Делящийся материал
В ядерной технике делящийся материал — это материал, который может подвергаться ядерному делению при ударе нейтроном низкой энергии. [1] Самоподдерживающаяся термическая цепная реакция может быть достигнута только с использованием делящегося материала. Преобладающая энергия нейтронов в системе может быть представлена либо медленными нейтронами (т. е. тепловой системой), либо быстрыми нейтронами. Делящийся материал может использоваться в качестве топлива для реакторов на тепловых нейтронах , реакторов на быстрых нейтронах и ядерных взрывчатых веществ .
Делящийся против делящегося
[ редактировать ]Согласно правилу Ронена Делящегося , [2] для тяжелого элемента с 90 ≤ Z ≤ 100 его изотопы с 2 × Z − N = 43 ± 2 , за некоторыми исключениями, являются делящимися (где N = количество нейтронов и Z = количество протонов ). [3] [4] [примечание 1]
| 88 | 89 | 90 | 91 | 92 | 93 | 94 | 95 | 96 | 97 | 98 | 99 | |||||||||||||||||||
| 154 |
| 250 См | 252 См. | 154 | ||||||||||||||||||||||||||
| 153 | 251 См. | 252 Является | 153 | |||||||||||||||||||||||||||
| 152 | 248 См | 250 См. | 152 | |||||||||||||||||||||||||||
| 151 | 247 См | 248 Бк | 249 См. | 151 | ||||||||||||||||||||||||||
| 150 | 244 Мог | 246 См | 247 Бк | 150 | ||||||||||||||||||||||||||
| 149 | 245 См | 149 | ||||||||||||||||||||||||||||
| 148 | 242 Мог | 243 Являюсь | 244 См | 148 | ||||||||||||||||||||||||||
| 147 | 241 Мог | 242 м ⁂ | 243 См | 147 | ||||||||||||||||||||||||||
| 146 | 238 В | 240 Мог | 241 Являюсь | 146 | ||||||||||||||||||||||||||
| 145 | 239 Мог | 145 | ||||||||||||||||||||||||||||
| 144 | 236 В | 237 Например | 238 Мог | 144 | ||||||||||||||||||||||||||
| 143 | 235 В | 236 Например | 143 | |||||||||||||||||||||||||||
| 142 | 232 че | 234 В | 235 Например | 236 Мог | 142 | |||||||||||||||||||||||||
| 141 | 233 В | 141 | ||||||||||||||||||||||||||||
| 140 | 228 Солнце | 230 че | 231 Хорошо | 232 В |
| 140 | ||||||||||||||||||||||||
| 139 | 229 че | 139 | ||||||||||||||||||||||||||||
| 138 | 226 Солнце | 227 И | 228 че | 138 | ||||||||||||||||||||||||||
| 88 | 89 | 90 | 91 | 92 | 93 | 94 | 95 | 96 | 97 | 98 | 99 | |||||||||||||||||||
| В этой таблице показаны только нуклиды с периодом полураспада не менее одного года. | ||||||||||||||||||||||||||||||
Термин «делящийся» отличается от «делящегося» . Нуклид , способный подвергнуться ядерному делению (даже с малой вероятностью) после захвата нейтрона высокой или низкой энергии. [5] называется делящимся . Делящийся нуклид, который с высокой вероятностью можно вызвать к делению тепловыми нейтронами низкой энергии , называется делящимся . [6] К делящимся материалам относятся материалы (например, уран-238 ), деление которых может быть вызвано только нейтронами высокой энергии. В результате делящиеся материалы (такие как уран-235 ) представляют собой подгруппу расщепляющихся материалов.
Уран-235 делится тепловыми нейтронами низкой энергии, поскольку энергия связи, возникающая в результате поглощения нейтрона, превышает критическую энергию, необходимую для деления; следовательно, уран-235 расщепляется. Напротив, энергия связи, выделяемая ураном-238 при поглощении теплового нейтрона, меньше критической энергии, поэтому нейтрон должен обладать дополнительной энергией, чтобы деление было возможным. Следовательно, уран-238 расщепляется, но не делится. [7] [8]
Альтернативное определение определяет делящиеся нуклиды как те нуклиды, которые могут подвергнуться ядерному делению (т. е. являются делящимися), а также производят нейтроны в результате такого деления, которые могут поддерживать цепную ядерную реакцию в правильных условиях. Согласно этому определению, единственные нуклиды, которые являются делящимися, но не делящимися, — это те нуклиды, которые могут подвергнуться ядерному делению, но производят недостаточно нейтронов, как по энергии, так и по количеству, для поддержания цепной ядерной реакции . Таким образом, хотя все делящиеся изотопы являются делящимися, не все делящиеся изотопы являются делящимися. В контексте контроля над вооружениями , особенно в предложениях по Договору о прекращении производства расщепляющихся материалов , термин «расщепляющийся материал» часто используется для описания материалов, которые могут быть использованы в первичном расщеплении ядерного оружия. [9] Это материалы, которые поддерживают взрывную быстрых нейтронах ядерного деления на цепную реакцию .
Согласно всем приведенным выше определениям, уран-238 ( 238
В
) делящийся, но не делящийся. Нейтроны, образующиеся при делении 238
В
имеют более низкие энергии , чем исходный нейтрон (они ведут себя как при неупругом рассеянии ), обычно ниже 1 МэВ (т. е. скорость около 14 000 км/с ), порог деления, вызывающий последующее деление 238
В
, поэтому деление 238
В
не поддерживает цепную ядерную реакцию .
Быстрое деление 238
В
на вторичной стадии термоядерного оружия из-за образования нейтронов высокой энергии в результате ядерного синтеза в значительной степени способствует мощности и выпадению такого оружия. Быстрое деление 238
В
Тамперы также наблюдаются в оружии чистого деления. [10] Быстрое деление 238
В
также вносит значительный вклад в выходную мощность некоторых реакторов на быстрых нейтронах .
Делящиеся нуклиды
[ редактировать ]| Актиниды [11] по цепочке распада | Период полураспада диапазон ( а ) | деления Продукты 235 U по доходности [12] | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 4 n | 4 n + 1 | 4 n + 2 | 4 n + 3 | 4.5–7% | 0.04–1.25% | <0,001% | ||
| 228 Солнце № | 4–6 а | 155 Евросоюз то есть | ||||||
| 244 См ƒ | 241 Мог ƒ | 250 См. | 227 И № | 10–29 а | 90 старший | 85 НОК | 113 м компакт-диск то есть | |
| 232 В ƒ | 238 Мог ƒ | 243 См ƒ | 29–97 а | 137 Cs | 151 см то есть | 121 м Сн | ||
| 248 Бк [13] | 249 См. ƒ | 242 м Являюсь ƒ | 141–351 а | Никакие продукты деления не имеют периода полураспада. | ||||
| 241 Являюсь ƒ | 251 См. ƒ [14] | 430–900 а | ||||||
| 226 Солнце № | 247 Бк | 1,3–1,6 тыс. лет назад | ||||||
| 240 Мог | 229 че | 246 См ƒ | 243 Являюсь ƒ | 4,7–7,4 тыс. лет назад | ||||
| 245 См ƒ | 250 См | 8,3–8,5 тыс. лет назад | ||||||
| 239 Мог ƒ | 24,1 раза | |||||||
| 230 че № | 231 Хорошо № | 32–76 лет | ||||||
| 236 Например ƒ | 233 В ƒ | 234 В № | 150–250 тыс. лет назад | 99 Тс ₡ | 126 Сн | |||
| 248 См | 242 Мог | 327–375 г. | 79 Се ₡ | |||||
| 1,53 млн лет назад | 93 Зр | |||||||
| 237 Например ƒ | 2,1–6,5 млн лет назад | 135 Cs ₡ | 107 ПД | |||||
| 236 В | 247 См ƒ | 15-24 млн лет назад | 129 я ₡ | |||||
| 244 Мог | 80 млн лет назад | ... не более 15,7 млн лет назад [15] | ||||||
| 232 че № | 238 В № | 235 В ƒНет | 0,7–14,1 млрд лет назад | |||||
| ||||||||
В общем, большинство изотопов актинидов с нечетным числом нейтронов являются делящимися. Большинство ядерного топлива имеют нечетное атомное массовое число ( A = Z + N = общее количество нуклонов ) и четное число Z. атомное Это подразумевает нечетное число нейтронов. Изотопы с нечетным числом нейтронов получают дополнительно от 1 до 2 МэВ энергии за счет поглощения дополнительного нейтрона из-за эффекта спаривания , который благоприятствует четному количеству как нейтронов, так и протонов. Этой энергии достаточно, чтобы обеспечить необходимую дополнительную энергию для деления более медленными нейтронами, что важно для того, чтобы делящиеся изотопы также делились.
В более общем смысле, нуклиды с четным числом протонов и четным числом нейтронов, расположенные вблизи известной в ядерной физике кривой зависимости атомного номера от атомного массового числа, более стабильны, чем другие; следовательно, они с меньшей вероятностью подвергнутся делению. Они с большей вероятностью «проигнорируют» нейтрон и позволят ему идти своим путем или же поглотят нейтрон , но не получат от этого процесса достаточно энергии, чтобы деформировать ядро, достаточное для его деления. Эти «четные» изотопы также с меньшей вероятностью подвергаются спонтанному делению , а также имеют относительно гораздо более длительный частичный период полураспада для альфа- или бета- распада. Примерами этих изотопов являются уран-238 и торий-232 . С другой стороны, кроме самых легких нуклидов, нуклиды с нечетным числом протонов и нечетным числом нейтронов (нечетное Z , нечетное N ) обычно недолговечны (заметным исключением является нептуний-236 с периодом полураспада 154 000 лет), потому что они легко распадаются за счет испускания бета-частиц на свои изобары с четным числом протонов и четным числом нейтронов (даже Z , даже N ) становится гораздо более стабильным. Физическая основа этого явления также исходит из эффекта спаривания энергии связи ядер, но на этот раз как из протон-протонного, так и из нейтрон-нейтронного спаривания. Относительно короткий период полураспада таких тяжелых изотопов означает, что они недоступны в больших количествах и очень радиоактивны.
Ядерное топливо
[ редактировать ]Чтобы быть полезным топливом для цепных реакций ядерного деления, материал должен:
- Находиться в области кривой энергии связи , где возможна цепная реакция деления (т. е. выше радия )
- Имеют высокую вероятность деления при захвате нейтронов.
- В среднем за один захват нейтрона высвобождается более одного нейтрона. (Их достаточно при каждом делении, чтобы компенсировать неделения и поглощения нетопливным материалом)
- Имеют достаточно длительный период полураспада
- Быть доступными в подходящих количествах.
| Тепловые нейтроны [16] | Эпитепловые нейтроны | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| σ Ф (б) | в в (б) | % | σ Ф (б) | в в (б) | % | |
| 531 | 46 | 8.0% | 233 В | 760 | 140 | 16% |
| 585 | 99 | 14.5% | 235 В | 275 | 140 | 34% |
| 750 | 271 | 26.5% | 239 Мог | 300 | 200 | 40% |
| 1010 | 361 | 26.3% | 241 Мог | 570 | 160 | 22% |
Делящиеся нуклиды в ядерном топливе включают:
- Уран-233 , полученный из тория-232 путем захвата нейтронов с опущенными промежуточными стадиями распада.
- Уран-235 , который встречается в природном и обогащенном уране.
- Плутоний-239 , полученный из урана-238 путем захвата нейтронов с опущенными промежуточными стадиями распада.
- Плутоний-241 , полученный из плутония-240 непосредственно путем захвата нейтронов.
Делящиеся нуклиды не имеют 100%-ной вероятности деления при поглощении нейтрона. Шанс зависит от нуклида, а также от энергии нейтрона. захвата нейтронов Для нейтронов низкой и средней энергии сечения при делении (σ F ), сечение захвата нейтронов с испусканием гамма-лучей (σ γ ) и процент неделения приведены в таблице справа. .
К воспроизводящим нуклидам ядерного топлива относятся:
- Торий-232 , который порождает уран-233 путем захвата нейтронов без промежуточных стадий распада.
- Уран-238 , который порождает плутоний-239 путем захвата нейтронов без промежуточных стадий распада.
- Плутоний-240 , который производит плутоний-241 непосредственно путем захвата нейтронов.
См. также
[ редактировать ]Примечания
[ редактировать ]- ^ Сформулированное таким образом правило деления указывает на то, что 33 изотопа могут быть делящимися: Th-225, 227, 229; Па-228, 230, 232; У-231, 233, 235; Нп-234, 236, 238; Пу-237, 239, 241; Ам-240, 242, 244; См-243, 245, 247; Бк-246, 248, 250; Ср-249, 251, 253; Эс-252, 254, 256; Fm-255, 257, 259. Только четырнадцать (включая долгоживущий метастабильный ядерный изомер ) имеют период полураспада не менее года: Th-229, U-233, U-235, Np-236, Pu-239, Pu-241, Am-242m, Cm-243, Cm-245, Cm-247, Bk-248, Cf-249, Cf-251 и Es-252. Из них только U-235 встречается в природе . Можно получить U-233 и Pu-239 из более распространенных природных изотопов (Th-232 и U-238 соответственно) путем однократного захвата нейтронов . Остальные обычно производятся в меньших количествах за счет дальнейшего поглощения нейтронов .
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «NRC: Глоссарий - Делящийся материал» . www.nrc.gov .
- ^ «Ядерная наука и техника — ANS / Публикации / Журналы / Ядерная наука и техника» .
- ^ Ронен Ю., 2006. Правило определения делящихся изотопов. Нукл. наук. англ. , 152:3, страницы 334–335. [1]
- ^ Ронен, Ю. (2010). «Некоторые замечания о делящихся изотопах». Летопись атомной энергетики . 37 (12): 1783–1784. Бибкод : 2010АнНуЭ..37.1783Р . doi : 10.1016/j.anucene.2010.07.006 .
- ^ «NRC: Глоссарий - Делящийся материал» . www.nrc.gov .
- ^ «Слайды-Часть первая: Кинетика» . Сеть университетов UNENE передового опыта в области ядерной инженерии . Проверено 3 января 2013 г.
- ^ Джеймс Дж. Дудерштадт и Луи Дж. Гамильтон (1976). Анализ ядерного реактора . Джон Вили и сыновья, Inc. ISBN 0-471-22363-8 .
- ^ Джон Р. Ламарш и Энтони Джон Баратта (третье издание) (2001). Введение в ядерную энергетику . Прентис Холл. ISBN 0-201-82498-1 .
- ^ Делящиеся материалы и ядерное оружие. Архивировано 6 февраля 2012 г. в Wayback Machine , Международная группа экспертов по расщепляющимся материалам.
- ^ Семков, Томас; Парех, Правин; Хейнс, Дуглас (2006). «Моделирование эффектов теста Тринити». Прикладное моделирование и вычисления в ядерной науке . Серия симпозиумов ACS. Том. Серия симпозиумов ACS. стр. 142–159. дои : 10.1021/bk-2007-0945.ch011 . ISBN 9780841239821 .
- ^ Плюс радий (элемент 88). Хотя на самом деле он является субактинидом, он непосредственно предшествует актинию (89) и следует за трехэлементным интервалом нестабильности после полония (84), где ни один нуклид не имеет период полураспада, по крайней мере, четыре года (самый долгоживущий нуклид в пробеле - радон-222 с периодом полураспада менее четырех суток ). Таким образом, самый долгоживущий изотоп радия, имеющий возраст 1600 лет, заслуживает включения этого элемента в этот список.
- ^ В частности, в результате тепловыми нейтронами деления урана-235 , например, в типичном ядерном реакторе .
- ^ Милстед, Дж.; Фридман, AM; Стивенс, CM (1965). «Альфа-период полураспада берклия-247; новый долгоживущий изомер берклия-248». Ядерная физика . 71 (2): 299. Бибкод : 1965NucPh..71..299M . дои : 10.1016/0029-5582(65)90719-4 .
«Изотопный анализ выявил вид с массой 248 в постоянном количестве в трех образцах, анализированных в течение примерно 10 месяцев. Это было приписано изомеру Bk. 248 с периодом полураспада более 9 [лет]. Нет роста Cf 248 был обнаружен, и нижний предел для β − период полураспада можно установить примерно на уровне 10 4 [годы]. Никакой альфа-активности, приписываемой новому изомеру, обнаружено не было; период полураспада альфа, вероятно, превышает 300 [лет]». - ^ Это самый тяжелый нуклид с периодом полураспада не менее четырех лет до « моря нестабильности ».
- ^ За исключением « классически стабильных » нуклидов с периодом полураспада, значительно превышающим 232 чё; например, пока 113 м Период полураспада Cd составляет всего четырнадцать лет, а у 113 Cd составляет восемь квадриллионов лет.
- ^ «Интерактивная карта нуклидов» . Брукхейвенская национальная лаборатория. Архивировано из оригинала 24 января 2017 г. Проверено 12 августа 2013 г.
