Nükleer fisyon

İndüklenmiş fisyon reaksiyonu. Bir nötron, bir uranyum-235 çekirdeği tarafından emilir ve nötronun kinetik enerjisi artı nötronun bağlandığı kuvvetler tarafından sağlanan uyarma enerjisi ile kısaca uyarılmış bir uranyum-236 çekirdeğine dönüştürülür. Uranyum-236 ise hızlı hareket eden daha hafif elementlere (fisyon ürünleri) ayrılır ve az miktarda serbest nötron açığa çıkarır. Aynı zamanda, bir veya daha fazla "hızlı gama ışını" (gösterilmemiştir) da üretilir.

Nükleer fizik ve nükleer kimyada nükleer fisyon, bir atomun çekirdeğinin iki veya daha fazla küçük, daha hafif çekirdeğe bölündüğü bir nükleer reaksiyon veya radyoaktif bozunma sürecidir. Fisyon süreci genellikle gama fotonları üretir ve radyoaktif bozunmanın enerjik standartlarına göre bile çok büyük miktarda enerji açığa çıkarır.

Ağır elementlerin nükleer bölünmesi 17 Aralık 1938'de Alman Otto Hahn ve asistanı Fritz Strassmann tarafından keşfedildi ve teorik olarak Ocak 1939'da Lise Meitner ve yeğeni Otto Robert Frisch tarafından açıklandı. Frisch, süreci canlı hücrelerin biyolojik bölünmesine benzeterek adlandırdı. Ağır çekirdekler için, hem elektromanyetik radyasyon olarak hem de parçaların kinetik enerjisi olarak (fisyonun gerçekleştiği dökme malzemeyi ısıtmak) büyük miktarlarda enerji açığa çıkarabilen bir ekzotermik reaksiyondur. Nükleer füzyon gibi, fisyonun enerji üretmesi için, ortaya çıkan elementlerin toplam bağlanma enerjisinin, başlangıç elementininkinden daha büyük bir bağlanma enerjisine sahip olması gerekir.

Fisyon bir nükleer dönüşüm biçimidir, çünkü ortaya çıkan parçalar orijinal atomla aynı element değildir. Üretilen iki (veya daha fazla) çekirdek çoğunlukla karşılaştırılabilir ancak biraz farklı boyutlardadır, tipik bölünebilir izotoplar için tipik olarak yaklaşık 3 ila 2 ürün kütle oranıyla. Çoğu fisyon ikili fisyonlardır (iki yüklü parça üretir), ancak bazen (1000 olayda 2 ila 4 kez), üçlü bir fisyonda üç pozitif yüklü parça üretilir. Üçlü süreçlerdeki bu parçaların en küçüğü, boyut olarak bir protondan bir argon çekirdeğine kadar değişir.

Bir nötron tarafından indüklenen çekirdek, insanlar tarafından kullanılan ve sömürülen fisyonun yanı sıra, kendiliğinden radyoaktif bozulmanın doğal bir formu (bir nötron gerektirmeyen), fisyon olarak da adlandırılır ve özellikle çok yüksek kütle sayılı izotoplarda meydana gelir. 1940'da Flyorov, Petrzhak ve Kurchatov, nötron bombardımanı olmaksızın, Niels Bohr'un öngördüğü gibi uranyumun fisyon oranının gerçekten ihmal edilebilir olduğunu doğruladıklarında Moskova'da kendiliğinden fisyon keşfedildi.

Ürünlerin öngörülemeyen bileşimi (geniş olasılıklı ve biraz kaotik bir şekilde farklılık gösterir) fisyonu, her seferinde aynı ürünleri veren proton emisyonu, alfa bozunması ve küme bozunması gibi tamamen kuantum tünelleme süreçlerinden ayırır. Nükleer fisyon, nükleer enerji için enerji üretir ve nükleer silahların patlamasına neden olur. Her iki kullanım da mümkündür, çünkü nükleer yakıt denen bazı maddeler, fisyon nötronları tarafından vurulduklarında fisyona uğrarlar ve daha sonra parçalandıklarında nötronlar yayarlar. Bu, bir nükleer reaktörde kontrollü bir hızda veya bir nükleer silahta çok hızlı, kontrolsüz bir oranda enerji açığa çıkararak kendi kendini sürdüren bir nükleer zincir reaksiyonunu mümkün kılar.

Fiziksel bakış

Mekanizma

Yavaş hareket eden bir nötronun, hızlı hareket eden iki hafif elemente (fisyon ürünleri) ve ek nötronlara bölünen bir uranyum-235 atomunun çekirdeği tarafından emildiği, indüklenmiş bir nükleer fisyon olayının görsel bir temsili. Açığa çıkan enerjinin çoğu, fisyon ürünlerinin ve nötronların kinetik hızları biçimindedir.

Radyoaktif bozunma

Nükleer fisyon, bir tür radyoaktif bozulma olarak nötron bombardımanı olmadan gerçekleşebilir. Bu tür fisyon (kendiliğinden fisyon olarak adlandırılır), birkaç ağır izotop dışında nadirdir.

Nükleer reaksiyon

Tasarlanmış nükleer cihazlarda, esasen tüm nükleer fisyon, iki atom altı parçacığın çarpışmasından kaynaklanan bombardıman güdümlü bir süreç olan "nükleer reaksiyon" olarak gerçekleşir. Nükleer reaksiyonlarda, bir atom altı parçacık, bir atom çekirdeği ile çarpışır ve onun üzerinde değişikliklere neden olur. Nükleer reaksiyonlar, bu nedenle, kendiliğinden radyoaktif süreçlerin nispeten sabit üstel bozulma ve yarı ömür karakteristikleri tarafından değil, bombardıman mekaniği tarafından yönlendirilir.

Günümüzde birçok nükleer reaksiyon türü bilinmektedir. Nükleer fisyon, diğer nükleer reaksiyon türlerinden önemli ölçüde farklıdır, çünkü bir nükleer zincir reaksiyonu (bir tür genel zincir reaksiyonu) yoluyla amplifiye edilebilir ve bazen kontrol edilebilir. Böyle bir reaksiyonda, her fisyon olayı tarafından salınan serbest nötronlar, daha fazla olayı tetikleyebilir, bu da daha fazla nötron salgılar ve daha fazla fisyona neden olur.

Bir fisyon zinciri reaksiyonunu sürdürebilen kimyasal element izotoplarına nükleer yakıtlar denir ve bölünebilir oldukları söylenir. En yaygın nükleer yakıtlar ²³⁵U (kütle numarası 235 olan uranyum izotopu ve nükleer reaktörlerde kullanım) ve ²³⁹Pu (kütle numarası 239 olan plütonyum izotopu) 'dir. Bu yakıtlar, 95 ve 135 u (fisyon ürünleri) civarında merkezlenen atomik kütlelere sahip iki modlu bir kimyasal elementler yelpazesine ayrılır. Nükleer yakıtların çoğu, yalnızca çok yavaş bir şekilde kendiliğinden fisyona uğrar, bunun yerine esas olarak bin yıldan çağlara kadar bir alfa-beta bozunma zinciri yoluyla bozulur. Bir nükleer reaktörde veya nükleer silahta, fisyon olaylarının ezici çoğunluğu, kendisi önceki fisyon olayları tarafından üretilen bir nötron olan başka bir partikülün bombardımanı ile tetiklenir.

Bölünebilir yakıtlardaki nükleer fisyon, bölünebilir bir çekirdek bir nötron yakaladığında üretilen nükleer uyarma enerjisinin sonucudur. Nötron yakalamasından kaynaklanan bu enerji, nötron ve çekirdek arasında hareket eden çekici nükleer kuvvetin bir sonucudur. Çekirdeği, nükleer parçaların nükleer kuvvetin iki grup yüklü nükleonu bir arada tutabildiği mesafeleri aştığı noktaya kadar, çift loblu bir "damla" halinde deforme etmek yeterlidir ve bu gerçekleştiğinde, iki parça ayrılıklarını tamamlar ve daha sonra gittikçe daha büyük bir mesafeyle geri döndürülemez hale gelen bir süreçte karşılıklı olarak itici yükleriyle daha da uzaklaşır. Benzer bir süreç, bölünebilir izotoplarda (uranyum-238 gibi) meydana gelir, ancak bu izotoplar, hızlı nötronlar (termonükleer silahlarda nükleer füzyon tarafından üretilenler gibi) tarafından sağlanan ek enerjiye ihtiyaç duyar.

Atom çekirdeğinin sıvı damla modeli, nükleer deformasyonun bir sonucu olarak eşit boyutlu fisyon ürünlerini öngörür. Bir fisyon ürününün diğerinden biraz daha küçük olduğu enerji açısından daha uygun sonuca giden yolu mekanik olarak açıklamak için daha sofistike nükleer kabuk modeline ihtiyaç vardır. Kabuk modeline dayalı bir fisyon teorisi Maria Goeppert Mayer tarafından formüle edildi.

En yaygın fisyon işlemi ikili fisyondur ve yukarıda belirtilen fisyon ürünlerini 95±15 ve 135±15 u'da üretir. Bununla birlikte, ikili süreç yalnızca en olası olduğu için gerçekleşir. Bir nükleer reaktörde 1000 başına 2 ila 4 fisyon arasında herhangi bir yerde, üçlü fisyon adı verilen bir işlem, üç pozitif yüklü parça (artı nötronlar) üretir ve bunların en küçüğü, proton kadar küçük bir yük ve (Z = 1) argon kadar büyük bir parçaya (Z = 18) değişebilir. Bununla birlikte, en yaygın küçük parçalar, alfa bozunmasından (~ 16 MeV'de "uzun menzilli alfa" denilen) alfa parçacıklarından daha fazla enerjiye sahip %90 helyum-4 çekirdeklerinden, artı helyum-6 çekirdeklerinden ve tritonlardan ( trityum çekirdeği) oluşur. Üçlü süreç daha az yaygındır, ancak yine de modern nükleer reaktörlerin yakıt çubuklarında önemli helyum-4 ve trityum gazı birikimi üretmeye devam eder.

Enerji bilimi

girdi

Sıvı damla modelinde ikili fisyon aşamaları. Enerji girdisi çekirdeği şişman bir "puro" şekline, ardından bir "fıstık" şekline deforme eder, ardından iki lob kısa menzilli nükleer kuvvet çekim mesafesini aştığında ikili bölünme izler, daha sonra elektrik yükleri tarafından itilir ve uzağa itilir. Sıvı damla modelinde, iki fisyon parçasının aynı boyutta olacağı tahmin edilmektedir. Nükleer kabuk modeli, genellikle deneysel olarak gözlemlendiği gibi, boyut olarak farklı olmalarına izin verir.

Ağır bir çekirdeğin bölünmesi, başlangıçta çekirdeği küresel veya neredeyse küresel bir şekle sokan nükleer kuvvetin üstesinden gelmek için yaklaşık 7 ila 8 milyon elektron voltluk (MeV) toplam giriş enerjisi gerektirir ve oradan onu ikiye deforme eder. En yaygın ikili fisyon sürecinde (iki pozitif yüklü fisyon ürünü + nötronlar), lobların karşılıklı pozitif yükleriyle itilerek birbirlerinden ayrılmaya devam edebildikleri loblu ("fıstık") şekildedir. Nükleer loblar, kısa menzilli güçlü kuvvetin artık onları bir arada tutamayacağı kritik bir mesafeye itildiğinde, ayrılma süreci, parcalar arasındaki (daha uzun menzilli) elektromanyetik itmenin enerjisinden ilerler. Sonuç, yüksek enerjide birbirinden uzaklaşan iki fisyon parcalarıdır.

Fisyon-girdi enerjisinin yaklaşık 6 MeV'si, fazladan bir nötronun güçlü kuvvet aracılığıyla ağır çekirdeğe basitçe bağlanmasıyla sağlanır; ancak birçok bölünebilir izotopta bu enerji miktarı fisyon için yeterli değildir. Örneğin Uranyum-238, bir MeV enerjisinden daha az nötronlar için sıfıra yakın bir fisyon kesitine sahiptir. Başka herhangi bir mekanizma tarafından ilave enerji sağlanmadıysa, çekirdek bölünmeyecektir, ancak U-238 yavaş ve hatta hızlı nötronların bir kısmını emip U-239 haline geldiğinde olduğu gibi, yalnızca nötronları emecektir. Fisyonu başlatmak için kalan enerji, diğer iki mekanizma tarafından sağlanabilir: bunlardan biri, bir MeV veya daha fazla kinetik enerjiyi aştığında bölünebilir ağır bir çekirdeği giderek daha fazla fisyon edebilen gelen nötronun daha fazla kinetik enerjisidir (hızlı nötronlar denir). Bu tür yüksek enerjili nötronlar, U-238'i doğrudan fisyon edebilmektedir (hızlı nötronların nükleer füzyon tarafından sağlandığı uygulama için termonükleer silaha bakınız). Bununla birlikte, herhangi bir fisyon türü tarafından üretilen fisyon nötronlarının çok küçük bir kısmı, U-238'i verimli bir şekilde fisyon etmek için yeterli enerjiye sahip olduğundan (fisyon nötronları 2 MeV'lik bir mod enerjisine sahip olduğundan, bu işlem nükleer reaktörde büyük ölçüde gerçekleşemez, ancak sadece 0.75 MeV'lik bir medyan, yani yarısının bu yetersiz enerjiden daha azına sahip olduğu anlamına gelir).

Ağır aktinit elementleri arasında, tek sayıda nötron içeren izotoplar (143 nötronlu U-235 gibi), aynı elementin eşit nötron sayısı (146 nötronlu U-238 gibi) bir izotopu üzerinden fazladan 1 ila 2 MeV enerji ile fazladan bir nötron bağlar. Bu ekstra bağlanma enerjisi, nötron eşleştirme etkilerinin bir sonucu olarak elde edilir. Bu ekstra enerji Pauli dışlama ilkesinden kaynaklanır, fazladan bir nötronun çekirdekteki son nötronla aynı nükleer yörüngeyi işgal etmesine izin verir, böylece ikisi bir çift oluşturur. Bu nedenle bu tür izotoplarda nötron kinetik enerjisine gerek yoktur, çünkü gerekli tüm enerji herhangi bir nötronun absorpsiyonu ile sağlanır, ya yavaş ya da hızlı türden (ilki, orta dereceli nükleer reaktörlerde kullanılır ve ikincisi, hızlı nötron reaktörleri ve silahlarda). Yukarıda belirtildiği gibi, kendi fisyon nötronları ile verimli bir şekilde bölünebilen (bu nedenle potansiyel olarak nispeten küçük miktarlarda saf malzeme içinde bir nükleer zincir reaksiyonuna neden olan) bölünebilir elementlerin alt grubu "bölünebilir" olarak adlandırılır. Bölünebilir izotopların örnekleri uranyum-235 ve plütonyum-239'dur.

Çıktı

Pozitif yüklü çekirdeklerin bir kümesi durumunda bir Coulomb patlamasının animasyonu, bir fisyon parçası kümesine benzer. Renk tonu seviyesi, (daha büyük) çekirdek yüküyle orantılıdır. Bu zaman ölçeğindeki elektronlar (daha küçük) yalnızca stroboskopik olarak görülür ve ton seviyesi onların kinetik enerjisidir.

Tipik fisyon olayları, her fisyon olayı için kabaca >2 trilyon Kelvin'e eşdeğer olan yaklaşık iki yüz milyon eV (200 MeV) enerji salar. Bölünen kesin izotop, bölünebilir veya bölünebilir olsun, salınan enerji miktarı üzerinde sadece küçük bir etkiye sahiptir. Bu, bağlanma enerjisi eğrisini inceleyerek (aşağıdaki resim) ve uranyum ile başlayan aktinit çekirdeklerin ortalama bağlanma enerjisinin nükleon başına 7.6 MeV civarında olduğuna dikkat edilerek kolayca görülebilir. Fisyon ürünlerinin kümelendiği bağlanma enerjisi eğrisinde daha sola bakıldığında, fisyon ürünlerinin bağlanma enerjisinin nükleon başına 8,5 MeV civarında merkeze gelme eğiliminde olduğu kolayca gözlemlenir. Bu nedenle, aktinidin kütle aralığında bir izotopun herhangi bir fisyon olayında, başlangıç ​​elemanının nükleonu başına kabaca 0,9 MeV salınır. U235'in yavaş bir nötron tarafından bölünmesi, hızlı bir nötron tarafından U238'in fisyonuyla neredeyse aynı enerjiyi verir. Bu enerji salım profili toryum ve çeşitli küçük aktinitler için de geçerlidir.

Bunun aksine, çoğu kimyasal oksidasyon reaksiyonu (yanan kömür veya TNT gibi) olay başına en fazla birkaç eV salmaktadır. Yani nükleer yakıt, birim kütle başına kimyasal yakıttan en az on milyon kat daha fazla kullanılabilir enerji içerir. Nükleer fisyon enerjisi, fisyon ürünlerinin ve fragmanlarının kinetik enerjisi olarak ve gama ışınları şeklinde elektromanyetik radyasyon olarak salınır; Bir nükleer reaktörde, parçacıklar ve gama ışınları reaktörü oluşturan atomlarla ve genellikle su veya ara sıra ağır su veya erimiş tuzlarla çarpıştıkça enerji ısıya dönüştürülür.

Bir uranyum çekirdeği iki yavru çekirdek parçasına bölündüğünde, uranyum çekirdeğinin kütlesinin yaklaşık yüzde 0.1'i, ~ 200 MeV'lik fisyon enerjisi olarak görünür. Uranyum-235 (toplam ortalama fisyon enerjisi 202.79 MeV) için, tipik olarak ~ 169 MeV, Coulomb itmesi nedeniyle ışık hızının yaklaşık% 3'ünde birbirinden ayrılan yavru çekirdeklerin kinetik enerjisi olarak görünür.

Ayrıca, nötron başına ortalama kinetik enerji ~ 2 MeV (toplam 4.8 MeV) ile ortalama 2.5 nötron salınır. Fisyon reaksiyonu ayrıca hızlı gama ışını fotonlarında ~ 7 MeV salar. İkinci rakam, bir nükleer fisyon patlamasının veya kritiklik kazasının enerjisinin yaklaşık %3,5'ini gama ışınları olarak, enerjisinin %2,5'inden azını hızlı nötronlar olarak (her iki radyasyon türünün toplamı ~%6) ve geri kalanının kinetik olarak yaydığı anlamına gelir fisyon fragmanlarının enerjisi (bu, fragmanlar çevreleyen maddeyi basit bir ısı olarak etkilediğinde hemen ortaya çıkar). Bir atom bombasında, bu ısı, bomba çekirdeğinin sıcaklığını 100 milyon kelvin'e yükseltmeye ve bu enerjinin bir kısmını iyonlaştırıcı radyasyona dönüştüren ikincil yumuşak X-ışınlarının emisyonuna neden olabilir. Bununla birlikte, nükleer reaktörlerde, fisyon parçası kinetik enerjisi düşük sıcaklıkta ısı olarak kalır ve bu da iyonlaşmaya çok az neden olur veya hiç neden olmaz.

Sözde nötron bombaları (geliştirilmiş radyasyon silahları), enerjilerinin daha büyük bir kısmını iyonlaştırıcı radyasyon (özellikle nötronlar) olarak açığa çıkaran olarak inşa edildi, ancak bunların tümü, ekstra radyasyon üretmek için nükleer füzyon aşamasına dayanan termonükleer cihazlardır. Saf fisyon bombalarının enerji dinamikleri, fisyonun hızlı bir sonucu olarak, radyasyondaki toplamın yaklaşık %6'sında kalır.

Toplam ani fisyon enerjisi yaklaşık 181 MeV veya zamanla fisyon tarafından nihayetinde salınan toplam enerjinin ~%89'u kadardır. Kalan ~%11, çeşitli yarı ömürleri olan beta bozunmalarında salınır, ancak fisyon ürünlerinde bir işlem olarak hemen başlar; ve bu beta bozunmalarıyla ilişkili gecikmiş gama emisyonlarında görülür. Örneğin, uranyum-235'te bu gecikmiş enerji, betalarda yaklaşık 6.5 MeV'ye, antinötrinolarda 8.8 MeV'ye (betalarla aynı anda salınır) ve son olarak, uyarılmış beta bozunma ürünlerinden gecikmiş gama emisyonunda ilave 6,3 MeV (fisyon başına ortalama toplam ~ 10 gama ışını emisyonu için) bölünmüştür. Bu nedenle, toplam fisyon enerjisinin yaklaşık %6,5'i, hızlı olmayan veya gecikmeli iyonlaştırıcı radyasyon olarak olaydan bir süre sonra salınır ve geciken iyonlaştırıcı enerji, gama ve beta ışını enerjisi arasında yaklaşık olarak eşit olarak bölünür.

Bir süredir çalışmakta olan bir reaktörde, radyoaktif fisyon ürünleri, bozunma hızları oluşum hızlarına eşit olacak şekilde kararlı durum konsantrasyonlarına sahip olacaklar, böylece reaktör ısısına fraksiyonel toplam katkıları (beta bozunma yoluyla), fisyon enerjisine bu radyoizotopik fraksiyonel katkılarla aynıdır. Bu koşullar altında, gecikmiş iyonlaştırıcı radyasyon (radyoaktif fisyon ürünlerinden gecikmiş gama ve betalar) olarak görünen %6,5'lik fisyon, güç altında kararlı durum reaktör ısısı üretimine katkıda bulunur. Reaktör aniden kapandığında (karıştığında) kalan bu çıkış fraksiyonudur. Bu nedenle, reaktör kapandığında, reaktör bozunma ısı çıkışı, tam reaktör sabit durum fisyon gücünün %6.5'inde başlar. Ancak saatler içinde bu izotopların bozulması nedeniyle bozunma güç çıkışı çok daha azdır. Ayrıntılar için bozunma ısısına bakın.

Gecikmiş enerjinin geri kalanı (8.8 MeV / 202.5 MeV = toplam fisyon enerjisinin %4.3'ü) antinötrinolar olarak yayılır ve pratik bir konu olarak "iyonlaştırıcı radyasyon" olarak kabul edilmez. Bunun nedeni, antinötrinolar olarak salınan enerjinin reaktör materyali tarafından ısı olarak yakalanmaması ve neredeyse ışık hızında doğrudan tüm malzemelerden (Dünya dahil) ve gezegenler arası boşluğa (emilen miktar küçüktür) kaçmasıdır. Nötrino radyasyonu normalde iyonlaştırıcı radyasyon olarak sınıflandırılmaz, çünkü neredeyse tamamen absorbe edilmez ve bu nedenle etki yaratmaz (çok nadir nötrino olayı iyonlaştırıcı olsa da). Radyasyonun neredeyse tamamı (%6,5 gecikmiş beta ve gama radyasyonu) sonunda bir reaktör çekirdeğinde veya korumasında ısıya dönüştürülür.

Nötronları içeren bazı süreçler, enerjiyi emmek veya nihayetinde üretmek için dikkate değerdir - örneğin, nötron kinetik enerjisi, eğer nötron plütonyum-239'u üretmek için bir uranyum-238 atomu tarafından yakalanırsa hemen ısı vermez, ancak bu enerji, plütonyum-239 daha sonra bölünür. Öte yandan, fisyon kızlarından birkaç dakikaya kadar yarı ömrü olan radyoaktif bozunma ürünleri olarak yayılan gecikmiş nötronlar, reaktör kontrolü için çok önemlidir, çünkü toplam nükleer reaksiyon için karakteristik bir "reaksiyon" süresi verirler. Eğer reaksiyon, süper kritik bir zincir reaksiyonu için kasıtlı olarak bu nötronlara dayanan bir "gecikmeli kritik" bölgede yürütülürse (her fisyon döngüsünün emdiğinden daha fazla bir nötron verir). Varlıkları olmasaydı, nükleer zincir reaksiyonu anında kritik hale gelir ve boyutu insan müdahalesi ile kontrol edilebileceğinden daha hızlı artar. Bu durumda, ilk deneysel atomik reaktörler, operatörleri onları manuel olarak kapatmadan önce tehlikeli ve dağınık bir "ani kritik reaksiyona" kaçacaktı (Bu nedenle tasarımcı Enrico Fermi, Chicago Pile-1'in merkezine otomatik olarak düşebilen elektromıknatıslarla askıya alınmış radyasyon karşı tetiklemeli kontrol çubukları içeriyordu). Bu gecikmiş nötronlar fisyon oluşturmadan yakalanırsa, ısı da üretirler.