Kako objasniti sposobnost teških jezgara za fisiju. fisije uranijuma

Nuklearna fisija je cijepanje teškog atoma na dva fragmenta približno jednake mase, praćeno oslobađanjem velike količine energije.

Otkriće nuklearne fisije nova era- Atomsko doba. Potencijal njegove moguće upotrebe i omjer rizika i koristi od njegove upotrebe nisu samo doveli do mnogih socioloških, političkih, ekonomskih i naučna dostignuća ali i ozbiljnih problema. Čak i sa čisto naučne tačke gledišta, proces nuklearne fisije stvorio je veliki broj zagonetki i komplikacija, a njegovo potpuno teorijsko objašnjenje je stvar budućnosti.

Dijeljenje je isplativo

Energije vezivanja (po nukleonu) se razlikuju za različite jezgre. Teži imaju nižu energiju vezivanja od onih koji se nalaze u sredini periodnog sistema.

To znači da je za teške jezgre s atomskim brojem većim od 100, povoljno podijeliti na dva manja fragmenta, čime se oslobađa energija koja se pretvara u kinetičku energiju fragmenata. Ovaj proces se zove razdvajanje

Prema krivulji stabilnosti, koja pokazuje zavisnost broja protona od broja neutrona za stabilne nuklide, teža jezgra preferiraju više neutrona (u poređenju sa brojem protona) od lakših. Ovo sugerira da će zajedno s procesom cijepanja biti emitirani i neki "rezervni" neutroni. Osim toga, oni će također preuzeti dio oslobođene energije. Proučavanje nuklearne fisije atoma uranijuma pokazalo je da se oslobađaju 3-4 neutrona: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

Atomski broj (i atomska masa) fragmenta nije jednak polovini atomske mase roditelja. Razlika između masa atoma nastalih kao rezultat cijepanja obično je oko 50. Istina, razlog za to još nije sasvim jasan.

Energije veze 238 U, 145 La i 90 Br su 1803, 1198 i 763 MeV, respektivno. To znači da se kao rezultat ove reakcije oslobađa energija fisije jezgra uranijuma, jednaka 1198 + 763-1803 = 158 MeV.

Spontana podjela

Procesi spontanog cijepanja poznati su u prirodi, ali su vrlo rijetki. Prosječno trajanje ovog procesa je oko 10 17 godina, a, na primjer, prosječno trajanje alfa raspada istog radionuklida je oko 10 11 godina.

Razlog tome je što se jezgro prvo mora deformirati (razvući) u elipsoidni oblik da bi se podijelilo na dva dijela, a zatim, prije nego što se konačno podijeli na dva fragmenta, formirati "vrat" u sredini.

Potencijalna barijera

U deformiranom stanju na jezgro djeluju dvije sile. Jedna je povećana površinska energija (površinska napetost kapljice tekućine objašnjava njen sferni oblik), a druga je Kulonova repulzija između fisijskih fragmenata. Zajedno stvaraju potencijalnu barijeru.

Kao iu slučaju alfa raspada, da bi došlo do spontane fisije jezgra atoma uranijuma, fragmenti moraju savladati ovu barijeru pomoću kvantnog tuneliranja. Barijera je oko 6 MeV, kao u slučaju alfa raspada, ali vjerovatnoća tuneliranja alfa čestice je mnogo veća nego kod mnogo težeg atoma fisije.

prisilno cijepanje

Mnogo vjerovatnije je indukovana fisija jezgra uranijuma. U ovom slučaju, matično jezgro je ozračeno neutronima. Ako ga roditelj apsorbira, vezuju se, oslobađajući energiju vezivanja u obliku vibracione energije koja može premašiti 6 MeV potrebnih za prevladavanje potencijalne barijere.

Tamo gdje je energija dodatnog neutrona nedovoljna za savladavanje potencijalne barijere, upadni neutron mora imati minimalnu kinetičku energiju da bi mogao izazvati cijepanje atoma. U slučaju 238 U, energija veze dodatnih neutrona je kratka oko 1 MeV. To znači da fisiju jezgra uranijuma inducira samo neutron s kinetičkom energijom većom od 1 MeV. S druge strane, izotop 235 U ima jedan neupareni neutron. Kada jezgro apsorbira još jedno, ono sa njim formira par, a kao rezultat ovog uparivanja pojavljuje se dodatna energija vezivanja. Ovo je dovoljno da se oslobodi količina energije koja je potrebna da jezgro savlada potencijalnu barijeru, a fisija izotopa dolazi do sudara s bilo kojim neutronom.

beta raspad

Iako reakcija fisije emituje tri ili četiri neutrona, fragmenti i dalje sadrže više neutrona nego njihove stabilne izobare. To znači da su fragmenti cijepanja općenito nestabilni protiv beta raspada.

Na primjer, kada se uran 238 U cijepa, stabilna izobara sa A = 145 je neodim 145 Nd, što znači da se fragment lantan 145 La raspada u tri koraka, svaki put emitujući elektron i antineutrino, dok se ne formira stabilan nuklid . Stabilna izobara sa A = 90 je cirkonijum 90 Zr, pa se fragment cijepanja broma 90 Br razlaže u pet faza lanca β-raspada.

Ovi lanci β-raspada oslobađaju dodatnu energiju, koju gotovo svu nose elektroni i antineutrini.

Nuklearne reakcije: fisija jezgara uranijuma

Direktna emisija neutrona iz nuklida sa previše njih da bi se osigurala stabilnost jezgra je malo vjerojatna. Poenta je da nema kulonovskog odbijanja, pa površinska energija teži da zadrži neutron u vezi sa roditeljem. Međutim, to se ponekad dešava. Na primjer, fragment fisije 90 Br u prvoj fazi beta raspada proizvodi kripton-90, koji može biti u pobuđenom stanju s dovoljno energije da savlada površinsku energiju. U ovom slučaju, emisija neutrona može nastati direktno sa formiranjem kriptona-89. još uvijek nestabilan na β raspad dok se ne promijeni u stabilan itrijum-89, tako da se kripton-89 raspada u tri koraka.

Fisija jezgri urana: lančana reakcija

Neutrone koji se emituju u reakciji fisije može apsorbovati drugo matično jezgro, koje tada samo podleže indukovanoj fisiji. U slučaju uranijuma-238, tri proizvedena neutrona izlaze sa energijama manjim od 1 MeV (energija oslobođena tokom fisije jezgra uranijuma - 158 MeV - uglavnom se pretvara u kinetičku energiju fisijskih fragmenata), tako da ne mogu izazvati dalju fisiju ovog nuklida. Ipak, pri značajnoj koncentraciji rijetkog izotopa 235 U, ovi slobodni neutroni mogu biti zarobljeni jezgrima 235 U, što zaista može uzrokovati fisiju, budući da u ovom slučaju ne postoji energetski prag ispod kojeg se fisija ne inducira.

Ovo je princip lančane reakcije.

Vrste nuklearnih reakcija

Neka je k broj neutrona proizvedenih u uzorku fisionog materijala u fazi n ovog lanca, podijeljen sa brojem neutrona proizvedenih u fazi n - 1. Ovaj broj će ovisiti o tome koliko se neutrona proizvedenih u fazi n - 1 apsorbira jezgrom, koje može biti prisiljeno da se podijeli.

Ako je 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.

Ako je k > 1, tada će lančana reakcija rasti sve dok se ne iskoristi sav fisijski materijal.To se postiže obogaćivanjem prirodne rude kako bi se dobila dovoljno velika koncentracija uranijuma-235. Za sferni uzorak, vrijednost k raste sa povećanjem vjerovatnoće apsorpcije neutrona, što zavisi od polumjera sfere. Stoga masa U mora premašiti određenu količinu da bi došlo do fisije jezgri urana (lančana reakcija).

Ako je k = 1, tada se odvija kontrolirana reakcija. Ovo se koristi u procesu koji se kontroliše distribucijom kadmijuma ili borovih šipki među uranijumom, koji apsorbuju većinu neutrona (ovi elementi imaju sposobnost hvatanja neutrona). Fisija jezgra uranijuma se automatski kontroliše pomeranjem štapova na takav način da vrednost k ostane jednaka jedan.

Oslobađanje energije tokom nuklearne fisije. Kao i kod drugih nuklearne reakcije, energija oslobođena tokom fisije je ekvivalentna razlici između masa čestica u interakciji i konačnih proizvoda. Budući da je energija veze nukleona u uranijumu i energija veze jednog nukleona u fragmentima, tokom fisije uranijuma energija se mora osloboditi

Dakle, tokom fisije jezgra oslobađa se ogromna energija, njen najveći dio se oslobađa u obliku kinetičke energije fragmenata fisije.

Masovna distribucija proizvoda fisije. Jezgro urana je u većini slučajeva podijeljeno asimetrično. Dva nuklearna fragmenta imaju odgovarajuće različite brzine i različite mase.

Fragmenti se dijele u dvije grupe prema njihovoj masi; jedan u blizini kriptona sa drugim u blizini ksenona.. Mase fragmenata su u proseku povezane jedna s drugom kao Iz zakona održanja energije i impulsa može se dobiti da kinetičke energije fragmenata treba da budu obrnuto proporcionalne njihovoj masi :

Kriva prinosa proizvoda fisije je simetrična u odnosu na vertikalnu pravu liniju koja prolazi kroz tačku.Značajna širina maksimuma ukazuje na raznolikost puteva fisije.

Rice. 82. Masovna distribucija proizvoda fisije uranijuma

Navedene karakteristike odnose se uglavnom na fisiju pod dejstvom termičkih neutrona; u slučaju fisije pod dejstvom neutrona sa energijom od nekoliko ili više, jezgro se raspada na dva fragmenta simetričnije mase.

Svojstva fisionih produkata. Prilikom fisije atoma uranijuma odsječe se vrlo mnogo elektrona ljuske, a fragmenti fisije su približno - puta ionizirani pozitivni ioni, koji, prolazeći kroz supstancu, snažno ioniziraju atome. Stoga su putanje fragmenata u zraku male i blizu 2 cm.

Lako je ustanoviti da fragmenti nastali tokom fisije moraju biti radioaktivni, skloni emitovanju neutrona. Zaista, za stabilna jezgra, omjer broja neutrona i protona varira ovisno o A na sljedeći način:

(vidi skeniranje)

Jezgra proizvedena fisijom leže u sredini stola i stoga sadrže više neutrona nego što je prihvatljivo za njihovu stabilnost. Mogu se osloboditi viška neutrona i raspadom i direktnim emitiranjem neutrona.

odloženih neutrona. U jednoj od mogućih varijanti fisije nastaje radioaktivni brom. Na sl. 83 prikazuje dijagram njegovog raspada, na čijem kraju su stabilni izotopi

Zanimljiva karakteristika ovog lanca je da se kripton može osloboditi viška neutrona bilo zbog -raspada, ili ako je nastao u pobuđenom stanju zbog direktne emisije neutrona. Ovi neutroni se pojavljuju 56 sekundi nakon fisije (životni vijek je u odnosu na prijelaz u pobuđeno stanje, iako sam emituje neutrone gotovo trenutno.

Rice. 83. Šema raspada radioaktivnog broma koji nastaje u pobuđenom stanju tokom fisije uranijuma

Zovu se odloženi neutroni. Vremenom, intenzitet odloženih neutrona opada eksponencijalno, kao kod normalnog radioaktivnog raspada.

Energija ovih neutrona jednaka je energiji pobude jezgra. Iako čine samo 0,75% svih neutrona koji se emituju pri fisiji, odgođeni neutroni igraju važnu ulogu u sprovođenju lančane reakcije.

Brzi neutroni. Preko 99% neutrona se oslobađa u izuzetno kratkom vremenu; oni se nazivaju brzi neutroni.

Kada se proučava proces fisije, postavlja se fundamentalno pitanje, koliko se neutrona proizvodi u jednom događaju fisije; ovo pitanje je važno jer ako je njihov broj u prosjeku velik, mogu se koristiti za podjelu narednih jezgara, odnosno postaje moguće stvoriti lančanu reakciju. Prilikom rješavanja ovog pitanja 1939-1940. radio u gotovo svim većim nuklearnim laboratorijama u svijetu.

Energija E koja se oslobađa tokom fisije raste sa povećanjem Z 2 /A. Vrijednost Z 2 /A = 17 za 89 Y (itrijum). One. fisija je energetski povoljna za sve jezgre teže od itrijuma. Zašto je većina jezgara otporna na spontanu fisiju? Da bismo odgovorili na ovo pitanje, potrebno je razmotriti mehanizam podjele.

Tokom fisije, oblik jezgra se mijenja. Jezgro uzastopno prolazi kroz sljedeće faze (slika 7.1): lopta, elipsoid, bučica, dva fragmenta u obliku kruške, dva sferna fragmenta. Kako se mijenja potencijalna energija jezgra u različitim fazama fisije?
Početno jezgro sa uvećanjem r poprima oblik sve izduženijeg elipsoida revolucije. U ovom slučaju, zbog evolucije oblika jezgra, promjena njegove potencijalne energije je određena promjenom sume površinske i Kulombove energije E p + E k. U tom slučaju se površinska energija povećava, budući da se površina jezgra povećava. Kulonova energija se smanjuje kako se prosječna udaljenost između protona povećava. Ako, uz malu deformaciju, koju karakterizira mali parametar , početno jezgro poprimi oblik aksijalno simetričnog elipsoida, površinska energija E" p i Kulonova energija E" k kao funkcije parametra deformacije mijenjaju se na sljedeći način:

U omjerima (7,4–7,5) E n i E k su površinska i Kulonova energija početnog sferno simetričnog jezgra.
U području teških jezgara, 2E n > Ek, a zbir površinske i Kulonove energije raste sa povećanjem . Iz (7.4) i (7.5) proizilazi da pri malim deformacijama povećanje površinske energije onemogućava dalju promjenu oblika jezgra i, posljedično, fisiju.
Relacija (7.5) vrijedi za male deformacije. Ako je deformacija toliko velika da jezgro poprimi oblik bučice, tada površinske i Kulonove sile teže da razdvoje jezgro i daju fragmentima sferni oblik. Dakle, s postepenim povećanjem deformacije jezgra, njegova potencijalna energija prolazi kroz maksimum. Grafikon površinske i Kulonove energije jezgra kao funkcije r prikazan je na sl. 7.2.

Prisustvo potencijalne barijere sprječava trenutnu spontanu nuklearnu fisiju. Da bi se jezgro podijelilo, treba mu dati energiju Q koja prelazi visinu fisione barijere H. Maksimalna potencijalna energija fisijskog jezgra E + H (na primjer, zlata) na dva identična fragmenta je ≈ 173 MeV , a energija E koja se oslobađa tokom fisije je 132 MeV. Dakle, prilikom fisije zlatnog jezgra potrebno je savladati potencijalnu barijeru visine oko 40 MeV.
Visina fisione barijere H je veća, što je manji odnos Kulonove i površinske energije E prema /E p u početnom jezgru. Ovaj omjer, pak, raste s povećanjem parametra podjele Z 2 /A (7.3). Što je jezgro teže, to je manja visina fisione barijere H, jer parametar fisije, pod pretpostavkom da je Z proporcionalan A, raste sa povećanjem masenog broja:

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

(7.6)

Stoga, teže jezgre općenito moraju biti opskrbljene s manje energije da bi izazvale nuklearnu fisiju.
Visina fisijske barijere nestaje na 2E p – Ec = 0 (7,5). U ovom slučaju

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

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

Dakle, prema modelu kapljice, jezgra sa Z 2 /A > 49 ne mogu postojati u prirodi, jer bi se morala spontano podijeliti na dva fragmenta gotovo trenutno u karakterističnom nuklearnom vremenu reda od 10-22 s. Zavisnosti oblika i visine potencijalne barijere H, kao i energije fisije, od vrednosti parametra Z 2 /A prikazane su na sl. 7.3.

Rice. 7.3. Radijalna zavisnost oblika i visine potencijalne barijere i energije fisije E pri različitim vrednostima parametra Z 2 /A. Vrijednost E p + E k je iscrtana na vertikalnoj osi.

Spontana nuklearna fisija sa 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 godina za 232 Th do 0,3 s za 260 Rf.
Prisilna nuklearna fisija sa 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.
Minimalna vrijednost energije ekscitacije složenog jezgra E* formiranog tokom hvatanja neutrona jednaka je energiji vezivanja neutrona u ovom jezgru ε n . Tabela 7.1 upoređuje visinu barijere H i energiju vezivanja neutrona ε n za izotope Th, U, Pu formirane nakon hvatanja neutrona. Energija vezivanja neutrona zavisi od broja neutrona u jezgru. Zbog energije uparivanja, energija veze parnog neutrona je veća od energije veze neparnog neutrona.

Tabela 7.1

Visina barijere fisije H, energija veze neutrona ε n

Izotop	Visina fisijske barijere H, MeV	Izotop	Energija vezivanja neutrona ε n
232Th	5.9	233Th	4.79
233 U	5.5	234 U	6.84
235 U	5.75	236 U	6.55
238 U	5.85	239 U	4.80
239 Pu	5.5	240 Pu	6.53

Karakteristična karakteristika fisije je da fragmenti, po pravilu, imaju različite mase. U slučaju najvjerovatnije fisije od 235 U, omjer mase fragmenata je u prosjeku ~1,5. Raspodjela mase 235 U fisijskih fragmenata pomoću termičkih neutrona prikazana je na Sl. 7.4. Za najvjerovatniju fisiju, teški fragment ima maseni broj 139, laki - 95. Među proizvodima fisije postoje fragmenti sa A = 72 - 161 i Z = 30 - 65. Vjerovatnoća fisije na dva fragmenta od jednaka masa nije jednaka nuli. Kod fisije 235 U termičkim neutronima, vjerovatnoća simetrične fisije je približno tri reda veličine manja nego u slučaju najvjerovatnije fisije na fragmente sa A = 139 i 95.
Asimetrična fisija se objašnjava strukturom ljuske jezgra. Jezgro ima tendenciju da se podijeli na takav način da glavni dio nukleona svakog fragmenta formira najstabilnije magično jezgro.
Odnos broja neutrona i broja protona u jezgru 235 U N/Z = 1,55, dok je za stabilne izotope sa masenim brojem blizu masenog broja fragmenata ovaj odnos 1,25 − 1,45. Posljedično, ispada da su fragmenti fisije jako preopterećeni neutronima i moraju biti
β - radioaktivan. Stoga fisioni fragmenti doživljavaju uzastopne β - raspade, a naboj primarnog fragmenta može se promijeniti za 4 - 6 jedinica. Ispod je karakterističan lanac radioaktivnih raspada 97 Kr - jedan od fragmenata nastalih tokom fisije 235 U:

Ekscitacija fragmenata, uzrokovana kršenjem odnosa broja protona i neutrona, što je karakteristično za stabilna jezgra, također se uklanja zbog emisije brzih fisionih neutrona. Ovi neutroni se emituju pokretnim fragmentima u vremenu manjem od ~ 10 -14 s. U prosjeku, 2 − 3 brza neutrona se emituju u svakom događaju fisije. Njihov energetski spektar je kontinuiran sa maksimumom oko 1 MeV. Prosječna energija brzog neutrona je blizu 2 MeV. Emisija više od jednog neutrona u svakom događaju fisije omogućava dobijanje energije kroz lančanu reakciju nuklearne fisije.
Kod najvjerovatnije fisije 235 U termičkim neutronima, lagani fragment (A = 95) dobija kinetičku energiju od ≈ 100 MeV, a težak (A = 139) dobija oko 67 MeV. Dakle, ukupna kinetička energija fragmenata je ≈ 167 MeV. Ukupna energija fisije u ovom slučaju je 200 MeV. Tako se preostala energija (33 MeV) raspoređuje između ostalih proizvoda fisije (neutrona, elektrona i antineutrina β - raspada fragmenata, γ-zračenja fragmenata i proizvoda njihovog raspada). Raspodjela energije fisije između različitih proizvoda tokom fisije 235 U termalnim neutronima data je u tabeli 7.2.

Tabela 7.2

Distribucija energije fisije 235 U termalni neutroni

Proizvodi nuklearne fisije (NF) su složena mješavina više od 200 radioaktivnih izotopa 36 elemenata (od cinka do gadolinija). Većinu aktivnosti čine kratkotrajni radionuklidi. Dakle, nakon 7, 49 i 343 dana nakon eksplozije, aktivnost PND se smanjuje za 10, 100 i 1000 puta, respektivno, u odnosu na aktivnost jedan sat nakon eksplozije. Prinos biološki najznačajnijih radionuklida dat je u tabeli 7.3. Pored PND-a, radioaktivnu kontaminaciju uzrokuju radionuklidi inducirane aktivnosti (3 H, 14 C, 28 Al, 24 Na, 56 Mn, 59 Fe, 60 Co, itd.) i nepodijeljeni dio uranijuma i plutonijuma. Posebno je velika uloga inducirane aktivnosti u termonuklearnim eksplozijama.

Tabela 7.3

Oslobađanje nekih fisionih produkata u nuklearnoj eksploziji

Radionuklid	Poluživot	Izlaz po podjeli, %	Aktivnost po 1 Mt, 10 15 Bq
89Sr	50,5 dana	2.56	590
90Sr	29,12 godina	3.5	3.9
95 Zr	65 dana	5.07	920
103 Ru	41 dan	5.2	1500
106 Ru	365 dana	2.44	78
131 I	8,05 dana	2.9	4200
136Cs	13,2 dana	0.036	32
137Cs	30 godina	5.57	5.9
140 Ba	12,8 dana	5.18	4700
141Cs	32,5 dana	4.58	1600
144Cs	288 dana	4.69	190
3H	12,3 godine	0.01	2,6 10 -2

Prilikom nuklearnih eksplozija u atmosferi, značajan dio padavina (do 50% u zemaljskim eksplozijama) pada u blizini područja testiranja. Dio radioaktivnih tvari zadržava se u donjem dijelu atmosfere i pod utjecajem vjetra se kreće na velike udaljenosti, ostajući približno na istoj geografskoj širini. Budući da su u zraku oko mjesec dana, radioaktivne supstance tokom ovog kretanja postepeno padaju na Zemlju. Većina radionuklida se oslobađa u stratosferu (do visine od 10÷15 km), gdje su globalno raspršeni i u velikoj mjeri se raspadaju.
Različiti elementi dizajna nuklearnih reaktora imaju visoku aktivnost decenijama (tabela 7.4)

Tabela 7.4

Specifične vrijednosti aktivnosti (Bq/t urana) glavnih fisionih produkata u gorivnim elementima uklonjenim iz reaktora nakon tri godine rada

Radionuklid	0	1 dan	120 dana	1 godina		10 godina
85 kr	5. 78· 10 14	5. 78· 10 14	5. 66· 10 14	5. 42· 10 14	4. 7· 10 14	3. 03· 10 14
89Sr	4. 04· 10 16	3. 98· 10 16	5. 78· 10 15	2. 7· 10 14	1. 2· 10 10
90Sr	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 Zr	7. 29· 10 16	7. 21· 10 16	1. 99· 10 16	1. 4· 10 15	5. 14· 10 11
95Nb	7. 23· 10 16	7. 23· 10 16	3. 57· 10 16	3. 03· 10 15	1. 14· 10 12
103 Ru	7. 08· 10 16	6. 95· 10 16	8. 55· 10 15	1. 14· 10 14	2. 97· 10 8
106 Ru	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 I	4. 49· 10 16	4. 19· 10 16	1. 5· 10 12	1. 01· 10 3
134Cs	7. 50· 10 15	7. 50· 10 15	6. 71· 10 15	5. 36· 10 15	2. 73· 10 15	2. 6· 10 14
137Cs	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 Ba	7. 93· 10 16	7. 51· 10 16	1. 19· 10 14	2. 03· 10 8
140la	8. 19· 10 16	8. 05· 10 16	1. 37· 10 14	2. 34· 10 8
141 Ce	7. 36· 10 16	7. 25· 10 16	5. 73· 10 15	3. 08· 10 13	5. 33· 10 6
144 Ce	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 pm	6. 77· 10 16	6. 70· 10 16	1. 65· 10 14	6. 11· 10 8
147 pm	7. 05 10 15	7. 05· 10 15	6. 78· 10 15	5. 68· 10 15	3. 35· 10 14

Činjenica da se energija oslobađa tokom fisije teških jezgara proizilazi direktno iz zavisnosti specifične energije vezivanja ε = E St (A,Z)/A na masenom broju A (slika 2). Prilikom fisije teškog jezgra nastaju lakša jezgra u kojima su nukleoni jače vezani, a dio energije se oslobađa prilikom fisije.
U pravilu, nuklearna fisija je praćena emisijom 1-4 neutrona.
Izrazimo energiju fisionih Q dijelova u terminima energija vezivanja početnog i finalnog jezgra. Energiju početnog jezgra, koje se sastoji od Z protona i N neutrona, a ima masu M (A, Z) i energiju veze E St (A, Z), zapisujemo u sljedećem obliku:

M(A,Z)c 2 = (Zm p + Nm n)c 2 – E St (A,Z).

Podjela jezgra (A, Z) na 2 fragmenta (A 1, Z 1) i (A 2, Z 2) je praćena formiranjem N n = A - A 1 - A 2 brzi neutroni. Ako je jezgro (A,Z) podijeljeno na fragmente s masama M 1 (A 1 ,Z 1), M 2 (A 2 ,Z 2) i energijama veze E st1 (A 1 ,Z 1), E st2 (A 2 , Z 2), tada za energiju fisije imamo izraz:

Q div \u003d (M (A, Z) -) c 2 \u003d E sv1 (A 1, Z 1) + E sv (A 2, Z 2) - E sv (A, Z),

I

A \u003d A 1 + A 2 + N n, Z = Z 1 + Z 2.

Na sl. 26 prikazuje obrazac za pretragu kalkulatora nuklearne fisije sa primjerom formiranja recepta pretrage za određivanje energetskog praga i reakcione energije spontane fisije jezgra 235 U sa formiranjem fragmenta 139 Xe i emisijom jednog neutrona .

Formiranje instrukcije zahtjeva vrši se na sljedeći način:

• « Jezgro je meta» – 235 U (izabrane su vrijednosti Z = 92, A= 235);
• « incidentna čestica» – nema incidentnih čestica – spontana fisija (odabrano u padajućem meniju « Nema letećih čestica»);
• « Odabir (korisnički) dio» – jezgro fragmenta, na primjer, 95 Sr (izabrane su vrijednosti Z = 38, A = 95);
• « (programski definiran) dio» – 140 Xe fragment jezgra (Z = 92 – 38 = 54,
  A = 235 - 95 = 140);
• « Trenutna čestica 1 prati fisiju» je neutron (vrijednosti Z = 0,
  A = 1, " Broj čestica" - 1); istovremeno se mijenjaju očitanja fragmenta određena programom - 139 Xe (Z = 54, A = 140 - 1 = 149).

Na sl. Slika 27 prikazuje izlazni oblik ovog upita: može se vidjeti da ne postoji energetski prag za fisiju jezgra 235 U. Jezgro 235 U ima mod raspadanja – “emisija neutrona”).

Godine 1934. E. Fermi je odlučio da dobije transuranijumske elemente zračenjem 238 U neutronima. E. Fermijeva ideja je bila da kao rezultat β - raspada izotopa 239 U, hemijski element sa atomskim brojem Z = 93. Međutim, nije bilo moguće identificirati formiranje 93. elementa. Umjesto toga, kao rezultat radiohemijske analize radioaktivnih elemenata, koju su izvršili O. Hahn i F. Strassmann, pokazalo se da je jedan od proizvoda zračenja uranijuma neutronima barij (Z = 56) - hemijski element prosječne atomske težine, dok je prema pretpostavci Fermijeve teorije trebalo dobiti transuranijumske elemente.
L. Meitner i O. Frisch su sugerirali da se kao rezultat hvatanja neutrona od strane jezgra urana, složeno jezgro raspada na dva dijela

92 U + n → 56 Ba + 36 Kr + xn.

Proces fisije uranijuma je praćen pojavom sekundarnih neutrona (x > 1) koji mogu izazvati fisiju drugih jezgri urana, što otvara potencijal za lančanu reakciju fisije - jedan neutron može dovesti do razgranatog lanca fisije jezgara uranijuma. U ovom slučaju, broj odvojenih jezgara bi trebao eksponencijalno rasti. N. Bohr i J. Wheeler izračunali su kritičnu energiju potrebnu da se jezgro 236 U, nastalo kao rezultat hvatanja neutrona od strane 235 U izotopa, podijeli. Ova vrijednost je 6,2 MeV, što je manje od energije pobuđivanja izotopa 236 U nastalog tokom hvatanja termalnog neutrona 235 U. Stoga, kada se zarobe termalni neutroni, moguća je lančana reakcija fisije od 235 U. Za većinu zajedničkog izotopa 238 U, kritična energija je 5,9 MeV, dok kada se uhvati termalni neutron, energija pobude rezultirajućeg jezgra 239 U iznosi samo 5,2 MeV. Stoga je nemoguća lančana reakcija fisije najčešćeg u prirodi izotopa 238 U pod djelovanjem toplinskih neutrona. U jednom aktu fisije oslobađa se energija od ≈ 200 MeV (poređenja radi, u reakcijama hemijskog sagorevanja, energija od ≈ 10 eV se oslobađa u jednom činu reakcije). Mogućnost stvaranja uslova za lančanu reakciju fisije otvorila je izglede za korištenje energije lančane reakcije za stvaranje atomskih reaktora i atomskog oružja. Prvi nuklearni reaktor izgradio je E. Fermi u SAD 1942. U SSSR-u je prvi nuklearni reaktor pokrenut pod vodstvom I. Kurčatova 1946. Godine 1954. u Obninsku je počela raditi prva nuklearna elektrana na svijetu. Trenutno se električna energija proizvodi u oko 440 nuklearnih reaktora u 30 zemalja širom svijeta.
Godine 1940. G. Flerov i K. Petrzhak otkrili su spontanu fisiju uranijuma. Sljedeće brojke svjedoče o složenosti eksperimenta. Djelomično vrijeme poluraspada u odnosu na spontanu fisiju izotopa 238 U je 10 16 –10 17 godina, dok je period raspada izotopa 238 U 4,5∙10 9 godina. Glavni kanal raspada za izotop 238 U je α-raspad. Da bi se posmatrala spontana fisija izotopa 238 U, bilo je potrebno registrovati jedan događaj fisije na pozadini događaja 10 7 –10 8 α-raspada.
Vjerovatnoća spontane fisije uglavnom je određena propusnošću fisijske barijere. Vjerovatnoća spontane fisije raste sa povećanjem naboja jezgra, jer. ovo povećava parametar podjele Z 2 /A. U Z izotopi< 92-95 деление происходит преимущественно с образованием двух осколков деления с отношением масс тяжёлого и лёгкого осколков 3:2. В изотопах Z >100, prevladava simetrična fisija sa formiranjem fragmenata iste mase. Kako se naboj jezgra povećava, udio spontane fisije raste u poređenju sa α-raspadom.

Izotop	Poluživot	kanali raspadanja
235 U	7.04 10 8 godina	α (100%), SF (7 10 -9%)
238 U	4,47 10 9 godina	α (100%), SF (5,5 10 -5%)
240 Pu	6,56 10 3 godine	α (100%), SF (5,7 10 -6%)
242 Pu	3,75 10 5 godina	α (100%), SF (5,5 10 -4%)
246cm	4,76 10 3 godine	α (99,97%), SF (0,03%)
252 up	2,64 godine	α (96,91%), SF (3,09%)
254 up	60,5 godina	α (0,31%), SF (99,69%)
256 up	12,3 godine	α (7,04 10 -8%), SF (100%)

Nuklearna fisija. Priča

1934- E. Fermi je, zračeći uranijum termalnim neutronima, među produktima reakcije pronašao radioaktivna jezgra, čija priroda nije mogla biti utvrđena.
L. Szilard je iznio ideju nuklearne lančane reakcije.

1939− O. Hahn i F. Strassmann su među produktima reakcije otkrili barij.
L. Meitner i O. Frisch su prvi put objavili da je uranijum pod dejstvom neutrona podeljen na dva fragmenta uporedive mase.
N. Bohr i J. Wheeler dali su kvantitativno tumačenje nuklearne fisije uvođenjem parametra fisije.
Ya. Frenkel je razvio teoriju kapi o nuklearnoj fisiji sporim neutronima.
L. Szilard, E. Wigner, E. Fermi, J. Wheeler, F. Joliot-Curie, Ya. Zeldovich, Yu. Khariton su potkrijepili mogućnost lančane reakcije nuklearne fisije u uranijumu.

1940− G. Flerov i K. Petrzhak otkrili su fenomen spontane fisije jezgara U uranijuma.

1942− E. Fermi je u prvom atomskom reaktoru proveo kontroliranu fisionu lančanu reakciju.

1945− Prvi test nuklearnog oružja (Nevada, SAD). Atomske bombe bačene su na japanske gradove Hirošimu (6. avgusta) i Nagasaki (9. avgusta).

1946− Pod rukovodstvom I.V. Kurčatov, pušten je prvi reaktor u Evropi.

1954− Puštena je u rad prva nuklearna elektrana na svijetu (Obninsk, SSSR).

Nuklearna fisija.Od 1934. E. Fermi je počeo da koristi neutrone za bombardovanje atoma. Od tada se broj stabilnih ili radioaktivnih jezgara dobivenih umjetnom transformacijom povećao na stotine, a gotovo sva mjesta u periodnom sistemu bila su popunjena izotopima.
Atomi koji su nastali u svim ovim nuklearnim reakcijama zauzimali su isto mjesto u periodnom sistemu kao i bombardirani atom, ili susjedna mjesta. Dakle, dokaz Hahna i Strassmanna iz 1938. godine o činjenici da kada neutroni bombarduju poslednji element periodnog sistema−uranijum−raspadaju na elemente koji se nalaze u srednjim dijelovima periodnog sistema. Nastupaju ovdje različite vrste propadanje. Atomi koji nastaju uglavnom su nestabilni i odmah se dalje raspadaju; neki imaju poluživot mjeren u sekundama, pa je Hahn morao koristiti analitičku Curie metodu da produži tako brz proces. Važno je napomenuti da elementi ispred uranijuma, protaktinija i torija, također pokazuju sličan raspad pod djelovanjem neutrona, iako je za početak raspada potrebna veća energija neutrona nego u slučaju uranijuma. Uporedo s tim, 1940. G. N. Flerov i K. A. Petrzhak su otkrili spontanu fisiju jezgra uranijuma s najdužim poluživotom poznatim do tada: oko 2· 10 15 godina; ova činjenica postaje jasna zbog neutrona koji se oslobađaju u procesu. Tako je bilo moguće razumjeti zašto se "prirodni" periodični sistem završava sa tri imenovana elementa. Transuranijumski elementi su sada poznati, ali su toliko nestabilni da se brzo raspadaju.
Fisija uranijuma pomoću neutrona sada omogućava korištenje atomske energije, što su mnogi već zamišljali kao "san Julesa Vernea".

M. Laue, Istorija fizike

1939. O. Hahn i F. Strassmann, zračeći soli urana termalnim neutronima, otkrili među produktima reakcije barij (Z = 56)

Otto Gunn (1879 – 1968)

Nuklearna fisija je cijepanje jezgra na dva (rijetko tri) jezgra slične mase, koja se nazivaju fragmenti fisije. Tokom fisije nastaju i druge čestice - neutroni, elektroni, α-čestice. Kao rezultat fisije, oslobađa se energija od ~200 MeV. Fisija može biti spontana ili forsirana pod dejstvom drugih čestica, najčešće neutrona.
Karakteristična karakteristika fisije je da se fisioni fragmenti, po pravilu, značajno razlikuju po masi, odnosno prevladava asimetrična fisija. Dakle, u slučaju najvjerovatnije fisije izotopa uranijuma 236 U, omjer mase fragmenata je 1,46. Teški fragment ima maseni broj 139 (ksenon), a laki fragment mase 95 (stroncijum). Uzimajući u obzir emisiju dva brza neutrona, razmatrana reakcija fisije ima oblik

Nobelova nagrada za hemiju
1944 - O. Gan.
Za otkriće reakcije fisije jezgri urana neutronima.

Fission Shards

Zavisnost prosječne mase lakih i teških grupa fragmenata od mase fisijskog jezgra.

Otkriće nuklearne fisije. 1939

Došao sam u Švedsku, gdje je Lise Meitner patila od usamljenosti, i kao odani nećak odlučio sam da je posjetim za Božić. Živjela je u malom hotelu Kungälv u blizini Geteborga. Uhvatio sam je na doručku. Razmotrila je pismo koje je upravo dobila od Hana. Bio sam vrlo skeptičan u vezi sa sadržajem pisma u kojem se izvještava o stvaranju barija zračenjem uranijuma neutronima. Međutim, privukla ju je ova prilika. Hodali smo po snijegu, ona je hodala, ja skijao (ona je rekla da može ovako, a da ne zaostaje za mnom, i to je dokazala). Do kraja šetnje već smo mogli formulirati neke zaključke; jezgro se nije rascijepilo i komadići nisu odletjeli od njega, ali je to bio proces koji je više ličio na model pada Borovog jezgra; kao kap, jezgro bi se moglo izdužiti i podijeliti. Zatim sam istražio kako električni naboj nukleona smanjuje površinsku napetost, za koju sam otkrio da pada na nulu pri Z = 100, a možda i vrlo nisku za uran. Lise Meitner je bila angažovana na određivanju energije koja se oslobađa tokom svakog raspada usled defekta mase. Imala je vrlo jasnu predstavu o krivulji defekta mase. Ispostavilo se da bi zbog elektrostatičkog odbijanja fisioni elementi stekli energiju od oko 200 MeV, a to je upravo odgovaralo energiji povezanoj s defektom mase. Stoga bi se proces mogao odvijati čisto klasično bez uključivanja koncepta prolaska kroz potencijalnu barijeru, što bi se, naravno, ovdje pokazalo beskorisnim.
Za Božić smo proveli dva-tri dana zajedno. Onda sam se vratio u Kopenhagen i jedva da sam stigao da ispričam Boru našu ideju baš u trenutku kada se već ukrcao na parobrod za SAD. Sjećam se kako se pljesnuo po čelu čim sam počela da govorim i uzviknuo: „Ma, kakve smo mi budale! Trebali smo to ranije primijetiti." Ali on to nije primetio, a niko nije primetio.
Lise Meitner i ja smo napisali članak. Istovremeno, stalno smo bili u kontaktu preko međugradskog telefona Kopenhagen - Stokholm.

O. Frisch, Memoari. UFN. 1968. T. 96, broj 4, str. 697.

Spontana nuklearna fisija

U dolje opisanim eksperimentima koristili smo metodu koju je prvi predložio Frisch za snimanje procesa nuklearne fisije. Jonizaciona komora sa pločama obloženim slojem uranijum oksida povezana je sa linearnim pojačalom podešenim na način da sistem ne registruje α čestice koje se emituju iz uranijuma; impulsi iz fragmenata, koji su mnogo veći od impulsa iz α-čestica, otključavaju izlazni tiratron i smatraju se mehaničkim relejem.
Jonizacijska komora je posebno dizajnirana u obliku višeslojnog ravnog kondenzatora ukupne površine 15 ploča od 1000 cm. 2 .
U prvim eksperimentima sa pojačalom podešenim za brojanje fragmenata, bilo je moguće uočiti spontane (u odsustvu izvora neutrona) impulse na releju i osciloskopu. Broj ovih impulsa bio je mali (6 na 1 sat), pa je sasvim razumljivo da se ova pojava nije mogla uočiti kamerama uobičajenog tipa...
Mi smo skloni da to mislimo efekat koji opažamo mora se pripisati fragmentima koji su rezultat spontane fisije uranijuma...

Spontanu fisiju treba pripisati jednom od nepobuđenih U izotopa s poluraspadom izvedenim iz procjene naših rezultata:

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

Raspad izotopa 238 U

Spontana nuklearna fisija

Poluživot spontano fisionih izotopa Z = 92 - 100

Prvi eksperimentalni sistem sa uranijum-grafitnom rešetkom izgrađen je 1941. godine pod vodstvom E. Fermija. Bila je to grafitna kocka sa rebrom dužine 2,5 m, koja je sadržavala oko 7 tona uranijum-oksida, zatvorena u gvozdene posude, koje su bile smeštene u kocki na jednakoj udaljenosti jedna od druge. RaBe neutronski izvor postavljen je na dno uranijum-grafitne rešetke. Faktor multiplikacije u takvom sistemu bio je ≈0,7. Uranijum oksid je sadržavao od 2 do 5% nečistoća. Dalji napori su usmjereni ka dobijanju čistijih materijala, pa je do maja 1942. godine dobijen uranijum oksid, u kojem je nečistoća bila manja od 1%. Da bi se osigurala lančana reakcija fisije, bilo je potrebno koristiti veliki broj grafit i uranijum - oko nekoliko tona. Nečistoće su trebale biti manje od nekoliko dijelova na milion. Reaktor, koji je krajem 1942. sastavio Fermi na Univerzitetu u Čikagu, imao je oblik nepotpunog sferoida odsečenog odozgo. Sadržao je 40 tona uranijuma i 385 tona grafita. Uveče 2. decembra 1942. godine, nakon što su uklonjene šipke apsorbera neutrona, otkriveno je da se unutar reaktora odvija nuklearna lančana reakcija. Izmjereni koeficijent iznosio je 1,0006. U početku je reaktor radio na nivou snage od 0,5 W. Do 12. decembra njegova snaga je povećana na 200 vati. Nakon toga, reaktor je premješten na sigurnije mjesto, a snaga mu je povećana na nekoliko kW. U ovom slučaju, reaktor je trošio 0,002 g uranijuma-235 dnevno.

Prvi nuklearni reaktor u SSSR-u

Zgrada za prvi istraživački nuklearni reaktor F-1 u SSSR-u bila je spremna do juna 1946.
Nakon izvršenih svih potrebnih eksperimenata, razvijen je sistem upravljanja i zaštite reaktora, utvrđene su dimenzije reaktora, izvršeni su svi potrebni eksperimenti sa modelima reaktora, određena je gustina neutrona na nekoliko modela, dobijeni su grafitni blokovi. (tzv. nuklearne čistoće) i (nakon neutronsko-fizičkih provjera) blokova uranijuma, u novembru 1946. započela je izgradnja reaktora F-1.
Ukupni radijus reaktora bio je 3,8 m. Za njega je bilo potrebno 400 tona grafita i 45 tona uranijuma. Reaktor je montiran po slojevima, a u 15 sati 25. decembra 1946. godine sastavljen je posljednji, 62. sloj. Nakon vađenja takozvanih hitnih štapova, kontrolna šipka je podignuta, gustina neutrona je počela da se računa i u 18:00 25. decembra 1946. godine oživeo je i počeo sa radom prvi reaktor u SSSR-u. Bila je to uzbudljiva pobjeda za naučnike - tvorce nuklearnog reaktora i za cijeli sovjetski narod. Godinu i po dana kasnije, 10. juna 1948., industrijski reaktor sa vodom u kanalima dostigao je kritično stanje i ubrzo je započeo industrijsku proizvodnju nove vrste nuklearnog goriva - plutonijuma.