Karena netralitas listrik neutron.

2. Energi apa yang disebut energi hasil reaksi? Bagaimana cara memperkirakan hasil energi untuk reaksi fisi?

Hasil energi total dari reaksi fisi adalah energi yang dilepaskan selama fisi satu inti uranium. Energi ikat spesifik nukleon dalam inti uranium 235 kira-kira sama dengan 7,6 MeV, dari fragmen reaksi - sekitar 8,5 MeV. Sebagai hasil dari fisi, (8,5 - 7,6) MeV = 0,9 MeV (per nukleon) dilepaskan. Ada 235 nukleon total, maka total energi yang dihasilkan dari reaksi fisi adalah

3. Nilai apa yang mencirikan kecepatan reaksi berantai? Tuliskan kondisi yang diperlukan untuk pengembangan reaksi berantai.

Faktor perkalian neutron k mencirikan laju reaksi berantai. Kondisi yang diperlukan untuk mengembangkan reaksi berantai

4. Reaksi fisi apa yang disebut mandiri? Kapan itu terjadi?

Reaksi fisi nuklir mandiri terjadi jika neutron baru memiliki waktu untuk terbentuk sebagai hasil dari reaksi fisi selama neutron bergerak melalui medium dengan ukuran linier l.

5. Evaluasi ukuran inti kritis dan massa kritis.

Volume silinder adalah

N adalah konsentrasi inti. Jumlah tumbukan neutron dengan inti per satuan waktu n.

Reaksi fisi nuklir.

Transformasi inti selama interaksi dengan partikel dasar atau satu sama lain disebut reaksi nuklir. Reaksi nuklir adalah metode utama untuk mempelajari struktur inti dan sifat-sifatnya. Reaksi nuklir mematuhi hukum kekekalan: muatan listrik, muatan baryon, muatan lepton, energi, momentum dan lain-lain Sebagai contoh, hukum kekekalan muatan baryon direduksi menjadi fakta bahwa jumlah total nukleon tidak berubah sebagai akibatnya reaksi nuklir.

Reaksi nuklir dapat melepaskan atau menyerap energi. Q, yang 10 6 kali lebih tinggi dari energi reaksi kimia. Jika Q> 0 energi dilepaskan (reaksi eksotermik). Sebagai contoh,

Pada Q < 0 – поглощение энергии (reaksi endoterm). Sebagai contoh,

Reaksi nuklir ditandai penampang reaksi efektif(jika jari-jari inti lebih besar dari panjang gelombang de Broglie partikel).

Reaksi nuklir menghasilkan W adalah rasio jumlah peristiwa reaksi nuklir D n dengan jumlah partikel n jatuh pada 1 cm 2 dari target, yaitu.

,

di mana n adalah konsentrasi inti.

Banyak reaksi nuklir pada energi rendah melalui tahap pembentukan inti majemuk. Jadi, agar neutron dapat terbang melalui nukleus dengan kecepatan 107 m/s, diperlukan waktu orde t=10 –22 s. Waktu reaksi adalah 10 - 16 -10 - 12 s atau (10 6 -10 10)t. Artinya antara nukleon-nukleon di dalam nukleus akan ada jumlah besar tumbukan dan keadaan peralihan terbentuk - inti majemuk. Waktu karakteristik t digunakan dalam analisis proses yang terjadi di dalam inti.

Dengan penurunan kecepatan neutron, waktu interaksinya dengan nukleus dan kemungkinan penangkapannya oleh nukleus meningkat, karena penampang efektif berbanding terbalik dengan kecepatan partikel (). Jika energi total neutron dan inti awal terletak di daerah di mana pita energi inti senyawa berada, maka kemungkinan pembentukan tingkat energi kuasi-stasioner inti senyawa sangat tinggi. Penampang reaksi nuklir pada energi partikel seperti itu meningkat tajam, membentuk resonansi maksimal. Dalam kasus seperti itu, reaksi nuklir disebut resonan. Penampang resonansi untuk menangkap neutron termal (lambat) ( kT»0,025 eV) bisa ~10 6 kali lebih besar dari penampang geometris nukleus

Setelah menangkap partikel, inti senyawa dalam keadaan tereksitasi selama ~10 - 14 s, kemudian memancarkan partikel. Beberapa saluran peluruhan radioaktif dari inti senyawa dimungkinkan. Proses yang bersaing juga dimungkinkan - penangkapan radiasi, ketika, setelah ditangkap oleh inti partikel, ia masuk ke keadaan tereksitasi, kemudian, setelah memancarkan g-kuantum, ia masuk ke keadaan dasar. Dalam hal ini, inti majemuk juga dapat dibentuk.

Gaya tolak-menolak Coulomb antara partikel bermuatan positif dari inti (proton) tidak berkontribusi, tetapi mencegah keluarnya partikel-partikel ini dari inti. Hal ini karena pengaruh penghalang sentrifugal. Ini dijelaskan oleh fakta bahwa energi positif sesuai dengan gaya tolak-menolak. Ini meningkatkan tinggi dan lebar penghalang potensial Coulomb. Keluarnya partikel bermuatan positif dari inti adalah proses sub-penghalang. Semakin kecil kemungkinannya, semakin tinggi dan lebar penghalang potensial. Ini sangat penting untuk inti sedang dan berat.

Misalnya, inti isotop uranium, setelah menangkap neutron, membentuk inti majemuk, yang kemudian terpecah menjadi dua bagian. Di bawah aksi gaya tolak Coulomb, bagian-bagian ini terbang terpisah dengan energi kinetik tinggi ~200 MeV, karena dalam hal ini gaya listrik melebihi gaya tarik inti. Dalam hal ini, fragmen bersifat radioaktif dan berada dalam keadaan tereksitasi. Melewati keadaan dasar, mereka memancarkan neutron yang cepat dan tertunda, serta g-quanta dan partikel lainnya. Neutron yang dipancarkan disebut sekunder.

Dari semua inti yang dilepaskan selama fisi, ~99% neutron dilepaskan secara instan, dan ~0,75% jatuh ke fraksi neutron tertunda. Meskipun demikian, neutron tertunda digunakan dalam daya nuklir, karena mereka mengizinkan reaksi nuklir terkendali. Yang paling mungkin adalah fisi uranium menjadi fragmen, salah satunya sekitar satu setengah kali lebih berat dari yang lain. Hal ini dijelaskan oleh pengaruh kulit neutron nuklir, karena secara energetik lebih menguntungkan bagi nukleus untuk membelah sehingga jumlah neutron di setiap fragmen mendekati salah satu angka ajaib- 50 atau 82. Fragmen tersebut dapat berupa, misalnya, inti dan.

Selisih antara nilai energi potensial maksimum E p(R) dan nilainya untuk inti stabil disebut energi aktivasi. Oleh karena itu, untuk fisi nuklir, perlu diberikan energi yang tidak kurang dari energi aktivasi. Energi ini dibawa oleh neutron, setelah penyerapan yang membentuk inti senyawa tereksitasi.

Penelitian telah menunjukkan bahwa inti dari isotop mengalami fisi setelah penangkapan apapun, termasuk termal, neutron. Untuk fisi isotop uranium, diperlukan neutron cepat dengan energi lebih dari 1 MeV. Perbedaan perilaku nukleus ini dikaitkan dengan efek pasangan nukleon.

Fisi spontan inti radioaktif juga dimungkinkan tanpa adanya eksitasi eksternal, yang diamati pada tahun 1940. Dalam hal ini, fisi nuklir dapat terjadi dengan kebocoran produk fisi melalui penghalang potensial sebagai akibat dari efek terowongan. Lain fitur karakteristik reaksi nuklir yang berlangsung melalui inti senyawa, dalam kondisi tertentu, adalah simetri di pusat sistem massa dari distribusi sudut partikel yang mengembang yang terbentuk selama peluruhan inti senyawa.

Reaksi nuklir langsung juga dimungkinkan, misalnya,

yang digunakan untuk menghasilkan neutron.

Selama pembelahan inti berat, energi dilepaskan rata-rata ~200 MeV untuk setiap inti fisil, yang disebut energi nuklir atau atom. Energi ini dihasilkan di reaktor nuklir.

Uranium alami mengandung 99,3% isotop dan 0,7% isotop, yang merupakan bahan bakar nuklir. Isotop uranium dan thorium adalah bahan baku dari mana isotop dan isotop diperoleh secara artifisial, yang juga merupakan bahan bakar nuklir dan tidak terjadi secara alami di alam. Isotop plutonium diperoleh, misalnya, dalam reaksi

Isotop uranium diperoleh, misalnya, dalam reaksi

di mana artinya reaksi

.
Isotop inti dan fisi hanya oleh neutron cepat dengan energi > 1 MeV.

Kuantitas penting yang mencirikan nukleus fisil adalah jumlah rata-rata neutron sekunder, yang untuk implementasi reaksi berantai fisi nuklir inti atom harus setidaknya 1. Neutron direproduksi dalam reaksi inti atom seperti itu.

Reaksi berantai praktis dilakukan pada uranium yang diperkaya di reaktor nuklir. Dalam uranium yang diperkaya, kandungan isotop uranium, dengan pemisahan isotop, dibawa ke 2-5%. Volume yang ditempati oleh bahan fisil disebut inti reaktor. Untuk uranium alam, faktor perkalian neutron termal k= 1,32. Untuk mengurangi kecepatan neutron cepat ke kecepatan termal, moderator digunakan (grafit, air, berilium, dll.).

Ada jenis yang berbeda reaktor nuklir, tergantung pada tujuan dan kekuatannya. Misalnya, eksperimental, reaktor untuk mendapatkan elemen transuranium baru, dll.

Saat ini, industri tenaga nuklir menggunakan reaktor breeder (reaktor breeder), di mana tidak hanya pembangkitan energi terjadi, tetapi juga reproduksi materi fisil yang diperluas. Mereka menggunakan uranium yang diperkaya dengan kandungan isotop uranium yang cukup tinggi (hingga 30%).

Reaktor tersebut adalah peternak digunakan untuk menghasilkan energi di pembangkit listrik tenaga nuklir. Kerugian utama dari pembangkit listrik tenaga nuklir adalah akumulasi limbah radioaktif. Namun, dibandingkan dengan pembangkit listrik tenaga batu bara, pembangkit listrik tenaga nuklir lebih ramah lingkungan.

Fisi nuklir adalah pemecahan atom berat menjadi dua fragmen dengan massa yang kira-kira sama, disertai dengan pelepasan jumlah yang besar energi.

Penemuan fisi nuklir era baru- Zaman Atom. Potensi penggunaan yang mungkin dan rasio risiko untuk mendapatkan keuntungan dari penggunaannya tidak hanya menghasilkan banyak pencapaian sosiologis, politik, ekonomi dan ilmiah, tetapi juga masalah serius. Bahkan dengan murni poin ilmiah Dari sudut pandang, proses fisi nuklir telah menciptakan banyak teka-teki dan komplikasi, dan penjelasan teoretisnya yang lengkap adalah masalah masa depan.

Berbagi itu menguntungkan

Energi ikat (per nukleon) berbeda untuk inti yang berbeda. Yang lebih berat memiliki energi ikat yang lebih rendah daripada yang terletak di tengah tabel periodik.

Ini berarti bahwa untuk inti berat dengan nomor atom lebih besar dari 100, adalah menguntungkan untuk membagi menjadi dua fragmen yang lebih kecil, sehingga melepaskan energi, yang diubah menjadi energi kinetik fragmen. Proses ini disebut membelah

Menurut kurva stabilitas, yang menunjukkan ketergantungan jumlah proton pada jumlah neutron untuk nuklida stabil, inti yang lebih berat lebih disukai lagi neutron (dibandingkan dengan jumlah proton) daripada yang lebih ringan. Ini menunjukkan bahwa seiring dengan proses pemisahan, beberapa neutron "cadangan" akan dipancarkan. Selain itu, mereka juga akan mengambil sebagian dari energi yang dilepaskan. Studi tentang fisi nuklir atom uranium menunjukkan bahwa 3-4 neutron dilepaskan: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

Nomor atom (dan massa atom) fragmen tidak sama dengan setengah massa atom induknya. Perbedaan antara massa atom yang terbentuk sebagai hasil pemecahan biasanya sekitar 50. Benar, alasannya belum sepenuhnya jelas.

Energi ikat 238 U, 145 La, dan 90 Br berturut-turut adalah 1803, 1198, dan 763 MeV. Artinya, sebagai hasil dari reaksi ini, energi fisi inti uranium yang dilepaskan adalah sebesar 1198 + 763-1803 = 158 MeV.

Pembagian spontan

Proses pemisahan spontan diketahui di alam, tetapi sangat jarang. Masa hidup rata-rata dari proses ini adalah sekitar 10 17 tahun, dan, misalnya, masa hidup rata-rata peluruhan alfa dari radionuklida yang sama adalah sekitar 10 11 tahun.

Pasalnya, untuk membelah menjadi dua bagian, nukleus harus terlebih dahulu dideformasi (diregangkan) menjadi bentuk ellipsoidal, dan kemudian, sebelum akhirnya membelah menjadi dua bagian, membentuk “leher” di tengahnya.

Potensi Hambatan

Dalam keadaan terdeformasi, dua gaya bekerja pada inti. Salah satunya adalah peningkatan energi permukaan (tegangan permukaan setetes cairan menjelaskan bentuk bolanya), dan yang lainnya adalah gaya tolak Coulomb antara fragmen fisi. Bersama-sama mereka menghasilkan penghalang potensial.

Seperti dalam kasus peluruhan alfa, agar fisi spontan inti atom uranium terjadi, fragmen harus mengatasi penghalang ini menggunakan terowongan kuantum. Penghalangnya sekitar 6 MeV, seperti dalam kasus peluruhan alfa, tetapi kemungkinan penerowongan partikel alfa jauh lebih besar daripada produk fisi atom yang jauh lebih berat.

pemisahan paksa

Jauh lebih mungkin adalah fisi yang diinduksi dari inti uranium. Dalam hal ini, inti induk disinari dengan neutron. Jika orang tua menyerapnya, maka mereka mengikat, melepaskan energi ikatan dalam bentuk energi getaran, yang dapat melebihi 6 MeV yang diperlukan untuk mengatasi penghalang potensial.

Jika energi neutron tambahan tidak cukup untuk mengatasi penghalang potensial, neutron datang harus memiliki energi kinetik minimum agar dapat menginduksi pemecahan atom. Dalam kasus 238 U, energi ikat neutron tambahan adalah sekitar 1 MeV pendek. Ini berarti bahwa pembelahan inti uranium hanya diinduksi oleh neutron dengan energi kinetik lebih besar dari 1 MeV. Di sisi lain, isotop 235 U memiliki satu neutron yang tidak berpasangan. Ketika nukleus menyerap satu tambahan, ia membentuk pasangan dengannya, dan sebagai hasil dari pasangan ini, energi ikat tambahan muncul. Ini cukup untuk melepaskan jumlah energi yang diperlukan inti untuk mengatasi penghalang potensial dan fisi isotop terjadi pada tumbukan dengan neutron apa pun.

peluruhan beta

Meskipun reaksi fisi memancarkan tiga atau empat neutron, fragmen masih mengandung lebih banyak neutron daripada isobar stabilnya. Ini berarti bahwa fragmen pembelahan umumnya tidak stabil terhadap peluruhan beta.

Misalnya, ketika fisi uranium 238U terjadi, isobar stabil dengan A = 145 adalah neodymium 145Nd, yang berarti bahwa fragmen lantanum 145La meluruh dalam tiga langkah, setiap kali memancarkan elektron dan antineutrino, hingga nuklida stabil terbentuk. Isobar stabil dengan A = 90 adalah zirkonium 90 Zr; oleh karena itu, fragmen pemecahan brom 90 Br terurai dalam lima tahap rantai peluruhan .

Rantai peluruhan ini melepaskan energi tambahan, yang hampir semuanya terbawa oleh elektron dan antineutrino.

Reaksi nuklir: pembelahan inti uranium

Emisi langsung neutron dari nuklida dengan terlalu banyak dari mereka untuk memastikan stabilitas nukleus tidak mungkin. Intinya di sini adalah bahwa tidak ada tolakan Coulomb, sehingga energi permukaan cenderung menjaga neutron tetap terikat dengan induknya. Namun, ini terkadang terjadi. Misalnya, fragmen fisi 90 Br pada tahap peluruhan beta pertama menghasilkan kripton-90, yang dapat berada dalam keadaan tereksitasi dengan energi yang cukup untuk mengatasi energi permukaan. Dalam hal ini, emisi neutron dapat terjadi secara langsung dengan pembentukan kripton-89. masih tidak stabil terhadap peluruhan sampai diubah menjadi yttrium-89 yang stabil, sehingga kripton-89 meluruh dalam tiga langkah.

Fisi inti uranium: reaksi berantai

Neutron yang dipancarkan dalam reaksi fisi dapat diserap oleh inti induk lain, yang kemudian dengan sendirinya mengalami fisi terinduksi. Dalam kasus uranium-238, tiga neutron yang dihasilkan keluar dengan energi kurang dari 1 MeV (energi yang dilepaskan selama fisi inti uranium - 158 MeV - sebagian besar diubah menjadi energi kinetik dari fragmen fisi ), sehingga mereka tidak dapat menyebabkan fisi lebih lanjut dari nuklida ini. Namun demikian, pada konsentrasi signifikan dari isotop langka 235 U, neutron bebas ini dapat ditangkap oleh inti 235 U, yang memang dapat menyebabkan fisi, karena dalam kasus ini tidak ada ambang energi di bawahnya yang tidak menyebabkan fisi.

Ini adalah prinsip reaksi berantai.

Jenis-jenis reaksi nuklir

Misalkan k adalah jumlah neutron yang dihasilkan dalam sampel bahan fisil pada tahap n dari rantai ini, dibagi dengan jumlah neutron yang dihasilkan pada tahap n - 1. Jumlah ini akan tergantung pada berapa banyak neutron yang dihasilkan pada tahap n - 1 yang diserap oleh nukleus, yang mungkin dipaksa untuk membelah.

jika k< 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.

Jika k > 1, maka reaksi berantai akan berkembang sampai semua bahan fisil telah digunakan, hal ini dicapai dengan pengayaan bijih alam untuk mendapatkan konsentrasi uranium-235 yang cukup besar. Untuk sampel bola, nilai k meningkat dengan peningkatan probabilitas penyerapan neutron, yang tergantung pada jari-jari bola. Oleh karena itu, massa U harus melebihi jumlah tertentu agar pembelahan inti uranium (reaksi berantai) dapat terjadi.

Jika k = 1, maka reaksi terkontrol berlangsung. Ini digunakan dalam reaktor nuklir. Prosesnya dikendalikan dengan mendistribusikan batang kadmium atau boron di antara uranium, yang menyerap sebagian besar neutron (elemen ini memiliki kemampuan untuk menangkap neutron). Fisi inti uranium dikendalikan secara otomatis dengan menggerakkan batang sedemikian rupa sehingga nilai k tetap sama dengan satu.

Reaksi nuklir berantai. Sebagai hasil dari percobaan iradiasi neutron uranium, ditemukan bahwa di bawah aksi neutron, inti uranium dibagi menjadi dua inti (fragmen) sekitar setengah massa dan muatan; proses ini disertai dengan emisi beberapa (dua atau tiga) neutron (Gbr. 402). Selain uranium, beberapa elemen lagi dari antara elemen terakhir mampu fisi sistem periodik Mendeleev. Unsur-unsur ini, seperti uranium, fisi tidak hanya di bawah pengaruh neutron, tetapi juga tanpa pengaruh eksternal (spontan). Fisi spontan dibuat secara eksperimental oleh fisikawan Soviet K. A. Petrzhak dan Georgy Nikolaevich Flerov (lahir 1913) pada tahun 1940. Ini adalah proses yang sangat langka. Jadi, dalam 1 g uranium, hanya sekitar 20 fisi spontan yang terjadi per jam.

Beras. 402. Fisi inti uranium di bawah pengaruh neutron: a) inti menangkap neutron; b) dampak neutron pada nukleus menyebabkan nukleus berosilasi; c) nukleus terbagi menjadi dua bagian; lebih banyak neutron yang dipancarkan.

Karena tolakan elektrostatik timbal balik, fragmen fisi menyebar ke arah yang berlawanan, memperoleh energi kinetik yang sangat besar (sekitar ). Dengan demikian, reaksi fisi terjadi dengan pelepasan energi yang signifikan. Fragmen yang bergerak cepat mengionisasi atom medium secara intens. Properti fragmen ini digunakan untuk mendeteksi proses fisi menggunakan ruang ionisasi atau ruang awan. Sebuah foto jejak fragmen fisi di ruang awan ditunjukkan pada gambar. 403. Sangat signifikan bahwa neutron yang dipancarkan selama fisi inti uranium (yang disebut neutron fisi sekunder) mampu menyebabkan fisi inti uranium baru. Berkat ini, dimungkinkan untuk melakukan reaksi berantai fisi: setelah muncul, reaksi, pada prinsipnya, dapat berlanjut dengan sendirinya, mencakup peningkatan jumlah inti. Skema pengembangan reaksi cellon yang tumbuh seperti itu ditunjukkan pada Gambar. 404.

Beras. 403. Foto jejak fragmen fisi uranium di ruang awan: fragmen () menyebar ke arah yang berlawanan dari lapisan tipis uranium yang disimpan di piring yang menghalangi ruang. Gambar tersebut juga menunjukkan banyak jejak tipis milik proton yang tersingkir oleh neutron dari molekul mobil air yang terkandung di dalam ruangan.

Melakukan reaksi fisi berantai dalam praktiknya tidak mudah; Pengalaman menunjukkan bahwa dalam massa uranium alam tidak terjadi reaksi berantai. Alasan untuk ini terletak pada hilangnya neutron sekunder; di uranium alam sebagian besar neutron keluar dari permainan tanpa menyebabkan fisi. Seperti yang telah diungkapkan oleh penelitian, hilangnya neutron terjadi pada isotop uranium yang paling umum - uranium - 238 (). Isotop ini dengan mudah menyerap neutron dalam reaksi yang mirip dengan reaksi perak dengan neutron (lihat 222); ini menghasilkan isotop radioaktif artifisial. Ia membelah dengan susah payah dan hanya di bawah aksi neutron cepat.

Isotop yang terkandung dalam uranium alam dalam jumlah tertentu memiliki sifat yang lebih berhasil untuk reaksi berantai. Itu dibagi di bawah aksi neutron dari energi apa pun - cepat dan lambat, dan semakin baik, semakin rendah energi neutron. Proses bersaing dengan fisi - penyerapan sederhana neutron - tidak mungkin berbeda dengan. Oleh karena itu, dalam uranium-235 murni, reaksi berantai fisi dimungkinkan, asalkan massa uranium-235 cukup besar. Dalam uranium bermassa rendah, reaksi fisi dihentikan karena emisi neutron sekunder di luar materinya.

Beras. 404. Perkembangan Reaksi Fisi yang Berharga: Dapat diterima dengan syarat bahwa dua neutron dipancarkan selama fisi nuklir dan tidak ada kehilangan neutron, mis. setiap neutron menyebabkan fisi baru; lingkaran - fragmen fisi, panah - neutron fisi

Memang, mengingat ukuran kecil Dalam inti atom, sebuah neutron menempuh jarak jauh dalam materi (diukur dalam sentimeter) sebelum secara tidak sengaja menabrak inti. Jika dimensi tubuh kecil, maka kemungkinan tabrakan dalam perjalanan menuju pintu keluar kecil. Hampir semua neutron fisi sekunder terbang keluar melalui permukaan tubuh tanpa menyebabkan fisi baru, yaitu, tanpa melanjutkan reaksi.

Dari benda berdimensi besar, terutama neutron yang terbentuk di lapisan permukaan yang terbang keluar. Neutron yang terbentuk di dalam tubuh memiliki ketebalan uranium yang cukup di depannya dan sebagian besar menyebabkan fisi baru, melanjutkan reaksi (Gbr. 405). Semakin besar massa uranium, semakin kecil fraksi volume lapisan permukaan, dari mana banyak neutron hilang, dan semakin menguntungkan kondisi untuk pengembangan reaksi berantai.

Beras. 405. Pengembangan reaksi fisi berantai di . a) Dalam massa kecil, sebagian besar neutron fisi terbang keluar. b) Dalam massa uranium yang besar, banyak neutron fisi menyebabkan pembelahan inti baru; jumlah divisi meningkat dari generasi ke generasi. Lingkaran - fragmen fisi, panah - neutron fisi

Dengan meningkatkan jumlah secara bertahap, kita akan mencapai massa kritis, yaitu massa terkecil, mulai dari mana reaksi berantai fisi berkelanjutan dimungkinkan. Dengan peningkatan massa lebih lanjut, reaksi akan mulai berkembang pesat (ini akan dimulai dengan pembelahan spontan). Ketika massa berkurang di bawah nilai kritis, reaksi meluruh.

Jadi, Anda dapat melakukan reaksi fisi berantai. Jika sudah cukup murni, pisahkan dari.

Seperti yang kita lihat di 202, pemisahan isotop adalah operasi yang kompleks dan mahal, tetapi masih mungkin. Memang, ekstraksi dari uranium alam adalah salah satu cara di mana reaksi berantai fisi dipraktekkan.

Bersamaan dengan ini, reaksi berantai dicapai dengan cara lain, yang tidak memerlukan pemisahan isotop uranium. Metode ini pada prinsipnya agak lebih rumit, tetapi lebih mudah untuk diterapkan. Ini menggunakan pelambatan neutron fisi sekunder cepat untuk mempercepat gerakan termal. Kita telah melihat bahwa dalam uranium alam, neutron sekunder langsung sebagian besar diserap oleh isotop. Karena penyerapan dalam tidak menyebabkan fisi, reaksi berakhir. Pengukuran menunjukkan bahwa ketika neutron diperlambat ke kecepatan termal, daya serap meningkat lebih dari daya serap. Penyerapan neutron oleh isotop , yang mengarah ke fisi, berada di atas angin. Oleh karena itu, jika neutron fisi diperlambat, mencegahnya diserap ke dalam , reaksi berantai akan mungkin terjadi dengan uranium alam.

Beras. 406. Sistem uranium alam dan moderator di mana reaksi berantai fisi dapat berkembang

Dalam praktiknya, hasil ini dicapai dengan menempatkan batang cerobong uranium alam dalam bentuk kisi langka di moderator (Gbr. 406). Sebagai moderator, zat dengan rendah massa atom dan lemah menyerap neutron. Moderator yang baik adalah grafit, air berat, berilium.

Biarkan pembelahan inti uranium terjadi di salah satu batang. Karena batangnya relatif tipis, neutron sekunder cepat akan terbang hampir seluruhnya ke moderator. Batang terletak di kisi sangat jarang. Sebelum mengenai batang baru, neutron yang dipancarkan mengalami banyak tumbukan dengan inti moderator dan melambat hingga kecepatan gerak termal (Gbr. 407). Setelah kemudian mengenai batang uranium, neutron kemungkinan besar akan diserap dan menyebabkan fisi baru, sehingga melanjutkan reaksi. Reaksi fisi berantai pertama kali dilakukan di Amerika Serikat pada tahun 1942. sekelompok ilmuwan yang dipimpin oleh fisikawan Italia Enrico Fermi (1901-1954) dalam sistem dengan uranium alam. Proses ini diterapkan secara independen di Uni Soviet pada tahun 1946. Akademisi Igor Vasilievich Kurchatov (1903-1960) dengan karyawan.

Beras. 407. Pengembangan reaksi fisi yang berharga dalam sistem uranium alam dan moderator. Sebuah neutron cepat, terbang keluar dari batang tipis, mengenai moderator dan melambat. Sekali lagi dalam uranium, neutron yang diperlambat kemungkinan akan diserap ke dalam , menyebabkan fisi (simbol: dua lingkaran putih). Beberapa neutron diserap tanpa menyebabkan pembelahan (simbol: lingkaran hitam)

Fisi nuklir- proses pemecahan inti atom menjadi dua (jarang tiga) inti dengan massa yang berdekatan, yang disebut fragmen fisi. Sebagai hasil dari fisi, produk reaksi lain juga dapat muncul: inti ringan (terutama partikel alfa), neutron dan gamma kuanta. Fisi bisa spontan (spontan) dan dipaksa (sebagai akibat interaksi dengan partikel lain, terutama dengan neutron). Fisi inti berat adalah proses eksotermik, sebagai akibatnya sejumlah besar energi dilepaskan dalam bentuk energi kinetik dari produk reaksi, serta radiasi. Fisi nuklir berfungsi sebagai sumber energi dalam reaktor nuklir dan senjata nuklir. Proses fisi hanya dapat berlangsung jika energi potensial dari keadaan awal inti fisi melebihi jumlah massa fragmen fisi. Karena energi ikat spesifik inti berat berkurang dengan bertambahnya massa, kondisi ini dipenuhi untuk hampir semua inti dengan nomor massa .

Namun, seperti yang ditunjukkan oleh pengalaman, bahkan inti terberat pun secara spontan terbagi dengan probabilitas yang sangat rendah. Ini berarti bahwa ada penghalang energi ( penghalang fisi) untuk mencegah perpecahan. Beberapa model digunakan untuk menggambarkan proses fisi nuklir, termasuk perhitungan penghalang fisi, tetapi tidak satupun dari model tersebut yang dapat menjelaskan proses tersebut secara lengkap.

Fakta bahwa energi dilepaskan selama pembelahan inti berat mengikuti langsung dari ketergantungan energi spesifik koneksi = E St (A,Z)/A dari nomor massa A. Selama pembelahan inti berat, inti yang lebih ringan terbentuk, di mana nukleon terikat lebih kuat, dan sebagian energi dilepaskan selama pembelahan. Sebagai aturan, fisi nuklir disertai dengan emisi 1-4 neutron. Mari kita nyatakan energi bagian Q fisi dalam bentuk energi ikat inti awal dan akhir. Energi inti awal, yang terdiri dari proton Z dan neutron N, dan memiliki massa M (A, Z) dan energi ikat E St (A, Z), kita tulis dalam bentuk berikut:

M(A,Z)c 2 = (Zm p + Nm n)c 2 - E St (A,Z).

Pembelahan inti (A, Z) menjadi 2 fragmen (A 1, Z 1) dan (A 2, Z 2) disertai dengan pembentukan N n = A – A 1 – A 2 neutron cepat. Jika inti (A,Z) dibagi menjadi fragmen dengan massa M 1 (A 1 ,Z 1), M 2 (A 2 ,Z 2) dan energi ikat E st1 (A 1 ,Z 1), E st2 (A 2 , Z 2), maka untuk energi fisi kita memiliki ekspresi:

Q div \u003d (M (A, Z) -) c 2 \u003d E St 1 (A 1, Z 1) + E St (A 2, Z 2) - E St (A, Z),

A \u003d A 1 + A 2 + N n, Z \u003d Z 1 + Z 2.

23. Teori dasar fisi.

Pada tahun 1939 N. Bor Dan J. Wheeler, sebaik Ya. Frenkel jauh sebelum fisi dipelajari secara komprehensif secara eksperimental, sebuah teori tentang proses ini diajukan, berdasarkan konsep inti sebagai setetes cairan bermuatan.

Energi yang dilepaskan selama fisi dapat diperoleh langsung dari rumus Weizsäcker.

Mari kita hitung jumlah energi yang dilepaskan selama pembelahan inti berat. Substitusi ke (f.2) ekspresi untuk energi ikat inti (f.1), dengan asumsi A 1 =240 dan Z 1 = 90. Mengabaikan suku terakhir di (f.1) karena kecilnya dan mengganti nilai parameter a 2 dan a 3 , kita dapatkan

Dari sini kita peroleh bahwa fisi menguntungkan secara energetik ketika Z 2 /A > 17. Nilai Z 2 /A disebut parameter keterbagian. Energi E, yang dilepaskan selama fisi, tumbuh dengan peningkatan Z 2 /A; Z 2 /A = 17 untuk inti di daerah yttrium dan zirkonium. Dapat dilihat dari perkiraan yang diperoleh bahwa fisi secara energetik menguntungkan untuk semua inti dengan A > 90. Mengapa sebagian besar inti stabil terhadap fisi spontan? Untuk menjawab pertanyaan ini, mari kita lihat bagaimana bentuk inti berubah selama fisi.

Dalam proses pembelahan, nukleus secara berurutan melewati tahap-tahap berikut (Gbr. 2): bola, ellipsoid, halter, dua fragmen berbentuk buah pir, dua fragmen bulat. Bagaimana energi potensial inti berubah pada berbagai tahap fisi? Setelah fisi terjadi, dan fragmen dipisahkan satu sama lain dengan jarak yang jauh lebih besar dari jari-jarinya, energi potensial fragmen, yang ditentukan oleh interaksi Coulomb di antara mereka, dapat dianggap sama dengan nol.

Mari kita perhatikan tahap awal fisi, ketika nukleus mengambil bentuk elipsoid revolusi yang semakin memanjang dengan meningkatnya r. Pada tahap pembelahan ini, r adalah ukuran deviasi inti dari bentuk bola (Gbr. 3). Karena evolusi bentuk inti, perubahan energi potensialnya ditentukan oleh perubahan jumlah permukaan dan energi Coulomb E"n + E"k. Diasumsikan bahwa volume inti tetap tidak berubah selama deformasi. Dalam hal ini, energi permukaan E "p meningkat, karena luas permukaan inti meningkat. Energi Coulomb E" k berkurang, karena jarak rata-rata antara nukleon meningkat. Biarkan inti bola, sebagai akibat dari sedikit deformasi yang dicirikan oleh parameter kecil, berbentuk ellipsoid simetris aksial. Dapat ditunjukkan bahwa energi permukaan E "p dan energi Coulomb E" k tergantung pada perubahan sebagai berikut:

Dalam kasus deformasi ellipsoidal kecil, peningkatan energi permukaan terjadi lebih cepat daripada penurunan energi Coulomb. Di daerah inti berat 2En > Ek, jumlah energi permukaan dan energi Coulomb meningkat dengan bertambahnya . Ini mengikuti dari (f.4) dan (f.5) bahwa pada deformasi ellipsoidal kecil, peningkatan energi permukaan mencegah perubahan lebih lanjut dalam bentuk nukleus, dan, akibatnya, fisi. Ekspresi (f.5) berlaku untuk nilai kecil (deformasi kecil). Jika deformasi begitu besar sehingga inti berbentuk halter, maka gaya tegangan permukaan, seperti gaya Coulomb, cenderung memisahkan inti dan membuat pecahan berbentuk bola. Pada tahap fisi ini, peningkatan regangan disertai dengan penurunan energi Coulomb dan permukaan. Itu. dengan peningkatan bertahap dalam deformasi nukleus, energi potensialnya melewati maksimum. Sekarang r memiliki arti jarak antara pusat fragmen masa depan. Ketika fragmen saling menjauh, energi potensial interaksinya akan berkurang, karena energi tolakan Coulomb Ek berkurang.Ketergantungan energi potensial pada jarak antar fragmen ditunjukkan pada Gambar. 4. tingkat nol energi potensial sesuai dengan jumlah permukaan dan energi Coulomb dari dua fragmen yang tidak berinteraksi. Kehadiran penghalang potensial mencegah fisi nuklir spontan seketika. Agar inti dapat membelah seketika, perlu diberikan energi Q yang melebihi tinggi penghalang H. Energi potensial maksimum dari inti fisil kira-kira sama dengan e 2 Z 2 /(R 1 + R 2), di mana R 1 dan R 2 adalah jari-jari fragmen. Misalnya, ketika inti emas dibagi menjadi dua fragmen identik, e 2 Z 2 / (R 1 + R 2) \u003d 173 MeV, dan energi E yang dilepaskan selama fisi ( lihat rumus (f.2)) sama dengan 132 MeV. Jadi, dalam pembelahan inti emas, perlu untuk mengatasi penghalang potensial dengan ketinggian sekitar 40 MeV. Tinggi penghalang H semakin besar, semakin kecil rasio Coulomb dan energi permukaan E terhadap /E p pada inti awal. Rasio ini, pada gilirannya, meningkat dengan peningkatan parameter dapat dibagi Z 2 /A ( lihat (f.4)). Semakin berat inti, semakin rendah tinggi penghalang H , karena parameter dapat dibagi meningkat dengan meningkatnya nomor massa:

Itu. Menurut model drop, inti dengan Z 2 /A > 49 seharusnya tidak ada di alam, karena mereka membelah secara spontan hampir seketika (dalam karakteristik waktu nuklir orde 10 -22 detik). Keberadaan inti atom dengan Z 2 /A > 49 ("pulau stabilitas") dijelaskan oleh struktur cangkangnya. Ketergantungan bentuk, ketinggian penghalang potensial H, dan energi fisi E pada nilai parameter dapat dibagi Z 2 /А ditunjukkan pada Gambar. lima.

Fisi spontan inti dengan Z 2 /A< 49, для которых высота барьера Н не равна нулю, с точки зрения классической физики невозможно. С точки зрения квантовой механики такое деление возможно в результате прохождения через потенциальный барьер и носит название спонтанного деления. Вероятность спонтанного деления растет с увеличением параметра делимости Z 2 /А, т.е. с уменьшением высоты барьера. В целом период полураспада относительно спонтанного деления уменьшается при переходе от менее тяжелых ядер к более тяжелым от Т 1/2 > 10 21 tahun untuk 232 Th hingga 0,3 detik untuk 260 Ku. Fisi nuklir paksa dengan Z 2 /A < 49 может быть вызвано любыми частицами: фотонами, нейтронами, протонами, дейтронами, -частицами и т.д., если энергия, которую они вносят в ядро достаточна для преодоления барьера деления.