuk memisahkan menjadi dua bagian, inti harus pertama mengalami deformasi (peregangan) dalam bentuk ellipsoid, dan kemudian, sebelum pembelahan akhir menjadi dua fragmen membentuk "leher" di tengah.

potensial penghalang

Dalam keadaan cacat inti dari dua kekuatan. Salah satu dari mereka - energi meningkat permukaan (tegangan permukaan dari tetesan cairan menjelaskan bentuk bulatnya), dan lain - tolakan Coulomb antara fragmen fisi. Bersama-sama mereka menghasilkan potensial penghalang.

Seperti dalam kasus peluruhan alpha terjadi fisi spontan uranium atom inti, fragmen harus mengatasi hambatan ini dengan cara tunneling kuantum. penghalang adalah sekitar 6 MeV, seperti dalam kasus alpha-pembusukan, tetapi kemungkinan tunneling dari α-partikel jauh lebih besar dari atom produk membelah jauh lebih berat.

degradasi paksa

Jauh lebih mungkin diinduksi fisi inti uranium. Dalam hal ini, orang tua inti diiradiasi dengan neutron. Jika orang tua menyerap, maka mereka terikat untuk melepaskan energi yang mengikat dalam bentuk energi getaran yang dapat melebihi 6 MeV yang diperlukan untuk mengatasi potensi penghalang.

Mana energi neutron tambahan tidak cukup untuk mengatasi potensi penghalang, insiden neutron harus memiliki energi kinetik minimum agar dapat mendorong pemisahan atom. Dalam kasus ²³⁸ U neutron tambahan energi mengikat hilang sekitar 1 MeV. Ini berarti bahwa fisi inti uranium diinduksi hanya neutron dengan energi kinetik lebih besar dari 1 MeV. Di sisi lain, ²³⁵ U isotop memiliki satu neutron tidak berpasangan. Ketika inti menyerap tambahan, membentuk dengan itu pasangan dan energi mengikat tambahan adalah hasil dari pasangan ini. Hal ini cukup untuk melepaskan jumlah energi yang diperlukan untuk mengatasi hambatan potensi inti dan pembagian isotop terjadi dalam tabrakan dengan neutron apapun.

peluruhan beta

Terlepas dari kenyataan bahwa reaksi fisi dipancarkan oleh tiga atau empat neutron, fragmen masih mengandung lebih neutron dari isobar stabil mereka. Ini berarti bahwa fragmen belahan dada umumnya tidak stabil sehubungan dengan peluruhan beta.

Misalnya, ketika ada pembagian inti uranium ²³⁸ U, isobar stabil dengan A = 145 ¹⁴⁵ adalah neodymium Nd, yang berarti bahwa fragmen lanthanum La ¹⁴⁵ terbagi menjadi tiga tahap, setiap kali dengan memancarkan elektron dan neutrino sampai isotop stabil terbentuk. isobar stabil dengan A = 90 ⁹⁰ adalah zirkonium Zr, sehingga belahan dada fragmen bromo Br ⁹⁰ terbagi menjadi lima tahap rantai β-pembusukan.

rantai β-pembusukan ini memancarkan energi ekstra yang terbawa hampir semua elektron dan neutrino.

reaksi nuklir: fisi uranium

nuklida langsung dari radiasi neutron dengan nomor terlalu besar dari mereka untuk menjamin stabilitas inti tidak mungkin. Berikut intinya adalah bahwa tidak ada Coulomb tolakan, dan energi permukaan cenderung mempertahankan neutron karena orangtua. Namun demikian, kadang-kadang terjadi. Misalnya, fisi fragmen Br ⁹⁰ di pertama beta-peluruhan menghasilkan kripton-90, yang mungkin terletak dalam keadaan gembira dengan energi yang cukup untuk mengatasi energi permukaan. Dalam hal ini radiasi neutron dapat terjadi secara langsung untuk membentuk kripton-89. isobar ini masih stabil sehubungan dengan beta-pembusukan belum masuk ke kandang yttrium-89, sehingga kripton-89 dibagi menjadi tiga tahap.

Uranium fisi: Chain Reaction

Neutron yang dipancarkan dalam reaksi pembelahan dapat diserap oleh orangtua-inti lainnya, yang kemudian mengalami fisi self-induced. Dalam kasus uranium-238 tiga neutron, yang timbul dengan energi kurang dari 1 MeV (energi yang dilepaskan dalam reaksi fisi inti uranium - 158 MeV - sebagian besar diubah menjadi fragmen belahan dada energi kinetik), sehingga mereka tidak dapat menyebabkan pembagian lebih lanjut dari nuklida ini. Namun, jika konsentrasi signifikan dari isotop langka U ²³⁵ neutron bebas dapat ditangkap oleh inti dari ²³⁵ U, itu benar-benar dapat menyebabkan belahan dada, karena dalam kasus ini tidak ada ambang batas energi di bawah ini yang divisi tidak diinduksi.

Ini adalah reaksi berantai prinsip.

Jenis Reaksi Nuklir

Biarkan k - jumlah neutron yang dihasilkan dalam sampel dari bahan fisil pada langkah n rantai, dibagi dengan jumlah neutron yang dihasilkan dalam tahap n - 1. Jumlah ini akan tergantung pada jumlah neutron yang dihasilkan pada langkah n - 1, diserap oleh inti, yang dapat menjalani fisi terinduksi.

• Jika k <1 pada, reaksi berantai hanya keluar dari uap dan proses akan berhenti dengan sangat cepat. Ini adalah apa yang terjadi di alam bijih uranium, di mana ^{konsentrasi 235} U sangat kecil sehingga kemungkinan penyerapan neutron isotop ini sangat diabaikan.

• Jika k> 1, reaksi berantai akan terus tumbuh selama semua bahan fisil tidak akan digunakan (bom atom). Hal ini dicapai dengan memperkaya bijih alami untuk mendapatkan konsentrasi yang cukup tinggi dari uranium-235. Untuk bulat nilai sampel k meningkat dengan probabilitas penyerapan neutron, yang tergantung pada jari-jari bola. Oleh karena itu U berat badan harus melebihi massa kritis tertentu untuk fisi uranium (reaksi berantai) bisa terjadi.

• Jika k = 1, maka ada reaksi dikontrol. Hal ini digunakan dalam reaktor nuklir. Proses ini dikendalikan distribusi antara batang uranium kadmium atau boron, yang menyerap sebagian neutron (elemen ini mampu menangkap neutron). Membagi core uranium secara otomatis dikendalikan dengan memindahkan batang sehingga nilai k tetap sama dengan satu.