Back to chapter

9.6:

Kernsplijting

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
Nuclear Fission

Languages

Share

Kernsplijting is een proces waarbij een zware kern uiteenvalt in twee of meer lichtere kernen van verschillende grootte, of splijtingsfragementen en neutronen. Opmerkelijk is dat de splijtingsfragmenten en het aantal neutronen niet voor elke splijting hetzelfde zijn. De sommen van de massa-en atoomnummers zijn echter altijd hetzelfde aan beide zijden van splijtingsvergelijkingen.Naast de snelle’neutronen die door splijting worden geproduceerd, kunnen er nog meer vertraagde’neutronen worden geproduceerd na het bèta-verval van de hoogenergetische splijtingsfragmenten. Bij splijtingsreacties is de som van de bindingsenergie van de dochternucliden groter dan de bindingsenergie van de oudernuclide. Het verschil verklaart de enorme hoeveelheid energie die vrijkomt bij splijting.De neutronen die vrijkomen door splijting zijn typisch snelle’neutronen, die hoge kinetische energieën hebben en door de meeste grote kernen bewegen zonder ermee te interageren. Neutronen verliezen aanzienlijke energie bij een botsing met kernen van vergelijkbare grootte. Degenen die het evenwicht met hun omgeving benaderen, zijn langzame’of thermische’neutronen.Splijtbare nucliden die splijting ondergaan door thermische neutronen te absorberen, worden splijtbaar’genoemd. Niet alle neutronen die bij een splijtingsreactie worden geproduceerd, veroorzaken noodzakelijkerwijs splijting in een andere kern. Wanneer dergelijke neutronen echter splijting initiëren, wordt dit een nucleaire kettingreactie genoemd.Kettingreacties worden beschreven met neutronengeneraties. Het neutron dat een kettingreactie start, is de eerste generatie, en de resulterende splijting produceert de tweede generatie. De neutronen die worden geproduceerd uit de splitsingen die worden veroorzaakt door de tweede generatie neutronen, zijn de derde generatie.De kettingreactie gaat door totdat er geen neutronen meer worden geproduceerd. Als het gemiddelde aantal splijtingen van generatie op generatie gelijk blijft, wordt energie met een constant tempo geproduceerd. In de meeste gevallen is dit proces waarschijnlijker als de neutronen langzamer gaan werken voordat ze het materiaal verlaten.Een bepaalde minimale massa, kritische massa genaamd, van splijtbaar materiaal is vereist om ervoor te zorgen dat de geproduceerde neutronen voldoende materiaal hebben om verdere splijting te veroorzaken. Een subkritische massa is elke hoeveelheid onder de drempel voor kritische massa, en een superkritische massa is elke hoeveelheid boven die drempel. Kritische massa wordt beïnvloed door temperatuur, vorm en de samenstelling van de omgeving.Veranderingen in deze parameters kunnen een subkritische massa kritisch maken of vice versa.

9.6:

Kernsplijting

Many heavier elements with smaller binding energies per nucleon can decompose into more stable elements that have intermediate mass numbers and larger binding energies per nucleon—that is, mass numbers and binding energies per nucleon that are closer to the “peak” of the binding energy graph near 56. Sometimes neutrons are also produced. This decomposition of a large nucleus into smaller pieces is called fission. The breaking is rather random with the formation of a large number of different products. Fission usually does not occur naturally but is induced by bombardment with neutrons.

A tremendous amount of energy is produced by the fission of heavy elements. For instance, when one mole of U-235 undergoes fission, the products weigh about 0.2 grams less than the reactants; this “lost” mass is converted into a very large amount of energy — about 1.8 × 1010 kJ per mole of U-235. Nuclear fission reactions produce incredibly large amounts of energy compared to chemical reactions. The fission of 1 kilogram of uranium-235, for example, produces about 2.5 million times as much energy as is produced by burning 1 kilogram of coal.

When undergoing fission, U-235 produces two “medium-sized” nuclei and two or three neutrons. These neutrons may then cause the fission of other uranium-235 atoms, which in turn provide more neutrons that can cause fission of even more nuclei, and so on. If this occurs, we have a nuclear chain reaction. On the other hand, if too many neutrons escape the bulk material without interacting with a nucleus, then no chain reaction will occur.

Material that can undergo fission as a result of any neutron bombardment is called fissionable; material that can undergo fission as a result of bombardment by slow-moving thermal neutrons is additionally called fissile.

Nuclear fission becomes self-sustaining when the number of neutrons produced by fission equals or exceeds the number of neutrons absorbed by splitting nuclei plus the number that escape into the surroundings. The amount of a fissionable material that will support a self-sustaining chain reaction is a critical mass. An amount of fissionable material that cannot sustain a chain reaction is a subcritical mass. An amount of material in which there is an increasing rate of fission is known as a supercritical mass.

The critical mass depends on the type of material: its purity, the temperature, the shape of the sample, and how the neutron reactions are controlled. Materials typically become less dense at higher temperatures, allowing neutrons to escape more easily. Neutrons starting at the center of a flat object can reach the surface more easily than neutrons starting at the center of a spherical object do. If the material is enclosed in a container made of a neutron-reflecting material such as graphite, then far fewer neutrons can escape, meaning that far less of the fissionable material is required to reach a critical mass.

This text is adapted from Openstax, Chemistry 2e, Section 21.4: Transmutation and Nuclear Energy.

Suggested Reading

  1. United States Nuclear Regulatory Commission. Glossary. https://www.nrc.gov/reading-rm/basic-ref/glossary/full-text.html Accessed 2021-01-11