Atommaghasadási reakciók- hasadási reakciók, amelyek abból állnak, hogy egy nehéz mag neutronok és, mint később kiderült, más részecskék hatása alatt több könnyebb atommagra (töredékre) oszlik, leggyakrabban két hasonló tömegű atommagra.
A maghasadás sajátossága, hogy két-három másodlagos neutron, ún. hasadási neutronok. Mivel közepes atommagoknál a neutronok száma megközelítőleg megegyezik a protonok számával ( N/Z ≈ 1), nehéz atommagoknál pedig a neutronok száma jelentősen meghaladja a protonok számát ( N/Z ≈ 1.6), akkor a keletkező hasadási fragmentumok neutronokkal túlterhelődnek, aminek következtében hasadási neutronok szabadulnak fel. A hasadási neutronok kibocsátása azonban nem szünteti meg teljesen a fragmentummagok neutronokkal való túlterhelését. Emiatt a töredékek radioaktívvá válnak. Egy sor β - -transzformáción eshetnek át, amit γ kvantumok kibocsátása kísér. Mivel a β - -bomlás egy neutron protonná alakulásával jár, így a β - -transzformációk láncolata után a fragmentumban a neutronok és protonok aránya eléri a stabil izotópnak megfelelő értéket. Például egy uránmag hasadása során U
U+ n → Xe + Sr +2 n(265.1)
hasadási töredék A Xe három β-bomlás eredményeként a lantán La stabil izotópjává alakul:
Heh → Cs → Ba → La.
A hasadási töredékek sokfélék lehetnek, így nem a (265.1) reakció az egyetlen, amely az U hasadásához vezet.
A legtöbb hasadási neutron szinte azonnal kibocsát t≤ 10-14 s), és egy részét (körülbelül 0,7%) a hasadási töredékek bocsátják ki valamivel a hasadás után (0,05 s ≤ t≤ 60 s). Közülük az első ún azonnali, második – lemaradva.Átlagosan minden hasadási esemény 2,5 neutront termel. Viszonylag széles energiaspektrummal rendelkeznek, 0 és 7 MeV között, átlagos energia neutrononként körülbelül 2 MeV.
A számítások azt mutatják, hogy a maghasadást nagy mennyiségű energia felszabadulásának is kell kísérnie. Valójában a közepes tömegű atommagok fajlagos kötési energiája körülbelül 8,7 MeV, míg a nehéz atommagok esetében 7,6 MeV. Következésképpen, amikor egy nehéz mag két részre osztódik, nukleononként körülbelül 1,1 MeV energiának kell felszabadulnia.
Az atommagok hasadásának elmélete (N. Bohr, Ya. I. Frenkel) az atommag cseppmodelljén alapul. Az atommagot elektromosan töltött összenyomhatatlan folyadék cseppjének tekintjük (amelynek sűrűsége megegyezik a nukleáris mechanika törvényeinek megfelelően), amelynek részecskéi, amikor egy neutron az atommagba ütközik, rezgőmozgásba lépnek, aminek következtében a mag két részre szakad, hatalmas energiával szóródik szét.
A maghasadás valószínűségét a neutronok energiája határozza meg. Például, ha a nagy energiájú neutronok szinte az összes atommag hasadását okozzák, akkor a több mega-elektronvolt energiájú neutronok csak a nehéz atommagok hasadását okozzák ( A>210), Neutronok rendelkeznek aktiválási energia(a maghasadási reakció végrehajtásához szükséges minimális energia) 1 MeV nagyságrendű, az urán U, tórium Th, protactinium Pa, plutónium Pu magjainak hasadását okozza. A termikus neutronok az U, Pu és U, Th magjait hasítják (az utolsó két izotóp a természetben nem fordul elő, mesterségesen nyerik őket).
A maghasadás során kibocsátott másodlagos neutronok új hasadási eseményeket okozhatnak, ami lehetővé teszi a hasadási láncreakció- magreakció, amelyben a reakciót kiváltó részecskék e reakció termékeiként jönnek létre. A hasadási láncreakciót az jellemzi szorzótényező k neutronok, ami egyenlő az adott generációban lévő neutronok számának az előző generációhoz viszonyított arányával. Szükséges feltétel a hasadási láncreakció kialakulásához az követelmény k ≥ 1.
Kiderült, hogy nem minden keletkezett másodlagos neutron okoz későbbi maghasadást, ami a szorzótényező csökkenéséhez vezet. Először is a véges méretek miatt mag(az a tér, ahol egy értékes reakció játszódik le) és a neutronok nagy áthatoló képessége miatt néhányuk elhagyja az aktív zónát, mielőtt bármilyen atommag befogná. Másodszor, egyes neutronokat befognak a nem hasadó szennyeződések magjai, amelyek mindig jelen vannak a magban. Ezen túlmenően a hasadás mellett versengő sugárzási befogási és rugalmatlan szórási folyamatok is végbemennek.
A szorzási együttható függ a hasadóanyag természetétől, adott izotóp esetében pedig annak mennyiségétől, valamint az aktív zóna méretétől és alakjától. Az aktív zóna azon minimális méreteit nevezzük, amelyeknél láncreakció lehetséges kritikus méretek. A megvalósításhoz szükséges kritikus méretű rendszerben elhelyezkedő hasadóanyag minimális tömege láncreakció, hívott kritikus tömeg.
A láncreakciók fejlődési sebessége eltérő. Hadd T -átlagos idő
egy generáció élete, és N- a neutronok száma egy adott generációban. A következő generációban számuk egyenlő kN,T. e. a neutronok számának növekedése generációnként dN = kN – N = N(k – 1). Az egységnyi idő alatti neutronok számának növekedése, azaz a láncreakció növekedési sebessége,
. (266.1)
Integrálva (266.1) kapjuk
,
Ahol N 0 a neutronok száma az idő kezdeti pillanatában, és N- számuk egyszerre t. N jel határozza meg ( k-1). Nál nél k>1 megy reakció kialakulása, a hasadások száma folyamatosan növekszik és a reakció robbanásveszélyessé válhat. Nál nél k=1 megy önfenntartó reakció amelyben a neutronok száma nem változik az idő múlásával. Nál nél k <1 идет elhalványuló reakció
A láncreakciók közé tartoznak a szabályozott és ellenőrizhetetlenek. Az atombomba robbanása például ellenőrizetlen reakció. Annak érdekében, hogy az atombomba ne robbanjon fel tárolás közben, az U (vagy Pu) két, egymástól távoli részre van osztva, amelyek tömege a kritikus alatt van. Ekkor egy közönséges robbanás segítségével ezek a tömegek közelebb kerülnek egymáshoz, a hasadóanyag össztömege nagyobb lesz, mint a kritikus, és robbanásveszélyes láncreakció következik be, amely hatalmas mennyiségű energia azonnali felszabadulásával és nagy pusztítással jár. . A robbanásveszélyes reakció a spontán hasadásból származó neutronok vagy a kozmikus sugárzásból származó neutronok miatt indul be. Az atomreaktorokban szabályozott láncreakciók mennek végbe.
A neutronok elektromos semlegessége miatt.2. Milyen energiát nevezünk a reakció energiateljesítményének? Hogyan lehet megbecsülni a hasadási reakció energiahozamát?
A hasadási reakció teljes energiahozama egy uránmag hasadása során felszabaduló energia. Az urán 235 magjában lévő nukleon fajlagos kötési energiája hozzávetőlegesen 7,6 MeV, a reakciótöredékeké pedig kb. 8,5 MeV. A hasadás eredményeként (8,5 - 7,6) MeV = 0,9 MeV (nukleononként) szabadul fel. Összesen 235 nukleon van, akkor a hasadási reakció teljes energiahozama a
3. Milyen érték jellemzi a láncreakció sebességét? Írja le a láncreakció kialakulásához szükséges feltételt!
A k neutronsokszorozó tényező a láncreakció sebességét jellemzi. A láncreakció kialakulásának szükséges feltétele4. Milyen hasadási reakciót nevezünk önfenntartónak? Mikor fordul elő?
Önfenntartó maghasadási reakció akkor következik be, ha a neutron l lineáris méretű közegen való áthaladása alatt a hasadási reakció eredményeként új neutron képződik.5. Becsülje meg a kritikus magméretet és a kritikus tömeget.
A henger térfogata az
N az atommagok koncentrációja. Egy neutron atommaggal való ütközésének száma n időegység alatt.
Nukleáris maghasadás- az atommag két (ritkábban három) hasonló tömegű magra, úgynevezett hasadási töredékre hasadó folyamat. A hasadás eredményeként más reakciótermékek is keletkezhetnek: könnyű atommagok (főleg alfa-részecskék), neutronok és gamma-kvantumok. A hasadás lehet spontán (spontán) és kényszerített (más részecskékkel, elsősorban neutronokkal való kölcsönhatás eredményeként). A nehéz atommagok hasadása exoterm folyamat, amelynek eredményeként nagy mennyiségű energia szabadul fel reakciótermékek kinetikus energiája, valamint sugárzás formájában. Az atommaghasadás energiaforrásként szolgál az atomreaktorokban és az atomfegyverekben. A hasadási folyamat csak akkor következhet be, ha a hasadó mag kezdeti állapotának potenciális energiája meghaladja a hasadási fragmentumok tömegének összegét. Mivel a nehéz atommagok fajlagos kötési energiája tömegük növekedésével csökken, ez a feltétel szinte minden tömegszámú atommag esetében teljesül.
A tapasztalatok szerint azonban a legnehezebb magok is spontán hasadnak, nagyon kis valószínűséggel. Ez azt jelenti, hogy van egy energiagát ( hasadási gát), megakadályozza a szétválást. Számos modellt használnak a maghasadás folyamatának leírására, beleértve a hasadási gát számítását is, de egyik sem tudja teljesen megmagyarázni a folyamatot.
Az a tény, hogy a nehéz atommagok hasadása során energia szabadul fel, közvetlenül következik a fajlagos kötési energia ε függéséből. = E könnyű (A,Z)/A az A tömegszámból. Egy nehéz maghasadáskor könnyebb magok keletkeznek, amelyekben a nukleonok erősebben kötődnek, és a hasadás során az energia egy része felszabadul. A maghasadást általában 1-4 neutron kibocsátása kíséri. Fejezzük ki a Q hasadási energiát a kezdeti és a végső mag kötési energiáival. A Z protonból és N neutronból álló, M(A,Z) tömegű és E st (A,Z) kötési energiájú kiindulási mag energiáját a következő formában írjuk fel:
M(A,Z)c2 = (Zmp + Nmn)c2 - E St (A,Z).
Az atommag (A,Z) 2 fragmentumra (A 1,Z 1) és (A 2,Z 2) történő szétválását N n képződés kíséri. = A – A 1 – A 2 prompt neutronok. Ha egy mag (A,Z) M 1 (A 1 ,Z 1), M 2 (A 2 ,Z 2) tömegű és E св1 (A 1,Z 1), E св2 (A 2) kötési energiájú darabokra hasad. , Z 2), akkor a hasadási energiára a következő kifejezést kapjuk:
Q div = (M(A,Z) – )c 2 = E St 1 (A 1 ,Z 1) + E St (A 2 ,Z 2) – E St (A,Z),
A = A 1 + A 2 + N n, Z = Z 1 + Z 2.
23. A hasadás elemi elmélete.
1939-ben N. BorÉs J. Wheeler, és Igen, Frenkel Jóval azelőtt, hogy a hasadást kísérletileg átfogóan tanulmányozták volna, ennek a folyamatnak az elméletét javasolták, amely azon az elképzelésen alapul, hogy az atommag egy csepp töltött folyadék.
A hasadás során felszabaduló energia közvetlenül nyerhető Weizsäcker képletek.
Számítsuk ki a nehéz atommag hasadása során felszabaduló energia mennyiségét. Helyettesítsük be (f.2)-be az (f.1) atommagok kötési energiáinak kifejezéseit, feltételezve, hogy A 1 = 240 és Z 1 = 90. Az (f.1) utolsó tagjának figyelmen kívül hagyása kicsisége és helyettesítése miatt az a 2 és a 3 paraméterek értékét kapjuk
Ebből azt kapjuk, hogy a hasadás energetikailag kedvező, ha Z 2 /A > 17. A Z 2 /A értékét hasadóképességi paraméternek nevezzük. A hasadás során felszabaduló E energia a Z 2 /A növekedésével nő; Z 2 /A = 17 az ittrium és a cirkónium régióban lévő magokra. A kapott becslésekből világos, hogy a hasadás energetikailag kedvező minden A > 90 atommag számára. Miért stabil a legtöbb atommag a spontán hasadás szempontjából? A kérdés megválaszolásához nézzük meg, hogyan változik a mag alakja a hasadás során.
A hasadási folyamat során a mag egymás után a következő szakaszokon halad át (2. ábra): golyó, ellipszoid, súlyzó, két körte alakú töredék, két gömbtöredék. Hogyan változik az atommag potenciális energiája a hasadás különböző szakaszaiban? Miután a hasadás megtörtént, és a töredékek egymástól sokkal nagyobb távolságra helyezkednek el, mint a sugaruk, a fragmentumok potenciális energiája, amelyet a köztük lévő Coulomb-kölcsönhatás határoz meg, nullának tekinthető.Tekintsük a hasadás kezdeti szakaszát, amikor az atommag az r növekedésével egyre megnyúló forgási ellipszoid alakját veszi fel. Az osztódásnak ebben a szakaszában r az atommagnak a gömb alakjától való eltérésének mértéke (3. ábra). Az atommag alakjának alakulása miatt potenciális energiájának változását a felület és a Coulomb-energiák összegének változása határozza meg E" n + E" k Feltételezzük, hogy az atommag térfogata változatlan marad a deformációs folyamat során. Ebben az esetben az E"n felületi energia növekszik, ahogy az atommag felülete nő. Az E"k Coulomb-energia csökken, ha a nukleonok közötti átlagos távolság nő. A gömb alakú mag egy kis paraméterrel jellemezhető enyhe deformáció következtében vegye fel tengelyirányban szimmetrikus ellipszoid alakját. Megmutatható, hogy az E"n felületi energia és az E"k Coulomb-energia a következőképpen változik:
Kis ellipszoid alakváltozások esetén a felületi energia növekedése gyorsabban megy végbe, mint a Coulomb-energia csökkenése. A 2E n > E k nehéz atommagok tartományában a felületi és a Coulomb-energiák összege a növekedéssel növekszik. Az (f.4)-ből és (f.5)-ből az következik, hogy kis ellipszoid alakváltozásoknál a felületi energia növekedése megakadályozza az atommag további alakváltozását, és ennek következtében a hasadást. Az (f.5) kifejezés kis értékekre (kis alakváltozásokra) érvényes. Ha a deformáció olyan nagy, hogy a mag súlyzó alakját veszi fel, akkor a felületi feszültségek, mint a Coulomb-erők, hajlamosak elválasztani a magot, és gömb alakúvá teszik a töredékeket. Ebben a hasadási szakaszban a deformáció növekedése a Coulomb- és a felületi energiák csökkenésével jár együtt. Azok. az atommag deformációjának fokozatos növekedésével potenciális energiája maximumon halad át. Most r jelentése a jövőbeli töredékek középpontjai közötti távolság. Ahogy a töredékek távolodnak egymástól, a kölcsönhatásuk potenciális energiája csökken, mivel a Coulomb taszítási energia E k csökken. 4. A potenciális energia nulla szintje két nem kölcsönható töredék felületi és Coulomb-energiájának összege. A potenciálgát jelenléte megakadályozza az atommagok azonnali spontán hasadását. Ahhoz, hogy az atommag azonnal felhasadjon, olyan Q energiát kell adnia, amely meghaladja a H gát magasságát. A hasadó atommag maximális potenciális energiája megközelítőleg egyenlő e 2 Z 2 /(R 1 + R 2), ahol R1 és R2 a fragmensek sugara. Például, ha egy aranymagot két azonos részre osztunk, e 2 Z 2 /(R 1 + R 2) = 173 MeV, és a hasadás során felszabaduló E energia mennyisége ( lásd az (f.2) képletet), egyenlő 132 MeV. Így az aranymag hasadása során egy körülbelül 40 MeV magas potenciálgátat kell leküzdeni. Minél nagyobb a H gátmagasság, annál kisebb a Coulomb és az E felületi energia aránya /E p-hez a kiindulási magban. Ez az arány pedig növekszik a Z 2 /A oszthatósági paraméter növelésével ( lásd (f.4)). Minél nehezebb a mag, annál alacsonyabb a H gát magassága , mivel a hasadóképességi paraméter a tömegszám növekedésével növekszik:
|
|
Azok. A cseppmodell szerint a természetben ne legyenek Z 2 /A > 49 értékű magok, mivel ezek spontán módon szinte azonnal hasadnak (10-22 s nagyságrendű jellemző magidőn belül). A Z 2 /A > 49 ("stabilitás szigete") atommagok létezését a héjszerkezet magyarázza. A H potenciálgát alakjának, magasságának és az E hasadási energiának a Z 2 /A hasadási paraméter értékétől való függését az ábra mutatja. 5.
Magok spontán hasadása Z 2 /A-val< 49, для которых высота барьера Н не равна нулю, с точки зрения классической физики невозможно. С точки зрения квантовой механики такое деление возможно в результате прохождения через потенциальный барьер и носит название спонтанного деления. Вероятность спонтанного деления растет с увеличением параметра делимости Z 2 /А, т.е. с уменьшением высоты барьера. В целом период полураспада относительно спонтанного деления уменьшается при переходе от менее тяжелых ядер к более тяжелым от Т 1/2 > 10 21 év 232 Th esetén 0,3 s 260 Ku esetén. Magok kényszerhasadása Z 2 /A-val < 49 может быть вызвано любыми частицами: фотонами, нейтронами, протонами, дейтронами, -частицами и т.д., если энергия, которую они вносят в ядро достаточна для преодоления барьера деления.
Osztály
lecke 42-43
Az uránmagok hasadásának láncreakciója. Atomenergia és ökológia. Radioaktivitás. Fél élet.
Nukleáris reakciók
A magreakció az atommag és egy másik atommag vagy elemi részecskék közötti kölcsönhatás folyamata, amely az atommag összetételének és szerkezetének megváltozásával, valamint másodlagos részecskék vagy γ-kvantumok felszabadulásával jár.
A magreakciók eredményeként új radioaktív izotópok keletkezhetnek, amelyek természetes körülmények között nem találhatók meg a Földön.
Az első nukleáris reakciót E. Rutherford hajtotta végre 1919-ben a nukleáris bomlástermékekben lévő protonok kimutatására irányuló kísérletekben (lásd a 9.5. pontot). Rutherford alfa-részecskékkel bombázta a nitrogénatomokat. Amikor a részecskék összeütköztek, magreakció ment végbe, a következő séma szerint:
A magreakciók során számos természetvédelmi törvények: impulzus, energia, szögimpulzus, töltés. A nukleáris reakciókban e klasszikus megmaradási törvények mellett a megmaradási törvény az ún barion töltet(vagyis a nukleonok - protonok és neutronok - száma). Számos más, a mag- és részecskefizikára jellemző természetvédelmi törvény is érvényes.
Nukleáris reakciók akkor léphetnek fel, amikor az atomokat gyors töltésű részecskékkel (protonokkal, neutronokkal, α-részecskékkel, ionokkal) bombázzák. Az első ilyen reakciót 1932-ben egy gyorsítóval előállított nagy energiájú protonok felhasználásával hajtották végre:
ahol M A és M B a kiindulási termékek tömege, M C és M D a végtermékek tömege. A ΔM mennyiséget nevezzük tömeghiba. A magreakciók történhetnek energia felszabadulásával (Q > 0) vagy energiaelnyelésével (Q< 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |Q|, которая называется порогом реакции.
Ahhoz, hogy egy nukleáris reakció pozitív energiakibocsátással rendelkezzen, fajlagos kötési energia A kiindulási termékek magjaiban lévő nukleonoknak kisebbnek kell lenniük, mint a végtermékek magjaiban lévő nukleonok fajlagos kötési energiája. Ez azt jelenti, hogy a ΔM értéknek pozitívnak kell lennie.
Az atomenergia felszabadításának két alapvetően eltérő módja van.
1. Nehéz atommagok hasadása. Ellentétben az atommagok radioaktív bomlásával, amely α- vagy β-részecskék kibocsátásával jár együtt, a hasadási reakciók olyan folyamatok, amelyek során az instabil mag két nagy, hasonló tömegű fragmentumra oszlik.
1939-ben O. Hahn és F. Strassmann német tudósok felfedezték az uránmagok hasadását. A Fermi által megkezdett kutatást folytatva megállapították, hogy amikor az uránt neutronokkal bombázzák, a periódusos rendszer középső részének elemei keletkeznek - bárium radioaktív izotópjai (Z = 56), kripton (Z = 36) stb.
Az urán a természetben két izotóp formájában fordul elő: (99,3%) és (0,7%). Ha neutronokkal bombázzák, mindkét izotóp magja két részre szakadhat. Ebben az esetben a hasadási reakció legintenzívebben lassú (termikus) neutronokkal megy végbe, míg az atommagok csak 1 MeV nagyságrendű energiájú gyors neutronokkal lépnek hasadási reakcióba.
A nukleáris energia fő érdekessége az atommag hasadási reakciója. Jelenleg körülbelül 100 különböző, körülbelül 90-145 tömegszámú izotóp ismert, amelyek ennek az atommagnak a hasadásából származnak. Ennek az atommagnak két tipikus hasadási reakciója:
Megjegyzendő, hogy a neutron által kezdeményezett maghasadás új neutronokat termel, amelyek más atommagokban hasadási reakciókat okozhatnak. Az urán-235 atommagok hasadási termékei lehetnek bárium, xenon, stroncium, rubídium stb. egyéb izotópjai is.
Egy uránmag hasadása során felszabaduló mozgási energia óriási - körülbelül 200 MeV. Az atommaghasadás során felszabaduló energia becslése a felhasználásával végezhető el fajlagos kötési energia nukleonok a sejtmagban. Az A ≈ 240 tömegszámú magokban a nukleonok fajlagos kötési energiája körülbelül 7,6 MeV/nukleon, míg az A = 90-145 tömegszámú atommagokban a fajlagos energia körülbelül 8,5 MeV/nukleon. Következésképpen az uránmag hasadása során 0,9 MeV/nukleon nagyságrendű energia szabadul fel, vagyis körülbelül 210 MeV uránatomonként. Az 1 g uránban található összes atommag teljes hasadása ugyanannyi energiát szabadít fel, mint 3 tonna szén vagy 2,5 tonna olaj elégetése.
Az uránmag hasadási termékei instabilak, mert jelentős mennyiségű neutront tartalmaznak. Valójában a legnehezebb magok N/Z-aránya 1,6 nagyságrendű (9.6.2. ábra), a 90-től 145-ig terjedő tömegű magok esetében ez az arány 1,3-1,4 nagyságrendű. Ezért a fragmens magjai egy sor egymást követő β – -bomláson mennek keresztül, aminek eredményeként a magban lévő protonok száma növekszik, a neutronok száma pedig csökken, amíg stabil atommag nem keletkezik.
Az urán-235 maghasadáskor, amelyet egy neutronnal való ütközés okoz, 2 vagy 3 neutron szabadul fel. Kedvező körülmények között ezek a neutronok más uránmagokat is eltalálhatnak, és azok hasadását idézhetik elő. Ebben a szakaszban 4-9 neutron jelenik meg, amelyek képesek az uránmagok új bomlását okozni, stb. Az ilyen lavinaszerű folyamatot láncreakciónak nevezik. Fejlesztési séma láncreakcióábrán látható az uránmagok hasadása. 9.8.1.
 |
| 9.8.1. ábra. A láncreakció kialakulásának diagramja. |
A láncreakció létrejöttéhez szükséges, hogy az ún neutronszorzótényező nagyobb volt egynél. Más szóval, minden következő generációban több neutronnak kell lennie, mint az előző generációban. A szorzási együtthatót nemcsak az egyes elemi aktusok során keletkező neutronok száma határozza meg, hanem az is, hogy milyen körülmények között zajlik a reakció - a neutronok egy része más atommagokban is elnyelhető, vagy elhagyhatja a reakciózónát. Az urán-235 atommagok hasadása során felszabaduló neutronok csak ugyanannak az uránnak a magjainak a hasadását képesek előidézni, ami a természetes uránnak csak 0,7%-át teszi ki. Ez a koncentráció nem elegendő a láncreakció elindításához. Az izotóp neutronokat is képes elnyelni, de ez nem okoz láncreakciót.
A megnövelt urán-235 tartalmú uránban csak akkor alakulhat ki láncreakció, ha az urán tömege meghaladja az ún. kritikus tömeg. Kis urándarabokban a legtöbb neutron úgy repül ki, hogy semmilyen atommagot nem talál. A tiszta urán-235 esetében a kritikus tömeg körülbelül 50 kg. Az urán kritikus tömege sokszorosára csökkenthető ún késleltetők neutronok. Az a tény, hogy az uránmagok bomlása során keletkező neutronok túl nagy sebességgel rendelkeznek, és annak valószínűsége, hogy az urán-235 atommagok lassú neutronokat fognak be, több százszor nagyobb, mint a gyorsaké. A legjobb neutronmoderátor az nehézvíz D 2 O. A neutronokkal való kölcsönhatás során a közönséges víz maga is nehézvízzé alakul.
A grafit, amelynek magja nem nyeli el a neutronokat, szintén jó moderátor. A deutériummal vagy szénatommagokkal való rugalmas kölcsönhatás során a neutronok termikus sebességre lassulnak.
A neutronmoderátorok és a neutronokat visszaverő speciális berilliumhéj használata lehetővé teszi a kritikus tömeg 250 g-ra történő csökkentését.
Az atombombákban ellenőrizetlen nukleáris láncreakció következik be, amikor két darab urán-235, amelyek mindegyikének tömege valamivel a kritikus alatt van, gyorsan egyesül.
A szabályozott maghasadási reakciót támogató eszközt ún nukleáris(vagy atom) reaktor. A lassú neutronokat használó atomreaktor diagramja az ábrán látható. 9.8.2.
 |
| 9.8.2. ábra. Egy atomreaktor diagramja. |
A nukleáris reakció a reaktor zónájában játszódik le, amelyet moderátorral töltenek meg, és magas (legfeljebb 3%) uránizotóp-keveréket tartalmazó rudak hatolnak át rajta. A magba kadmiumot vagy bórt tartalmazó szabályozó rudakat vezetnek, amelyek intenzíven elnyelik a neutronokat. A rudak magba való behelyezése lehetővé teszi a láncreakció sebességének szabályozását.
A mag hűtése szivattyúzott hűtőközeggel történik, amely lehet víz vagy alacsony olvadáspontú fém (például nátrium, amelynek olvadáspontja 98 °C). A gőzfejlesztőben a hűtőfolyadék hőenergiát ad át a víznek, és azt nagynyomású gőzzé alakítja. A gőzt egy elektromos generátorhoz csatlakoztatott turbinába küldik. A turbinából a gőz belép a kondenzátorba. A sugárszivárgás elkerülése érdekében az I. hűtőfolyadék és a II. gőzfejlesztő áramkör zárt ciklusban működik.
Az atomerőmű turbinája egy hőmotor, amely a termodinamika második főtételének megfelelően meghatározza az erőmű összhatékonyságát. A modern atomerőművek közel azonos hatásfokkal rendelkeznek, ezért 1000 MW villamos teljesítmény előállításához a reaktor hőteljesítményének el kell érnie a 3000 MW-ot. 2000 MW-ot kell elvinnie a kondenzátort hűtő víznek. Ez a természetes tározók helyi túlmelegedéséhez és az azt követő környezeti problémák megjelenéséhez vezet.
A fő probléma azonban az atomerőművekben dolgozók teljes sugárbiztonságának biztosítása, valamint a reaktormagban nagy mennyiségben felhalmozódó radioaktív anyagok véletlenszerű kibocsátásának megakadályozása. Az atomreaktorok fejlesztése során nagy figyelmet fordítanak erre a problémára. Néhány atomerőműben, különösen a pennsylvaniai atomerőműben (USA, 1979) és a csernobili atomerőműben (1986) bekövetkezett balesetek után azonban az atomenergia biztonságának problémája különösen élessé vált.
A fent ismertetett lassú neutronokon működő atomreaktor mellett a gyors neutronokon moderátor nélkül működő reaktorok gyakorlati érdeklődésre tartanak számot. Az ilyen reaktorokban a nukleáris üzemanyag legalább 15% izotópot tartalmazó dúsított keverék. A gyorsneutronos reaktorok előnye, hogy működésük során a neutronokat elnyelő urán-238 atommagok két egymást követő β-n keresztül plutónium atommagokká alakulnak. bomlási anyagok, amelyek aztán nukleáris üzemanyagként használhatók:
Az ilyen reaktorok tenyésztési tényezője eléri az 1,5-öt, azaz 1 kg urán-235-re legfeljebb 1,5 kg plutóniumot kapunk. A hagyományos reaktorok is termelnek plutóniumot, de jóval kisebb mennyiségben.
Az első atomreaktor 1942-ben épült meg az USA-ban E. Fermi vezetésével. Hazánkban az első reaktort 1946-ban építették I. V. Kurchatov vezetésével.
2. Termonukleáris reakciók. A nukleáris energia felszabadításának második módja a fúziós reakciókhoz kapcsolódik. Amikor a könnyű atommagok egyesülnek és új atommagot képeznek, nagy mennyiségű energiát kell felszabadítani. Ez látható a fajlagos kötési energia és az A tömeg közötti görbéből (9.6.1. ábra). A körülbelül 60 tömegszámú magokig a nukleonok fajlagos kötési energiája az A növekedésével növekszik. Ezért bármely A-val rendelkező mag szintézise< 60 из более легких ядер должен сопровождаться выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза будет в этом случае меньше массы первоначальных частиц.
A könnyű atommagok fúziós reakcióit ún termonukleáris reakciók, mivel csak nagyon magas hőmérsékleten fordulhatnak elő. Ahhoz, hogy két atommag fúziós reakcióba lépjen, 2,10-15 m nagyságrendű magerők távolságára kell megközelíteniük egymást, leküzdve pozitív töltéseik elektromos taszítását. Ehhez a molekulák hőmozgásának átlagos kinetikus energiájának meg kell haladnia a Coulomb-kölcsönhatás potenciális energiáját. Az ehhez szükséges T hőmérséklet kiszámítása 10 8 – 10 9 K nagyságrendű értékhez vezet. Ez rendkívül magas hőmérséklet. Ezen a hőmérsékleten az anyag teljesen ionizált állapotban van, amit ún vérplazma.
A termonukleáris reakciók során felszabaduló energia nukleononként többszöröse, mint a maghasadás láncreakciói során felszabaduló fajlagos energia. Például a deutérium és trícium atommagok fúziós reakciójában
| |
3,5 MeV/nukleon szabadul fel. Összességében ez a reakció 17,6 MeV-ot szabadít fel. Ez az egyik legígéretesebb termonukleáris reakció.
Végrehajtás szabályozott termonukleáris reakciókúj, környezetbarát és gyakorlatilag kimeríthetetlen energiaforrást ad majd az emberiségnek. Az ultramagas hőmérséklet elérése és az egymilliárd fokra melegített plazma korlátozása azonban a legnehezebb tudományos és műszaki feladat a szabályozott termonukleáris fúzió megvalósításához vezető úton.
A tudomány és a technológia fejlődésének ezen szakaszában csak a megvalósítás volt lehetséges ellenőrizetlen fúziós reakció hidrogénbombában. A magfúzióhoz szükséges magas hőmérsékletet itt egy hagyományos urán- vagy plutóniumbomba robbantásával érik el.
A termonukleáris reakciók rendkívül fontos szerepet játszanak az Univerzum evolúciójában. A Nap és a csillagok sugárzási energiája termonukleáris eredetű.
Radioaktivitás
Az ismert 2500 atommag közel 90%-a instabil. Az instabil mag spontán átalakul más magokká, és részecskéket bocsát ki. Az atommagok ezen tulajdonságát ún radioaktivitás. A nagy magokban az instabilitás a nukleonok nukleáris erők általi vonzása és a protonok Coulomb-taszítása közötti versengés miatt keletkezik. Nincsenek olyan stabil atommagok, amelyek töltésszáma Z > 83 és tömegszáma A > 209. De a lényegesen alacsonyabb Z- és A-számú atommagok is lehetnek radioaktívak, ha az atommag lényegesen több protont tartalmaz, mint neutron, akkor az instabilitást a Coulomb-kölcsönhatási energia feleslege okozza . Azok az atommagok, amelyek a protonok számánál nagyobb neutronfelesleget tartalmaznának, instabilnak bizonyulnak, mivel a neutron tömege meghaladja a proton tömegét. Az atommag tömegének növekedése energiájának növekedéséhez vezet.
A radioaktivitás jelenségét 1896-ban A. Becquerel francia fizikus fedezte fel, aki felfedezte, hogy az uránsók ismeretlen sugárzást bocsátanak ki, amely képes áthatolni a fény számára átlátszatlan korlátokon, és a fényképészeti emulzió elfeketedését okozhatja. Két évvel később M. és P. Curie francia fizikusok felfedezték a tórium radioaktivitását, és két új radioaktív elemet – a polóniumot és a rádiumot.
A következő években sok fizikus, köztük E. Rutherford és tanítványai tanulmányozta a radioaktív sugárzás természetét. Azt találták, hogy a radioaktív atommagok háromféle részecskét bocsáthatnak ki: pozitív és negatív töltésű és semleges. Ezt a három típusú sugárzást α-, β- és γ-sugárzásnak nevezték. ábrán. A 9.7.1. ábra egy kísérlet diagramját mutatja, amely lehetővé teszi a radioaktív sugárzás összetett összetételének kimutatását. Mágneses térben az α- és β-sugarak ellentétes irányba, a β-sugarak pedig sokkal jobban eltérülnek. A mágneses térben lévő γ-sugarak egyáltalán nem térnek el.
Ez a három típusú radioaktív sugárzás nagymértékben különbözik egymástól anyagatomok ionizációs képességében, és ezáltal áthatoló képességében. az α-sugárzásnak van a legkevésbé áthatoló képessége. Normál körülmények között levegőben az α-sugarak több centiméteres távolságot tesznek meg. A β-sugarakat sokkal kevésbé nyeli el az anyag. Képesek átjutni egy több milliméter vastag alumíniumrétegen. A γ-sugarak rendelkeznek a legnagyobb áthatoló képességgel, képesek átjutni egy 5-10 cm vastag ólomrétegen.
A 20. század második évtizedében, miután E. Rutherford felfedezte az atomok magszerkezetét, szilárdan megállapították, hogy a radioaktivitás az atommagok tulajdonsága. A kutatások kimutatták, hogy az α-sugarak α-részecskék - héliummagok - áramát, a β-sugarak elektronáramot, a γ-sugarak rövidhullámú elektromágneses sugárzást jelentenek, rendkívül rövid hullámhosszú λ-val.< 10 –10 м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами, то есть является потоком частиц – γ-квантов.
Alfa bomlás. Az alfa-bomlás egy Z protonszámú atommag spontán átalakulása N számú neutronnal egy másik (leány-) atommaggá, amely Z – 2 protonszámú és N – 2 neutronszámú atommagot tartalmaz. Ebben az esetben egy α részecske bocsát ki - a hélium atom magja. Ilyen folyamat például a rádium α-bomlása:
 |
A rádium atommagjai által kibocsátott alfa-részecskéket Rutherford használta a nehéz elemek atommagjai általi szórással kapcsolatos kísérletekben. A rádiummagok α-bomlása során kibocsátott α-részecskék sebessége a pálya görbületétől mágneses térben mérve hozzávetőlegesen 1,5 10 7 m/s, a megfelelő mozgási energia pedig kb. 7,5 10 –13 J ( körülbelül 4,8 MeV). Ez az érték könnyen meghatározható az anya- és leánymagok, valamint a héliummag tömegének ismert értékeiből. Bár a kiszabaduló α-részecske sebessége óriási, még mindig csak 5%-a a fénysebességnek, így a számításnál a kinetikus energiára nem relativisztikus kifejezést is használhatunk.
Kutatások kimutatták, hogy egy radioaktív anyag több különálló energiájú alfa-részecskéket bocsáthat ki. Ez azzal magyarázható, hogy az atommagok az atomokhoz hasonlóan különböző gerjesztett állapotokban lehetnek. A leánymag az α bomlás során ezen gerjesztett állapotok valamelyikébe kerülhet. Ennek az atommagnak az alapállapotba való átmenete során egy γ-kvantum bocsát ki. A rádium α-bomlásának diagramja α-részecskék kibocsátásával, két kinetikus energiával az ábrán látható. 9.7.2.
Így az atommagok α-bomlását sok esetben γ-sugárzás kíséri.
Az α-bomlás elméletében azt feltételezik, hogy az atommagok belsejében két protonból és két neutronból álló csoportok, azaz egy α-részecske képződhetnek. Az anyamag az α-részecskéké potenciális lyuk, amely korlátozott potenciális gát. Az atommagban lévő α részecske energiája nem elegendő ennek a gátnak a leküzdésére (9.7.3. ábra). Egy alfa-részecske távozása az atommagból csak egy kvantummechanikai jelenség ún. alagút hatás. A kvantummechanika szerint nem nulla a valószínűsége annak, hogy egy részecske áthalad a potenciálgát alatt. Az alagút jelensége valószínűségi jellegű.
Béta bomlás. A béta-bomlás során egy elektron kilökődik az atommagból. Az elektronok nem létezhetnek az atommagok belsejében (lásd a 9.5. szakaszt), amelyek egy neutron protonná történő átalakulása során keletkeznek. Ez a folyamat nem csak az atommag belsejében, hanem szabad neutronokkal is megtörténhet. Egy szabad neutron átlagos élettartama körülbelül 15 perc. A bomlás során a neutron protonná és elektronná alakul
A mérések kimutatták, hogy ebben a folyamatban nyilvánvalóan megsértik az energiamegmaradás törvényét, mivel a neutron bomlásából származó proton és elektron összenergiája kisebb, mint a neutron energiája. 1931-ben W. Pauli azt javasolta, hogy a neutron bomlása során egy másik, nulla tömegű és töltésű részecske szabaduljon fel, ami elveszi az energia egy részét. Az új részecske neve neutrino(kis neutron). A neutrínó töltésének és tömegének hiánya miatt ez a részecske nagyon gyengén lép kölcsönhatásba az anyag atomjaival, ezért rendkívül nehéz kísérletben kimutatni. A neutrínók ionizáló képessége olyan kicsi, hogy egy ionizációs esemény a levegőben körülbelül 500 km-en keresztül történik. Ezt a részecskét csak 1953-ban fedezték fel. Ma már ismert, hogy többféle neutrínó létezik. A neutron bomlása során részecske keletkezik, amelyet ún elektron antineutrínó. Szimbólum jelöli Ezért a neutronbomlási reakciót így írjuk
|
Hasonló folyamat megy végbe az atommagok belsejében a β-bomlás során. Az egyik nukleáris neutron bomlása nyomán keletkezett elektron óriási sebességgel azonnal kilökődik a „szülői házból” (a magból), amely a fénysebességtől csak egy százalék töredékével térhet el. Mivel a β-bomlás során felszabaduló energia eloszlása az elektron, a neutrínó és a leánymag között véletlenszerű, a β-elektronok sebessége széles tartományban eltérő lehet.
A β-bomlás során a Z töltésszám eggyel nő, de az A tömegszám változatlan marad. A leánymagról kiderül, hogy az elem egyik izotópjának a magja, amelynek a periódusos rendszerben szereplő sorszáma eggyel nagyobb, mint az eredeti mag sorszáma. A β-bomlás tipikus példája az urán α-bomlásából származó tórium-izoton palládiummá történő átalakulása
Gamma-bomlás. Az α- és β-radioaktivitástól eltérően a magok γ-radioaktivitása nem kapcsolódik a mag belső szerkezetének változásához, és nem jár vele töltés- vagy tömegszám változás. Mind az α-, mind a β-bomlás során előfordulhat, hogy a leánymag valamilyen gerjesztett állapotba kerül, és energiafelesleggel rendelkezhet. Az atommag gerjesztett állapotból alapállapotba való átmenete egy vagy több γ-kvantum kibocsátásával jár együtt, amelyek energiája több MeV-ot is elérhet.
A radioaktív bomlás törvénye. A radioaktív anyag bármely mintája nagyszámú radioaktív atomot tartalmaz. Mivel a radioaktív bomlás természeténél fogva véletlenszerű, és nem függ külső körülményektől, az adott t időre el nem bomló atommagok N(t) számának csökkenésének törvénye a radioaktív bomlási folyamat fontos statisztikai jellemzőjeként szolgálhat.
Hagyja, hogy az el nem bomlott magok száma N(t) változzon ΔN-nel rövid Δt idő alatt< 0. Так как вероятность распада каждого ядра неизменна во времени, что число распадов будет пропорционально количеству ядер N(t) и промежутку времени Δt:
A λ arányossági együttható a magbomlás valószínűsége Δt = 1 s idő alatt. Ez a képlet azt jelenti, hogy az N(t) függvény változási sebessége egyenesen arányos magával a függvénnyel.
ahol N 0 a radioaktív atommagok kezdeti száma t = 0-nál. A τ = 1 / λ idő alatt az el nem bomlott magok száma e ≈ 2,7-szeresére csökken. A τ mennyiséget nevezzük átlagos élettartama radioaktív mag.
Gyakorlati használatra célszerű a radioaktív bomlás törvényét más formában felírni, e helyett a 2-t használva:
A T mennyiséget nevezzük fél élet. A T idő alatt az eredeti radioaktív atommagok fele elbomlik. A T és τ mennyiségeket az összefüggés köti össze
A felezési idő a radioaktív bomlás sebességét jellemző fő mennyiség. Minél rövidebb a felezési idő, annál intenzívebb a bomlás. Így az urán T ≈ 4,5 milliárd év, a rádium T ≈ 1600 év. Ezért a rádium aktivitása sokkal nagyobb, mint az uráné. Vannak radioaktív elemek, amelyek felezési ideje a másodperc töredéke.
A természetben nem található meg, és bizmutban végződik atomreaktorok.
A radioaktivitás érdekes alkalmazása a régészeti és geológiai leletek radioaktív izotópok koncentrációjával történő kormeghatározásának módszere. A kormeghatározás leggyakrabban használt módszere a radiokarbonos kormeghatározás. A kozmikus sugarak által kiváltott magreakciók következtében a szén instabil izotópja jelenik meg a légkörben. Ennek az izotópnak egy kis százaléka megtalálható a levegőben a normál stabil izotóppal együtt. A növények és más élőlények szenet vesznek fel a levegőből, és mindkét izotópot ugyanolyan arányban halmozzák fel, mint a levegőben. Miután a növények elpusztulnak, abbahagyják a szénfogyasztást, és az instabil izotóp a β-bomlás következtében fokozatosan nitrogénné alakul, felezési ideje 5730 év. Az ősi élőlények maradványaiban a radioaktív szén relatív koncentrációjának pontos mérésével meghatározható haláluk időpontja.
Minden típusú radioaktív sugárzás (alfa, béta, gamma, neutron), valamint az elektromágneses sugárzás (röntgen) igen erős biológiai hatással van az élő szervezetekre, ami az atomok és molekulák gerjesztési és ionizációs folyamataiból áll. fel az élő sejteket. Az ionizáló sugárzás hatására összetett molekulák és sejtszerkezetek pusztulnak el, ami a szervezet sugárzási károsodásához vezet. Ezért, ha bármilyen sugárforrással dolgozik, minden intézkedést meg kell tenni a sugárzásnak kitett személyek védelme érdekében.
Az ember azonban otthon is ki lehet téve ionizáló sugárzásnak. Az inert, színtelen, radioaktív radon gáz komoly veszélyt jelenthet az emberi egészségre, amint az az ábrán látható ábrán látható. 9.7.5, a radon a rádium α-bomlásának szorzata, felezési ideje T = 3,82 nap. A rádium kis mennyiségben megtalálható a talajban, kövekben és különféle épületszerkezetekben. A viszonylag rövid élettartam ellenére a radon koncentrációja a rádiummagok újabb bomlásai miatt folyamatosan újratöltődik, így a radon felhalmozódhat a zárt térben. A tüdőbe kerülve a radon α-részecskéket bocsát ki, és polóniummá alakul, amely kémiailag nem inert anyag. Az alábbiakban az uránsorozat radioaktív átalakulásának láncolata látható (9.7.5. ábra). Az Amerikai Sugárbiztonsági és Ellenőrzési Bizottság szerint az átlagos ember ionizáló sugárzásának 55%-át kapja radonból, és csak 11%-át az orvosi ellátásból. A kozmikus sugarak hozzájárulása hozzávetőleg 8%. A teljes sugárdózis, amelyet egy személy élete során kap, sokszorosa legnagyobb megengedhető dózis(SDA), amelyet bizonyos szakmákban dolgozó személyek számára hoztak létre, akik további ionizáló sugárzásnak vannak kitéve.
Az atommaghasadás egy nehéz atom két, megközelítőleg azonos tömegű töredékre való szétválása, amely nagy mennyiségű energia felszabadulásával jár.
Az atommaghasadás felfedezésével új korszak kezdődött - az „atomkorszak”. A lehetséges felhasználási lehetőségek és használatának kockázat/haszon aránya nemcsak számos szociológiai, politikai, gazdasági és tudományos előrelépést generált, hanem komoly problémákat is. A maghasadás folyamata még tisztán tudományos szempontból is számos rejtvényt és bonyodalmat hozott létre, és teljes elméleti magyarázata a jövő kérdése.
A megosztás nyereséges
A kötési energiák (nukleononként) eltérőek a különböző magoknál. A nehezebbek alacsonyabb kötési energiával rendelkeznek, mint a periódusos rendszer közepén találhatók.
Ez azt jelenti, hogy a 100-nál nagyobb rendszámú nehéz atommagok számára előnyös, ha két kisebb töredékre hasadnak, és ezáltal energiát szabadítanak fel, amely a fragmentumok kinetikus energiájává alakul. Ezt a folyamatot hasításnak nevezik
A stabilitási görbe szerint, amely a protonok számát és a neutronok számát mutatja stabil nuklidok esetén, a nehezebb atommagok (a protonok számához képest) nagyobb számú neutront részesítenek előnyben, mint a könnyebb atommagok. Ez arra utal, hogy a hasadási folyamattal együtt néhány "tartalék" neutron is ki fog bocsátani. Emellett a felszabaduló energia egy részét is elnyelik. Az uránatom magjának hasadásának vizsgálata kimutatta, hogy 3-4 neutron szabadul fel: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.
A töredék rendszáma (és atomtömege) nem egyenlő a szülő atomtömegének felével. A hasadás következtében kialakuló atomtömegek közötti különbség általában körülbelül 50. Ennek oka azonban még nem teljesen tisztázott.
A 238 U, 145 La és 90 Br kötési energiája 1803, 1198 és 763 MeV. Ez azt jelenti, hogy ennek a reakciónak az eredményeként felszabadul az uránmag hasadási energiája, amely 1198 + 763-1803 = 158 MeV.
Spontán hasadás
A természetben ismertek a spontán hasadási folyamatok, de nagyon ritkák. Ennek a folyamatnak az átlagos élettartama körülbelül 10 17 év, és például ugyanazon radionuklid alfa-bomlásának átlagos élettartama körülbelül 10 11 év.
Ennek az az oka, hogy a magnak a két részre szakadáshoz először ellipszoid alakra kell deformálódnia (megnyúlnia), majd mielőtt végleg kettéhasadna, középen egy „nyakat” kell képeznie.
Potenciális akadály
A deformált állapotban két erő hat a magra. Az egyik a megnövekedett felületi energia (a folyadékcsepp felületi feszültsége magyarázza gömb alakját), a másik pedig a hasadási töredékek közötti Coulomb taszítás. Együtt potenciális akadályt képeznek.
Az alfa-bomláshoz hasonlóan ahhoz, hogy az uránatom magjának spontán hasadása megtörténjen, a fragmentumoknak kvantum-alagúttal kell legyőzniük ezt a gátat. A gát értéke körülbelül 6 MeV, mint az alfa-bomlás esetében, de az alfa-részecske-alagút valószínűsége sokkal nagyobb, mint a sokkal nehezebb atomhasadási terméké.
Kényszerhasítás
Sokkal valószínűbb az uránmag indukált hasadása. Ebben az esetben az anyamagot neutronokkal sugározzák be. Ha a szülő elnyeli, kötődnek, és kötési energiát szabadítanak fel rezgési energia formájában, amely meghaladhatja a potenciálgát leküzdéséhez szükséges 6 MeV-ot.
Ahol a további neutron energiája nem elegendő a potenciálgát leküzdésére, a beeső neutronnak minimális kinetikai energiával kell rendelkeznie ahhoz, hogy képes legyen atomhasadást előidézni. 238 U esetén a további neutronok kötési energiája körülbelül 1 MeV-tal hiányzik. Ez azt jelenti, hogy az uránmag hasadását csak egy 1 MeV-nál nagyobb kinetikus energiájú neutron indukálja. Másrészt a 235 U izotópnak van egy páratlan neutronja. Amikor egy mag elnyel egy további atommagot, azzal párosodik, és ez a párosítás további kötési energiát eredményez. Ez elegendő ahhoz, hogy felszabaduljon az atommagnak a potenciálgát leküzdéséhez szükséges energiamennyiség, és az izotóphasadás bármely neutronnal való ütközéskor megtörténik.
Béta bomlás
Annak ellenére, hogy a hasadási reakció három vagy négy neutront termel, a töredékek még mindig több neutront tartalmaznak, mint a stabil izobárok. Ez azt jelenti, hogy a hasítási fragmentumok általában instabilak a béta-bomlás szempontjából.
Például, amikor a 238 U uránmag hasadása megtörténik, a stabil izobár A = 145 neodímium 145 Nd, ami azt jelenti, hogy a lantán 145 La fragmentum három szakaszban bomlik, minden alkalommal egy elektront és egy antineutrínót bocsát ki, amíg a stabil nuklid keletkezik. Egy stabil izobár, amelynek A = 90, a cirkónium 90 Zr, így a bróm 90 Br hasítási fragmentuma a β-bomlási lánc öt szakaszában bomlik le.
Ezek a β-bomlási láncok további energiát szabadítanak fel, amelyet szinte az összes elektronok és antineutrínók elhordnak.
Nukleáris reakciók: uránmagok hasadása
A nukleáris stabilitás biztosításához túl sok neutront tartalmazó nuklid közvetlen neutronkibocsátása nem valószínű. A lényeg itt az, hogy nincs Coulomb taszítás, és így a felületi energia hajlamos arra, hogy a neutront a szülőhöz kötve tartsa. Ez azonban néha előfordul. Például a 90 Br hasadási töredéke a béta-bomlás első szakaszában kripton-90-et termel, amely gerjesztett állapotban lehet elegendő energiával ahhoz, hogy leküzdje a felületi energiát. Ebben az esetben a neutronkibocsátás közvetlenül a kripton-89 képződésével történhet. továbbra is instabil a β-bomlásra, amíg stabil ittrium-89 nem lesz, tehát a kripton-89 három lépésben bomlik le.
Uránmagok hasadása: láncreakció
A hasadási reakció során kibocsátott neutronokat egy másik szülőmag elnyelheti, amely aztán maga is indukált hasadáson megy keresztül. Az urán-238 esetében a keletkező három neutron 1 MeV-nál kisebb energiával jön ki (az uránmag hasadása során felszabaduló energia - 158 MeV - főként a hasadási fragmentumok mozgási energiájává alakul át ), így nem okozhatják ennek a nuklidnak a további hasadását. A ritka 235 U izotóp jelentős koncentrációjában azonban ezeket a szabad neutronokat 235 U atommagok képesek befogni, ami valójában hasadást okozhat, mivel ebben az esetben nincs olyan energiaküszöb, amely alatt a hasadás ne indukálódik.
Ez a láncreakció elve.
A nukleáris reakciók típusai
Legyen k a hasadóanyag mintájában e lánc n szakaszában keletkezett neutronok száma, osztva az n - 1 szakaszban keletkezett neutronok számával. Ez a szám attól függ, hogy az n - 1 szakaszban előállított neutronok hány darabja nyelődik el a mag által, amely kényszerű osztódáson eshet át.
Ha k< 1, то цепная реакция просто выдохнется и процесс остановится очень быстро. Именно это и происходит в природной в которой концентрация 235 U настолько мала, что вероятность поглощения одного из нейтронов этим изотопом крайне ничтожна.
Ha k > 1, akkor a láncreakció addig nő, amíg az összes hasadóanyag el nem fogy. Gömb alakú mintánál a k értéke a neutronelnyelés valószínűségének növekedésével nő, ami a gömb sugarától függ. Ezért az U tömegnek meg kell haladnia egy bizonyos mennyiséget, hogy megtörténhessen az uránmagok hasadása (láncreakció).
Ha k = 1, akkor szabályozott reakció megy végbe. Ezt használják az atomreaktorokban. A folyamatot a kadmium- vagy bórrudak eloszlása szabályozza az urán között, amelyek elnyelik a neutronok nagy részét (ezek az elemek képesek a neutronok befogására). Az uránmag hasadását a rudak mozgatásával automatikusan szabályozzák úgy, hogy a k értéke egyenlő maradjon egységgel.
