Rozszczepienie jądrowe

Od wychwytu neutronu do fragmentów

Rozszczepialne jądro, takie jak uran-235, może pochłonąć neutron i utworzyć wzbudzone jądro złożone. Wzbudzenie zwiększa deformację jądra; po przekroczeniu bariery rozszczepienia układ może podzielić się na dwa główne fragmenty. Nie powstaje jedna obowiązkowa para produktów: obserwuje się rozkład mas i ładunków fragmentów.

Zachowane muszą być liczba nukleonów, ładunek, energia i pęd. Dlatego schematyczne równanie można najpierw sprawdzić przez zsumowanie A i Z po obu stronach, ale pełny bilans obejmuje również energie kinetyczne, fotony gamma, neutrony oraz energię wzbudzenia fragmentów.

Skąd bierze się około 200 MeV

Jądra o średnich masach mają większą energię wiązania na nukleon niż bardzo ciężkie jądra. Po rozszczepieniu produkty mają więc nieco mniejszą całkowitą masę spoczynkową niż układ początkowy. Różnica pojawia się jako energia zgodnie z Q = Δmc².

Typowe rozszczepienie uranu-235 uwalnia energię rzędu 200 MeV. Największa część jest energią kinetyczną ciężkich fragmentów; resztę niosą neutrony, natychmiastowe fotony gamma i późniejsze rozpady promieniotwórcze produktów.

Dlaczego neutrony mogą podtrzymać łańcuch

W jednym rozszczepieniu powstaje zwykle kilka neutronów. Część ucieka, część zostaje pochłonięta bez wywołania rozszczepienia, a część może zapoczątkować kolejne zdarzenia. Współczynnik mnożenia k opisuje średni bilans między następnymi pokoleniami.

Gdy k < 1, łańcuch zanika; przy k = 1 jest średnio stały; przy k > 1 rośnie. Termin krytyczny oznacza tutaj dokładnie k = 1 i nie jest synonimem wybuchu. W rzeczywistym układzie k zależy od geometrii, materiałów, energii neutronów i strat.

Neutrony natychmiastowe i opóźnione

Większość neutronów rozszczepienia pojawia się praktycznie natychmiast. Niewielka część powstaje później w rozpadach niektórych produktów rozszczepienia. Neutrony opóźnione są liczebnie nieliczne, ale bardzo ważne dla dynamiki kontrolowanego układu, bo wydłużają skalę czasową odpowiedzi.

Fragmenty są zwykle bogate w neutrony i po rozszczepieniu nadal ulegają rozpadom beta oraz emisji gamma. Energia uwalniana po czasie należy do pełnego bilansu energetycznego i wyjaśnia ciepło powyłączeniowe produktów rozszczepienia.

Energetyka i bariera rozszczepienia

Dodatnia wartość Q mówi, że stan końcowy ma niższą całkowitą energię spoczynkową, ale nie oznacza, że każde ciężkie jądro rozszczepi się po pochłonięciu dowolnego neutronu. Znaczenie mają struktura jądra, energia wzbudzenia i wysokość bariery rozszczepienia.

Niektóre nuklidy mogą rozszczepiać się po pochłonięciu neutronu termicznego, inne wymagają neutronów szybszych. Różnica wynika z energetyki i struktury poziomów jądrowych, a nie z prostego kryterium: duże jądro równa się łatwe rozszczepienie.

Przykłady obliczeniowe

1. Bilans A i Z

2. Interpretacja k = 0,97

3. Źródło energii