Расщепляющийся материал

Материал, способный поддерживать цепную реакцию ядерного деления

В ядерной технике делящийся материал — это материал, который может подвергаться ядерному делению при ударе нейтрона с низкой энергией. ^[1] Самоподдерживающаяся тепловая цепная реакция может быть достигнута только с делящимся материалом. Преобладающая энергия нейтронов в системе может быть представлена ​​либо медленными нейтронами (т. е. тепловая система), 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

Согласно правилу деления Ронена ^[2] для тяжелого элемента с 90  ≤  Z  ≤  100 его изотопы с 2 × Z − N = 43 ± 2 , за редкими исключениями, являются делящимися (где N = число нейтронов , а Z = число протонов ). ^{[3] [4] [примечание 1]}

Термин делящийся отличается от делящегося . Нуклид, способный подвергаться ядерному делению (даже с малой вероятностью) после захвата нейтрона высокой или низкой энергии ^[5], называется делящимся . Делящийся нуклид, который может быть вызван к делению низкоэнергетическими тепловыми нейтронами с большой вероятностью, называется делящимся . ^[6] Делящиеся материалы включают те (например, уран-238 ), для которых деление может быть вызвано только высокоэнергетическими нейтронами. В результате делящиеся материалы (например, уран-235 ) являются подмножеством делящихся материалов.

Уран-235 делится с низкоэнергетическими тепловыми нейтронами, потому что энергия связи , возникающая в результате поглощения нейтрона, больше критической энергии, необходимой для деления; поэтому уран-235 является делящимся. Напротив, энергия связи, выделяемая ураном-238, поглощающим тепловой нейтрон, меньше критической энергии, поэтому нейтрон должен обладать дополнительной энергией для того, чтобы деление стало возможным. Следовательно, уран-238 является делящимся, но не делящимся. ^{[7] [8]}

Альтернативное определение определяет делящиеся нуклиды как те нуклиды, которые могут быть подвергнуты ядерному делению (т. е. являются делящимися), а также производят нейтроны от такого деления, которые могут поддерживать ядерную цепную реакцию в правильных условиях. Согласно этому определению, единственными делящимися, но не делящимися нуклидами являются те нуклиды, которые могут быть подвергнуты ядерному делению, но производят недостаточно нейтронов, либо по энергии, либо по количеству, для поддержания ядерной цепной 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 делящийся часто используется для описания материалов, которые могут быть использованы в первичной стадии деления ядерного оружия. ^[9] Это материалы, которые поддерживают взрывную цепную реакцию ядерного деления на быстрых нейтронах .

Согласно всем вышеприведенным определениям, уран-238 (²³⁸
У
) делится, но не делится. Нейтроны, полученные при делении²³⁸
У
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, чтобы вызвать последующее деление²³⁸
У
, поэтому деление²³⁸
У
не поддерживает цепную ядерную реакцию .

Быстрое деление²³⁸
У
на вторичной стадии термоядерного оружия, из-за производства высокоэнергетических нейтронов в результате ядерного синтеза , вносит большой вклад в выход и выпадение радиоактивных осадков такого оружия. Быстрое деление²³⁸
У
Вмешательство также было очевидным в чистом делении оружия. ^[10] Быстрое деление²³⁸
У
также вносит значительный вклад в выходную мощность некоторых реакторов на быстрых нейтронах .

Делящиеся нуклиды

В общем, большинство изотопов актинидов с нечетным числом нейтронов являются делящимися. Большинство ядерного топлива имеют нечетное атомное массовое число ( A = Z + N = общее число нуклонов ) и четное атомное число Z. Это подразумевает нечетное число нейтронов. Изотопы с нечетным числом нейтронов получают дополнительные 1–2 МэВ энергии от поглощения дополнительного нейтрона из-за эффекта спаривания , который благоприятствует четному числу как нейтронов, так и протонов. Этой энергии достаточно, чтобы обеспечить необходимую дополнительную энергию для деления более медленными нейтронами, что важно для того, чтобы сделать делящиеся изотопы также делящимися.

В более общем смысле, нуклиды с четным числом протонов и четным числом нейтронов, расположенные вблизи известной в ядерной физике кривой зависимости атомного числа от атомного массового числа, более стабильны, чем другие; следовательно, они с меньшей вероятностью подвергнутся делению. Они с большей вероятностью «проигнорируют» нейтрон и позволят ему продолжить свой путь, или же поглотят нейтрон , но не получат достаточно энергии от процесса, чтобы деформировать ядро ​​достаточно для деления. Эти «четно-четные» изотопы также с меньшей вероятностью подвергнутся спонтанному делению , и они также имеют относительно гораздо более длинные частичные периоды полураспада для альфа- или бета- распада. Примерами этих изотопов являются уран-238 и торий-232 . С другой стороны, за исключением самых легких нуклидов, нуклиды с нечетным числом протонов и нечетным числом нейтронов (нечетное Z, нечетное N) обычно являются короткоживущими (заметным исключением является нептуний-236 с периодом полураспада 154 000 лет), потому что они легко распадаются путем испускания бета-частиц на свои изобары с четным числом протонов и четным числом нейтронов (четное Z , четное N ) , становясь намного более стабильными . Физическая основа этого явления также исходит из эффекта спаривания в энергии ядерной связи, но на этот раз из спаривания как протон-протон, так и нейтрон-нейтрон. Относительно короткий период полураспада таких нечетно-нечетных тяжелых изотопов означает, что они недоступны в больших количествах и являются высокорадиоактивными.

Ядерное топливо

Чтобы стать 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 выделяется более одного нейтрона за один захват нейтрона. (Их достаточно при каждом делении, чтобы компенсировать отсутствие деления и поглощение в нетопливном материале)
• Имеют достаточно длительный период полураспада
• Иметься в наличии в необходимых количествах.

К делящимся нуклидам в ядерном топливе относятся:

• Уран-233 , полученный из тория-232 путем захвата нейтронов с опущенными промежуточными стадиями распада.
• Уран-235 , который встречается в природном уране и обогащенном уране.
• Плутоний-239 , полученный из урана-238 методом захвата нейтронов с опущенными промежуточными стадиями распада.
• Плутоний-241 , полученный из плутония-240 непосредственно путем захвата нейтронов.

Делящиеся нуклиды не имеют 100% вероятности подвергнуться делению при поглощении нейтрона. Вероятность зависит от нуклида, а также от энергии нейтрона. Для нейтронов низкой и средней энергии сечения захвата нейтрона для деления (σ _F ), сечения захвата нейтрона с испусканием гамма-излучения (σ _γ ) и процент неделений приведены в таблице справа.

К воспроизводимым нуклидам в ядерном топливе относятся:

• Торий-232 , который производит уран-233 путем захвата нейтронов, при этом промежуточные стадии распада опущены.
• Уран-238 , который производит плутоний-239 путем захвата нейтронов с опущенными промежуточными стадиями распада.
• Плутоний-240 , который производит плутоний-241 непосредственно путем захвата нейтронов.

Смотрите также

• Плодородный материал
• Продукт деления
• Специальный ядерный материал

Примечания

1. Сформулированное таким образом правило деления указывает на 33 изотопа как вероятно делящиеся: Th-225, 227, 229; Pa-228, 230, 232; U-231, 233, 235; Np-234, 236, 238; Pu-237, 239, 241; Am-240, 242, 244; Cm-243, 245, 247; Bk-246, 248, 250; Cf-249, 251, 253; Es-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 захвата одного нейтрона . Остальные обычно производятся в меньших количествах путем дальнейшего поглощения нейтронов .

Ссылки

1. "NRC: Глоссарий -- Расщепляющийся материал". www.nrc.gov .
2. "Ядерная наука и техника -- ANS / Публикации / Журналы / Ядерная наука и техника".
3. Ронен Ю., 2006. Правило определения делящихся изотопов. Nucl. Sci. Eng. , 152:3, страницы 334-335. [1]
4. Ронен, Ю. (2010). «Некоторые замечания о делящихся изотопах». Annals of Nuclear Energy . 37 (12): 1783–1784. Bibcode : 2010AnNuE..37.1783R. doi : 10.1016/j.anucene.2010.07.006.
5. "NRC: Глоссарий -- Расщепляемые материалы". www.nrc.gov .
6. "Слайды-часть первая: кинетика". Сеть передового опыта в области ядерной инженерии при Университете UNENE . Получено 3 января 2013 г.
7. Джеймс Дж. Дудерштадт и Луис Дж. Гамильтон (1976). Анализ ядерного реактора . John Wiley & Sons, Inc. ISBN 0-471-22363-8.
8. Джон Р. Ламарш и Энтони Джон Баратта (третье издание) (2001). Введение в ядерную инженерию . Prentice Hall. ISBN 0-201-82498-1.
9. Расщепляющиеся материалы и ядерное оружие. Архивировано 2012-02-06 на Wayback Machine , Международная группа по расщепляющимся материалам.
10. Semkow, Thomas; Parekh, Pravin; Haines, Douglas (2006). «Моделирование эффектов теста Trinity». Прикладное моделирование и вычисления в ядерной науке. Серия симпозиумов ACS. Том. Серия симпозиумов ACS. С. 142–159. doi :10.1021/bk-2007-0945.ch011. ISBN 9780841239821.
11. Плюс радий (элемент 88). Хотя на самом деле он является субактинидом, он непосредственно предшествует актинию (89) и следует за трехэлементным промежутком нестабильности после полония (84), где ни один нуклид не имеет периода полураспада не менее четырех лет (самый долгоживущий нуклид в промежутке — радон-222 с периодом полураспада менее четырех дней ). Самый долгоживущий изотоп радия, с периодом полураспада 1600 лет, таким образом, заслуживает включения элемента сюда.
12. В частности, из деления урана-235 тепловыми нейтронами , например, в типичном ядерном реакторе .
13. Milsted, J.; Friedman, AM; Stevens, CM (1965). "Период альфа-полураспада берклия-247; новый долгоживущий изомер берклия-248". Nuclear Physics . 71 (2): 299. Bibcode : 1965NucPh..71..299M. doi : 10.1016/0029-5582(65)90719-4.
    «Изотопный анализ выявил вид с массой 248 в постоянном количестве в трех образцах, проанализированных в течение периода около 10 месяцев. Это было приписано изомеру Bk ²⁴⁸ с периодом полураспада более 9 [лет]. Роста Cf ²⁴⁸ обнаружено не было, а нижний предел для периода полураспада β ^{− можно установить на уровне около 10 4} [лет]. Альфа-активности, приписываемой новому изомеру, не обнаружено; период полураспада альфа, вероятно, превышает 300 [лет]».
14. Это самый тяжелый нуклид с периодом полураспада не менее четырех лет до « моря нестабильности ».
15. Исключая « классически стабильные » нуклиды с периодами полураспада, значительно превышающими период полураспада ^232Th ; например, в то время как период полураспада 113mCd составляет всего четырнадцать лет, период полураспада ^{113Cd составляет} восемь квадриллионов лет.
16. "Интерактивная карта нуклидов". Брукхейвенская национальная лаборатория. Архивировано из оригинала 2017-01-24 . Получено 2013-08-12 .