Делящийся материал

Диаграмма нуклидов, показывающая значения сечений деления тепловыми нейтронами . Очевидна повышенная делимость изотопов нечетных нейтронов. Серые прямоугольники представляют собой не охарактеризованные изотопы.

В атомной энергетике , расщепляющийся материал является материал способен выдерживать ядерного деления цепной реакции . По определению делящийся материал может поддерживать цепную реакцию с нейтронами тепловой ^[1] энергии. Преобладающая энергия нейтронов может быть представлена либо медленными нейтронами (т. Е. Тепловой системой), либо быстрыми нейтронами . Делящийся материал может быть использован в качестве топлива на тепловых нейтронах , реакторов на быстрых нейтронах и ядерных взрывчатых веществ .

Делящиеся против расщепляющихся [ править ]

Согласно Ронен делящегося правило , ^[2] для тяжелого элемента с 90 ≤ Z ≤ 100 , его изотопы с 2 × Z - N = 43 ± 2, за редким исключением, являются делящегося (где N = число нейтронов и Z = число протонов ). ^[3]^[4]^{[примечание 1]}

« Делящийся » отличается от « делящегося ». Нуклид , способный подвергаться делению (даже с низкой вероятностью) после захвата нейтрона с высокой или низкой энергии ^[5] упоминается как «расщепляющийся». Делящийся нуклид, который с высокой вероятностью может быть вызван к делению тепловыми нейтронами низкой энергии, называется «делящимся». ^{[6] К} расщепляющимся материалам относятся также те (например, уран-238 ), которые могут быть расщеплены только нейтронами высоких энергий. В результате делящиеся материалы (такие как уран-235 ) являются подмножеством делящихся материалов.

Деление урана-235 тепловыми нейтронами низкой энергии, поскольку энергия связи, возникающая в результате поглощения нейтрона, превышает критическую энергию, необходимую для деления; следовательно, уран-235 - делящийся материал. Напротив, энергия связи, выделяемая ураном-238, поглощающим тепловой нейтрон, меньше критической энергии, поэтому нейтрон должен обладать дополнительной энергией, чтобы деление было возможным. Следовательно, уран-238 является делящимся материалом, но не делящимся материалом. ^[7]

Альтернативное определение определяет делящиеся нуклиды как те нуклиды, которые могут подвергаться ядерному делению (т. Е. Делиться), а также производить нейтроны в результате такого деления, которые могут поддерживать ядерную цепную реакцию в правильных условиях. Согласно этому определению, единственными нуклидами, которые могут расщепляться, но не расщепляться, являются те нуклиды, которые могут быть подвергнуты ядерному делению, но производят недостаточно нейтронов ни по энергии, ни по количеству, чтобы поддерживать ядерную цепную реакцию . ^[8] 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 запрещении производства расщепляющегося материала.термин «делящийся» часто используется для описания материалов, которые могут быть использованы в первичном делении ядерного оружия. ^[9] Это материалы, которые поддерживают взрывную цепную реакцию деления ядра быстрыми нейтронами .

Согласно всем приведенным выше определениям, уран-238 (²³⁸
U
) расщепляется, но поскольку он не может поддерживать цепную реакцию нейтронов, он не расщепляется. Нейтроны, образующиеся при делении²³⁸
U
имеют более низкие энергии, чем исходный нейтрон (они ведут себя как при неупругом рассеянии ), обычно ниже 1 МэВ (т.е. скорость около 14000 км / с ), порог деления вызывает последующее деление²³⁸
U
, так что деление ²³⁸
U
не поддерживает цепную ядерную реакцию .

Быстрое деление ²³⁸
U
на вторичной стадии ядерное оружие в значительной степени способствует разрушению и выпадению осадков . Быстрое деление²³⁸
U
также вносит значительный вклад в выходную мощность некоторых реакторов на быстрых нейтронах .

Делящиеся нуклиды [ править ]

Актиниды и продукты деления по периоду полураспада v т е
Актиниды ^[10] по цепочке распада				Период полураспада ( а )	Продукты деления из ²³⁵ U по доходности ^[11]
4 п	4 п +1	4 п +2	4 п +3		Продукты деления из ²³⁵ U по доходности ^[11]
4 п	4 п +1	4 п +2	4 п +3			4,5–7%	0,04–1,25%	<0,001%
²²⁸ Ра^№				4–6 а	†		¹⁵⁵ Eu^þ
²⁴⁴ см^ƒ	²⁴¹ Pu^ƒ	²⁵⁰ кф	²²⁷ Ас^№	10–29 а		⁹⁰ Sr	⁸⁵ кр	^113м кд^þ
²³² U^ƒ		²³⁸ Pu^ƒ	²⁴³ см^ƒ	29–97 а		¹³⁷ Cs	¹⁵¹ см^þ	^{121 м} Sn
²⁴⁸ кн^[12]	²⁴⁹ Cf^ƒ	^242m Am^ƒ		141–351 а	Никакие продукты деления не имеют период полураспада в диапазоне 100–210 тыс. Лет.
	²⁴¹ Am^ƒ		²⁵¹ Cf^ƒ^[13]	430–900 а
		²²⁶ Ra^№	²⁴⁷ Bk	1,3–1,6 тыс. Лет назад
²⁴⁰ Pu	²²⁹ Чт	²⁴⁶ см^ƒ	²⁴³ Am^ƒ	4,7–7,4 тыс. Лет
	²⁴⁵ см^ƒ	²⁵⁰ см		8,3–8,5 тыс. Лет
			²³⁹ Pu^ƒ	24,1 тыс. Лет назад
		²³⁰ Чт^№	²³¹ Па^№	32–76 тыс. Лет назад
²³⁶ Np^ƒ	²³³ U^ƒ	²³⁴ У^№		150–250 тыс. Лет назад	‡	⁹⁹ Tc^₡	¹²⁶ Sn
²⁴⁸ см		²⁴² Pu		327–375 тыс. Лет назад			⁷⁹ Se^₡
				1,53 млн лет		⁹³ Zr
	²³⁷ Np^ƒ			2,1–6,5 млн лет		¹³⁵ Cs^₡	¹⁰⁷ Pd
²³⁶ U			²⁴⁷ см^ƒ	15–24 млн лет			¹²⁹ I^₡
²⁴⁴ Pu				80 млн лет	... не более 15,7 млн лет ^[14]
²³² Чт^№		²³⁸ У^№	²³⁵ U^ƒ№	0,7–14,1 млрд лет	... не более 15,7 млн лет ^[14]
Легенда для верхнего индекса символов ₡ имеет тепловой захват нейтронов поперечного сечение в диапазоне 8-50 барн ƒ делящегося м метастабильного изомер № прежде всего в природе радиоактивных материалов (NORM) þ нейтронных яда (захват тепловых нейтронов поперечного сечения больше , чем 3k барн) † диапазон 4–97 a: Средноживущий продукт деления ‡ более 200 тыс. Лет назад : Долгоживущий продукт деления

В общем, большинство изотопов актинидов с нечетным числом нейтронов являются делящимися. Большинство ядерного топлива имеет нечетный атомный номер масс ( A = Z + N = общее число нуклонов ), и даже атомный номер Z . Это подразумевает нечетное количество нейтронов. Изотопы с нечетным числом нейтронов получают дополнительные 1-2 МэВ энергии от поглощения дополнительного нейтрона из-за эффекта спаривания, который способствует 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 около хорошо известной в ядерной физике кривой зависимости атомного номера от массового атомного числа, более стабильны, чем другие; следовательно, они с меньшей вероятностью подвергаются делению. Они с большей вероятностью «проигнорируют» нейтрон и позволят ему идти своим путем или же поглотят нейтрон, но не получат от процесса достаточно энергии, чтобы деформировать ядро, достаточное для его деления. Эти «четные-четные» изотопы также с меньшей вероятностью подвергаются спонтанному делению , и они также имеют относительно более длительные периоды полураспада для альфа или бета.разлагаться. 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 недолговечны (заметным исключением является нептуний-236 с периодом полураспада 154000 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 намного стабильнее. Физическая основа этого явления также исходит из эффекта спаривания в энергии связи ядра, но на этот раз как от спаривания протон-протон, так и спаривания нейтрон-нейтрон. Относительно короткий период полураспада таких нечетных тяжелых изотопов означает, что они недоступны в большом количестве и являются высокорадиоактивными.

Ядерное топливо [ править ]

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 нейтронный захват выделяется более одного нейтрона. (Их достаточно на каждое деление, чтобы компенсировать неделения и поглощения в замедлителе)
Имеют достаточно длительный период полураспада
Быть в наличии в подходящем количестве

Коэффициенты захвата-деления делящихся нуклидов
Тепловые нейтроны ^[15]				Надтепловые нейтроны
σ _F (б)	σ _γ (б)	%		σ _F (б)	σ _γ (б)	%
531	46	8,0%	²³³ U	760	140	16%
585	99	14,5%	²³⁵ U	275	140	34%
750	271	26,5%	²³⁹ Pu	300	200	40%
1010	361	26,3%	²⁴¹ Pu	570	160	22%

Делящиеся нуклиды в ядерном топливе включают:

Уран-235, содержащийся в природном уране и обогащенном уране.
Плутоний-239, полученный из урана-238 путем захвата нейтронов
Плутоний-241, полученный из плутония-240 путем захвата нейтронов. В²⁴⁰
Пу
происходит от ²³⁹
Пу
тем же способом.
Уран-233, полученный из тория-232 путем захвата нейтронов

Делящиеся нуклиды не имеют 100% вероятности подвергнуться делению при поглощении нейтрона. Вероятность зависит от нуклида, а также от энергии нейтронов. Для низких и средних энергий нейтронов, то захват нейтронов сечения для деления (o _F ), сечение захвата нейтронов с испусканием гамма - лучей (σ & _gamma ; ), и процент не-расщеплений в таблице справа .

См. Также [ править ]

Плодородный материал
Продукт деления
Специальный ядерный материал

Заметки [ править ]

^ Сформулированное таким образом правило расщепления указывает, что 33 изотопа являются вероятными делящимися: Th-225, 227, 229; Па-228, 230, 232; У-231, 233, 235; НП-234, 236, 238; Pu-237, 239, 241; АМ-240, 242, 244; См-243, 245, 247; Бк-246, 248, 250; Cf-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 вывести U-233 и Pu-239 из более распространенных естественных изотопов (Th-232 и U-238 соответственно) путем захвата одного нейтрона.. Остальные обычно производятся в меньших количествах за счет дальнейшего поглощения нейтронов .

Ссылки [ править ]

^ «NRC: Глоссарий - Делящийся материал» . www.nrc.gov .
^ [1]
↑ Ronen Y., 2006. Правило определения делящихся изотопов. Nucl. Sci. Англ. , 152: 3, страницы 334-335. [2]
Перейти ↑ Ronen, Y. (2010). «Некоторые замечания по делящимся изотопам». Летопись атомной энергетики . 37 (12): 1783–1784. DOI : 10.1016 / j.anucene.2010.07.006 .
^ «NRC: Глоссарий - Расщепляющийся материал» . www.nrc.gov .
^ "Слайды-Часть первая: Кинетика" . Сеть передовых университетов UNENE в области ядерной инженерии . Проверено 3 января 2013 года .
^ Джеймс Дж. Дудерштадт и Луи Дж. Гамильтон (1976). Анализ ядерных реакторов . ISBN компании John Wiley & Sons, Inc. 0-471-22363-8.
^ Джон Р. Ламарш и Энтони Джон Баратта (третье издание) (2001). Введение в ядерную инженерию . Прентис Холл. ISBN 0-201-82498-1.
^ Делящиеся материалы и ядерное оружие , Международная группа по расщепляющимся материалам
^ 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 нет нуклидов с периодом полураспада не менее четырех лет (самый долгоживущий нуклид в промежутке - радон-222 с периодом полураспада менее четырех суток ). Самый долгоживущий изотоп радия, 1600 лет, поэтому заслуживает включения этого элемента в этот список.
^ В частности, отделения U-235 тепловыми нейтронами , например, в типичном ядерном реакторе .
^ Milsted, J .; Фридман, AM; Стивенс, CM (1965). «Альфа-период полураспада берклия-247; новый долгоживущий изомер берклия-248». Ядерная физика . 71 (2): 299. Bibcode : 1965NucPh..71..299M . DOI : 10.1016 / 0029-5582 (65) 90719-4 .
«Изотопные анализы выявили вид с массой 248 в постоянной численности в трех образцах, проанализированных в течение примерно 10 месяцев. Это было приписано изомеру Bk ²⁴⁸ с периодом полураспада более 9 [лет]. Рост Cf не наблюдался. ²⁴⁸ , и нижний предел для β ^- периода полураспада может быть установлен на уровне примерно 10 ⁴ [лет]. Альфа-активность, связанная с новым изомером, не обнаружена; период полураспада альфа, вероятно, превышает 300 [лет] ]. "
^ Это самый тяжелый нуклид с периодом полураспада не менее четырех лет до " моря нестабильности ".
^ Исключая " классически стабильные " нуклиды с периодом полураспада, значительно превышающим²³² Th; например, в то время как^113m Cd имеет период полураспада всего четырнадцать лет, период полураспада¹¹³ Cd составляет почти восемь квадриллионов лет.
^ «Интерактивная карта нуклидов» . Брукхейвенская национальная лаборатория . Проверено 12 августа 2013 .

[5] Сформулированное таким образом правило расщепления указывает, что 33 изотопа являются вероятными делящимися: Th-225, 227, 229; Па-228, 230, 232; У-231, 233, 235; НП-234, 236, 238; Pu-237, 239, 241; АМ-240, 242, 244; См-243, 245, 247; Бк-246, 248, 250; Cf-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 вывести U-233 и Pu-239 из более распространенных естественных изотопов (Th-232 и U-238 соответственно) путем захвата одного нейтрона.. Остальные обычно производятся в меньших количествах за счет дальнейшего поглощения нейтронов .

[fissile-1] «NRC: Глоссарий - Делящийся материал» . www.nrc.gov .

[2] [1]

[3] Ronen Y., 2006. Правило определения делящихся изотопов. Nucl. Sci. Англ. , 152: 3, страницы 334-335. [2]

[4] Перейти ↑ Ronen, Y. (2010). «Некоторые замечания по делящимся изотопам». Летопись атомной энергетики . 37 (12): 1783–1784. DOI : 10.1016 / j.anucene.2010.07.006 .

[fissionable-6] «NRC: Глоссарий - Расщепляющийся материал» . www.nrc.gov .

[UNENE-7] "Слайды-Часть первая: Кинетика" . Сеть передовых университетов UNENE в области ядерной инженерии . Проверено 3 января 2013 года .

[8] Джеймс Дж. Дудерштадт и Луи Дж. Гамильтон (1976). Анализ ядерных реакторов . ISBN компании John Wiley & Sons, Inc. 0-471-22363-8.

[9] Джон Р. Ламарш и Энтони Джон Баратта (третье издание) (2001). Введение в ядерную инженерию . Прентис Холл. ISBN 0-201-82498-1.

[10] Делящиеся материалы и ядерное оружие , Международная группа по расщепляющимся материалам

[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 нет нуклидов с периодом полураспада не менее четырех лет (самый долгоживущий нуклид в промежутке - радон-222 с периодом полураспада менее четырех суток ). Самый долгоживущий изотоп радия, 1600 лет, поэтому заслуживает включения этого элемента в этот список.

[12] ^ В частности, отделения U-235 тепловыми нейтронами , например, в типичном ядерном реакторе .

[13] Milsted, J .; Фридман, AM; Стивенс, CM (1965). «Альфа-период полураспада берклия-247; новый долгоживущий изомер берклия-248». Ядерная физика . 71 (2): 299. Bibcode : 1965NucPh..71..299M . DOI : 10.1016 / 0029-5582 (65) 90719-4 .
«Изотопные анализы выявили вид с массой 248 в постоянной численности в трех образцах, проанализированных в течение примерно 10 месяцев. Это было приписано изомеру Bk ²⁴⁸ с периодом полураспада более 9 [лет]. Рост Cf не наблюдался. ²⁴⁸ , и нижний предел для β ^- периода полураспада может быть установлен на уровне примерно 10 ⁴ [лет]. Альфа-активность, связанная с новым изомером, не обнаружена; 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 периодом полураспада, значительно превышающим²³² Th; например, в то время как^113m Cd имеет период полураспада всего четырнадцать лет, период полураспада¹¹³ Cd составляет почти восемь квадриллионов лет.

[16] «Интерактивная карта нуклидов» . Брукхейвенская национальная лаборатория . Проверено 12 августа 2013 .

[1]