Візьміть важкий атом, як уран або плутоній. Вразіть його нейтроном. Спостерігайте, як він розколюється.
Це і є ядерний поділ. Не хімічна реакція. Це щось набагато потужніше та енергійніше. Ядро ділиться на два приблизно рівні фрагменти. Важкі уламки. Радіоактивні побічні продукти. Але головна історія не в уламках. Вона у енергії.
При руйнуванні атома вивільняється дуже багато енергії.
Цей процес є двигуном атомних електростанцій. Це також механізм, що лежить в основі ядерної зброї. Різниця полягає у контролі. В одному випадку виникає неконтрольована ланцюгова реакція. В іншому підтримується стабільна, керована пульсація.
Механіка розщеплення
Чому розщеплення атома вивільняє енергію? Відповідь у дефекті маси.
Сумарна маса двох фрагментів трохи менша за масу вихідного ядра. Ця маса, що бракує, не зникає. Вона перетворюється безпосередньо на енергію. Рівняння Альберта Ейнштейна E=mc² пояснює це перетворення. Крихітна маса дає колосальну кількість енергії, тому що квадрат швидкості світла – це величезна кількість.
Фрагменти розлітаються убік. Вони несуть кінетичну енергію. Вони стикаються з навколишніми атомами. Температура збільшується. Пара обертає турбіни. Струм тече.
Контроль ланцюгової реакції
Поділ не відбувається ізольовано. Процес розщеплення часто вивільняє додаткові нейтрони. Ці нейтрони можуть уразити інші атоми урану. Ці атоми розщеплюються. Вони виділяють більше нейтронів.
Це ланцюгова реакція.
Якщо його не стримувати, реакція прискорюється експоненційно. Це — бомба. Якщо контролювати, реакція залишається стабільною. Це реактор.
В активну зону вставляються стрижні керування матеріалів, що поглинають нейтрони, таких як бор або кадмій. Вони поглинають надлишкові нейтрони. Вони уповільнюють реакцію. Оператори регулюють ці стрижні, щоб підтримувати бажаний рівень потужності.
Чому це важливо сьогодні
Ядерний поділ забезпечує значну частину низьковуглецевої електроенергії у світі. Воно працює надійно. На відміну від сонячної чи вітрової енергії, воно не залежить від погоди. Воно не робить прямих викидів вуглецю в процесі експлуатації.
Проте відходи залишаються. Радіоактивні фрагменти від розщеплених атомів залишаються небезпечними протягом тисяч років. Зберігання та утилізація залишаються постійними проблемами. Технологія потужна. Вона також дуже складна.
За межами енергії
Поділ – це не тільки електростанції. Медичні ізотопи часто виробляються у реакторах. Ці ізотопи допомагають діагностувати та лікувати захворювання. Терапія раку покладається на точні джерела випромінювання. Деякі з них походять із побічних продуктів поділу.
Наука проста за своєю суттю. Розщепіть важке ядро. Отримайте енергію. Саме застосування стає областю складності. Безпека, відходи та політика ускладнюють картину.
Фізика не змінюється. Змінюються наслідки.
У міру розвитку технологій нові конструкції реакторів прагнуть більшої ефективності та безпеки. Малі модульні реактори обіцяють дешевшу та масштабовану енергію. Дослідження в галузі термоядерного синтезу пропонують зовсім інший шлях – об’єднання атомів, а не їхнє розщеплення. Але розподіл залишається наріжним каменем поточної енергетичної системи.
Ми покладаємось на нього. Ми боїмося його. Ми керуємо ним.
Атом розколюється. Енергія тече. Питання не в тому, чи ми можемо це зробити. Питання, чи можемо ми зробити це мудро.
Як насправді працює поділ ядра
Все починається з розколу. При ядерному розподілі ядро атома розпадається на два легших ядра. Це відбувається не так. Іноді це відбувається спонтанно. Але найчастіше доводиться діяти примусово.
Ви можете спровокувати розщеплення за допомогою частинок, таких як нейтрони, протони, дейтрони або альфа-частинки. Також підходять гамма-промені.
Як тільки ядро розколюється, нагорода виявляється колосальною.
Виділяється дуже багато енергії. Миттєво утворюються радіоактивні продукти. Декілька нейтронів вилітають у порожнечу.
І тут криється ключовий момент. Ці звільнені нейтрони? Вони не просто відлітають геть. Вони стикаються з сусідніми ядрами матеріалу, що ділиться, викликаючи там розподіл. Вивільняючи ще більше нейтронів.
Ця послідовність повторюється. Запускається ланцюгова реакція. Ядра піддаються поділу масово. Величезна кількість енергії вибухає на всі боки.
Контрольована енергія проти неконтрольованого руйнування
Поставте цю ланцюгову реакцію під контроль. Зробіть це у ядерному реакторі. Ви отримуєте енергію. Чисту, концентровану енергію для суспільства.
Зробіть це неправильно. Або зробіть це навмисно. Як у атомній бомбі. Результатом стає вибух руйнівної сили.
Одні й самі фізичні закони. Протилежні результати. Одна живить міста. Інша їх нищить.
Атомна ера та її складності
Відкриття ядерного поділу відкрило нову епоху. Атомну епоху.
Її потенціал як добра, так зла сформував все. Соціальні зрушення. Політичні потрясіння. Економічні буми. Наукові прориви.
Воно також принесло серйозні побоювання. Співвідношення ризику та вигоди не є простим. Це постійне ходіння канатом.
Навіть із суто наукової точки зору поділ залишається складним. Воно ставить нам загадки. Теоретичні пояснення неповні. Ми краще розуміємо механіку, аніж повну картину.
Ми знаємо, як розщепити атом.
Ми все ще намагаємося зрозуміти, що насправді означає мати цю силу.
Слово «поділ» (fission) було придумано лише 1939 року. Німецькі фізики Ліза Мейтнер і Отто Фріш ввели цей термін для опису процесу, при якому важке ядро розколюється на два легші ядра приблизно рівного розміру. Це стало кінцем хаотичної наукової саги та початком інтенсивного періоду досліджень.
Справжня історія розпочалася раніше. У 1932 році Джеймс Чедвік відкрив нейтрон в Англії. Енріко Фермі та його команда в Італії незабаром почали опромінювати елементи цими нейтральними частинками. До 1934 вони помітили щось дивне. Опромінення урану повільними нейтронами призводило до утворення чотирьох різних радіоактивних ізотопів. Вони випускали бета-частинки. Вчені вважали, що знайшли трансуранові елементи з атомними номерами 93, 94 або вище.
Радіохіміки кинулися вивчати ці нові ізотопи. Результати були заплутаними. Плутанина тривала до 1939 року.
Отто Ган та Фріц Штрассман у Німеччині остаточно довели, що ці «трансуранові» елементи насправді були барієм, лантаном та іншими елементами середньої частини періодичної таблиці. Вони пішли слідом, вказаним Іреном Жоліо-Кюрі та Павлом Савичем у Франції.
Іда Ноддак 1934 року припустила, що з важких ядер можуть утворюватися легші елементи. Ідею було проігноровано. Вона суперечила прийнятій ядерній фізиці і мала хімічного підтвердження. Ган та Штрассман надали це підтвердження.
Мейтнер і Фріш використовували модель рідкої краплі, щоб пояснити цей процес. Вони вказали на величезний викид енергії. Лабораторії у всьому світі підтвердили реакцію. Протягом року понад 100 статей описували цей процес.
Хімічні докази, які були настільки важливими для того, щоб привести Гана та Штрассмана до відкриття ядерного поділу, були отримані із застосуванням методів носія та трасерів.
Як вчені ідентифікували продукти поділу
Хімічні методи мали вирішальне значення. Створювалися невидимі кількості радіоактивних видів. Вчені визначали їх тотожність, відстежуючи, як вони переміщалися разом із відомими елементами-носіями.
Вони додавали відомі радіоактивні трасери. Вони порівнювали поведінку, щоб ідентифікувати невідомі речовини. З тих пір ці радіохімічні методи дозволили виділити із продуктів розподілу 34 елементи. Діапазон охоплює елементи від цинку (атомний номер 30) до гадолінію (атомний номер 64).
Широкий діапазон радіоактивностей робить розподіл багатим джерелом трасерів. Вони використовуються в хімічних, біологічних та промислових додатках.
Які ізотопи викликають поділ і чому це важливо
Ранні експерименти використали звичайний уран. Було швидко встановлено, що це відповідає уран-235. Він поділяється під впливом повільних нейтронів.
Уран-238 найпоширеніший. Для його поділу потрібні швидкі нейтрони з енергією, що перевищує 1 МеВ. Ядра торію та протактинія також діляться під впливом швидких нейтронів.
Підходять інші частки. Швидкі протони, дейтрони та альфа-частинки індукують реакцію. Гамма-промені також ефективні.
Винахід ядерного реактора
У 1939 році Фредерік Жоліо-Кюрі, Ганс фон Гальбан та Лев Коварскі виявили, що при розподілі урану-235 випускається кілька нейтронів. Це вказувало на можливість ланцюгової реакції, що самопідтримується.
Фермі та його колеги побачили потенціал. Вони усвідомили потужність керованої реакції. 2 грудня 1942 року їм вдалося досягти успіху.
Вони запустили перший у світі ядерний реактор. Він називався “купа” (pile). Він складався з блоків урану та графіту. Він був побудований на території університету Чикаго.
Після цього був Манхеттенський проект. То справді був секретний проект. Він був спрямований на створення атомної бомби після вступу США до Другої світової війни.
Коли війна закінчилася, зусилля змістилися. Вчені розробили нові типи реакторів. Їхньою метою стало великомасштабне виробництво електроенергії. Так виникла атомна енергетика.
Фундаментальні основи процесу розподілу тепер були зрозумілі. Технологія перейшла з теорії до реальності. Наслідки для енергетики та війни були негайними. Світ змінився так, як мало хто міг передбачити у 1934 році.
Секрет ядерного поділу над магії. Він у структурі. Потрібно дивитися на те, як влаштовано ядерну речовину. І наскільки воно стабільне.
Ядра складаються з нуклонів. Це просто модне слово для позначення протонів та нейтронів. Загальна кількість цих частинок – це ваше масове число. Все просто. Але тут починається найцікавіше. Фактична маса ядра завжди менша за суму його складових. Якби ви взяли всі вільні нейтрони і протони і зважили їх окремо, вони б важили більше, ніж ядро, яке вони утворюють.
Різниця між цими двома вагами називається дефектом маси. І ця маса, що бракує? Вона не зникла. Вона перетворилася на енергію.
Ейнштейнівська формула пояснює це. E = mc ². Енергія дорівнює масі, помноженій на квадрат швидкості світла. Це колосальний коефіцієнт конверсії. Цей дефект маси є прямою мірою енергії зв’язку. Яка, по суті, є клеєм, що утримує ядро разом.
Уявіть це так. Коли утворюється ядро, воно виділяє енергію. Щоб розірвати його на окремі нуклони, потрібно витратити рівно стільки енергії. Чим вища енергія зв’язку, тим стабільніше ядро. Тим важче його розібрати.
«Різниця відома як дефект маси і є мірою повної енергії зв’язку (і, отже, стабільності) ядра».
Ця стабільність має значення. Тому що якщо ядро нестабільне, воно може розщепитися. Розподіл. Якщо вона стабільна, вона просто залишається на місці. Чекаючи.
Енергія, що виділилася при освіті, — це та сама енергія, яку довелося б витратити на його знищення. Це замкнутий цикл. Герметичний зв’язок. Маса стає енергією. Енергія утримує масу разом. І саме тому одні атоми легко розщеплюються, інші залишаються недоторканими протягом мільярдів років.
Подивіться на криву середньої енергії зв’язку на нуклон. Це знайома у фізиці форма, що досягає піку приблизно при масовому числі 56. Це і є золота середина. Це залізо.
Графік розповідає просту історію про стабільність. Залізо знаходиться на вершині пагорба. Якщо у вас є ядро важче заліза, воно прагне розщепитися. Воно хоче розбитися на легші фрагменти, що знаходяться нижче на енергетичному схилі. Різниця в енергії зв’язку не просто зникає. Вона вивільняється. Це розподіл.
Якщо у вас є щось легше заліза, шлях відрізняється. Ці ядра можуть набути стабільності, стикаючись один з одним. Вони зливаються у важче ядро з великим дефектом маси. Різниця в масі перетворюється на енергію. Це синтез. Це двигун Сонця. Це основа водневої бомби. Це також «святий Грааль» для генерації чистої енергії, в області якої вже десятиліття ведуться активні пошуки, що часто розчаровують.
Бар’єр для спонтанного розпаду
Тут звичайна енергетична модель дає збій.
Якби енергетичні міркування були єдиним чинником, вся матерія зрештою колапсувала б залізо. Все прагнуло б цієї найбільш стабільної конфігурації. Але це не відбувається. Всесвіт не такий лінивий — і не такий ефективний.
Існують бар’єри. Інші фактори перешкоджають спонтанному перетворенню.
Щоб зрозуміти чому, фізики розглядають ядро як заряджену краплю рідини. Це якісний аналог, але він працює. Сильна ядерна взаємодія пов’язує нуклони разом. Воно притягує. Воно потужне. Але воно короткодіє. Воно працює лише між найближчими сусідами.
Нуклони на поверхні мають менше сусідів, аніж ті, що поховані в глибині. Це створює поверхневий натяг. Крапля прагне мінімізувати свою площу поверхні, щоб знизити енергію. Найбільш ефективною формою обмеження обсягу є сфера. Тому ядро набуває сферичної форми.
Проблема кулонівського відштовхування
Протони не підкоряються тим самим правилам короткодії. Вони мають позитивний заряд. Вони відштовхуються один від одного за допомогою кулонівської сили.
У міру зростання ядра це відштовхування стає серйозною проблемою. Як тільки ви перевищуєте кількість нуклонів приблизно в 40, сила сильної взаємодії притягує насилу утримує всі разом проти електричного виштовхування.
Рішення? Розведення.
Тяжкі ядра зберігають відносну стабільність за рахунок додавання надлишкових нейтронів. Нейтрони збільшують тяжіння сильної взаємодії, не збільшуючи кулонівського відштовхування. Вони діють як клей, розбавляючи густину протонів. Вам потрібно все більше і більше нейтронів зі збільшенням масового числа, щоб утримати краплю від розльоту.
Цей тонкий баланс визначає межі періодичної таблиці. Він пояснює, чому одні елементи стабільні, інші розпадаються. Він пояснює, чому ми не можемо просто дозволити Всесвіту скотитися вниз у купу залізних куль. Бар’єри є реальними. Фізика складна. І енергія, замкнена в цих важких, багатих на нейтрони краплі? Ще чекає, щоб бути вивільненою.
Коли ядро збуджується, воно починає вібрувати. Воно перестає бути бездоганною сферою.
Відразу набувають чинності сили поверхневого натягу. Вони прагнуть повернути ядру круглу форму, оскільки сфера мінімізує поверхневий натяг. Але існує протидіюча сила. Протони всередині відштовхуються один від одного. У міру розтягування ядра протони віддаляються один від одного. Відштовхування слабшає.
Ці дві протилежні тенденції створюють проблему. Бар’єр.
На малюнку 2 показано ясно. Крива енергії спочатку зростає. Чому? Тому що сильна ядерна взаємодія — клей, що утримує ядро разом, є короткодіючим і потужним. Воно чинить опір деформації.
Але кулонівське відштовхування між протонами слабшає швидше, ніж зростає поверхневий натяг. Зрештою, вони приходять у рівновагу.
Це точка * B *.
Це конкретне становище відоме як «сідлова точка».
На тривимірній карті потенційної енергії цей пік виглядає як кінна сідловина. Це найвища точка опору перед тим, як ядро зважиться на розщеплення. Якщо у вас недостатньо енергії, щоб подолати цю сідловину, нічого не відбувається.
За точкою B правила змінюються. Кулонівське відштовхування бере керування він. Воно приводить ядро до подальшого витягування. Протони штовхають сильніше, ніж поверхневий натяг може утримати. Ядро розтягується доти, доки не розірветься.
Це точка S, точка розриву. Ядро розколюється на дві частини. Якісно поділ – це просто результат того, що протони відмовляються залишатися близько один до одного.
Індуковане поділ
Не кожне ядро розпадається саме собою. Висота цього енергетичного бар’єру залежить від того, яке саме ядро ви розглядаєте.
Щоб викликати поділ, потрібно порушити ядро. Необхідно вдарити по ньому достатньою енергією, щоб подолати бар’єр. Це можна зробити за допомогою гамма-променів (фотовиділення) або шляхом зіткнення з ним частинки. Нейтрони, протони, що завгодно, що спрацює.
Тут проявляється важливість парно-непарної природи нейтронів. Це змінює енергію зв’язку.
Якщо ви додасте нейтрон до ядра, яке вже має непарну кількість нейтронів, ви отримаєте парне число. Це спарювання стабільне. Енергія зв’язку зростає.
Якщо ви додасте нейтрон до ядра з парним числом нейтронів, ви отримаєте непарне число. Приріст енергії зв’язку буде меншим.
Ця різниця пояснює, чому деякі матеріали діляться під впливом повільних нейтронів, тоді як іншим потрібні швидкі.
Більшість важких елементів є нестабільними щодо поділу, але вони знаходяться в глибокій ямі. Їм потрібний поштовх, щоб вибратися.
- Уран-233, Уран-235, Плутоній-239: У них непарна кількість нейтронів. Додавання ще одного нейтрону вивільняє достатньо енергії зв’язку, щоб виштовхнути їх через бар’єр. Повільні, низькоенергетичні нейтрони цілком підходять.
- Торій-232, Уран-238: У них парне число нейтронів. Приріст енергії зв’язку дуже слабкий. Кінетична енергія вхідного нейтрона необхідна, щоб заповнити різницю. Потрібний швидкий нейтрон з енергією близько 1 МеВ.
Математика проста. Якщо активаційної енергії немає, бар’єр утримує.
Спонтанний поділ
Квантова механіка дивна. Вона оперує ймовірностями, а чи не визначеностями.
Навіть у своєму основному стані — конфігурації з найменшою енергією, що знаходиться в безпеці нижче бар’єру, елемент, що ділиться, має невелику, але кінцеву ймовірність опинитися по інший бік.
Візьміть уран-238. Він укладений усередині бар’єру. Але квантове тунелювання дозволяє йому проникати крізь стіну. Він не перелазить через неї. Він проходить наскрізь.
Це спонтанний поділ. Жодного зовнішнього впливу не потрібно.
Імовірність мізерно мала. Для урану-238 потрібно понад $10^{15}$ років, щоб половина матеріалу розпалася таким чином. Це дуже довгий час.
Але найважчих відомих нуклідів ймовірність різко зростає. Бар’єр стає тоншим. Спонтанний поділ стає домінуючим режимом розпаду. Деякі з цих надважких ядер існують лише частки секунди.
Ця нестабільність є жорсткою межею. Вона може запобігти утворенню ще більш важких ядер взагалі. Всесвіт проводить межу, і спонтанний поділ – це гумка.
Стадії поділу
На малюнку 3 показано тимчасову шкалу розщеплення важкого ядра. Годинник унизу показує, наскільки швидко це відбувається. Це не повільне горіння. Це бурхливий та миттєвий процес.
Імовірність розщеплення
Коли важке ядро розколюється, воно не завжди розпадається на ті самі частини. Нейтрони та протони перерозподіляються непередбачуваним чином. Це створює розподіл ймовірностей за масою та ядерним зарядом.
Вчені називають можливість появи конкретного фрагмента його виходом при розподілі (fission yield). Він вимірюється у відсотках від усіх актів розподілу, що призводять до цього конкретного результату.
Після того, як ядро розривається, дві його половини розлітаються в різні боки. Вони мають позитивний заряд. Кулонівське відштовхування між ними величезне. Вони розлітаються з кінетичною енергією, що визначається їх зарядами та відстанню між центрами зарядів у момент розриву. Навіть для того самого розподілу за масами енергія варіюється. Параметри змінюються. Швидкість віддачі змінюється.
Зрив та уповільнення
Фрагменти рухаються надто швидко для власних електронів. Атомні електрони не встигають за ними. Вони зриваються.
Оскоки розподілу розлітаються як сильно заряджені атоми, а чи не як нейтральні об’єкти.
Ядерний заряд не нейтралізується атомними електронами негайно. Фрагмент досі деформований. Коли він повертається до стабільної форми, він звільняє енергію деформації. Вона перетворюється на внутрішню енергію збудження. Випаровуються нейтрони. Практично одночасно випромінюються швидкі гамма-кванти.
Ці швидко рухаються, сильно заряджені атоми зіштовхуються із середовищем, якою проходять. У повітрі їх пробіг становить лише кілька сантиметрів. Кінетична енергія передається середовищі у вигляді іонізації та тепла. Атом уповільнюється.
Під час цього уповільнення він захоплює електрони із навколишнього середовища. На момент зупинки він стає нейтральним. Тепер він більше не є уламком. Це продукт розподілу.
Масове число могло змінитись. Нейтрони були втрачені у процесі переходу. Продукт все ще радіоактивний. Він нестабільний. Він піддається бета-розпаду. Тимчасова шкала? Від часток секунди до багатьох років. Бета-випромінювання виробляє електрони та антинейтрино. Гамма-промені та рентгенівські промені часто приєднуються до цього процесу.
Приховані змінні
Розподіли по масі, заряду і кінетичної енергії залежать від ізотопу, що ділиться. Вони також залежить від енергії порушення акта поділу.
Феноменологія велика. Існує багато аспектів для інтерпретації. Розглянемо систематику перерізів поділу. Це міра ймовірності того, що станеться поділ. Розглянемо варіації у кількості швидких нейтронів, що випускаються. Це варіюється в залежності від ізотопу та розподілу по масах.
Подивіться на кутовий розподіл уламків щодо пучка частинок. Подивіться періоди напіврозпаду спонтанного поділу. Подивіться на ізомери спонтанного поділу, які є збудженими станами ядра.
Деякі події випромінюють легкі частинки, такі як тритій (водень-3), гелій-3 або гелій-4. Не завжди. Але у невеликих, але значних кількостях. Серед продуктів існують емітери нейтронів, що запізнюються. Тимчасова шкала кожного етапу має значення. Розподіл енергії, що виділяється між частинками та випромінюванням, є складним.
Повне обговорення всіх цих аспектів неможливе тут. Але кілька деталей дають уявлення. Вони пропонують смак тієї захоплюючості, яка полягає у цьому явищі.
Розподіл мас осколків поділу
Спосіб, яким фрагменти розпадаються, є однією з найбільш визначальних характеристик ядерного процесу. Це не випадковий процес. Він сильно залежить від двох факторів: маси ядра, що розпадається, і енергії збудження, присутньої в момент поділу.
При низьких енергіях збудження процес стає асиметричним. Візьмемо уран-235 чи плутоній-239. Вони не поділяються на дві рівні половини. Натомість вони віддають перевагу нерівному поділу. Це створює розподіл ймовірностей із двома піками. Легка група фрагментів зміщується у бік великих масових чисел у міру збільшення маси ядра, що ділиться. Важка група залишається переважно нерухомою.
Підвищення енергії змінює правила гри.
Симетричні поділи стають можливішими. Асиметричні – зменшуються. Долина між двома піками заповнюється. При високих енергіях збудження крива стає одногорбою. Максимальна вихідна величина знаходиться прямо в області симетрії.
Не всі ядра підпорядковуються тим самим правилам. Ізотопи радію демонструють дивний розподіл із трьома піками. Легші нукліди залишаються одногорбими та симетричними. Але для поділу їм потрібна значна енергія активації. Потім є дуже тяжкі ядра поблизу фермія-260. Тут спонтанний поділ дає симетричну одногорбу криву. Кінетичні енергії фрагментів, що утворюються, аномально високі.
Розуміння цих розподілів було великою загадкою. Повне теоретичне пояснення залишається elusive (важкодосяжним), незважаючи на значний прогрес.
Як ланцюги розпаду відновлюють баланс
Стабільність потребує певного співвідношення нейтронів та протонів (n /p ). Це співвідношення має збільшуватися зі зростанням кількості протонів. До кальцію (20 протонів) співвідношення залишається рівним одиниці. Після цього воно зростає. Для найважчих елементів воно сягає приблизно 1,5.
Коли важке ядро ділиться, воно випромінює кілька нейтронів. Це допомагає, але замало. Фрагменти, що залишилися, все ще мають занадто високе співвідношення n /p для стабільності. Вони нестабільні.
Вони виправляють це за допомогою радіоактивного розпаду. Зокрема, бета-мінус розпаду. Нейтрони перетворюються на протони. Випускаються негативний електрон (бета-частка) та антинейтрино. Масове число залишається тим самим. Атомний номер зростає на одиницю. З кожним перетворенням народжується новий елемент.
Ці послідовні бета-розпади утворюють ізобарний ланцюг розпаду продуктів розподілу. Кожному масовому числу відповідає свій ланцюг. Періоди напіврозпаду цих радіоактивних видів, як правило, збільшуються з наближенням до стабільного ізобару в кінці ланцюга.
Для ясності у термінології:
– Ізотопи мають однаковий ядерний заряд (Z, протони), але розрізняються за кількістю нейтронів та масовим числом (A ).
– Ізобари мають однакове масове число (A ), але розрізняються за атомним номером (Z ).
Розглянемо типовий поділ мас при нейтрон-індукованому поділі урану-235. Якщо з початкових фрагментів випускаються два нейтрони, утворюються комплементарні маси 93 і 141. Розподіл заряду між цими фрагментами є критичним параметром цього процесу.
Для цих конкретних мас ізобарні ланцюги розпаду протікають в такий спосіб. Періоди напіврозпаду для кожного кроку розпаду бета вказані вздовж стрілок переходу.
Математика ядерного поділу точна. Якщо подивитися на символ елемента, нижнє число означає Z (протони), а верхнє — A (масове число). Коли уран-235 розпадається, він має зберегти всі 92 протони. Ядро не просто розривається випадково. Воно, зазвичай, розпадається на комплементарні пари. Криптон-36 та барій-56. Рубідій-37 та цезій-55. Стронцій-38 та ксенон-54. Ці комбінації зберігають заряд. Вони є найімовірнішими наслідками.
Незалежний та кумулятивний виходи
Не всі продукти поділу утворюються однаково. Деякі з’являються миттєво. Для освіти інших потрібен час. Незалежний вихід вимірює, як часто конкретний нуклід утворюється безпосередньо з початкових фрагментів після їхнього охолодження. Це прямий вихід. Але це не вся картина.
Якщо ви хочете отримати повну виставу, вам потрібен кумулятивний вихід. Це загальний відсоток для будь-якого нукліду в ланцюзі розпаду. Він виходить шляхом додавання незалежного виходу цього нукліду з виходами всіх попередників, які розпадаються в нього. Це гра сум. Загальний вихід всього ланцюга для певного масового числа називається кумулятивним виходом.
Гіпотеза рівного зміщення заряду
Радіохіміки вивчають це явище протягом десятиліть. Вони виявили закономірність. Найімовірніший розподіл заряду не центрований щодо стабільності. Воно зміщене. І ось що цікаво: воно зміщене на однакову відстань як легких, так важких фрагментів. Вчені називають це гіпотезою рівного зміщення заряду (ECD). Фізичні виміри підтвердили її.
У прикладі з рубідієм-цезієм, який я згадував раніше, ECD передбачає, що найімовірніші заряди припадають на рубідій-37 та цезій-55. Але природа любить короткі шляхи. Якщо фрагмент має 50 протонів, набуває чинності сильний ефект оболонки. Це спотворює очікування на основі ECD. Розподіл освіти заряду стає вузьким. Воно виглядає як гаусове. Воно практично однаково незалежно від розподілу по масі або конкретного атома, що ділиться.
Найімовірніший заряд ($Z_p$) – це корисне поняття тут. Він може бути цілим числом. Це статистичне середнє. У міру збільшення енергії поділу фрагменти прагнуть зберегти те співвідношення нейтронів до протонів ($n/p$), як і вихідне ядро. Це називається розподілом заряду без змін.
Промпт-нейтрони: миттєвий викид
Скільки нейтронів вилітає? Це варіюється. Середня кількість нейтронів однією поділ позначається як $\bar{\nu}$. Для спонтанного поділу урану-238 воно становить близько 2,0. Для фермію-257 воно зростає до 4,0. Для поділу урану-235, індукованого тепловими нейтронами, він дорівнює 2,4.
Але $\bar{\nu}$ це середнє значення. Кожна окрема подія відрізняється. Це залежить від того, як відбувається розподіл за масою. Все ще точаться суперечки про те, скільки нейтронів вилітає безпосередньо в момент сцинтиляції (розриву ядра). Однак більшість фізиків згодні з тим, що основна маса нейтронів вивільняється фрагментами, що відлітають, відразу після їх поділу.
Чому? Енергія. У фрагментів є енергія. Внутрішня збуджена енергія (тепло). Енергія деформації, накопичена подібно до пружини. Коли фрагмент повертається до своєї стабільної форми, ця енергія вивільняє нейтрони. Чим більше енергії у фрагмента, тим більше він викидає нейтронів.
Затримані нейтрони: механізм управління
Більшість нейтронів є промпт-нейтронами. Невелика частина – затриманими. Це відбувається, коли продукти розподілу піддаються бета-розпаду. Енергія бета-розпаду висока. Вона вища за енергію зв’язку нейтрону в дочірньому ядрі. Це зазвичай відбувається, коли дочірнє ядро має на один або два нейтрони більше ніж закрита оболонка з 50 або 82 нейтронами. Ці зайві нейтрони слабко пов’язані.
Бета-розпад переводить дочірнє ядро у збуджений стан. Збуджений стан, який є нестабільним. Воно випромінює нейтрон. Але це відбувається не миттєво. Це затримується періодом напіврозпаду попередника. Ми ідентифікували шість таких емітерів затриманих нейтронів. Їхні періоди напіврозпаду варіюються від 0,5 секунди до 56 секунд.
Їх вихід мізерно малий. Близько 1 відсотка від числа промпт-нейтронів. То чому вони важливі? Без них управління ядерним реактором було б практично неможливим. Ланцюгова реакція змінювалася б дуже швидко, щоб людські руки або навіть більшість механічних систем могли внести корективи. Ці затримані нейтрони дають час. Вони роблять реакцію керованої.
Розрахунки виділення енергії
Звідки береться тепло? Різниця мас. Загальний енергія, що виділяється, розраховується шляхом розгляду мас спокою. Реагенти, порівняно з продуктами. Візьмемо уран-235 плюс нейтрон. Порівняємо його зі стабільними кінцевими продуктами, такими як ніобій-93 і празеодим-141 плюс два нейтрони. Маса не зберігається. Частина її зникає.
Рівняння Ейнштейна, $E=mc^2$, каже нам, куди вона поділася. Вона перетворилася на енергію. Загальний викид залежить від конкретного поділу масою. Але при розподілі урану-235, індукованому тепловими нейтронами, енергія розподіляється за передбачуваною схемою.
Більшість залишається у фрагментів. Кінетична енергія. Фрагменти розлітаються з високою швидкістю, зіштовхуючись із навколишніми атомами, створюючи тепло. Потім йдуть нейтрони. Вони несуть кінетичну енергію. Гамма-промені виділяють енергію миттєво. Бета-частинки та нейтрино забирають енергію під час розпаду. На жаль, нейтрино повністю йдуть. Вони забирають із собою енергію і ніколи не повертають її.
Саме тому проектування реакторів таке складне. Ви керуєте теплом у твердих тілах, випромінюванням у вакуумі та частинками, що йдуть у космос. Математика чиста. Реальність ж messy (брудна/складна). І розподіл енергії визначає, наскільки гарячим стане ваше активне ядро.
Фізика втраченої енергії та ядерні моделі
Не кожний нейтрон, захоплений в активному реакторі, залишається там. Деякі повністю залишають актив, і виділення енергії від цих швидких нейтронів залежить від того, як вони зрештою зупиняються. Це виділення енергії відбувається у масштабі часу близько $10^{-12}$ секунд. У працюючому реакторі воно значною мірою перетворюється на тепло і використовується для генерації електроенергії.
Однак є також відкладене виділення енергії. Воно відбувається за рахунок радіоактивного розпаду продуктів розподілу, період напіврозпаду яких варіюється від часток секунди до багатьох років. Короткоживучі ізотопи розпадаються всередині реактора, і їх енергія додається до тепла, що виділяється; однак довгоживучі ізотопи залишаються радіоактивними і створюють проблеми при обігу та утилізації елементів палива реактора при їх заміні.
Антинейтрино, що супроводжують бета-розпад продуктів поділу, не вступають у взаємодію, та їх кінетична енергія (близько 10 МеВ на один поділ) не використовується. Загалом для енергетичних програм може бути використано близько 200 МеВ енергії на один поділ.
Проблема теоретичної точності
Ядерний поділ – це складний процес, що включає перебудову сотень нуклонів в одному ядрі для утворення двох окремих ядер. Повне теоретичне розуміння цієї реакції зажадало б детального знання сил, що у русі кожного з нуклонів протягом усього процесу. Оскільки такі знання поки що відсутні, необхідно створювати спрощені моделі реальної системи для імітації її поведінки та отримання максимально точного опису етапів процесу. Успіхи і невдачі моделей у поясненні різних спостережень процесу поділу можуть дати нове розуміння фундаментальної фізики, що управляє поведінкою реальних ядер, особливо при великих ядерних деформаціях, що виникають у ядрі, підпочатком поділу.
Основа розуміння ядерних реакцій аналогічна такою для хімічних реакцій і включає концепцію поверхні потенційної енергії, де відбувається реакція. Рушійною силою фізичних чи хімічних реакцій є прагнення знизити потенційну енергію та підвищити стабільність системи. Таким чином, наприклад, камінь на вершині пагорба скотиться вниз, перетворюючи свою потенційну енергію на вершині в кінетичну енергію руху, і зупиниться біля підніжжя більш стабільному стані з меншою потенційною енергією. Потенційна енергія розраховується як функція різних параметрів системи, що вивчається. У разі розподілу потенційна енергія може бути розрахована як функція форми системи в міру її подолання бар’єра до точки сцинтиляції (розриву), і може бути визначений шлях із найменшою потенційною енергією.
Як було зазначено, точний розрахунок ядерної потенційної енергії поки що неможливий, і для апроксимації цього розрахунку були створені різні моделі, що імітують реальну систему. Деякі з цих моделей були розроблені для вирішення аспектів ядерної структури та спектроскопії, а також особливостей ядерних реакцій, і вони також застосовувалися у спробах зрозуміти складність ядерного поділу. Моделі засновані на різних припущеннях та наближеннях щодо природи ядерних сил та динаміки шляху до сцинтиляції. Жодна модель неспроможна пояснити всю велику феноменологію поділу, але кожна їх охоплює різні аспекти процесу служить основою подальшого розвитку у бік повної теорії.
Рідка крапля та загадка асиметрії
Ядро не просто перебуває у спокої. Воно рухається. Іноді вся система хитається, як крапля води. В інші час окремі частинки танцюють у своїх власних «доріжках». Ця двоїстість ставила фізиків у глухий кут протягом десятиліть.
Джордж Гамов запустив цей процес у 1935 році. Він представив ядро у вигляді несжимаемой краплі рідини. Нільс Бор розвинув цю ідею. До 1939 Бор і Джон А. Уілер використовували модель рідкої краплі для пояснення ядерного поділу. Концепція була простою. Ви вбиваєте нейтрон у ядро. Він поглинається. Енергія розподіляється. Ядро починає вагатися. Зрештою воно розколюється.
Модель добре працювала для опису загальних процесів. Вона показувала, як сильна ядерна взаємодія, яка прагне утримати частки разом, конкурує з електростатичним відштовхуванням між протонами, які прагнуть розірвати їх. Але вона мала фатальний недолік. Вона передбачала, що при розподілі ядро розпадається на дві рівні половини. Симетрично. Чисто.
Так не діялося.
Результати поділу мають нерівні маси. Одна частина більша. Інша – мала. Модель рідкої краплі не могла пояснити цю асиметрію мас. Вона також відчувала труднощі з описом мас основних станів та бар’єрів поділу. Для сильно збуджених ядер модель була гарною. Для стабільних? Не дуже.
Оболонки та магічні числа
Вченим був потрібен інший підхід. Вони перестали розглядати ядро як безформну пляму. Вони почали дивитись на окремі частинки.
Уявіть один нуклон, що рухається в полі, яке створюється всіма іншими. Це усереднений потенціал. Сферична потенційна яма. Квантова механіка розв’язує задачу про рух частинки в такій ямі. Результат? Енергетичні рівні.
Нейтрони та протони мають свої власні набори рівнів. Вони групуються в оболонки. Так само, як електрони в атомі. Деякі числа нуклонів повністю заповнюють ці оболонки. Це є магічні числа.
2, 8, 20, 28, 50, 82, 126.
Ядра з цими числами мають надзвичайну стабільність. Вони пов’язані дуже міцно. Марія Гепперт-Майєр та Й. Ханс Д. Йенсен формалізували це у 1949 році. Вони назвали це сферичною оболонковою моделлю. Також відома як модель незалежних частинок.
Вона пояснювала багато основних станів. Вона пояснювала ядерні спини. Вона пояснювала, чому деякі збуджені стани живуть довше за інших (ізомери). Якщо ядро сферичне і знаходиться поруч із магічним числом, модель працює чудово.
Але що щодо решти періодичної таблиці?
Деформоване ядро
Візьміть лантаноїди та актиноїди. Від лантану до лютеції. Від актинію до лоуренсія. Числа їх нуклонів перебувають між магічними числами.
Сферична оболонкова модель не працює. Ці ядра є сферичними. Вони деформовані. Вони витягнуті. Вони схожі на футбольний м’яч. Або на кавун.
В 1955 Аге Бор, Бен Р. Моттельсон і Свен Г. Нільсон прийшли на допомогу. Вони розрахували рух нуклону у сфероїдальному потенціалі. Не у сфері. У сфероїді.
Сфера має три осі симетрії. Він може обертатися. Обертання відбувається незалежно від внутрішнього збудження нуклонів. Ядро також може вібрувати. Воно може пульсувати.
Цей гібридний підхід поєднав рух незалежних частинок з колективним рухом усієї системи. обертання. Коливання. Структури оболонок.
Вони назвали це єдиною моделлю. Вона стала відома як модель деформованих оболонок.
Це була не просто невелика поправка. Це було зрушення у тому, як ми бачимо атомне ядро. Ядро – це не просто крапля. Це не просто набір ізольованих кульок. Це динамічний об’єкт, що деформується.
Чому це важливо?
Тому що “ядерний поділ” – це не просто руйнація речей. Це розуміння структури, яка їх утримує. Асиметрія поділу пов’язана з цими оболонковими ефектами. Енергетичні рівні зміщуються принаймні деформації ядра. Шлях до розщеплення стає складним.
Ми все ще використовуємо модель рідкої краплі. Вона корисна для опису високоенергетичних зіткнень. Але для тонких деталей? Для розподілу мас під час поділу? Для стабільності важких елементів? Вам потрібна модель оболонки. Вам потрібний облік деформації.
Історія ядра – це історія цих конкуруючих моделей. Крапля. Оболонка. Єдина. Вони не скасовують один одного. Вони нашаровуються один на одного.
Ми досі уточнюємо параметри. Все ще коригуємо потенціали. Ядро залишається однією із найскладніших систем малого масштабу, які нам відомі.
І ми навіть не почали розглядати кварки усередині протонів.
Ааге Бор застосував об’єднану модель до поділу, розглядаючи збуджені стан системи як функції параметра деформації. Уявіть цей параметр як витягнутість – фізичне розтягування ядра з наближенням до розщеплення. Бор оцінював ці стани в сідловій точці. Це є вершина енергетичного бар’єру.
Ось у чому проблема. Як тільки система долає сідлову точку, більшість її енергії збудження йде на деформацію ядра. Система стає “холодною”. В неї залишається мало теплової енергії. Доступними залишаються лише низьколежачі збуджені стани. Саме тут теоретикам доводиться нелегко.
Як спин і парність визначають шляхи розподілу
Спин та парність конкретного каналу, в якому знаходиться система в сідловій точці, визначають результат розподілу. Це відомо як аналіз перехідних станів. Він якісно пояснює кілька ключових характеристик процесу.
Пороги поділу залежать від спини та парності складового ядерного стану. Кутовий розподіл фрагментів визначається колективним кутовим моментом обертання цього стану. Асиметрія у розподілі мас виникає при проходженні через бар’єр у стані з негативною парністю. Негативна парність не має симетрії щодо відображення.
«Це єдина модель, що забезпечує задовільний інтерпретацію кутових розподілів фрагментів поділу».
Модель працює добре, але вона має одне суттєве припущення. Вона передбачає, що властивості перехідного стану в сідловій точці не змінюються під впливом динамічних факторів під час спуску до точки розриву. Це велике «якщо». Незважаючи на це модель залишається важливою. Будь-яка повна теорія поділу має включати її привабливі особливості.
Чому магічні числа важливі для поділу мас
Перше використання сферичної оболонкової моделі в розподілі було простішим. Вона враховувала, що піки у розподілі мас поділу корелюють із магічними числами. Це передбачало якісну інтерпретацію асиметричного поділу мас.
Ядра прагнуть стабільності. Перевага утворення ядер з числом нейтронів, близьким до 82, сприяє формуванню піку важкої групи. Це визначає поділ мас для системи, що ділиться. Див. Рис. 4 у вихідних даних.
Очікувалася додаткова стабільність для 50 протонів. Однак у даних це особливо помітно. Візьмемо олово-132. Це двічі магічне ядро з 50 протонами та 82 нейтронами. Його вихід при розподілі з низькою енергією досить низький. Модель не ідеальна.
Пітер Фог та статистичний підхід
Пітер Фог у Сполучених Штатах у 1956 році зробив більш кількісне застосування. Він використав підхід статистичної моделі. Він пов’язав можливість утворення цієї пари фрагментів з доступною щільністю станів у точці розриву.
Логіка проста. Випадковий рух означає, що система зазнає всіх можливих конфігурацій. У неї вища можливість опинитися в областях, де зосереджено найбільше змін. Модель передбачає, що потенційна енергія в сідловій точці перетворюється на енергію збудження. У точці розриву встановлюється статистичне рівновагу серед усіх станів.
Ядра із замкнутими оболонками мають додаткову енергію зв’язку. Це призводить до більш високої густини станів при даній енергії збудження. В інших ядер цього немає. Це створює більш високу ймовірність утворення змін із замкнутими оболонками. В результаті виходить асиметричний розподіл мас. Це добре узгоджується зі спостереженнями за розподілом урану-235, індукованим нейтронами.
Проблема рівноваги в точці розриву
Зміни у розподілі мас зі збільшенням енергії збудження також пояснюються. У міру зростання енергії збудження важливість оболонкових ефектів знижується. Це збільшує ймовірність симетричного поділу проти асиметричним.
Інші особливості пояснюються якісно. Однак для узгодження з експериментами для інших нуклідів, що діляться, потрібні істотні зміни параметрів моделі. Існують фундаментальні проблеми з базовими припущеннями.
Основне питання для моделей точки розриву – це їхня обґрунтованість. Чи достатньо довго система знаходиться в точці розриву на крутому схилі поверхні потенційної енергії? Чи є час для встановлення квазірівноважного стану?
Є деякі свідчення того, що така умова справді має місце. Однак воно не є чітко встановленим. Проте ці моделі виявляються корисними. Вони інтерпретують спостереження за розподілами мас, зарядів та кінетичної енергії. Вони пояснюють залежність випромінювання нейтронів від маси фрагментів.
Оболонкова структура фрагментів, ймовірно, відіграє значну роль. Вона визначає перебіг процесу розподілу. Деталі залишаються невирішеними. Фізика тут заплутана.
Моделі рідкої краплі добре підходять для опису загальних форм. Вони дають збій, коли ядра розтягуються. Зокрема вони не враховують витрати енергії поверхні при великих деформаціях. Це створює проблему при описі поділу.
В.М. Струцинський вирішив цю проблему у 1967 році. Він був російським фізиком. Він запропонував гібридну модель. Вона додає оболонкові ефекти до потенціалу рідкої краплі. Частина, що описується рідкою краплею, зберігає колективні ефекти поверхні та кулонівського відштовхування. Оболонкові виправлення залежать від деформації. Ці поправки можуть досягати кількох мільйонів електрон-вольт. Це значно перевищує бар’єр рідкої краплі, що становить близько 5 МеВ.
Стабільність оболонок змінюється із формою ядра. Магічні числа зміщуються від значень для сферичної форми. Поблизу бар’єру розподілу це створює структуру на кривій енергії. На малюнку 7 показано. Два піки різняться залежно від масового та зарядового числа.
Подвійна структура бар’єра пояснює існування ізомерів
Така подвійна форма вирішує загадки поділу. Короткоживучі ізомери спонтанного поділу існують у другому потенційному колодязі. Це стан класу II. Бар’єр для виходу із нього менше. Періоди напіврозпаду коротші.
Ці стани відрізняються формою. Стан класу I повертаються в основний стан за допомогою гамма-випромінювання. Для станів класу II цей перехід утруднений. Вони є ізомерами форми. Подвійна структура бар’єру також пояснює перерізи розподілу, індукованого нейтронами. Вона структурує кутові розподіли фрагментів.
Метод Струцинського стимулював проведення розрахунків. Він послідовно враховував макроскопічні та мікроскопічні ефекти. Американські фізики У.Дж. Звайнекі та Джеймс Р. Нікс очолили ці дослідження. Вони картографували поверхні потенційної енергії. Деякі роботи стосувалися динамічної еволюції системи.
Асиметрія та точка розриву
Актиніди демонструють асиметрію за другого бар’єру. Асиметричний поділ на маси має меншу енергію. Симетричний поділ стає кращим більш пізніх стадіях. Єдиний потенціал не працює у великих деформаціях. Він не може адекватно описати два фрагменти, що формуються.
У точці розриву виникає розривність. Результати залежать від того, чи система розглядається як одне ціле або як два окремі ядра. Двоцентровий потенціал допомагає вирішити цю проблему. Він використовує сфери, що перекриваються. Він збігається із поведінкою одноцентрового потенціалу при малих деформаціях. Він збігається з поведінкою розділених ядер за великих деформацій.
Це передбачає попереднє формування оболонок фрагментів на ранніх стадіях. Моделі точки розриву можуть мати ненадійні припущення. Проте вони узгоджуються зі спостереженнями. Модель точки розриву з Аргонської національної лабораторії є ключовою. Вона використовує деформовані фрагменти оболонки. Вона включає взаємодію через «шийку». Вона передбачає розподіли по масі, заряду та кінетичній енергії. Вона враховує залежність від нейтронів. Вона не передбачає можливість поділу. Або кутові розподіли.
Оболонкові поправки згасають із зростанням енергії збудження. Макроскопічна поведінка починає домінувати.
Магічні числа визначають симетричний поділ
Фермій-264 піддається симетричному поділу. Кінетичні енергії фрагментів аномально високі. Чому? Стабільність магічних чисел. 50 протонів. 82 нейтрони.
Утворюються два фрагменти олова-132. Це подвійна магічна конфігурація. Вона енергетично вигідна. Розподіл урану або плутонію при низькій енергії не сприяє утворенню двох таких фрагментів. Лише одного.
Фрагменти олова-132 є сферичними. Чи не деформованими. Компактна конфігурація у точці розриву. Центри зарядів знаходяться ближче один до одного. Це призводить до вищої кінетичної енергії.
Фізика тут зрозуміла. Структура має значення. Поверхні енергії є гладкими. Вони мають колодязі. І бар’єри. І розриви. Ми досі складаємо їхні карти.
Оболонкові ефекти залишаються критично важливими для розподілу. Це вірно, незалежно від того, чи розглядаємо ми систему, що ділиться в сідловій точці або деформовані уламки поблизу точки розриву. Ці квантово-механічні властивості допомагають пояснити багато спостерігаються особливості. Однак у нас все ще немає чіткої відповіді щодо точного етапу, на якому визначаються розподіл осколків.
Інгредієнти для розумного розуміння поділу є. Вони просто ще не синтезовані на повну динамічну теорію.
Адіабатичне наближення
Розглянемо динаміку спуску. Система рухається поверхнею потенційної енергії від сідлової точки до точки розриву. Одна з крайніх точок зору – це “адіабатичне наближення”. Ця модель передбачає, що колективний рух системи відбувається повільно. Або, можливо, зв’язок між колективними та внутрішніми ступенями свободи одночасткового руху слабкий.
Якщо це твердження вірне, швидкі одночасткові рухи можуть легко адаптуватися до змін форми ядра, що ділиться. Воно наближається до точки розриву, не порушуючи свого внутрішнього стану. Зміни відбуваються без придбання чи втрати теплової енергії.
Зменшення потенційної енергії між сідловою і точками розриву тоді виявлятиметься переважно в колективних ступенях свободи в момент розриву і буде пов’язане з кінетичною енергією відносного руху осколків, що зароджуються.
Це відомо як передрозривна кінетична енергія. Енергія переходить у рух осколків у міру їхнього розльоту.
Неадіабатичний перенесення енергії
Протилежний крайній випадок включає швидший колективний рух. Або сильніший зв’язок із рухом частинок. Тут колективна енергія перетворюється на внутрішнє збудження. Це стає тепловою енергією для нуклонів.
Уявіть собі нагрівання під час руху в’язкої рідини. Тертя між шарами генерує тепло. У цьому неадіабатичному процесі перемішування серед одночастинних ступенів свободи може бути повним. У точці розриву може бути застосована статистична модель.
Золота середина
Обидва крайні випадки є наближеннями. Вони є складною поведінкою, спрощеною для аналізу. Експериментальні дані можуть підтримувати будь-яку інтерпретацію залежно від конкретного ядра або енергії.
Природа рідко вписується у бінарні рамки. Істина, мабуть, лежить десь між цими крайнощами. І адіабатичні, і неадіабатичні механізми, мабуть, грають роль процесі поділу. Взаємодія між макроскопічними змінами форми та мікроскопічними квантовими коригуваннями залишається одним із відкритих питань у ядерній фізиці. Ми знаємо складові. Ми просто ще не зібрали їх докупи.
Поділ відбувається неодноразово. Воно поширюється. Коли ядро розщеплюється, воно викидає нейтрони. Якщо ці нейтрони потрапляють в інший атом, що ділиться, той теж розщеплюється. Він вивільняє більше нейтронів. Ланцюг розростається. Або згасає.
Математика цього процесу проста, але смертоносна. Ми вимірюємо її за допомогою k, коефіцієнта розмноження. Це відношення числа поділів в одному поколінні до поділів у попередньому.
- Якщо k менше 1, реакція згасає.
- Якщо k дорівнює 1, виникає стійкий пульс. Критична збірка.
- Якщо k більше 1, ланцюг вибухає. Надкритичний режим.
Критична збірка – це не просто шматок металу. Це ретельно спроектована система. Вам потрібен матеріал, що ділиться, зазвичай метал або оксид. Вам потрібний сповільнювач, щоб уповільнити нейтрони. Вам потрібен відбивач, щоб повертати нейтрони, що блукають, назад в активну зону, запобігаючи їх витоку.
Фізика бомби проти електростанції
У бомбі важлива швидкість. Ви хочете, щоб k було якомога вище. Ви хочете, щоб час між етапами був зникаюче малим. Мета – вивільнити величезну енергію приблизно за 10-7 секунди.
Розглянемо масштаб. Один кілограм урану-235 під час розщеплення виділяє енергію, еквівалентну 20 000 тоннам тротилу. Це вбивця цілих міст в одному кілограмі.
Реактори сконструйовані по-різному. Вони не хочуть вибухати. Вони повинні працювати стабільно. У стаціонарному реакторі k залишається на рівні 1. Але на практиці? Ви не можете тримати його рівно на 1. Ви проектуєте, щоб воно було трохи вище 1.
чому Бо все зношується.
Паливо вигорає. Воно виснажене. Накопичуються продукти поділу. Деякі з цих побічних продуктів є «отрутою». Вони поглинають нейтрони. Вони зменшують k. Якщо ви почнете рівно з 1, реактор зупиниться, перш ніж ви отримаєте корисну енергію. Початок роботи з трохи більшого значення дозволяє компенсувати втрату палива і накопичення «отрути».
Вам також потрібно зберегти частину нейтронів. Ви можете використовувати їх для досліджень або для створення радіоактивних ізотопів для медичних і промислових цілей.
Стрижні управління дозволяють це зробити. Це рухомі стрижні, виготовлені з матеріалів, що поглинають нейтрони, таких як бор, кадмій або гафній. Опустіть їх – k падає. Підніміть їх – k росте.
Це не відбувається миттєво. Через запізнілі випромінювачі нейтронів серед продуктів поділу існує затримка між поколіннями нейтронів. Ця крихітна затримка дає операторам і механічним системам час на реакцію. Без нього управління реактором було б неможливим.
Теплові, проміжні та швидкі реактори
Не всі реактори працюють однаково. Їх класифікують за енергією нейтронів, що забезпечують ланцюгову реакцію.
Теплові реактори
Це найпоширеніший вид. Вони покладаються на «теплові» нейтрони. Це повільні нейтрони, що рухаються зі швидкістю, порівнянною зі швидкістю молекул газу при кімнатній температурі.
При поділі утворюються швидкі нейтрони. Середня кінетична енергія перевищує 1 МеВ. Вони надто швидкі, щоб ефективно розщеплювати інші атоми урану-235. Їх потрібно пригальмувати. Це завдання модератора.
Типові сповільнювачі:
– Звичайна вода
– Важка вода (D2O)
– Графіт
Проміжні реактори
Вони підтримують ланцюгову реакцію нейтронами проміжної енергії. В якості сповільнювача можна використовувати берилій. Менш поширений, але корисний у конкретних конструкціях.
Швидкі реактори
Не потребує сповільнювача. Тут швидкі нейтрони ділення роблять свою роботу. Вони підтримують ланцюгову реакцію без уповільнення. Це вимагає інших складів палива та конструкції, але може бути більш ефективним.
Для кожного типу потрібен спосіб розсіювання тепла. Реактор не повинен працювати насухо. Охолоджуючі рідини відрізняються в залежності від конструкції:
– Вода
– Газ
– Рідкий метал
Вибір теплоносія залежить від тиску, температури та вимог до хімічної стабільності.
Поза електроенергією: корисність продуктів поділу
Після того, як реактор запрацює, а паливо вичерпано, відходи стануть не просто сміттям. Це ресурс. Утворювані під час роботи продукти поділу містять багатий набір радіоактивних ізотопів.
Деякі з них короткочасні і небезпечні. Інші досить стійкі для збору.
Основною мішенню є медичні ізотопи. Технецій-99m, який використовується в діагностичній візуалізації, часто є побічним продуктом ділення. Йод-131 лікує захворювання щитовидної залози. Стронцій-90 живить дистанційні кардіостимулятори та радіопередавачі.
Промислове застосування так само широко. Радіоізотопи використовуються для радіографії для перевірки зварних швів трубопроводів. Вони вимірюють товщину на виробничих лініях. Вони стерилізують медичне обладнання без нагрівання, зберігаючи чутливі матеріали.
“Відходи” з одного погляду є сировиною для іншої галузі. Той самий процес, який генерує енергію, також генерує інструменти для сучасної медицини та промисловості.
Відмінність між виробництвом енергії та виробництвом матеріалів штучно. У добре спроектованому циклі це два виходи одного й того ж нейтронного потоку.
У своїй основі ядерний реактор – це піч. Він генерує пару чи гарячі гази. Ці параметри виконують дві функції. Вони забезпечують пряме нагрівання. Або надають руху турбіни, які обертають генератори для вироблення електроенергії.
Це всім знайома історія. Комерційні електростанції використовують цю технологію в усьому світі. Військово-морські сили застосовують її для руху підводних човнів та надводних суден. Але історія на цьому не закінчується, якщо розглядати лише базові аспекти. Реальна користь цих машин виходить далеко за межі енергомережі.
Чому високий потік нейтронів має значення
Реактори відіграють критично важливу роль у матеріалознавстві. Вони забезпечують інтенсивні потоки нейтронів. Вчені використовують це вивчення поведінки матеріалів під навантаженням. Вони застосовують це на дослідження атомних структур. Але тут є ще один вихідний продукт. Широкий спектр радіоізотопів.
Ці радіоізотопи – не просто відходи. Поряд із продуктами поділу, вони знайшли безліч застосувань. Їх можна знайти у медичних процедурах. Їх можна зустріти у промисловій радіографії. Реактор є фабрикою виробництва ізотопів.
Перевага атомних батарей
Тепло від радіоактивного розпаду має ще один трюк. Його можна безпосередньо перетворити на електрику. Це відбувається завдяки термоелектричному ефекту напівпровідникових матеріалах. Результатом є атомна батарея.
Вони не схожі на батареї у вашому телефоні. Вони довговічні. Вони покладаються на специфічні ізотопи. Деякі випускають бета-частинки. Стронцій-90 – один із прикладів. Прометій-147 – інший. Інші випускають альфа-частинки. Плутоній-238 підходить для цієї категорії. Кюрій-244 також використається.
Навіщо використовувати їх замість сонячних чи хімічних батарей? Тому що вони працюють без сонячного світла. Вони працюють у екстремальному холоді. Вони працюють десятиліттями без технічного обслуговування.
Де ми їх розміщуємо
Це робить їх ідеальними для місць, куди людям важко дістатися. Або для місць, де поповнення запасу палива неможливе.
Візьміть кардіостимулятори. Ранні моделі використовували ці ядерні батареї. Вони служили довше, ніж людське серце. Вони підтримували життя пацієнтів, коли інші джерела харчування виходили з ладу.
Вони також потрібні для віддалених безлюдних об’єктів. Подумайте про космічні зонди. Місії “Вояджер” використовували джерела енергії на основі плутонію-238. Сонячні панелі були варіантом так далеко від Сонця.
Розглянемо полярні регіони. В Арктиці та Антарктиці довга зима. Сонячного світла мало. Ядерні батареї забезпечують роботу приладів.
Відкрите море є аналогічними проблемами. Станції глибоководного моніторингу потребують джерела живлення, яке не протікає і не зазнає швидкої корозії. Ці ізотопи забезпечують стабільність.
Реальний вплив
Застосування радіоактивності виходить за рамки просто вироблення енергії. Існують практичні застосування для інших радіоізотопів. Вони допомагають діагностувати захворювання. Вони стерилізують медичне обладнання. Вони відстежують потоки рідин у нафтових свердловинах.
Коли ви дивитеся на ядерний реактор, бачите більше, ніж електростанцію. Це є джерелом точності. Це інструмент для відкриттів. Це система життєзабезпечення у найсуворіших умовах Землі та її межами.
Наука складна. Застосування усюди. Потрібно просто знати, куди дивитися.
