Vezměte těžký atom, jako je uran nebo plutonium. Zasáhněte ho neutronem. Sledujte, jak to praskne.
Toto je jaderné štěpení. Toto není chemická reakce. Je to něco mnohem silnějšího a energičtějšího. Jádro je rozděleno na dva přibližně stejné fragmenty. Těžké úlomky. Radioaktivní vedlejší produkty. Ale hlavní příběh není v troskách. Je v energii.
Když je atom zničen, uvolňuje se obrovské množství energie.
Tento proces je motorem jaderných elektráren. Je to také mechanismus jaderných zbraní. Rozdíl je v ovládání. V jednom případě dochází k nekontrolované řetězové reakci. Druhý udržuje stabilní, kontrolovanou pulzaci.
Mechanika štěpení
Proč štěpení atomu uvolňuje energii? Odpověď spočívá v hromadném defektu.
Celková hmotnost dvou fragmentů je o něco menší než hmotnost původního jádra. Tato chybějící hmota nezmizí. Přeměňuje se přímo na energii. Tuto transformaci vysvětluje rovnice Alberta Einsteina E=mc². Drobná hmota produkuje kolosální množství energie, protože druhá mocnina rychlosti světla je obrovské číslo.
Fragmenty se rozlétají. Nesou kinetickou energii. Srážejí se s okolními atomy. Teplota stoupá. Pára točí turbíny. Proud teče.
Řízení řetězové reakce
Rozdělení neprobíhá izolovaně. Proces štěpení často uvolňuje další neutrony. Tyto neutrony mohou zasáhnout jiné atomy uranu. Tyto atomy jsou rozděleny. Uvolňují více neutronů.
Je to řetězová reakce.
Pokud není zaškrtnuto, reakce se exponenciálně zrychluje. Tohle je bomba. Pokud je kontrolována, reakce zůstává stabilní. Toto je reaktor.
Do jádra jsou vloženy regulační tyče vyrobené z materiálů absorbujících neutrony, jako je bór nebo kadmium. Absorbují přebytečné neutrony. Zpomalují reakci. Operátoři upravují tyto tyče tak, aby udrželi požadovanou úroveň výkonu.
Proč je to dnes důležité?
Jaderné štěpení poskytuje velkou část světové nízkouhlíkové elektřiny. Funguje spolehlivě. Na rozdíl od solární nebo větrné energie není závislá na počasí. Během provozu neprodukuje žádné přímé uhlíkové emise.
Odpad však zůstává. Radioaktivní úlomky z rozštěpených atomů zůstávají nebezpečné po tisíce let. Skladování a likvidace zůstávají neustálými problémy. Technologie je výkonná. Je také hluboce komplexní.
Mimo energii
Štěpení není jen o elektrárnách. Lékařské izotopy se často vyrábějí v reaktorech. Tyto izotopy pomáhají diagnostikovat a léčit nemoci. Léčba rakoviny se opírá o přesné zdroje záření. Některé z nich pocházejí z vedlejších produktů štěpení.
Věda je ve své podstatě jednoduchá. Rozdělte těžké jádro. Získejte energii. Je to aplikace, která se stává oblastí obtížnosti. Bezpečnost, odpad a politika situaci komplikují.
Fyzika se nemění. Důsledky se mění.
Jak technologie postupuje, nové konstrukce reaktorů usilují o vyšší účinnost a bezpečnost. Malé modulární reaktory slibují levnější a škálovatelnější energii. Výzkum fúze naznačuje úplně jinou cestu – spojování atomů spíše než jejich rozdělování. Ale štěpení zůstává základním kamenem současného energetického systému.
Spoléháme na něj. Bojíme se ho. Zvládáme to.
Atom se rozdělí. Energie proudí. Otázkou není, zda to dokážeme. Otázkou je, zda to dokážeme udělat moudře.
Jak vlastně funguje jaderné štěpení
Všechno to začíná rozchodem. Při jaderném štěpení se jádro atomu rozdělí na dvě lehčí jádra. To se děje z nějakého důvodu. Někdy se to stane spontánně. Nejčastěji ale musíte jednat rázně.
Štěpení můžete spustit pomocí částic, jako jsou neutrony, protony, deuterony nebo částice alfa. Vhodné jsou i paprsky gama.
Jakmile se jádro rozdělí, odměna je obrovská.
Uvolňuje se obrovské množství energie. Radioaktivní produkty se tvoří okamžitě. Několik neutronů vyletí do prázdna.
A zde leží klíčový bod. Tyto uvolněné neutrony? Neodletí jen tak. Srážejí se se sousedními jádry štěpného materiálu a způsobují tam štěpení. Uvolnění ještě více neutronů.
Tato sekvence se opakuje. Spustí se řetězová reakce. Jádra procházejí masivním štěpením. Obrovské množství energie exploduje do všech stran.
Řízená energie versus nekontrolovaná destrukce
Získejte tuto řetězovou reakci pod kontrolou. Udělejte to v jaderném reaktoru. Získáte energii. Čistá, koncentrovaná energie ve prospěch společnosti.
Udělej to špatně. Nebo to udělejte schválně. Jako atomová bomba. Výsledkem je exploze ničivé síly.
Stejné fyzikální zákony. Opačné výsledky. Jeden živí města. Druhý je ničí.
Atomový věk a jeho složitost
Objev jaderného štěpení zahájil novou éru. Atomová éra.
Její potenciál pro dobro i zlo utvářel vše. Společenské změny. Politické nepokoje. Ekonomické rozmachy. Vědecké objevy.
Přineslo to také vážné obavy. Kompromis mezi rizikem a přínosem není jednoduchý. Je to neustálá chůze po laně.
I z čistě vědeckého hlediska zůstává dělení složité. Představuje pro nás záhady. Teoretická vysvětlení jsou neúplná. Mechanice rozumíme lépe než celkovému obrazu.
Víme, jak rozdělit atom.
Stále se snažíme pochopit, co to skutečně znamená mít tuto moc.
Slovo štěpení bylo vytvořeno až v roce 1939. Němečtí fyzici Lise Meitner a Otto Frisch tento termín vymysleli pro popis procesu, při kterém se těžké jádro rozdělí na dvě lehčí jádra přibližně stejné velikosti. To znamenalo konec chaotické vědecké ságy a začátek intenzivního období výzkumu.
Skutečný příběh začal dříve. V roce 1932 objevil James Chadwick neutron v Anglii. Enrico Fermi a jeho tým v Itálii brzy začali ozařovat prvky těmito neutrálními částicemi. V roce 1934 si všimli něčeho zvláštního. Ozařování uranu pomalými neutrony vedlo ke vzniku čtyř různých radioaktivních izotopů. Vyzařovaly beta částice. Vědci věřili, že objevili transuranové prvky s atomovými čísly 93, 94 nebo vyššími.
Radiochemici spěchali studovat tyto nové izotopy. Výsledky byly matoucí. Zmatek trval až do roku 1939.
Otto Hahn a Fritz Strassmann v Německu přesvědčivě dokázali, že tyto „transuranové“ prvky byly ve skutečnosti baryem, lanthanem a dalšími prvky ve střední části periodické tabulky. Šli po stopě, kterou naznačili Irene Joliot-Curie a Pavle Savich ve Francii.
Ida Noddack navrhla v roce 1934, že lehčí prvky by mohly být tvořeny z těžkých jader. Myšlenka byla ignorována. To odporovalo uznávané jaderné fyzice a nemělo žádné chemické potvrzení. Hahn a Strassmann poskytli toto potvrzení.
Meitner a Frisch použili k vysvětlení tohoto procesu model kapky kapaliny. Naznačovaly kolosální uvolnění energie. Laboratoře po celém světě reakci potvrdily. Během jednoho roku tento proces popsalo více než 100 článků.
Chemické důkazy, které byly tak důležité, aby přivedly Hahna a Strassmanna k objevu jaderného štěpení, byly získány pomocí nosičů a stopovacích technik.
Jak vědci identifikovali štěpné produkty
Zásadní byly chemické metody. Vzniklo neviditelné množství radioaktivních látek. Vědci určili jejich identitu sledováním toho, jak se pohybovali spolu se známými nosnými prvky.
Přidali známé radioaktivní indikátory. Porovnávali chování, aby identifikovali neznámé látky. Od té doby tyto radiochemické metody umožnily izolovat 34 prvků ze štěpných produktů. Sortiment pokrývá prvky od zinku (atomové číslo 30) po gadolinium (atomové číslo 64).
Široký rozsah radioaktivity dělá ze štěpení bohatý zdroj stopovacích látek. Používají se v chemických, biologických a průmyslových aplikacích.
Které izotopy způsobují štěpení a proč je to důležité?
Rané experimenty používaly obyčejný uran. Rychle se zjistilo, že za to může uran-235. Štěpí se pod vlivem pomalých neutronů.
Uran-238 je běžnější. Jeho štěpení vyžaduje rychlé neutrony s energiemi přesahujícími 1 MeV. Také jádra thoria a protaktinia se štěpí vlivem rychlých neutronů.
Jiné částice jsou také vhodné. Rychlé protony, deuterony a částice alfa vyvolávají reakci. Gama paprsky jsou také účinné.
Vynález jaderného reaktoru
V roce 1939 Frédéric Joliot-Curie, Hans von Halban a Lev Kowarski objevili, že štěpení uranu-235 produkuje několik neutronů. To naznačovalo možnost samoudržující řetězové reakce.
Fermi a jeho kolegové viděli potenciál. Uvědomili si sílu řízené reakce. 2. prosince 1942 se jim to podařilo.
Spustili první jaderný reaktor na světě. Říkalo se tomu „hromada“. Skládal se z bloků uranu a grafitu. Byl postaven na půdě University of Chicago.
Poté přišel projekt Manhattan. Tohle byl tajný projekt. Jeho cílem bylo vytvořit atomovou bombu poté, co Spojené státy vstoupily do druhé světové války.
Když válka skončila, úsilí se posunulo. Vědci vyvinuli nové typy reaktorů. Jejich cílem byla velkovýroba elektřiny. Tak se zrodila jaderná energie.
Základní principy štěpného procesu byly nyní jasné. Technologie se posunula od teorie k realitě. Důsledky pro energetiku a válku byly okamžité. Svět se změnil tak, jak to v roce 1934 mohl předvídat jen málokdo.
Tajemství jaderného štěpení není magie. Je to ve struktuře. Musíte se podívat na strukturu jaderné hmoty. A jak je stabilní.
Jádra se skládají z nukleonů. Je to jen ozdobné slovo pro protony a neutrony. Celkový počet těchto částic je vaše hmotnostní číslo. Je to jednoduché. Tady ale začíná zábava. Skutečná hmotnost jádra je vždy menší než součet jeho složek. Pokud byste měli vzít všechny volné neutrony a protony a zvážit je jednotlivě, vážily by více než jádro, které tvoří.
Rozdíl mezi těmito dvěma hmotnostmi se nazývá hromadná vada. A tato chybějící hmota? Nezmizela. Proměnilo se v energii.
Einsteinův vzorec to vysvětluje. E = mc ². Energie se rovná hmotnosti krát druhá mocnina rychlosti světla. To je kolosální konverzní poměr. Tento hmotnostní defekt je přímou mírou vazebné energie. Což je v podstatě „lepidlo“, které drží jádro pohromadě.
Představte si to takto. Když se tvoří jádro, uvolňuje energii. Chcete-li jej rozdělit na jednotlivé nukleony, musíte vynaložit přesně stejné množství energie. Čím vyšší je vazebná energie, tím je jádro stabilnější. O to obtížnější je to rozebrat.
“Rozdíl je známý jako hmotnostní defekt a je mírou celkové vazebné energie (a tedy stability) jádra.”
Na této stabilitě záleží. Protože pokud je jádro nestabilní, může se rozdělit. Divize. Pokud je stabilní, tak tam prostě zůstane. Čekání.
Energie uvolněná při formování je stejná energie, která by musela být vynaložena na její zničení. Je to začarovaný kruh. Utěsněné spojení. Z hmoty se stává energie. Energie drží hmotu pohromadě. A to je důvod, proč se některé atomy snadno štěpí, zatímco jiné zůstávají neporušené po miliardy let.
Podívejte se na průměrnou vazebnou energii na nukleonovou křivku. Toto je ve fyzice známá forma, která dosahuje vrcholu kolem hmotnostního čísla 56. Toto je „zlatá střední cesta“. Tohle je železo.
Tabulka vypráví jednoduchý příběh o stabilitě. Železo je na vrcholu kopce. Pokud máte jádro těžší než železo, má tendenci se rozdělit. Chce se rozbít na lehčí fragmenty, které jsou níže na energetickém svahu. Rozdíl ve vazebné energii jen tak nezmizí. Je propuštěna. Toto je rozdělení.
Pokud máte něco lehčího než železo, cesta je jiná. Tato jádra mohou získat stabilitu vzájemnou kolizí. Splývají v těžší jádro s větším hromadným defektem. Rozdíl v hmotnosti se přemění na energii. Toto je syntéza. Toto je motor slunce. To je základ vodíkové bomby. Je to také „svatý grál“ pro výrobu čisté energie, která je po desetiletí předmětem intenzivního a často frustrujícího výzkumu.
Bariéra spontánního rozkladu
Zde se hroutí jednoduchý energetický model.
Pokud by energetické úvahy byly jediným faktorem, veškerá hmota by se nakonec zhroutila na železo. Všechno by směřovalo k této nejstabilnější konfiguraci. Ale to se neděje. Vesmír není tak líný – a není tak výkonný.
Existují bariéry. Spontánní konverzi brání další faktory.
Aby fyzici pochopili proč, dívají se na jádro jako na nabitou kapku kapaliny. Jedná se o vysoce kvalitní analog, ale funguje. Silná jaderná síla spojuje nukleony dohromady. Je to atraktivní. Je to mocné. Ale působí krátkodobě. Funguje pouze mezi bezprostředními sousedy.
Nukleony na povrchu mají méně sousedů než ty pohřbené v hlubinách. To vytváří povrchové napětí. Kapka má tendenci minimalizovat svůj povrch, aby se snížila energie. Nejúčinnějším tvarem pro omezení objemu je koule. Proto jádro nabývá kulového tvaru.
Problém Coulombova odpuzování
Protony se neřídí stejnými pravidly krátkého dosahu. Mají kladný náboj. Vzájemně se odpuzují pomocí Coulombovy síly s dlouhým dosahem.
Jak jádro roste, toto odpuzování se stává vážným problémem. Jakmile překročíte počet nukleonů asi 40, přitažlivá síla silné síly má potíže udržet vše pohromadě proti elektrickému tlačení.
Řešení? Ředění.
Těžká jádra si udržují relativní stabilitu přidáváním přebytečných neutronů. Neutrony zvyšují přitažlivost silné síly bez zvýšení Coulombova odpuzování. Působí jako lepidlo, ředí hustotu protonů. Se zvyšujícím se hmotnostním číslem potřebujete stále více neutronů, aby kapka neodletěla.
Tato křehká rovnováha definuje limity periodické tabulky. Vysvětluje, proč jsou některé prvky stabilní, zatímco jiné se rozkládají. Vysvětluje, proč nemůžeme nechat vesmír sklouznout dolů do hromady železných koulí. Bariéry jsou skutečné. Fyzika je složitá. A energie uzavřená v těch těžkých kapičkách bohatých na neutrony? Stále čeká na propuštění.
Když je jádro vzrušeno, začne vibrovat. Přestává to být ideální sféra.
Síly povrchového napětí okamžitě vstupují do hry. Mají tendenci vracet jádro do kulatého tvaru, protože koule minimalizuje povrchové napětí. Ale je tu protichůdná síla. Protony uvnitř se navzájem odpuzují. Jak se jádro natahuje, protony se od sebe vzdalují. Odpuzování slábne.
Tyto dva protichůdné trendy vytvářejí problém. Bariéra.
Obrázek 2 to jasně ukazuje. Energetická křivka nejprve stoupá. Proč? Protože silná jaderná síla – lepidlo, které drží jádra pohromadě – je krátkodobé a silné. Odolává deformaci.
Ale Coulombův odpor mezi protony slábne rychleji, než se zvyšuje povrchové napětí. Nakonec se dostanou do rovnováhy.
Toto je bod B.
Tato konkrétní poloha je známá jako „bod sedla“.
Na 3D mapě potenciální energie tento vrchol vypadá jako koňské sedlo. Toto je nejvyšší bod odporu, než se jádro rozhodne rozdělit. Pokud nemáte dostatek energie, abyste se dostali přes to sedlo, nic se neděje.
Za bodem B se pravidla mění. Coulombův odpor přebírá kontrolu. Vede jádro k dalšímu prodlužování. Protony tlačí silněji, než dokáže udržet povrchové napětí. Jádro se natahuje, až praskne.
Toto je bod S, bod zlomu. Jádro se rozdělí na dvě části. Kvalitativně je štěpení jednoduše výsledkem toho, že protony odmítají zůstat blízko sebe.
Indukované štěpení
Ne každé jádro se rozpadá samo. Výška této energetické bariéry zcela závisí na tom, na které jádro se díváte.
Chcete-li způsobit dělení, musíte excitovat jádro. Musíte do něj zasáhnout s dostatečnou energií, abyste překonali bariéru. To lze provést pomocí gama záření (fotoseparace) nebo srážkou částice s ním. Neutrony, protony, cokoliv funguje.
Zde vstupuje do hry důležitost sudé a liché povahy neutronů. Tím se mění vazebná energie.
Pokud přidáte neutron k jádru, které již má lichý počet neutronů, dostanete sudé číslo. Toto párování je stabilní. Vazebná energie se zvyšuje.
Pokud přidáte neutron k jádru se sudým počtem neutronů, dostanete liché číslo. Nárůst vazebné energie bude menší.
Tento rozdíl vysvětluje, proč se některé materiály štěpí při vystavení pomalým neutronům, zatímco jiné vyžadují rychlé neutrony.
Většina těžkých prvků je štěpně nestabilní, ale jsou v hluboké díře. Potřebují postrčit, aby se dostali ven.
- Uran-233, Uran-235, Plutonium-239: Mají lichý počet neutronů. Přidání dalšího neutronu uvolní dostatek vazebné energie, která je protlačí bariérou. Pomalé, nízkoenergetické neutrony jsou v pořádku.
- Thorium-232, Uran-238: Mají sudý počet neutronů. Zvýšení vazebné energie je příliš slabé. K vyrovnání rozdílu je potřeba kinetická energie přicházejícího neutronu. Je zapotřebí rychlý neutron s energií asi 1 MeV.
Matematika je jednoduchá. Pokud není žádná aktivační energie, bariéra drží.
Spontánní štěpení
Kvantová mechanika je divná. Zabývá se pravděpodobnostmi, ne jistotami.
Dokonce i ve svém základním stavu – konfigurace s nejnižší energií bezpečně pod bariérou – má štěpný prvek malou, ale omezenou šanci, že skončí na druhé straně.
Vezměte uran-238. Je uvězněn uvnitř bariéry. Ale kvantové tunelování mu umožňuje proniknout zdí. Neleze přes něj. Jde přímo skrz.
Jde o spontánní dělení. Není potřeba žádný vnější vliv.
Pravděpodobnost je mizivá. U uranu-238 trvá více než 10 $^{15}$ let, než se polovina materiálu tímto způsobem rozpadne. To je velmi dlouhá doba.
Ale u nejtěžších známých nuklidů se pravděpodobnost dramaticky zvyšuje. Bariéra se ztenčuje. Spontánní štěpení se stává dominantním způsobem rozpadu. Některá z těchto supertěžkých jader existují pouze zlomky sekundy.
Tato nestabilita je tvrdým limitem. Dokáže zabránit vzniku ještě těžších jader vůbec. Vesmír nakreslí čáru a samovolné rozdělení je guma.
Fáze dělení
Obrázek 3 ukazuje časové měřítko štěpení těžkého jádra. Níže uvedené hodiny ukazují, jak rychle se to stane. Nejedná se o pomalé spalování. Jedná se o násilný a okamžitý proces.
Pravděpodobnost rozštěpení
Když se těžké jádro rozdělí, ne vždy se rozpadne na stejné kusy. Neutrony a protony jsou přerozdělovány nepředvídatelnými způsoby. To vytváří rozdělení pravděpodobnosti na hmotnost a jaderný náboj.
Vědci nazývají pravděpodobnost výskytu určitého fragmentu jako jeho výtěžek štěpení. Měří se jako procento všech štěpných aktů vedoucích k danému konkrétnímu výsledku.
Po roztržení jádra se jeho dvě poloviny rozletí v různých směrech. Mají kladný náboj. Coulombův odpor mezi nimi je obrovský. Rozlétají se s kinetickou energií určenou jejich náboji a vzdáleností mezi středy nábojů v okamžiku prasknutí. I při stejném rozložení hmoty se energie mění. Parametry se mění. Rychlost zpětného rázu se mění.
Zastavení a zpomalení
Fragmenty se pohybují příliš rychle pro své vlastní elektrony. Atomové elektrony s nimi nemohou držet krok. Rozpadají se.
Fragmenty štěpení odlétají jako vysoce nabité atomy, nikoli jako neutrální objekty.
Jaderný náboj není okamžitě neutralizován atomovými elektrony. Fragment je stále zdeformovaný. Když se vrátí do stabilní formy, uvolňuje warp energii. Proměňuje se ve vnitřní energii excitace. Neutrony se vypařují. Rychlé gama paprsky jsou vyzařovány téměř současně.
Tyto rychle se pohybující, vysoce nabité atomy se srazí s prostředím, kterým procházejí. Ve vzduchu je jejich dosah jen pár centimetrů. Kinetická energie se přenáší do média ve formě ionizace a tepla. Atom se zpomaluje.
Při tomto zpomalování zachycuje elektrony z okolí. Když se zastaví, stane se neutrálním. Teď už z něj není střep. Jedná se o produkt štěpení.
Hmotnostní číslo se mohlo změnit. Neutrony byly ztraceny během přechodu. Produkt je stále radioaktivní. Je nestabilní. Prochází beta rozpadem. Časová osa? Od zlomku vteřiny až po mnoho let. Beta záření produkuje elektrony a antineutrina. K tomuto procesu se často přidává gama záření a rentgenové záření.
Skryté proměnné
Rozdělení hmoty, náboje a kinetické energie závisí na štěpném izotopu. Závisí také na excitační energii štěpného aktu.
Fenomenologie je rozsáhlá. Existuje mnoho aspektů k interpretaci. Podívejme se na systematiku oddílů dělení. Je to míra pravděpodobnosti, že dojde k štěpení. Uvažujme variace v počtu emitovaných rychlých neutronů. To se liší v závislosti na izotopu a distribuci hmoty.
Podívejte se na úhlové rozložení úlomků vzhledem k paprsku částic. Podívejte se na poločasy samovolného štěpení. Podívejte se na izomery spontánního štěpení, což jsou excitované stavy jádra.
Některé události emitují lehké částice, jako je tritium (vodík-3), helium-3 nebo helium-4. Ne vždy. Ale v malém, ale významném množství. Mezi produkty jsou zářiče zpožděných neutronů. Časová osa každé fáze je důležitá. Rozdělení energie uvolněné mezi částice a záření je složité.
Úplná diskuse o všech těchto aspektech zde není možná. Ale pár detailů dává představu. Nabízejí ochutnávku fascinace, která se skrývá v tomto fenoménu.
Hmotnostní rozložení štěpných fragmentů
Způsob, jakým se fragmenty rozpadají, je jednou z nejvíce určujících charakteristik celého jaderného procesu. Toto není náhodný proces. Silně závisí na dvou faktorech: hmotnosti rozpadajícího se jádra a excitační energii přítomné v okamžiku štěpení.
Při nízkých excitačních energiích se proces stává asymetrickým. Vezměme uran-235 nebo plutonium-239. Nejsou rozděleny na dvě stejné poloviny. Místo toho dávají přednost nerovnému rozdělení. Vznikne tak rozdělení pravděpodobnosti se dvěma vrcholy. Světelná skupina fragmentů se posouvá směrem k vyšším hmotnostním číslům, jak se zvyšuje hmotnost štěpného jádra. Těžká skupina zůstává většinou nehybná.
Zvýšená energie mění hru.
Symetrická dělení se stávají pravděpodobnějšími. Asymetrické – snížení. Údolí mezi oběma vrcholy se plní. Při vysokých excitačních energiích se křivka stává jednohrbkou. Maximální výstupní hodnota je přímo v oblasti symetrie.
Ne všechna jádra se řídí stejnými pravidly. Izotopy radia vykazují podivnou distribuci se třemi píky. Lehčí nuklidy zůstávají jednohrbé a symetrické. Ale pro samotné štěpení vyžadují významnou aktivační energii. V blízkosti fermia-260 jsou pak velmi těžká jádra. Zde spontánní dělení vytváří symetrickou jednohrbovou křivku. Kinetická energie výsledných fragmentů je abnormálně vysoká.
Pochopení těchto distribucí bylo velkou záhadou. Úplné teoretické vysvětlení zůstává i přes významný pokrok v nedohlednu.
Jak řetězce rozkladu obnovují rovnováhu
Stabilita vyžaduje určitý poměr neutronů a protonů (n /p ). Tento poměr by se měl zvyšovat s rostoucím počtem protonů. Před vápníkem (20 protonů) zůstává poměr roven jednotce. Poté roste. U nejtěžších prvků dosahuje přibližně 1,5.
Když se těžké jádro štěpí, emituje několik neutronů. To pomáhá, ale nestačí. Zbývající fragmenty mají stále poměr n /p příliš vysoký pro stabilitu. Jsou nestabilní.
Opravují to radioaktivním rozpadem. Totiž beta mínus rozpad. Neutrony se mění na protony. Vyzáří se záporný elektron (beta částice) a antineutrino. Hmotnostní číslo zůstává stejné. Atomové číslo se zvýší o jednu. S každou transformací se rodí nový prvek.
Tyto postupné beta rozpady tvoří izobarický řetězec rozpadu štěpného produktu. Každé hromadné číslo má svůj vlastní řetězec. Poločasy těchto radioaktivních látek mají tendenci se prodlužovat, jak se blíží stabilní izobarě na konci řetězce.
Pro upřesnění terminologie:
– Izotopy mají stejný jaderný náboj (Z, protony), ale liší se počtem neutronů a hmotnostním číslem (A ).
– Isobary mají stejné hmotnostní číslo (A ), ale liší se atomovým číslem (Z ).
Uvažujme typickou separaci hmoty během neutronem indukovaného štěpení uranu-235. Pokud jsou z počátečních fragmentů emitovány dva neutrony, vytvoří se komplementární hmoty 93 a 141. Distribuce náboje mezi těmito fragmenty je v tomto procesu kritickým parametrem.
Pro tyto specifické hmotnosti probíhají izobarické rozpadové řetězce následovně. Poločasy pro každý krok rozpadu beta jsou vyznačeny podél přechodových šipek.
Matematika jaderného štěpení je přesná. Když se podíváte na symbol prvku, spodní číslo představuje Z (protony) a horní číslo představuje A (hmotnostní číslo). Když se uran-235 rozpadne, měl by si ponechat všech 92 protonů. Jádro nepraskne jen tak náhodně. Zpravidla se rozpadá na komplementární páry. Krypton-36 a baryum-56. Rubidium-37 a cesium-55. Stroncium-38 a xenon-54. Tyto kombinace udržují náboj. Jsou to nejpravděpodobnější výsledky.
Nezávislé a kumulativní výstupy
Ne všechny štěpné produkty vznikají stejně. Některé se objeví okamžitě. Vzdělávat ostatní vyžaduje čas. Nezávislý výtěžek měří, jak často se konkrétní nuklid tvoří přímo z počátečních fragmentů po jejich ochlazení. Toto je přímý výstup. Ale to není celý obrázek.
Pokud chcete získat úplný obraz, potřebujete kumulativní výstup. Toto je celkové procento pro jakýkoli nuklid v rozpadovém řetězci. Získává se sečtením nezávislého výtěžku tohoto nuklidu s výtěžky všech prekurzorů, které se na něj rozpadají. Je to hra o sumy. Celkový výtěžek celého řetězce pro určité hmotnostní číslo se nazývá kumulativní výtěžek.
Hypotéza posunu o stejném náboji
Radiochemici se tímto fenoménem zabývají již desítky let. Objevili vzorec. Nejpravděpodobnější rozložení náboje není zaměřeno na stabilitu. Je to přemístěné. A tady je to zajímavé: je posunut o stejnou vzdálenost pro lehké i těžké fragmenty. Vědci tomu říkají hypotéza vysídlení stejného náboje (ECD). Fyzikální měření to potvrdila.
V příkladu rubidium-cesium, který jsem zmínil dříve, ECD předpovídá, že nejpravděpodobnějšími náboji jsou rubidium-37 a cesium-55. Ale příroda miluje zkratky. Pokud má fragment 50 protonů, vstupuje do hry silný shell efekt. To zkresluje očekávání založená na ECD. Distribuce tvorby náboje se zužuje. Vypadá to jako Gaussian. Je to prakticky stejné bez ohledu na rozdělení podle hmotnosti nebo na konkrétní štěpný atom.
Nejpravděpodobnější poplatek ($Z_p$) je zde užitečný koncept. Nemusí to být celé číslo. Jedná se o statistický průměr. S rostoucí energií štěpení mají fragmenty tendenci udržovat stejný poměr neutronů k protonům ($n/p$) jako původní jádro. Tomu se říká distribuce poplatků beze změny.
Okamžité neutrony: okamžité uvolnění
Kolik neutronů se uvolní? To se liší. Průměrný počet neutronů na štěpení je označen jako $\bar{\nu}$. Pro spontánní štěpení uranu-238 je to asi 2,0. Pro fermium-257 se zvyšuje na 4,0. Pro štěpení uranu-235 indukované tepelnými neutrony je to 2,4.
Ale $\bar{\nu}$ je průměr. Každá jednotlivá akce je jiná. Záleží na tom, jak k dělení podle hmotnosti dochází. Stále se diskutuje o tom, kolik neutronů je emitováno přímo v okamžiku scintilace (rozbití jádra). Většina fyziků se však shoduje na tom, že převážná část neutronů je uvolňována létajícími úlomky bezprostředně poté, co se oddělí.
Proč? Energie. Fragmenty mají energii. Vnitřní excitovaná energie (teplo). Napěťová energie uložená jako pružina. Když se fragment vrátí do své stabilní formy, tato energie uvolní neutrony. Čím více energie má fragment, tím více neutronů emituje.
Zadržené neutrony: kontrolní mechanismus
Většina neutronů jsou rychlé neutrony. Malá část je zadržena. K tomu dochází, když štěpné produkty procházejí beta rozpadem. Energie beta rozpadu je vysoká. Je vyšší než vazebná energie neutronu v dceřiném jádře. K tomu obvykle dochází, když má dceřiné jádro o jeden nebo dva neutrony více než uzavřený obal s 50 nebo 82 neutrony. Tyto další neutrony jsou slabě vázány.
Beta rozpad převede dceřiné jádro do excitovaného stavu. Vzrušený stav, který je nestabilní. Vyzařuje neutron. To se ale nestane okamžitě. To je zpožděno o poločas rozpadu prekurzoru. Identifikovali jsme šest takových zpožděných neutronových zářičů. Jejich poločasy se pohybují od 0,5 sekundy do 56 sekund.
Jejich výkon je zanedbatelný. Asi 1 procento z počtu rychlých neutronů. Proč jsou tedy důležité? Bez nich by bylo ovládání jaderného reaktoru prakticky nemožné. Řetězová reakce by se změnila příliš rychle na to, aby ji lidské ruce nebo dokonce většina mechanických systémů provedly. Tyto zpožděné neutrony nám dávají čas. Díky nim je reakce zvládnutelná.
Výpočty uvolňování energie
Odkud se bere teplo? Hmotnostní rozdíl Celková uvolněná energie se vypočítá s ohledem na klidové hmotnosti. Reaktanty versus produkty. Vezměme uran-235 plus neutron. Porovnejte to se stabilními koncovými produkty, jako je niob-93 a praseodym-141 plus dva neutrony. Mše se nezachovává. Část z ní zmizí.
Einsteinova rovnice, $E=mc^2$, nám říká, kam to šlo. Proměnilo se v energii. Celková emise závisí na konkrétním hmotnostním dělení. Ale při štěpení uranu-235 vyvolaném tepelnými neutrony je energie distribuována předvídatelným způsobem.
Většina z toho zůstává s fragmenty. Kinetická energie. Fragmenty odlétají vysokou rychlostí, srážejí se s okolními atomy a vytvářejí teplo. Pak přijdou neutrony. Nesou kinetickou energii. Gama paprsky uvolňují energii okamžitě. Beta částice a neutrina odnášejí energii během rozpadu. Bohužel neutrina úplně zmizí. Berou si energii s sebou a nikdy ji nevrátí.
To je důvod, proč je návrh reaktoru tak obtížný. Ovládáte teplo v pevných látkách, záření ve vakuu a částice unikající do vesmíru. Matematika je jasná. Realita je chaotická (špinavá/složitá). A rozložení energie určuje, jak se vaše aktivní jádro zahřeje.
Fyzika ztracené energie a jaderné modely
Ne každý neutron zachycený v aktivním reaktoru tam zůstane. Některé opustí aktivum úplně a uvolňování energie z těchto rychlých neutronů závisí na tom, jak se nakonec zastaví. K tomuto uvolnění energie dochází v časovém měřítku asi $10^{-12}$ sekund. V fungujícím reaktoru se z velké části přeměňuje na teplo a používá se k výrobě elektřiny.
Dochází však také ke zpožděnému uvolňování energie. Dochází k němu v důsledku radioaktivního rozpadu štěpných produktů, jejichž poločas rozpadu se pohybuje od zlomků sekundy až po mnoho let. Izotopy s krátkou životností se uvnitř reaktoru rozpadají a jejich energie se přidává k vytvořenému teplu; avšak izotopy s dlouhou životností zůstávají radioaktivní a představují problémy při manipulaci a likvidaci palivových článků reaktoru, když jsou nahrazeny.
Antineutrina doprovázející beta rozpad štěpných produktů neinteragují a jejich kinetická energie (asi 10 MeV na štěpení) není využita. Obecně lze pro energetické aplikace použít asi 200 MeV energie na štěpení.
Problém teoretické přesnosti
Jaderné štěpení je složitý proces zahrnující přeskupení stovek nukleonů v jediném jádru za vzniku dvou samostatných jader. Úplné teoretické pochopení této reakce by vyžadovalo podrobné znalosti o silách zahrnutých do pohybu každého z nukleonů v průběhu celého procesu. Protože takové znalosti zatím nejsou k dispozici, je nutné vytvořit zjednodušené modely reálného systému pro simulaci jeho chování a získání co nejpřesnějšího popisu fází procesu. Úspěchy a neúspěchy modelů při vysvětlování různých pozorování štěpného procesu mohou poskytnout nový pohled na základní fyziku, která řídí chování skutečných jader, zvláště když v jádru procházejícím štěpením dochází k velkým jaderným deformacím.
Základ pro pochopení jaderných reakcí je podobný jako u chemických reakcí a zahrnuje koncept potenciálního energetického povrchu, na kterém reakce probíhá. Hnací silou fyzikálních nebo chemických reakcí je touha snížit potenciální energii a zvýšit stabilitu systému. Tak se například kámen na vrcholu kopce kutálí dolů, přeměňuje svou potenciální energii nahoře na kinetickou energii pohybu a dole se zastaví ve stabilnějším stavu s menší potenciální energií. Potenciální energie se vypočítá jako funkce různých parametrů studovaného systému. V případě štěpení lze potenciální energii vypočítat jako funkci tvaru systému při překonávání bariéry do bodu scintilace (zlomu) a lze určit cestu s nejnižší potenciální energií.
Jak bylo uvedeno, přesný výpočet potenciální jaderné energie zatím není možný a byly vytvořeny různé modely, které tento výpočet aproximují a simulují skutečný systém. Některé z těchto modelů byly vyvinuty, aby se zabývaly aspekty jaderné struktury a spektroskopie a rysy jaderných reakcí, a byly také použity při pokusech o pochopení složitosti jaderného štěpení. Modely jsou založeny na různých předpokladech a aproximacích týkajících se povahy jaderných sil a dynamiky dráhy ke scintilaci. Žádný jednotlivý model nemůže vysvětlit celou širokou fenomenologii štěpení, ale každý pokrývá různé aspekty procesu a slouží jako základ pro další vývoj směrem k úplné teorii.
Kapka kapaliny a záhada asymetrie
Jádro není jen v klidu. Je to v pohybu. Někdy se celý systém houpe jako kapka vody. Jindy jednotlivé částice tančí po svých vlastních „cestách“. Tato dualita mátla fyziky po celá desetiletí.
George Gamow zahájil tento proces v roce 1935. Představil si jádro jako nestlačitelnou kapku kapaliny. Tuto myšlenku rozvinul Niels Bohr. V roce 1939 používali Bohr a John A. Wheeler model kapky kapaliny k vysvětlení jaderného štěpení. Koncept byl jednoduchý. Vháníte neutron do jádra. Vstřebává se. Energie je distribuována. Jádro začne vibrovat. Nakonec se to rozdělí.
Model fungoval dobře pro popis obecných procesů. Ukázalo se, jak silná jaderná síla, která má tendenci držet částice pohromadě, soutěží s elektrostatickým odpuzováním mezi protony, které má tendenci je roztrhat. Měla ale osudovou chybu. Předpověděla, že během štěpení se jádro rozdělí na dvě stejné poloviny. Symetrický. Čistě.
To se nestalo.
Výsledky dělení mají nestejné hmotnosti. Jedna část je velká. Ten druhý je malý. Model kapek kapaliny nedokázal vysvětlit tuto asymetrii hmoty. Měla také potíže s popisem základních hmot a štěpných bariér. Pro vysoce excitovaná jádra byl model dobrý. Pro stáj? Ne dobré.
Mušle a magická čísla
Vědci potřebovali jiný přístup. Přestali vnímat jádro jako beztvarou skvrnu. Začali zkoumat jednotlivé částice.
Představte si jeden nukleon pohybující se v poli vytvořeném všemi ostatními. Toto je průměrný potenciál. Sférická potenciálová studna. Kvantová mechanika řeší problém pohybu částic v takové díře. Výsledek? Energetické hladiny.
Neutrony a protony mají své vlastní sady úrovní. Jsou seskupeny do skořápek. Stejně jako elektrony v atomu. Určitý počet nukleonů zcela vyplňuje tyto slupky. To jsou magická čísla.
2, 8, 20, 28, 50, 82, 126.
Jádra s těmito čísly mají mimořádnou stabilitu. Jsou spojeny velmi těsně. Maria Goeppert-Mayer a J. Hans D. Jensen to formalizovali v roce 1949. Nazvali to model sférické skořepiny. Také známý jako nezávislý model částic.
Vysvětlila masy základních stavů. Vysvětlila jaderné spiny. Vysvětlila, proč některé excitované stavy trvají déle než jiné (izomery). Pokud je jádro kulové a blízko magického čísla, model funguje dobře.
Ale co zbytek periodické tabulky?
Deformované jádro
Vezměte lanthanoidy a aktinidy. Od lanthanu k luteciu. Od aktinia k lawrenciu. Jejich nukleonová čísla jsou mezi magickými čísly.
Model sférického pláště zde nefunguje. Tato jádra nejsou kulovitá. Jsou zdeformované. Jsou roztažené. Vypadají jako fotbalový míč. Nebo meloun.
V roce 1955 přišli na pomoc Age Bohr, Ben R. Mottelson a Sven G. Nilsson. Vypočítali pohyb nukleonu ve sféroidním potenciálu. Ne ve sféře. Ve sféroidu.
Koule má tři osy symetrie. Může se otáčet. K rotaci dochází bez ohledu na vnitřní excitaci nukleonů. Jádro může také vibrovat. Může pulzovat.
Tento hybridní přístup kombinoval pohyb nezávislých částic s kolektivním pohybem celého systému. Rotace. Oscilace. Skořápkové struktury.
Říkali tomu jednotný model. Vešel ve známost jako model deformované skořepiny.
Nešlo jen o malou úpravu. To byl posun ve způsobu, jakým vidíme atomové jádro. Jádro není jen kapka. Toto není jen sbírka izolovaných kuliček. Jedná se o dynamický, deformovatelný objekt.
Proč je to důležité?
Protože jaderné štěpení není jen o ničení věcí. Je to pochopení struktury, která je drží pohromadě. S těmito skořápkovými efekty je spojena asymetrie štěpení. Energetické hladiny se mění, jak se jádro deformuje. Cesta k rozdělení se stává obtížnou.
Stále používáme model kapek kapaliny. Je užitečný pro popis kolizí s vysokou energií. Ale pro jemné detaily? Pro hromadnou distribuci při dělení? Pro stabilitu těžkých prvků? Potřebujete model skořepiny. Potřebujete účtování deformací.
Historie jádra je historií těchto konkurenčních modelů. Pokles. Shell. Sjednocený. Neruší se navzájem. Jsou vrstvené na sebe.
Parametry ještě upřesňujeme. Potenciály stále upravujeme. Jádro zůstává jedním z nejsložitějších malých systémů, jaké známe.
A to jsme se ani nezačali dívat na kvarky uvnitř protonů.
Aage Bohr aplikoval jednotný model na štěpení, přičemž uvažoval excitované stavy systému jako funkci parametru deformace. Přemýšlejte o tomto parametru jako o prodloužení – fyzickém natažení jádra, když se blíží ke štěpení. Bohr odhadl tyto stavy v sedlovém bodě. Toto je vrchol energetické bariéry.
Tady je šmrnc. Jakmile systém překoná sedlový bod, většina jeho excitační energie se spotřebuje na deformaci jádra. Systém se stává „studeným“. Má málo tepelné energie. Přístupné zůstávají pouze nízko položené excitované stavy. Tady to mají teoretici těžké.
Jak rotace a parita určují cesty dělení
Spin a parita konkrétního kanálu, ve kterém je systém umístěn v sedlovém bodě, určuje výsledek dělení. Toto je známé jako analýza přechodového stavu. Kvalitativně vysvětluje několik klíčových charakteristik procesu.
Prahové hodnoty štěpení závisí na rotaci a paritě složeného jaderného stavu. Úhlové rozložení fragmentů je určeno souhrnným momentem hybnosti rotace tohoto stavu. Asymetrie v rozložení hmoty nastává při průchodu bariérou ve stavu se zápornou paritou. Záporná parita nemá symetrii odrazu.
“Toto je jediný model, který poskytuje uspokojivou interpretaci úhlového rozložení štěpných fragmentů.”
Model funguje dobře, ale má jeden zásadní předpoklad. Předpokládá, že vlastnosti přechodového stavu v sedlovém bodě se vlivem dynamických faktorů během sestupu do bodu diskontinuity nemění. To je velké „kdyby“. Navzdory tomu zůstává model důležitý. Každá úplná teorie štěpení musí zahrnovat její atraktivní rysy.
Proč jsou magická čísla důležitá pro oddělení mas
První použití modelu kulové skořepiny v dělení bylo jednodušší. Vzala v úvahu, že vrcholy v rozložení štěpných hmot korelují s magickými čísly. To implikovalo kvalitativní výklad asymetrického rozdělení hmot.
Jádra se snaží o stabilitu. Preference pro tvorbu jader s počtem neutronů blízkým 82 upřednostňuje tvorbu píku těžké skupiny. To určuje separaci hmoty pro štěpný systém. Viz obr. 4 v původních datech.
Další stabilita byla očekávána pro 50 protonů. Na datech to však není nijak zvlášť patrné. Vezměme cín-132. Je to dvojité magické jádro s 50 protony a 82 neutrony. Jeho výtěžek z nízkoenergetického štěpení je poměrně nízký. Model není dokonalý.
Peter Fog a statistický přístup
Peter Fog ve Spojených státech v roce 1956 provedl kvantitativnější aplikaci. Použil přístup statistického modelu. Pravděpodobnost vzniku daného páru fragmentů dal do souvislosti s dostupnou hustotou stavů v bodě zlomu.
Logika je jednoduchá. Náhodný pohyb znamená, že systém zažije všechny možné konfigurace. Má vyšší pravděpodobnost, že skončí v oblastech, kde je soustředěno největší množství konfigurací. Model předpokládá, že se potenciální energie v sedlovém bodě přemění na energii buzení. V bodě zlomu se mezi všemi státy ustaví statistická rovnováha.
Jádra s uzavřenými obaly mají další vazebnou energii. To má za následek vyšší hustotu stavů pro danou excitační energii. Ostatní jádra toto nemají. To vytváří vyšší pravděpodobnost tvorby konfigurací s uzavřenými skořepinami. Výsledkem je asymetrické rozložení hmoty. To dobře souhlasí s pozorováními neutrony indukovaného štěpení uranu-235.
Problém rovnováhy v bodě zlomu
Vysvětleny jsou také změny v rozložení hmoty s rostoucí excitační energií. Se zvyšující se excitační energií klesá význam skořápkových efektů. To zvyšuje pravděpodobnost symetrického dělení ve srovnání s asymetrickým dělením.
Další vlastnosti jsou vysvětleny kvalitativně. Aby však byly v souladu s experimenty pro jiné štěpné nuklidy, jsou nutné významné změny v parametrech modelu. Existují zásadní problémy se základními předpoklady.
Klíčovou otázkou pro modely bodů přerušení je jejich platnost. Byl systém v bodě diskontinuity na strmém svahu povrchu potenciální energie dostatečně dlouho? Je čas na nastolení kvazi-rovnovážného stavu?
Existují určité důkazy, že k takovému stavu skutečně dochází. Není to však jednoznačně stanoveno. Přesto se tyto modely ukazují jako užitečné. Interpretují pozorování rozložení hmoty, náboje a kinetické energie. Vysvětlují závislost emise neutronů na hmotnosti fragmentů.
Významnou roli pravděpodobně hraje skořápková struktura úlomků. Určuje průběh procesu dělení. Podrobnosti zůstávají nedořešeny. Fyzika je zde matoucí.
Modely kapek kapaliny se dobře hodí k popisu obecných tvarů. Selhají, když jsou jádra natažena. Zejména neberou v úvahu spotřebu energie povrchu při velkých deformacích. To vytváří problém při popisu rozdělení.
V.M. Strucinsky tento problém vyřešil v roce 1967. Byl to ruský fyzik. Navrhl hybridní model. K potenciálu kapek kapaliny přidává skořápkové efekty. Část popsaná kapkou kapaliny zachovává společné efekty povrchového a Coulombova odpuzování. Korekce pláště závisí na deformaci. Tyto korekce mohou dosáhnout několika milionů elektronvoltů. To výrazně překračuje bariéru kapiček kapaliny asi 5 MeV.
Stabilita skořepin se mění s tvarem jádra. Magická čísla se posunou od svých hodnot pro kulový tvar. V blízkosti štěpné bariéry to vytváří strukturu v energetické křivce. Obrázek 7 to ukazuje. Tyto dva píky se liší v závislosti na hmotnosti a čísle náboje.
Dvojitá bariérová struktura vysvětluje existenci izomerů
Tato dvojitá forma řeší hádanky dělení. V druhé potenciální jámě existují krátkodobé spontánní štěpné izomery. Toto jsou podmínky třídy II. Bariéra k opuštění je nižší. Poločasy jsou kratší.
Tyto stavy se liší formou. Stavy třídy I jsou navráceny do základního stavu gama zářením. Pro státy třídy II je tento přechod obtížný. Jsou to izomery formy. Struktura dvojité bariéry také vysvětluje průřezy pro neutrony indukované štěpení. Strukturuje úhlové rozložení fragmentů.
Strutsinského metoda stimulovala výpočty. Důsledně zohledňoval makroskopické a mikroskopické efekty. Tyto studie vedli američtí fyzici W. J. Zvajneki a James R. Nix. Mapovali potenciální energetické povrchy. Některé práce se dokonce zabývaly dynamickým vývojem systému.
Asymetrie a bod zlomu
Aktinidy vykazují asymetrii na druhé bariéře. Asymetrické dělení na hmoty má menší energii. V pozdějších fázích se upřednostňuje symetrické dělení. Stejnoměrný potenciál nefunguje při velkých deformacích. Nemůže adekvátně popsat dva vznikající fragmenty.
V bodě zlomu nastává diskontinuita. Výsledky závisí na tom, zda je systém vnímán jako jeden celek nebo jako dvě samostatná jádra. Dvoustředový potenciál pomáhá tento problém vyřešit. Používá překrývající se koule. Shoduje se s chováním jednostředového potenciálu při malých deformacích. Shoduje se s chováním oddělených jader při velkých deformacích.
To naznačuje předběžnou tvorbu fragmentových schránek v raných fázích. Modely zlomových bodů mohou mít nespolehlivé předpoklady. Jsou však v souladu s pozorováními. Klíčový je model bodu zlomu od Argonne National Laboratory. Využívá zdeformované střepiny úlomků. Zahrnuje interakci prostřednictvím „krku“. Předpovídá rozložení hmoty, náboje a kinetické energie. Bere v úvahu závislost na emisi neutronů. Nepředpovídá pravděpodobnost štěpení. Nebo úhlové rozvody.
Skořápkové korekce se rozpadají s rostoucí excitační energií. Začíná převládat makroskopické chování.
Magická čísla určují symetrické dělení
Fermium-264 podléhá symetrickému štěpení. Kinetická energie úlomků je abnormálně vysoká. Proč? Stabilita magických čísel. 50 protonů. 82 neutronů.
Vzniknou dva fragmenty cínu-132. Toto je dvojitá magická konfigurace. Je energeticky prospěšný. Štěpení uranu nebo plutonia při nízké energii neprospívá vzniku dvou takových fragmentů. Pouze jeden.
Fragmenty cínu-132 jsou kulovité. Nedeformované. Kompaktní konfigurace v bodě zlomu. Nabíjecí centra jsou blíže u sebe. To má za následek vyšší kinetickou energii.
Fyzika je zde jasná. Na struktuře záleží. Energetické povrchy nejsou hladké. Mají studny. A bariéry. A přestávky. Stále je mapujeme.
Účinky skořápky zůstávají kritické pro proces štěpení. To platí, ať už uvažujeme o štěpném systému v sedlovém bodě nebo o deformovaných úlomcích v blízkosti místa lomu. Tyto kvantově mechanické vlastnosti pomáhají vysvětlit mnoho pozorovaných rysů. Stále však nemáme jasnou odpověď ohledně přesné fáze, ve které se určují distribuce fragmentů.
Přísady pro rozumné pochopení rozdělení jsou přítomny. Jednoduše ještě nebyly syntetizovány do úplné dynamické teorie.
Adiabatická aproximace
Podívejme se na dynamiku sestupu. Systém se pohybuje po povrchu potenciální energie od sedlového bodu k bodu diskontinuity. Jedním z extrémních úhlů pohledu je adiabatická aproximace. Tento model předpokládá, že kolektivní pohyb systému nastává pomalu. Nebo je možná spojení mezi kolektivním a vnitřním stupněm volnosti pohybu jednotlivých částic slabé.
Pokud je toto tvrzení pravdivé, rychlé pohyby jednotlivých částic by se mohly snadno přizpůsobit změnám tvaru štěpného jádra. Blíží se k bodu zlomu, aniž by narušil jeho vnitřní stav. Změny probíhají bez zisku nebo ztráty tepelné energie.
Pokles potenciální energie mezi sedlem a lomovými body se pak projeví především v kolektivních stupních volnosti v okamžiku ruptury a bude spojen s kinetickou energií relativního pohybu rodících se úlomků.
Toto je známé jako kinetická energie před prasknutím. Energie se přenáší do pohybu úlomků, když se rozlétají.
Nenadiabatický přenos energie
Opačný extrémní případ zahrnuje rychlejší kolektivní pohyb. Nebo silnější spojení s pohybem částic. Zde se kolektivní energie přeměňuje ve vnitřní vzrušení. To se stává tepelnou energií pro nukleony.
Představte si zahřívání způsobené pohybem viskózní tekutiny. Tření mezi vrstvami vytváří teplo. V tomto nenadiabatickém procesu může být míchání mezi jednotlivými stupni volnosti jednotlivých částic úplné. V bodě zlomu může být použit statistický model.
Zlatá střední cesta
Oba extrémní případy jsou aproximace. Představují komplexní chování zjednodušené pro analýzu. Experimentální data mohou podporovat buď interpretaci v závislosti na konkrétním jádru nebo energii.
Příroda málokdy zapadá do binárního rámce. Pravda pravděpodobně leží někde mezi těmito extrémy. V procesu štěpení pravděpodobně hrají roli adiabatické i neadiabatické mechanismy. Interakce mezi makroskopickými změnami tvaru a mikroskopickými kvantovými úpravami zůstává jednou z otevřených otázek jaderné fyziky. Ingredience známe. Jen jsme je ještě nedali dohromady.
K dělení dochází více než jednou. Šíří se to. Když se jádro rozdělí, uvolní neutrony. Pokud tyto neutrony narazí na jiný štěpný atom, tento atom se také rozštěpí. Uvolňuje více neutronů. Řetězec roste. Nebo zmizí.
Matematika tohoto procesu je jednoduchá, ale smrtící. Měříme to pomocí k, multiplikačního faktoru. Jedná se o poměr počtu dělení v jedné generaci k počtu dělení v předchozí.
- Je-li k menší než 1, reakce se rozpadá.
- Je-li k rovno 1, dojde ke stabilnímu pulzu. Kritická stavba.
- Pokud je k větší než 1, obvod exploduje. Superkritický režim.
Kritická sestava je víc než jen kus kovu. Jedná se o pečlivě navržený systém. Potřebujete štěpný materiál, obvykle kov nebo oxid. Pro zpomalení neutronů potřebujete moderátora. Potřebujete reflektor, který vrátí zbloudilé neutrony zpět do jádra a zabrání jim v úniku.
Fyzika bomby vs elektrárna
Rychlost je u bomby důležitá. Chcete, aby k bylo co nejvyšší. Chcete, aby doba mezi kroky byla mizející krátká. Cílem je uvolnit obrovskou energii za cca 10^-7 sekund.
Zvažte měřítko. Jeden kilogram štěpného uranu-235 uvolňuje energii odpovídající 20 000 tunám TNT. To je zabiják celých měst v jednom kilogramu.
Reaktory jsou navrženy jinak. Nechtějí vybuchnout. Musí pracovat stabilně. V reaktoru v ustáleném stavu k zůstává na úrovni 1. Ale v praxi? Nemůžete ji udržet přesně na 1. Navrhnete ji tak, aby byla mírně nad 1.
proč? Protože se všechno opotřebovává.
Palivo vyhoří. Je vyčerpaný. Produkty štěpení se hromadí. Některé z těchto vedlejších produktů jsou „jed“. Pohlcují neutrony. Snižují k. Pokud začnete přesně s 1, reaktor se zastaví dříve, než získáte jakoukoli užitečnou energii. Počínaje mírně vyšší hodnotou vám umožní kompenzovat ztrátu paliva a nahromadění „jedů“.
Musíte také zachovat některé neutrony. Můžete je použít pro výzkum nebo k vytvoření radioaktivních izotopů pro lékařské a průmyslové účely.
Ovládací tyče to umožňují. Jedná se o pohyblivé tyče vyrobené z materiálů pohlcujících neutrony, jako je bór, kadmium nebo hafnium. Spusťte je dolů – k padá. Zvedni je – k roste.
To se nestane okamžitě. Kvůli zpožděným neutronovým zářičům mezi štěpnými produkty dochází ke zpoždění mezi generacemi neutronů. Toto malé zpoždění dává lidským operátorům a mechanickým systémům čas na reakci. Bez něj by řízení reaktoru nebylo možné.
Tepelné, střední a rychlé reaktory
Ne všechny reaktory fungují stejně. Jsou klasifikovány podle energie neutronů, které zajišťují řetězovou reakci.
Tepelné reaktory
Toto je nejběžnější typ. Spoléhají na „tepelné“ neutrony. Jedná se o pomalé neutrony pohybující se rychlostí srovnatelnou s rychlostmi molekul plynu při pokojové teplotě.
Štěpení produkuje rychlé neutrony. Průměrná kinetická energie přesahuje 1 MeV. Jsou příliš rychlé na to, aby efektivně rozdělily další atomy uranu-235. Je třeba je zpomalit. To je úkol moderátora.
Typické retardéry:
– Obyčejná voda
– těžká voda (D2O)
– Grafit
Mezilehlé reaktory
Podporují řetězovou reakci se středními energetickými neutrony. Beryllium lze použít jako moderátor. Méně obvyklé, ale užitečné ve specifických designech.
Rychlé reaktory
Nevyžaduje retardér. Zde svou práci konají rychlé štěpné neutrony. Udržují řetězovou reakci v chodu bez zpomalení. To vyžaduje různé složení a konstrukce paliva, ale může být palivově účinnější.
Každý typ vyžaduje způsob, jak odvádět teplo. Reaktor by se neměl nechat běžet nasucho. Chladicí kapaliny se liší v závislosti na konstrukci:
– Voda
– Plyn
– Tekutý kov
Volba chladicí kapaliny závisí na požadavcích na tlak, teplotu a chemickou stabilitu.
Za elektřinou: Užitečnost štěpných produktů
Jakmile reaktor běží a palivo je vyčerpáno, odpad je víc než jen odpad. Toto je zdroj. Produkty štěpení vzniklé během operace obsahují bohatou sadu radioaktivních izotopů.
Některé z nich jsou krátkodobé a nebezpečné. Ostatní jsou dostatečně stabilní, aby je bylo možné sbírat.
Hlavním cílem jsou lékařské izotopy. Technecium-99m, používané v diagnostickém zobrazování, je často vedlejším produktem štěpení. Jód-131 léčí onemocnění štítné žlázy. Stroncium-90 napájí dálkové kardiostimulátory a rádiové vysílače.
Průmyslové aplikace jsou stejně rozsáhlé. Radioizotopy se používají pro radiografii ke kontrole svarů potrubí. Měří tloušťku na výrobních linkách. Sterilizují lékařské vybavení bez tepla a chrání citlivé materiály.
„Odpad“ je z jednoho pohledu surovinou pro jiný průmysl. Stejný proces, který generuje energii, vytváří také nástroje pro moderní medicínu a průmysl.
Rozdíl mezi výrobou energie a výrobou materiálů je umělý. V dobře navrženém cyklu se jedná o dva výstupy stejného neutronového toku.
Jaderný reaktor je ve svém jádru pec. Vytváří páru nebo horké plyny. Tyto výstupy plní dvě funkce. Poskytují přímé vytápění. Nebo pohánějí turbíny, které roztáčí generátory k výrobě elektřiny.
Toto je všem známý příběh. Komerční elektrárny využívají tuto technologii po celém světě. Námořnictvo jej využívá pro pohyb ponorek a hladinových plavidel. Tím ale příběh nekončí, pokud se podíváme jen na základy. Skutečné výhody těchto strojů sahají daleko za síť.
Proč záleží na vysokém toku neutronů
Reaktory hrají klíčovou roli ve vědě o materiálech. Poskytují intenzivní neutronové toky. Vědci toho využívají ke studiu chování materiálů při zatížení. Používají to ke studiu atomových struktur. Ale je tu ještě jeden výstupní produkt. Široká škála radioizotopů.
Tyto radioizotopy nejsou jen odpad. Spolu se štěpnými produkty našly mnoho uplatnění. Lze je nalézt v lékařských postupech. Lze je nalézt v průmyslové radiografii. Reaktor je továrna na výrobu izotopů.
Výhoda jaderných baterií
Teplo z radioaktivního rozpadu má další trik. Dá se přímo přeměnit na elektřinu. K tomu dochází v důsledku termoelektrického jevu v polovodičových materiálech. Výsledkem je jaderná baterie.
Nejsou jako baterie ve vašem telefonu. Jsou odolné. Spoléhají na specifické izotopy. Některé emitují beta částice. Jedním z příkladů je stroncium-90. Promethium-147 je jiné. Jiné emitují částice alfa. Plutonium-238 spadá do této kategorie. Používá se také Curium-244.
Proč je používat místo solárních nebo chemických baterií? Protože fungují bez slunečního záření. Pracují v extrémních mrazech. Fungují desítky let bez údržby.
Kam je umístíme
Díky tomu jsou ideální pro místa, kam se lidé těžko dostanou. Nebo pro místa, kde není možné doplňování paliva.
Vezměte si kardiostimulátory. První modely používaly tyto jaderné baterie. Vydržely déle než lidské srdce. Udrželi pacienty naživu, když jiné zdroje energie selhaly.
Jsou také nezbytné pro vzdálené neobydlené lokality. Myslete na vesmírné sondy. Mise Voyager používaly zdroje energie plutonium-238. Tak daleko od Slunce solární panely nepřicházely v úvahu.
Uvažujme polární oblasti. V Arktidě a Antarktidě jsou dlouhé zimy. Je tam málo slunečního světla. Zařízení napájejí jaderné baterie.
Podobné výzvy představují i volné moře. Hlubinné monitorovací stanice vyžadují zdroj energie, který neprosakuje a snadno nekoroduje. Tyto izotopy zajišťují stabilitu.
Skutečný dopad
Využití radioaktivity přesahuje pouhé generování energie. Existují praktické aplikace pro další radioizotopy. Pomáhají diagnostikovat nemoci. Sterilizují lékařské vybavení. Sledují proudění tekutin v ropných vrtech.
Když se podíváte na jaderný reaktor, vidíte víc než jen elektrárnu. To je zdroj přesnosti. Je to nástroj pro objevování. Je to systém podpory života v nejdrsnějších prostředích na Zemi i mimo ni.
Věda je složitá. Aplikace jsou všude. Jen musíte vědět, kde hledat.
