สรุปบทเรียน “ฟิชชันของนิวเคลียสยูเรเนียม ปฏิกิริยาลูกโซ่”

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน- ปฏิกิริยาฟิชชันซึ่งประกอบด้วยความจริงที่ว่านิวเคลียสหนักภายใต้อิทธิพลของนิวตรอนและเมื่อปรากฏออกมาในภายหลังอนุภาคอื่น ๆ จะถูกแบ่งออกเป็นนิวเคลียสที่เบากว่าหลายอัน (ชิ้นส่วน) ซึ่งส่วนใหญ่มักจะเป็นนิวเคลียสสองอันที่มีมวลใกล้เคียงกัน

คุณลักษณะหนึ่งของการแยกตัวของนิวเคลียร์คือมันมาพร้อมกับการปล่อยนิวตรอนทุติยภูมิสองหรือสามตัวที่เรียกว่า นิวตรอนฟิชชันเนื่องจากสำหรับนิวเคลียสขนาดกลางจำนวนนิวตรอนจะเท่ากับจำนวนโปรตอนโดยประมาณ ( ไม่มี/ซี µ 1) และสำหรับนิวเคลียสหนักจำนวนนิวตรอนเกินจำนวนโปรตอนอย่างมีนัยสำคัญ ( ไม่มี/ซี µ 1.6) จากนั้นชิ้นส่วนฟิชชันที่เกิดขึ้นจะมีนิวตรอนมากเกินไป ซึ่งส่งผลให้พวกมันปล่อยนิวตรอนฟิชชันออกมา อย่างไรก็ตาม การปล่อยนิวตรอนฟิชชันไม่ได้กำจัดนิวเคลียสของแฟรกเมนต์ที่มีนิวตรอนมากเกินไปจนหมดสิ้น ส่งผลให้ชิ้นส่วนมีกัมมันตภาพรังสี พวกเขาสามารถผ่านการเปลี่ยนแปลงของ β - - ต่อเนื่องกันพร้อมกับการปล่อย γ ควอนตัม เนื่องจากβ - -decay มาพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงของนิวตรอนเป็นโปรตอน จากนั้นหลังจากสายโซ่ของ β - - การเปลี่ยนแปลงอัตราส่วนระหว่างนิวตรอนและโปรตอนในส่วนย่อยจะถึงค่าที่สอดคล้องกับไอโซโทปที่เสถียร ตัวอย่างเช่น ระหว่างฟิชชันของนิวเคลียสยูเรเนียม U

ยู+ ยังไม่มี → Xe + ซีอาร์ +2 n(265.1)

ส่วนฟิชชัน Xe อันเป็นผลมาจากการสลายตัวของβสามครั้งกลายเป็นไอโซโทปที่เสถียรของแลนทานัม La:

เฮ้ → คส → บ → ลา.

ชิ้นส่วนฟิชชันสามารถมีความหลากหลายได้ ดังนั้นปฏิกิริยา (265.1) จึงไม่ใช่เพียงชิ้นเดียวที่นำไปสู่การแบ่งตัวของ U

นิวตรอนฟิชชันส่วนใหญ่จะถูกปล่อยออกมาเกือบจะในทันที ( ที≤ 10 –14 วินาที) และบางส่วน (ประมาณ 0.7%) ถูกปล่อยออกมาจากชิ้นส่วนฟิชชันหลังจากฟิชชัน (0.05 วินาที ≤ ที≤ 60 วินาที) คนแรกเรียกว่า ทันที,ที่สอง - ล้าหลังโดยเฉลี่ย แต่ละเหตุการณ์ฟิชชันจะผลิตนิวตรอน 2.5 นิวตรอน พวกมันมีสเปกตรัมพลังงานค่อนข้างกว้างในช่วง 0 ถึง 7 MeV โดยมีพลังงานเฉลี่ยประมาณ 2 MeV ต่อนิวตรอน

การคำนวณแสดงให้เห็นว่าการแยกตัวของนิวเคลียร์จะต้องมาพร้อมกับการปลดปล่อยด้วย ปริมาณมากพลังงาน. ในความเป็นจริง พลังงานยึดเหนี่ยวจำเพาะของนิวเคลียสมวลปานกลางจะอยู่ที่ประมาณ 8.7 MeV ในขณะที่นิวเคลียสหนักจะอยู่ที่ 7.6 MeV ด้วยเหตุนี้ เมื่อนิวเคลียสหนักถูกแบ่งออกเป็นสองส่วน ควรปล่อยพลังงานเท่ากับประมาณ 1.1 MeV ต่อนิวคลีออน

ทฤษฎีการแยกตัวของนิวเคลียสของอะตอม (N. Bohr, Ya. I. Frenkel) มีพื้นฐานอยู่บนแบบจำลองหยดของนิวเคลียส นิวเคลียสถือเป็นหยดของของเหลวอัดอัดประจุไฟฟ้าไม่ได้ (มีความหนาแน่นเท่ากับความหนาแน่นของนิวเคลียร์และเป็นไปตามกฎหมาย) กลศาสตร์ควอนตัม) อนุภาคที่เข้ามาเมื่อนิวตรอนชนนิวเคลียส การเคลื่อนไหวแบบสั่นส่งผลให้แกนกลางแตกออกเป็นสองส่วน บินออกจากกันด้วยพลังงานอันมหาศาล

ความน่าจะเป็นของการเกิดฟิชชันของนิวเคลียร์จะถูกกำหนดโดยพลังงานของนิวตรอน ตัวอย่างเช่น ถ้านิวตรอนพลังงานสูงทำให้เกิดฟิชชันของนิวเคลียสเกือบทั้งหมด นิวตรอนที่มีพลังงานหลายเมกะอิเล็กตรอน-โวลต์จะทำให้เกิดฟิชชันเฉพาะนิวเคลียสหนักเท่านั้น ( ก>210) มีนิวตรอน พลังงานกระตุ้น(พลังงานขั้นต่ำที่จำเป็นในการทำปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน) ลำดับ 1 MeV ทำให้เกิดการแตกตัวของนิวเคลียสของยูเรเนียม U, ทอเรียม Th, โพรแทกติเนียม Pa, พลูโตเนียม Pu นิวตรอนความร้อนจะแตกนิวเคลียสของ U, Pu และ U, Th (ไอโซโทปสองตัวสุดท้ายไม่ได้เกิดขึ้นในธรรมชาติ แต่ได้มาจากการประดิษฐ์)

นิวตรอนทุติยภูมิที่ปล่อยออกมาระหว่างการแยกตัวของนิวเคลียร์สามารถทำให้เกิดเหตุการณ์ฟิชชันใหม่ได้ ซึ่งทำให้สามารถทำได้ ปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชัน- ปฏิกิริยานิวเคลียร์ซึ่งอนุภาคที่ก่อให้เกิดปฏิกิริยาเกิดขึ้นเป็นผลผลิตจากปฏิกิริยานี้ ปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชันมีลักษณะเฉพาะคือ ตัวคูณ เคนิวตรอน ซึ่งเท่ากับอัตราส่วนของจำนวนนิวตรอนในรุ่นที่กำหนดต่อจำนวนในรุ่นก่อนหน้า เงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับการพัฒนาปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชันนั้น ความต้องการ k ≥ 1.

ปรากฎว่านิวตรอนทุติยภูมิไม่ได้เกิดขึ้นทั้งหมดจะทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชันของนิวเคลียร์ตามมา ซึ่งทำให้ปัจจัยการคูณลดลง ประการแรกเพราะว่า ขนาดสุดท้าย แกนกลาง(พื้นที่ที่เกิดปฏิกิริยาอันมีค่า) และความสามารถในการทะลุทะลวงของนิวตรอนสูง บางส่วนจะออกจากเขตแอคทีฟก่อนที่จะถูกจับโดยนิวเคลียสใดๆ ประการที่สอง นิวตรอนบางตัวถูกจับโดยนิวเคลียสของสิ่งเจือปนที่ไม่ฟิสไซล์ซึ่งมีอยู่ในแกนกลางเสมอ นอกจากนี้ เมื่อรวมกับฟิชชันแล้ว กระบวนการที่แข่งขันกันของการดักจับรังสีและการกระเจิงแบบไม่ยืดหยุ่นก็สามารถเกิดขึ้นได้

ค่าสัมประสิทธิ์การคูณขึ้นอยู่กับลักษณะของสารฟิสไซล์ และสำหรับไอโซโทปที่กำหนด ขึ้นอยู่กับปริมาณของมัน เช่นเดียวกับขนาดและรูปร่างของโซนที่ทำงานอยู่ ขนาดขั้นต่ำโซนแอคทีฟซึ่งอาจเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ได้ ขนาดที่สำคัญมวลขั้นต่ำของวัสดุฟิสไซล์ที่อยู่ในระบบที่มีมิติวิกฤติที่จำเป็นในการดำเนินการ ปฏิกิริยาลูกโซ่,เรียกว่า มวลวิกฤต

ความเร็วของการพัฒนาปฏิกิริยาลูกโซ่นั้นแตกต่างกัน อนุญาต ที -เวลาเฉลี่ย

ชีวิตของรุ่นหนึ่งและ เอ็น- จำนวนนิวตรอนในรุ่นที่กำหนด ในรุ่นต่อไปมีจำนวนเท่ากัน กิโลนิวตัน,ท. จ. เพิ่มจำนวนนิวตรอนต่อรุ่น dN = กิโลนิวตัน – ยังไม่มีข้อความ = ยังไม่มีข้อความ(เค – 1). การเพิ่มขึ้นของจำนวนนิวตรอนต่อหน่วยเวลา เช่น อัตราการเติบโตของปฏิกิริยาลูกโซ่

. (266.1)

เราได้รับการรวม (266.1)

,

ที่ไหน ยังไม่มี 0คือจำนวนนิวตรอน ณ โมเมนต์เริ่มต้นของเวลา และ เอ็น- จำนวนของพวกเขาในแต่ละครั้ง ที. เอ็นกำหนดโดยเครื่องหมาย ( เค- 1) ที่ เค>1กำลังมา การพัฒนาปฏิกิริยาจำนวนฟิชชันเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องและปฏิกิริยาอาจระเบิดได้ ที่ เค=1 ไป ปฏิกิริยาการพึ่งพาตนเองซึ่งจำนวนนิวตรอนไม่เปลี่ยนแปลงตามเวลา ที่ เค <1 идет ปฏิกิริยาการซีดจาง

ปฏิกิริยาลูกโซ่ ได้แก่ ปฏิกิริยาแบบควบคุมและแบบควบคุมไม่ได้ ตัวอย่างเช่น การระเบิดของระเบิดปรมาณูถือเป็นปฏิกิริยาที่ไม่สามารถควบคุมได้ เพื่อป้องกันไม่ให้ระเบิดปรมาณูระเบิดระหว่างการเก็บรักษา U (หรือ Pu) ในนั้นจะถูกแบ่งออกเป็นสองส่วนที่ห่างจากกันโดยมีมวลต่ำกว่าวิกฤต จากนั้นด้วยความช่วยเหลือของการระเบิดธรรมดา มวลเหล่านี้เข้ามาใกล้กันมากขึ้น มวลรวมของสารฟิสไซล์จะมากกว่ามวลที่สำคัญและเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ระเบิดพร้อมกับการปล่อยพลังงานจำนวนมหาศาลและการทำลายล้างครั้งใหญ่ในทันที . ปฏิกิริยาการระเบิดเริ่มต้นขึ้นเนื่องจากนิวตรอนที่มีอยู่จากฟิชชันที่เกิดขึ้นเอง หรือนิวตรอนจากรังสีคอสมิก จัดการ ปฏิกิริยาลูกโซ่ดำเนินการในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์

การแยกนิวเคลียสของยูเรเนียมถูกค้นพบในปี 1938 โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน O. Hahn และ F. Strassmann พวกเขาสามารถระบุได้ว่าเมื่อนิวเคลียสยูเรเนียมถูกโจมตีด้วยนิวตรอนองค์ประกอบของส่วนตรงกลางของตารางธาตุจะถูกสร้างขึ้น: แบเรียมคริปทอน ฯลฯ การตีความที่ถูกต้องของข้อเท็จจริงนี้ให้โดยนักฟิสิกส์ชาวออสเตรีย L. Meitner และภาษาอังกฤษ นักฟิสิกส์ O. Frisch พวกเขาอธิบายลักษณะขององค์ประกอบเหล่านี้โดยการสลายตัวของนิวเคลียสยูเรเนียมที่จับนิวตรอนออกเป็นสองส่วนเท่า ๆ กันโดยประมาณ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่านิวเคลียร์ฟิชชัน และนิวเคลียสที่เกิดขึ้นเรียกว่าชิ้นส่วนฟิชชัน

ดูสิ่งนี้ด้วย

1. Vasiliev A. การแยกตัวของยูเรเนียม: จาก Klaproth ถึง Hahn // Quantum - 2544. - ฉบับที่ 4. - หน้า 20-21,30.

แบบจำลองหยดของนิวเคลียส

ปฏิกิริยาฟิชชันนี้สามารถอธิบายได้โดยอาศัยแบบจำลองหยดของนิวเคลียส ในแบบจำลองนี้ แกนกลางถือเป็นหยดของของไหลอัดไม่ได้ที่มีประจุไฟฟ้า นอกเหนือจากแรงนิวเคลียร์ที่กระทำระหว่างนิวคลีออนทั้งหมดของนิวเคลียสแล้ว โปรตอนยังได้รับแรงผลักจากไฟฟ้าสถิตเพิ่มเติมอีกด้วย ซึ่งเป็นผลมาจากการที่พวกมันอยู่ที่ขอบนิวเคลียส ในสภาวะที่ไม่ตื่นเต้น แรงผลักไฟฟ้าสถิตจะได้รับการชดเชย ดังนั้นนิวเคลียสจึงมีรูปร่างเป็นทรงกลม (รูปที่ 1, a)

หลังจากที่นิวเคลียส \(~^(235)_(92)U\) จับนิวตรอน นิวเคลียสตัวกลาง \(~(^(236)_(92)U)^*\) จะเกิดขึ้น ซึ่งอยู่ในสภาวะตื่นเต้น สถานะ. ในกรณีนี้ พลังงานนิวตรอนจะกระจายอย่างเท่าเทียมกันในนิวคลีออนทั้งหมด และนิวเคลียสที่อยู่ตรงกลางเองก็มีรูปร่างผิดปกติและเริ่มสั่นสะเทือน หากการกระตุ้นมีน้อยนิวเคลียส (รูปที่ 1, b) จะปลดปล่อยตัวเองจากพลังงานส่วนเกินโดยการปล่อย γ -ควอนตัมหรือนิวตรอน กลับสู่สถานะเสถียร หากพลังงานกระตุ้นสูงเพียงพอ การเสียรูปของแกนกลางในระหว่างการสั่นอาจมีขนาดใหญ่มากจนเกิดเอวขึ้น (รูปที่ 1, c) คล้ายกับเอวระหว่างสองส่วนของของเหลวหยดที่แยกไปสองส่วน แรงนิวเคลียร์ที่กระทำในช่วงเอวแคบไม่สามารถต้านทานแรงคูลอมบ์ที่มีนัยสำคัญจากการผลักกันของส่วนต่าง ๆ ของนิวเคลียสได้อีกต่อไป เอวแตกและแกนกลางก็แตกออกเป็น "ชิ้นส่วน" สองชิ้น (รูปที่ 1, d) ซึ่งบินไปในทิศทางตรงกันข้าม

uran.swfแฟลช: ฟิชชันของยูเรเนียม ขยายภาพแฟลช 2.

ปัจจุบัน ทราบไอโซโทปที่แตกต่างกันประมาณ 100 ไอโซโทปที่มีเลขมวลตั้งแต่ 90 ถึง 145 ซึ่งเป็นผลมาจากการแยกตัวของนิวเคลียสนี้ ปฏิกิริยาฟิชชันทั่วไปสองประการของนิวเคลียสนี้คือ:

\(~^(235)_(92)U + \ ^1_0n \ ^(\แคบ)_(\searrow) \ \begin(เมทริกซ์) ^(144)_(56)Ba + \ ^(89)_( 36)Kr + \ 3^1_0n \\ ^(140)_(54)Xe + \ ^(94)_(38)Sr + \ 2^1_0n \end(เมทริกซ์)\)

โปรดทราบว่าฟิชชันนิวเคลียร์ที่เกิดจากนิวตรอนจะผลิตนิวตรอนใหม่ที่สามารถทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชันในนิวเคลียสอื่นได้ ผลิตภัณฑ์จากฟิชชันของนิวเคลียสยูเรเนียม-235 ยังสามารถเป็นไอโซโทปอื่น ๆ ของแบเรียม, ซีนอน, สตรอนเทียม, รูบิเดียม ฯลฯ

เมื่อนิวเคลียสของฟิชชันของอะตอมหนัก (\(~^(235)_(92)U\)) พลังงานขนาดใหญ่มากจะถูกปล่อยออกมา - ประมาณ 200 MeV ในระหว่างฟิชชันของแต่ละนิวเคลียส พลังงานประมาณ 80% ถูกปล่อยออกมาเป็นพลังงานจลน์ของชิ้นส่วน ส่วนที่เหลืออีก 20% มาจากพลังงานของรังสีกัมมันตภาพรังสีจากชิ้นส่วนและพลังงานจลน์ของนิวตรอนพร้อมท์

การประมาณพลังงานที่ปล่อยออกมาระหว่างการแยกตัวของนิวเคลียร์สามารถทำได้โดยใช้พลังงานยึดเหนี่ยวจำเพาะของนิวคลีออนในนิวเคลียส พลังงานยึดเหนี่ยวจำเพาะของนิวคลีออนในนิวเคลียสที่มีเลขมวล กµ240 อยู่ในลำดับ 7.6 MeV/นิวคลีออน ขณะอยู่ในนิวเคลียสที่มีเลขมวล กพลังงานจำเพาะ = 90 – 145 มีค่าประมาณ 8.5 MeV/นิวคลีออน ด้วยเหตุนี้ ฟิชชันของนิวเคลียสของยูเรเนียมจึงปล่อยพลังงานประมาณ 0.9 MeV/นิวคลีออน หรือประมาณ 210 MeV ต่ออะตอมของยูเรเนียม การแบ่งแยกนิวเคลียสโดยสมบูรณ์ของยูเรเนียม 1 กรัมจะปล่อยพลังงานเท่ากับการเผาไหม้ถ่านหิน 3 ตันหรือน้ำมัน 2.5 ตัน

ดูสิ่งนี้ด้วย

1. วาร์ลามอฟ เอ.เอ. แบบจำลองหยดของนิวเคลียส //ควอนตัม - พ.ศ. 2529 - ฉบับที่ 5. - หน้า 23-24

ปฏิกิริยาลูกโซ่

ปฏิกิริยาลูกโซ่- ปฏิกิริยานิวเคลียร์ซึ่งอนุภาคที่ก่อให้เกิดปฏิกิริยาเกิดขึ้นเป็นผลผลิตจากปฏิกิริยานี้

เมื่อนิวเคลียสฟิชชันของยูเรเนียม-235 ซึ่งเกิดจากการชนกับนิวตรอน จะปล่อยนิวตรอน 2 หรือ 3 ตัวออกมา ภายใต้สภาวะที่เอื้ออำนวย นิวตรอนเหล่านี้สามารถชนนิวเคลียสของยูเรเนียมอื่นและทำให้เกิดฟิชชันได้ ในขั้นตอนนี้นิวตรอนจะปรากฏขึ้นตั้งแต่ 4 ถึง 9 นิวเคลียสซึ่งสามารถทำให้นิวเคลียสยูเรเนียมสลายตัวใหม่ได้ ฯลฯ กระบวนการคล้ายหิมะถล่มดังกล่าวเรียกว่าปฏิกิริยาลูกโซ่ แผนภาพแสดงการพัฒนาปฏิกิริยาลูกโซ่ของฟิชชันของนิวเคลียสยูเรเนียมแสดงไว้ในรูปที่ 1 3.

reakcia.swfแฟลช: ปฏิกิริยาลูกโซ่ ขยายแฟลช รูปที่. 4.

ยูเรเนียมเกิดขึ้นในธรรมชาติในรูปของไอโซโทปสองชนิด \[~^(238)_(92)U\] (99.3%) และ \(~^(235)_(92)U\) (0.7%) เมื่อถูกโจมตีด้วยนิวตรอน นิวเคลียสของไอโซโทปทั้งสองสามารถแยกออกเป็นสองส่วนได้ ในกรณีนี้ ปฏิกิริยาฟิชชัน \(~^(235)_(92)U\) เกิดขึ้นอย่างหนาแน่นที่สุดกับนิวตรอนที่ช้า (ความร้อน) ในขณะที่นิวเคลียส \(~^(238)_(92)U\) ทำปฏิกิริยาฟิชชัน เฉพาะกับนิวตรอนเร็วที่มีพลังงานประมาณ 1 MeV มิฉะนั้น พลังงานกระตุ้นของนิวเคลียสที่เกิดขึ้น \(~^(239)_(92)U\) ไม่เพียงพอสำหรับฟิชชัน จากนั้นปฏิกิริยานิวเคลียร์ก็เกิดขึ้นแทนฟิชชัน:

\(~^(238)_(92)U + \ ^1_0n \to \ ^(239)_(92)U \to \ ^(239)_(93)Np + \ ^0_(-1)e\ ) .

ไอโซโทปยูเรเนียม \(~^(238)_(92)U\) β -กัมมันตภาพรังสี ครึ่งชีวิต 23 นาที ไอโซโทปเนปทูเนียม \(~^(239)_(93)Np\) ก็มีกัมมันตภาพรังสีเช่นกัน โดยมีครึ่งชีวิตประมาณ 2 วัน

\(~^(239)_(93)Np \to \ ^(239)_(94)Pu + \ ^0_(-1)e\)

ไอโซโทปพลูโทเนียม \(~^(239)_(94)Np\) ค่อนข้างเสถียร โดยมีครึ่งชีวิต 24,000 ปี คุณสมบัติที่สำคัญที่สุดของพลูโทเนียมคือสามารถฟิชไซล์ได้ภายใต้อิทธิพลของนิวตรอนในลักษณะเดียวกับ \(~^(235)_(92)U\) ดังนั้น ด้วยความช่วยเหลือของ \(~^(239)_(94)Np\) ปฏิกิริยาลูกโซ่จึงสามารถเกิดขึ้นได้

แผนภาพปฏิกิริยาลูกโซ่ที่กล่าวถึงข้างต้นแสดงถึงกรณีในอุดมคติ ในสภาวะจริง ไม่ใช่ว่านิวตรอนทั้งหมดที่ผลิตขึ้นระหว่างฟิชชันจะมีส่วนร่วมในการแบ่งแยกนิวเคลียสของนิวเคลียสอื่นๆ บางส่วนถูกจับโดยนิวเคลียสที่ไม่แยกตัวของอะตอมแปลกปลอม บางส่วนบินออกจากยูเรเนียม (การรั่วไหลของนิวตรอน)

ดังนั้นปฏิกิริยาลูกโซ่ของการแตกตัวของนิวเคลียสหนักจึงไม่เกิดขึ้นเสมอไปและไม่ได้เกิดขึ้นกับมวลของยูเรเนียมใดๆ เลย

ตัวคูณการคูณนิวตรอน

การพัฒนาปฏิกิริยาลูกโซ่มีลักษณะเฉพาะโดยสิ่งที่เรียกว่าปัจจัยการคูณนิวตรอน ถึงซึ่งวัดจากอัตราส่วนของจำนวน เอ็นฉัน นิวตรอนทำให้เกิดฟิชชันของนิวเคลียสของสารที่ขั้นตอนหนึ่งของปฏิกิริยาตามจำนวน เอ็นนิวตรอน i-1 ที่ทำให้เกิดฟิชชันในขั้นตอนก่อนหน้าของปฏิกิริยา:

\(~K = \dfrac(N_i)(N_(i - 1))\) .

ค่าสัมประสิทธิ์การคูณขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับธรรมชาติและปริมาณของสารฟิสไซล์ และรูปทรงทางเรขาคณิตของปริมาตรที่วัตถุนั้นครอบครอง สารที่กำหนดในปริมาณเท่ากันมีความหมายต่างกัน ถึง. ถึงสูงสุดหากสารมีรูปร่างเป็นทรงกลม เนื่องจากในกรณีนี้ การสูญเสียนิวตรอนพร้อมต์ผ่านพื้นผิวจะมีน้อยมาก

มวลของวัสดุฟิสไซล์ที่เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ด้วยปัจจัยการคูณ ถึง= 1 เรียกว่ามวลวิกฤต ในยูเรเนียมชิ้นเล็กๆ นิวตรอนส่วนใหญ่จะบินออกมาโดยไม่ชนนิวเคลียสใดๆ

ค่าของมวลวิกฤตถูกกำหนดโดยเรขาคณิตของระบบฟิสิกส์ โครงสร้าง และสภาพแวดล้อมภายนอก ดังนั้น สำหรับลูกบอลยูเรเนียมบริสุทธิ์ \(~^(235)_(92)U\) มวลวิกฤตคือ 47 กิโลกรัม (ลูกบอลที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 17 ซม.) มวลวิกฤติของยูเรเนียมสามารถลดลงได้หลายครั้งโดยใช้สิ่งที่เรียกว่าตัวหน่วงนิวตรอน ความจริงก็คือนิวตรอนที่ผลิตขึ้นระหว่างการสลายตัวของนิวเคลียสยูเรเนียมมีความเร็วสูงเกินไป และความน่าจะเป็นที่จะจับนิวตรอนที่ช้าโดยนิวเคลียสยูเรเนียม-235 นั้นมากกว่านิวเคลียสเร็วหลายร้อยเท่า ตัวหน่วงนิวตรอนที่ดีที่สุดคือน้ำหนัก D 2 O เมื่อทำปฏิกิริยากับนิวตรอน น้ำธรรมดาเองก็จะกลายเป็นน้ำหนัก

กราไฟต์ซึ่งนิวเคลียสไม่ดูดซับนิวตรอนก็เป็นตัวหน่วงที่ดีเช่นกัน ในระหว่างปฏิกิริยายืดหยุ่นกับดิวทีเรียมหรือนิวเคลียสของคาร์บอน นิวตรอนจะช้าลงจนมีความเร็วตามความร้อน

การใช้ตัวหน่วงนิวตรอนและเปลือกเบริลเลียมพิเศษซึ่งสะท้อนนิวตรอน ทำให้สามารถลดมวลวิกฤตลงเหลือ 250 กรัม

ด้วยอัตราการคูณ ถึง= 1 จำนวนนิวเคลียสฟิชชันจะคงอยู่ที่ระดับคงที่ โหมดนี้มีให้ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์

ถ้ามวลของเชื้อเพลิงนิวเคลียร์น้อยกว่ามวลวิกฤติ แสดงว่าปัจจัยการคูณ ถึง < 1; каждое новое поколение вызывает все меньшее и меньшее число делений, и реакция без внешнего источника нейтронов быстро затухает.

ถ้ามวลของเชื้อเพลิงนิวเคลียร์มากกว่ามวลวิกฤต แสดงว่าปัจจัยการคูณ ถึง> 1 และนิวตรอนรุ่นใหม่แต่ละเจเนอเรชั่นจะทำให้เกิดการแตกตัวเพิ่มมากขึ้น ปฏิกิริยาลูกโซ่เติบโตเหมือนหิมะถล่มและมีลักษณะเป็นการระเบิดพร้อมกับการปลดปล่อยพลังงานมหาศาลและอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น สิ่งแวดล้อมสูงถึงหลายล้านองศา ปฏิกิริยาลูกโซ่ประเภทนี้เกิดขึ้นเมื่อระเบิดปรมาณูระเบิด

ระเบิดนิวเคลียร์

ในสภาวะปกติระเบิดนิวเคลียร์จะไม่ระเบิดเนื่องจากประจุนิวเคลียร์ในนั้นถูกแบ่งออกเป็นส่วนเล็ก ๆ หลายส่วนโดยฉากกั้นที่ดูดซับผลิตภัณฑ์ที่สลายตัวของยูเรเนียม - นิวตรอน ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ที่ทำให้เกิดการระเบิดของนิวเคลียร์ไม่สามารถคงอยู่ได้ภายใต้สภาวะดังกล่าว อย่างไรก็ตาม หากชิ้นส่วนของประจุนิวเคลียร์ถูกรวมเข้าด้วยกัน มวลรวมของพวกมันก็จะเพียงพอสำหรับปฏิกิริยาลูกโซ่ของการฟิชชันของยูเรเนียมที่จะเริ่มพัฒนา ผลที่ตามมาคือการระเบิดของนิวเคลียร์ ในกรณีนี้ พลังการระเบิดได้พัฒนาขึ้น ระเบิดนิวเคลียร์ขนาดค่อนข้างเล็กเทียบเท่ากับกำลังที่ปล่อยออกมาระหว่างการระเบิดของทีเอ็นทีจำนวนหลายล้านล้านตัน

ข้าว. 5. ระเบิดปรมาณู

พลังงาน E ที่ปล่อยออกมาระหว่างฟิชชันจะเพิ่มขึ้นตามการเพิ่มขึ้นของ Z 2 /A ค่าของ Z 2 /A = 17 สำหรับ 89 Y (อิตเทรียม) เหล่านั้น. ฟิชชันมีผลดีต่อนิวเคลียสทั้งหมดที่หนักกว่าอิตเทรียม เหตุใดนิวเคลียสส่วนใหญ่จึงมีความทนทานต่อฟิชชันที่เกิดขึ้นเอง ในการตอบคำถามนี้จำเป็นต้องพิจารณากลไกการแบ่ง

ในระหว่างกระบวนการฟิชชัน รูปร่างของนิวเคลียสจะเปลี่ยนไป แกนกลางตามลำดับผ่านขั้นตอนต่อไปนี้ (รูปที่ 7.1): ลูกบอล, ทรงรี, ดัมเบล, ชิ้นส่วนรูปลูกแพร์สองชิ้น, ชิ้นส่วนทรงกลมสองชิ้น พลังงานศักย์ของนิวเคลียสเปลี่ยนแปลงอย่างไรในแต่ละระยะของฟิชชัน?
แกนเริ่มต้นพร้อมกำลังขยาย รอยู่ในรูปแบบของการปฏิวัติทรงรีที่ยาวขึ้นเรื่อยๆ ในกรณีนี้เนื่องจากการวิวัฒนาการของรูปร่างของนิวเคลียสการเปลี่ยนแปลงของพลังงานศักย์นั้นถูกกำหนดโดยการเปลี่ยนแปลงของผลรวมของพื้นผิวและพลังงานคูลอมบ์ E p + E k ในกรณีนี้พลังงานพื้นผิวจะเพิ่มขึ้นเมื่อ พื้นที่ผิวของนิวเคลียสเพิ่มขึ้น พลังงานคูลอมบ์จะลดลงเมื่อระยะห่างเฉลี่ยระหว่างโปรตอนเพิ่มขึ้น ภายใต้การเสียรูปเล็กน้อยซึ่งมีคุณลักษณะด้วยพารามิเตอร์ขนาดเล็ก แกนกลางเดิมได้มีรูปร่างเป็นทรงรีสมมาตรตามแนวแกน พลังงานพื้นผิว E" p และพลังงานคูลอมบ์ E" k เป็นฟังก์ชันของพารามิเตอร์การเปลี่ยนรูปจะเปลี่ยนไปดังต่อไปนี้:

ในอัตราส่วน (7.4–7.5) อีและ อี k คือพลังงานพื้นผิวและคูลอมบ์ของนิวเคลียสทรงกลมเริ่มต้นที่สมมาตรกัน
ในบริเวณนิวเคลียสหนัก 2E p > E k และผลรวมของพื้นผิวและพลังงานคูลอมบ์จะเพิ่มขึ้นตามการเพิ่มขึ้น จาก (7.4) และ (7.5) ตามมาว่าเมื่อมีการเปลี่ยนรูปเล็กน้อย พลังงานพื้นผิวที่เพิ่มขึ้นจะป้องกันการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของนิวเคลียสเพิ่มเติม และผลที่ตามมาคือฟิชชัน
ความสัมพันธ์ (7.5) ใช้ได้สำหรับการเสียรูปเล็กน้อย หากการเสียรูปมากจนแกนกลางมีรูปร่างเหมือนดัมเบลล์ พื้นผิวและแรงคูลอมบ์มีแนวโน้มที่จะแยกแกนกลางออกและทำให้ชิ้นส่วนมีรูปร่างเป็นทรงกลม ดังนั้นเมื่อความผิดปกติของนิวเคลียสเพิ่มขึ้นทีละน้อยพลังงานศักย์ของมันจะผ่านไปสูงสุด กราฟแสดงการเปลี่ยนแปลงของพื้นผิวและพลังงานคูลอมบ์ของนิวเคลียสขึ้นอยู่กับ r แสดงในรูปที่ 1 7.2.

การปรากฏตัวของสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้นจะช่วยป้องกันการแบ่งตัวของนิวเคลียสที่เกิดขึ้นเองในทันที ในการที่จะแยกนิวเคลียสได้นั้น จะต้องให้พลังงาน Q ซึ่งเกินความสูงของตัวกั้นฟิชชัน H พลังงานศักย์สูงสุดของนิวเคลียสฟิชชัน E + H (เช่น ทองคำ) ออกเป็นสองส่วนที่เหมือนกันคือ data 173 MeV และปริมาณพลังงาน E ที่ปล่อยออกมาระหว่างฟิชชันคือ 132 MeV ดังนั้นเมื่อนิวเคลียสของทองคำแตกตัว จำเป็นต้องเอาชนะสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้นซึ่งมีความสูงประมาณ 40 MeV
ความสูงของแผงกั้นฟิชชัน H จะมากขึ้น อัตราส่วนของคูลอมบ์และพลังงานพื้นผิว E ต่อ /E p ในนิวเคลียสเริ่มต้นก็จะยิ่งต่ำลง อัตราส่วนนี้จะเพิ่มขึ้นตามพารามิเตอร์การหารที่เพิ่มขึ้น Z 2 /A (7.3) ยิ่งนิวเคลียสหนักมาก ความสูงของแผงกั้นฟิชชัน H ก็จะยิ่งต่ำลง เนื่องจากพารามิเตอร์ฟิชชัน โดยสมมติว่า Z เป็นสัดส่วนกับ A จะเพิ่มขึ้นตามเลขมวลที่เพิ่มขึ้น:

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

(7.6)

ดังนั้นโดยทั่วไปนิวเคลียสที่หนักกว่าจึงต้องให้พลังงานน้อยลงเพื่อทำให้เกิดฟิชชันของนิวเคลียร์
ความสูงของสิ่งกีดขวางฟิชชันหายไปที่ 2E p – E k = 0 (7.5) ในกรณีนี้

2E p /E k = 2(ก 2 A)/(ก 3 Z 2)

Z 2 /A = 2a 2 /(a 3 Z 2) กลับไปยัง 49

ดังนั้น ตามแบบจำลองหยด นิวเคลียสที่มี Z 2 /A > 49 ไม่สามารถดำรงอยู่ในธรรมชาติได้ เนื่องจากพวกมันจะต้องเกือบจะในทันทีภายในเวลานิวเคลียร์ลักษณะเฉพาะประมาณ 10–22 วินาที โดยแบ่งออกเป็นสองส่วนตามธรรมชาติ การขึ้นอยู่กับรูปร่างและความสูงของสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้น H รวมถึงพลังงานฟิชชันกับค่าของพารามิเตอร์ Z 2 /A แสดงในรูปที่ 1 7.3.

ข้าว. 7.3. การพึ่งพารัศมีของรูปร่างและความสูงของสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้นและพลังงานฟิชชัน E ที่ค่าต่าง ๆ ของพารามิเตอร์ Z 2 /A ค่า E p + E k ถูกพล็อตบนแกนตั้ง

การแบ่งนิวเคลียสที่เกิดขึ้นเองด้วย Z 2 /A< 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 ปีสำหรับ 232 ถึง 0.3 วินาทีสำหรับ 260 Rf
บังคับให้เกิดฟิชชันของนิวเคลียสด้วย 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.
ค่าต่ำสุดของพลังงานกระตุ้นของนิวเคลียสสารประกอบ E* ที่เกิดขึ้นระหว่างการจับนิวตรอนจะเท่ากับพลังงานการจับนิวตรอนในนิวเคลียส ε n นี้ ตารางที่ 7.1 เปรียบเทียบความสูงของกั้น H และพลังงานการจับกับนิวตรอน ε n สำหรับไอโซโทป Th, U และ Pu ที่เกิดขึ้นหลังจากการจับนิวตรอน พลังงานยึดเหนี่ยวของนิวตรอนขึ้นอยู่กับจำนวนนิวตรอนในนิวเคลียส เนื่องจากพลังงานการจับคู่ พลังงานการจับของนิวตรอนคู่จึงมากกว่าพลังงานการจับของนิวตรอนคี่

ตารางที่ 7.1

ความสูงของกั้นฟิชชัน H, พลังงานจับนิวตรอน ε n

ไอโซโทป	ความสูงของสิ่งกีดขวางฟิชชัน H, MeV	ไอโซโทป	พลังงานจับนิวตรอน ε n
232 พ	5.9	233 พ	4.79
233U	5.5	234U	6.84
235U	5.75	236U	6.55
238 คุณ	5.85	239U	4.80
239 ปู่	5.5	240 ปู่	6.53

คุณลักษณะเฉพาะของฟิชชันคือตามกฎแล้วชิ้นส่วนจะมีมวลต่างกัน ในกรณีของฟิชชันที่น่าจะเป็นไปได้มากที่สุดคือ 235 U อัตราส่วนมวลของชิ้นส่วนจะอยู่ที่ค่าเฉลี่ย ~ 1.5 การกระจายมวลของชิ้นส่วนจากฟิชชันของ 235 U โดยนิวตรอนความร้อนแสดงไว้ในรูปที่ 1 7.4. สำหรับฟิชชันที่เป็นไปได้มากที่สุด ชิ้นส่วนหนักจะมีเลขมวล 139 ชิ้นเบา - 95 ในบรรดาผลิตภัณฑ์จากฟิชชันนั้น มีชิ้นส่วนที่มี A = 72 - 161 และ Z = 30 - 65 ความน่าจะเป็นของฟิชชันออกเป็นสองชิ้นส่วนของ มวลเท่ากันไม่เป็นศูนย์ เมื่อ 235 U ถูกฟิชชันด้วยนิวตรอนความร้อน ความน่าจะเป็นของฟิชชันแบบสมมาตรจะมีขนาดน้อยกว่าในกรณีของฟิชชันที่น่าจะเป็นไปได้มากที่สุดคือแฟรกเมนต์ที่มี A = 139 และ 95
การแบ่งแบบอสมมาตรอธิบายได้จากโครงสร้างเปลือกของนิวเคลียส นิวเคลียสมีแนวโน้มที่จะแยกออกในลักษณะที่ส่วนหลักของนิวคลีออนของแต่ละชิ้นส่วนก่อให้เกิดโครงกระดูกเวทย์มนตร์ที่มั่นคงที่สุด
อัตราส่วนของจำนวนนิวตรอนต่อจำนวนโปรตอนในนิวเคลียส 235 U N/Z = 1.55 ในขณะที่ไอโซโทปเสถียรที่มีเลขมวลใกล้กับจำนวนมวลของชิ้นส่วน อัตราส่วนนี้คือ 1.25 − 1.45 ผลที่ตามมาคือชิ้นส่วนฟิชชันมีนิวตรอนมากเกินไปและจะต้องเป็นเช่นนั้น
β - กัมมันตภาพรังสี ดังนั้น ชิ้นส่วนฟิชชันจะมีการสลายตัวของ β - ต่อเนื่องกัน และประจุของชิ้นส่วนหลักสามารถเปลี่ยนแปลงได้ 4 - 6 หน่วย ด้านล่างนี้เป็นห่วงโซ่การสลายตัวของกัมมันตรังสีโดยทั่วไปที่ 97 Kr ซึ่งเป็นหนึ่งในชิ้นส่วนที่เกิดขึ้นระหว่างการแบ่งตัวของ 235 U:

การกระตุ้นของชิ้นส่วนที่เกิดจากการละเมิดอัตราส่วนของจำนวนโปรตอนและนิวตรอนซึ่งเป็นลักษณะของนิวเคลียสที่เสถียรก็ถูกลบออกเช่นกันเนื่องจากการปลดปล่อยนิวตรอนฟิชชันที่รวดเร็ว นิวตรอนเหล่านี้ถูกปล่อยออกมาจากการเคลื่อนย้ายชิ้นส่วนในเวลาน้อยกว่า ~ 10 -14 วินาที โดยเฉลี่ยแล้ว จะมีการปล่อยนิวตรอนพรอมต์ 2–3 นิวตรอนในแต่ละเหตุการณ์ฟิชชัน สเปกตรัมพลังงานของพวกมันต่อเนื่องกันสูงสุดประมาณ 1 MeV พลังงานเฉลี่ยของนิวตรอนพร้อมต์มีค่าใกล้เคียงกับ 2 MeV การปล่อยนิวตรอนมากกว่าหนึ่งนิวตรอนในแต่ละเหตุการณ์ฟิชชันทำให้สามารถรับพลังงานผ่านปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชันนิวเคลียร์ได้
ด้วยฟิชชันที่น่าจะเป็นไปได้มากที่สุดที่ 235 U ด้วยนิวตรอนความร้อน ชิ้นส่วนแสง (A = 95) จะได้พลังงานจลน์เท่ากับ 100 MeV และชิ้นส่วนหนัก (A = 139) จะได้พลังงานจลน์ประมาณ 67 MeV ดังนั้น พลังงานจลน์รวมของชิ้นส่วนคือ data 167 MeV พลังงานฟิชชันทั้งหมดในกรณีนี้คือ 200 MeV ดังนั้นพลังงานที่เหลืออยู่ (33 MeV) จะถูกกระจายไปยังผลิตภัณฑ์ฟิชชันอื่นๆ (นิวตรอน อิเล็กตรอน และแอนตินิวตริโนจากชิ้นส่วนที่สลายตัว β รังสี γ จากชิ้นส่วนและผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการสลายตัวของพวกมัน) การกระจายพลังงานฟิชชันระหว่างผลิตภัณฑ์ต่างๆ ในระหว่างการฟิชชันของ 235 U โดยนิวตรอนความร้อนแสดงไว้ในตารางที่ 7.2

ตารางที่ 7.2

การกระจายพลังงานฟิชชัน 235 U นิวตรอนความร้อน

ผลิตภัณฑ์นิวเคลียร์ฟิชชัน (NFP) เป็นส่วนผสมที่ซับซ้อนมากกว่า 200 ชนิด ไอโซโทปกัมมันตภาพรังสี 36 ธาตุ (ตั้งแต่สังกะสีไปจนถึงแกโดลิเนียม) กิจกรรมส่วนใหญ่มาจากนิวไคลด์กัมมันตภาพรังสีที่มีอายุสั้น ดังนั้น 7, 49 และ 343 วันหลังการระเบิด กิจกรรม PYD จะลดลง 10, 100 และ 1,000 เท่า ตามลำดับ เมื่อเทียบกับกิจกรรมหนึ่งชั่วโมงหลังการระเบิด ผลผลิตของนิวไคลด์กัมมันตรังสีที่มีนัยสำคัญทางชีวภาพมากที่สุดแสดงไว้ในตารางที่ 7.3 นอกจาก PYN แล้ว การปนเปื้อนของสารกัมมันตภาพรังสียังเกิดจากนิวไคลด์กัมมันตภาพรังสีของกิจกรรมเหนี่ยวนำ (3 H, 14 C, 28 Al, 24 Na, 56 Mn, 59 Fe, 60 Co เป็นต้น) และส่วนที่ไม่มีการแบ่งแยกของยูเรเนียมและพลูโทเนียม บทบาทของกิจกรรมเหนี่ยวนำระหว่างเทอร์โม การระเบิดของนิวเคลียร์.

ตารางที่ 7.3

การปล่อยผลิตภัณฑ์ฟิชชันบางส่วนจากการระเบิดของนิวเคลียร์

นิวไคลด์กัมมันตภาพรังสี	ครึ่งชีวิต	ผลผลิตต่อส่วน, %	กิจกรรมต่อ 1 Mt 10 15 ตร.ม
89 ซีเนียร์	50.5 วัน	2.56	590
90 ซีเนียร์	29.12 ปี	3.5	3.9
95 ซร	65 วัน	5.07	920
103 รุ	41 วัน	5.2	1500
106 รุ	365 วัน	2.44	78
131 ไอ	8.05 วัน	2.9	4200
136 ค	13.2 วัน	0.036	32
137 ค	30 ปี	5.57	5.9
140 บ	12.8 วัน	5.18	4700
141 ค	32.5 วัน	4.58	1600
144 ค	288 วัน	4.69	190
3 ชม	12.3 ปี	0.01	2.6·10 -2

ในระหว่างการระเบิดของนิวเคลียร์ในชั้นบรรยากาศ ส่วนสำคัญของการตกตะกอน (มากถึง 50% สำหรับการระเบิดภาคพื้นดิน) จะตกใกล้กับพื้นที่ทดสอบ สารกัมมันตภาพรังสีบางชนิดยังคงอยู่ที่ส่วนล่างของชั้นบรรยากาศ และเคลื่อนที่ไปในระยะทางไกลภายใต้อิทธิพลของลม โดยคงอยู่ที่ละติจูดเดียวกันโดยประมาณ สารกัมมันตภาพรังสีที่อยู่ในอากาศประมาณหนึ่งเดือนจะค่อยๆ ตกลงสู่พื้นโลกในระหว่างการเคลื่อนไหวนี้ นิวไคลด์กัมมันตรังสีส่วนใหญ่ถูกปล่อยออกสู่ชั้นสตราโตสเฟียร์ (ที่ความสูง 10-15 กม.) ซึ่งพวกมันจะกระจายไปทั่วโลกและสลายตัวไปเป็นส่วนใหญ่
องค์ประกอบโครงสร้างต่างๆ ของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์มีความกระตือรือร้นสูงมานานหลายทศวรรษ (ตารางที่ 7.4)

ตารางที่ 7.4

ค่ากิจกรรมเฉพาะ ​​(Bq/t ยูเรเนียม) ของผลิตภัณฑ์ฟิชชันหลักในองค์ประกอบเชื้อเพลิงที่ถูกลบออกจากเครื่องปฏิกรณ์หลังจากสามปีของการทำงาน

นิวไคลด์กัมมันตภาพรังสี	0	1 วัน	120 วัน	1 ปี		10 ปี
85 ก	5. 78· 10 14	5. 78· 10 14	5. 66· 10 14	5. 42· 10 14	4. 7· 10 14	3. 03· 10 14
89 ซีเนียร์	4. 04· 10 16	3. 98· 10 16	5. 78· 10 15	2. 7· 10 14	1. 2· 10 10
90 ซีเนียร์	3. 51· 10 15	3. 51· 10 15	3. 48· 10 15	3. 43· 10 15	3. 26· 10 15	2. 75· 10 15
95 ซร	7. 29· 10 16	7. 21· 10 16	1. 99· 10 16	1. 4· 10 15	5. 14· 10 11
95 นบี	7. 23· 10 16	7. 23· 10 16	3. 57· 10 16	3. 03· 10 15	1. 14· 10 12
103 รุ	7. 08· 10 16	6. 95· 10 16	8. 55· 10 15	1. 14· 10 14	2. 97· 10 8
106 รุ	2. 37· 10 16	2. 37· 10 16	1. 89· 10 16	1. 19· 10 16	3. 02· 10 15	2. 46· 10 13
131 ไอ	4. 49· 10 16	4. 19· 10 16	1. 5· 10 12	1. 01· 10 3
134 ค	7. 50· 10 15	7. 50· 10 15	6. 71· 10 15	5. 36· 10 15	2. 73· 10 15	2. 6· 10 14
137 ค	4. 69· 10 15	4. 69· 10 15	4. 65· 10 15	4. 58· 10 15	4. 38· 10 15	3. 73· 10 15
140 บ	7. 93· 10 16	7. 51· 10 16	1. 19· 10 14	2. 03· 10 8
140 ลา	8. 19· 10 16	8. 05· 10 16	1. 37· 10 14	2. 34· 10 8
141 ซี	7. 36· 10 16	7. 25· 10 16	5. 73· 10 15	3. 08· 10 13	5. 33· 10 6
144 ซี	5. 44· 10 16	5. 44· 10 16	4. 06· 10 16	2. 24· 10 16	3. 77· 10 15	7. 43· 10 12
143 น	6. 77· 10 16	6. 70· 10 16	1. 65· 10 14	6. 11· 10 8
147 น	7. 05·10 15	7. 05· 10 15	6. 78· 10 15	5. 68· 10 15	3. 35· 10 14

นิวเคลียร์- กระบวนการแยกนิวเคลียสของอะตอมออกเป็นสองนิวเคลียส (น้อยกว่าสาม) นิวเคลียสที่มีมวลใกล้เคียงกัน เรียกว่าชิ้นส่วนฟิชชัน ผลจากฟิชชันทำให้เกิดผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยาอื่นๆ ได้เช่นกัน เช่น นิวเคลียสเบา (ส่วนใหญ่เป็นอนุภาคแอลฟา) นิวตรอน และแกมมาควอนต้า ฟิชชันสามารถเกิดขึ้นเองได้ (เกิดขึ้นเอง) และถูกบังคับ (อันเป็นผลมาจากอันตรกิริยากับอนุภาคอื่น โดยหลักๆ กับนิวตรอน) การแยกตัวของนิวเคลียสหนักเป็นกระบวนการคายความร้อนซึ่งเป็นผลมาจากการที่พลังงานจำนวนมากถูกปล่อยออกมาในรูปของพลังงานจลน์ของผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยารวมถึงการแผ่รังสี ฟิชชันนิวเคลียร์ทำหน้าที่เป็นแหล่งพลังงานในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์และอาวุธนิวเคลียร์ กระบวนการฟิชชันสามารถเกิดขึ้นได้เฉพาะเมื่อพลังงานศักย์ของสถานะเริ่มต้นของนิวเคลียสฟิชชันเกินกว่าผลรวมของมวลของชิ้นส่วนฟิชชัน เนื่องจากพลังงานยึดเหนี่ยวจำเพาะของนิวเคลียสหนักลดลงตามมวลที่เพิ่มขึ้น สภาวะนี้จึงเป็นที่พอใจสำหรับนิวเคลียสเกือบทั้งหมดที่มีเลขมวล

อย่างไรก็ตาม ตามที่ประสบการณ์แสดงให้เห็น แม้แต่การแยกตัวของนิวเคลียสที่หนักที่สุดโดยธรรมชาติและมีความน่าจะเป็นที่ต่ำมาก ซึ่งหมายความว่ามีสิ่งกีดขวางด้านพลังงาน ( สิ่งกีดขวางฟิชชัน) ป้องกันการแตกแยก มีการใช้แบบจำลองหลายแบบเพื่ออธิบายกระบวนการฟิชชันของนิวเคลียร์ รวมถึงการคำนวณอุปสรรคจากฟิชชัน แต่ไม่มีแบบจำลองใดที่สามารถอธิบายกระบวนการนี้ได้อย่างสมบูรณ์

ความจริงที่ว่าพลังงานถูกปล่อยออกมาในระหว่างการแตกตัวของนิวเคลียสหนักตามมาโดยตรงจากการพึ่งพาพลังงานการจับยึดจำเพาะ ε = แสง E (A,Z)/A จากเลขมวล A เมื่อมีฟิชชันของนิวเคลียสหนัก นิวเคลียสที่เบากว่าจะก่อตัวขึ้นโดยนิวคลีออนจะถูกจับกันอย่างแน่นหนามากขึ้น และพลังงานส่วนหนึ่งจะถูกปล่อยออกมาในระหว่างการฟิชชัน ตามกฎแล้ว การแยกตัวของนิวเคลียร์จะมาพร้อมกับการปล่อยนิวตรอน 1–4 ตัว ขอให้เราแสดงพลังงานฟิชชัน Q ในรูปของพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสเริ่มต้นและนิวเคลียสสุดท้าย เราเขียนพลังงานของนิวเคลียสตั้งต้น ซึ่งประกอบด้วย Z โปรตอนและ N นิวตรอน และมีมวล M(A,Z) และพลังงานยึดเหนี่ยว E st (A,Z) ในรูปแบบต่อไปนี้:

M(A,Z)c 2 = (Zm p + Nm n)c 2 - E เซนต์ (A,Z)

การแบ่งนิวเคลียส (A,Z) ออกเป็น 2 ส่วน (A 1,Z 1) และ (A 2,Z 2) มาพร้อมกับการก่อตัวของ N n = A – A 1 – A 2 นิวตรอนพร้อมท์ ถ้านิวเคลียส (A,Z) แตกออกเป็นชิ้น ๆ มีมวล M 1 (A 1 ,Z 1), M 2 (A 2 ,Z 2) และพลังงานยึดเหนี่ยว E св1 (A 1,Z 1), E св2 (A 2 , Z 2) จากนั้นสำหรับพลังงานฟิชชัน เราจะได้นิพจน์:

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. ทฤษฎีเบื้องต้นเกี่ยวกับฟิชชัน

ในปี 1939 น. บและ เจ. วีลเลอร์, และ ครับ เฟรนเคิลนานก่อนที่ฟิชชันจะได้รับการศึกษาเชิงทดลองอย่างครอบคลุม มีการเสนอทฤษฎีของกระบวนการนี้ตามแนวคิดที่ว่านิวเคลียสเป็นของเหลวที่มีประจุหยดหนึ่ง

พลังงานที่ปล่อยออกมาระหว่างฟิชชันสามารถรับได้โดยตรงจาก สูตรไวซ์แซคเกอร์

ขอให้เราคำนวณปริมาณพลังงานที่ปล่อยออกมาระหว่างฟิชชันของนิวเคลียสหนัก ให้เราใช้แทน (f.2) นิพจน์สำหรับพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียส (f.1) โดยสมมติว่า A 1 = 240 และ Z 1 = 90 โดยละเลยพจน์สุดท้ายใน (f.1) เนื่องจากมีขนาดเล็กและการแทนที่ ค่าของพารามิเตอร์ a 2 และ a 3 เราได้รับ

จากนี้ เราพบว่าฟิชชันมีความเอื้ออำนวยอย่างมากเมื่อ Z 2 /A > 17 ค่าของ Z 2 /A เรียกว่าพารามิเตอร์ฟิชชัน พลังงาน E ที่ปล่อยออกมาระหว่างฟิชชันจะเพิ่มขึ้นเมื่อเพิ่ม Z 2 /A; Z 2 /A = 17 สำหรับนิวเคลียสในบริเวณอิตเทรียมและเซอร์โคเนียม จากการประมาณการที่ได้รับ เห็นได้ชัดว่าฟิชชันมีผลดีต่อนิวเคลียสทั้งหมดที่มี A มากกว่า 90 เหตุใดนิวเคลียสส่วนใหญ่จึงมีความเสถียรเมื่อเทียบกับฟิชชันที่เกิดขึ้นเอง เพื่อตอบคำถามนี้ เรามาดูกันว่ารูปร่างของนิวเคลียสเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรในระหว่างการฟิชชัน

ในระหว่างกระบวนการฟิชชัน นิวเคลียสจะผ่านขั้นตอนต่อไปนี้ตามลำดับ (รูปที่ 2): ลูกบอล, ทรงรี, ดัมเบล, ชิ้นส่วนรูปลูกแพร์สองชิ้น, ชิ้นส่วนทรงกลมสองชิ้น พลังงานศักย์ของนิวเคลียสเปลี่ยนแปลงอย่างไรในระหว่างระยะฟิชชันต่างๆ หลังจากที่ฟิชชันเกิดขึ้น และชิ้นส่วนต่าง ๆ ต่างก็อยู่ห่างจากกันมากกว่ารัศมีของมันมาก พลังงานศักย์ของชิ้นส่วนซึ่งกำหนดโดยปฏิสัมพันธ์ของคูลอมบ์ระหว่างพวกมันนั้นสามารถถือว่ามีค่าเท่ากับศูนย์

ขอให้เราพิจารณาระยะเริ่มต้นของฟิชชัน เมื่อนิวเคลียสเพิ่มขึ้น r อยู่ในรูปแบบของการปฏิวัติทรงรีที่ยาวมากขึ้น ในขั้นตอนของการแบ่งนี้ r คือการวัดความเบี่ยงเบนของนิวเคลียสจากรูปร่างทรงกลม (รูปที่ 3) เนื่องจากวิวัฒนาการของรูปร่างของนิวเคลียส การเปลี่ยนแปลงของพลังงานศักย์จึงถูกกำหนดโดยการเปลี่ยนแปลงของผลรวมของพื้นผิวและพลังงานคูลอมบ์ E" n + E" k สันนิษฐานว่าปริมาตรของนิวเคลียสยังคงไม่เปลี่ยนแปลง ในระหว่างกระบวนการเปลี่ยนรูป ในกรณีนี้พลังงานพื้นผิว E"n จะเพิ่มขึ้นเมื่อพื้นที่ผิวของนิวเคลียสเพิ่มขึ้น พลังงานคูลอมบ์ E"k ลดลงเมื่อระยะห่างเฉลี่ยระหว่างนิวคลีออนเพิ่มขึ้น ปล่อยให้แกนทรงกลมซึ่งเป็นผลมาจากการเสียรูปเล็กน้อยซึ่งมีพารามิเตอร์ขนาดเล็กทำให้มีรูปร่างเป็นทรงรีสมมาตรในแนวแกน จะเห็นได้ว่าพลังงานพื้นผิว E" n และพลังงานคูลอมบ์ E" k แปรผันดังนี้:

ในกรณีของการเสียรูปทรงรีเล็กน้อย พลังงานพื้นผิวที่เพิ่มขึ้นจะเกิดขึ้นเร็วกว่าพลังงานคูลอมบ์ที่ลดลง ในบริเวณนิวเคลียสหนัก 2E n > E k ผลรวมของพื้นผิวและพลังงานคูลอมบ์จะเพิ่มขึ้นตามการเพิ่มขึ้น จาก (f.4) และ (f.5) จะตามมาว่าเมื่อมีการเปลี่ยนรูปทรงรีเล็กน้อย การเพิ่มขึ้นของพลังงานพื้นผิวจะป้องกันการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของนิวเคลียสเพิ่มเติม และผลที่ตามมาคือฟิชชัน นิพจน์ (f.5) ใช้ได้กับค่าขนาดเล็ก (ความผิดปกติเล็กน้อย) หากการเสียรูปมากจนแกนกลางกลายเป็นดัมเบลล์ แรงตึงผิว เช่น แรงคูลอมบ์ มีแนวโน้มที่จะแยกแกนกลางออกและทำให้ชิ้นส่วนมีรูปร่างเป็นทรงกลม ที่ระยะฟิชชันนี้ ความเครียดที่เพิ่มขึ้นจะมาพร้อมกับการลดลงของคูลอมบ์และพลังงานพื้นผิว เหล่านั้น. เมื่อความผิดปกติของนิวเคลียสเพิ่มขึ้นทีละน้อยพลังงานศักย์ของมันจะผ่านไปสูงสุด ตอนนี้ r มีความหมายเกี่ยวกับระยะห่างระหว่างจุดศูนย์กลางของชิ้นส่วนในอนาคต เมื่อชิ้นส่วนเคลื่อนออกจากกันพลังงานศักย์ของการโต้ตอบของพวกมันจะลดลงเนื่องจากพลังงานขับไล่คูลอมบ์ E k ลดลง การพึ่งพาพลังงานศักย์กับระยะห่างระหว่างชิ้นส่วนจะแสดงในรูปที่ 1 4. ระดับพลังงานศักย์เป็นศูนย์สอดคล้องกับผลรวมของพื้นผิวและพลังงานคูลอมบ์ของชิ้นส่วนสองชิ้นที่ไม่มีปฏิสัมพันธ์กัน การปรากฏตัวของสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้นจะช่วยป้องกันการแบ่งตัวของนิวเคลียสที่เกิดขึ้นเองในทันที เพื่อให้นิวเคลียสแตกตัวในทันที นิวเคลียสจะต้องให้พลังงาน Q ซึ่งเกินความสูงของสิ่งกีดขวาง H พลังงานศักย์สูงสุดของนิวเคลียสฟิสไซล์จะเท่ากับ e 2 Z 2 /(R 1 + R 2) โดยประมาณ โดยที่ R 1 และ R 2 คือรัศมีของชิ้นส่วน ตัวอย่างเช่น เมื่อนิวเคลียสของทองคำถูกแบ่งออกเป็นสองส่วนที่เหมือนกัน e 2 Z 2 /(R 1 + R 2) = 173 MeV และปริมาณพลังงาน E ที่ปล่อยออกมาระหว่างฟิชชัน ( ดูสูตร (ฉ.2)) เท่ากับ 132 MeV ดังนั้นในระหว่างการฟิชชันของนิวเคลียสของทองคำ จำเป็นต้องเอาชนะสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้นซึ่งมีความสูงประมาณ 40 MeV ยิ่งความสูงของกำแพง H สูงเท่าใด อัตราส่วนของคูลอมบ์และพลังงานพื้นผิว E ต่อ /E p ในนิวเคลียสเริ่มต้นก็จะยิ่งต่ำลง อัตราส่วนนี้จะเพิ่มขึ้นตามพารามิเตอร์การหารที่เพิ่มขึ้น Z 2 /A ( ดู (ฉ.4)). ยิ่งนิวเคลียสหนักมาก ความสูงของสิ่งกีดขวาง H ก็จะยิ่งต่ำลง , เนื่องจากพารามิเตอร์ความแตกตัวเพิ่มขึ้นตามเลขมวลที่เพิ่มขึ้น:

เหล่านั้น. ตามแบบจำลองหยด ไม่ควรมีนิวเคลียสที่มี Z 2 /A > 49 ในธรรมชาติ เนื่องจากพวกมันจะแยกตัวออกมาได้เองเกือบจะในทันที (ภายในเวลานิวเคลียร์ลักษณะเฉพาะประมาณ 10 -22 วินาที) การมีอยู่ของนิวเคลียสของอะตอมที่มี Z 2 /A > 49 (“เกาะแห่งความมั่นคง”) อธิบายได้จากโครงสร้างเปลือก การขึ้นอยู่กับรูปร่าง ความสูงของสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้น H และพลังงานฟิชชัน E กับค่าของพารามิเตอร์ฟิชชัน Z 2 /A แสดงในรูปที่ 1 5.

การแบ่งนิวเคลียสที่เกิดขึ้นเองด้วย Z 2 /A< 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 ปี 232 ถึง 0.3 วินาที 260 Ku. บังคับให้เกิดฟิชชันของนิวเคลียสด้วย Z 2 /A < 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.