Branduolio dalijimasis yra sunkaus atomo padalijimas į du maždaug fragmentus vienoda masė, lydimas didelio energijos kiekio išsiskyrimo.

Atidarymas branduolio dalijimasis naujos eros pradžia - " atominis amžius“ Galimo jo panaudojimo potencialas ir naudojimo rizikos ir naudos santykis ne tik lėmė daugybę sociologinių, politinių, ekonominių ir mokslo pasiekimai, bet ir rimtų problemų. Net ir su švaria mokslinis taškas peržiūrėti sukurtą branduolio dalijimosi procesą didelis skaičius galvosūkių ir komplikacijų, o išsamus teorinis jo paaiškinimas yra ateities reikalas.

Dalintis yra pelninga

Įvairių branduolių surišimo energija (vienam nukleonui) skiriasi. Sunkesni turi mažesnę surišimo energiją nei esantys periodinės lentelės viduryje.

Tai reiškia, kad sunkieji branduoliai, turintys atominis skaičius daugiau nei 100, pravartu padalyti į du mažesnius fragmentus, taip išlaisvinant energiją, kuri virsta kinetine fragmentų energija. Šis procesas vadinamas padalijimu

Pagal stabilumo kreivę, kuri rodo protonų skaičiaus priklausomybę nuo neutronų skaičiaus stabiliems nuklidams, pirmenybė teikiama sunkesniems branduoliams didesnis skaičius neutronų (palyginti su protonų skaičiumi) nei lengvesni. Tai rodo, kad kai kurie „atsarginiai“ neutronai bus išmesti kartu su dalijimosi procesu. Be to, jie taip pat sugers dalį išsiskiriančios energijos. Urano atomo branduolio dalijimosi tyrimas parodė, kad išsiskiria 3-4 neutronai: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

Fragmento atominis skaičius (ir atominė masė) nėra lygus pusei atominė masė tėvas. Skirtumas tarp atomų masių, susidariusių dėl skilimo, paprastai yra apie 50. Tačiau to priežastis dar nėra iki galo aiški.

238 U, 145 La ir 90 Br surišimo energija yra atitinkamai 1803, 1198 ir 763 MeV. Tai reiškia, kad dėl šios reakcijos išsiskiria urano branduolio dalijimosi energija, lygi 1198 + 763-1803 = 158 MeV.

Savaiminis skilimas

Savaiminio dalijimosi procesai gamtoje žinomi, tačiau jie labai reti. Vidutinė šio proceso trukmė yra apie 10 17 metų, o, pavyzdžiui, vidutinė to paties radionuklido alfa skilimo trukmė yra apie 10 11 metų.

Taip yra todėl, kad norint suskilti į dvi dalis, šerdis pirmiausia turi deformuotis (ištempti) į elipsoidinę formą, o paskui, kol galiausiai suskilti į dvi dalis, viduryje suformuoti „kaklelį“.

Potencialus barjeras

Deformuotoje būsenoje šerdį veikia dvi jėgos. Vienas iš jų – padidėjusi paviršiaus energija ( paviršiaus įtempimas skysčio lašai paaiškina jo sferinę formą), o kitas yra Kulono atstūmimas tarp dalijimosi fragmentų. Kartu jie sukuria potencialų barjerą.

Kaip ir alfa skilimo atveju, kad įvyktų savaiminis urano atomo branduolio skilimas, fragmentai turi įveikti šį barjerą padedami kvantinis tuneliavimas. Barjeros dydis yra apie 6 MeV, kaip ir alfa skilimo atveju, tačiau alfa dalelių tunelio atsiradimo tikimybė yra daug didesnė nei daug sunkesnio atomo dalijimosi produkto.

Priverstinis padalijimas

Daug labiau tikėtinas sukeltas urano branduolio dalijimasis. Šiuo atveju motininis branduolys yra apšvitinamas neutronais. Jei tėvai jį sugeria, tada jie susijungia, išskirdami ryšio energiją formoje vibracinė energija, kuri gali viršyti 6 MeV, reikalingą potencialo barjerui įveikti.

Kai papildomo neutrono energijos nepakanka potencialo barjerui įveikti, krintančio neutrono kinetinė energija turi būti minimali, kad galėtų sukelti atomo dalijimąsi. 238 U atveju papildomų neutronų surišimo energijos trūksta apie 1 MeV. Tai reiškia, kad urano branduolio skilimą sukelia tik neutronas, kurio kinetinė energija didesnė nei 1 MeV. Kita vertus, 235 U izotopas turi vieną nesuporuotą neutroną. Kai branduolys sugeria papildomą, jis su juo susiporuoja, ir dėl šio poravimo gaunama papildoma rišimo energija. To pakanka, kad išsiskirtų energijos kiekis, reikalingas branduoliui įveikti potencialų barjerą, o izotopų skilimas įvyksta susidūrus su bet kuriuo neutronu.

Beta skilimas

Nors dalijimosi reakcija sukuria tris ar keturis neutronus, fragmentuose vis tiek yra daugiau neutronų nei jų stabilūs izobarai. Tai reiškia, kad skilimo fragmentai linkę būti nestabilūs beta skilimui.

Pavyzdžiui, kai įvyksta urano branduolio 238 U dalijimasis, stabilus izobaras, kurio A = 145 yra neodimio 145 Nd, o tai reiškia, kad lantano 145 La fragmentas skyla trimis etapais, kiekvieną kartą išskirdamas elektroną ir antineutriną, kol susidaro stabilus nuklidas. Stabilus izobaras, kurio A = 90, yra cirkonis 90 Zr, todėl bromo 90 Br skilimo fragmentas skyla penkiose β-skilimo grandinės stadijose.

Šios β skilimo grandinės išskiria papildomos energijos, kurią beveik visa nuneša elektronai ir antineutrinai.

Branduolinės reakcijos: urano branduolių dalijimasis

Tiesioginė neutronų emisija iš nuklido, kuriame yra per daug neutronų, kad būtų užtikrintas branduolio stabilumas, mažai tikėtina. Esmė ta, kad Kulono atstūmimo nėra, todėl paviršiaus energija linkusi išlaikyti neutroną surištą su pirminiu. Tačiau kartais taip nutinka. Pavyzdžiui, 90 Br dalijimosi fragmentas pirmajame beta skilimo etape gamina kriptoną-90, kuris gali būti sužadintas ir turintis pakankamai energijos paviršiaus energijai įveikti. Šiuo atveju neutronų emisija gali vykti tiesiogiai susidarant kriptonui-89. vis dar nestabilus β skilimui, kol tampa stabilus itris-89, todėl kriptonas-89 skyla trimis etapais.

Urano branduolių dalijimasis: grandininė reakcija

Dalijimosi reakcijos metu išskiriamus neutronus gali absorbuoti kitas pirminis branduolys, kuris vėliau pats patiria indukuotą skilimą. Urano-238 atveju trijų pagamintų neutronų energija yra mažesnė nei 1 MeV (skilimo urano branduoliui metu išsiskirianti energija - 158 MeV - daugiausia paverčiama dalijimosi fragmentų kinetine energija ), todėl jie negali sukelti tolesnio šio nuklido skilimo. Tačiau esant didelei reto izotopo 235 U koncentracijai, šie laisvųjų neutronų gali būti užfiksuoti 235 U branduoliais, o tai iš tikrųjų gali sukelti dalijimąsi, nes šiuo atveju nėra energijos slenksčio, žemiau kurio skilimas nesukeliamas.

Tai yra grandininės reakcijos principas.

Branduolinių reakcijų tipai

Tegul k yra neutronų, susidarančių šios grandinės n stadijos daliosios medžiagos pavyzdyje, skaičius, padalytas iš neutronų, pagamintų n - 1 etape. Šis skaičius priklausys nuo to, kiek neutronų, pagamintų n - 1 etape, bus absorbuota branduolys, galintis priverstinai dalytis.

Jeigu 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.

Jei k > 1, grandininė reakcija augs tol, kol bus panaudota visa skilioji medžiaga. Tai pasiekiama sodrinant natūralią rūdą, kad būtų gauta pakankamai didelė urano-235 koncentracija. Sferinio pavyzdžio k reikšmė didėja didėjant neutronų sugerties tikimybei, kuri priklauso nuo sferos spindulio. Todėl masė U turi viršyti tam tikrą kiekį, kad galėtų įvykti urano branduolių skilimas (grandininė reakcija).

Jei k = 1, tada kontroliuojama reakcija. Tai naudojama branduoliniuose reaktoriuose. Procesą valdo kadmio arba boro strypų pasiskirstymas tarp urano, kurie sugeria didžiąją dalį neutronų (šie elementai turi galimybę užfiksuoti neutronus). Urano branduolio dalijimasis valdomas automatiškai, judant strypus taip, kad k reikšmė liktų lygi vienetui.

2. Kokia energija vadinama reakcijos energija? Kaip įvertinti dalijimosi reakcijos energijos išeigą?

3. Kokia reikšmė apibūdina grandininės reakcijos greitį? Užrašykite būtiną grandininės reakcijos išsivystymo sąlygą.

4. Kokia dalijimosi reakcija vadinama savaime išsilaikančia? Kada tai atsiranda?

5. Įvertinkite kritinį branduolio dydį ir kritinę masę.

N yra branduolių koncentracija. Neutrono susidūrimų su branduoliais skaičius per laiko vienetą n.

Branduolio dalijimosi reakcijos.

Branduolių transformacija sąveikaujant su elementariosiomis dalelėmis arba tarpusavyje vadinama branduolinėmis reakcijomis. Branduolinės reakcijos yra pagrindinis branduolių sandaros ir jų savybių tyrimo metodas. Branduolinės reakcijos paklūsta išsaugojimo dėsniams: elektros krūvis, bariono krūvis, leptono krūvis, energija, impulsas Pavyzdžiui, bariono krūvio išsaugojimo dėsnis susiveda į tai, kad bendras nukleonų skaičius dėl to nekinta branduolinė reakcija.

Branduolinės reakcijos gali įvykti išskiriant arba absorbuojant energiją K, kuri yra 10 6 kartus didesnė už cheminių reakcijų energiją. Jeigu K Išsiskiria > 0 energijos (egzoterminė reakcija). Pavyzdžiui,

At K < 0 – поглощение энергии (endoterminė reakcija). Pavyzdžiui,

Apibūdinamos branduolinės reakcijos efektyvus reakcijos skerspjūvis(jei branduolio spindulys didesnis už dalelės de Broglie bangos ilgį).

Branduolinės reakcijos išeiga W– branduolinės reakcijos įvykių skaičiaus santykis D Nį dalelių skaičių N, krentantys 1 cm 2 taikiniai, t.y.

,

Kur n– branduolių koncentracija.

Daugelis branduolinių reakcijų esant žemai energijai pereina formavimosi stadiją sudėtinis branduolys. Taigi, kad neutronas praskrietų per branduolį 10 7 m/s greičiu, reikalingas laikas t = 10 –22 s. Reakcijos laikas yra 10 - 16 -10 - 12 s arba (10 6 -10 10)t. Tai reiškia, kad tarp branduolyje esančių nukleonų įvyks daug susidūrimų ir susidarys tarpinė būsena – sudėtinis branduolys. Būdingasis laikas t naudojamas analizuojant branduolyje vykstančius procesus.

Mažėjant neutronų greičiui, didėja jo sąveikos su branduoliu laikas ir tikimybė, kad branduolys jį suims, nes efektyvusis skerspjūvis yra atvirkščiai proporcingas dalelių greičiui (). Jei bendra neutrono ir pradinio branduolio energija yra tame regione, kuriame yra junginio branduolio energetinės juostos, tai ypač didelė tikimybė, kad susidarys junginio branduolio kvazistacionarus energijos lygis. Branduolinių reakcijų skerspjūvis, esant tokiai dalelių energijai, smarkiai padidėja, formuojant rezonanso maksimumus. Tokiais atvejais vadinamos branduolinės reakcijos rezonansinis. Rezonanso skerspjūvis šiluminiam (lėtam) neutronų gaudymui ( kT» 0,025 eV) gali būti ~10 6 kartus didesnis už geometrinį branduolio skerspjūvį

Užfiksavus dalelę, junginio branduolys yra sužadintas ~10 - 14 s, tada išskiria dalelę. Galimi keli junginio branduolio radioaktyvaus skilimo kanalai. Galimas ir konkuruojantis procesas – spindulinis gaudymas, kai, užfiksavus dalelę branduoliui, ji pereina į sužadinimo būseną, tada, išspindėjusi g kvantą, pereina į pagrindinę būseną. Tai taip pat gali sudaryti sudėtinį branduolį.

Kulono atstūmimo jėgos tarp teigiamai įkrautų branduolio dalelių (protonų) neskatina, o stabdo šių dalelių išėjimą iš branduolio. Taip yra dėl įtakos išcentrinis barjeras. Tai paaiškinama tuo, kad atstumiančios jėgos atitinka teigiamą energiją. Tai padidina Kulono potencialo barjero aukštį ir plotį. Teigiamo krūvio dalelės išėjimas iš branduolio yra pobarjerinis procesas. Kuo didesnis ir platesnis potencialus barjeras, tuo mažesnė tikimybė. Tai ypač svarbu vidutiniams ir sunkiems branduoliams.

Pavyzdžiui, urano izotopo branduolys, užfiksavęs neutroną, sudaro sudėtinį branduolį, kuris vėliau skyla į dvi dalis. Kulono atstūmimo jėgų įtakoje šios dalys skrenda viena nuo kitos su didele ~200 MeV kinetine energija, nes šiuo atveju elektros jėgos pranašesnis branduolines pajėgas patrauklumas. Šiuo atveju fragmentai yra radioaktyvūs ir yra sužadintos. Pereinant į pagrindinę būseną, jie išskiria greitus ir uždelstus neutronus, taip pat g-kvantus ir kitas daleles. Išspinduliuoti neutronai vadinami antriniais.

Iš visų dalijimosi metu išsiskiriančių branduolių ~99% neutronų išsiskiria akimirksniu, o uždelstų neutronų dalis yra ~0,75%. Nepaisant to, naudojami uždelsti neutronai branduolinė energija, nes jie leidžia jums tai padaryti kontroliuojamos branduolinės reakcijos. Labiausiai tikėtina, kad uranas suskils į fragmentus, kurių vienas yra maždaug pusantro karto sunkesnis už kitą. Tai paaiškinama branduolinių neutronų apvalkalų įtaka, nes energetiškai palankiau branduoliui skilti taip, kad neutronų skaičius kiekviename fragmente būtų artimas vienam iš magiškų skaičių – 50 arba 82. Tokie fragmentai gali būti, pvz. Pavyzdžiui, branduoliai ir.

Skirtumas tarp maksimali vertė potenciali energija E r(r) ir jo reikšmė at stabiliems branduoliams vadinama aktyvacijos energija. Todėl branduolio dalijimuisi būtina suteikti jam energiją, ne mažesnę nei aktyvavimo energija. Šią energiją atneša neutronai, kuriuos absorbuojant susidaro sužadinti junginių branduoliai.

Tyrimai parodė, kad izotopų branduoliai dalijasi po to, kai užfiksuoja bet kokius neutronus, įskaitant šiluminius. Urano izotopui dalytis reikalingi greitieji neutronai, kurių energija didesnė nei 1 MeV. Šis branduolių elgsenos skirtumas yra susijęs su nukleonų poravimosi poveikiu.

Savaiminis radioaktyviųjų branduolių dalijimasis galimas ir nesant išorinio sužadinimo, kuris buvo pastebėtas 1940 m. Šiuo atveju branduolio dalijimasis gali įvykti dalijimosi produktams nutekėjus per potencialų barjerą. tunelio efektas. Kitas būdingas branduolinių reakcijų, vykstančių per junginio branduolį tam tikromis sąlygomis, bruožas yra sklaidos dalelių, susidarančių junginio branduolio irimo metu, kampinio pasiskirstymo simetrija masės centre.

Taip pat galimos tiesioginės branduolinės reakcijos, pvz.

kuris naudojamas neutronams gaminti.

Dalijantis sunkiems branduoliams, kiekvienam dalijamajam branduoliui išsiskiria vidutiniškai ~200 MeV energijos, kuri vadinama branduolinė ar atominė energija. Ši energija gaminama branduoliniuose reaktoriuose.

Gamtiniame urane yra 99,3% izotopų ir 0,7% izotopų, tai yra branduolinis kuras. Urano ir torio izotopai yra žaliavos, iš kurių dirbtinai gaunami izotopai ir izotopai, kurie taip pat yra branduolinis kuras ir natūrali būsena gamtoje neaptinkami. Reakcijoje gaunamas, pavyzdžiui, plutonio izotopas

Reakcijoje gaunamas, pavyzdžiui, urano izotopas

Kur reiškia reakciją

.
Branduolinius izotopus dalijasi tik greitieji neutronai, kurių energija > 1 MeV.

Svarbus dydis, apibūdinantis skiliąjį branduolį, yra vidutinis antrinių neutronų skaičius branduolio dalijimosi grandininės reakcijos įgyvendinimas turi būti bent 1 atomo branduolys Tokiose atomų branduolių reakcijose susidaro neutronai.

Grandininė reakcija praktiškai atliekama naudojant prisodrintą uraną branduoliniai reaktoriai. Prisodrintame urane urano izotopų kiekis padidinamas iki 2–5 % atskyrus izotopus. Tūris, kurį užima skilioji medžiaga, vadinamas šerdis reaktorius. Gamtiniam uranui terminis neutronų dauginimo koeficientas yra k=1,32. Norėdami sumažinti greitį greitieji neutronai iki terminio greičio, naudojami moderatoriai (grafitas, vanduo, berilis ir kt.).

Yra įvairių tipų branduoliniai reaktoriai, priklausomai nuo jų paskirties ir galios. Pavyzdžiui, eksperimentiniai reaktoriai naujiems gaminti transuraniniai elementai ir tt

Šiuo metu naudojama branduolinė energija reaktyviniai reaktoriai (išskyros reaktoriai), kurioje vyksta ne tik energijos gamyba, bet ir išplėstas skiliųjų medžiagų dauginimasis. Jie naudoja prisodrintą uraną, kuriame yra gana daug (iki 30%) urano izotopo.

Tokie reaktoriai yra veisėjai naudojama energijai gaminti atominėse elektrinėse. Pagrindinis atominių elektrinių trūkumas yra radioaktyviųjų atliekų kaupimasis. Tačiau, lyginant su anglimis kūrenamomis elektrinėmis, atominės elektrinės yra draugiškesnės aplinkai.

Skilimo metu išsiskirianti energija E didėja didėjant Z 2 /A. Z 2 /A reikšmė = 17, kai 89 Y (itris). Tie. dalijimasis energetiškai palankus visiems už itrį sunkesniems branduoliams. Kodėl dauguma branduolių yra atsparūs savaiminiam skilimui? Norint atsakyti į šį klausimą, būtina apsvarstyti padalijimo mechanizmą.

Dalijimosi proceso metu keičiasi branduolio forma. Šerdis nuosekliai pereina šias stadijas (7.1 pav.): rutulys, elipsoidas, hantelis, du kriaušės formos fragmentai, du sferiniai fragmentai. Kaip kinta potenciali branduolio energija įvairūs etapai padaliniai?
Pradinė šerdis su padidinimu rįgauna vis ilgėjančio revoliucijos elipsoido formą. Šiuo atveju dėl branduolio formos evoliucijos jo potencinės energijos kitimą lemia paviršiaus ir Kulono energijų sumos pokytis E p + E k Šiuo atveju paviršiaus energija didėja kaip didėja branduolio paviršiaus plotas. Kulono energija mažėja, kai didėja vidutinis atstumas tarp protonų. Jei esant nedidelei deformacijai, kuriai būdingas mažas parametras , pradinė šerdis įgavo ašies simetrinio elipsoido formą, paviršiaus energija E" p ir Kulono energija E" k keičiasi taip, kaip deformacijos parametro funkcijos:

Santykiais (7,4–7,5) E n ir E k yra pradinio sferiškai simetriško branduolio paviršiaus ir Kulono energijos.
Sunkiųjų branduolių srityje 2E p > E k ir paviršiaus bei Kulono energijų suma didėja didėjant . Iš (7.4) ir (7.5) matyti, kad esant mažoms deformacijoms, paviršiaus energijos padidėjimas užkerta kelią tolesniems branduolio formos pokyčiams ir, atitinkamai, dalijimuisi.
Santykis (7.5) galioja mažoms deformacijoms. Jei deformacija tokia didelė, kad šerdis įgauna hantelio formą, tai paviršinis ir Kulono jėgos, linkę suskaidyti šerdį ir suteikti fragmentams sferinę formą. Taigi, palaipsniui didėjant branduolio deformacijai, jo potenciali energija pereina per maksimumą. Branduolio paviršiaus ir Kulono energijų pokyčių grafikas priklausomai nuo r parodytas fig. 7.2.

Potencialaus barjero buvimas apsaugo nuo momentinio savaiminio branduolių dalijimosi. Kad branduolys suskiltų, jam reikia suteikti energiją Q, viršijančią skilimo barjero H aukštį. Maksimali dalijimosi branduolio E + H (pavyzdžiui, aukso) energija į du vienodus fragmentus yra ≈ 173 MeV, o dalijimosi metu išsiskiriančios energijos E kiekis yra 132 MeV . Taigi, kai aukso branduolys skyla, reikia įveikti potencialų barjerą, kurio aukštis yra apie 40 MeV.
Skilimo barjero H aukštis yra didesnis, tuo didesnis mažiau požiūrio Kulonas ir paviršiaus energija E k /E p pradiniame branduolyje. Šis santykis savo ruožtu didėja didėjant padalijimo parametrui Z 2 /A (7.3). Kuo branduolys sunkesnis, tuo mažesnis skilimo barjero H aukštis, nes dalijimosi parametras, darant prielaidą, kad Z yra proporcingas A, didėja didėjant masės skaičiui:

Todėl sunkesni branduoliai paprastai turi perduoti mažiau energijos, kad sukeltų branduolio dalijimąsi.
Skilimo barjero aukštis išnyksta esant 2E p – E k = 0 (7,5). Šiuo atveju

2E p /E k = 2(a 2 A)/(a 3 Z 2),

Z 2 /A = 2a 2 /(a 3 Z 2) ≈ 49.

Taigi, pagal lašelių modelį, branduoliai, kurių Z 2 /A > 49, gamtoje negali egzistuoti, nes jie turėtų beveik akimirksniu branduolinis laikas apie 10–22 s savaime suskilti į du fragmentus. Potencialaus barjero H formos ir aukščio, taip pat dalijimosi energijos priklausomybės nuo parametro Z 2 /A reikšmės parodytos fig. 7.3.

Ryžiai. 7.3. Potencialaus barjero formos ir aukščio radialinė priklausomybė ir dalijimosi energija E at įvairių dydžių parametras Z 2 /A. Įjungta vertikalioji ašis nubraižyta reikšmė E p + E k.

Savaiminis branduolių dalijimasis su Z 2 /A< 49, для которых высота барьера H не равна нулю, с точки зрения klasikinė fizika neįmanoma. Tačiau kvantinėje mechanikoje toks dalijimasis įmanomas dėl tunelio efekto – dalijimosi fragmentų praėjimo per potencialų barjerą. Tai vadinama savaiminiu skilimu. Savaiminio dalijimosi tikimybė didėja didėjant dalijimosi parametrui Z 2 /A, t.y. mažėjant dalijimosi barjero aukščiui. Apskritai savaiminio dalijimosi laikotarpis mažėja, kai nuo lengvesnių branduolių pereina prie sunkesnių branduolių nuo T 1/2 > 10 21 metų 232 Th iki 0,3 s esant 260 Rf.
Priverstinis branduolių dalijimasis su Z 2 /A< 49 может быть вызвано их возбуждением фотонами, нейтронами, протонами, дейтронами, a частицами и другими частицами, если вносимая в ядро энергия достаточна для преодоления барьера деления.
Mažiausia neutronų gaudymo metu susidariusio junginio branduolio E* sužadinimo energijos vertė lygi neutronų surišimo energijai šiame branduolyje ε n. 7.1 lentelėje palyginamas Th, U ir Pu izotopų, susidariusių po neutronų gaudymo, barjero aukštis H ir neutronų surišimo energija ε n. Neutrono surišimo energija priklauso nuo neutronų skaičiaus branduolyje. Dėl poravimosi energijos lyginio neutrono rišimosi energija yra didesnė už nelyginio neutrono rišimosi energiją.

7.1 lentelė

Skilimo barjero aukštis H, neutronų surišimo energija ε n

Būdingas bruožas skilimas yra tai, kad fragmentai linkę turėti įvairios masės. Labiausiai tikėtino 235 U dalijimosi atveju fragmentų masių santykis yra vidutiniškai ~ 1,5. Fragmentų masės pasiskirstymas, atsirandantis dėl 235 U dalijimosi terminiais neutronais, parodytas Fig. 7.4. Labiausiai tikėtino dalijimosi atveju sunkiojo fragmento masės skaičius yra 139, lengvojo - 95. Tarp skilimo produktų yra fragmentų, kurių A = 72 - 161 ir Z = 30 - 65. Skilimo į du fragmentus tikimybė lygi masė nėra nulis. Kai 235 U dalijasi šiluminiais neutronais, simetrinio dalijimosi tikimybė yra maždaug trimis dydžiais mažesnė nei labiausiai tikėtino dalijimosi į fragmentus, kurių A = 139 ir 95, atveju.
Asimetriškas dalijimasis paaiškinamas branduolio apvalkalo sandara. Branduolys linkęs skilti taip, kad pagrindinė kiekvieno fragmento nukleonų dalis sudaro stabiliausią magišką skeletą.
Neutronų skaičiaus ir protonų skaičiaus santykis 235 branduolyje yra N/Z = 1,55, tuo tarpu stabilūs izotopai, kurio masės skaičius yra artimas fragmentų masės skaičiui, šis santykis yra 1,25 - 1,45. Todėl dalijimosi fragmentai yra labai perkrauti neutronais ir turi būti
β – radioaktyvus. Todėl dalijimosi fragmentai patiria nuoseklų β - skilimą, o pirminio fragmento krūvis gali pasikeisti 4–6 vienetais. Žemiau yra tipinė grandinė radioaktyvūs skilimai 97 Kr – viena iš skeveldrų, susidariusių dalijantis 235 U:

Fragmentų sužadinimas, atsirandantis dėl protonų ir neutronų skaičiaus santykio pažeidimo, būdingo stabiliems branduoliams, taip pat pašalinamas dėl greito dalijimosi neutronų emisijos. Šiuos neutronus išspinduliuoja judantys fragmentai per trumpesnį nei ~ 10–14 s laiką. Vidutiniškai kiekvieno dalijimosi metu išskiriami 2–3 greitieji neutronai. Jų energijos spektras yra nepertraukiamas, daugiausia apie 1 MeV. Vidutinė greito neutrono energija yra artima 2 MeV. Daugiau nei vieno neutrono emisija kiekviename dalijimosi įvykyje leidžia gauti energijos per branduolio dalijimosi grandininę reakciją.
Labiausiai tikėtina, kad šiluminiais neutronais dalijasi 235 U, šviesos fragmentas (A = 95) įgyja ≈ 100 MeV kinetinę energiją, o sunkusis fragmentas (A = 139) – apie 67 MeV. Taigi, bendra kinetinė energija fragmentai ≈ 167 MeV. Bendra energija padaliniai į šiuo atveju yra 200 MeV. Taigi likusi energija (33 MeV) pasiskirsto tarp kitų dalijimosi produktų (neutronų, elektronų ir antineutrinų iš β skilimo fragmentų, γ spinduliuotės iš fragmentų ir jų skilimo produktų). 7.2 lentelėje pateiktas dalijimosi energijos pasiskirstymas tarp įvairių produktų 235 U dalijimosi terminiais neutronais metu.

7.2 lentelė

Dalijimosi energijos paskirstymas 235 U šiluminiai neutronai

Branduolio dalijimosi produktai (NFP) yra sudėtingas daugiau nei 200 junginių mišinys radioaktyvieji izotopai 36 elementai (nuo cinko iki gadolinio). Didžiąją dalį aktyvumo sukelia trumpaamžiai radionuklidai. Taigi, praėjus 7, 49 ir ​​343 dienoms po sprogimo, PYD aktyvumas sumažėja atitinkamai 10, 100 ir 1000 kartų, palyginti su aktyvumu praėjus valandai po sprogimo. Biologiškai reikšmingiausių radionuklidų išeiga pateikta 7.3 lentelėje. Be PYN, radioaktyviąją taršą sukelia indukuoto aktyvumo radionuklidai (3 H, 14 C, 28 Al, 24 Na, 56 Mn, 59 Fe, 60 Co ir kt.) bei nedaloma urano ir plutonio dalis. Sukelto aktyvumo vaidmuo terminio metu branduoliniai sprogimai.

7.3 lentelė

Kai kurių skilimo produktų išeiga branduolinio sprogimo metu

Branduolinių sprogimų metu atmosferoje nemaža dalis kritulių (iki 50 % antžeminio sprogimo atveju) iškrenta netoli bandymų zonos. Kai kurios radioaktyviosios medžiagos pasilieka apatinėje atmosferos dalyje ir, veikiamos vėjo, persikelia į dideli atstumai, likę maždaug toje pačioje platumoje. Išbuvęs ore apie mėnesį, radioaktyviosios medžiagosŠio judėjimo metu jie palaipsniui krenta į Žemę. Dauguma radionuklidai patenka į stratosferą (į 10–15 km aukštį), kur jie globaliai išsisklaido ir didžiąja dalimi suyra.
Įvairūs branduolinių reaktorių konstrukciniai elementai buvo labai aktyvūs dešimtmečius (7.4 lentelė).

7.4 lentelė

Pagrindinių dalijimosi produktų kuro elementuose, pašalintuose iš reaktoriaus po trejų metų eksploatacijos, specifinės aktyvumo vertės (Bq/t urano)

1934 metais E. Fermis nusprendė gauti transurano elementus apšvitindamas 238 U neutronais. E. Fermio idėja buvo tokia, kad dėl izotopo 239 U skilimo β - cheminis elementas kurio eilės numeris Z = 93. Tačiau 93-iojo elemento susidarymo nustatyti nepavyko. Vietoj to, kaip radiocheminės analizės rezultatas radioaktyvieji elementai atliko O. Hahn ir F. Strassmann, buvo parodyta, kad vienas iš urano švitinimo neutronais produktų yra baris (Z = 56) – vidutinės atominės masės cheminis elementas, tuo tarpu pagal Fermio teorijos prielaidą turėjo būti gauti transurano elementai.
L. Meitneris ir O. Frischas pasiūlė, kad urano branduoliui užfiksavus neutroną, sudėtinis branduolys subyra į dvi dalis.

92 U + n → 56 Ba + 36 Kr + xn.

Urano dalijimosi procesą lydi antrinių neutronų atsiradimas (x > 1), galinčių sukelti kitų urano branduolių dalijimąsi, o tai atveria galimybę įvykti dalijimosi grandininei reakcijai – vienas neutronas gali sukelti šakotą urano branduolių dalijimosi grandinė. Tokiu atveju suskilusių branduolių skaičius turėtų padidėti eksponentiškai. N. Bohr ir J. Wheeler apskaičiavo kritinę energiją, reikalingą 236 U branduoliui, susidariusiam dėl neutronų gaudymo 235 U izotopu, suskilti. Ši vertė yra 6,2 MeV, o tai yra mažesnė už 235 U šiluminio neutrono gaudymo metu susidariusio 236 U izotopo sužadinimo energiją labiausiai paplitęs izotopas 238 U, kritinė energija yra 5,9 MeV, o užfiksavus šiluminį neutroną, gauto 239 U branduolio sužadinimo energija yra tik 5,2 MeV. Todėl gamtoje labiausiai paplitusio izotopo 238 U skilimo grandininė reakcija, veikiant šiluminiams neutronams, pasirodo neįmanoma. Vieno dalijimosi metu energija išsiskiria ≈ 200 MeV (palyginimui). cheminės reakcijos degant per vieną reakcijos įvykį išsiskiria energija ≈ 10 eV). Galimybė sudaryti sąlygas dalijimosi grandininei reakcijai atvėrė perspektyvas panaudoti grandininės reakcijos energiją kuriant branduoliniai reaktoriai Ir atominiai ginklai. Pirmąjį atominį reaktorių 1942 m. pastatė E. Fermis JAV. SSRS pirmasis branduolinis reaktorius, vadovaujant I. Kurchatovui, buvo paleistas 1946 m. ​​1954 m. Obninske pradėjo veikti pirmoji pasaulyje atominė elektrinė. Šiuo metu elektros energija gaminama maždaug 440 branduolinių reaktorių 30 šalių.
1940 metais G. Flerovas ir K. Petržakas atrado savaiminį urano skilimą. Eksperimento sudėtingumą liudija šie skaičiai. Dalinis pusinės eliminacijos laikas, palyginti su savaiminiu 238 U izotopo skilimu, yra 10 16 – 10 17 metų, o 238 U izotopo skilimo laikotarpis yra 4,5∙10 9 metai. Pagrindinis 238 U izotopo skilimo kanalas yra α skilimas. Norint stebėti 238 U izotopo savaiminį skilimą, reikėjo užregistruoti vieną dalijimosi įvykį 10 7 –10 8 α skilimo įvykių fone.
Savaiminio dalijimosi tikimybę daugiausia lemia dalijimosi barjero pralaidumas. Savaiminio dalijimosi tikimybė didėja didėjant branduolio krūviui, nes šiuo atveju padalijimo parametras Z 2 /A didėja. Izotopuose Z< 92-95 деление происходит преимущественно с образованием двух осколков деления с отношением масс тяжёлого и лёгкого осколков 3:2. В изотопах Z >100, vyrauja simetriškas skilimas, kai susidaro vienodos masės fragmentai. Didėjant branduolio krūviui, didėja savaiminio dalijimosi dalis, palyginti su α-skilimu.

Branduolio dalijimasis. Istorija

1934 m− E. Fermi, apšvitinantis uraną terminiais neutronais, aptiktas tarp reakcijos produktų radioaktyvieji branduoliai, kurio pobūdžio nustatyti nepavyko.
L. Szilardas iškėlė branduolinės grandininės reakcijos idėją.

1939 m− O. Hahnas ir F. Strassmannas tarp reakcijos produktų atrado barį.
L. Meitneris ir O. Frischas pirmieji paskelbė, kad veikiamas neutronų uranas buvo padalintas į du panašios masės fragmentus.
N. Bohras ir J. Wheeleris kiekybiškai interpretavo branduolio dalijimąsi, įvesdami dalijimosi parametrą.
Ya Frenkelis sukūrė lėtųjų neutronų branduolio dalijimosi kritimo teoriją.
L. Szilard, E. Wigner, E. Fermi, J. Wheeler, F. Joliot-Curie, Y. Zeldovich, Y. Khariton pagrindė branduolinės dalijimosi grandininės reakcijos, vykstančios urane, galimybę.

1940 m− G. Flerovas ir K. Pietrzak atrado savaiminio urano U branduolių dalijimosi fenomeną.

1942 m− E. Fermis pirmajame atominiame reaktoriuje atliko kontroliuojamą skilimo grandininę reakciją.

1945 m− Pirmas išbandymas branduoliniai ginklai(Nevada, JAV). Įjungta Japonijos miestai Atomines bombas amerikiečių kariai numetė Hirosimoje (rugpjūčio 6 d.) ir Nagasakyje (rugpjūčio 9 d.).

1946 m− Vadovaujant I.V. buvo paleistas pirmasis Europoje Kurchatovo reaktorius.

1954 m− Paleido pirmąjį pasaulyje atominė elektrinė(Obninskas, SSRS).

Branduolio dalijimasis.Nuo 1934 metų E. Fermi pradėjo naudoti neutronus atomams bombarduoti. Nuo tada dirbtinio transformavimo būdu gautų stabilių arba radioaktyvių branduolių skaičius išaugo iki šimtų ir beveik visose vietose. periodinė lentelė užpildytas izotopais.
Atomai, atsirandantys visose šiose branduolinėse reakcijose, periodinėje lentelėje užėmė tą pačią vietą, kaip ir bombarduojamas atomas, arba gretimas vietas. Todėl Hahno ir Strassmanno 1938 m. įrodymas, kad paskutiniame periodinės lentelės elemente bombarduojamas neutronais, sukėlė didelę sensaciją.−uranas−skilimas vyksta į elementus, esančius vidurinėse periodinės lentelės dalyse. Čia yra įvairių rūšių skilimo. Susidarę atomai dažniausiai yra nestabilūs ir iš karto suyra toliau; kai kurių pusinės eliminacijos laikas matuojamas sekundėmis, todėl Gan turėjo naudoti analitinis metodas Curie, kad pratęstų tokį greitą procesą. Svarbu pažymėti, kad prieš srovę esantys urano, protaktino ir torio elementai taip pat turi panašų skilimą, kai juos veikia neutronai, nors irimas užtrunka ilgiau. didelė energija neutronų nei urano atveju. Kartu su tuo 1940 m. G. N. Flerovas ir K. A. Petržakas atrado savaiminį urano branduolio skilimą, kurio pusinės eliminacijos laikas buvo didžiausias iki tol: apie 2· 10 15 metų; šis faktas paaiškėja dėl šio proceso metu išsiskiriančių neutronų. Tai leido suprasti, kodėl „natūrali“ periodinė sistema baigiasi trimis įvardintais elementais. Transuraniniai elementai dabar tapo žinomi, tačiau jie yra tokie nestabilūs, kad greitai suyra.
Urano dalijimasis per neutronus dabar leidžia panaudoti atominę energiją, kurią daugelis jau įsivaizdavo kaip „Žiulio Verno svajonę“.

M. Laue, „Fizikos istorija“

1939 O. Hahn ir F. Strassmann, apšvitindami urano druskas terminiais neutronais, tarp reakcijos produktų atrado barį (Z = 56)

Otto Gannas (1879 – 1968)

Branduolio dalijimasis – tai branduolio padalijimas į du (rečiau tris) panašios masės branduolius, kurie vadinami dalijimosi fragmentais. Skilimo metu atsiranda ir kitų dalelių – neutronų, elektronų, α-dalelių. Dėl dalijimosi išsiskiria ~200 MeV energija. Skilimas gali būti spontaniškas arba priverstinis, veikiamas kitų dalelių, dažniausiai neutronų.
Būdingas dalijimosi bruožas yra tas, kad dalijimosi fragmentai, kaip taisyklė, labai skiriasi savo mase, t.y. vyrauja asimetrinis dalijimasis. Taigi, labiausiai tikėtino urano izotopo 236 U dalijimosi atveju, fragmentų masių santykis yra 1,46. Sunkiojo fragmento masės skaičius yra 139 (ksenonas), o lengvojo - 95 (stroncio). Atsižvelgiant į dviejų greitųjų neutronų emisiją, nagrinėjama dalijimosi reakcija turi tokią formą

Nobelio chemijos premija
1944 – O. Gan.
Už urano branduolių dalijimosi neutronais reakcijos atradimą.

Skilimo fragmentai

Lengvųjų ir sunkiųjų fragmentų grupių vidutinių masių priklausomybė nuo skiliojo branduolio masės.

Branduolio dalijimosi atradimas. 1939 m

Atvykau į Švediją, kur Lise Meitner kentėjo nuo vienatvės, ir aš, kaip atsidavęs sūnėnas, nusprendžiau ją aplankyti Kalėdų proga. Ji gyveno nedideliame viešbutyje Kungälv netoli Geteborgo. Radau ją per pusryčius. Ji pagalvojo apie laišką, kurį ką tik gavo iš Gano. Labai skeptiškai žiūrėjau į laiško turinį, kuriame buvo pranešta apie bario susidarymą, kai uranas buvo apšvitintas neutronais. Tačiau tokia galimybė ją patraukė. Mes vaikščiojome sniege, ji pėsčiomis, aš – slidėmis (ji sakė, kad gali taip nuvažiuoti neatsilikdama nuo manęs, ir tai įrodė). Pasivaikščiojimo pabaigoje jau galėjome suformuluoti kai kurias išvadas; šerdis nesuskilo ir nuo jos neišskrido gabalai, bet tai buvo procesas, labiau primenantis lašinamas modelis Boro branduoliai; kaip lašas branduolys galėtų pailgėti ir dalytis. Tada aš tyrinėjau, kaip elektros krūvis Nukleonai sumažina paviršiaus įtempimą, kuris, kaip man pavyko nustatyti, nukrenta iki nulio, kai Z = 100, ir galbūt yra labai mažas uranui. Lise Meitner siekė nustatyti energiją, išsiskiriančią kiekvieno skilimo metu dėl masės defekto. Ji labai aiškiai išdėstė masinio defekto kreivę. Paaiškėjo, kad dėl elektrostatinės atstūmimo dalijimosi elementai įgaus apie 200 MeV energiją, ir tai tiksliai atitiko energiją, susijusią su masės defektu. Todėl procesas galėtų vykti grynai klasikiniu būdu, neįtraukiant perėjimo per potencialų barjerą koncepcijos, kuri, žinoma, čia būtų nenaudinga.
Per Kalėdas kartu praleidome dvi ar tris dienas. Tada grįžau į Kopenhagą ir vos spėjau informuoti Bohrą apie mūsų idėją tą pačią akimirką, kai jis jau lipo į laivą, išplaukiantį į JAV. Prisimenu, kaip jis pliaukštelėjo į kaktą, kai tik aš pradėjau kalbėti, ir sušuko: „O, kokie mes kvailiai! Turėjome tai pastebėti anksčiau“. Bet jis nepastebėjo ir niekas nepastebėjo.
Lise Meitner ir aš parašėme straipsnį. Tuo pat metu nuolat palaikėme ryšį tarpmiestiniu telefonu iš Kopenhagos į Stokholmą.

O. Frisch, Atsiminimai. UFN. 1968. T. 96, 4 leidimas, p. 697.

Savaiminis skilimasšerdys

Toliau aprašytuose eksperimentuose panaudojome Frisch pirmą kartą pasiūlytą metodą branduolio dalijimosi procesams registruoti. Jonizacijos kamera su plokštelėmis, padengtomis urano oksido sluoksniu, yra prijungta prie linijinio stiprintuvo, sukonfigūruoto taip, kad sistema neaptiktų iš urano išmetamų α dalelių; fragmentų impulsai, daug didesni nei α dalelių impulsai, atrakina išėjimo tiratroną ir yra laikomi mechanine rele.
Jonizacijos kamera buvo specialiai sukurta daugiasluoksnės formos plokščias kondensatorius Su bendro ploto 15 plokščių 1000 cm Plokštės, esančios 3 mm atstumu viena nuo kitos, buvo padengtos 10-20 mg/cm urano oksido sluoksniu. 2 .
Pirmuosiuose eksperimentuose su stiprintuvu, sukonfigūruotu skaičiuoti fragmentus, buvo galima stebėti spontaniškus (nesant neutronų šaltinio) impulsus ant relės ir osciloskopo. Šių impulsų skaičius buvo nedidelis (6 per 1 valandą), todėl suprantama, kad šio reiškinio nepavyko stebėti su įprasto tipo kameromis...
Mes linkę taip manyti poveikis, kurį pastebėjome, turėtų būti priskirtas fragmentams, susidariusiems dėl savaiminio urano dalijimosi...

Savaiminis skilimas turėtų būti priskirtas vienam iš nesužadintų U izotopų, kurių pusinės eliminacijos laikas buvo gautas įvertinus mūsų rezultatus:

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

Izotopų skilimas 238 U

Savaiminis branduolio dalijimasis

Spontaniškai skiliųjų izotopų pusamžis Z = 92 - 100

Pirma eksperimentinė sistema su urano-grafito grotele buvo pastatyta 1941 m., vadovaujant E. Fermi. Tai buvo grafito kubas su 2,5 m ilgio briauna, kuriame buvo apie 7 tonas urano oksido, uždarytas geležiniuose induose, kurie buvo įstatyti į kubą vienodais atstumais vienas nuo kito. RaBe neutronų šaltinis buvo patalpintas urano-grafito gardelės apačioje. Reprodukcijos koeficientas tokioje sistemoje buvo ≈ 0,7. Urano okside buvo nuo 2 iki 5% priemaišų. Toliau buvo stengiamasi gauti grynesnių medžiagų ir iki 1942 m. gegužės mėn. buvo gautas urano oksidas, kuriame priemaišų buvo mažiau nei 1%. Norint užtikrinti dalijimosi grandininę reakciją, reikėjo naudoti didelis skaičius grafito ir urano – apie kelias tonas. Priemaišų turėjo būti mažiau nei kelios milijoninės dalys. Reaktorius, kurį 1942 m. pabaigoje surinko Fermi Čikagos universitete, turėjo nepilno sferoido formą, nupjautą iš viršaus. Jame buvo 40 tonų urano ir 385 tonos grafito. 1942 m. gruodžio 2 d. vakare, pašalinus neutronų sugėrimo strypus, buvo nustatyta, kad reaktoriaus viduje vyksta branduolinė grandininė reakcija. Išmatuotas koeficientas buvo 1,0006. Iš pradžių reaktorius veikė 0,5 W galios lygiu. Iki gruodžio 12 dienos jo galia buvo padidinta iki 200 vatų. Vėliau reaktorius buvo perkeltas į daugiau saugi vieta, o jo galia padidinta iki kelių kW. Tuo pačiu metu reaktorius sunaudojo 0,002 g urano-235 per dieną.

Pirmasis branduolinis reaktorius SSRS

Pirmojo SSRS tyrimų centro pastatas branduolinis reaktorius F-1 buvo paruoštas 1946 m. ​​birželio mėn.
Atlikus visus reikiamus eksperimentus, sukurta reaktoriaus valdymo ir apsaugos sistema, nustatyti reaktoriaus matmenys ir visi būtini eksperimentai su reaktorių modeliais keliuose modeliuose buvo nustatytas neutronų tankis, gauti grafito blokai (vadinamojo branduolinio grynumo) ir (po neutronų fizikinio bandymo) urano blokai, o 1946 metų lapkritį pradėtas statyti F-1 reaktorius.
Bendras reaktoriaus spindulys buvo 3,8 m. Tam reikėjo 400 tonų grafito ir 45 tonų urano. Reaktorius buvo surenkamas sluoksniais ir 1946 m. ​​gruodžio 25 d. 15:00 buvo sumontuotas paskutinis, 62-asis sluoksnis. Nuėmus vadinamuosius avarinius strypus, valdymo strypas buvo pakeltas, pradėtas skaičiuoti neutronų tankis ir 1946 m. ​​gruodžio 25 d. 18:00 pirmasis SSRS reaktorius atgijo ir pradėjo veikti. Tai buvo jaudinanti pergalė mokslininkams – branduolinio reaktoriaus kūrėjams ir viskas sovietiniai žmonės. O po pusantrų metų, 1948 metų birželio 10 dieną, pramoninis reaktorius su vandeniu kanaluose pasiekė kritinę būseną ir netrukus prasidėjo pramoninė naujos rūšies branduolinio kuro – plutonio – gamyba.