Weźmy ciężki atom, taki jak uran lub pluton. Uderz go neutronem. Patrz, jak pęka.
To jest rozszczepienie jądrowe. To nie jest reakcja chemiczna. To coś o wiele potężniejszego i bardziej energetycznego. Jądro jest podzielone na dwa w przybliżeniu równe fragmenty. Ciężkie fragmenty. Radioaktywne produkty uboczne. Ale główna historia nie leży w gruzach. Jest w energii.
Kiedy atom ulega zniszczeniu, uwalniana jest ogromna ilość energii.
Proces ten jest motorem elektrowni jądrowych. Jest to także mechanizm stojący za bronią nuklearną. Różnica polega na kontroli. W jednym przypadku zachodzi niekontrolowana reakcja łańcuchowa. Drugi utrzymuje stabilną, kontrolowaną pulsację.
Mechanika dekoltu
Dlaczego rozszczepienie atomu uwalnia energię? Odpowiedź leży w defektze masy.
Całkowita masa dwóch fragmentów jest nieco mniejsza niż masa pierwotnego jądra. Ta brakująca masa nie znika. Zamienia się go bezpośrednio w energię. Równanie Alberta Einsteina E=mc² wyjaśnia tę transformację. Niewielka masa wytwarza kolosalną ilość energii, ponieważ kwadrat prędkości światła to ogromna liczba.
Fragmenty rozlatują się. Przenoszą energię kinetyczną. Zderzają się z otaczającymi je atomami. Temperatura rośnie. Para obraca turbiny. Prąd płynie.
Kontrola reakcji łańcuchowej
Podział nie zachodzi w izolacji. Proces rozszczepienia często uwalnia dodatkowe neutrony. Neutrony te mogą uderzać w inne atomy uranu. Atomy te są rozdzielone. Wydzielają więcej neutronów.
To reakcja łańcuchowa.
Jeśli nie zostanie to kontrolowane, reakcja przyspiesza wykładniczo. To jest bomba. Jeśli jest kontrolowana, reakcja pozostaje stabilna. To jest reaktor.
Do rdzenia wprowadzane są pręty sterujące wykonane z materiałów pochłaniających neutrony, takich jak bor lub kadm. Pochłaniają nadmiar neutronów. Spowalniają reakcję. Operatorzy regulują te pręty, aby utrzymać pożądany poziom mocy.
Dlaczego jest to dziś ważne?
Rozszczepienie jądrowe zapewnia znaczną część niskoemisyjnej energii elektrycznej na świecie. Działa niezawodnie. W przeciwieństwie do energii słonecznej czy wiatrowej, nie jest ona zależna od pogody. Podczas pracy nie wytwarza bezpośredniej emisji dwutlenku węgla.
Pozostały jednak odpady. Radioaktywne fragmenty rozszczepionych atomów pozostają niebezpieczne przez tysiące lat. Magazynowanie i utylizacja pozostają ciągłymi wyzwaniami. Technologia jest potężna. Jest to również głęboko złożone.
Poza energią
Rozszczepienie nie dotyczy tylko elektrowni. Izotopy medyczne są często produkowane w reaktorach. Izotopy te pomagają diagnozować i leczyć choroby. Terapia nowotworów opiera się na precyzyjnych źródłach promieniowania. Część z nich pochodzi z produktów ubocznych rozszczepienia.
Nauka jest prosta w swej istocie. Podziel ciężki rdzeń. Zdobądź energię. Obszarem trudności staje się aplikacja. Bezpieczeństwo, odpady i polityka komplikują obraz.
Fizyka się nie zmienia. Konsekwencje się zmieniają.
W miarę postępu technologii nowe projekty reaktorów mają na celu zapewnienie większej wydajności i bezpieczeństwa. Małe reaktory modułowe zapewniają tańszą i bardziej skalowalną energię. Badania nad syntezą termojądrową sugerują zupełnie inną ścieżkę – łączenie atomów zamiast ich rozdzielania. Jednak rozszczepienie pozostaje kamieniem węgielnym obecnego systemu energetycznego.
Polegamy na nim. Boimy się go. Zarządzamy tym.
Atom się rozpada. Energia przepływa. Pytanie nie brzmi, czy możemy to zrobić. Pytanie, czy możemy to zrobić mądrze.
Jak faktycznie działa rozszczepienie jądrowe
Wszystko zaczyna się od podziału. Podczas rozszczepienia jądrowego jądro atomu dzieli się na dwa lżejsze jądra. Dzieje się tak z jakiegoś powodu. Czasami dzieje się to spontanicznie. Ale najczęściej trzeba działać zdecydowanie.
Rozszczepienie można wywołać za pomocą cząstek takich jak neutrony, protony, deuterony lub cząstki alfa. Odpowiednie są również promienie gamma.
Gdy rdzeń się rozdzieli, nagroda będzie ogromna.
Wydziela się ogromna ilość energii. Produkty radioaktywne powstają natychmiast. Kilka neutronów wylatuje w próżnię.
I tu leży kluczowa kwestia. Te uwolnione neutrony? Nie tylko odlatują. Zderzają się z sąsiednimi jądrami materiału rozszczepialnego, powodując tam rozszczepienie. Uwolnienie jeszcze większej liczby neutronów.
Ta sekwencja jest powtarzana. Rozpoczyna się reakcja łańcuchowa. Jądra ulegają masowemu rozszczepieniu. Ogromna ilość energii eksploduje we wszystkich kierunkach.
Kontrolowana energia kontra niekontrolowane zniszczenie
Kontroluj tę reakcję łańcuchową. Zrób to w reaktorze jądrowym. Dostajesz energię. Czysta, skoncentrowana energia z korzyścią dla społeczeństwa.
Zrób to źle. Albo zrób to celowo. Jak bomba atomowa. Rezultatem jest eksplozja niszczycielskiej siły.
Te same prawa fizyczne. Przeciwne wyniki. Jeden zasila miasta. Drugi je niszczy.
Wiek atomowy i jego złożoność
Odkrycie rozszczepienia jądrowego zapoczątkowało nową erę. Era atomowa.
Jej potencjał zarówno dobra, jak i zła ukształtował wszystko. Zmiany społeczne. Zamieszanie polityczne. Boomy gospodarcze. Przełomy naukowe.
To także wzbudziło poważne obawy. Kompromis ryzyko-korzyść nie jest prosty. To ciągły spacer po linie.
Nawet z czysto naukowego punktu widzenia podział pozostaje złożony. Stanowi dla nas tajemnice. Wyjaśnienia teoretyczne są niekompletne. Rozumiemy mechanikę lepiej niż ogólny obraz.
Wiemy, jak rozdzielić atom.
Wciąż próbujemy zrozumieć, co tak naprawdę oznacza posiadanie tej mocy.
Słowo rozszczepienie zostało ukute dopiero w 1939 r. Niemieccy fizycy Lise Meitner i Otto Frisch ukuli to określenie, aby opisać proces, w którym ciężkie jądro dzieli się na dwa lżejsze jądra o mniej więcej tej samej wielkości. Oznaczało to koniec chaotycznej sagi naukowej i początek intensywnego okresu badań.
Prawdziwa historia zaczęła się wcześniej. W 1932 roku James Chadwick odkrył neutron w Anglii. Enrico Fermi i jego zespół we Włoszech wkrótce rozpoczęli napromienianie pierwiastków tymi neutralnymi cząsteczkami. W 1934 roku zauważyli coś dziwnego. Napromienianie uranu wolnymi neutronami spowodowało powstanie czterech różnych izotopów promieniotwórczych. Wyemitowały cząstki beta. Naukowcy wierzyli, że odkryli pierwiastki transuranowe o liczbie atomowej 93, 94 lub wyższej.
Radiochemicy pośpieszyli z badaniem tych nowych izotopów. Wyniki były mylące. Zamieszanie trwało do 1939 roku.
Otto Hahn i Fritz Strassmann w Niemczech udowodnili niezbicie, że te pierwiastki „transuranowe” to w rzeczywistości bar, lantan i inne pierwiastki ze środkowej części układu okresowego. Podążali szlakiem wskazanym przez Irene Joliot-Curie i Pavle Savich we Francji.
Ida Noddack zasugerowała w 1934 roku, że z ciężkich jąder można uformować lżejsze pierwiastki. Pomysł został zignorowany. Było to sprzeczne z przyjętą fizyką jądrową i nie miało potwierdzenia chemicznego. Hahn i Strassmann przedstawili to potwierdzenie.
Aby wyjaśnić ten proces, Meitner i Frisch wykorzystali model kropli cieczy. Wskazywały na kolosalne uwolnienie energii. Laboratoria na całym świecie potwierdziły tę reakcję. W ciągu roku ponad 100 artykułów opisało ten proces.
Dowody chemiczne, które odegrały tak ważną rolę w doprowadzeniu Hahna i Strassmanna do odkrycia rozszczepienia jądrowego, uzyskano przy użyciu technik nośnikowych i znacznikowych.
Jak naukowcy zidentyfikowali produkty rozszczepienia
Kluczowe okazały się metody chemiczne. Powstały niewidzialne ilości gatunków radioaktywnych. Naukowcy ustalili ich tożsamość, śledząc sposób, w jaki poruszali się wraz ze znanymi elementami nośnymi.
Dodali znane znaczniki radioaktywne. Porównali zachowania, aby zidentyfikować nieznane substancje. Od tego czasu te metody radiochemiczne umożliwiły wyizolowanie 34 pierwiastków z produktów rozszczepienia. Asortyment obejmuje pierwiastki od cynku (liczba atomowa 30) do gadolinu (liczba atomowa 64).
Szeroki zakres radioaktywności sprawia, że rozszczepienie jest bogatym źródłem znaczników. Wykorzystuje się je w zastosowaniach chemicznych, biologicznych i przemysłowych.
Które izotopy powodują rozszczepienie i dlaczego jest to ważne?
Wczesne eksperymenty wykorzystywały zwykły uran. Szybko ustalono, że odpowiedzialny był uran-235. Rozszczepia się pod wpływem wolnych neutronów.
Uran-238 jest bardziej powszechny. Do jego rozszczepienia potrzebne są szybkie neutrony o energiach przekraczających 1 MeV. Jądra toru i protaktynu również rozszczepiają się pod wpływem szybkich neutronów.
Odpowiednie są również inne cząstki. Reakcję indukują szybkie protony, deuterony i cząstki alfa. Promienie gamma są również skuteczne.
Wynalezienie reaktora jądrowego
W 1939 roku Frédéric Joliot-Curie, Hans von Halban i Lev Kowarski odkryli, że rozszczepienie uranu-235 powoduje powstanie kilku neutronów. Wskazywało to na możliwość samopodtrzymującej się reakcji łańcuchowej.
Fermi i jego koledzy dostrzegli potencjał. Zdali sobie sprawę z siły kontrolowanej reakcji. 2 grudnia 1942 roku udało się.
Uruchomili pierwszy na świecie reaktor jądrowy. Nazywano to „stosem”. Składał się z bloków uranu i grafitu. Został zbudowany na terenie Uniwersytetu w Chicago.
Potem przyszedł czas na Projekt Manhattan. To był tajny projekt. Miało to na celu stworzenie bomby atomowej po przystąpieniu Stanów Zjednoczonych do II wojny światowej.
Kiedy wojna się skończyła, wysiłki uległy zmianie. Naukowcy opracowali nowe typy reaktorów. Ich celem była produkcja energii elektrycznej na dużą skalę. Tak narodziła się energia jądrowa.
Podstawowe zasady procesu rozszczepienia były teraz jasne. Technologia przeszła od teorii do rzeczywistości. Konsekwencje dla energii i wojny były natychmiastowe. Świat zmienił się w sposób, jakiego niewielu mogło przewidzieć w 1934 roku.
Sekret rozszczepienia jądrowego nie jest magią. To jest w strukturze. Trzeba przyjrzeć się budowie materii jądrowej. I jakie to jest stabilne.
Jądra składają się z nukleonów. To po prostu fantazyjne określenie protonów i neutronów. Całkowita liczba tych cząstek jest liczbą masową. To proste. Ale tu zaczyna się zabawa. Rzeczywista masa jądra jest zawsze mniejsza niż suma jego składników. Jeśli wziąć wszystkie wolne neutrony i protony i zważyć je indywidualnie, ważyłyby one więcej niż jądro, które tworzą.
Różnica między tymi dwoma ciężarami nazywana jest defektem masy. A ta brakująca masa? Nie zniknęła. Zamieniło się w energię.
Wyjaśnia to wzór Einsteina. E = mc ². Energia równa się masie razy prędkość światła do kwadratu. To kolosalny współczynnik konwersji. Ten defekt masy jest bezpośrednią miarą energii wiązania. Zasadniczo jest to „klej”, który spaja rdzeń.
Wyobraź to sobie w ten sposób. Kiedy tworzy się jądro, uwalnia energię. Aby rozbić go na poszczególne nukleony, trzeba wydać dokładnie taką samą ilość energii. Im wyższa energia wiązania, tym stabilniejsze jądro. Tym trudniej jest go zdemontować.
„Różnica znana jest jako defekt masy i jest miarą całkowitej energii wiązania (a tym samym stabilności) jądra.”
Ta stabilność ma znaczenie. Ponieważ jeśli rdzeń jest niestabilny, może się rozdzielić. Dział. Jeśli jest stabilny, po prostu tam zostaje. Czekanie.
Energia uwolniona podczas formowania jest tą samą energią, która musiałaby zostać wydana na jego zniszczenie. To błędne koło. Uszczelnione połączenie. Masa staje się energią. Energia spaja masę. I dlatego niektóre atomy łatwo ulegają rozszczepieniu, podczas gdy inne pozostają nienaruszone przez miliardy lat.
Spójrz na średnią energię wiązania na krzywą nukleonu. Jest to forma znana w fizyce, osiągająca wartość maksymalną około 56. Jest to „złoty środek”. To jest żelazo.
Wykres opowiada prostą historię o stabilności. Żelazo znajduje się na szczycie wzgórza. Jeśli masz jądro cięższe od żelaza, ma ono tendencję do rozpadu. Chce rozbić się na lżejsze fragmenty, które znajdują się niżej na zboczu energetycznym. Różnica w energii wiązania nie znika po prostu. Ona zostaje zwolniona. To jest podział.
Jeśli masz coś lżejszego od żelaza, ścieżka jest inna. Jądra te mogą zyskać stabilność poprzez zderzenie ze sobą. Łączą się w cięższy rdzeń z większym defektem masy. Różnica mas zamieniana jest na energię. To jest synteza. To jest silnik słońca. To jest podstawa bomby wodorowej. To także „święty Graal” w dziedzinie wytwarzania czystej energii, która od dziesięcioleci jest przedmiotem intensywnych i często frustrujących badań.
Bariera dla samoistnego rozkładu
W tym miejscu załamuje się prosty model energetyczny.
Gdyby jedynym czynnikiem były względy energetyczne, cała materia ostatecznie zamieniłaby się w żelazo. Wszystko zmierzałoby w stronę tej najbardziej stabilnej konfiguracji. Ale to się nie zdarza. Wszechświat nie jest taki leniwy i nie tak wydajny.
Istnieją bariery. Inne czynniki uniemożliwiają spontaniczną konwersję.
Aby zrozumieć dlaczego, fizycy postrzegają jądro jako naładowaną kroplę cieczy. To wysokiej jakości analog, ale działa. Silne oddziaływanie jądrowe wiąże ze sobą nukleony. To atrakcyjne. To jest potężne. Ale działa krótko. Działa tylko pomiędzy bezpośrednimi sąsiadami.
Nukleony na powierzchni mają mniej sąsiadów niż te zakopane w głębinach. W ten sposób powstaje napięcie powierzchniowe. Kropla ma tendencję do minimalizowania swojej powierzchni w celu zmniejszenia energii. Najbardziej efektywnym kształtem ograniczającym objętość jest kula. Dlatego rdzeń przyjmuje kształt kulisty.
Problem odpychania Coulomba
Protony nie podlegają tym samym zasadom krótkiego zasięgu. Mają ładunek dodatni. Odpychają się one za pomocą dalekosiężnej siły Coulomba.
W miarę wzrostu jądra odpychanie staje się poważnym problemem. Po przekroczeniu liczby nukleonów wynoszącej około 40, siła przyciągania dużej siły z trudem utrzymuje wszystko razem przed pchaniem elektrycznym.
Rozwiązanie? Roztwór.
Ciężkie jądra utrzymują względną stabilność poprzez dodanie nadmiaru neutronów. Neutrony zwiększają przyciąganie silnej siły, nie zwiększając odpychania Coulomba. Działają jak klej, rozrzedzając gęstość protonów. W miarę wzrostu liczby masowej potrzeba coraz więcej neutronów, aby kropla nie odleciała.
Ta delikatna równowaga wyznacza granice układu okresowego. Wyjaśnia, dlaczego niektóre pierwiastki są stabilne, a inne ulegają rozkładowi. Wyjaśnia, dlaczego nie możemy pozwolić, aby wszechświat zsunął się w kupę żelaznych kul. Bariery są realne. Fizyka jest skomplikowana. A energia zamknięta w tych ciężkich, bogatych w neutrony kropelkach? Wciąż czeka na uwolnienie.
Kiedy jądro jest wzbudzone, zaczyna wibrować. Przestaje być kulą idealną.
Natychmiast zaczynają działać siły napięcia powierzchniowego. Mają tendencję do przywracania rdzeniowi okrągłego kształtu, ponieważ kula minimalizuje napięcie powierzchniowe. Ale jest siła przeciwna. Znajdujące się wewnątrz protony odpychają się nawzajem. W miarę rozciągania się jądra protony oddalają się od siebie. Odpychanie słabnie.
Te dwie przeciwstawne tendencje stwarzają problem. Bariera.
Rysunek 2 pokazuje to wyraźnie. Najpierw rośnie krzywa energetyczna. Dlaczego? Ponieważ silne oddziaływanie jądrowe – klej spajający jądra – jest krótkotrwałe i potężne. Jest odporny na odkształcenia.
Jednak odpychanie Coulomba między protonami słabnie szybciej niż wzrasta napięcie powierzchniowe. W końcu dochodzi do równowagi.
To jest punkt B.
To szczególne położenie jest znane jako „punkt siodłowy”.
Na trójwymiarowej mapie energii potencjalnej szczyt ten wygląda jak siodło konia. Jest to najwyższy punkt oporu, zanim jądro zdecyduje się na podział. Jeśli nie masz wystarczająco dużo energii, aby przejść przez to siodło, nic się nie stanie.
Poza punktem B zasady się zmieniają. Odpychanie Coulomba przejmuje kontrolę. Prowadzi to rdzeń do dalszego wydłużenia. Protony naciskają mocniej, niż jest w stanie utrzymać napięcie powierzchniowe. Rdzeń rozciąga się, aż do pęknięcia.
To jest punkt S, punkt krytyczny. Rdzeń dzieli się na dwie części. Jakościowo rozszczepienie jest po prostu wynikiem tego, że protony nie chcą pozostać blisko siebie.
Rozszczepienie indukowane
Nie każde jądro rozpada się samoistnie. Wysokość tej bariery energetycznej zależy całkowicie od tego, na które jądro patrzysz.
Aby spowodować podział, należy wzbudzić jądro. Musisz uderzyć go z wystarczającą energią, aby pokonać barierę. Można tego dokonać za pomocą promieni gamma (fotoseparacja) lub zderzając z nimi cząstkę. Neutrony, protony, cokolwiek działa.
W tym miejscu pojawia się znaczenie parzystej i nieparzystej natury neutronów. To zmienia energię wiązania.
Jeśli dodasz neutron do jądra, które ma już nieparzystą liczbę neutronów, otrzymasz liczbę parzystą. To połączenie jest stabilne. Energia wiązania wzrasta.
Jeśli dodasz neutron do jądra o parzystej liczbie neutronów, otrzymasz liczbę nieparzystą. Wzrost energii wiązania będzie mniejszy.
Ta różnica wyjaśnia, dlaczego niektóre materiały rozszczepiają się pod wpływem wolnych neutronów, podczas gdy inne wymagają szybkich.
Większość ciężkich pierwiastków jest niestabilna w procesie rozszczepienia, ale znajdują się one w głębokiej dziurze. Potrzebują bodźca, żeby się wydostać.
- Uran-233, Uran-235, Pluton-239: Mają nieparzystą liczbę neutronów. Dodanie kolejnego neutronu uwalnia wystarczającą energię wiązania, aby przepchnąć je przez barierę. Powolne, niskoenergetyczne neutrony są w porządku.
- Tor-232, Uran-238: Mają parzystą liczbę neutronów. Wzrost energii wiązania jest zbyt słaby. Aby nadrobić różnicę, potrzebna jest energia kinetyczna przychodzącego neutronu. Wymagany jest szybki neutron o energii około 1 MeV.
Matematyka jest prosta. Jeśli nie ma energii aktywacji, bariera utrzymuje się.
Spontaniczne rozszczepienie
Mechanika kwantowa jest dziwna. Zajmuje się prawdopodobieństwem, a nie pewnością.
Nawet w stanie podstawowym – konfiguracji o najniższej energii znajdującej się bezpiecznie poniżej bariery – element rozszczepialny ma niewielką, ale skończoną szansę na przedostanie się na drugą stronę.
Weź uran-238. Jest uwięziony wewnątrz bariery. Ale tunelowanie kwantowe pozwala mu przeniknąć ścianę. Nie wspina się po nim. To przechodzi.
To spontaniczny podział. Nie jest wymagany żaden wpływ zewnętrzny.
Prawdopodobieństwo jest znikome. W przypadku uranu-238 rozkład połowy materiału w ten sposób zajmuje ponad 10^{15}$ lat. To bardzo długi czas.
Jednak w przypadku najcięższych znanych nuklidów prawdopodobieństwo dramatycznie wzrasta. Bariera staje się cieńsza. Dominującym sposobem rozpadu staje się spontaniczne rozszczepienie. Niektóre z tych superciężkich jąder istnieją tylko przez ułamki sekundy.
Ta niestabilność jest twardym ograniczeniem. Może w ogóle zapobiec tworzeniu się jeszcze cięższych jąder. Wszechświat rysuje linię, a spontaniczny podział jest gumką.
Etapy podziału
Rycina 3 przedstawia skalę czasową rozszczepienia ciężkiego jądra. Poniższy zegar pokazuje, jak szybko to się dzieje. To nie jest powolne spalanie. Jest to proces gwałtowny i natychmiastowy.
Prawdopodobieństwo podziału
Kiedy ciężkie jądro się rozpada, nie zawsze rozpada się na te same kawałki. Neutrony i protony rozkładają się w nieprzewidywalny sposób. Tworzy to rozkład prawdopodobieństwa względem masy i ładunku jądrowego.
Naukowcy nazywają prawdopodobieństwo pojawienia się konkretnego fragmentu jego wydajnością rozszczepienia. Mierzy się go jako procent wszystkich aktów rozszczepienia prowadzących do określonego wyniku.
Po pęknięciu rdzenia jego dwie połówki rozchodzą się w różnych kierunkach. Mają ładunek dodatni. Odpychanie Coulomba między nimi jest ogromne. Odlatują z energią kinetyczną określoną przez ich ładunki i odległość między środkami ładunków w momencie rozerwania. Nawet przy tym samym rozkładzie masy energia jest różna. Parametry się zmieniają. Zmienia się prędkość odrzutu.
Utknięcie i zwalnianie
Fragmenty poruszają się zbyt szybko dla własnych elektronów. Elektrony atomowe nie mogą za nimi nadążać. Rozpadają się.
Fragmenty rozszczepienia odlatują jako wysoko naładowane atomy, a nie jako obiekty neutralne.
Ładunek jądrowy nie jest natychmiast neutralizowany przez elektrony atomowe. Fragment nadal jest zdeformowany. Kiedy powraca do stabilnej formy, uwalnia energię warp. Zamienia się w wewnętrzną energię wzbudzenia. Neutrony wyparowują. Szybkie promienie gamma są emitowane niemal jednocześnie.
Te szybko poruszające się, silnie naładowane atomy zderzają się z ośrodkiem, przez który przechodzą. W powietrzu ich zasięg wynosi zaledwie kilka centymetrów. Energia kinetyczna przekazywana jest do ośrodka w postaci jonizacji i ciepła. Atom zwalnia.
Podczas tego hamowania wychwytuje elektrony z otoczenia. Kiedy się zatrzyma, staje się neutralny. Teraz nie jest już odłamkiem. To jest produkt rozszczepienia.
Liczba masowa mogła ulec zmianie. Neutrony zostały utracone podczas przejścia. Produkt jest nadal radioaktywny. Jest niestabilny. Ulega rozpadowi beta. Oś czasu? Od ułamka sekundy do wielu lat. Promieniowanie beta wytwarza elektrony i antyneutrina. Do tego procesu często dodaje się promienie gamma i rentgenowskie.
Ukryte zmienne
Rozkład masy, ładunku i energii kinetycznej zależy od izotopu rozszczepialnego. Zależą one również od energii wzbudzenia aktu rozszczepienia.
Fenomenologia jest obszerna. Istnieje wiele aspektów do interpretacji. Rozważmy systematykę działów podziału. Jest miarą prawdopodobieństwa wystąpienia rozszczepienia. Rozważmy zmiany w liczbie emitowanych szybkich neutronów. Zależy to od rozkładu izotopów i mas.
Przyjrzyj się rozkładowi kątowemu fragmentów względem wiązki cząstek. Spójrz na okresy półtrwania spontanicznego rozszczepienia. Spójrz na izomery rozszczepienia spontanicznego, które są stanami wzbudzonymi jądra.
Niektóre zdarzenia emitują lekkie cząstki, takie jak tryt (wodór-3), hel-3 lub hel-4. Nie zawsze. Ale w małych, ale znaczących ilościach. Wśród produktów znajdują się emitery neutronów opóźnionych. Harmonogram każdego etapu ma znaczenie. Rozkład energii uwalnianej pomiędzy cząstkami a promieniowaniem jest złożony.
Pełne omówienie wszystkich tych aspektów nie jest tutaj możliwe. Ale kilka szczegółów daje wyobrażenie. Dają przedsmak fascynacji tym zjawiskiem.
Rozkłady mas fragmentów rozszczepienia
Sposób, w jaki rozpadają się fragmenty, jest jedną z najbardziej charakterystycznych cech całego procesu jądrowego. To nie jest proces przypadkowy. Zależy to silnie od dwóch czynników: masy rozpadającego się jądra i energii wzbudzenia występującej w momencie rozszczepienia.
Przy niskich energiach wzbudzenia proces staje się asymetryczny. Weźmy uran-235 lub pluton-239. Nie są podzielone na dwie równe połowy. Zamiast tego wolą nierówny podział. Tworzy to rozkład prawdopodobieństwa z dwoma pikami. Lekka grupa fragmentów przesuwa się w stronę wyższych liczb masowych wraz ze wzrostem masy jądra rozszczepialnego. Grupa ciężka pozostaje w większości nieruchoma.
Zwiększona energia zmienia zasady gry.
Podziały symetryczne stają się coraz bardziej prawdopodobne. Asymetryczny – spadek. Dolina między dwoma szczytami się zapełnia. Przy wysokich energiach wzbudzenia krzywa staje się jednogarbna. Maksymalna wartość wyjściowa znajduje się dokładnie w obszarze symetrii.
Nie wszystkie jądra podlegają tym samym zasadom. Izotopy radu wykazują dziwny rozkład z trzema pikami. Lżejsze nuklidy pozostają jednogarbne i symetryczne. Ale do samego rozszczepienia wymagają znacznej energii aktywacji. Następnie w pobliżu fermu-260 znajdują się bardzo ciężkie jądra. Tutaj spontaniczny podział tworzy symetryczną krzywą jednogarbną. Energie kinetyczne powstałych fragmentów są nienormalnie wysokie.
Zrozumienie tych rozkładów było wielką tajemnicą. Pełne wyjaśnienie teoretyczne pozostaje nieuchwytne pomimo znacznego postępu.
Jak łańcuchy rozkładu przywracają równowagę
Stabilność wymaga określonego stosunku neutronów i protonów (n /p ). Stosunek ten powinien rosnąć wraz ze wzrostem liczby protonów. Przed wapniem (20 protonów) stosunek pozostaje równy jedności. Potem rośnie. Dla najcięższych pierwiastków osiąga około 1,5.
Kiedy ciężkie jądro ulega rozszczepieniu, emituje kilka neutronów. To pomaga, ale nie wystarczy. Pozostałe fragmenty nadal mają zbyt wysoki stosunek n /p, aby zapewnić stabilność. Są niestabilne.
Naprawiają to poprzez rozpad radioaktywny. Mianowicie rozpad beta minus. Neutrony zamieniają się w protony. Emitowany jest elektron ujemny (cząstka beta) i antyneutrino. Liczba masowa pozostaje taka sama. Liczba atomowa wzrasta o jeden. Z każdą transformacją rodzi się nowy element.
Te kolejne rozpady beta tworzą łańcuch rozpadu produktu rozszczepienia izobarycznego. Każda liczba masowa ma swój własny łańcuch. Okresy półtrwania tych radioaktywnych gatunków mają tendencję do zwiększania się w miarę zbliżania się do stabilnego izobaru na końcu łańcucha.
Dla jasności terminologii:
– Izotopy mają ten sam ładunek jądrowy (Z, protony), ale różnią się liczbą neutronów i liczbą masową (A ).
– Izobary mają tę samą liczbę masową (A ), ale różnią się liczbą atomową (Z ).
Rozważmy typowy rozdział mas podczas indukowanego neutronami rozszczepienia uranu-235. Jeśli z początkowych fragmentów wyemitowane zostaną dwa neutrony, utworzą się komplementarne masy 93 i 141. Rozkład ładunku pomiędzy tymi fragmentami jest krytycznym parametrem w tym procesie.
Dla tych konkretnych mas łańcuchy rozpadu izobarycznego przebiegają w następujący sposób. Okresy półtrwania dla każdego etapu rozpadu beta są wskazane wzdłuż strzałek przejścia.
Matematyka rozszczepienia jądrowego jest precyzyjna. Kiedy spojrzysz na symbol pierwiastka, dolna liczba reprezentuje Z (protony), a górna liczba reprezentuje A (liczba masowa). Kiedy uran-235 rozpada się, powinien zachować wszystkie 92 protony. Rdzeń nie pęka przypadkowo. Z reguły rozpada się na komplementarne pary. Krypton-36 i bar-56. Rubid-37 i cez-55. Stront-38 i ksenon-54. Te kombinacje utrzymują ładunek. Są to najbardziej prawdopodobne wyniki.
Niezależne i skumulowane wyniki
Nie wszystkie produkty rozszczepienia powstają jednakowo. Niektóre pojawiają się natychmiast. Edukacja innych wymaga czasu. Niezależna wydajność mierzy, jak często dany nuklid powstaje bezpośrednio z początkowych fragmentów po ich ochłodzeniu. To jest bezpośrednie wyjście. Ale to nie jest cały obraz.
Jeśli chcesz uzyskać pełny obraz, potrzebujesz skumulowanego wyniku. Jest to całkowity procent dowolnego nuklidu w łańcuchu rozpadu. Uzyskuje się go przez dodanie niezależnej wydajności tego nuklidu do wydajności wszystkich prekursorów, które na niego się rozpadają. To gra sum. Całkowita wydajność całego łańcucha dla określonej liczby masowej nazywana jest wydajnością skumulowaną.
Hipoteza o równym przemieszczeniu ładunku
Radiochemicy badają to zjawisko od dziesięcioleci. Odkryli pewien wzór. Najbardziej prawdopodobny rozkład ładunku nie koncentruje się na stabilności. Jest przesunięty. I co ciekawe: jest przesunięty o tę samą odległość zarówno dla fragmentów lekkich, jak i ciężkich. Naukowcy nazywają to hipotezą równego przemieszczenia ładunku (ECD). Potwierdziły to pomiary fizyczne.
W przykładzie rubidu i cezu, o którym wspomniałem wcześniej, ECD przewiduje, że najbardziej prawdopodobnymi ładunkami są rubid-37 i cez-55. Ale natura kocha skróty. Jeśli fragment ma 50 protonów, pojawia się silny efekt powłoki. Zakłóca to oczekiwania oparte na ECD. Rozkład wytwarzania ładunków staje się wąski. Wygląda na Gaussa. Jest praktycznie taki sam, niezależnie od podziału przez masę lub konkretnego atomu, który jest rozszczepialny.
Najbardziej prawdopodobna opłata ($Z_p$) jest tutaj użyteczną koncepcją. To nie musi być liczba całkowita. To jest średnia statystyczna. W miarę wzrostu energii rozszczepienia fragmenty mają tendencję do utrzymywania tego samego stosunku neutronów do protonów ($n/p$), co w pierwotnym jądrze. Nazywa się to rozkładem opłat bez zmian.
Natychmiastowe neutrony: natychmiastowe uwolnienie
Ile neutronów zostało uwolnionych? To się różni. Średnią liczbę neutronów na rozszczepienie oznacza się jako $\bar{\nu}$. W przypadku spontanicznego rozszczepienia uranu-238 wynosi około 2,0. Dla fermu-257 wzrasta do 4,0. W przypadku rozszczepienia uranu-235 wywołanego neutronami termicznymi wynosi 2,4.
Ale $\bar{\nu}$ to średnia. Każde indywidualne wydarzenie jest inne. Zależy to od tego, jak następuje dzielenie przez masę. Nadal toczy się debata na temat liczby neutronów emitowanych bezpośrednio w momencie scyntylacji (rozerwania jądra). Jednakże większość fizyków zgadza się, że większość neutronów jest uwalniana przez latające fragmenty natychmiast po ich rozdzieleniu.
Dlaczego? Energia. Fragmenty mają energię. Wewnętrznie wzbudzona energia (ciepło). Energia odkształcenia zmagazynowana jak sprężyna. Kiedy fragment powraca do swojej stabilnej formy, energia ta uwalnia neutrony. Im więcej energii ma fragment, tym więcej emituje neutronów.
Zatrzymane neutrony: mechanizm kontrolny
Większość neutronów to neutrony natychmiastowe. Niewielka część jest zatrzymana. Dzieje się tak, gdy produkty rozszczepienia ulegają rozpadowi beta. Energia rozpadu beta jest wysoka. Jest wyższa niż energia wiązania neutronu w jądrze potomnym. Dzieje się tak zwykle, gdy jądro potomne ma o jeden lub dwa neutrony więcej niż zamknięta powłoka z 50 lub 82 neutronami. Te dodatkowe neutrony są słabo związane.
Rozpad beta przenosi jądro potomne do stanu wzbudzonego. Stan wzbudzony, który jest niestabilny. Emituje neutron. Ale to nie dzieje się natychmiast. Jest to opóźnione przez okres półtrwania prekursora. Zidentyfikowaliśmy sześć takich emiterów neutronów opóźnionych. Ich okresy półtrwania wahają się od 0,5 sekundy do 56 sekund.
Ich produkcja jest znikoma. Około 1 procent liczby neutronów natychmiastowych. Dlaczego więc są ważne? Bez nich sterowanie reaktorem jądrowym byłoby praktycznie niemożliwe. Reakcja łańcuchowa zmieniałaby się zbyt szybko, aby ludzkie ręce, a nawet większość systemów mechanicznych mogły dokonać regulacji. Te opóźnione neutrony dają nam czas. Sprawiają, że reakcja jest możliwa do opanowania.
Obliczenia uwalniania energii
Skąd pochodzi ciepło? Różnica mas Całkowitą uwolnioną energię oblicza się, biorąc pod uwagę masy spoczynkowe. Reagenty a produkty. Weźmy uran-235 plus neutron. Porównaj to ze stabilnymi produktami końcowymi, takimi jak niob-93 i prazeodym-141 plus dwa neutrony. Masa nie jest zachowana. Część niej znika.
Równanie Einsteina $E=mc^2$ mówi nam, dokąd to poszło. Zamieniło się w energię. Całkowita emisja zależy od konkretnego podziału masy. Jednak w przypadku rozszczepienia uranu-235 wywołanego neutronami termicznymi energia rozkłada się w przewidywalny sposób.
Większość zachowała się we fragmentach. Energia kinetyczna. Fragmenty odlatują z dużą prędkością, zderzając się z otaczającymi atomami, wytwarzając ciepło. Potem przychodzą neutrony. Przenoszą energię kinetyczną. Promienie gamma natychmiast uwalniają energię. Cząstki beta i neutrina przenoszą energię podczas rozpadu. Niestety neutrina znikają całkowicie. Zabierają ze sobą energię i nigdy jej nie zwracają.
Dlatego projektowanie reaktorów jest tak trudne. Kontrolujesz ciepło w ciałach stałych, promieniowanie w próżni i cząsteczki uciekające w przestrzeń kosmiczną. Matematyka jest jasna. Rzeczywistość jest chaotyczna (brudna/skomplikowana). Rozkład energii określa, jak gorąco nagrzewa się aktywny rdzeń.
Fizyka strat energii i modele jądrowe
Nie każdy neutron wychwycony w aktywnym reaktorze pozostaje tam. Niektórzy całkowicie opuszczają obiekt, a uwolnienie energii z tych szybkich neutronów zależy od tego, jak ostatecznie się zatrzymają. To uwolnienie energii następuje w skali czasu wynoszącej około 10 $^{-12}$ sekund. W działającym reaktorze jest on w dużej mierze przekształcany w ciepło i wykorzystywany do wytwarzania energii elektrycznej.
Jednakże występuje również opóźnione uwalnianie energii. Dzieje się tak w wyniku rozpadu radioaktywnego produktów rozszczepienia, których okres półtrwania waha się od ułamków sekundy do wielu lat. Krótko żyjące izotopy rozpadają się wewnątrz reaktora, a ich energia jest dodawana do wytworzonego ciepła; jednakże izotopy długożyciowe pozostają radioaktywne i stwarzają problemy w obsłudze i utylizacji elementów paliwowych reaktora po ich wymianie.
Antyneutrina towarzyszące rozpadowi beta produktów rozszczepienia nie oddziałują, a ich energia kinetyczna (około 10 MeV na rozszczepienie) nie jest wykorzystywana. Ogólnie rzecz biorąc, w zastosowaniach energetycznych można wykorzystać około 200 MeV energii na rozszczepienie.
Problem trafności teoretycznej
Rozszczepienie jądra to złożony proces polegający na przegrupowaniu setek nukleonów w jednym jądrze w celu utworzenia dwóch oddzielnych jąder. Pełne teoretyczne zrozumienie tej reakcji wymagałoby szczegółowej wiedzy o siłach zaangażowanych w ruch każdego z nukleonów w całym procesie. Ponieważ taka wiedza nie jest jeszcze dostępna, konieczne jest stworzenie uproszczonych modeli rzeczywistego systemu, aby zasymulować jego zachowanie i uzyskać jak najdokładniejszy opis etapów procesu. Sukcesy i porażki modeli w wyjaśnianiu różnych obserwacji procesu rozszczepienia mogą dostarczyć nowego wglądu w podstawową fizykę rządzącą zachowaniem rzeczywistych jąder, zwłaszcza gdy w jądrze ulegającym rozszczepieniu występują duże deformacje jądrowe.
Podstawy rozumienia reakcji jądrowych są podobne jak w przypadku reakcji chemicznych i opierają się na koncepcji powierzchni energii potencjalnej, na której zachodzi reakcja. Siłą napędową reakcji fizycznych lub chemicznych jest chęć zmniejszenia energii potencjalnej i zwiększenia stabilności układu. W ten sposób na przykład kamień na szczycie wzgórza stoczy się w dół, zamieniając swoją energię potencjalną na szczycie w energię kinetyczną ruchu i zatrzyma się na dole w bardziej stabilnym stanie z mniejszą energią potencjalną. Energię potencjalną oblicza się jako funkcję różnych parametrów badanego układu. W przypadku rozszczepienia energię potencjalną można obliczyć w zależności od kształtu układu pokonującego barierę do punktu scyntylacji (przerwy) i wyznaczyć drogę o najniższej energii potencjalnej.
Jak zauważono, dokładne obliczenie potencjalnej energii jądrowej nie jest jeszcze możliwe i stworzono różne modele w celu przybliżenia tych obliczeń, symulując rzeczywisty system. Niektóre z tych modeli opracowano w celu uwzględnienia aspektów struktury i spektroskopii jądrowej oraz cech reakcji jądrowych, a także zastosowano je w próbach zrozumienia złożoności rozszczepienia jądrowego. Modele opierają się na różnych założeniach i przybliżeniach dotyczących natury sił jądrowych i dynamiki drogi do scyntylacji. Żaden pojedynczy model nie jest w stanie wyjaśnić całej szerokiej fenomenologii rozszczepienia, ale każdy obejmuje inne aspekty procesu i służy jako podstawa do dalszego rozwoju w kierunku kompletnej teorii.
Kropla cieczy i tajemnica asymetrii
Jądro nie jest po prostu w spoczynku. To się porusza. Czasem cały system chwieje się jak kropla wody. Innym razem poszczególne cząstki tańczą na swoich własnych „ścieżkach”. Ta dwoistość intryguje fizyków od dziesięcioleci.
George Gamow rozpoczął ten proces w 1935 roku. Wyobraził sobie jądro jako nieściśliwą kroplę cieczy. Niels Bohr rozwinął ten pomysł. Do 1939 roku Bohr i John A. Wheeler używali modelu kropli cieczy do wyjaśnienia rozszczepienia jądra. Koncepcja była prosta. Wprowadzasz neutron do jądra. Jest wchłaniany. Energia jest dystrybuowana. Rdzeń zaczyna wibrować. W końcu się rozdziela.
Model dobrze sprawdził się przy opisywaniu ogólnych procesów. Pokazało, jak silna siła jądrowa, która ma tendencję do spajania cząstek, konkuruje z odpychaniem elektrostatycznym między protonami, które ma tendencję do ich rozrywania. Miała jednak fatalną wadę. Przewidziała, że podczas rozszczepienia jądro dzieli się na dwie równe połowy. Symetryczny. Czysto.
To się nie stało.
Wyniki dzielenia mają nierówne masy. Jedna część jest duża. Drugi jest mały. Model kropli cieczy nie mógł wyjaśnić tej asymetrii masy. Miała także trudności z opisaniem mas stanu podstawowego i barier rozszczepienia. Dla silnie wzbudzonych jąder model był dobry. Do stajni? Niedobrze.
Muszle i magiczne liczby
Naukowcy potrzebowali innego podejścia. Przestali postrzegać rdzeń jako bezkształtny punkt. Zaczęli przyglądać się poszczególnym cząstkom.
Wyobraź sobie jeden nukleon poruszający się w polu utworzonym przez wszystkie pozostałe. To jest średni potencjał. Studnia potencjału sferycznego. Mechanika kwantowa rozwiązuje problem ruchu cząstek w takiej dziurze. Wynik? Poziomy energii.
Neutrony i protony mają swoje własne zestawy poziomów. Są one pogrupowane w muszle. Podobnie jak elektrony w atomie. Pewna liczba nukleonów całkowicie wypełnia te powłoki. To są magiczne liczby.
2, 8, 20, 28, 50, 82, 126.
Jądra o tych liczbach charakteryzują się niezwykłą stabilnością. Są ze sobą bardzo ściśle powiązane. Maria Goeppert-Mayer i J. Hans D. Jensen sformalizowali to w 1949 roku. Nazwali to modelem powłoki sferycznej. Znany również jako model cząstek niezależnych.
Wyjaśniła masy stanów podstawowych. Wyjaśniła spiny jądrowe. Wyjaśniła, dlaczego niektóre stany wzbudzone trwają dłużej niż inne (izomery). Jeśli rdzeń jest kulisty i bliski magicznej liczby, model działa dobrze.
Ale co z resztą układu okresowego?
Zdeformowany rdzeń
Weź lantanowce i aktynowce. Od lantanu do lutetu. Od aktynu do lawrenu. Ich liczby nukleonów mieszczą się pomiędzy liczbami magicznymi.
Model powłoki sferycznej nie sprawdza się tutaj. Te jądra nie są kuliste. Są zdeformowane. Są rozciągnięte. Wyglądają jak piłka nożna. Albo arbuz.
W 1955 roku na ratunek przybyli Age Bohr, Ben R. Mottelson i Sven G. Nilsson. Obliczyli ruch nukleonu w potencjale sferoidalnym. Nie w kuli. W sferoidzie.
Kula ma trzy osie symetrii. Może się obracać. Rotacja zachodzi niezależnie od wewnętrznego wzbudzenia nukleonów. Rdzeń może również wibrować. Może pulsować.
To hybrydowe podejście łączyło ruch niezależnych cząstek ze zbiorowym ruchem całego układu. Obroty. Oscylacje. Struktury skorupowe.
Nazwali to modelem ujednoliconym. Stał się znany jako model zdeformowanej powłoki.
To nie była tylko mała korekta. Nastąpiła zmiana w sposobie postrzegania jądra atomowego. Rdzeń to nie tylko kropla. To nie jest tylko zbiór izolowanych piłek. Jest to obiekt dynamiczny, odkształcalny.
Dlaczego to jest ważne?
Ponieważ rozszczepienie jądrowe nie polega tylko na niszczeniu rzeczy. To zrozumienie struktury, która je spaja. Asymetria rozszczepienia jest powiązana z efektami powłoki. Poziomy energii zmieniają się wraz z deformacją jądra. Droga do podziału staje się trudna.
Nadal używamy modelu kropli cieczy. Jest przydatny do opisywania zderzeń wysokoenergetycznych. Ale dla drobnych szczegółów? Do rozkładu masy podczas podziału? Dla stabilności ciężkich pierwiastków? Potrzebujesz modelu powłoki. Potrzebujesz obliczenia deformacji.
Historia jądra to historia tych konkurencyjnych modeli. Upuszczać. Powłoka. Zjednoczony. Nie znoszą się nawzajem. Są one ułożone jedna na drugiej.
Wciąż wyjaśniamy parametry. Wciąż dostosowujemy potencjały. Rdzeń pozostaje jednym z najbardziej złożonych systemów o małej skali, jakie znamy.
A nawet nie zaczęliśmy przyglądać się kwarkom wewnątrz protonów.
Aage Bohr zastosował ujednolicony model rozszczepienia, rozważając stany wzbudzone układu jako funkcję parametru deformacji. Pomyśl o tym parametrze jako o wydłużeniu — fizycznym rozciąganiu jądra w miarę zbliżania się do rozszczepienia. Bohr oszacował te stany w punkcie siodłowym. To jest szczyt bariery energetycznej.
Oto sedno. Gdy tylko układ pokona punkt siodłowy, większość energii wzbudzenia jest zużywana na odkształcenie rdzenia. System staje się „zimny”. Pozostało mu niewiele energii cieplnej. Dostępne pozostają tylko nisko położone stany wzbudzone. Tutaj teoretycy mają trudności.
Jak spin i parzystość określają ścieżki podziału
O wyniku podziału decyduje spin i parzystość konkretnego kanału, w którym znajduje się system w punkcie siodłowym. Nazywa się to analizą stanu przejściowego. Jakościowo wyjaśnia kilka kluczowych cech procesu.
Progi rozszczepienia zależą od spinu i parzystości złożonego stanu jądrowego. Rozkład kątowy fragmentów jest określony przez zbiorczy moment pędu obrotu tego stanu. Asymetria w rozkładzie masy występuje podczas przechodzenia przez barierę w stanie o ujemnej parzystości. Ujemna parzystość nie ma symetrii odbicia.
„To jedyny model, który zapewnia zadowalającą interpretację rozkładu kątowego fragmentów rozszczepienia”.
Model działa dobrze, ale ma jedno główne założenie. Zakłada, że właściwości stanu przejściowego w punkcie siodłowym nie zmieniają się pod wpływem czynników dynamicznych podczas opadania do punktu nieciągłości. To jest duże „jeśli”. Mimo to model pozostaje ważny. Każda kompletna teoria rozszczepienia musi zawierać jej atrakcyjne cechy.
Dlaczego magiczne liczby są ważne przy rozdzielaniu mas
Pierwsze użycie modelu powłoki sferycznej przy podziale było prostsze. Wzięła pod uwagę, że szczyty rozkładu mas rozszczepienia korelują z liczbami magicznymi. Oznaczało to jakościową interpretację asymetrycznego podziału mas.
Rdzenie dążą do stabilności. Preferencja tworzenia jąder o liczbie neutronów bliskiej 82 sprzyja tworzeniu piku grupy ciężkiej. Określa to separację mas dla układu rozszczepialnego. Patrz ryc. 4 w danych oryginalnych.
Dodatkową stabilność oczekiwano dla 50 protonów. Nie jest to jednak szczególnie widoczne w danych. Weźmy cynę-132. Jest to podwójnie magiczne jądro składające się z 50 protonów i 82 neutronów. Jego wydajność z rozszczepienia niskoenergetycznego jest dość niska. Model nie jest idealny.
Peter Fog i podejście statystyczne
Peter Fog w Stanach Zjednoczonych w 1956 roku dokonał bardziej ilościowego zastosowania. Zastosował podejście oparte na modelu statystycznym. Powiązał prawdopodobieństwo powstania danej pary fragmentów z dostępną gęstością stanów w punkcie załamania.
Logika jest prosta. Losowy ruch oznacza, że system doświadcza wszystkich możliwych konfiguracji. Ma większe prawdopodobieństwo, że trafi do obszarów, w których skoncentrowana jest największa liczba konfiguracji. Model zakłada, że energia potencjalna w punkcie siodłowym jest przekształcana w energię wzbudzenia. W punkcie załamania między wszystkimi stanami ustala się równowaga statystyczna.
Jądra z zamkniętymi powłokami mają dodatkową energię wiązania. Skutkuje to większą gęstością stanów dla danej energii wzbudzenia. Inne jądra tego nie mają. Stwarza to większe prawdopodobieństwo powstania konfiguracji z zamkniętymi powłokami. Rezultatem jest asymetryczny rozkład masy. Zgadza się to dobrze z obserwacjami rozszczepienia uranu-235 wywołanego neutronami.
Problem równowagi w punkcie przerwania
Wyjaśniono także zmiany rozkładu masy wraz ze wzrostem energii wzbudzenia. Wraz ze wzrostem energii wzbudzenia znaczenie efektów powłoki maleje. Zwiększa to prawdopodobieństwo podziału symetrycznego w porównaniu z podziałem asymetrycznym.
Inne funkcje wyjaśniono jakościowo. Aby jednak zachować spójność z eksperymentami dla innych nuklidów rozszczepialnych, wymagane są istotne zmiany w parametrach modelu. Istnieją zasadnicze problemy związane z założeniami leżącymi u podstaw tej koncepcji.
Kluczową kwestią w przypadku modeli punktów przerwania jest ich ważność. Czy układ wystarczająco długo znajdował się w punkcie nieciągłości na stromym zboczu powierzchni energii potencjalnej? Czy jest czas na ustalenie stanu quasi-równowagi?
Istnieją dowody na to, że taki stan faktycznie występuje. Nie jest to jednak jasno ustalone. Niemniej jednak modele te okazują się przydatne. Interpretują obserwacje rozkładów masy, ładunku i energii kinetycznej. Wyjaśniają zależność emisji neutronów od masy fragmentów.
Istotną rolę odgrywa prawdopodobnie struktura otoczkowa fragmentów. Decyduje o przebiegu procesu podziału. Szczegóły pozostają nierozwiązane. Fizyka tutaj jest myląca.
Modele kropli cieczy dobrze nadają się do opisywania ogólnych kształtów. Zawodzą, gdy rdzenie są rozciągane. W szczególności nie uwzględniają energochłonności powierzchni przy dużych odkształceniach. Stwarza to problem przy opisywaniu podziału.
V.M. Struciński rozwiązał ten problem w 1967 roku. Był rosyjskim fizykiem. Zaproponował model hybrydowy. Dodaje efekty powłoki do potencjału kropelek cieczy. Część opisana przez kroplę cieczy zachowuje zbiorowe skutki odpychania powierzchniowego i Coulomba. Korekty powłoki zależą od odkształcenia. Korekty te mogą sięgać kilku milionów elektronowoltów. To znacznie przekracza barierę kropelek cieczy wynoszącą około 5 MeV.
Stabilność powłok zmienia się wraz z kształtem rdzenia. Liczby magiczne zmieniają swoje wartości na rzecz kształtu kulistego. W pobliżu bariery rozszczepienia tworzy to strukturę na krzywej energii. Rysunek 7 pokazuje to. Te dwa piki różnią się w zależności od masy i liczby ładunków.
Struktura podwójnej bariery wyjaśnia istnienie izomerów
Ta podwójna forma rozwiązuje zagadkę podziału. W drugiej studni potencjału istnieją krótkotrwałe izomery spontanicznego rozszczepienia. Są to warunki II klasy. Bariera wyjścia z niego jest niższa. Okresy półtrwania są krótsze.
Stany te różnią się formą. Stany klasy I powracają do stanu podstawowego pod wpływem promieniowania gamma. Dla stanów klasy II przejście to jest trudne. Są izomerami postaci. Struktura podwójnej bariery wyjaśnia również przekroje poprzeczne rozszczepienia indukowanego neutronami. Strukturyzuje rozkłady kątowe fragmentów.
Metoda Strutsinsky’ego stymulowała obliczenia. Konsekwentnie uwzględniał efekty makroskopowe i mikroskopowe. Badaniami tymi kierowali amerykańscy fizycy W.J. Zvajneki i James R. Nix. Zmapowali potencjalne powierzchnie energii. Niektóre prace dotyczyły nawet dynamicznej ewolucji systemu.
Asymetria i punkt zerwania
Aktynowce wykazują asymetrię przy drugiej barierze. Asymetryczny podział na masy ma mniejszą energię. Na późniejszych etapach preferowany jest podział symetryczny. Potencjał jednolity nie działa przy dużych odkształceniach. Nie jest w stanie adekwatnie opisać dwóch wyłaniających się fragmentów.
W punkcie przerwania następuje nieciągłość. Wyniki zależą od tego, czy system jest postrzegany jako jedna całość, czy jako dwa oddzielne rdzenie. Potencjał dwuośrodkowy pomaga rozwiązać ten problem. Wykorzystuje nakładające się sfery. Zbiega się to z zachowaniem potencjału jednocentrowego przy małych odkształceniach. Zbiega się to z zachowaniem oddzielonych jąder pod wpływem dużych odkształceń.
Sugeruje to wstępne tworzenie się fragmentów muszli na wczesnych etapach. Modele punktu przerwania mogą mieć niewiarygodne założenia. Są one jednak zgodne z obserwacjami. Kluczowy jest model punktu przerwania z Argonne National Laboratory. Wykorzystuje zdeformowane skorupy fragmentów. Polega na interakcji poprzez „szyję”. Przewiduje rozkład masy, ładunku i energii kinetycznej. Uwzględnia zależność od emisji neutronów. Nie przewiduje prawdopodobieństwa rozszczepienia. Lub rozkłady kątowe.
Korekty powłoki zanikają wraz ze wzrostem energii wzbudzenia. Zaczyna dominować zachowanie makroskopowe.
Liczby magiczne określają dzielenie symetryczne
Ferm-264 ulega rozszczepieniu symetrycznemu. Energie kinetyczne fragmentów są nienormalnie wysokie. Dlaczego? Stabilność liczb magicznych. 50 protonów. 82 neutrony.
Powstają dwa fragmenty cyny-132. Jest to podwójna magiczna konfiguracja. Jest to korzystne energetycznie. Rozszczepienie uranu lub plutonu przy niskiej energii nie sprzyja powstaniu dwóch takich fragmentów. Tylko jeden.
Fragmenty cyny-132 są kuliste. Nie zdeformowany. Kompaktowa konfiguracja w punkcie krytycznym. Centra ładowania są bliżej siebie. Skutkuje to wyższą energią kinetyczną.
Fizyka jest tu jasna. Struktura ma znaczenie. Powierzchnie energetyczne nie są gładkie. Mają studnie. I bariery. I przerwy. Nadal je mapujemy.
Efekty powłoki pozostają krytyczne dla procesu rozszczepienia. Jest to prawdą niezależnie od tego, czy rozważamy system rozszczepialny w punkcie siodłowym, czy zdeformowane fragmenty w pobliżu punktu pęknięcia. Te właściwości mechaniki kwantowej pomagają wyjaśnić wiele zaobserwowanych cech. Nadal jednak nie mamy jednoznacznej odpowiedzi na temat dokładnego etapu, na którym określa się rozkłady fragmentów.
Obecne są składniki rozsądnego zrozumienia podziału. Po prostu nie zostały jeszcze zsyntetyzowane w kompletną teorię dynamiczną.
Przybliżenie adiabatyczne
Rozważmy dynamikę opadania. Układ porusza się wzdłuż powierzchni energii potencjalnej od punktu siodłowego do punktu nieciągłości. Skrajnym punktem widzenia jest przybliżenie adiabatyczne. Model ten zakłada, że zbiorowy ruch układu odbywa się powoli. A może związek pomiędzy zbiorowym i wewnętrznym stopniem swobody ruchu pojedynczych cząstek jest słaby.
Jeśli to stwierdzenie jest prawdziwe, szybkie ruchy pojedynczych cząstek mogłyby z łatwością dostosować się do zmian w kształcie jądra rozszczepialnego. Zbliża się do punktu krytycznego, nie zakłócając swojego stanu wewnętrznego. Zmiany zachodzą bez przyrostu lub utraty energii cieplnej.
Spadek energii potencjalnej pomiędzy siodłem a punktami zerwania będzie wówczas objawiał się przede wszystkim zbiorowymi stopniami swobody w momencie zerwania i będzie powiązany z energią kinetyczną względnego ruchu powstających fragmentów.
Nazywa się to energią kinetyczną przed pęknięciem. Energia jest przenoszona na ruch fragmentów, gdy się od siebie oddalają.
Niediabatyczny transfer energii
Odwrotny skrajny przypadek obejmuje szybszy ruch zbiorowy. Albo silniejsze powiązanie z ruchem cząstek. Tutaj zbiorowa energia przekształca się w wewnętrzne podniecenie. Staje się to energią cieplną dla nukleonów.
Wyobraź sobie ogrzewanie spowodowane ruchem lepkiego płynu. Tarcie pomiędzy warstwami generuje ciepło. W tym nieadiabatycznym procesie mieszanie stopni swobody pojedynczych cząstek może być całkowite. W punkcie przerwania można zastosować model statystyczny.
Złoty środek
Obydwa skrajne przypadki są przybliżeniami. Reprezentują złożone zachowanie uproszczone do analizy. Dane eksperymentalne mogą potwierdzać dowolną interpretację w zależności od konkretnego jądra lub energii.
Natura rzadko mieści się w układzie binarnym. Prawda prawdopodobnie leży gdzieś pomiędzy tymi skrajnościami. W procesie rozszczepienia rolę odgrywają prawdopodobnie zarówno mechanizmy adiabatyczne, jak i nieadiabatyczne. Interakcja między makroskopowymi zmianami kształtu a mikroskopijnymi zmianami kwantowymi pozostaje jednym z otwartych pytań w fizyce jądrowej. Znamy składniki. Po prostu jeszcze ich nie połączyliśmy.
Podział następuje więcej niż raz. To się rozprzestrzenia. Kiedy jądro się rozpada, uwalnia neutrony. Jeśli te neutrony zderzą się z innym atomem rozszczepialnym, atom ten również się rozpadnie. Wydziela więcej neutronów. Łańcuch rośnie. Albo zanika.
Matematyka tego procesu jest prosta, ale zabójcza. Mierzymy to za pomocą k, mnożnika. Jest to stosunek liczby podziałów w jednym pokoleniu do liczby podziałów w poprzednim pokoleniu.
- Jeśli k jest mniejsze niż 1, reakcja zanika.
- Jeśli k jest równe 1, pojawia się stabilny impuls. Krytyczna konstrukcja.
- Jeśli k jest większe niż 1, obwód eksploduje. Tryb nadkrytyczny.
Kluczowy zespół to coś więcej niż tylko kawałek metalu. Jest to starannie zaprojektowany system. Potrzebujesz materiału rozszczepialnego, zwykle metalu lub tlenku. Potrzebujesz moderatora, aby spowolnić neutrony. Potrzebujesz reflektora, aby zwrócić zbłąkane neutrony z powrotem do rdzenia, zapobiegając ich ucieczce.
Fizyka bomby kontra elektrownia
Szybkość jest ważna w bombie. Chcesz, aby k było jak najwyżej. Chcesz, aby czas między krokami był znikomo mały. Celem jest uwolnienie ogromnej energii w ciągu około 10^-7 sekund.
Weź pod uwagę skalę. Jeden kilogram uranu-235 poddany rozszczepieniu uwalnia energię równoważną 20 000 ton trotylu. To zabójca całych miast w jednym kilogramie.
Reaktory są projektowane inaczej. Nie chcą eksplodować. Muszą pracować stabilnie. W reaktorze stacjonarnym k pozostaje na poziomie 1. Ale w praktyce? Nie możesz utrzymać go dokładnie na poziomie 1. Projektujesz go tak, aby był nieco powyżej 1.
Dlaczego? Bo wszystko się zużywa.
Paliwo się wypala. Jest wyczerpany. Produkty rozszczepienia kumulują się. Niektóre z tych produktów ubocznych są „trucizną”. Pochłaniają neutrony. Redukują k. Jeśli zaczniesz od dokładnie 1, reaktor zatrzyma się, zanim uzyskasz jakąkolwiek użyteczną energię. Rozpoczęcie od nieco wyższej wartości pozwala zrekompensować utratę paliwa i nagromadzenie „trucizn”.
Trzeba także zachować część neutronów. Można je wykorzystać do badań lub do tworzenia izotopów promieniotwórczych do celów medycznych i przemysłowych.
Umożliwiają to drążki sterujące. Są to ruchome pręty wykonane z materiałów pochłaniających neutrony, takich jak bor, kadm czy hafn. Opuść je – k spada. Podnieś je – k rośnie.
To nie dzieje się natychmiast. Ze względu na opóźnione emitery neutronów wśród produktów rozszczepienia, występuje opóźnienie między pokoleniami neutronów. To niewielkie opóźnienie daje operatorom i systemom mechanicznym czas na reakcję. Bez tego sterowanie reaktorem byłoby niemożliwe.
Reaktory termiczne, pośrednie i szybkie
Nie wszystkie reaktory działają tak samo. Są one klasyfikowane według energii neutronów, które zapewniają reakcję łańcuchową.
Reaktory termiczne
Jest to najczęstszy typ. Opierają się na neutronach „termicznych”. Są to powolne neutrony poruszające się z prędkościami porównywalnymi z prędkościami cząsteczek gazu w temperaturze pokojowej.
Rozszczepienie wytwarza szybkie neutrony. Średnia energia kinetyczna przekracza 1 MeV. Są zbyt szybkie, aby skutecznie rozszczepiać inne atomy uranu-235. Trzeba je spowolnić. To jest zadanie moderatora.
Typowe zwalniacze:
– Zwykła woda
– Ciężka woda (D2O)
– Grafit
Reaktory pośrednie
Wspierają reakcję łańcuchową z neutronami o energii pośredniej. Jako moderator można zastosować beryl. Mniej powszechne, ale przydatne w określonych projektach.
Szybkie reaktory
Nie wymaga zwalniacza. Tutaj neutrony szybkiego rozszczepienia wykonują swoją pracę. Podtrzymują reakcję łańcuchową bez zwalniania. Wymaga to różnych składów i konstrukcji paliwa, ale może być bardziej oszczędne.
Każdy typ wymaga sposobu odprowadzania ciepła. Nie należy dopuścić do wyschnięcia reaktora. Płyny chłodzące różnią się w zależności od konstrukcji:
– Woda
– Gaz
– Płynny metal
Wybór chłodziwa zależy od wymagań dotyczących ciśnienia, temperatury i stabilności chemicznej.
Poza elektrycznością: użyteczność produktów rozszczepienia
Po uruchomieniu reaktora i wyczerpaniu się paliwa odpady stają się czymś więcej niż tylko śmieciami. To jest zasób. Produkty rozszczepienia powstałe podczas operacji zawierają bogaty zestaw izotopów promieniotwórczych.
Niektóre z nich są krótkotrwałe i niebezpieczne. Inne są wystarczająco stabilne, aby je zebrać.
Głównym celem są izotopy medyczne. Technet-99m, stosowany w obrazowaniu diagnostycznym, jest często produktem ubocznym rozszczepienia. Jod-131 leczy choroby tarczycy. Stront-90 zasila zdalne rozruszniki serca i nadajniki radiowe.
Zastosowania przemysłowe są równie szerokie. Radioizotopy wykorzystuje się w radiografii do kontroli spoin rurociągów. Mierzą grubość na liniach produkcyjnych. Sterylizują sprzęt medyczny bez użycia ciepła, zachowując wrażliwe materiały.
„Odpad” z jednego punktu widzenia jest surowcem dla innego przemysłu. W tym samym procesie, który generuje energię, powstają także narzędzia dla współczesnej medycyny i przemysłu.
Rozróżnienie pomiędzy produkcją energii a produkcją materiałów jest sztuczne. W dobrze zaprojektowanym cyklu są to dwa wyjścia tego samego strumienia neutronów.
Sercem reaktora jądrowego jest piec. Wytwarza parę lub gorące gazy. Wyjścia te spełniają dwie funkcje. Zapewniają bezpośrednie ogrzewanie. Lub napędzają turbiny, które wirują generatory w celu wytworzenia energii elektrycznej.
To znana historia każdemu. Elektrownie komercyjne korzystają z tej technologii na całym świecie. Marynarka wojenna wykorzystuje go do przemieszczania okrętów podwodnych i statków nawodnych. Ale historia się na tym nie kończy, jeśli spojrzymy tylko na podstawy. Prawdziwe zalety tych maszyn wykraczają daleko poza sieć.
Dlaczego duży strumień neutronów ma znaczenie
Reaktory odgrywają kluczową rolę w materiałoznawstwie. Zapewniają intensywne strumienie neutronów. Naukowcy wykorzystują to do badania zachowania materiałów pod obciążeniem. Używają tego do badania struktur atomowych. Ale jest tu inny produkt wyjściowy. Szeroka gama radioizotopów.
Te radioizotopy to nie tylko odpady. Oprócz produktów rozszczepienia znalazły wiele zastosowań. Można je znaleźć w procedurach medycznych. Można je znaleźć w radiografii przemysłowej. Reaktor jest fabryką produkującą izotopy.
Zaleta baterii nuklearnych
Ciepło powstałe w wyniku rozpadu radioaktywnego ma jeszcze jedną sztuczkę. Można go bezpośrednio przekształcić w energię elektryczną. Dzieje się tak na skutek efektu termoelektrycznego w materiałach półprzewodnikowych. Rezultatem jest bateria nuklearna.
Nie przypominają baterii w telefonie. Są trwałe. Opierają się na określonych izotopach. Niektóre emitują cząstki beta. Stront-90 jest jednym z przykładów. Promet-147 jest inny. Inne emitują cząstki alfa. Pluton-238 należy do tej kategorii. Stosowany jest również kiur-244.
Dlaczego warto je stosować zamiast baterii słonecznych lub chemicznych? Ponieważ pracują bez światła słonecznego. Pracują w ekstremalnie niskich temperaturach. Działają przez dziesięciolecia bez konserwacji.
Gdzie je umieszczamy
Dzięki temu idealnie nadają się do miejsc, do których trudno dotrzeć. Lub w miejscach gdzie nie ma możliwości uzupełnienia paliwa.
Weź rozruszniki serca. Wczesne modele wykorzystywały te baterie jądrowe. Wytrzymały dłużej niż ludzkie serce. Utrzymywali pacjentów przy życiu, gdy zawiodły inne źródła zasilania.
Są również niezbędne w przypadku odległych, niezamieszkanych miejsc. Pomyśl o sondach kosmicznych. Misje Voyagera wykorzystywały źródła zasilania zawierające pluton-238. W tak dużej odległości od Słońca panele słoneczne nie wchodziły w grę.
Weźmy pod uwagę regiony polarne. W Arktyce i Antarktyce zimy są długie. Jest mało światła słonecznego. Urządzenia zasilane są bateriami jądrowymi.
Z podobnymi wyzwaniami wiążą się morza pełne. Stacje monitorowania głębin morskich wymagają źródła zasilania, które nie wycieka ani nie ulega łatwej korozji. Izotopy te zapewniają stabilność.
Prawdziwy wpływ
Zastosowania radioaktywności wykraczają poza zwykłe wytwarzanie energii. Istnieją praktyczne zastosowania innych radioizotopów. Pomagają diagnozować choroby. Sterylizują sprzęt medyczny. Monitorują przepływ płynów w szybach naftowych.
Kiedy patrzysz na reaktor jądrowy, widzisz coś więcej niż tylko elektrownię. To jest źródło precyzji. To narzędzie do odkrywania. Jest to system podtrzymywania życia w najtrudniejszych warunkach na Ziemi i poza nią.
Nauka jest złożona. Aplikacje są wszędzie. Trzeba tylko wiedzieć, gdzie szukać.
