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 .
Согласно правилу деления Ронена [2] для тяжелого элемента с 90 ≤ Z ≤ 100 его изотопы с 2 × Z − N = 43 ± 2 , за немногими исключениями, являются делящимися (где N = число нейтронов и Z = количество протонов ). [3] [4] [примечание 1]
Термин «делящийся» отличается от «делящегося» . Нуклид , способный подвергнуться 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 также такие 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 расщепляющегося материала , термин « расщепляющийся материал» часто используется для описания материалов, которые могут быть использованы в первичном расщеплении ядерного оружия. [9] Это материалы, которые поддерживают взрывную цепную реакцию ядерного деления на быстрых нейтронах .
Согласно всем приведенным выше определениям, уран-238 (238
ты
) делящийся, но не делящийся. Нейтроны, образующиеся при делении238
ты
имеют более низкую энергию , 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 деление238
ты
, поэтому деление238
ты
не поддерживает цепную ядерную реакцию .
Быстрое деление238
ты
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 деление238
ты
Тамперы также наблюдаются в оружии чистого деления. [10] Быстрое деление238
ты
также вносит значительный вклад в выходную мощность некоторых реакторов на быстрых нейтронах .
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 атомное число Z. 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 ), становясь гораздо более стабильными. 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.
Чтобы быть полезным топливом для цепных реакций ядерного деления, материал должен:
Делящиеся нуклиды в ядерном топливе включают:
Делящиеся нуклиды не имеют 100%-ной вероятности деления при поглощении нейтрона. Шанс зависит от нуклида, а также от энергии нейтрона. Для нейтронов низкой и средней энергии сечения захвата нейтронов 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:
