Fisiunea unui nucleu este divizarea unui atom greu în două fragmente de masă aproximativ egală, însoțită de eliberarea unei cantități mari de energie.
Descoperirea fisiunii nucleare a început o nouă eră - „era atomică”. Potențialul posibilei sale utilizări și raportul de risc de a beneficia de pe urma utilizării sale au generat nu numai multe realizări sociologice, politice, economice și științifice, ci și probleme serioase. Chiar și din punct de vedere pur științific, procesul de fisiune nucleară a creat un număr mare de puzzle-uri și complicații, iar o explicație teoretică completă a acestuia este o chestiune de viitor.
Partajarea este profitabilă
Energiile de legare (pe nucleon) diferă pentru diferite nuclee. Cele mai grele au energii de legare mai mici decât cele situate în mijlocul tabelului periodic.
Aceasta înseamnă că nucleele grele cu un număr atomic mai mare de 100 beneficiază de împărțirea în două fragmente mai mici, eliberând astfel energie caretransformată în energie cinetică a fragmentelor. Acest proces se numește scindarea nucleului atomic.
Conform curbei de stabilitate, care arată dependența numărului de protoni de numărul de neutroni pentru nuclizii stabili, nucleele mai grele preferă mai mulți neutroni (comparativ cu numărul de protoni) decât pe cele mai ușoare. Acest lucru sugerează că, odată cu procesul de scindare, vor fi emiși niște neutroni „de rezervă”. În plus, vor prelua și o parte din energia eliberată. Studiul fisiunii nucleare a atomului de uraniu a arătat că sunt eliberați 3-4 neutroni: 238U → 145La + 90Br + 3n.
Numărul atomic (și masa atomică) al unui fragment nu este egal cu jumătate din masa atomică a părintelui. Diferența dintre masele de atomi formate ca urmare a divizării este de obicei de aproximativ 50. Cu toate acestea, motivul pentru aceasta nu este încă pe deplin înțeles.
Energiile de legare ale 238U, 145La și 90Br sunt 1803, 1198 și, respectiv, 763 MeV. Aceasta înseamnă că, în urma acestei reacții, se eliberează energia de fisiune a nucleului de uraniu, egală cu 1198 + 763-1803=158 MeV.
Fisiune spontană
Procesele de scindare spontană sunt cunoscute în natură, dar sunt foarte rare. Durata medie de viață a acestui proces este de aproximativ 1017 ani și, de exemplu, durata medie de viață a descompunerii alfa a aceluiași radionuclid este de aproximativ 1011ani.
Motivul pentru aceasta este că, pentru a se împărți în două părți, nucleul trebuiemai întâi suferă deformare (întindere) într-o formă elipsoidală și apoi, înainte de despicarea finală în două fragmente, formează un „gât” în mijloc.
Barieră potențială
În starea deformată, două forțe acționează asupra miezului. Una dintre ele este energia de suprafață crescută (tensiunea superficială a unei picături de lichid explică forma sa sferică), iar celăl alt este repulsia coulombiană dintre fragmentele de fisiune. Împreună produc o barieră potențială.
Ca și în cazul dezintegrarii alfa, pentru ca fisiunea spontană a nucleului atomului de uraniu să aibă loc, fragmentele trebuie să depășească această barieră folosind tunelul cuantic. Bariera este de aproximativ 6 MeV, ca în cazul dezintegrarii alfa, dar probabilitatea tunelului unei particule α este mult mai mare decât a unui produs de fisiune a atomului mult mai greu.
Diviziunea forțată
Mult mai probabil este fisiunea indusă a nucleului de uraniu. În acest caz, nucleul părinte este iradiat cu neutroni. Dacă părintele o absoarbe, se leagă, eliberând energie de legare sub formă de energie vibrațională care poate depăși cei 6 MeV necesari pentru a depăși bariera potențială.
Acolo unde energia unui neutron suplimentar este insuficientă pentru a depăși bariera de potențial, neutronul incident trebuie să aibă o energie cinetică minimă pentru a putea induce scindarea unui atom. În cazul energiei de legătură 238U suplimentarăneutronii lipsesc aproximativ 1 MeV. Aceasta înseamnă că fisiunea nucleului de uraniu este indusă doar de un neutron cu o energie cinetică mai mare de 1 MeV. Pe de altă parte, izotopul 235U are un neutron nepereche. Când nucleul absoarbe unul suplimentar, formează o pereche cu acesta și, ca urmare a acestei împerecheri, apare o energie de legare suplimentară. Acest lucru este suficient pentru a elibera cantitatea de energie necesară pentru ca nucleul să depășească bariera potențială, iar fisiunea izotopului are loc la coliziunea cu orice neutron.
Decadere beta
În ciuda faptului că reacția de fisiune emite trei sau patru neutroni, fragmentele conțin încă mai mulți neutroni decât izobarele lor stabile. Aceasta înseamnă că fragmentele de fisiune sunt în general instabile împotriva dezintegrarii beta.
De exemplu, când are loc fisiunea uraniului 238U, izobara stabilă cu A=145 este neodim 145Nd, ceea ce înseamnă că fragmentul de lantan 145La se descompune în trei etape, emitând de fiecare dată un electron și un antineutrino, până când se formează un nuclid stabil. Izobara stabilă cu A=90 este zirconiu 90Zr, astfel încât fragmentul de scindare brom 90Br se descompune în cinci etape ale lanțului de dezintegrare β.
Aceste lanțuri de dezintegrare β eliberează energie suplimentară, aproape toată care este transportată de electroni și antineutrini.
Reacții nucleare: fisiunea nucleelor de uraniu
Radiația directă a unui neutron de la un nuclid cu preaun număr mare dintre ele pentru a asigura stabilitatea nucleului este puțin probabil. Ideea aici este că nu există repulsie coulombiană și, prin urmare, energia de suprafață tinde să mențină neutronul în legătură cu părintele. Cu toate acestea, asta se întâmplă uneori. De exemplu, fragmentul de fisiune 90Br în prima etapă a dezintegrarii beta produce krypton-90, care poate fi într-o stare excitată cu suficientă energie pentru a depăși energia de suprafață. În acest caz, emisia de neutroni poate avea loc direct odată cu formarea criptonului-89. Această izobară este încă instabilă la dezintegrarea β până când se transformă în ytriu-89 stabil, deci krypton-89 se descompune în trei pași.
Fisiunea uraniului: reacție în lanț
Neutronii emiși într-o reacție de fisiune pot fi absorbiți de un alt nucleu părinte, care apoi suferă o fisiune indusă. În cazul uraniului-238, cei trei neutroni care sunt produși ies cu o energie mai mică de 1 MeV (energia eliberată în timpul fisiunii nucleului de uraniu - 158 MeV - este transformată în principal în energia cinetică a fragmentelor de fisiune).), deci nu pot provoca o fisiune suplimentară a acestui nuclid. Cu toate acestea, cu o concentrație semnificativă a izotopului rar 235U, acești neutroni liberi pot fi capturați de nucleele 235U, care într-adevăr pot provoca fisiune, deoarece în acest caz, nu există un prag de energie sub care fisiunea să nu fie indusă.
Acesta este principiul reacției în lanț.
Tipuri de reacții nucleare
Fie k numărul de neutroni produși într-o probă de material fisionabil în etapa n a acestui lanț, împărțit la numărul de neutroni produși în etapa n - 1. Acest număr va depinde de câți neutroni sunt produși la stadiul n - 1, sunt absorbite de nucleu, care poate suferi fisiune forțată.
• Dacă k < este 1, atunci reacția în lanț se va epuiza și procesul se va opri foarte repede. Este exact ceea ce se întâmplă în minereul natural de uraniu, în care concentrația de 235U este atât de scăzută încât probabilitatea de absorbție a unuia dintre neutroni de către acest izotop este extrem de neglijabilă.
• Dacă k > 1, atunci reacția în lanț va crește până când tot materialul fisionabil este folosit (bombă atomică). Acest lucru se realizează prin îmbogățirea minereului natural pentru a obține o concentrație suficient de mare de uraniu-235. Pentru o probă sferică, valoarea lui k crește odată cu creșterea probabilității de absorbție a neutronilor, care depinde de raza sferei. Prin urmare, masa lui U trebuie să depășească o anumită masă critică pentru ca fisiunea nucleelor de uraniu (o reacție în lanț) să aibă loc.
• Dacă k=1, atunci are loc o reacție controlată. Acesta este folosit în reactoare nucleare. Procesul este controlat prin distribuirea baghetelor de cadmiu sau bor între uraniu, care absorb majoritatea neutronilor (aceste elemente au capacitatea de a capta neutroni). Fisiunea nucleului de uraniu este controlată automat prin deplasarea tijelor astfel încât valoarea lui k să rămână egală cu unu.
