Rozszczepienie jądrowe jest zjawisko, dzięki któremu jądro ciężkiego (czyli składający się z dużej liczby nukleonów , takie jak uran , z plutonu , itp ) jest podzielona na dwie lub kilka nuklidów lżejszych.
Tej reakcji jądrowej towarzyszy emisja neutronów (zwykle dwóch lub trzech) i bardzo ważne uwolnienie energii (≈ 200 MeV na podział atomu, a więc znacznie więcej niż w przypadku reakcji chemicznych , rzędu eV na atom lub cząsteczkę reagującą ).
Emisja neutronów może wywołać reakcję łańcuchową , zjawisko zaimplementowane w elektrowniach jądrowych do produkcji energii elektrycznej oraz w bombach atomowych .
Zjawisko indukowanego rozszczepienia jądra opisano na 17 grudnia 1938przez dwóch chemików z Kaiser-Wilhelm-Institut für Chemie w Berlinie: Otto Hahna i jego młodego asystenta Fritza Strassmanna . W odkryciu uczestniczy również austriacka fizyk Lise Meitner . Jednak jako Żydówka uciekła z Niemiec w lipcu 1938, aby schronić się w Szwecji. Chociaż nadal brała udział w badaniach korespondencyjnych (to ona rozumiała implikacje wyników decydującego eksperymentu i obliczała wytworzoną energię), nie jest cytowana w publikacji.
Wyniki bombardowania jąder uranu przez neutrony są już wtedy uważane za godne zainteresowania i dość intrygujące. Teoretyczne zasady zostały przestudiowane przez Enrico Fermi i jego współpracowników w 1934 roku , więc nie zostały poprawnie zinterpretowane dopiero kilka lat później.
16 stycznia 1939 r. Niels Bohr przybył do Stanów Zjednoczonych, aby spędzić kilka miesięcy na Uniwersytecie Princeton , gdzie pospieszył przedyskutować pewne teoretyczne problemy z Albertem Einsteinem . Tuż przed wyjazdem z Danii dwóch jego kolegów, Lise Meitner i Otto Frisch , opowiedziało mu o swojej hipotezie, że absorpcja neutronu przez jądro uranu czasami powoduje jego rozszczepienie na mniej więcej równe części i uwolnienie ogromnej ilości energia: nazywają to zjawisko „rozszczepieniem jądrowym”. Hipoteza ta opiera się na ważnym odkryciu Hahna i Strassmanna (opublikowanym w Naturwissenschaften na początku stycznia 1939): bombardowanie uranu przez neutrony wytwarza izotop baru.
Bohr obiecuje zachować w tajemnicy interpretację Meitnera i Frischa, dopóki nie opublikują artykułu, który zapewni ich o autorstwie odkrycia i interpretacji, ale na pokładzie statku w drodze do Stanów Zjednoczonych rozmawia o tym z Leonem Rosenfeldem , zapominając zapytać go do poszanowania tajemnicy.
Jak tylko przybył, Rosenfeld opowiedział o tym wszystkim fizykom z Princeton. Wiadomość dotarła do innych fizyków, takich jak Enrico Fermi z Columbia University . Rozmowy Fermiego, Johna R. Dunninga i GB Pegrama doprowadziły w Kolumbii do poszukiwania promieniowania jonizującego wytwarzanego przez fragmenty jądra uranu uzyskane po tym słynnym „rozszczepieniu”.
26 stycznia 1939 r. w Waszyngtonie odbyła się konferencja fizyki teoretycznej , zorganizowana wspólnie przez George Washington University i Carnegie Institution w Waszyngtonie. Fermi opuszcza Nowy Jork, aby wziąć udział w tej konferencji przed rozpoczęciem eksperymentów rozszczepienia w Columbii. Bohr i Fermi omawiają problem rozszczepienia, a Fermi wyraźnie wspomina o możliwości emisji neutronów podczas tego procesu. Choć jest to tylko hipoteza, jej konsekwencje, czyli możliwość reakcji łańcuchowej, wydają się oczywiste. W prasie na ten temat wiele sensacyjnych artykułów . Przed zakończeniem konferencji w Waszyngtonie rozpoczęto kilka innych eksperymentów potwierdzających tezę o rozszczepieniu jądra.
15 lutego 1939 roku w „ Physical Review” cztery laboratoria opublikowały swoje wyniki (Columbia University, Carnegie Institution w Waszyngtonie, Johns-Hopkins University , University of California ). Miesiąc wcześniej Bohr wiedział, że podobne eksperymenty zostały już przeprowadzone w laboratorium w Kopenhadze (Dania) (list od Frischa do czasopisma Nature z 16 stycznia 1939 r. i ukazał się w numerze z 18 lutego). Frédéric Joliot w Paryżu również opublikował swoje pierwsze wyniki w Comptes Rendus z 30 stycznia 1939 r. Od tego momentu publikacje artykułów na temat rozszczepienia stały się regularne i intensywne do tego stopnia, że w Review of Modern Physics z 6 grudnia 1939 r. LA Turner z Princeton naliczył prawie sto.
Istnieją dwa rodzaje rozszczepienia: rozszczepienie samoistne i rozszczepienie indukowane. Rozszczepienie neutronowe to rozszczepienie indukowane, które może być albo termiczne (gdzie indukowana cząstka jest termiczną lub powolnym neutronem), albo szybko (gdzie indukowana cząstka jest szybkim neutronem). O jądrach atomowych, które mogą się rozszczepiać, mówi się, że są „ rozszczepialne ” (jeśli mogą ulegać rozszczepieniu za pomocą szybkich lub wolnych neutronów) lub „ rozszczepialne ” (jeśli mogą podlegać szybkiemu rozszczepieniu).
Odkrycie rozszczepienia uranu 235 można opisać za pomocą modelu kropli cieczy . Jądro składa się z nukleonów: protonów i neutronów. Nukleony te, oprócz ich odpowiednich mas, zapewniają energię wiązania jądra, określoną wzorem Weizsäckera ; im wyższa energia wiązania, tym stabilniejsze jądro.
Tak więc, zgodnie z modelem kropli cieczy, rozszczepienie jest możliwe, jeśli zmienność masy między dwoma jądrami z jądra jest dodatnia lub zerowa. Warunek ten jest jednak spełniony , co odpowiada obszarowi cyrkonu . Poza stosunkiem jądro jest niestabilne i spontanicznie rozszczepiane.
Obecnie dla niektórych aktynowców , uranu 233, 235 i 238 oraz plutonu 239 i 241 zaobserwowano rozszczepienie wywołane przez pociski o niskiej energii (0 do 2 MeV ) .
Zjawisko samorzutnego rozszczepienia zostało odkryte w 1940 roku przez GN Flerova i KA Petrzaka, którzy pracowali nad jądrami uranu 238.
O spontanicznym rozszczepieniu jądra mówimy, gdy jądro rozpada się na kilka fragmentów bez wcześniejszej absorpcji ciałka ( cząstki subatomowej ). Ten rodzaj rozszczepienia jest możliwy tylko dla ekstremalnie ciężkich jąder, ponieważ energia wiązania na nukleon jest wtedy mniejsza niż dla nowo utworzonych jąder średnio ciężkich.
Uranu 235 (w niewielkiej ilości), chociaż, gdy plutonów 240 244 i powyżej californium- 254 są, na przykład spontanicznie rozszczepialne jądra.
Indukowane rozszczepienie ma miejsce, gdy ciężkie jądro wychwytuje inną cząsteczkę (zwykle neutron ), a złożone w ten sposób jądro rozpada się na kilka fragmentów.
Najbardziej znaną reakcją tego typu jest indukowane rozszczepienie uranu 235 przez absorpcję neutronu. Jest typu:
92235U+01nie→92236U→X+Tak+k 01nie{\ displaystyle {} _ {92} ^ {235} \ matematyka {U} + {} _ {0} ^ {1} n \ rightarrow {} _ {92} ^ {236} \ matematyka {U} \ rightarrow X + Y + k ~ {} _ {0} ^ {1} n}X i Y to dwa umiarkowanie ciężkie i ogólnie radioaktywne jądra: nazywane są produktami rozszczepienia .
W ten sposób indukowane rozszczepienie jądra uranu 235 może dać dwa produkty rozszczepienia, krypton i bar, którym towarzyszą trzy neutrony:
92235U+01nie→3692Kr+56141bw+3 01nie{\ displaystyle {} _ {92} ^ {235} \ matematyka {U} + {} _ {0} ^ {1} n \ rightarrow {} _ {36} ^ {92} \ matematyka {Kr} + {} _ {56} ^ {141} \ matematyka {Ba} + 3 ~ {} _ {0} ^ {1} n}Najczęściej stosowanymi rozszczepieniami indukowanymi są uran 235, uran 238 i pluton 239.
Pod wpływem zderzenia z neutronem jądro pewnych dużych atomów, zwanych rozszczepialnymi, ma właściwość rozpadania się na dwie części. Materiałem rozszczepialnym, który stanowi serce reaktorów, jest na ogół uran lub pluton . Pochłaniając neutron, jądro atomowe 235 U przekształca się w 236 U, izotop uranu, w stanie wzbudzonym 6,2 megaelektronowoltów (MeV, przy 1 MeV = 1,6 × 10-13 dżuli ). Zachowuje się więc trochę jak kropla wody .
Podczas tego rozszczepienia uwalniana jest duża ilość energii, rzędu 202,8 MeV dla jądra uranu 235. Główną część tej energii stanowi energia kinetyczna dwóch utworzonych atomów. Towarzyszy jej na ogół emisja jednego lub więcej neutronów prędkich (zwykle 2 lub 3), których średnia energia kinetyczna wynosi 2 MeV. Reagują one z jądrami, które napotykają i są albo rozpraszane, to znaczy zwracane w innym kierunku, albo absorbowane. Dopóki prawdopodobieństwo absorpcji pozostaje niskie, liczba neutronów jest praktycznie zachowana, ale ich energia stopniowo maleje z każdym rozproszeniem. Jądra tym skuteczniej spowalniają neutrony, im mniejsza jest ich masa, im bliżej neutronu. Dotyczy to w szczególności wody zwykłej (zawierającej wodór, najlepszy z moderatorów/opóźniaczy neutronów), wody ciężkiej (woda, w której dzięki separacji izotopowej nie zachował się ciężki izotop wodoru, deuter ), beryl lub jego glucyna tlenkowa i wreszcie grafit (czysty węgiel). Dzięki wydajnemu moderatorowi neutrony zwalniają, aż ich energia kinetyczna będzie w przybliżeniu równa energii termicznej mieszania ośrodka rozpraszającego (0,025 eV w temperaturze 300 K). Większość rozszczepień zachodzi wtedy przy tej energii i mówi się, że reaktor jest neutronem termicznym . W przeciwnym razie mówi się, że reaktor jest prędkim neutronem.
Główny powód, dla którego staramy się w reaktorze termicznym spowolnić neutrony powstałe w wyniku rozszczepienia, aby doprowadzić je do poziomu energii cieplnej (prędkości) jest związany z faktem, że prawdopodobieństwo, że spotkanie termalizowanego neutronu z atomem daje rozszczepienie wzrost do rozszczepienia napotkanego atomu jest znacznie 250 razy wyższy niż w przypadku, gdy neutron ma energię (prędkość) wysoką bliską jego energii początkowej.
Niektóre wychwyty neutronów nie powodują rozszczepienia jądra i względne znaczenie tych wychwytów pasożytniczych musi być ściśle ograniczone, aby można było osiągnąć reakcję łańcuchową, rozbieżną lub stacjonarną. Aby utrzymać reakcję łańcuchową, jeden z n neutronów wytworzonych w każdym rozszczepieniu musi z kolei zostać wchłonięty przez paliwo, pozostałe n-1 może zostać utracone przez wychwycenie w innych składnikach ośrodka lub przez wyciek na zewnątrz. urządzenie. n zależy od energii neutronów. W przypadku neutronów termicznych wynosi 2,08 dla 235 U i 239 Pu, 1,8 dla uranu wzbogaconego, ale tylko 1,36 dla uranu naturalnego. Kontrola reakcji łańcuchowej jest zapewniona przez wprowadzenie prętów kontrolnych zawierających bardzo chłonne materiały neutronów, ogólnie znane: „ruchome absorbery kontroli reaktywności serca”. Stosowanymi materiałami chłonnymi są na ogół bor, kadm, srebro, ind i inne niewymienione tutaj.
FotorozszczepienieFotorozszczepienie jest rodzajem indukowanego rozszczepienia jądra, które występuje, gdy jądro pochłania promieniowanie gamma . Proces ten może być wykorzystany do syntezy izotopów stosowanych w medycynie nuklearnej .
Promienie gamma rzędu kilkudziesięciu MeV mogą indukować rozszczepienie jąder rozszczepialnych, takich jak aktynowce uranu, plutonu i neptunu. Przeprowadzono eksperymenty, które wykazały, że przekrój przez fotorozszczepienie zmienia się nieznacznie do energii fotonów rzędu GeV.
Fotorozszczepienie wspomagane laserem zostało zademonstrowane w 2000 roku i zostało zaproponowane jako środek transmutacji odpadów jądrowych.
FotodezintegracjaFotorozpad lub fototransmutacja to zjawisko podobne do fotorozszczepienia, w którym energetyczne fotony gamma oddziałujące z jądrami mogą doprowadzić je do stanu wzbudzonego, po którym następuje rozpad z emisją cząstek subatomowych. Wykazano doświadczalnie, że femtosekundowego lasera dostarczania ultrakrótkimi (~ 100 FS) oraz bardzo intensywne (~ 10 20 W / cm 2 impulsy światła mogą wytwarzać intensywny impulsy promieniowania gamma o energii w zakresie od 1 do 10 MeV, takich impulsów doskonale zdolne do wytwarzania rozpadów.
Równowaga neutronowaPodczas rozszczepienia szybkie neutrony są natychmiast emitowane ( 10-14 s ), nazywane są neutronami chwilowymi (wcześniej nazywane neutronami szybkimi). Następnie, po emisji tych chwilowych neutronów, produkty rozszczepienia zaczynają swój radioaktywny rozpad . Te rozpady radioaktywne spowodują uwolnienie prędkich neutronów z opóźnieniem średnio 13 sekund; te neutrony uwalniane zaraz po rozpadach β nazywane są neutronami opóźnionymi .
Prawdopodobieństwo rozszczepienia jądra rozszczepialnego zależy od energii kinetycznej padającego neutronu; dla jąder rozszczepialnych termicznie, takich jak i prawdopodobieństwo to wzrasta, gdy energia kinetyczna padającego neutronu maleje, stąd konieczność moderowania termicznego reaktora jądrowego neutronów. Zjawisko spowolnienia szybkich neutronów z rozszczepień (chwilowych i opóźnionych) nazywamy termalizacją neutronów , polega ono na spowolnieniu przez kolejne elastyczne wstrząsy neutronów o lekkim jądrze ( H , D , C , Be ). Metal beryl i grafit są stałymi materiałami moderującymi, podczas gdy wodór i deuter są używane głównie jako moderatory w postaci wody i ciężkiej wody .
Poniższa tabela pokazuje liczbę neutronów uwalnianych średnio i przez rozszczepienie neutronów termicznych w zależności od rozważanego jądra:
Uważane za jądro | Średnia liczba uwolnionych neutronów |
---|---|
2,55 | |
2,47 | |
- | |
Uran naturalny | 2,47 |
2,91 | |
3.00 |
Należy zauważyć w tej tabeli, że wszystkie izotopy U i Pu rozszczepialne przez neutrony termiczne mają nieparzyste masy atomowe: mówi się, że jądra rozszczepialne termicznie są parzyste-nieparzyste , nawet jeśli uzyskują neutron do pęknięcia.
Masowa dystrybucja produktów rozszczepieniaRozkład masy produktów rozszczepienia przebiega zgodnie z krzywą „garbu wielbłąda”. Mówimy również o krzywej bimodalnej: ma ona dwa maksima. Ponad sto różnych nuklidów może zostać uwolnionych podczas rozszczepiania uranu 235. Jednak wszystkie te nuklidy mają liczbę atomową od Z = 33 do Z = 59. Rozszczepienie tworzy jądra o liczbie masowej (liczbie nukleonów) około A = 95 ( brom , krypton , cyrkon ) dla jednego z fragmentów i około A = 139 ( jod , ksenon , bar ) dla drugiego.
Rozszczepienie na dwa fragmenty o jednakowych lub bardzo podobnych masach ( A = 116, 117 lub 118 dla uranu 235) jest rzadkie (0,1% rozszczepień)
Rozszczepienie na trzy fragmenty (zwane „ rozszczepieniem trójskładnikowym ”) jest wyjątkowe (0,005% rozszczepień)
Balans energetycznyKażde jądro uranu 235, które ulega rozszczepieniu, uwalnia energię, a tym samym ciepło.
Pochodzenie tej energii znajduje swoje wytłumaczenie w równowadze energii między początkowym jądrem a dwoma wytworzonymi jądrami: protony tego samego jądra silnie odpychają się nawzajem swoimi ładunkami elektrostatycznymi, tym bardziej, że ich liczba jest duża. ( Energia kulombowska ), odpowiednia energia wzrastająca szybciej niż proporcjonalna do liczby protonów. Rozszczepienie powoduje zatem uwolnienie energii, która jest głównie przekazywana w produktach rozszczepienia i neutronach w postaci energii kinetycznej, która szybko zamienia się w ciepło.
Ciepło wytworzone podczas rozszczepiania jąder rozszczepialnych uranu 235 lub plutonu 239 można następnie wykorzystać do przekształcenia wody w parę, umożliwiając w ten sposób uruchomienie turbiny, która może bezpośrednio wytwarzać energię mechaniczną, a następnie poprzez alternator energię elektryczną . To właśnie ta technika działa w reaktorach jądrowych przeznaczonych do produkcji energii elektrycznej.
Reakcja łańcuchowaPodczas indukowanej reakcji rozszczepienia jądrowego, absorpcja neutronu przez jądro rozszczepialne umożliwia uwolnienie kilku neutronów, a każdy emitowany neutron może z kolei rozerwać inne jądro rozszczepialne. W ten sposób reakcja przebiega dalej samoistnie: jest to reakcja łańcuchowa . Ta reakcja łańcuchowa ma miejsce tylko wtedy, gdy co najmniej jeden neutron emitowany podczas rozszczepienia jest w stanie spowodować nowe rozszczepienie.
Poniższa tabela wskazuje liczbę neutronów uwalnianych średnio na (termiczny) neutron wychwycony w funkcji rozważanego jądra:
Uważane za jądro | Liczba uwolnionych neutronów |
---|---|
2,28 | |
2,07 | |
- | |
Uran naturalny | 1,32 |
2.11 | |
2,22 |
Ta tabela różni się od poprzedniej tym, że dotyczy wszystkich neutronów, które weszły do jądra rozszczepialnego, a nie tylko tych, które powodują rozszczepienie.
Widzimy tutaj, dlaczego naturalny uran nie jest używany bezpośrednio w reaktorach: zawarty w nim uran 238 w dużych ilościach zużywa zbyt wiele neutronów, które nie powodują rozszczepienia. Aby z niego skorzystać, musi być wzbogacony o uran 235.
W środowisku reaktywnym szybkość, z jaką zachodzi ta reakcja łańcuchowa, jest mierzona przez mnożnik .
Główne przekroje biorące udział w modelowaniu rozszczepienia reaktora podano poniżej.
Uważane za jądro | |||||
---|---|---|---|---|---|
Przekrój wychwytywania neutronu termicznego ( stodoły ) |
XX | 679,9 | 2720 | 1008.1 | 1371 |
Przekrój przez rozszczepienie neutronów termicznych (stodoły) |
XX | 579,5 | nieistotny | 742.4 | 1,011 |
Przekrój poprzeczny wychwytywania neutronów prędkich (energia > 1 MeV) (stodoły) |
XX | XX | XX | XX | XX |
Przekrój przez rozszczepienie neutronów prędkich (energia > 1 MeV) (stodoły) |
XX | 2 | XX | XX | XX |
Liczba neutronów emitowanych przez rozszczepienie termiczne |
2,55 | 2,42 | XX | 2,91 | 3.00 |
Liczba neutronów emitowanych przez wychwyt termiczny |
2,28 | 2,06 | XX | 2.11 | 2,22 |
Neutron, który zderza się z rozszczepialnym jądrem, może utworzyć z nim wzbudzone jądro złożone lub zostać po prostu zaabsorbowany (wychwyt neutronów). W przypadku uranu 235 udział wychwyconych neutronów wynosi około 16% dla neutronów termicznych (lub neutronów wolnych); 9,1% dla szybkich neutronów.
W przypadku indukowanego rozszczepienia średni czas życia jądra złożonego jest rzędu 10 -14 s. Rozszczepienie jądra i fragmenty rozdzielają się z dużą prędkością: po 10-17 s fragmenty te, oddalone od siebie o 10-10 m, emitują, jak widzieliśmy, neutrony.
Po dewzbudzeniech γ fotony γ są emitowane po 10-14 s , podczas gdy fragmenty przekroczyły 10-7 m . Odłamki zatrzymują się po około 10-12 s , po przebyciu odległości 50 µm (wartości te podane są dla materiału o gęstości 1, takiego jak zwykła woda).
Energia kinetyczna fragmentów i cząstek emitowanych w wyniku rozszczepienia zostaje przekształcona w energię cieplną , w wyniku zderzeń i oddziaływań z atomami skrzyżowanej materii, z wyjątkiem neutrin , nieuchronnie emitowanych w rozpadach β , które zawsze uciekają z medium (mogą przemierzać Ziemię bez interakcji).
Rozkład energii rozszczepienia Obudowa z uranu 235Poniższa tabela pokazuje, w jaki sposób rozkłada się energia uwolniona po rozszczepieniu atomu uranu 235 indukowanego przez neutron termiczny (te dane są średnimi obliczonymi dla dużej liczby rozszczepień).
Energia rozszczepienia | energia MeV |
% Całkowita energia |
Komentarz |
Energia kinetyczna fragmentów rozszczepienia | 166,2 | 82,0 | zlokalizowana energia chwilowa |
Energia kinetyczna neutronów rozszczepienia | 4,8 | 2,4 | chwilowa zdelokalizowana energia |
Energia rozszczepienia γ | 8,0 | 3,9 | |
Energia neutrin / antyneutrin | 9,6 | 4,7 | chwilowa utrata energii |
Całkowity | 188,6 | 93,0 | energia chwilowa |
Β energia radioaktywności produktów rozszczepienia | 7,0 | 3,5 | energia odroczona |
Γ energia radioaktywności produktów rozszczepienia | 7,2 | 3,5 | |
Całkowity | 14,2 | 7,0 | |
Całkowita energia uwolniona podczas rozszczepienia | 202,8 | 100,0 | z czego 9,6 MeV nie do odzyskania |
Całkowita energia uwolniona podczas rozszczepienia wynosi 202,8 MeV, z czego 9,6 MeV nie jest odzyskiwalne, ponieważ jest przekazywane do emitowanych neutrin.
W praktyce energia odzyskiwalna w reaktorze energetycznym z uwzględnieniem:
odpowiada w przybliżeniu 193,0 MeV na jądro szczelinowe uranu 235.
W przypadku wybuchu jądrowego do oceny mocy należy brać pod uwagę tylko energie uwolnione w krótkim okresie.
Przypadek innych jąder rozszczepialnychEnergia rozszczepienia (MeV) | % całkowitej energii |
Komentarz | ||||
Energia kinetyczna fragmentów rozszczepienia | 166,2 | 166,9 | 172,8 | 172,2 | 81,7 | zlokalizowana energia chwilowa |
Energia kinetyczna neutronów rozszczepienia | 4,8 | 5,5 | 5,9 | 5,9 | 2,6 | chwilowa zdelokalizowana energia |
Energia rozszczepienia γ | 8,0 | 7,5 | 7,7 | 7,6 | 3,7 | |
Energia neutrin / antyneutrin | 9,6 | 11,9 | 8,6 | 10.2 | 4,9 | chwilowa utrata energii |
Całkowity | 188,6 | 191,8 | 195,0 | 195,9 | 93,0 | energia chwilowa |
Β energia radioaktywności produktów rozszczepienia | 7,0 | 8,9 | 6,1 | 7,4 | 3,5 | energia odroczona |
Γ energia radioaktywności produktów rozszczepienia | 7,2 | 8.4 | 6,1 | 7,4 | 3,5 | |
Całkowity | 14,2 | 17,3 | 12.2 | 14,8 | 7,1 | |
Całkowita energia uwolniona podczas rozszczepienia | 202,8 | 205,9 | 207,2 | 210,6 | 100,0 | |
Energia odzyskiwalna w reaktorze mocy | 193,0 | 197,0 | 198.4 | 200,3 | 95,1 | |
Odnośne prędkości nie są relatywistyczne; Prawa mechaniki klasycznej mają szerokie zastosowanie do masywnych cząstek emitowanych podczas zjawiska rozszczepienia.
Energie i prędkości neutronów rozszczepieniaŚrednia energia i prędkość
Przy 2,47 neutronów emitowanych średnio podczas rozszczepienia uranu 235 dla energii 4,8 MeV podanej w tabeli rozkładu energii rozszczepienia, średnia energia kinetyczna neutronu rozszczepienia wynosi 1,943 MeV = 3,113 54 × 10 -13 J
Ta energia jest kinetyczna, zgodnie z klasyczną zależnością: . Masa neutronu podana przez CODATA wynosi: 1,674 927 351 × 10 -27 kg .
Wyprowadzamy: średnia prędkość rozszczepienia neutronów = 19280 km/s
Dystrybucja energii
Rozkład energii neutronów rozszczepienia jest poprawnie reprezentowany przez półempiryczny wzór:
NIE(mi)=16,6832×mi-mi0,965×sinha((2,29×mi)0,5){\ displaystyle N (E) = {1 \ powyżej 6 {,} 6832} \ razy \ mathrm {e} ^ {- E \ powyżej 0 {,} 965} \ razy \ sinh \ w lewo ((2 {,} 29 \ razy E) ^ {0 {,} 5} \ prawy)}z:
Dla 10 MeV N ( E ) wynosi 0,33%.
Energie i prędkości fragmentów rozszczepieniaPodczas rozszczepienia powstają dwa fragmenty o nierównych rozmiarach.
Lekki fragment
Ciężki fragment
Energia kinetyczna fragmentu lekkiego jest wyższa niż fragmentu ciężkiego
Prędkości i energie fragmentów rozszczepienia WprowadzającyWstępne obliczenia wstępne prowadzą do następujących wyników:
Podsumowując, znalezione prędkości nie są relatywistyczne; Prawa mechaniki klasycznej można w dużym stopniu zastosować do neutronów i fragmentów rozszczepienia.
Liczba nukleonów, składy i masy fragmentówWiększość rozszczepień jest binarna generując mały i duży fragment:
Podczas rozszczepienia początkowo zerowy całkowity pęd zostaje zachowany. Stermalizowany padający neutron przechwycony przed rozszczepieniem ma niską prędkość, ponadto możemy założyć, że 2,47 neutronów emitowanych średnio przez rozszczepienie jest prawie równe we wszystkich kierunkach przestrzeni. Dlatego całkowity pęd dwóch fragmentów musi być równy zero.
Więc mamy , skąd .
Zgodnie z podaną powyżej tabelą rozkładu energii, całkowita energia kinetyczna przekazana dwóm fragmentom rozszczepienia jest równa:
Inne sformułowanie:
Prędkość, ale także energia kinetyczna fragmentu lekkiego ( v = 14 094 km/s lub E = 98,6 MeV) są wyższe niż w przypadku fragmentu ciężkiego ( V = 9 665 km/s lub E = 67, 6 MeV ).
rzędy wielkościJeden mol uranu waży 235.043 235 929 9 g i zawiera N A (liczba Avogadro) węgla. Rozszczepienie każdego atomu wytwarza około 193 MeV możliwej do odzyskania energii. Zakładając więc, że rozszczepimy wszystkie jądra uranu w gramie uranu 235 - co jest technologicznie niemożliwe w obecnym stanie wiedzy - wytworzona energia byłaby wówczas równa:
1 megawatodzień ⇔ 1,09 grama krakowanego uranu 235
Oznacza to, że wszystkie atomy uranu 235 obecne w (1,090 55 / 0,007 202) = 151,42 gramów naturalnego uranu. Złoto :
Tak więc rozszczepienie wszystkich 235 atomów uranu obecnych w 1 g naturalnego uranu może wyprodukować 158,5 kWh .
Wyniki te są z dokładnością do 1 st aby z innymi dużymi atomów rozszczepialnych obecne lub utworzone w reaktorach jądrowych, takich jak pluton 239 realizowanego w szczególności, na przykład w oleju MOX . Pozwalają one z dużą dokładnością ocenić zużycie materiału rozszczepialnego (czy też płodnego) we wszystkich reaktorach energetycznych ( tj . masę dużych atomów spękanych, tj . aktynowców szczelinowych), a tym samym ocenić ilość powstałych produktów rozszczepienia.
Rozszczepienie wszystkich rozszczepialnych atomów uranu 235 zawartych w tonie naturalnego uranu, który zawiera 0,7202% masy 235 U, daje 5,705 9 × 10 14 dżuli (= 570 600 GJ (gigadżuli)) ponad 10 000 razy więcej energii niż spalanie tony ekwiwalentu oleju, który rozprasza 41,86 GJ). Jednak biorąc pod uwagę, że obecne procesy nie pozwalają na całkowite rozszczepienie uranu 235 zawartego w naturalnym uranie, możemy zachować rząd wielkości 10 000 razy więcej energii możliwej do odzyskania na tonę naturalnego uranu niż na tonę ekwiwalentu ropy naftowej. Szacunek ten nie uwzględnia zastosowania reaktorów prędkich, które umożliwiają rozkruszenie całego naturalnego uranu wydobywanego z podglebia. W tej hipotezie ilość energii teoretycznie możliwa do odzyskania z tony naturalnego uranu zostałaby znacznie pomnożona przez 1 / 0,7202% lub 138,9 i bardziej realistycznie, biorąc pod uwagę straty, które musiałyby wystąpić przez współczynnik 100.
Nie wystarczy, że mnożnik neutronów jest większy niż 1, aby reakcja łańcuchowa była podtrzymywana: z jednej strony neutrony są niestabilne i mogą się rozpadać, ale to nie ma większego znaczenia, ponieważ ich średnia długość życia to prawie jedna czwarta trwają godzinę, ale co ważniejsze, mogą wyjść z medium, w którym próbuje się wywołać reakcję łańcuchową. Muszą mieć kolizję, zanim wyjdą, w przeciwnym razie nie są już częścią reakcji łańcuchowej. Średnia grubość ośrodka rozszczepialnego musi zatem być wystarczająco duża, aby zapewnić wystarczające prawdopodobieństwo, że neutrony napotkają jądro rozszczepialne. Prowadzi to do pojęcia masy krytycznej pierwiastka rozszczepialnego, która jest masą, poniżej której nie można już utrzymać wystarczającej ilości neutronów, niezależnie od formy ładunku rozszczepialnego, aby utrzymać reakcję. To wyjaśnia, dlaczego nie możemy mieć mini reaktorów jądrowych.