ביקוע של גרעין אורניום. תגובת שרשרת. תיאור של התהליך

חלוקת הליבה - פיצול אטום כבד לשני שברים של משקל שווה כ, ואחריו שחרור של כמות האנרגיה גדולה.

הגילוי של תחילת ביקוע גרעיני של עידן חדש - "העידן האטומי". הפוטנציאל של שימושיו האפשריים ואת יתרת הסיכון ליהנות שימוש בו, לא רק הולדתי הרבה הישגים סוציולוגיים, פוליטיים, כלכליים ומדעיים, אלא גם בעיה רצינית. גם מבחינה מדעית טהורה, בתהליך הביקוע הגרעיני יצר מספר רב של חידות קשות ולסיבוכי הסבר תיאורטי שלם בשביל זה הוא נחלת העתיד.

שיתוף - מועיל

מחייב אנרגיה (מחיר נוקליאון) נבדל גרעינים שונים. כבד יש אנרגית מחייב נמוכה מזו ממוקמת באמצע הטבלה המחזורית.

משמעות הדבר היא כי גרעינים כבדים שבו אטומי מספר גדול מ 100, מחולק לתועלתו לשני שברים קטנים, ובכך משחררים אנרגיה מומרת לאנרגיה הקינטית של שברי. תהליך זה נקרא פיצול גרעין אטום.

בהתאם עקומת היציבות, אשר מציג את התלות של מספר הפרוטונים מן nuclides יציב נויטרונים בגרעין כבד מעדיפים מספר גדול יותר של נויטרונים (לעומת מספר הפרוטונים) מאשר מצית. הדבר מצביע כי בנוסף לתהליך הפיצול יהיה נפלט כמה ניטרונים "חילוף". בנוסף, הם גם ייקחו על עצמו כמה מן האנרגיה משתחררת. ביקוע לחקר אטומי האורניום הראה כי זה מייצר נויטרונים 3-4: U → ^{238 145 90} La + Br + 3n.

המספר האטומי (ואת המסה האטומית) של שהבר הוא לא שווה חץ המסה האטומית של ההורה. ההבדל בין המוני אטומים נוצרו כתוצאה של מחשוף הוא בדרך כלל על 50. עם זאת, הסיבה לכך היא שעדיין לא ברורה לחלוטין.

האנרגיות המחייבות של ²³⁸ U, ¹⁴⁵ La Br ו ⁹⁰ הן 1803, 1198 ו 763 MeV בהתאמה. משמעות הדבר היא כי הוא שוחרר אנרגיה ביקוע אורניום שווה 1198 + 158 = 763-1803 MeV הנובע התגובה.

ביקוע ספונטני

תהליכי פיצול ספונטניים ידועים בטבע, אבל הם מאוד נדירים. את משך החיים הממוצע של תהליך זה הוא כ 10 ^17, ו, למשל, את משך החיים הממוצע של אלפא-ריקבון של רדיונוקלידים הוא כ 10 ¹¹ s.

הסיבה לכך היא כי על מנת להפריד לשני חלקים, הליבה צריכה קודם לעבור דפורמציה (מתיחה) בצורה אליפסואידי, ולאחר מכן, לפני המחשוף סופי לשני שברים יוצרת "צוואר" באמצע.

מחסום פוטנציאל

במצב המעווה בליבה של שני כוחות. אחד מהם - משטח האנרגיה המוגברת (מתח פנים של טיפות נוזל מסביר צורה הכדורית שלה), והשני - והדיפת קולון בין שברי הביקוע. יחד הם מייצרים את מחסום הפוטנציאל.

כמו במקרה של קרינת אלפא להתרחש ביקוע ספונטני של גרעין האטום אורניום, שברי חייב להתגבר על מכשול זה באמצעות מינהור קוונטי. המחסום הוא כ 6 MeV, כמו במקרה של קרינת אלפא, אך הסבירות של מינהור של חלקיקי α היא הרבה יותר מאשר אטום פיצול המוצר הרבה יותר כבד.

שפלה אלצה

הרבה יותר סביר מושרה ביקוע של גרעין אורניום. במקרה זה, את הגרעין ההורה הוא מוקרן עם נויטרונים. אם הורה הוא סופג, אז הם חייבים לשחרר את האנרגיה מחייבת בצורת אנרגיה תנודתית שיכול תעלה 6 MeV צריך להתגבר על המכשול הפוטנציאלי.

איפה אנרגית ניטרונים נוספת אינה מספיקה כדי להתגבר על המכשול הפוטנציאלי, ניטרון האירוע חייב להיות בעל אנרגיה קינטית מינימום כדי להיות מסוגל לגרום קריעת האטום. במקרה של ²³⁸ U אנרגיה נוספים ניטרונים מחייבים חסר על 1 MeV. משמעות הדבר היא כי הביקוע של גרעין אורניום מושרה ניטרונים רק עם אנרגיה קינטית גדולה יותר מאשר 1 MeV. מצד שני, האיזוטופ U ²³⁵ יש נויטרון מזווג אחד. כאשר גרעין סופג נוסף, הוא יוצר עם זה כמה ו אנרגיה נוספת מחייבת היא תוצאה של זיווג זה. זה מספיק כדי לשחרר את כמות האנרגיה הדרושה כדי להתגבר על המכשול הפוטנציאלי של הגרעין וחלוקת איזוטופים התרחשו התנגשות עם כל ניטרונים.

התפרקות בטא

למרות העובדה כי תגובת הביקוע נפלטת על ידי שלושה או ארבעה ניטרונים, שברים עדיין מכילים יותר ניטרונים מ isobars היציבה שלהם. משמעות הדבר היא כי שברי מחשוף אינם יציבים בדרך כלל ביחס התפרקות בטא.

לדוגמה, כאשר יש חלוקה של גרעין של אורניום ²³⁸ U, isobars יציבה עם A = 145 ¹⁴⁵ הוא ניאודימיום Nd, כלומר לנתן שבר לה ¹⁴⁵ מתפצל לשלושה שלבים, בכל פעם על ידי מקרין אלקטרונים ניוטרינו עד נוקליד יציבה נוצרת. isobars יציבה עם = 90 ⁹⁰ הוא Zr זירקוניום, כך bromo מחשוף שבר Br ⁹⁰ מתפצל חמישה שלבים שרשרת β-ריקבון.

β-ריקבון שרשרת אלה פולטים אנרגיה נוספת אשר נסחף כמעט כל אלקטרון ו נייטרינו.

תגובות גרעיניות: ביקוע אורניום

נוקליד הישיר מפני קרינת נייטרונים עם מספר גדול מדי של אותם כדי להבטיח את היציבות של הגרעין סבירה. הנה הנקודה היא שאין דחיית קולון, ולכן אנרגית המשטח נוטה לשמר את הנויטרונים בשל ההורה. אף על פי כן, זה קורה לפעמים. לדוגמא, שבר ביקוע Br ⁹⁰ ב-ההתפרקות בטא הראשונה מייצר קריפטון-90, אשר עשוי להיות ממוקם במצב נרגש עם מספיק אנרגיה כדי להתגבר על משטח האנרגיה. במקרה זה קרינה הנויטרונים עלולים להתרחש באופן ישיר ליצירת קריפטון-89. isobars זהו עדיין יציב ביחס-התפרקות בטא טרם להיכנס איטריום 89 היציבה, כך קריפטון-89 מחולק לשלושה שלבים.

ביקוע אורניום: תגובת שרשרת

נייטרונים נפלטים התגובה מחשוף יכולים להיספג על ידי ההורה-גרעין האחר, אשר לאחר מכן עובר ביקוע מושרה עצמי. במקרה של אורניום-238 שלושה נויטרונים, אשר נובעות עם אנרגיות פחות מ 1 MeV (האנרגיה המשתחררת של ביקוע של גרעין אורניום - 158 MeV - המרה בעיקר לתוך שברי מחשוף האנרגיה הקינטית), כך שהם לא יכולים לגרום חלוקה נוספת של נוקליד זה. עם זאת, אם ריכוז משמעותי של איזוטופ הנדיר U ²³⁵ ניטרונים חופשיים אלה ניתן שנתפס על ידי הגרעין של ²³⁵ U, זה באמת יכול לגרום מחשוף, שכן במקרה זה אין סף אנרגיה שמתחתיו החלוקה אינה מושרה.

זהו תגובת שרשרת העיקרון.

סוגי תגובות גרעיניות

בואו k - מספר הנויטרונים המיוצרים מדגם של החומר הבקיע בשלב n של השרשרת, מחולקים במספר ניטרונים מיוצרים בשלב n - 1. מספר זה יהיה תלוי במספר הנויטרונים המיוצרים צעד n - 1, נספג על ידי הליבה, אשר יכול לעבור ביקוע מושרה.

• אם k <1 על, את תגובת השרשרת, פשוט מתוך קיטור התהליך יפסיק מהר מאוד. זה מה שקורה טבעי עפרות האורניום, שבו הריכוז ^{של 235} U הוא כל כך קטן כי ההסתברות של קליטה של ניטרונים איזוטופ זה זניח ביותר.

• אם k> 1, תגובת השרשרת ימשיך לגדול כל עוד כל החומר הבקיע לא ישמש (הפצצה האטומית). זו מושגת על ידי העשרת עפרות טבעיות לקבל ריכוז גבוה מספיק של אורניום-235. לעליות k ערך מדגם כדוריות עם ההסתברות של קליטת ניטרונים, אשר תלוי ברדיוס הכדור. לכן משקל U חייב לחרוג מסה קריטית מסוימת כדי ביקוע אורניום (תגובת שרשרת) יכול להתרחש.

• אם k = 1, אז יש תגובה מבוקרת. הוא משמש בכורים גרעיניים. התהליך נשלט הפצה בין מוטות אורניום של קדמיום או בורון, אשר סופגות את רוב הנויטרונים (האלמנטים האלה מסוגלים לכידי ניטרונים). חלוקת ליבות אורניום שהיא נשלטת באופן אוטומטי על ידי הזזת המוט כך שערך k נשאר שווה אחד.