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.