Jaderné štěpení
Jaderné štěpení rozdělí těžké jádro na dva hlavní fragmenty, obvykle za emise několika neutronů a velkého množství energie. Energie nevzniká prostě proto, že se jádro rozbije: produkty jsou v průměru pevněji vázány na nukleon než velmi těžké počáteční jádro, takže konečný systém má menší klidovou hmotnost.
Od záchytu neutronu ke fragmentům
Štěpitelné jádro, například uran-235, může zachytit neutron a vytvořit excitované složené jádro. Excitace umožní deformaci a po překonání štěpné bariéry se systém oddělí na dva hlavní fragmenty. Nevzniká jediná pevná dvojice produktů; měří se rozdělení hmotností a nábojů fragmentů.
Musí být zachován počet nukleonů, elektrický náboj, energie a hybnost. Základní kontrola rovnice proto porovnává A a Z na obou stranách, úplná bilance však zahrnuje i kinetickou energii, gama fotony, neutrony a excitaci fragmentů.
Odkud pochází přibližně 200 MeV
Jádra střední hmotnosti mají vyšší vazebnou energii na nukleon než velmi těžká jádra. Produkty štěpení proto mají o něco menší celkovou klidovou hmotnost než počáteční systém. Rozdíl se projeví jako Q = Δmc².
Typické štěpení uranu-235 uvolní energii řádu 200 MeV. Největší díl je kinetická energie těžkých fragmentů, další části nesou neutrony, okamžité gama záření a pozdější radioaktivní rozpady produktů.
Zkontrolujte násobicí faktor
Proč neutrony mohou udržovat řetězec
Jedno štěpení obvykle uvolní několik neutronů. Některé uniknou, některé se pohltí bez dalšího štěpení a jiné vyvolají nové události. Efektivní násobicí faktor k shrnuje průměrnou bilanci mezi generacemi.
Při k < 1 řetězec slábne, při k = 1 je v průměru stálý a při k > 1 roste. Kritický tedy matematicky znamená k = 1, nikoli automaticky výbuch. Skutečné k závisí na geometrii, složení, energii neutronů a ztrátách.
Okamžité a zpožděné neutrony
Většina štěpných neutronů vzniká prakticky ihned. Malá část se objeví později při radioaktivních přeměnách některých štěpných produktů. Zpožděných neutronů je málo, ale zásadně prodlužují časovou odezvu řízeného systému.
Fragmenty jsou často bohaté na neutrony a po původním štěpení dále podléhají beta a gama rozpadům. Energie uvolněná se zpožděním patří do úplné bilance a vysvětluje zbytkové teplo štěpných produktů.
Energetika a štěpná bariéra
Kladná Q-hodnota říká, že konečný stav má nižší klidovou energii, ale neznamená, že každé těžké jádro se rozštěpí po zachycení libovolného neutronu. Důležité jsou struktura jádra, získaná excitace a výška štěpné bariéry.
Některé nuklidy lze štěpit tepelnými neutrony, jiné vyžadují rychlé neutrony. Rozdíl vyplývá z energetiky a jaderné struktury, nikoli z jednoduchého pravidla, že velké jádro se vždy snadno štěpí.
Řešené příklady
1. Bilance A a Z
Řešení
Pro ²³⁵U + n → ¹⁴¹Ba + ⁹²Kr + 3n je A = 236 na obou stranách a Z = 92. Rovnice splňuje zachování A a Z.
2. Význam k = 0,97
Řešení
Protože k < 1, každá generace vyvolá méně následných štěpení. Řetězec zaniká.
3. Zdroj energie
Řešení
Produkty mají vyšší vazebnou energii na nukleon a nižší celkovou klidovou hmotnost než počáteční systém.