انشطار واندماج النوى. أصل الطاقة الانشطارية للنواة الثقيلة ما الذي يحدد انشطار ذرة اليورانيوم

تزداد الطاقة E المنبعثة أثناء الانشطار بزيادة Z 2 / A. Z 2 / A = 17 لـ 89 Y (الإيتريوم). أولئك. الانشطار موات بقوة لجميع النوى الأثقل من الإيتريوم. لماذا غالبية النوى مقاومة للانشطار التلقائي؟ للإجابة على هذا السؤال ، من الضروري النظر في آلية الانشطار.

في عملية الانشطار ، يتغير شكل النواة. تمر النواة بالتتابع عبر المراحل التالية (الشكل 7.1): كرة ، شكل إهليلجي ، دمبل ، شظيتان على شكل كمثرى ، شظيتان كرويتان. كيف تتغير الطاقة الكامنة للنواة في مراحل مختلفة من الانشطار؟
النواة الأولية مع التكبير صيتخذ شكل الشكل الإهليلجي المطول بشكل متزايد للثورة. في هذه الحالة ، نظرًا لتطور شكل النواة ، يتم تحديد التغيير في طاقتها الكامنة من خلال تغيير مجموع السطح وطاقات كولوم E n + E k. تزداد طاقة السطح في هذه الحالة ، منذ تزداد مساحة سطح النواة. تنخفض طاقة كولوم مع زيادة متوسط ​​المسافة بين البروتونات. إذا كان هناك تشوه ضئيل يتميز بمعامل صغير ، فإن النواة الأولية تأخذ شكل شكل بيضاوي متماثل محوريًا ، والطاقة السطحية E "n وطاقة Coulomb E" كدالة لتغيير معامل التشوه على النحو التالي:

في العلاقات (7.4-7.5) هن و هك - طاقات سطح وكولوم للنواة الأولية كروية متناظرة.
في منطقة النوى الثقيلة 2E n> E k ويزداد مجموع السطح وطاقات كولوم مع الزيادة. من (7.4) و (7.5) يترتب على ذلك أنه في حالة التشوهات الصغيرة ، تمنع الزيادة في طاقة السطح حدوث تغيير إضافي في شكل النواة ، وبالتالي الانشطار.
العلاقة (7.5) صالحة للتشوهات الصغيرة. إذا كان التشوه كبيرًا لدرجة أن النواة تأخذ شكل الدمبل ، فإن السطح وقوى كولوم تميل إلى فصل النواة وإعطاء الأجزاء شكلاً كرويًا. وهكذا ، مع الزيادة التدريجية في تشوه النواة ، تمر طاقتها الكامنة بحد أقصى. يظهر الرسم البياني للتغيرات في طاقات السطح و Coulomb للنواة كدالة لـ r في الشكل. 7.2

إن وجود حاجز محتمل يمنع الانشطار النووي العفوي. لكي تنقسم النواة ، يجب أن يتم نقلها إلى طاقة Q تتجاوز ارتفاع حاجز الانشطار H. الطاقة الكامنة القصوى لنواة الانشطار E + H (على سبيل المثال ، الذهب) إلى جزأين متطابقين هي 173 MeV ، وقيمة الطاقة المنبعثة أثناء الانشطار هي 132 ميجا فولت ... وبالتالي ، عند انشطار نواة الذهب ، من الضروري التغلب على حاجز محتمل بارتفاع حوالي 40 ميغا إلكترون فولت.
ارتفاع حاجز الانشطار H هو الأكبر ، وانخفاض نسبة الكولوم والطاقات السطحية E إلى / E n في النواة الأولية. تزداد هذه النسبة بدورها مع زيادة معامل الانشطار Z 2 / A (7.3). كلما كانت النواة أثقل ، كلما انخفض ارتفاع حاجز الانشطار H ، لأن معلمة الانشطار ، بافتراض أن Z تتناسب مع A ، تزداد مع زيادة عدد الكتلة:

لذلك ، تحتاج النوى الأثقل ، كقاعدة عامة ، إلى نقل طاقة أقل من أجل إحداث الانشطار النووي.
يتلاشى ارتفاع حاجز الانشطار عند 2E n - E k = 0 (7.5). في هذه الحالة

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

Z 2 / A = 2a 2 / (a ​​3 Z 2) ≈ 49.

وبالتالي ، وفقًا لنموذج القطيرات ، لا يمكن أن توجد النوى ذات Z 2 / A> 49 في الطبيعة ، حيث يجب أن تنقسم تلقائيًا إلى جزأين في زمن نووي مميز بترتيب من 10 إلى 22 ثانية تقريبًا بشكل فوري. تبعيات شكل وارتفاع الحاجز المحتمل H ، وكذلك طاقة الانشطار على قيمة المعلمة Z 2 / A موضحة في الشكل. 7.3.

أرز. 7.3. الاعتماد الشعاعي على شكل وارتفاع الحاجز المحتمل وطاقة الانشطار E لقيم مختلفة للمعامل Z 2 / A. يتم رسم قيمة E p + E k على المحور الرأسي.

الانشطار التلقائي للنواة مع 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 سنة لـ 232 Th حتى 0.3 s لـ 260 Rf.
الانشطار القسري للنواة مع 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.
القيمة الدنيا لطاقة الإثارة لنواة مركبة E * تكونت أثناء التقاط نيوترون تساوي طاقة الارتباط لنيوترون في هذه النواة ε n. يقارن الجدول 7.1 ارتفاع الحاجز H وطاقة ربط النيوترون ε n للنظائر Th ، U ، Pu ، المتكونة بعد التقاط النيوترون. تعتمد طاقة الارتباط للنيوترون على عدد النيوترونات في النواة. بسبب طاقة الاقتران ، تكون طاقة الارتباط للنيوترون الزوجي أكبر من طاقة الارتباط للنيوترون الفردي.

الجدول 7.1

ارتفاع حاجز الانشطار H ، طاقة ربط النيوترون ε n

السمة المميزة للانشطار هي أن الشظايا عادة ما يكون لها كتل مختلفة. في حالة الانشطار الأكثر احتمالًا وهو 235 وحدة ، تكون نسبة كتلة الشظية ، في المتوسط ​​، 1.5 ~. يوضح الشكل التوزيع الكتلي للشظايا الناتجة عن انشطار 235 U بواسطة النيوترونات الحرارية. 7.4. بالنسبة للانشطار الأكثر احتمالاً ، يكون للجزء الثقيل عدد كتلته 139 ، والجزء الخفيف - 95. ومن بين نواتج الانشطار ، توجد شظايا ذات A = 72 - 161 و Z = 30 - 65. احتمال الانشطار إلى جزأين من الكتلة المتساوية ليست صفرا. في انشطار 235 يو بواسطة نيوترونات حرارية ، يكون احتمال الانشطار المتماثل أقل بثلاث مرات تقريبًا مما هو عليه في حالة الانشطار الأكثر احتمالًا إلى أجزاء مع A = 139 و 95.
يتم تفسير الانشطار غير المتماثل من خلال بنية غلاف النواة. تميل النواة إلى الانقسام بطريقة تجعل الجزء الرئيسي من النوى في كل جزء يشكل الهيكل العظمي السحري الأكثر استقرارًا.
نسبة عدد النيوترونات إلى عدد البروتونات في النواة 235 هي U N / Z = 1.55 ، بينما بالنسبة للنظائر المستقرة التي تحتوي على عدد كتلي قريب من العدد الكتلي للشظايا ، فإن هذه النسبة هي 1.25 - 1.45. وبالتالي ، فإن شظايا الانشطار تكون محملة بشدة بالنيوترونات ويجب أن تكون كذلك
β - المشعة. لذلك ، تخضع الأجزاء الانشطارية لانحلال β متتالية ، ويمكن أن تختلف شحنة الجزء الأولي بمقدار 4-6 وحدات. يوجد أدناه سلسلة نموذجية من التحلل الإشعاعي لـ 97 Kr ، وهي إحدى الأجزاء التي تشكلت أثناء انشطار 235 U:

يتم أيضًا إزالة إثارة الشظايا الناتجة عن انتهاك نسبة عدد البروتونات والنيوترونات ، وهي سمة من سمات النوى المستقرة ، بسبب انبعاث نيوترونات الانشطار الفوري. تنبعث هذه النيوترونات عن طريق تحريك الأجزاء في وقت أقل من ~ 10-14 ثانية. في المتوسط ​​، تنبعث 2 - 3 نيوترونات فورية في كل فعل انشطار. طيف طاقتهم مستمر بحد أقصى حوالي 1 ميجا فولت. يقترب متوسط ​​طاقة النيوترونات السريعة من 2 MeV. يتيح انبعاث أكثر من نيوترون واحد في كل حدث انشطار الحصول على الطاقة من خلال تفاعل سلسلة الانشطار النووي.
مع الانشطار الأكثر احتمالًا وهو 235 يو بواسطة النيوترونات الحرارية ، يكتسب جزء خفيف (A = 95) طاقة حركية قدرها 100 إلكترون فولت ، وقطعة ثقيلة (A = 139) - حوالي 67 ميجا إلكترون فولت. وبالتالي ، فإن الطاقة الحركية الكلية للشظايا هي 167 MeV. إجمالي طاقة الانشطار في هذه الحالة هو 200 ميجا فولت. وهكذا ، يتم توزيع الطاقة المتبقية (33 ميغا إلكترون فولت) بين نواتج الانشطار الأخرى (نيوترونات ، إلكترونات ومضادات نيوترينوات β - تحلل الشظايا ، إشعاع γ للشظايا ونواتج اضمحلالها). يوضح الجدول 7.2 توزيع طاقة الانشطار بين المنتجات المختلفة أثناء انشطار 235 وحدة U بواسطة النيوترونات الحرارية.

الجدول 7.2

توزيع طاقة الانشطار 235 يو نيوترونات حرارية

نواتج الانشطار (NPPs) عبارة عن مزيج معقد من أكثر من 200 نظير مشع من 36 عنصرًا (من الزنك إلى الجادولينيوم). يتكون معظم النشاط من النويدات المشعة قصيرة العمر. وهكذا ، بعد 7 و 49 و 343 يومًا من الانفجار ، انخفض نشاط NPP بمقدار 10 و 100 و 1000 مرة على التوالي ، مقارنة بالنشاط بعد ساعة من الانفجار. يظهر محصول النويدات المشعة الأكثر أهمية من الناحية البيولوجية في الجدول 7.3. بالإضافة إلى NPP ، يحدث التلوث الإشعاعي بسبب النويدات المشعة للنشاط المستحث (3 H ، 14 C ، 28 Al ، 24 Na ، 56 Mn ، 59 Fe ، 60 Co ، إلخ) والجزء غير المنفصل من اليورانيوم والبلوتونيوم. دور النشاط المستحث في الانفجارات النووية الحرارية عظيم بشكل خاص.

الجدول 7.3

إطلاق بعض نواتج الانشطار في انفجار نووي

أثناء التفجيرات النووية في الغلاف الجوي ، يسقط جزء كبير من هطول الأمطار (في الانفجارات الأرضية حتى 50٪) بالقرب من منطقة الاختبار. يتم الاحتفاظ ببعض المواد المشعة في الجزء السفلي من الغلاف الجوي وتتحرك ، تحت تأثير الرياح ، لمسافات طويلة ، وتبقى على نفس خط العرض تقريبًا. مع بقاء المواد المشعة في الهواء لمدة شهر تقريبًا ، تسقط المواد المشعة تدريجيًا على الأرض أثناء هذه الحركة. تنبعث معظم النويدات المشعة في الستراتوسفير (على ارتفاع 10-15 كم) ، حيث تنتشر على مستوى العالم وتتحلل إلى حد كبير.
كانت العناصر الهيكلية المختلفة للمفاعلات النووية نشطة للغاية لعقود (الجدول 7.4)

الجدول 7.4

قيم النشاط المحددة (بيكريل / طن من اليورانيوم) لنواتج الانشطار الرئيسية في عناصر الوقود التي تمت إزالتها من المفاعل بعد ثلاث سنوات من التشغيل

الانشطار النووي هو انقسام ذرة ثقيلة إلى جزأين متساوي الكتلة تقريبًا ، مصحوبًا بإطلاق كمية كبيرة من الطاقة.

بدأ اكتشاف الانشطار النووي حقبة جديدة - "العصر الذري". إن إمكانية استخدامه المحتمل ونسبة المخاطرة للاستفادة من استخدامه لم تولد فقط العديد من التطورات الاجتماعية والسياسية والاقتصادية والعلمية ، ولكن أيضًا مشاكل خطيرة. حتى من وجهة نظر علمية بحتة ، خلقت عملية الانشطار النووي العديد من الألغاز والتعقيدات ، وتفسيرها النظري الكامل هو مسألة مستقبلية.

تقاسم مربح

تختلف طاقات الربط (لكل نواة) للأنوية المختلفة. الأثقل لها طاقة ربط أقل من تلك الموجودة في منتصف الجدول الدوري.

هذا يعني أنه من المفيد أن تنقسم النوى الثقيلة التي يزيد عددها الذري عن 100 إلى جزأين أصغر ، وبالتالي إطلاق الطاقة التي يتم تحويلها إلى طاقة حركية للشظايا. هذه العملية تسمى الانقسام

وفقًا لمنحنى الثبات ، الذي يُظهر اعتماد عدد البروتونات على عدد النيوترونات للنويدات المستقرة ، تفضل النوى الأثقل عددًا أكبر من النيوترونات (مقارنة بعدد البروتونات) على النوى الأخف. يشير هذا إلى أنه جنبًا إلى جنب مع عملية الانشطار ، ستنبعث بعض النيوترونات "الاحتياطية". بالإضافة إلى ذلك ، سوف يأخذون أيضًا بعض الطاقة المحررة. أظهرت دراسة انشطار ذرة اليورانيوم إطلاق 3-4 نيوترونات: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

العدد الذري (والكتلة الذرية) للجزء ليس نصف الكتلة الذرية للجزء الأصل. عادة ما يكون الفرق بين كتل الذرات المتكونة نتيجة للانقسام حوالي 50 ذرة. صحيح أن سبب ذلك لم يتم فهمه بالكامل بعد.

طاقات الربط لـ 238 U و 145 La و 90 Br هي 1803 و 1198 و 763 ميغا إلكترون فولت على التوالي. هذا يعني أنه نتيجة لهذا التفاعل ، يتم إطلاق الطاقة الانشطارية لنواة اليورانيوم ، والتي تساوي 1198 + 763-1803 = 158 إلكترون فولت.

الانقسام العفوي

عمليات الانقسام العفوي معروفة في الطبيعة ، لكنها نادرة جدًا. يبلغ متوسط ​​عمر هذه العملية حوالي 10 إلى 17 عامًا ، وعلى سبيل المثال ، يبلغ متوسط ​​عمر تحلل ألفا لنفس النويدات المشعة حوالي 10 و 11 عامًا.

والسبب في ذلك هو أنه من أجل الانقسام إلى جزأين ، يجب أن تخضع النواة أولاً للتشوه (التمدد) إلى شكل بيضاوي ، ثم ، قبل الانقسام في النهاية إلى جزأين ، تشكل "رقبة" في المنتصف.

الحاجز المحتمل

في حالة مشوهة ، تعمل قوتان على النواة. أحدهما هو زيادة الطاقة السطحية (يفسر التوتر السطحي لقطيرة سائلة شكلها الكروي) ، والآخر هو تنافر كولوم بين شظايا الانشطار. معًا يخلقون حاجزًا محتملاً.

كما في حالة اضمحلال ألفا ، لكي يحدث الانشطار التلقائي لذرة اليورانيوم ، يجب أن تتغلب الشظايا على هذا الحاجز باستخدام نفق الكم. يبلغ الحاجز حوالي 6 ميغا إلكترون فولت ، كما في حالة تحلل ألفا ، لكن احتمال حفر جسيم ألفا عبر نفق أكبر بكثير من ناتج الانشطار الذري الأثقل بكثير.

الانقسام القسري

الانشطار المستحث لنواة اليورانيوم هو أكثر احتمالا. في هذه الحالة ، يتم تشعيع النواة الأم بالنيوترونات. إذا قام الوالد بامتصاصها ، فإنهم يرتبطون ، ويطلقون طاقة الربط في شكل طاقة اهتزازية ، والتي يمكن أن تتجاوز 6 MeV المطلوبة للتغلب على الحاجز المحتمل.

عندما تكون طاقة النيوترون الإضافي غير كافية للتغلب على الحاجز المحتمل ، يجب أن يمتلك النيوترون الساقط الحد الأدنى من الطاقة الحركية حتى يتمكن من إحداث انقسام الذرة. في حالة 238 يو ، تبلغ طاقة الارتباط للنيوترونات الإضافية حوالي 1 ميغا إلكترون فولت. وهذا يعني أن انشطار نواة اليورانيوم يتم تحريضه فقط بواسطة نيوترون بطاقة حركية تزيد عن 1 إلكترون فولت. من ناحية أخرى ، فإن النظير 235 يو يحتوي على نيوترون واحد غير مزاوج. عندما تمتص النواة نواة إضافية ، فإنها تشكل زوجًا معها ، ونتيجة لهذا الاقتران ، تظهر طاقة ارتباط إضافية. هذا كافٍ لإطلاق كمية الطاقة المطلوبة للنواة للتغلب على الحاجز المحتمل ويحدث انشطار النظير عند الاصطدام بأي نيوترون.

اضمحلال بيتا

على الرغم من أن التفاعل الانشطاري يصدر ثلاثة أو أربعة نيوترونات ، إلا أن الأجزاء لا تزال تحتوي على نيوترونات أكثر من نظيراتها المتساوية المستقرة. هذا يعني أن أجزاء الانقسام غير مستقرة بشكل عام فيما يتعلق بتحلل بيتا.

على سبيل المثال ، عندما يحدث انشطار نواة اليورانيوم 238 يو ، يكون الأيزوبار المستقر مع А = 145 هو نيوديميوم 145 Nd ، مما يعني أن جزء اللانثانوم 145 لا يتحلل على ثلاث مراحل ، في كل مرة ينبعث منها إلكترون ومضاد نيوترينو ، حتى يصبح مستقرًا. يتكون نوكليد. الزركونيوم 90 Zr هو متساوي ضغط ثابت مع A = 90 ؛ لذلك ، جزء من انقسام البروم 90 Br يتحلل في خمس مراحل من سلسلة β-decay.

تُطلق سلاسل β-decay هذه طاقة إضافية ، يتم نقلها كلها تقريبًا بواسطة الإلكترونات ومضادات النيترينوهات.

التفاعلات النووية: انشطار نوى اليورانيوم

من غير المحتمل انبعاث نيوترون مباشر من نوكليدة مع الكثير منها لضمان استقرار النواة. النقطة هنا هي أنه لا يوجد تنافر كولوم ، وبالتالي فإن طاقة السطح تميل إلى الاحتفاظ بالنيوترون فيما يتعلق بالنيوترون. ومع ذلك ، يحدث هذا في بعض الأحيان. على سبيل المثال ، ينتج جزء انشطار 90 Br في مرحلة اضمحلال بيتا الأولى الكريبتون 90 ، والذي يمكن تنشيطه بالطاقة الكافية للتغلب على الطاقة السطحية. في هذه الحالة ، يمكن أن يحدث انبعاث النيوترونات مباشرة مع تكوين الكريبتون 89. لا يزال غير مستقر فيما يتعلق بتسوس β حتى يتحول إلى yttrium-89 مستقر ، بحيث يتحلل الكريبتون 89 على ثلاث مراحل.

انشطار نوى اليورانيوم: تفاعل متسلسل

يمكن امتصاص النيوترونات المنبعثة في تفاعل الانشطار بواسطة نواة أخرى ، والتي تخضع بعد ذلك للانشطار المستحث نفسه. في حالة اليورانيوم 238 ، تخرج النيوترونات الثلاثة بطاقة أقل من 1 ميغا إلكترون فولت (الطاقة المنبعثة أثناء انشطار نواة اليورانيوم - 158 ميغا إلكترون فولت - يتم تحويلها بشكل أساسي إلى الطاقة الحركية لشظايا الانشطار) ، لذلك لا يمكنهم التسبب في مزيد من الانشطار لهذه النويدات. ومع ذلك ، عند التركيز الكبير للنظير النادر 235 يو ، يمكن التقاط هذه النيوترونات الحرة بواسطة نوى 235 يو ، والتي يمكن أن تسبب بالفعل انقسامًا ، لأنه في هذه الحالة لا توجد عتبة طاقة لا يتم تحفيز الانشطار تحتها.

هذا هو مبدأ التفاعل المتسلسل.

أنواع التفاعلات النووية

لنفترض أن k هو عدد النيوترونات المنتجة في عينة من المادة الانشطارية في المرحلة n من هذه السلسلة ، مقسومًا على عدد النيوترونات المنتجة في المرحلة n - 1. سيعتمد هذا الرقم على عدد النيوترونات المنتجة في المرحلة n - 1 والتي يتم امتصاصها من النواة ، والتي قد تخضع لانقسام قسري.

إذا كان ك< 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.

إذا كان k> 1 ، فإن التفاعل المتسلسل سينمو حتى يتم استخدام كل المواد الانشطارية. ويتحقق ذلك عن طريق تخصيب الخام الطبيعي للحصول على تركيز عالٍ بما فيه الكفاية من اليورانيوم 235. بالنسبة للعينة الكروية ، تزداد قيمة k مع زيادة احتمالية امتصاص النيوترونات ، والتي تعتمد على نصف قطر الكرة. لذلك ، يجب أن تتجاوز كتلة U كتلة معينة بحيث يمكن أن يحدث انشطار نوى اليورانيوم (تفاعل متسلسل).

إذا كان k = 1 ، فسيحدث تفاعل محكوم. يستخدم هذا في عملية التحكم عن طريق توزيع قضبان الكادميوم أو البورون بين اليورانيوم الذي يمتص معظم النيوترونات (هذه العناصر لديها القدرة على التقاط النيوترونات). يتم التحكم في انشطار نواة اليورانيوم تلقائيًا عن طريق تحريك القضبان بحيث تظل قيمة k مساوية للوحدة.

يحدث انشطار نوى اليورانيوم بالطريقة الآتية:أولاً ، يصطدم نيوترون بالنواة ، مثل رصاصة تضرب تفاحة. في حالة التفاحة ، قد تكون رصاصة قد أحدثت ثقبًا فيها أو فجرتها. عندما يصطدم نيوترون بالنواة ، يتم أسره بالقوى النووية. من المعروف أن النيوترون محايد ، لذلك لا يتم صده بالقوى الكهروستاتيكية.

كيف يحدث انشطار اليورانيوم

لذلك ، بعد أن دخل النيوترون في تكوين النواة ، يخل بالتوازن ، وتكون النواة متحمسة. يمتد إلى الجانبين مثل الدمبل أو علامة "اللانهاية": ∞ ... القوى النووية ، كما تعلم ، تعمل على مسافة تتناسب مع حجم الجسيمات. عندما يتم شد النواة ، يصبح عمل القوى النووية غير مهم بالنسبة للجسيمات المتطرفة لـ "الدمبل" ، بينما تعمل القوى الكهربائية بقوة كبيرة في مثل هذه المسافة ، وتنقسم النواة ببساطة إلى جزأين. في هذه الحالة ، لا يزال ينبعث اثنان أو ثلاثة نيوترون.

تنتشر شظايا النواة والنيوترونات المحررة بسرعة كبيرة في اتجاهات مختلفة. تتباطأ الشظايا بسرعة بسبب البيئة ، لكن طاقتها الحركية هائلة. يتم تحويلها إلى الطاقة الداخلية للبيئة ، والتي تسخن. في نفس الوقت ، كمية الطاقة المنبعثة هائلة. الطاقة التي يتم الحصول عليها من الانشطار الكامل لجرام واحد من اليورانيوم تساوي تقريبًا الطاقة التي يتم الحصول عليها من حرق 2.5 طن من النفط.

تفاعل سلسلة الانشطار لعدة نوى

لقد درسنا انشطار نواة يورانيوم واحدة. أطلق الانشطار عدة نيوترونات (غالبًا اثنين أو ثلاثة). إنها تتباعد بسرعة كبيرة ويمكنها بسهولة الوصول إلى نوى الذرات الأخرى ، مما يتسبب في تفاعل انشطارى فيها. هذا هو رد فعل متسلسل.

أي أن النيوترونات الناتجة عن الانشطار النووي تثير وتجبر النوى الأخرى على الانشطار ، والتي بدورها تطلق نيوترونات ، والتي تستمر في تحفيز المزيد من الانشطار. وهكذا حتى يحدث انشطار جميع نوى اليورانيوم في الجوار المباشر.

في هذه الحالة ، يمكن أن يحدث تفاعل متسلسل انهيار ثلجي، على سبيل المثال ، في حالة انفجار قنبلة ذرية. يزداد عدد الانشطار النووي أضعافًا مضاعفة في فترة زمنية قصيرة. ومع ذلك ، يمكن أن يحدث تفاعل متسلسل و مع يتلاشى.

الحقيقة هي أنه لا تلتقي جميع النيوترونات بنوى في طريقها ، مما يؤدي إلى الانشطار. كما نتذكر ، داخل المادة ، يشغل الفراغ بين الجسيمات الحجم الرئيسي. لذلك ، تطير بعض النيوترونات عبر جميع المواد دون أن تصطدم بأي شيء على طول الطريق. وإذا انخفض عدد الانشطار النووي بمرور الوقت ، فإن التفاعل يتلاشى تدريجياً.

التفاعلات النووية والكتلة الحرجة لليورانيوم

ما الذي يحدد نوع رد الفعل؟من كتلة اليورانيوم. كلما زادت الكتلة ، زاد عدد الجسيمات التي يلتقي بها النيوترون الطائر في طريقه وتكون فرص دخوله إلى النواة أكبر. لذلك ، يتم تمييز "الكتلة الحرجة" لليورانيوم - وهي الكتلة الدنيا التي يمكن عندها حدوث تفاعل متسلسل.

سيكون عدد النيوترونات المنتجة مساويًا لعدد النيوترونات الخارجة من الخارج. وسيستمر التفاعل بنفس المعدل تقريبًا حتى ينفد حجم المادة بالكامل. يستخدم هذا في الممارسة العملية في محطات الطاقة النووية ويسمى التفاعل النووي الخاضع للرقابة.

إطلاق الطاقة أثناء الانشطار النووي.كما هو الحال في التفاعلات النووية الأخرى ، فإن الطاقة المنبعثة أثناء الانشطار تعادل الفرق في كتل الجسيمات المتفاعلة والنواتج النهائية. نظرًا لأن طاقة الارتباط للنكليون في اليورانيوم هي طاقة الارتباط لنوكلون واحد في شظايا أثناء انشطار اليورانيوم ، فيجب إطلاق الطاقة

وهكذا ، أثناء انشطار النواة ، يتم إطلاق كمية هائلة من الطاقة ، ويتم إطلاق الجزء الأكبر منها في شكل طاقة حركية لشظايا الانشطار.

التوزيع الشامل لنواتج الانشطار.في معظم الحالات ، تنشطر نواة اليورانيوم بشكل غير متماثل. الشظيتان النوويتان لهما سرعات مختلفة وكتلتان مختلفتان.

تنقسم الشظايا إلى مجموعتين من حيث الجماهير ؛ واحد بالقرب من الكريبتون والآخر بالقرب من الزينون.

يكون منحنى ناتج الانشطار متماثلًا بالنسبة للخط المستقيم الرأسي الذي يمر عبر النقطة ، ويشير العرض الكبير للحد الأقصى إلى مجموعة متنوعة من مسارات الانشطار.

أرز. 82. توزيع نواتج انشطار اليورانيوم حسب الكتل

الخصائص المذكورة أعلاه تتعلق بشكل رئيسي بالانشطار بواسطة النيوترونات الحرارية ؛ في حالة الانشطار تحت تأثير النيوترونات ذات الطاقات الطفيفة أو أكثر ، تتحلل النواة إلى جزأين بكتل أكثر تناسقًا.

خصائص المنتج الانشطاري.عندما تنشطر ذرة اليورانيوم ، يتم تجريد عدد كبير جدًا من إلكترونات الغلاف ، وتتضاعف شظايا الانشطار تقريبًا الأيونات الموجبة المتأينة ، والتي ، عند مرورها عبر المادة ، تؤين الذرات بشدة. لذلك ، فإن مسارات الشظايا في الهواء صغيرة وقريبة من 2 سم.

من السهل إثبات أن الأجزاء المتكونة أثناء الانشطار يجب أن تكون مشعة وعرضة لانبعاث النيوترونات. في الواقع ، في النوى المستقرة ، تتغير نسبة عدد النيوترونات والبروتونات اعتمادًا على A على النحو التالي:

(انظر المسح)

تقع نوى الانشطار في منتصف الجدول ، وبالتالي تحتوي على نيوترونات أكثر مما هو مقبول لاستقرارها. يمكن تحريرها من النيوترونات الزائدة عن طريق الانحلال وبانبعاث النيوترونات مباشرة.

النيوترونات المتأخرة.في أحد المتغيرات المحتملة للانشطار ، يتكون البروم المشع. في التين. يظهر الشكل 83 مخططًا لاضمحلاله ، وفي نهايته توجد نظائر مستقرة

ميزة مثيرة للاهتمام لهذه السلسلة: يمكن تحرير الكريبتون من نيوترون إضافي إما بسبب -decay ، أو إذا تم تشكيله في حالة مثارة بسبب الانبعاث المباشر للنيوترون. تظهر هذه النيوترونات بعد 56 ثانية من الانشطار (العمر النسبي للانتقال إلى حالة الإثارة ، على الرغم من أنها نفسها تصدر نيوترونات على الفور تقريبًا.

أرز. 83- مخطط اضمحلال البروم المشع المتكون في حالة مثارة أثناء انشطار اليورانيوم

يطلق عليهم النيوترونات المتأخرة. بمرور الوقت ، تتحلل شدة النيوترونات المتأخرة بشكل كبير ، كما هو الحال في الاضمحلال الإشعاعي العادي.

طاقة هذه النيوترونات تساوي طاقة الإثارة للنواة. على الرغم من أنها تمثل 0.75 ٪ فقط من جميع النيوترونات المنبعثة أثناء الانشطار ، تلعب النيوترونات المتأخرة دورًا مهمًا في التفاعل المتسلسل.

نيوترونات فورية.يتم إطلاق أكثر من 99٪ من النيوترونات في غضون فترة زمنية قصيرة للغاية ؛ يطلق عليهم النوترونات الفورية.

عند دراسة عملية الانشطار ، يُطرح السؤال الأساسي ، كم عدد النيوترونات التي يتم إنتاجها في فعل انشطار واحد ؛ هذا السؤال مهم لأنه إذا كان عددهم كبيرًا في المتوسط ​​، فيمكن استخدامه لانشطار النوى اللاحقة ، أي إمكانية إنشاء تفاعل متسلسل. فوق حسم هذه القضية في 1939-1940. عملت تقريبًا في جميع أكبر المختبرات النووية في العالم.

عن طريق انشطار النوىتسمى العملية التي تتكون فيها نواتان (في بعض الأحيان 3) من نواة ذرية واحدة ، والتي تكون قريبة من حيث الكتلة.

هذه العملية مفيدة للجميع. β - نوى مستقرة برقم كتلي A> 100.

انشطار نوى اليورانيومتم الكشف عنها في عام 1939 من قبل هان وستراسمان ، اللذين أثبتا بشكل قاطع أنه عندما تم قصف نوى اليورانيوم بالنيوترونات يوتتكون النوى المشعة من كتل وشحنات تساوي تقريبًا نصف كتلة وشحنة نواة اليورانيوم. في نفس العام ، قدم L. Meitner و O. Frischer مصطلح " الانشطار النوويوقد لوحظ أن هذه العملية تطلق طاقة هائلة ، واكتشف F. Joliot-Curie و E. Fermi في نفس الوقت أن الانشطار يصدر عدة نيوترونات (نيوترونات انشطار)... أصبح هذا هو الأساس لتقدم الفكرة. سلسلة تفاعل الانشطار الذاتيواستخدام الانشطار النووي كمصدر للطاقة. الانشطار النووي هو أساس الطاقة النووية الحديثة 235 يوو 239 بوتحت تأثير النيوترونات.

يمكن أن يحدث انشطار النواة بسبب حقيقة أن الكتلة الباقية لنواة ثقيلة تبين أنها أكبر من مجموع الكتل المتبقية من الشظايا التي تنشأ أثناء عملية الانشطار.

يوضح الرسم البياني أن هذه العملية قد تكون مفيدة من وجهة نظر الطاقة.

يمكن تفسير آلية الانشطار النووي على أساس نموذج القطيرات ، والذي بموجبه تشبه مجموعة النكليونات قطرة سائل مشحون. يتم حماية النواة من الانحلال بفعل قوى الجذب النووية ، والتي تكون أكبر من قوى تنافر كولوم ، والتي تعمل بين البروتونات وتميل إلى تمزق النواة.

النواة 235 يولها شكل كرة. بعد امتصاص النيوترون ، يتحمس ويتشوه ، ويكتسب شكلًا ممدودًا (في الشكل ب) ، وتمتد حتى تصبح قوى التنافر بين نصفي النواة الممدودة أكبر من قوى الجذب المؤثرة في البرزخ (في الشكل الخامس). بعد ذلك ، يتمزق اللب إلى جزأين (في الشكل جي). تنتشر شظايا تحت تأثير قوى كولوم الطاردة بسرعة تساوي 1/30 من سرعة الضوء.

انبعاث النيوترونات أثناء الانشطار، الذي تحدثنا عنه أعلاه ، يمكن تفسيره من خلال حقيقة أن العدد النسبي للنيوترونات (بالنسبة إلى عدد البروتونات) في النواة يزداد بزيادة العدد الذري ، وبالنسبة للأجزاء المتكونة أثناء الانشطار ، يصبح عدد النيوترونات أكبر مما هو ممكن لنوى الذرات ذات الأعداد الأصغر.

غالبًا ما يحدث الانشطار في أجزاء من كتلة غير متساوية. هذه الشظايا مشعة. بعد المسلسل β -تحلل ، ونتيجة لذلك ، تتشكل أيونات مستقرة.

بجانب قسري، يحدث ذلك الانشطار التلقائي لنواة اليورانيوم، التي تم اكتشافها في عام 1940 من قبل الفيزيائيين السوفييت GN Flerov و K.A.Petrzhak. عمر النصف للانشطار التلقائي هو 10 - 16 سنة ، وهو ما يعادل 2 مليون ضعف عمر النصف للانشطار العفوي α - تفكك اليورانيوم.

يحدث اندماج النوى في التفاعلات النووية الحرارية. تفاعلات الانصهار- هذه تفاعلات اندماج نوى ضوئية عند درجة حرارة عالية جدًا. ستكون الطاقة التي يتم إطلاقها أثناء الاندماج (التوليف) في أقصى حد لها أثناء تخليق العناصر الخفيفة ، والتي تحتوي على أقل طاقة ربط. عندما تتحد نواتان خفيفتان ، على سبيل المثال ، الديوتيريوم والتريتيوم ، تتشكل نواة هيليوم أثقل مع طاقة ربط أعلى:

مع مثل هذه العملية من الاندماج النووي ، يتم إطلاق طاقة كبيرة (17.6 ميغا إلكترون فولت) ، تساوي الفرق في طاقات الربط لنواة ثقيلة ونواة خفيفة ... يكتسب النيوترون المتكون أثناء التفاعلات 70٪ من هذه الطاقة. توضح المقارنة بين الطاقة لكل نواة في تفاعلات الانشطار النووي (0.9 ميغا فولت) والاندماج (17.6 ميغا إلكترون فولت) أن تفاعل الاندماج للنواة الخفيفة أكثر ملاءمة من تفاعل الانشطار للنواة الثقيلة.

يحدث اندماج النوى تحت تأثير قوى الجذب النووي ، لذلك يجب أن تقترب من مسافات أقل من 10-14 ، حيث تعمل القوى النووية. يعيق هذا التقارب تنافر كولوم للنواة موجبة الشحنة. يمكن التغلب عليها فقط بسبب الطاقة الحركية العالية للنواة ، والتي تتجاوز طاقة تنافر كولوم. من الحسابات المقابلة ، يمكن ملاحظة أن الطاقة الحركية للنواة ، اللازمة لتفاعل الاندماج ، يمكن تحقيقها في درجات حرارة تصل إلى مئات الملايين من الدرجات ، لذلك تسمى هذه التفاعلات نووي حراري.

اندماج نووي حراري- تفاعل عند درجة حرارة عالية أعلى من 10 7 كلفن ، يتم تصنيع نوى أثقل من نوى خفيفة.

الاندماج النووي الحراري هو مصدر الطاقة لجميع النجوم ، بما في ذلك الشمس.

العملية الرئيسية التي يتم من خلالها إطلاق الطاقة النووية الحرارية في النجوم هي تحويل الهيدروجين إلى هيليوم. بسبب الخلل الكتلي في هذا التفاعل ، تتناقص كتلة الشمس بمقدار 4 ملايين طن كل ثانية.

الطاقة الحركية الكبيرة ، اللازمة للاندماج النووي الحراري ، تستقبل نوى الهيدروجين نتيجة لجاذبية قوية لمركز النجم. بعد ذلك ، عندما تندمج نوى الهليوم ، تتشكل أيضًا عناصر أثقل.

تلعب التفاعلات النووية الحرارية أحد الأدوار الرئيسية في تطور التركيب الكيميائي للمادة في الكون. تحدث كل هذه التفاعلات مع إطلاق الطاقة ، التي تنبعث من النجوم على شكل ضوء على مدى مليارات السنين.

إن تنفيذ الاندماج النووي الحراري الخاضع للرقابة من شأنه أن يزود البشرية بمصدر جديد للطاقة لا ينضب عمليًا. يتوفر كل من الديوتيريوم والتريتيوم الضروريين لتنفيذه بسهولة. الأول موجود في مياه البحار والمحيطات (بكمية تكفي للاستخدام لمليون سنة) ، والثاني يمكن الحصول عليه في مفاعل نووي عن طريق تشعيع الليثيوم السائل (احتياطياته هائلة) بالنيوترونات:

تتمثل إحدى أهم مزايا الاندماج النووي الحراري المتحكم فيه في عدم وجود النفايات المشعة أثناء تنفيذه (على عكس تفاعلات الانشطار لنواة اليورانيوم الثقيل).

العقبة الرئيسية أمام تنفيذ الاندماج النووي الحراري المتحكم فيه هي استحالة الاحتفاظ ببلازما عالية الحرارة باستخدام مجالات مغناطيسية قوية لـ 0.1-1. ومع ذلك ، هناك ثقة في أنه سيتم إنشاء مفاعلات نووية حرارية عاجلاً أم آجلاً.

حتى الآن ، كان من الممكن إنتاج فقط رد فعل لا يمكن السيطرة عليهاندماج نوع متفجر في قنبلة هيدروجينية.