Bölünebilir malzeme - Fissile material

"Bölünebilirlik" buraya yönlendirir. Jeoloji konusu için bkz. Fissilite (jeoloji).
Nüklidler tablosu gösteren termal nötron fisyon kesiti değerler. Tek-nötron izotoplarının artan bölünebilirliği belirgindir. Gri kutular, karakterize edilmemiş izotopları temsil eder.

İçinde nükleer mühendislik, bölünebilir malzeme bir malzemedir. nükleer fisyon zincirleme tepki. Tanımı gereği bölünebilir malzeme ile zincirleme nötronlar termal[1] enerji. Baskın nötron enerjisi, aşağıdakilerden biri ile tanımlanabilir: yavaş nötronlar (yani bir termal sistem) veya hızlı nötronlar. Bölünebilir malzeme yakıt olarak kullanılabilir termal nötron reaktörleri, hızlı nötron reaktörleri ve nükleer patlayıcılar.

Bölünebilir ve bölünebilir

Ronen'e göre bölünebilirlik kuralı,[2] ağır için element ile 90 ≤ Z ≤ 100, onun izotoplar 2 × ile Z − N = 43 ± 2, birkaç istisna dışında, bölünebilirdir (burada N = sayısı nötronlar ve Z = sayısı protonlar ).[3][4][not 1]

"Bölünebilir"farklıdır"bölünebilir". A çekirdek Yüksek veya düşük enerjili bir nötron yakaladıktan sonra (düşük olasılıkla bile) fisyona girme yeteneğine sahip[5] "bölünebilir" olarak anılır. Düşük enerjili fisyona indüklenebilen bölünebilir bir çekirdek termal nötronlar yüksek olasılıkla "bölünebilir" olarak adlandırılır.[6] Bölünebilir malzemeler arasında şunlar da bulunur (örneğin uranyum-238 ) sadece yüksek enerjili nötronlarla bölünebilir. Sonuç olarak, bölünebilir malzemeler (örneğin uranyum-235 ) bir alt küme bölünebilir malzemelerin.

Düşük enerjili termal nötronlara sahip Uranyum-235 fisyonları, çünkü bağlanma enerjisi bir nötronun emilmesinden kaynaklanan, fisyon için gereken kritik enerjiden daha büyüktür; bu nedenle uranyum-235 bölünebilir bir malzemedir. Bunun tersine, uranyum-238 tarafından bir termal nötron absorbe eden bağlanma enerjisi kritik enerjiden daha azdır, bu nedenle nötronun fisyonun mümkün olması için ek enerjiye sahip olması gerekir. Sonuç olarak, uranyum-238 bölünebilir bir materyaldir ancak bölünebilir bir materyal değildir.[7]

Alternatif bir tanım, bölünebilir nüklitleri, nükleer fisyona girmesi (yani bölünebilir) haline getirilebilen ve aynı zamanda doğru ortamda bir nükleer zincir reaksiyonunu sürdürebilen bu tür fisyondan nötronlar üreten çekirdekler olarak tanımlar. Bu tanıma göre, bölünebilen ancak bölünemeyen tek çekirdek, nükleer fisyona girecek şekilde yapılabilen, ancak enerji veya sayı olarak yetersiz nötron üreten nükleitlerdir. nükleer zincir reaksiyonu.[8] Bu nedenle, tüm bölünebilir izotoplar bölünebilir olsa da, tüm bölünebilir izotoplar bölünebilir değildir. İçinde silahların kontrolü bağlam, özellikle bir Bölünebilir Malzeme Kesim Anlaşması "bölünebilir" terimi genellikle bir nükleer silahın birincil fisyonunda kullanılabilen malzemeleri tanımlamak için kullanılır.[9] Bunlar bir patlayıcıyı sürdüren malzemelerdir hızlı nötron nükleer fisyon zincirleme tepki.

Yukarıdaki tüm tanımlara göre, uranyum-238 (238
U
) bölünebilirdir, ancak bir nötron zincir reaksiyonunu sürdüremediği için bölünebilir değildir. Fisyon tarafından üretilen nötronlar 238
U
 daha düşük enerjiler orijinal nötrondan daha fazla (bir esnek olmayan saçılma ), genellikle 1'in altında MeV (yani yaklaşık 14.000 hızkm / sn ), sonraki fisyona neden olacak fisyon eşiği 238
U
Öyleyse bölünmüş 238
U
 sürdürmüyor nükleer zincir reaksiyonu.

Hızlı fisyon 238
U
 bir nükleer silahın ikincil aşamasında büyük katkı sağlar Yol ver ve araları açılmak. Hızlı bölünme 238
U
 bazılarının güç çıkışına da önemli katkı sağlar hızlı nötron reaktörleri.

Bölünebilen çekirdekler

Yarı ömre göre aktinitler ve fisyon ürünleri
Aktinitler[10] tarafından çürüme zinciriYarı ömür
Aralık (a )		Fisyon ürünleri nın-nin 235U sıralama Yol ver[11]
4n4n+14n+24n+3
4.5–7%0.04–1.25%<0.001%
228Ra№4–6 a†155ABþ
244Santimetreƒ241Puƒ250Cf227AC№10–29 a90Sr85Kr113 milyonCDþ
232Uƒ238Puƒ243Santimetreƒ29–97 a137Cs151Smþ121 milyonSn
248Bk[12]249Cfƒ242 milyonAmƒ141–351 a

Fisyon ürünü yok
yarı ömrü olmak
aralığında
100–210 ka ...

241Amƒ251Cfƒ[13]430–900 a
226Ra№247Bk1,3–1,6 ka
240Pu229Th246Santimetreƒ243Amƒ4,7–7,4 ka
245Santimetreƒ250Santimetre8,3–8,5 ka
239Puƒ24.1 ka
230Th№231Baba№32–76 ka
236Npƒ233Uƒ234U№150–250 ka‡99Tc₡126Sn
248Santimetre242Pu327–375 ka79Se₡
1.53 Ma93Zr
237Npƒ2,1–6,5 Ma135Cs₡107Pd
236U247Santimetreƒ15–24 Ma129ben₡
244Pu80 Ma

... ne de 15,7 Ma[14]

232Th№238U№235Uƒ№0.7–14.1 Ga

Efsane üst simge sembolleri için
₡ termal var nötron yakalama 8–50 ahır aralığında kesit
ƒ bölünebilir
m yarı kararlı izomer
№ öncelikle a doğal olarak oluşan radyoaktif malzeme (NORM)
þ nötron zehiri (termal nötron yakalama kesiti 3 bin ahırdan büyük)
† aralığı 4–97 a: Orta ömürlü fisyon ürünü
‡ 200 ka'dan fazla: Uzun ömürlü fisyon ürünü

Genel olarak, çoğu aktinit tuhaf izotoplar nötron numarası bölünebilir. Çoğu nükleer yakıtın tuhaf atomik kütle numarası (Bir = Z + N = toplam sayısı nükleonlar ) ve bir çift atomik numara Z. Bu, tek sayıda nötron anlamına gelir. Tek sayıda nötron içeren izotoplar, fazladan bir nötron absorbe ederek fazladan 1 ila 2 MeV enerji kazanır. eşleştirme etkisi Bu, hem nötronların hem de protonların çift sayılarını destekler. Bu enerji, bölünebilir izotopları da bölünebilir hale getirmek için önemli olan, daha yavaş nötronlar tarafından fisyon için gerekli ekstra enerjiyi sağlamak için yeterlidir.

Daha genel olarak, çift sayıda proton ve çift sayıda nötron içeren ve bir iyi bilinen eğri atom numarası ve atomik kütle numarası nükleer fiziğinde diğerlerinden daha kararlıdır; bu nedenle, bölünme olasılıkları daha düşüktür. Nötronları "görmezden gelme" ve kendi yoluna gitmesine izin verme olasılıkları daha yüksektir veya nötron emer ancak işlemden çekirdeği deforme edecek kadar enerji kazanmadan, bölünmesine yetecek kadar. Bunlar "eşit-çift" izotopların da geçme olasılığı daha düşüktür kendiliğinden fisyon ve aynı zamanda nispeten daha uzun kısmi yarı ömürler için alfa veya beta çürüme. Bu izotopların örnekleri uranyum-238 ve toryum-232. Öte yandan, en hafif çekirdeklerin dışında, tek sayıda proton ve tek sayıda nötron içeren (tek Z, garip N) genellikle kısa ömürlüdür (dikkate değer bir istisna, neptunyum-236 154.000 yıllık yarı ömre sahip) çünkü kolayca beta partikül emisyonuyla bozunma onlara izobarlar çift ​​sayıda proton ve çift sayıda nötron ile (çift Z, hatta N) çok daha kararlı hale geliyor. Bu fenomenin fiziksel temeli aynı zamanda nükleer bağlanma enerjisindeki eşleştirme etkisinden gelir, ancak bu sefer hem proton-proton hem de nötron-nötron eşleşmesinden gelir. Bu tür tuhaf ağır izotopların nispeten kısa yarı ömürleri, miktar olarak mevcut olmadıkları ve oldukça radyoaktif oldukları anlamına gelir.

Nükleer yakıt

Nükleer fisyon zinciri reaksiyonlarında faydalı bir yakıt olabilmesi için malzemenin:

  • Bölgesinde olun bağlanma enerjisi bir fisyon zinciri reaksiyonunun mümkün olduğu eğri (yani yukarıda radyum )
  • Yüksek fisyon olasılığı var nötron yakalama
  • Nötron yakalama başına ortalama olarak birden fazla nötron salar. (Moderatördeki eksiklikleri ve absorpsiyonları telafi etmek için her fisyonda bunlardan yeterli)
  • Oldukça uzun yarı ömür
  • Uygun miktarlarda mevcut olun
Bölünebilir çekirdeklerin yakalama-fisyon oranları
Termal nötronlar[15]Epithermal nötronlar
σF (b)σγ (b)%σF (b)σγ (b)%
531468.0%233U76014016%
5859914.5%235U27514034%
75027126.5%239Pu30020040%
101036126.3%241Pu57016022%

Bölünebilir çekirdekler içinde nükleer yakıtlar Dahil etmek:

Bölünebilir çekirdeklerin, bir nötronun emilmesi üzerine% 100 bölünme şansı yoktur. Şans, hem çekirdek hem de nötron enerjisine bağlıdır. Düşük ve orta enerjili nötronlar için, nötron yakalama Kesitler fisyon için (σF) için kesit nötron yakalama bir emisyonla Gama ışını (σγ) ve fisyon olmayanların yüzdesi sağdaki tablodadır.

Ayrıca bakınız

Notlar

  1. ^ Bu şekilde formüle edilen bölünebilirlik kuralı, 33 izotopu muhtemelen bölünebilir olarak gösterir: 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. Sadece on dört (uzun ömürlü yarı kararlı nükleer izomer ) Sahip olmak en az bir yıllık yarı ömür: 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 ve Es-252. Bunlardan sadece U-235 doğal olarak meydana gelen. Bu mümkün doğurmak Daha yaygın doğal olarak oluşan izotoplardan (sırasıyla Th-232 ve U-238) U-233 ve Pu-239 tek nötron yakalama. Diğerleri tipik olarak daha küçük miktarlarda üretilir daha fazla nötron emilimi.

Referanslar

  1. ^ "NRC: Sözlük - Bölünebilir malzeme". www.nrc.gov.
  2. ^ [1]
  3. ^ Ronen Y., 2006. Bölünebilir izotopları belirlemek için bir kural. Nucl. Sci. Müh., 152: 3, sayfalar 334-335. [2]
  4. ^ Ronen, Y. (2010). "Bölünebilir izotoplar hakkında bazı açıklamalar". Nükleer Enerji Yıllıkları. 37 (12): 1783–1784. doi:10.1016 / j.anucene.2010.07.006.
  5. ^ "NRC: Sözlük - Bölünebilir malzeme". www.nrc.gov.
  6. ^ "Slaytlar-Birinci Bölüm: Kinetik". UNENE Üniversitesi Nükleer Mühendislikte Mükemmeliyet Ağı. Alındı 3 Ocak 2013.
  7. ^ James J. Duderstadt ve Louis J. Hamilton (1976). Nükleer Reaktör Analizi. John Wiley & Sons, Inc. ISBN  0-471-22363-8.
  8. ^ John R. Lamarsh ve Anthony John Baratta (Üçüncü Baskı) (2001). Nükleer Mühendisliğe Giriş. Prentice Hall. ISBN  0-201-82498-1.
  9. ^ Bölünebilir Malzemeler ve Nükleer Silahlar Uluslararası Bölünebilir Malzemeler Paneli
  10. ^ Artı radyum (öğe 88). Aslında bir alt aktinit olmasına rağmen, hemen aktinyumdan (89) önce gelir ve ardından üç elemanlı bir kararsızlık boşluğunu takip eder. polonyum (84) hiçbir çekirdekte en az dört yıllık yarı ömre sahip olmadığında (boşluktaki en uzun ömürlü çekirdek radon-222 yarı ömrü dörtten az günler). 1.600 yıllık Radium'un en uzun ömürlü izotopu, bu nedenle elementin buraya dahil edilmesini hak ediyor.
  11. ^ Özellikle termal nötron U-235'in fisyonu, ör. tipik olarak nükleer reaktör.
  12. ^ Milsted, J .; Friedman, A. M .; Stevens, C.M. (1965). "Berkelyum-247'nin alfa yarı ömrü; yeni bir uzun ömürlü berkelyum-248 izomeri". Nükleer Fizik. 71 (2): 299. Bibcode:1965 NucPh..71..299M. doi:10.1016/0029-5582(65)90719-4.
    "İzotopik analizler, yaklaşık 10 aylık bir süre boyunca analiz edilen üç örnekte sürekli bollukta olan bir kütle 248 türünü ortaya çıkardı. Bu, bir Bk izomerine atfedildi.248 yarı ömrü 9 [yıldan] fazladır. Cf büyümesi yok248 tespit edildi ve β için daha düşük bir limit− yarı ömür yaklaşık 10 olarak ayarlanabilir4 [yıl]. Yeni izomere atfedilebilecek hiçbir alfa aktivitesi tespit edilmemiştir; alfa yarı ömrü muhtemelen 300 [yıldan] fazladır. "
  13. ^ Bu, "yarılanma ömrü" en az dört yıl öncesindeki en ağır çekirdek.İstikrarsızlık Denizi ".
  14. ^ Bunlar hariç "klasik olarak kararlı "yarı ömürleri önemli ölçüde aşan çekirdekler 232Th; ör., while 113 milyonCd'nin yarı ömrü yalnızca on dört yıldır, 113Cd neredeyse sekiz katrilyon yıl.
  15. ^ "Etkileşimli Nuclides Şeması". Brookhaven Ulusal Laboratuvarı. Alındı 2013-08-12.