Uraaniytimen fissio. Ketjureaktio

Lasketaan energian määrä, joka vapautuu raskaan ytimen fission aikana. Korvaa kohdassa (f.2) ytimien sitoutumisenergioiden (f.1) lausekkeet olettaen, että A 1 =240 ja Z 1 = 90. Jätetään huomiotta (f.1):n viimeinen termi sen pienuuden vuoksi ja korvataan parametrien a 2 ja a 3 arvot saamme

Tästä saadaan, että fissio on energeettisesti suotuisa, kun Z 2 /A > 17. Z 2 /A:n arvoa kutsutaan jakoparametriksi. Fission aikana vapautuva energia E kasvaa Z 2 /A:n kasvaessa; Z 2 /A = 17 ytimille yttriumin ja zirkoniumin alueella. Saaduista arvioista voidaan nähdä, että fissio on energeettisesti suotuisa kaikille ytimille, joiden A > 90. Miksi suurin osa ytimistä on stabiileja spontaanin fission suhteen? Vastataksesi tähän kysymykseen, katsotaan kuinka ytimen muoto muuttuu fission aikana.

Fissioprosessissa ydin kulkee peräkkäin läpi seuraavat vaiheet (kuva 2): pallo, ellipsoidi, käsipaino, kaksi päärynänmuotoista sirpaletta, kaksi pallomaista fragmenttia. Miten ytimen potentiaalienergia muuttuu fission eri vaiheissa? Kun fissio on tapahtunut ja fragmentit ovat eronneet toisistaan ​​paljon niiden sädettä suuremmalla etäisyydellä, fragmenttien välisen Coulombin vuorovaikutuksen määräämän potentiaalienergian voidaan katsoa olevan nolla.

Tarkastellaan fission alkuvaihetta, jolloin ydin saa muodon yhä pidentyneenä kierrosellipsoidina, jossa r kasvaa. Tässä fissiovaiheessa r on ytimen poikkeama pallomaisesta muodosta (kuva 3). Ytimen muodon evoluutiosta johtuen sen potentiaalienergian muutoksen määrää pinta- ja Coulombin energioiden summan muutos E"n + E"k. Oletetaan, että ytimen tilavuus pysyy muuttumattomana muodonmuutoksen aikana. Tässä tapauksessa pintaenergia E "p kasvaa, koska ytimen pinta-ala kasvaa. Coulombin energia E" k pienenee, koska nukleonien keskimääräinen etäisyys kasvaa. Olkoon pallomainen ydin pienen parametrin luonteenomaisen pienen muodonmuutoksen seurauksena aksiaalisesti symmetrisen ellipsoidin muodossa. Voidaan osoittaa, että pintaenergia E "p ja Coulombin energia E" k muuttuvat seuraavasti:

Pienissä ellipsoidisissa muodonmuutoksissa pintaenergian kasvu tapahtuu nopeammin kuin Coulombin energian väheneminen.
Raskaiden ytimien alueella 2En > Ek pinta- ja Coulombin energioiden summa kasvaa kasvaessa . Kohdasta (f.4) ja (f.5) seuraa, että pienillä ellipsoidisilla muodonmuutoksilla pintaenergian kasvu estää ytimen muodon muut muutokset ja siten fission. Lauseke (f.5) pätee pienille arvoille (pienille kannoille). Jos muodonmuutos on niin suuri, että ydin on käsipainon muotoinen, pintajännitysvoimat, kuten Coulombin voimat, pyrkivät erottamaan ytimen ja antamaan palasille pallomaisen muodon. Tässä fissiovaiheessa jännityksen kasvuun liittyy sekä Coulombin että pintaenergian lasku. Nuo. ytimen muodonmuutoksen asteittaisen lisääntymisen myötä sen potentiaalienergia kulkee maksimin läpi. Nyt r tarkoittaa tulevien fragmenttien keskusten välistä etäisyyttä. Kun fragmentit siirtyvät pois toisistaan, niiden vuorovaikutuksen potentiaalienergia pienenee, koska Coulombin repulsion energia E k pienenee Potentiaalienergian riippuvuus fragmenttien välisestä etäisyydestä on esitetty kuvassa 1. 4. Potentiaalienergian nollataso vastaa kahden ei-vuorovaikutteisen fragmentin pinta- ja Coulombin energian summaa.
Potentiaalisen esteen läsnäolo estää hetkellisen spontaanin ydinfission. Jotta ydin halkeaisi välittömästi, sille on annettava energia Q, joka ylittää esteen korkeuden H. Fissioituvan ytimen maksimipotentiaalienergia on suunnilleen yhtä suuri kuin
e2Z1Z2/(R1+R2), jossa R1 ja R2 ovat fragmenttien säteitä. Esimerkiksi kun kultaydin jaetaan kahteen identtiseen fragmenttiin, e 2 Z 1 Z 2 / (R 1 + R 2) \u003d 173 MeV, ja fission aikana vapautuvan energian E määrä () on 132 MeV. Siten kultaytimen fission aikana on tarpeen ylittää potentiaalieste, jonka korkeus on noin 40 MeV.
Esteen korkeus H on sitä suurempi, mitä pienempi on Coulombin ja pintaenergian E suhde /E p alkuytimessä. Tämä suhde puolestaan ​​kasvaa jakoparametrin Z 2 /A () kasvaessa. Mitä raskaampi ydin, sitä pienempi estekorkeus H , koska jakoparametri kasvaa massaluvun kasvaessa:

Nuo. Pudotusmallin mukaan ytimiä, joiden Z 2 /A > 49, pitäisi puuttua luonnosta, koska ne halkeavat spontaanisti lähes välittömästi (tyypillisessä ydinajassa luokkaa 10 -22 s). Mahdollisuus atomiytimiin, joiden Z 2 /A > 49 ("stabiilisuuden saari") on olemassa, selittyy kuorirakenteella. Potentiaaliesteen H muodon, korkeuden ja fissioenergian E riippuvuus jakoparametrin Z 2 /А arvosta on esitetty kuvassa. 5.

Spontaani ytimien fissio Z 2 /A:lla< 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 vuotta 232 Th - 21 ms 260 Rf. Pakotettu ydinfissio Z 2 /A:lla < 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.

. fissioenergiaa

235 U:n fissio lämpöneutronien toimesta vapauttaa noin 200 MeV:n energiaa. Näistä ~167 MeV johtuu fragmenttien liike-energiasta. Loput energiasta jakautuu eri hiukkasten kesken, jotka syntyvät fissioprosessissa ja fragmenttien radioaktiivisessa hajoamisessa. Osa fissioenergiasta kulkeutuu pois virittyneiden fragmenttien lähettämillä -kvanteilla välittömästi nopeiden neutronien lähdön jälkeen (ns. hetkelliset fissiosäteilyt) sekä -fragmenttien - hajoamisesta johtuvat -kvantit. Noin 5 % fissioenergiasta kulkeutuu pois antineutriinoista, jotka muodostuvat - - fragmenttien hajoamisen aikana.
Fissioenergia jakautuu seuraavasti

Energian vapautuminen ydinfission aikana. Kuten muissakin ydinreaktioissa, fissiossa vapautuva energia vastaa vuorovaikutuksessa olevien hiukkasten ja lopputuotteiden massojen eroa. Koska uraanissa olevan nukleonin sitoutumisenergia ja fragmenttien yhden nukleonin sitoutumisenergia, uraanin fission aikana energiaa on vapautettava

Siten ytimen fission aikana vapautuu valtavaa energiaa, jonka ylivoimainen osa vapautuu fissiofragmenttien kineettisen energian muodossa.

Fissiotuotteiden massajakelu. Uraaniydin on useimmissa tapauksissa jaettu epäsymmetrisesti. Kahdella ydinfragmentilla on vastaavasti eri nopeus ja eri massat.

Fragmentit jakautuvat kahteen ryhmään niiden massojen mukaan; toinen lähellä kryptonia ja toinen lähellä ksenonia. Fragmenttien massat ovat suhteessa toisiinsa keskimäärin kuten Energian ja liikemäärän säilymisen laeista voidaan päätellä, että fragmenttien kineettisten energioiden tulee olla kääntäen verrannollisia niiden massaan :

Fissiotuotteen tuottokäyrä on symmetrinen pisteen läpi kulkevan pystysuoran linjan suhteen.Maksimien merkittävä leveys kertoo fissiopolkujen monimuotoisuudesta.

Riisi. 82. Uraanin fissiotuotteiden massajakauma

Luetteloidut ominaisuudet viittaavat pääasiassa fissioon termisten neutronien vaikutuksesta; fissiossa neutronien vaikutuksesta, joiden energia on useita tai enemmän, ydin hajoaa kahdeksi massaltaan symmetrisemmäksi fragmentiksi.

Fissiotuotteiden ominaisuudet. Uraaniatomin fission aikana irtoaa hyvin paljon kuorielektroneja ja fissiofragmentit ovat noin -kertaisesti ionisoituneita positiivisia ioneja, jotka kulkiessaan aineen läpi ionisoivat atomit voimakkaasti. Siksi sirpaleiden reitit ilmassa ovat pieniä ja lähes 2 cm.

On helppo todeta, että fission aikana muodostuneiden fragmenttien on oltava radioaktiivisia, alttiita emittoimaan neutroneja. Itse asiassa stabiilien ytimien tapauksessa neutronien ja protonien lukumäärän suhde vaihtelee A:sta riippuen seuraavasti:

(katso skannaus)

Fission tuottamat ytimet sijaitsevat taulukon keskellä ja sisältävät siksi enemmän neutroneja kuin niiden stabiilisuuden kannalta on hyväksyttävää. Ne voidaan vapauttaa ylimääräisistä neutroneista sekä hajoamalla että suoraan emittoimalla neutroneja.

viivästyneitä neutroneja. Yhdessä mahdollisista fission muunnelmista muodostuu radioaktiivista bromia. Kuvassa Kuvassa 83 on kaavio sen hajoamisesta, jonka lopussa on stabiileja isotooppeja

Tämän ketjun mielenkiintoinen piirre on, että krypton voi vapautua ylimääräisestä neutronista joko -hajoamisen seurauksena tai jos se on muodostunut virittyneessä tilassa neutronin suoran emission vuoksi. Nämä neutronit ilmestyvät 56 sekuntia fission jälkeen (elinikä on suhteessa siirtymiseen virittyneeseen tilaan, vaikka se itse emittoi neutroneja lähes välittömästi.

Riisi. 83. Kaavio virittyneessä tilassa syntyneen radioaktiivisen bromin hajoamisesta uraanin fission aikana

Niitä kutsutaan viivästyneiksi neutroneiksi. Ajan myötä viivästyneiden neutronien intensiteetti pienenee eksponentiaalisesti, kuten normaalissa radioaktiivisessa hajoamisessa.

Näiden neutronien energia on yhtä suuri kuin ytimen viritysenergia. Vaikka ne muodostavat vain 0,75 % kaikista fissiossa vapautuvista neutroneista, viivästetyillä neutroneilla on tärkeä rooli ketjureaktion toteuttamisessa.

Pikaneutronit. Yli 99 % neutroneista vapautuu erittäin lyhyessä ajassa; niitä kutsutaan pikaneutroneiksi.

Fissioprosessia tutkittaessa herää perustavanlaatuinen kysymys, kuinka monta neutronia syntyy yhdessä fissiotapahtumassa; tämä kysymys on tärkeä, koska jos niiden lukumäärä on keskimäärin suuri, niitä voidaan käyttää myöhempien ytimien jakamiseen, eli on mahdollista luoda ketjureaktio. Tämän asian ratkaisusta vuosina 1939-1940. työskenteli lähes kaikissa maailman suurimmissa ydinlaboratorioissa.

Riisi. 84. Uraani-235:n fissiosta saatujen neutronien energiaspektri

Fissioenergian jakautuminen. Fragmenttien energian ja muiden fissiotuotteiden kuljettaman energian suora mittaus antoi seuraavan likimääräisen energiajakauman

Vuonna 1934 E. Fermi päätti hankkia transuraanialkuaineita säteilyttämällä 238 U neutroneilla. E. Fermin ajatus oli, että isotoopin 239 U β - hajoamisen seurauksena muodostuu kemiallinen alkuaine, jonka sarjanumero on Z = 93. Alkuaineen 93 muodostumista ei kuitenkaan voitu tunnistaa. Sen sijaan O. Hahnin ja F. Strassmannin suorittaman radioaktiivisten alkuaineiden radiokemiallisen analyysin tuloksena osoitettiin, että yksi uraanin neutroneilla säteilytyksen tuotteista on barium (Z = 56) - kemiallinen alkuaine, jonka atomipaino on keskimääräinen. , kun taas Fermin teorian oletuksen mukaan transuraanialkuaineita olisi pitänyt saada.
L. Meitner ja O. Frisch ehdottivat, että neutronin sieppauksen seurauksena uraaniydin yhdisteydin hajoaa kahteen osaan

92 U + n → 56 Ba + 36 Kr + xn.

Uraanin fissioprosessiin liittyy sekundääristen neutronien ilmaantumista (x > 1), jotka voivat aiheuttaa muiden uraaniytimien fissiota, mikä avaa mahdollisuuden fissioketjureaktion tapahtumiseen - yksi neutroni voi synnyttää haaraketjun uraaniytimien fissio. Tässä tapauksessa erotettujen ytimien lukumäärän pitäisi kasvaa eksponentiaalisesti. N. Bohr ja J. Wheeler laskivat kriittisen energian, joka tarvitaan 236 U:n ytimen, joka muodostui 235 U:n isotoopin vangitseman neutronin halkeamisen seurauksena. Tämä arvo on 6,2 MeV, mikä on pienempi kuin lämpöneutronin 235 U sieppauksen yhteydessä muodostuneen 236 U:n isotoopin viritysenergia. Siksi, kun lämpöneutroneja siepataan, 235 U:n fissioketjureaktio on mahdollinen. yhteinen isotooppi 238 U, kriittinen energia on 5,9 MeV, kun taas lämpöneutroni siepattaessa tuloksena olevan 239 U:n ytimen viritysenergia on vain 5,2 MeV. Siksi luonnossa yleisimmän isotoopin 238 U fission ketjureaktio termisten neutronien vaikutuksesta on mahdotonta. Yhdessä fissiotapahtumassa vapautuu energiaa ≈ 200 MeV (vertailun vuoksi, kemiallisissa palamisreaktioissa vapautuu energiaa ≈ 10 eV yhdessä reaktiotapahtumassa). Mahdollisuus luoda olosuhteet fissioketjureaktiolle avasi mahdollisuuksia käyttää ketjureaktion energiaa atomireaktorien ja atomiaseiden luomiseen. Ensimmäisen ydinreaktorin rakensi E. Fermi USA:ssa vuonna 1942. Neuvostoliitossa ensimmäinen ydinreaktori käynnistettiin I. Kurchatovin johdolla vuonna 1946. Vuonna 1954 maailman ensimmäinen ydinvoimala aloitti toimintansa Obninskissa. Tällä hetkellä sähköä tuotetaan noin 440 ydinreaktorissa 30 maassa ympäri maailmaa.
Vuonna 1940 G. Flerov ja K. Petrzhak löysivät uraanin spontaanin fission. Seuraavat luvut osoittavat kokeen monimutkaisuuden. Isotoopin 238 U osittainen puoliintumisaika spontaanin fission suhteen on 10 16 – 10 17 vuotta, kun taas 238 U isotoopin hajoamisaika on 4,5∙10 9 vuotta. 238 U:n isotoopin tärkein hajoamiskanava on α-hajoaminen. 238 U-isotoopin spontaanin fission havaitsemiseksi oli tarpeen rekisteröidä yksi fissiotapahtuma 10 7 –10 8 α-hajoamistapahtuman taustaa vasten.
Spontaanin fission todennäköisyys määräytyy pääasiassa fissioesteen läpäisevyyden mukaan. Spontaanin fission todennäköisyys kasvaa ytimen varauksen kasvaessa, koska. tämä kasvattaa jakoparametria Z 2 /A. Z-isotoopeissa< 92-95 деление происходит преимущественно с образованием двух осколков деления с отношением масс тяжёлого и лёгкого осколков 3:2. В изотопах Z >100, symmetrinen fissio vallitsee, kun muodostuu saman massaisia ​​fragmentteja. Kun ytimen varaus kasvaa, spontaanin fission osuus kasvaa verrattuna α-hajoamiseen.

Ydinfissio. Tarina

1934- E. Fermi, säteilyttämällä uraania lämpöneutroneilla, löysi reaktiotuotteista radioaktiivisia ytimiä, joiden luonnetta ei voitu selvittää.
L. Szilard esitti idean ydinketjureaktiosta.

1939− O. Hahn ja F. Strassmann löysivät bariumin reaktiotuotteista.
L. Meitner ja O. Frisch ilmoittivat ensimmäistä kertaa, että neutronien vaikutuksesta uraani fissoitui kahdeksi massaltaan vertailukelpoiseksi fragmentiksi.
N. Bohr ja J. Wheeler antoivat kvantitatiivisen tulkinnan ydinfissiosta ottamalla käyttöön fissioparametrin.
Ya. Frenkel kehitti pudotusteorian hitaiden neutronien aiheuttamasta ydinfissiosta.
L. Szilard, E. Wigner, E. Fermi, J. Wheeler, F. Joliot-Curie, Ya. Zeldovich, Yu. Khariton perustelivat mahdollisuutta ydinfissioketjureaktion tapahtumisesta uraanissa.

1940− G. Flerov ja K. Petrzhak löysivät U-uraaniytimien spontaanin fission ilmiön.

1942− E. Fermi suoritti hallitun fissioketjureaktion ensimmäisessä atomireaktorissa.

1945− Ensimmäinen ydinaseiden testi (Nevada, USA). Atomipommeja pudotettiin Japanin kaupunkeihin Hiroshimaan (6. elokuuta) ja Nagasakiin (9. elokuuta).

1946− I.V.:n johdolla. Kurchatov, ensimmäinen reaktori Euroopassa käynnistettiin.

1954− Maailman ensimmäinen ydinvoimala käynnistettiin (Obninsk, Neuvostoliitto).

Ydinfissio.Vuodesta 1934 lähtien E. Fermi alkoi käyttää neutroneja atomien pommitukseen. Siitä lähtien keinotekoisella muunnolla saatujen stabiilien tai radioaktiivisten ytimien määrä on kasvanut useisiin satoihin, ja lähes kaikki jaksollisen järjestelmän paikat ovat täyttyneet isotoopeilla.
Kaikissa näissä ydinreaktioissa syntyneet atomit olivat jaksollisessa taulukossa samassa paikassa kuin pommitettu atomi tai naapuripaikat. Siksi Hahnin ja Strassmannin vuonna 1938 esittämä todiste siitä tosiasiasta, että kun neutronit pommittavat jaksollisen järjestelmän viimeistä elementtiä−uraani−hajoaa elementeiksi, jotka ovat jaksollisen järjestelmän keskiosissa. Täällä on erilaisia ​​hajoamistyyppejä. Syntyvät atomit ovat enimmäkseen epävakaita ja hajoavat välittömästi edelleen; joidenkin puoliintumisajat mitataan sekunneissa, joten Hahnin piti käyttää analyyttistä Curie-menetelmää pidentääkseen näin nopeaa prosessia. On tärkeää huomata, että uraanin, protaktiinin ja toriumin edessä olevat alkuaineet myös osoittavat samanlaista hajoamista neutronien vaikutuksesta, vaikka hajoamisen alkamiseen tarvitaan suurempaa neutronienergiaa kuin uraanin tapauksessa. Tämän lisäksi G. N. Flerov ja K. A. Petrzhak löysivät vuonna 1940 uraanin ytimen spontaanin fission, jolla oli pisin siihen asti tunnettu puoliintumisaika: noin 2· 10 15 vuotta; tämä tosiasia tulee selväksi prosessissa vapautuvien neutronien ansiosta. Joten oli mahdollista ymmärtää, miksi "luonnollinen" jaksollinen järjestelmä päättyy kolmeen nimettyyn elementtiin. Transuraanialkuaineet ovat nyt tunnettuja, mutta ne ovat niin epävakaita, että ne hajoavat nopeasti.
Uraanin fissio neutronien avulla mahdollistaa nyt atomienergian käytön, jonka monet ovat jo kuvitelleet "Jules Vernen unelmaksi".

M. Laue, History of Physics

1939 O. Hahn ja F. Strassmann, säteilyttäneet uraanisuoloja lämpöneutroneilla, löydettiin reaktiotuotteista barium (Z = 56)

Ydinfissio on ytimen halkeilu kahdeksi (harvemmin kolmeksi) ytimeksi, joilla on samanlainen massa, joita kutsutaan fissiofragmenteiksi. Fission aikana syntyy myös muita hiukkasia - neutroneja, elektroneja, α-hiukkasia. Fission seurauksena vapautuu ~200 MeV energiaa. Fissio voi olla spontaania tai pakotettua muiden hiukkasten, useimmiten neutronien, vaikutuksesta.
Fissiolle on ominaista se, että fissiofragmentit eroavat pääsääntöisesti massaltaan merkittävästi, eli epäsymmetrinen fissio on vallitseva. Siten uraani-isotoopin 236 U todennäköisimmän fission tapauksessa fragmentin massasuhde on 1,46. Raskaan fragmentin massaluku on 139 (ksenoni) ja kevyen fragmentin massaluku on 95 (strontium). Kun otetaan huomioon kahden nopean neutronin emissio, tarkasteltavalla fissioreaktiolla on muoto

Nobelin kemian palkinto
1944 - O. Gan.
Uraaniytimien fissioreaktion löytämiseksi neutronien avulla.

Fission Sirpaleet

Kevyiden ja raskaiden fragmenttiryhmien keskimääräisten massojen riippuvuus fissioituvan ytimen massasta.

Ydinfission löytö. 1939

Tulin Ruotsiin, missä Lise Meitner kärsi yksinäisyydestä, ja omistautuneena veljenpoikana päätin käydä hänen luonaan jouluna. Hän asui pienessä hotellissa Kungälv lähellä Göteborgia. Sain hänet kiinni aamiaisella. Hän mietti kirjettä, jonka hän oli juuri saanut Hanilta. Olin hyvin skeptinen kirjeen sisällöstä, jossa kerrottiin bariumin muodostumisesta säteilyttämällä uraania neutroneilla. Häntä kuitenkin houkutteli tämä mahdollisuus. Kävelimme lumessa, hän käveli, minä hiihdin (hän ​​sanoi voivansa tehdä näin jäämättä jälkeeni, ja hän todisti sen). Kävelyn lopussa pystyimme jo tekemään joitain johtopäätöksiä; ydin ei halkeutunut, eikä siitä lentänyt palasia, mutta se oli prosessi, joka muistutti pikemminkin Bohrin ytimen pudotusmallia; kuin pisara, ydin voisi pidentyä ja jakautua. Sitten tutkin, kuinka nukleonien sähkövaraus vähentää pintajännitystä, joka, kuten pystyin toteamaan, putoaa nollaan Z = 100:ssa ja mahdollisesti hyvin alhaiseksi uraanin kohdalla. Lise Meitner oli mukana määrittämässä energiaa, joka vapautuu kunkin hajoamisen aikana massavian vuoksi. Hänellä oli erittäin selkeä käsitys massavikakäyrästä. Kävi ilmi, että sähköstaattisen hylkimisen vuoksi fissioelementit saisivat noin 200 MeV energiaa, ja tämä vastasi juuri massavirheeseen liittyvää energiaa. Siksi prosessi voisi edetä puhtaasti klassisesti ilman ajatusta mahdollisen esteen läpi kulkemisesta, mikä tietysti osoittautuisi tässä hyödyttömäksi.
Vietimme kaksi tai kolme päivää yhdessä jouluna. Sitten palasin Kööpenhaminaan ja tuskin ehdin kertoa Bohrille ideastamme juuri sillä hetkellä, kun hän oli jo noussut höyrylaivaan Yhdysvaltoihin. Muistan, kuinka hän löi otsaansa heti, kun aloin puhua ja huudahti: "Voi, mitä tyhmiä me olimme! Meidän olisi pitänyt huomata tämä aikaisemmin." Mutta hän ei huomannut, eikä kukaan huomannut.
Lise Meitner ja minä kirjoitimme artikkelin. Samanaikaisesti pidimme jatkuvasti yhteyttä kaukopuhelimella Kööpenhamina - Tukholma.

O. Frisch, Muistelmat. UFN. 1968. T. 96, numero 4, s. 697.

Spontaani ydinfissio

Alla kuvatuissa kokeissa käytimme Frischin ensin ehdottamaa menetelmää ydinfissioprosessien tallentamiseen. Uraanioksidikerroksella päällystetyillä levyillä varustettu ionisaatiokammio on kytketty lineaarivahvistimeen, joka on viritetty siten, että uraanista lähteviä α-hiukkasia ei rekisteröidä järjestelmässä; fragmenteista tulevat impulssit, jotka ovat paljon suurempia kuin α-hiukkasten impulssit, vapauttavat ulostulotyratronin ja niitä pidetään mekaanisena releenä.
Ionisointikammio suunniteltiin erityisesti monikerroksisen litteän kondensaattorin muodossa, jonka kokonaispinta-ala on 15 levyä 1000 cm. 2 .
Aivan ensimmäisissä kokeissa vahvistimella, joka oli viritetty laskemaan fragmentteja, oli mahdollista havaita spontaaneja (neutronilähteen puuttuessa) pulsseja releellä ja oskilloskoopilla. Näiden impulssien määrä oli pieni (6 per 1 tunti), ja siksi on täysin ymmärrettävää, että tätä ilmiötä ei voitu havaita tavallisen tyyppisillä kameroilla ...
Meillä on tapana ajatella niin havaitsemamme vaikutuksen on katsottava johtuvan uraanin spontaanista fissiosta syntyneistä paloista...

Spontaani fissio pitäisi katsoa yhdestä virittymättömästä U-isotoopista, jonka puoliintumisajat on saatu tulosten arvioinnista:

U 238 – 10 16 ~ 10 17 vuotta,
U 235 – 10 14 ~ 10 15 vuotta,
U 234 – 10 12 ~ 10 13 vuotta.

Isotooppien hajoaminen 238 U

Spontaani ydinfissio

Spontaanisti halkeavien isotooppien puoliintumisajat Z = 92-100

Ensimmäinen kokeellinen järjestelmä uraani-grafiittihilalla rakennettiin vuonna 1941 E. Fermin johdolla. Se oli grafiittikuutio, jossa oli 2,5 m pitkä ripa ja joka sisälsi noin 7 tonnia uraanioksidia, suljettuna rautaastioihin, jotka asetettiin kuutioon yhtä etäisyydelle toisistaan. RaBe-neutronilähde sijoitettiin uraani-grafiittihilan pohjalle. Kertokerroin tällaisessa järjestelmässä oli ≈0,7. Uraanioksidi sisälsi 2-5 % epäpuhtauksia. Jatkotoimia suunnattiin puhtaampien materiaalien saamiseen, ja toukokuuhun 1942 mennessä saatiin uraanioksidia, jonka epäpuhtaudet olivat alle 1 %. Fissioketjureaktion varmistamiseksi oli tarpeen käyttää suuri määrä grafiittia ja uraania - useiden tonnin luokkaa. Epäpuhtauksien oli määrä olla alle muutaman miljoonasosan. Reaktori, jonka Fermi kokosi vuoden 1942 loppuun mennessä Chicagon yliopistossa, oli ylhäältä leikatun epätäydellisen pallon muotoinen. Se sisälsi 40 tonnia uraania ja 385 tonnia grafiittia. Illalla 2. joulukuuta 1942, sen jälkeen kun neutronin absorboijan sauvat oli poistettu, havaittiin, että reaktorin sisällä oli meneillään ydinketjureaktio. Mitattu kerroin oli 1,0006. Aluksi reaktori toimi 0,5 W tehotasolla. Joulukuun 12. päivään mennessä sen teho nostettiin 200 wattiin. Myöhemmin reaktori siirrettiin turvallisempaan paikkaan ja sen teho nostettiin useisiin kW:iin. Tässä tapauksessa reaktori kulutti 0,002 g uraani-235:tä päivässä.

Ensimmäinen ydinreaktori Neuvostoliitossa

Neuvostoliiton ensimmäisen F-1-tutkimusydinreaktorin rakennus oli valmis kesäkuuhun 1946 mennessä.
Kun kaikki tarvittavat kokeet oli suoritettu, reaktorin ohjaus- ja suojajärjestelmä kehitettiin, reaktorin mitat määritettiin, kaikki tarvittavat kokeet suoritettiin reaktorimalleilla, neutronien tiheys määritettiin useissa malleissa, saatiin grafiittilohkoja. (ns. ydinpuhtaus) ja (neutronifysikaalisten tarkastusten jälkeen) uraanilohkot aloittivat marraskuussa 1946 F-1-reaktorin rakentamisen.
Reaktorin kokonaissäde oli 3,8 m. Se vaati 400 tonnia grafiittia ja 45 tonnia uraania. Reaktori koottiin kerroksittain, ja 25. joulukuuta 1946 kello 15.00 koottiin viimeinen, 62. kerros. Ns. hätäsauvojen poistamisen jälkeen säätösauva nostettiin, neutronitiheys alkoi laskea, ja 25. joulukuuta 1946 kello 18.00 Neuvostoliiton ensimmäinen reaktori heräsi henkiin ja alkoi toimia. Se oli jännittävä voitto tutkijoille - ydinreaktorin luojille ja koko Neuvostoliiton kansalle. Puolitoista vuotta myöhemmin, 10. kesäkuuta 1948, teollisuusreaktori, jossa oli vettä kanavissa, saavutti kriittisen tilan ja aloitti pian uudentyyppisen ydinpolttoaineen - plutoniumin - teollisen tuotannon.

Fission aikana vapautuva energia E kasvaa Z 2 /A:n kasvaessa. Z 2 /A = 17 arvo 89 Y:lle (yttrium). Nuo. fissio on energeettisesti suotuisa kaikille yttriumia raskaammille ytimille. Miksi useimmat ytimet ovat kestäviä spontaanille fissiolle? Tähän kysymykseen vastaamiseksi on tarpeen tarkastella jakomekanismia.

Fission aikana ytimen muoto muuttuu. Ydin kulkee peräkkäin seuraavien vaiheiden läpi (kuva 7.1): pallo, ellipsoidi, käsipaino, kaksi päärynänmuotoista fragmenttia, kaksi pallomaista fragmenttia. Miten ytimen potentiaalienergia muuttuu fission eri vaiheissa?
Alkuydin suurennuksella r on muodoltaan yhä pitempi vallankumousellipsoidi. Tässä tapauksessa ytimen muodon evoluutiosta johtuen sen potentiaalienergian muutos määräytyy pinta- ja Coulombin energioiden E p + E k summan muutoksesta. Tällöin pintaenergia kasvaa, koska ytimen pinta-ala kasvaa. Coulombin energia pienenee, kun protonien keskimääräinen etäisyys kasvaa. Jos pienellä muodonmuutoksella, jolle on tunnusomaista pieni parametri, alkuydin on aksiaalisesti symmetrisen ellipsoidin muodossa, pintaenergia E" p ja Coulombin energia E" k muuttuvat muodonmuutosparametrin funktioina seuraavasti:

Suhteina (7,4–7,5) E n ja E k ovat pallosymmetrisen alkuytimen pinta- ja Coulombin energiat.
Raskaiden ytimien alueella 2E n > Ek ja pinta- ja Coulombin energioiden summa kasvaa kasvaessa . Kohdasta (7.4) ja (7.5) seuraa, että pienillä muodonmuutoksilla pintaenergian kasvu estää ytimen muodon lisämuutoksen ja siten fission.
Relaatio (7.5) pätee pienille kannoille . Jos muodonmuutos on niin suuri, että ydin on käsipainon muotoinen, niin pinta- ja Coulombin voimat pyrkivät erottamaan ytimen ja antamaan fragmenteille pallomaisen muodon. Siten ytimen muodonmuutoksen asteittaisen lisääntymisen myötä sen potentiaalinen energia kulkee maksimin läpi. Ytimen pinta- ja Coulombin energioiden käyrä r:n funktiona on esitetty kuvassa. 7.2.

Potentiaalisen esteen läsnäolo estää hetkellisen spontaanin ydinfission. Jotta ydin halkeaisi, sille on annettava energiaa Q, joka ylittää fissioesteen H korkeuden. Fissioituvan ytimen E + H (esimerkiksi kullan) maksimipotentiaalienergia kahdeksi identtiseksi fragmentiksi on ≈ 173 MeV , ja fission aikana vapautuva energia E on 132 MeV . Siten kultaytimen fission aikana on tarpeen ylittää potentiaalieste, jonka korkeus on noin 40 MeV.
Fissioesteen H korkeus on sitä suurempi, mitä pienempi on Coulombin ja pintaenergian E suhde /E p alkuytimessä. Tämä suhde puolestaan ​​kasvaa jakoparametrin Z 2 /A (7.3) kasvaessa. Mitä raskaampi ydin on, sitä pienempi on fissioesteen H korkeus, koska fissioparametri, olettaen, että Z on verrannollinen A:han, kasvaa massaluvun kasvaessa:

Siksi raskaampiin ytimiin on yleensä syötettävä vähemmän energiaa ydinfission aiheuttamiseksi.
Fissioesteen korkeus häviää kohdassa 2E p – Ec = 0 (7,5). Tässä tapauksessa

2E p / E k \u003d 2 (a 2 A) / (a ​​3 Z 2),

Z 2 /A \u003d 2a 2 / (a ​​3 Z 2) ≈ 49.

Pisaramallin mukaan ytimiä, joiden Z 2 /A > 49, ei siis voi olla luonnossa, koska niiden pitäisi spontaanisti hajota kahdeksi fragmentiksi lähes välittömästi tyypillisessä 10-22 s suuruusluokan ydinajassa. Potentiaaliesteen H muodon ja korkeuden sekä fissioenergian riippuvuudet parametrin Z 2 /A arvosta on esitetty kuvissa 7.3.

Riisi. 7.3. Potentiaaliesteen muodon ja korkeuden säteittäinen riippuvuus sekä fissioenergia E parametrin Z 2 /A eri arvoilla. E p + E k -arvo piirretään pystyakselille.

Spontaani ydinfissio Z 2 /A:n kanssa< 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 vuotta 232 Th - 0,3 s 260 Rf.
Pakotettu ydinfissio Z 2 /A:lla< 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.
Neutronin sieppauksen aikana muodostuneen yhdisteytimen E* viritysenergian minimiarvo on yhtä suuri kuin tässä ytimessä olevan neutronin sitoutumisenergia ε n . Taulukossa 7.1 verrataan esteen korkeutta H ja neutronien sitoutumisenergiaa ε n neutronien sieppauksen jälkeen muodostuneille Th, U, Pu-isotoopeille. Neutronien sitoutumisenergia riippuu ytimessä olevien neutronien lukumäärästä. Parillisen neutronin sitoutumisenergia on parillisen neutronin sitoutumisenergiaa suurempi kuin parittoman neutronin sitoutumisenergia.

Taulukko 7.1

Fissioesteen korkeus H, neutronien sitoutumisenergia ε n

Fissiolle tyypillinen piirre on, että fragmenteilla on pääsääntöisesti eri massat. Todennäköisimmän 235 U:n fission tapauksessa fragmenttien massasuhde on keskimäärin ~1,5. 235 U:n fissiofragmenttien massajakauma lämpöneutronien mukaan on esitetty kuvassa. 7.4 Todennäköisimpään fissioon raskaan fragmentin massaluku on 139, kevyen - 95. Fissiotuotteiden joukossa on fragmentteja, joiden A = 72 - 161 ja Z = 30 - 65. Fission todennäköisyys kahdeksi fragmentiksi yhtä suuri massa ei ole nolla. 235 U:n fissiossa lämpöneutronien vaikutuksesta symmetrisen fission todennäköisyys on noin kolme suuruusluokkaa pienempi kuin todennäköisimmän fission tapauksessa fragmenteiksi, joiden A = 139 ja 95.
Epäsymmetrinen fissio selittyy ytimen kuorirakenteella. Ydin pyrkii halkeamaan siten, että pääosa kunkin fragmentin nukleoneista muodostaa vakaimman maagisen ytimen.
Neutronien lukumäärän suhde protonien lukumäärään 235 U:n ytimessä N/Z = 1,55, kun taas stabiileilla isotoopeilla, joiden massaluku on lähellä fragmenttien massalukua, tämä suhde on 1,25 − 1,45. Tämän seurauksena fissiopalaset osoittautuvat raskaasti ylikuormituiksi neutroneilla, ja niiden on oltava
β - radioaktiivinen. Siksi fissiofragmentit kokevat peräkkäisiä β-hajoamista ja primaarisen fragmentin varaus voi muuttua 4 - 6 yksikköä. Alla on tyypillinen 97 Kr:n radioaktiivisten hajoamisten ketju - yksi 235 U:n fission aikana muodostuneista fragmenteista:

Fragmenttien viritys, joka johtuu stabiileille ytimille ominaisen protonien ja neutronien lukumäärän suhteen rikkomisesta, poistetaan myös nopean fissioneutronien emission vuoksi. Näitä neutroneja emittoivat liikkuvat fragmentit alle ~ 10 -14 sekunnissa. Jokaisessa fissiotapahtumassa vapautuu keskimäärin 2–3 nopeaa neutronia. Niiden energiaspektri on jatkuva, maksimi noin 1 MeV. Pikaneutronin keskimääräinen energia on lähellä 2 MeV. Useamman kuin yhden neutronin emissio jokaisessa fissiotapahtumassa mahdollistaa energian saamisen ydinfissioketjureaktion kautta.
Todennäköisimmässä 235 U:n fissiossa lämpöneutronien vaikutuksesta kevyt fragmentti (A = 95) saa ≈ 100 MeV:n kineettisen energian ja raskas (A = 139) noin 67 MeV. Fragmenttien kokonaiskineettinen energia on siis ≈ 167 MeV. Kokonaisfissioenergia on tässä tapauksessa 200 MeV. Siten jäljelle jäävä energia (33 MeV) jakautuu muiden fissiotuotteiden kesken (β:n neutronit, elektronit ja antineutriinit - fragmenttien hajoaminen, fragmenttien y-säteily ja niiden hajoamistuotteet). Fissioenergian jakautuminen eri tuotteiden välillä lämpöneutronien 235 U:n fission aikana on esitetty taulukossa 7.2.

Taulukko 7.2

Fissioenergian jakautuminen 235 U lämpöneutronit

Ydinfissiotuotteet (NF:t) ovat monimutkainen seos, jossa on yli 200 radioaktiivista isotooppia ja 36 alkuainetta (sinkistä gadoliniumiin). Suurin osa aktiivisuudesta koostuu lyhytikäisistä radionuklideista. Siten 7, 49 ja 343 päivän kuluttua räjähdyksestä PND-laitteiden aktiivisuus vähenee vastaavasti 10, 100 ja 1000 kertaa verrattuna aktiivisuuteen tunnin kuluttua räjähdyksestä. Biologisesti merkittävimpien radionuklidien saannot on esitetty taulukossa 7.3. Radioaktiivista kontaminaatiota aiheuttavat PND:n lisäksi indusoidun aktiivisuuden radionuklidit (3H, 14 C, 28 Al, 24 Na, 56 Mn, 59 Fe, 60 Co jne.) sekä uraanin ja plutoniumin jakamaton osa. Indusoidun toiminnan rooli lämpöydinräjähdyksissä on erityisen suuri.

Taulukko 7.3

Joidenkin fissiotuotteiden vapautuminen ydinräjähdyksessä

Ilmakehässä tapahtuvien ydinräjähdysten aikana merkittävä osa sateesta (maaräjähdyksissä jopa 50 %) putoaa testausalueen lähelle. Osa radioaktiivisista aineista jää ilmakehän alaosaan ja liikkuu tuulen vaikutuksesta pitkiä matkoja pysyen suunnilleen samalla leveysasteella. Radioaktiiviset aineet putoavat tämän liikkeen aikana vähitellen maan pinnalle ollessaan ilmassa noin kuukauden. Suurin osa radionuklideista vapautuu stratosfääriin (10÷15 km:n korkeuteen), missä ne leviävät maailmanlaajuisesti ja hajoavat suurelta osin.
Ydinreaktorien suunnittelun eri elementit ovat olleet aktiivisia vuosikymmeniä (taulukko 7.4)

Taulukko 7.4

Reaktorista kolmen vuoden käytön jälkeen poistettujen polttoaine-elementtien pääfissiotuotteiden ominaisaktiivisuusarvot (Bq/t uraani)

1.8 Ydinfissio

1.8.1. Raskaiden ytimien fissioreaktiot. Ydinfissiomekanismi ja aktivointienergia. Ydinfissiotuotteiden ja fissioenergian koostumus. Alkeinen fissioteoria

Ydinfissio- ydinreaktio, jossa muodostuu kaksi (harvemmin kolme) fragmenttiydintä. Prosessiin liittyy sekundaaristen neutronien, kvanttien emissio ja merkittävän energiamäärän vapautuminen.

Historiallinen viittaus. Vuonna 1938 Saksassa O. Gann ja F. Strassmann osoittivat tarkalla radiokemiallisella analyysillä, että kun uraania säteilytetään neutroneilla, siihen muodostuu alkuaine barium, joka on jaksollisen järjestelmän keskellä. Reaktio näytti tältä

, (Q≈ 200 MeV). (1,82)

Uraani-235-fissiolähtökanavia on yli 30. F. Joliot-Curie yhteistyössä yhteistyökumppaneiden kanssa Ranskassa ja E. Fermi yhteistyökumppaneiden kanssa Italiassa havaitsivat useiden neutronien emission ulostulokanavassa. O. Frisch ja L. Meitner Saksassa panivat merkille fission aikana vapautuneen valtavan energiamäärän. Tämä tarjosi ajatuksen itsestään ylläpitävästä ydinfissioreaktiosta. Vuonna 1940 Venäjältä löydettiin myös spontaani ydinfissio. Nykyaikaisen ydinenergian perustana on uraanin ja plutoniumin ytimien fissio neutronien vaikutuksesta. Ydinaika alkoi vuonna 1938.

Ydinfissio voi tapahtua myös protonien, γ-kvanttien, α-hiukkasten jne. vaikutuksesta. Neutronin aiheuttama virittyneen ytimen pakkofissio ( n, f) kilpailee muiden prosessien kanssa: säteilevällä neutronien sieppauksella ( n, γ ), eli γ-kvantin emissio ja neutronin sironta ytimessä ( n, n).

Ydinfission todennäköisyys määräytyy fission poikkileikkauksen suhteen σ f ytimestä kokonaisneutronien sieppauspoikkileikkaukseen.

Isotoopit , , jaetaan kaikkien energioiden neutroneilla nollasta alkaen. Näiden isotooppien fissiopoikkileikkausten aikana ilmaantuu fissioituvan ytimen energiatasoja vastaavia resonansseja (ks. kuva 1.13).

Ydinfissiomekanismi ja aktivointienergia

Ydinfissioprosessi selitetään homogeenisen varautuneen nestepisaran jakautumisena Coulombin voimien vaikutuksesta (Frenkel Ya. M, Bor N., Wheeler, 1939). Erotaakseen ytimen on hankittava tietty kriittinen energia, jota kutsutaan aktivaatioenergiaksi. Neutronin sieppaamisen jälkeen muodostuu yhdistevirittynyt ydin. Kiihtynyt ydin alkaa värähdellä. Ytimen tilavuus ei muutu (ydinaine on käytännössä kokoonpuristumaton), mutta ytimen pinta kasvaa. Pintaenergia kasvaa, joten pintajännitysvoimat pyrkivät palauttamaan ytimen alkuperäiseen tilaan. Coulombin energian absoluuttinen arvo pienenee johtuen protonien välisen keskimääräisen etäisyyden kasvamisesta. Coulombin voimilla on taipumus rikkoa ydin. Ydin muuttuu pallomaisesta muodosta ellipsoidiseksi, sitten tapahtuu ytimen kvadrupolimuotoinen muodonmuutos, muodostuu supistuminen, ydin muuttuu käsipainoksi, joka rikkoutuu muodostaen kaksi fragmenttia ja "roiskee" - neutroniparin.

Ytimen fissiokyvyn ominaisuus on Coulombin energian suhde pintaenergiaan, joka on otettu ytimen sitoutumisenergian puoliempiirisesta kaavasta.

missä - jaettavissa oleva parametri.

Ytimet, joiden halkeavuusparametri on >17, voivat fissioitua, kriittisellä fissiiteettiparametrilla ()cr = 45 ne fissioituvat välittömästi (ydinten spontaanin fission ehto). Jotta ydin hajoaisi, sen on voitettava energiaeste, jota kutsutaan fissioesteeksi. Pakkofission tapauksessa ydin vastaanottaa tämän energian, kun neutroni siepataan.

Fissiotuotteiden koostumus

Fission Sirpaleet . Ydinfission päätyyppi on fissio kahteen osaan. Fragmentit jaetaan massan mukaan epäsymmetrisesti suhteessa kahdesta kolmeen. Fissiotuotteiden saanto määritellään niiden fissioiden lukumäärän suhteena, jotka tuottavat fragmentin annetulla MUTTA koko divisioonamäärään. Koska jokainen fissio tuottaa kaksi ydintä, kokonaissaanto fissiota kohti kaikilla massaluvuilla on 200 %. Fragmenttien massajakauma ydinfission aikana on esitetty kuvassa. 1.14. Kuvassa on tyypillinen kaksikumpuinen käyrä fission kokonaissaannon jakautumiselle termisten neutronien mukaan. Fragmenttien momentti on sama ja vastakkainen etumerkillä. Fragmenttien nopeudet saavuttavat ~107 m/s.

Kuva 1.14. Uraani-235:n ja plutonium-239:n fissiotuotteiden saannon riippuvuus termisten neutronien vaikutuksesta massaluvusta MUTTA.

fissioneutroneja . Alkuperäisen ytimen fragmentit ovat muodostumishetkellä voimakkaasti epämuodostuneita. Muodonmuutosten ylimääräinen potentiaalienergia muuttuu fragmenttien viritysenergiaksi. Fissiofragmenteilla on suuri varaus ja ne ovat rikastuneet neutroneilla, kuten alkuperäinen ydin. Ne siirtyvät vakaisiin ytimiin ja heittävät ulos sekundäärisiä neutroneja ja γ-kvantteja. Fragmenttiytimien viritys poistetaan neutronien "haihduttamalla".

Pikafissioneutronit ovat neutroneja, jotka säteilevät viritetyistä fragmenteista alle 4 10-14 sekunnissa. Ne haihtuvat fragmenteista isotrooppisesti.

AT laboratorion koordinaattijärjestelmä(l.s.c.) fissioneutronien energiaspektri kuvataan hyvin Maxwellin jakaumalla

missä E on neutronien energia l. s.k..gif" width="63 height=46" height="46"> – keskimääräinen spektrin energia.

Määrä v toissijaiset neutronit yhtä lämpöneutronien fissiotapahtumaa kohti on uraani-235:lle v= 2,43, plutonium-239 v= 2,89. (esimerkiksi 289 toissijaista neutronia tuotetaan samanaikaisesti 100 fissiotapahtumaa varten).

γ-kvanttien emissio . Neutronien "haihtumisen" jälkeen fragmenteista niillä on edelleen viritysenergiaa, jonka nopeat γ-kvantit kuljettavat pois. γ-kvanttien emissioprosessi tapahtuu ~ 10-14 sekunnissa neutronien emission jälkeen. Kokonaistehollinen säteilyenergia jakoa kohden E yhteensä = 7,5 MeV..gif" width="67" height="28 src="> MeV. Keskimääräinen γ-kvanttien lukumäärä jakoa kohti.

viivästyneitä neutroneja – neutronit, jotka ilmaantuvat alkuperäisten ytimien fission jälkeen (10-2 sekunnista 102 sekuntiin). Viivästyneiden neutronien lukumäärä< 1% от полного количества нейтронов деления. Механизм испускания связан с β - tyyppiä olevien fissiofragmenttien hajoaminen , , joiden energia β -hajoaa enemmän kuin neutronin sitoutumisenergia. Tässä tapauksessa on kielto β -siirtymä perustilaan ja alhainen neutronien erotusenergia. Ytimen viritysenergia on suurempi kuin neutronin sitoutumisenergia. Neutroni lentää ulos välittömästi sen jälkeen, kun fragmenttiytimestä on muodostunut virittynyt ydin. β - rappeutuminen. Ajan myötä tämä tapahtuu kuitenkin vasta fragmenttiytimen puoliintumisajan jälkeen.

Energian jakautuminen raskaan ytimen fissioaktiota kohden lämpöneutronien avulla on esitetty taulukossa. 1.4

Ydinfissiotuotteiden energia Taulukko 1.4

Lämpöfissioenergia

QT = T osk l + T osc t + En+ Еγ m + Еβ + Еγ jne + Еγ = 204 MeV.

Antineutrinon kuljettama energia ei vapaudu lämpöenergian muodossa, joten noin 200 MeV putoaa 1 ytimen fissioaktioon termisen neutronin toimesta. 1 W:n lämpöteholla tapahtuu 3.1.1010 jakoa/s. Kemiallisissa reaktioissa yhden atomin energia on ~ 1 eV.

Alkeinen fissioteoria

Oletetaan, että https://pandia.ru/text/78/550/images/image028_18.gif" width="31" height="27 src="> jakamisen aikana massaluku säilyy MUTTA ja veloittaa Z. Tämä tarkoittaa, että otamme huomioon vain sirpaleet:

A 1+ A 2 = A , Z 1+ Z 2 = Z,

ydin on jaettu suhteessa 2:3:

A 1 / A 2 = Z 1 / Z 2=2/3.

Reaktioenergia on yhtä suuri kuin fragmenttien energia K = T okei

K = c2 [M – (M1 + M2 ) ],

K= Esv1+ Esv2– ESt., (1.85)

missä ESt. on ytimen kokonaissitoutumisenergia suhteessa kaikkiin sen nukleoneihin

samoin E sv1, Esv2 ovat ensimmäisen ja toisen fragmentin sitoutumisenergiat.

Korvaa (1.86) ja molemmat kaavat E sv1, E s2 in (1.85) ja jättää huomiotta viimeinen termi, saamme

Olettaen (1.15) = 17.23 MeV, https://pandia.ru/text/78/550/images/image026_22.gif" width="31" height="20"> saamme fragmenttien kineettisen energian Tock ≈ 178 MeV , mikä ylittää taulukon arvon vain 10 MeV.

1.8.2. Uraaniytimien fission ketjureaktiot. Kaava lisääntymiselle ketjureaktiossa. lisääntymisnopeudet. Neljän tekijän kaava

Ydinfissioketjureaktiot neutronien aiheuttamat raskaat ytimet ovat ydinreaktioita, joissa neutronien lukumäärä kasvaa ja tapahtuu itseään ylläpitävä aineen fissioprosessi. Kemialliset ja ydinhaaroittuneet ketjureaktiot ovat aina eksotermisiä. Fissioketjureaktio on mahdollista käytännössä kolmella isotoopilla ja se on mahdollista vain siksi, että ytimen fission aikana primäärineutronin toimesta ulostulokanavassa lentää enemmän kuin kaksi toissijaista neutronia.

kerroin Vastaanottaja- ydinketjureaktion kehittymisen pääominaisuus.

missä Ni on syntyneiden neutronien lukumäärä i-sukupolvi, Ni–1 on vuonna ( i–1)-sukupolvi.

Ydinketjureaktioiden teoria luotiin myös vuonna 1939 analogisesti kemiallisten ketjureaktioiden teorian (1934) kanssa. Itseään ylläpitävä ydinketjureaktio on mahdollinen, kun K>1 – ylikriittinen reaktio, K=1 – kriittinen reaktio. Jos K<1 – реакция подкритическая, она затухает.

Kaava neutronien lisääntymiselle ketjureaktiossa

Jos reaktion alussa on n neutroneja, niin yhden sukupolven aikana niiden lukumäärä tulee

eli..gif" width="108" height="48">,

missä τ on yhden sukupolven neutronien keskimääräinen elinikä

Jos erotamme muuttujat ja integroimme, saamme

käyttämällä kaavaa, saamme lopulta, että neutronien lukumäärä kasvaa ajan myötä t eksponentiaalisesti positiivisella eksponentilla

https://pandia.ru/text/78/550/images/image027_18.gif" width="37" height="23"> hitaat neutronit ja nopeiden neutronien aiheuttama ydinfissio.

lisääntymisnopeudet. Neljän tekijän kaava

Olkoon uraani + hidastinjärjestelmällä äärettömät mitat. Oletetaan, että neutronien sukupolven syntyhetkellä n lämpöneutroneja, joista jokainen muodostaa https://pandia.ru/text/78/550/images/image058_8.gif" width="126" height="37">, (1.91)

missä σU on uraanin hidastuneiden termisten neutronien absorptiopoikkileikkaus,

σ3 on hidastimen hitaiden lämpöneutronien absorptiopoikkileikkaus,

ρU on uraaniytimien pitoisuus, ρ3 on hidastimen ytimien pitoisuus.

Siten ydinpolttoaineen sieppaamien lämpöneutronien määrä on ( nηεрf). Neutronien kerroin äärettömässä väliaineessa(neljän tekijän kaava)

Neutronien kerroin lopullisessa väliaineessa

Kef=, (1.93)

missä - kokonaistodennäköisyys, että neutroni pakenee sydämen vuodosta.

Se riittää, että kiinteä ydinketjureaktio tapahtuu lopullisessa järjestelmässä Kef=1. Tämä vastaa kriittinen(pienin reaktiolle) aktiivisen alueen koko. (Puhdalle uraanille tämä on pallo, jonka säde on 8,5 cm ja massa 47 kg)..gif" width="25 height=23" height="23">>1.

Ensimmäisen hallitun ydinketjureaktion suoritti E. Fermi Chicagossa vuonna 1942. Ydinreaktorissa oli η = 1,35, ε ≈ 1,03, ε pf≈ 0,8, = 1,08, varten Vastaanottaja eff tarvitsi θ0,93, joka vastaa kokoa 5÷10 m. Moskovaan vuonna 1946 rakennetulla ydinreaktorilla oli samanlaiset parametrit.