11.6: Ядерний поділ

Last updated
Save as PDF

Page ID: 18153

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Процес, за допомогою якого азот перетворюється в вуглець-14, є прикладом захоплення нейтронів, при якому частинки поглинаються ядром іншого атома з утворенням нового елемента. Ці типи реакцій насправді досить поширені в ядерній хімії. Ядро урану-235 захоплює «тихохідний» нейтрон, точно так само, як азот захоплює нейтрон, приводячи до утворення вуглецю-14. Спочатку утворюється уран-236, але це ядро має відношення нейтрон-протон, що робить його виключно нестабільним. Нестабільне ядро миттєво розпадається (піддається поділу), утворюючи більш легкі елементи і звільняючи додаткові вільні нейтрони. У міру розриву ядра також виділяється значна кількість енергії. Ядерне рівняння, що показує типовий поділ урану-235, показано нижче:

\[_{92}^{235}U+_{0}^{1}n \rightarrow _{56}^{141}Ba +_{36}^{92}Kr+3_{0}^{1}n \nonumber \]

Три нейтрони, які виділяються, зараз прискорюються через масу урану. Якщо їх захоплює інше ядро, процес відбувається знову і звільняються ще три нейтрони. Це являє собою ланцюгову реакцію, і для того, щоб підтримувати подібну ланцюгову реакцію, маса або уран повинні бути достатньо великими, щоб ймовірність захоплення кожного вивільненого нейтрона іншим ураном була високою. Маса урану (або іншого ділиться елемента), яка потрібна для того, щоб витримати ланцюгову реакцію, називається критичною масою.

Процес ядерного поділу найвідоміший у контексті ділильних бомб та як процес, який діє на атомних електростанціях. Проектування працездатної бомби поділу представляє багато технічних проблем. Маса розщеплюється матеріалу, що перевищує критичну масу, нестабільна, тому починати потрібно з меншої, некритичної маси і якимось чином створити її протягом декількох мікросекунд. В оригінальному дизайні це було досягнуто шляхом взяття двох некритичних частин і об'єднання їх разом (дуже швидко). Це, як правило, називають «гарматним вузлом», в якому один шматок ділиться урану обстрілюється ціль ділиться урану в кінці зброї, подібно до стрільби кулею по стволу гармати.

Кожен з уранових фрагментів менше критичної маси, але при зіткненні вони утворюють масу, здатну витримати ядерну ланцюгову реакцію. Збірка залишається разом протягом декількох мікросекунд, перш ніж енергія, що виділяється від поділу, роздуває її на шматки. Хитрість у розробці таких ядерних пристроїв полягає в тому, щоб тримати їх разом досить довго, щоб вивільнилося достатньо енергії. Нейтронні відбивачі і «прискорювачі» зазвичай використовуються для цього, тим не менш, цей основний тип зброї неефективний, хоча простий в розробці і неймовірно смертельно небезпечний. Критична маса урану-235 - це сфера, яка трохи менше 7 дюймів в діаметрі.

Набагато більш ефективна бомба поділу заснована на досягненні критичної маси матеріалу, що ділиться, не шляхом об'єднання менших фрагментів, а шляхом збільшення щільності докритичної маси до того, що швидкість захоплення нейтронів підтримує ланцюгову реакцію. Ця конструкція називається «імплозійною» бомбою, і вона в основному складається з сфери розщеплюється матеріалу, оточеного фасонними вибуховими речовинами, які повинні бути підірвані одночасно. Утворена ударна хвиля стискає матеріал, що розщеплюється, дозволяючи відбутися ланцюгова реакція. Цей тип конструкції вимагає набагато менше розщеплюється матеріалу, але є технічно складним. Сучасні пристрої мають нейтронні відбивачі, «нейтронні ініціатори» і ін., А складні бомби можуть бути ефективними, мати високий вихід і порівняно невеликі фізичні розміри.

У ядерному реакторі, призначеному для нагрівання води, виробництва пари та електричної енергії, хімія однакова, але між шматками розщеплюється матеріалу вводяться керуючі стрижні для поглинання деяких нейтронів, які виробляються так, що критична маса ніколи не досягається і ланцюгова реакція може бути контрольований. У цій установці, у міру відведення керуючих стрижнів, ланцюгова реакція прискорюється, і в міру їх введення реакція сповільнюється. Навіть в умовах «розплавлення», коли контрольні стрижні виходять з ладу, критична маса матеріалу, що ділиться, формувалася б повільно. Вибух в результаті був би поганим, але не зрівнявся б з енергією, що виділяється з добре продуманої зброї поділу.