19.6: Ядерное деление

Многие более тяжелые элементы с меньшими энергиями связывания на нуклоне могут разлагаться в более стабильные элементы, которые имеют промежуточные массовые числа и более крупные энергии связывания на нуклоне, то есть массовые числа и энергии связывания на нуклоне, которые ближе к “пику” диаграммы энергии связывания около 56. Иногда также производятся нейтроны. Такое разложение большого ядра на мелкие части называется делением. Разрыв довольно случайен с образованием большого количества различных продуктов. Деление обычно происходит не естественно, а вызвано бомбардировкой нейтронами.

Огромное количество энергии вырабатывается при делении тяжелых элементов. Например, при делении одного моль U-235 продукты весят примерно на 0.2 грамм меньше реагенты; эта «потерянная» масса преобразуется в очень большое количество энергии — около 1.8 × 1010 кДж на моль U-235. Реакции деления атомов производят невероятно большое количество энергии по сравнению с химическими реакциями. Например, деление урана-235 на 1 килограмма производит в 2.5 миллионов раз больше энергии, чем при сжигании 1 килограмма угля.

При процессе деления U-235 производит два “средних” ядра и два или три нейтроны. Эти нейтроны могут вызвать деление других атомов урана-235, которые, в свою очередь, обеспечивают больше нейтронов, которые могут вызвать деление еще большего количества ядер и так далее. Если это произойдет, то у нас есть ядерная цепная реакция. С другой стороны, если слишком много нейтронов выходят из сыпучего материала без взаимодействия с ядром, то цепная реакция не произойдет.

Материал, который может подвергнуться расщеплении в результате любой нейтронной бомбардировки, называется расщепляющимся; материал, который может подвергнуться расщеплении в результате бомбардировки медленно движущимися тепловыми нейтронами, также называется расщепляющимся.

Ядерное деление становится самоподдерживающимся, когда количество нейтронов, производимых делением, равно или превышает количество нейтронов, поглощенных расщеплением ядер, плюс число, которое сбегают в окружающую среду. Количество расщепляющегося материала, который будет поддерживать самоподдерживающееся цепное реагирование, является критической массой. Количество расщепляющегося материала, которое не может выдержать цепную реакцию, является некритической массой. Количество материала, в котором растет скорость деления, известно как сверхкритическая масса.

Критическая масса зависит от типа материала: Его чистоты, температуры, формы образца и способа контроля нейтронных реакций. Материалы обычно становятся менее плотными при более высоких температурах, что позволяет нейтронам легче выходить. Нейтроны, начинающиеся в центре плоского объекта, могут легко достигать поверхности, чем нейтроны, начинающиеся в центре сферического объекта. Если материал заключен в контейнер из нейтронного материала, например графита, тогда может сбежать гораздо меньше нейтронов, что означает, что для достижения критической массы требуется гораздо меньше расщепляющегося материала.

Этот текст был адаптирован к Openstax, Химия 2е изд., раздел 21.4:Трансмутация и ядерная энергия.

Ядерное деление это процесс, при котором тяжелое ядро распадается на два или более легких ядра разных размеров, или осколки деления, и нейтроны. Примечательно, что осколки деления и количество нейтронов не одинаковы для каждого деления. Однако суммы массы и атомных номеров всегда одинаковы с обеих сторон уравнений деления.

В дополнение к мгновенным"нейтронам, образующимся при делении, дополнительные запаздывающие"нейтроны могут образовываться после бета-распада осколков деления высокой энергии. В реакциях деления сумма энергий связи дочерних нуклидов больше, чем энергия связи родительского нуклида. Разница объясняется огромным количеством энергии, выделяющейся при делении.

Нейтроны, высвобождаемые при делении, обычно являются быстрыми"нейтронами, которые имеют высокую кинетическую энергию и проходят через большинство крупных ядер, не взаимодействуя с ними. Нейтроны теряют значительную энергию при столкновении с ядрами такого же размера. Те, кто приближается к равновесию с окружающей средой, являются медленными"или тепловыми"нейтронами.

Делящиеся нуклиды, которые делятся за счет поглощения тепловых нейтронов, называются делящимися"Не все нейтроны, образующиеся в реакции деления, обязательно вызывают деление в другом ядре. Однако, когда такие нейтроны действительно инициируют деление, это называется ядерной цепной реакцией. Цепные реакции описываются нейтронными поколениями"Нейтрон, который запускает цепную реакцию, является первым поколением, а в результате деления образуется второе поколение.

Нейтроны, образующиеся в результате деления, вызванного нейтронами второго поколения, относятся к третьему поколению. Цепная реакция продолжается до тех пор, пока нейтроны не перестанут вырабатываться. Если среднее количество делений остается неизменным от поколения к поколению, энергия производится с постоянной скоростью.

В большинстве случаев этот процесс более вероятен, если нейтроны замедляются задолго до того, как они покинут материал. Определенная минимальная масса, называемая критической массой, делящегося материала требуется, чтобы гарантировать, что произведенные нейтроны имеют достаточно материала, чтобы вызвать дальнейшее деление. Докритическая масса это любая масса вещества ниже порога критической массы, а сверхкритическая масса это любая масса вещества выше этого порога.

На критическую массу влияют температура, форма и состав окружающей среды. Изменения этих параметров могут сделать докритическую массу критической или наоборот.