Jadrové štiepenie

Od záchytu neutrónu k fragmentom

Štiepiteľné jadro, napríklad urán-235, môže zachytiť neutrón a vytvoriť excitované zložené jadro. Excitácia umožní deformáciu a po prekonaní štiepnej bariéry sa systém rozdelí na dva hlavné fragmenty. Nevzniká jediná pevná dvojica produktov; pozoruje sa rozdelenie hmotností a nábojov fragmentov.

Musí sa zachovať počet nukleónov, elektrický náboj, energia a hybnosť. Základná kontrola rovnice preto porovná A a Z na oboch stranách, úplná bilancia však zahŕňa aj kinetickú energiu, gama fotóny, neutróny a excitáciu fragmentov.

Odkiaľ pochádza približne 200 MeV

Jadrá strednej hmotnosti majú vyššiu väzbovú energiu na nukleón než veľmi ťažké jadrá. Produkty štiepenia preto majú o niečo menšiu celkovú pokojovú hmotnosť než počiatočný systém. Rozdiel sa prejaví ako Q = Δmc².

Typické štiepenie uránu-235 uvoľní energiu rádovo 200 MeV. Najväčšiu časť tvorí kinetická energia ťažkých fragmentov, ďalšie časti nesú neutróny, okamžité gama žiarenie a neskoršie rádioaktívne rozpady produktov.

Prečo neutróny môžu udržiavať reťazec

Jedno štiepenie obyčajne uvoľní niekoľko neutrónov. Niektoré uniknú, niektoré sa pohltia bez ďalšieho štiepenia a iné vyvolajú nové udalosti. Efektívny násobný faktor k sumarizuje priemernú bilanciu medzi generáciami.

Pri k < 1 reťazec slabne, pri k = 1 je v priemere stabilný a pri k > 1 rastie. Kritický teda matematicky znamená k = 1, nie automaticky výbuch. Skutočné k závisí od geometrie, zloženia, energií neutrónov a strát.

Okamžité a oneskorené neutróny

Väčšina štiepnych neutrónov vzniká prakticky ihneď. Malá časť sa objaví neskôr pri rádioaktívnych premenách niektorých štiepnych produktov. Oneskorených neutrónov je málo, no zásadne predlžujú časovú odozvu riadeného systému.

Fragmenty sú často bohaté na neutróny a po pôvodnom štiepení ďalej podliehajú beta a gama rozpadom. Energia uvoľnená s oneskorením patrí do úplnej bilancie a vysvetľuje zvyškové teplo štiepnych produktov.

Energetika a štiepna bariéra

Kladná Q-hodnota hovorí, že konečný stav má nižšiu pokojovú energiu, ale neznamená, že každé ťažké jadro sa rozštiepi po záchyte ľubovoľného neutrónu. Dôležité sú štruktúra jadra, získaná excitácia a výška štiepnej bariéry.

Niektoré nuklidy možno štiepiť tepelnými neutrónmi, iné vyžadujú rýchle neutróny. Rozdiel vyplýva z energetiky a jadrovej štruktúry, nie z jednoduchého pravidla, že veľké jadro sa vždy ľahko štiepi.

Vyriešené príklady

1. Bilancia A a Z

2. Význam k = 0,97

3. Zdroj energie