Было установлено, что все химические свойства веществ определяются строением электронных оболочек атомов. Но если ядро похоже на жидкую каплю и может дробиться и сливаться, то с чем был связан шок от новости о делении урана? Они сообщили о делении атомов пяти различных элементов – алюминия, бора, натрия, бериллия и лития – и полученная энергия более чем в три раза превышала то, что затратили.
Разница между ядерным делением и синтезом
| Статьи | Деление атома | Новости Новости. |
| Дирижер атомного взрыва: тело и жизнь самой тайной части ядерного заряда | Так получим ли мы новые мощные атомные ледоколы, новые энергоблоки, плавучую атомную станцию «Академик Ломоносов», космический ядерный двигатель при таком циничном. |
Физика атома и ядра. Слепцов И.А., Слепцов А.А.
Они сообщили о делении атомов пяти различных элементов – алюминия, бора, натрия, бериллия и лития – и полученная энергия более чем в три раза превышала то, что затратили. Высвобождение дополнительных нейтронов в процессе деления может привести к распаду других соседних атомов U-235. В отличие от Европы США не собираются отказываться от мирного атома и по мере сил восстанавливают пробелы. В этом опыте взрывной характер деления атома урана следовал из того, что два продукта деления разлетались в противоположные стороны с очень большой скоростью.
Ядерная энергетика: как утилизировать уран?
Нагревая тела, их можно заставить испускать лучи, относящихся к различным областям излучения в зависимости от температуры нагрева. Спектры, полученные нагревом тел, называются спектрами испускания. Они бывают сплошными, линейчатыми и полосатыми. Есть другой способ получения спектра. Пропускают пары газов твердого тела через прозрачные тела. При этом прозрачное тело поглощает часть проходящего через него излучения, спектр, полученный таким способом, называется спектром поглощения. Спектры поглощения могут быть линейчатыми или полосатыми. Спектры различают по роду их источников. Поэтому спектры бывают атомными, молекулярными, а также бывают спектры газов твердых тел. Атомные спектры являются дискретными спектрами, молекулярные спектры полосатыми, а спектры нагретых твердых тел сплошными.
В процессе работы ядерного реактора образуются газообразные продукты деления ядерного топлива, преимущественно газ ксенон. Газовые пузыри, скапливаясь внутри топлива, влияют на многие его свойства. Поэтому при проектировании и использовании реакторов важно знать, насколько быстро газ выходит из топлива. Диффузия рассеивание газовых пузырей — одна из важных тем исследований в ядерной энергетике, касающаяся не только эффективности работы реактора, но и радиационной безопасности. Кристаллическая решетка диоксида урана серые атомы — уран, красные — кислород , пузырь ксенона — желтые атомы. Черным цветом показаны атомы урана, вытесненные в междоузельные положения. Ярким свидетельством этого факта служит опубликованные в 2019 и 2020 годах работы французских специалистов.
Оболочечные поправки. Двугорбый барьер деления [ править править код ] Описание на основе капельной модели не в состоянии объяснить некоторые существенные особенности процесса деления, в частности, асимметрию масс осколков [14]. Кроме того, параметры спонтанно делящихся ядерных изомеров и характер зависимости сечения реакции деления от энергии вызывающих её нейтронов свидетельствуют о том, что барьер деления тяжёлых ядер имеет не один, а два максимума двугорбый барьер деления , между которыми находится вторая потенциальная яма. Упомянутые изомеры первым из которых был открыт 242mAm соответствуют наиболее низкому энергетическому уровню ядра во второй потенциальной яме [15]. Эти особенности деления получают своё объяснение при учёте оболочечных поправок к энергии, вычисляемой с помощью капельной модели. Соответствующий метод был предложен Струтинским в 1966 году [16]. Оболочечные эффекты выражаются в увеличении или уменьшении плотности уровней энергии ядра; они присущи как сферически симметричным, так и деформированным состояниям ядер [17]. Учёт этих эффектов усложняет зависимость энергии от параметра деформации по сравнению с капельной моделью. Для большинства ядер актиноидов в этой зависимости появляется вторая потенциальная яма, соответствующая сильной деформации ядра.
Обнаружено, что при бомбардировке нейтронами урана-235 образуется 80 различных ядер. Цепная реакция деления урана В январе 1939 года Ферми высказал мысль, что при делении урана-235 следует ожидать испускания быстрых нейтронов и что, если число вылетевших нейтронов будет больше, чем число поглощенных, путь к цепной реакции будет открыт. Поставленный эксперимент подтвердил наличие быстрых нейтронов. Вынужденное деление ядер урана нейтронами сопровождается вылетом нескольких нейтронов, которые, взаимодействуя с соседними ядрами урана, вызывают их деление. Цепная ядерная реакция — самоподдерживающая реакция деления тяжелых ядер, в которой непрерывно воспроизводятся нейтроны, делящие все новые и новые ядра. С целью уменьшения вылета нейтронов с куска урана увеличивают массу урана. Минимальное значение массы урана, при котором возможна цепная реакция, называется критической массой. В зависимости от устройства установок и типа горючего критическая масса изменяется от 200 г прт наличии отражателя нейтронов до 50 кг. Образование плутония Плутоний Pu — серебристо-белый радиоактивный металл группы актиноидов, теплый на ощупь из-за своей радиоактивности. В природе встречается в очень малых количествах в уранитовой смолке и других рудах урана и церия, в значительном количестве получают искусственно. Поэтому встал вопрос, как использовать в ядерной энергетике уран-238. В процессе радиоактивных превращений образуется изотоп нептуния, а затем плутония, который в дальнейшем используется в качестве ядерного топлива. При этом при делении 1 кг урана получается 1,5 кг плутония. Ядерная энергетика Для осуществления управляемой цепной реакции используют ядерный реактор, который является источником энергии на АЭС и морском флоте.
Ученые 80 лет выясняли, как вращаются атомные ядра после деления
Атомный взрыв возможен при расщеплении нестабильных атомов (в основном радиоактивные вещества) А более стойкие атомы расщепить почти невозможно, слишком много энергии. Деление атомных ядер может быть вызвано различными частицами, однако практически наиболее выгодно использовать для этой цели нейтроны. Оговорка вторая: для расщепления атомов элемента на части следует затратить меньше энергии, чем ее выделится. Реакция деления атомных ядер под действием так называемых медленных нейтронов лежит в основе работы ядерных реакторов. Деление атомного ядра, процесс, при котором из одного атомного ядра возникают несколько (чаще всего два) более лёгких ядер (осколков деления).
Спустя 80 лет ученые поняли, как атомные ядра начинают вращаться после деления
Внутри Чернобыльской атомной электростанции в массах уранового топлива начались реакции деления. Целью данного урока является изучение деления ядра атома урана и объяснение движения двух ядер, образовавшихся при его делении по готовой фотографии треков. МЦОУ - это единственный реализованный проект в мире, который гарантирует любой стране, встающей на путь развития атомной энергетики.
Открыт механизм вращения осколков деления ядер атомов
это процесс, при котором атом распадается на два, образуя два атома меньшего размера и огромное количество энергии. Скачай это бесплатное вектор на тему Атомная электростанция, атомные реакторы, производство энергии. деление атома, атомный процесс. 1. История открытия деления атомного ядра 2. Капельная модель ядра 3. Цепная реакция деления 4. Использование энергии деления ядер 5. Настоящее и будущее атомной энергетики.
Элементарно о частицах: физик Дмитрий Бузунов разложил на атомы вопросы школьников
Они продолжают распадаться, выделяя дополнительную энергию. Значение ядерного деления Ядерное деление имеет огромное значение в различных областях. Это основа для работы ядерных реакторов и атомных бомб, а также используется в медицинских и научных целях. Москва, Большой Саввинский пер. II; Адрес редакции: 119435, г.
Его простая и элегантная модель усовершенствована и развита Карл Фридрих фон Вайцзеккер и после открытия нейтрона Вернером Гейзенбергом в 1935 году и Нильсом Бором в 1936 году он полностью согласился с наблюдениями. В модели нуклоны были вместе в минимально возможном удерживаемом объеме сфере с помощью сильной ядерной силы , которая была способна преодолеть более дальнобойное кулоновское электрическое отталкивание.
Discovery Возражения Ферми получил в 1938 Нобелевскую премию по физике за свои «демонстрации» о существовании новых радиоактивных элементов, образующихся при нейтронном облучении, и за связанное с ним открытие ядерных ядер, вызываемых медленными нейтронами ». Однако не всех убедил анализ результатов Ферми. Ида Ноддак предположила в сентябре 1934 года, что вместо создания нового, более тяжелого элемента 93, что: С равным успехом можно было предположить, что когда нейтроны используются для ядерного распада, существуют некоторые совершенно новые ядерные реакции. В результате было обнаружено, что эти элементы изменяют массу лишь на небольшую часть. Когда тяжелые ядра бомбардируются нейтронами, возможно, ядроадаются на несколько больших фрагментов, которые, конечно, будут изотопами известных элементов, но не будут соседями пораженного элемента. Статья Ноддака была прочитана команду Ферми.
Тем не менее, процитированное возражение опускается до некоторой степени и является лишь одним из нескольких пробелов, которые отметила в заявлении. Модель жидкой капли Бора еще не была сформулирована, поэтому не было теоретического метода вычислить, было ли физически возможно для элементов урана разбиться на большие. Ноддак и ее муж, Уолтер Ноддак , были известными химиками, которые были номинированы на Нобелевскую премию по химии за открытие рения, хотя в то время они также были связаны с противоречием по поводу открытия элемента 43, который они назвали «мазурием». Открытие технеция Эмилио Сегре и Карло Перье положило конец их притязаниям, но не произошло до 1937 года. Мейтнер была не боюсь сказать дорогой Ханхен, фон Physik Verstehst Du Nichts «Хан, в физике ты неааешь» , что Мейтнер или Кюри имели какие-либо ничего предубеждения против Ноддак из-за ее пола. То же самое относится и к Ноддак, которая не предлагала альтернативную ядерную модель и не проводила эксперименты в поддержку своего утверждения.
Хотя Ноддак была известным химиком-аналитиком, ей не хватало знаний в области физики, чтобы оценить масштабность того, что она предлагала. Бывшее здание химического института кайзера Вильгельма в Берлине. После Второй мировой войны он частью стал Берлинского свободного университета. Он был переименован в здании Отто Хана в 1956 году и в здании Хана-Мейтнера в 2010 году. Ноддак был не единственным критиком утверждения Ферми. Аристид фон Гросс предположил, что то, что обнаружил Ферми, было изотопом протактиния.
Мейтнер очень хотела исследовать результаты Ферми, но она понимала, что требовался высококвалифицированный химик, и ей нужен был лучший, которого она знала: Хан, хотя они не сотрудничали в течение многих лет. Первоначально Хан не интересовался, но упоминание фон Гроссе о протактинии изменило его мнение. В то время мы с Лизой Мейтнер решили повторить эксперименты, Ферми, чтобы выяснить, был ли 13-минутный изотоп изотопом протактиния или нет. Это было логичное решение, поскольку они были первооткрывателями протактиния ». К Хану и Мейтнер присоединился Фриц Штрассманн. Штрассманн получил докторскую степень по аналитической химии в Технический университет Ганновера в 1929 году и приехал в Химический институт кайзера Вильгельма учиться у Гана, полагаясь, что это улучшит его перспективы трудоустройства.
Ему так нравилась работа и люди, что он остался там после истечения срока его стипендии в 1932 году. После, как нацистская партия пришла в власть в Германии в 1933 году, он отказал в выгодном предложении партии, поскольку для этого требовалось политическое правительство и член в нацистской партии, и он ушел из Общества немецких химиков , когда оно стало частью нацистского Немецкого рабочего фронта. Это необходимо для того, чтобы стать независимым исследователем в Германии, чтобы получить свою квалификацию. Мейтнер убедила Ханаять Штрассмана на деньги фонда директора по особым обстоятельствам. В 1935 году Штрассманн стал ассистентом с половинной оплаты. Вскоре он будет считаться соавтором документов, которые они подготовили.
Закон 1933 года о восстановлении профессиональной гражданской службы удалил службы евреев с государством, включая академические круги. Мейтнер никогда не пыталась скрыть свое еврейское происхождение, но изначально была освобождена от этого воздействия по нескольким причинам: она работала до 1914 года, служила в армии во время мировой войны, была австрийкой, а не гражданином Германии, и кайзером Вильгельмом. Институт был партнерством государства и промышленности. Однако она была уволена с должности адъюнкт-профессора в Берлинском университете на том основании, что ее служба в Первую мировую войну на фронте, и она не завершила свою подготовку до 1922 года. Карл Бош , директор из IG Farben , главный спонсора Химического института кайзера Вильгельма, заверила Мейтнер, что ее положение там безопасно, и она согласилась остаться. Мейтнер, Хан и Штрассманн стали ближе друг к другу, поскольку их антинацистская политика все больше отдаляла их от остальной части организации, но это дало им больше времени для исследований, поскольку управление было передано помощникам Гана и Мейтнер.
Исследования Экспозиция ядерного деления в Немецком музее в Мюнхене.
Но все известные законы физики утверждали, что такое космическое расщепление противоречит основному закону природы. Если же такое расщепление произошло, то этот закон должен быть коренным образом изменен. Мейтнер была довольна присутствием племянника Отто, молодого физика со свежим умом,— вдвоем они обязательно найдут ответ на эту загадку. Лиза чувствовала, что в барии скрыта одна из величайших тайн природы, послание от святая святых космоса.
Само провидение послало ей племянника, чтобы помочь истолковать это послание. Однако, к полному ее смятению, когда она рассказала племяннику о том, что обнаружил Ган, он отказался слушать. Обсуждать нечто невозможное было пустой тратой времени. Он хотел обсуждать только свой собственный проект — ведь это одна из главных причин его визита. Когда тетушка стала настаивать, он предложил ей прогуляться.
Небольшой моцион и немного воздуха, подумал он,— это все, что нужно, чтобы привести ее в чувство. Поэтому они отправились на прогулку: она пешком, а он на лыжах. Должно быть, это было странное зрелище: крохотная шестидесятилетная старушка, плетущаяся через большие заснеженные поля, рядом с тридцатичетырехлетним мужчиной; она — оживленная, жестикулирующая, очевидно, отчаянно старающаяся разъяснить свою точку зрения, он — безразличный, поглощенный своими мыслями, иногда покачивающий с недоверием головой. Если ей и удалось пробить брешь в его укоренившихся взглядах, то этого не было заметно, когда они вернулись в гостиницу. Но весомые аргументы, выдвинутые гибким умом его тетушки, наконец сумели преодолеть сопротивление Отто.
В последующие дни в провинциальной гостинице проходили оживленные дискуссии, в результате которых появилась новая величественная концепция. Это не было похоже, продолжал он, на распад ядра радия путем испускания одного ядра гелия за две тысячи лет, «а скорее постепенная деформация уранового ядра, его удлинение, появление талии и, наконец, деление на две половины... Самой поразительной чертой этой новой формы ядерной реакции было высвобождение огромной энергии». Открытие деления ядра урана поразило Отто Фриша. Своей матери — сестре Лизы Мейтнер — он писал в это время: «Я чувствую себя как человек, который, пробираясь сквозь джунгли, не желая этого, поймал за хвост слона и сейчас не знает, что с ним делать».
Первое, что Отто Фриш и доктор Мейтнер решили предпринять, это рассказать об открытии Гана и своем истолковании этого открытия Нильсу Бору, который тогда собирался уезжать в Соединенные Штаты.
Гомогенные реакторы не получили распространения из-за конструктивных и технологических трудностей. Нейтроны, возникающие в процессе деления, исчезают в результате поглощения.
Кроме того, возможна утечка нейтронов вследствие диффузии через вещество, аналогичной диффузии одного газа сквозь другой. Чтобы управлять ядерным реактором, нужно иметь возможность регулировать коэффициент размножения нейтронов k, определяемый как отношение числа нейтронов в одном поколении к числу нейтронов в предыдущем поколении. Благодаря явлению запаздывающих нейтронов время «рождения» нейтронов увеличивается от 0,001 с до 0,1 с.
Это характерное время реакции позволяет управлять ею с помощью механических исполнительных органов — управляющих стержней из материала, поглощающего нейтроны B, Cd, Hf, In, Eu, Gd и др. Постоянная времени регулирования должна быть порядка 0,1 с или больше. Для обеспечения безопасности выбирают такой режим работы реактора, в котором для поддержания стационарной цепной реакции необходимы запаздывающие нейтроны в каждом поколении.
Для обеспечения заданного уровня мощности используются управляющие стержни и отражатели нейтронов, но задачу управления можно значительно упростить правильным расчетом реактора. Например, если реактор спроектировать так, чтобы при увеличении мощности или температуры реактивность уменьшалась, то он будет более устойчивым. Например, при недостаточном замедлении из-за повышения температуры расширяется вода в реакторе, то есть уменьшается плотность замедлителя.
В результате усиливается поглощение нейтронов в уране-238, поскольку они не успевают эффективно замедлиться. В некоторых реакторах используется фактор увеличения утечки нейтронов из реактора вследствие уменьшения плотности воды. Еще один способ стабилизации реактора основан на нагревании «резонансного поглотителя нейтронов», такого, как уран-238, который тогда сильнее поглощает нейтроны.
Системы безопасности. Безопасность реактора обеспечивается тем или иным механизмом его остановки в случае резкого увеличения мощности. Это может быть механизм физического процесса или действие системы управления и защиты, либо то и другое.
При проектировании водо-водяных реакторов предусматриваются аварийные ситуации, связанные с поступлением холодной воды в реактор, падением расхода теплоносителя и слишком большой реактивностью при пуске. Поскольку интенсивность реакции возрастает с понижением температуры, при резком поступлении в реактор холодной воды повышаются реактивность и мощность. В системе защиты обычно предусматривается автоматическая блокировка, предотвращающая поступление холодной воды.
При снижении расхода теплоносителя реактор перегревается, даже если его мощность не увеличивается. В таких случаях необходим автоматический останов. Кроме того, насосы теплоносителя должны быть рассчитаны на подачу охлаждающего теплоносителя, необходимую для остановки реактора.
Аварийная ситуация может возникнуть при пуске реактора со слишком высокой реактивностью. Из-за низкого уровня мощности реактор не успевает нагреться настолько, чтобы сработала защита по температуре, пока не оказывается слишком поздно. Единственная надежная мера в таких случаях — осторожный пуск реактора.
Избежать перечисленных аварийных ситуаций довольно просто, если руководствоваться следующим правилом: все действия, способные увеличить реактивность системы, должны выполняться осторожно и медленно.
Ядерное деление
Вот несколько примеров каждой из них. Напрасные затраты Одно из самых больших общественных опасений по поводу ядерной энергетики в последние десятилетия было о том, что делать с урановым топливом, когда оно настолько забито расщепляющимися продуктами, что больше не может эффективно производить энергию. Эти высокоактивные отходы содержат изотопы, для снижения радиоактивности которых до уровня, примерно соответствующего уровню радиоактивности руды, из которой они были получены, могут потребоваться тысячи лет. В настоящее время в мире хранится более четверти миллиона тонн высокорадиоактивных отходов, ожидающих захоронения или переработки. Это плохо? Хотя хранящиеся ядерные отходы не обязательно представляют непосредственную угрозу, если они хорошо локализованы, вопросы долгосрочного обращения и возможности неправильного обращения и несчастных случаев делают хранение растущей кучи ядерных отходов спорным вопросом.
Углерод также является одним из видов отходов. Хотя процесс деления и преобразования ядерной энергии в электричество относительно свободен от выбросов углерода, общий бюджет углерода, связанный с добычей и переработкой руды, необходимой для деления, и строительством конкретной электростанции, не равен нулю. В течение всего срока службы новая атомная электростанция может выбрасывать в атмосферу примерно 4 г CO2 на каждый киловатт-час произведенной электроэнергии. По некоторым оценкам, этот показатель значительно выше - от 10 до 130 граммов CO2 в отдельных случаях. Таким образом, замена угольных электростанций на атомные позволит ежегодно экономить миллионы тонн СО2, не говоря уже о твердых частицах и других загрязняющих веществах.
По тем же причинам экологически чистые возобновляемые источники энергии, такие как ветряные турбины и солнечные батареи, также не имеют нулевых выбросов в силу их производства и установки. Углеродный след солнечных и ветряных электростанций более или менее сопоставим с нижним пределом для атомной энергетики. В целом, атомная энергетика в лучшем случае не содержит столько же углерода, сколько солнечная и ветровая, хотя и связана с непопулярной проблемой отходов. Риск Прошло более трех десятилетий с тех пор, как советская Украина дала миру представление о том, как может выглядеть наихудший сценарий ядерной аварии. Чернобыльская АЭС, расплавившаяся во время технических испытаний в 1986 году, превратилась в радиоактивные руины на фоне отравленного радиоактивными осадками ландшафта.
В 2011 году после землетрясения на японской АЭС "Фукусима" также произошла авария.
Но если у химического элемента слишком много нейтронов, он становится нестабильным или делящимся. Когда делящиеся изотопы пытаются стать стабильными, они освобождают избыток нейтронов и энергии.
Именно эта энергия является источником взрывной силы ядерного оружия. Различают два типа ядерного оружия: Атомные бомбы: в них для создания взрыва используется эффект домино, заключающийся в многочисленных реакциях деления урана или плутония. Водородные бомбы: они основаны на сочетании деления и синтеза урана или плутония при участии более легких элементов, таких как изотопы водорода.
Но в чем же разница между реакциями деления и синтеза? Расщепление атомов: деление ядер Деление ядер — это процесс, который используется в ядерных реакторах. В ходе этого процесса происходит выделение большого количества энергии за счет расщепления более тяжелых нестабильных атомов на два атома меньшего размера, что приводит к началу цепной ядерной реакции деления.
Когда нейтрон попадает в ядро делящегося атома, например, урана-235, атом урана расщепляется на два более мелких атома в дополнение к увеличению количества нейтронов и энергии. Эти избыточные нейтроны, ударяясь о ядра других атомов урана-235, могут запустить цепную реакцию деления, что приводит к атомному взрыву.
Как разделить неделимое?
Элементарная частица Планетарная модель атома по Резерфорду Довольно долго физики считали атом фундаментальной частицей. Но выдвинутая в 1911 г. Резерфордом гипотеза о планетарном строении атома подтолкнула науку к развитию ядерной физики.
И вот неделимый атом уже состоит из ядра и электронов. Сегодня физике известно о десятках элементарных частиц, но посмотрев в школьные или университетские учебники вы узнаете только о четырёх: протоне, нейтроне, электроне и фотоне. Атомная матрёшка Краткое видео о видах элементарных частиц Атом намного сложнее, чем предполагали ранее.
Ядро атома, если это не водород, состоит из набора протонов и нейтронов. Однако они отличаются лишь зарядом и небольшим различием массы, что позволило отнести их к одному классу нуклонов. В 1970 г.
В ядерном реакторе или ядерном оружии большинство событий деления вызывается бомбардировкой другой частицей, например нейтроном. Типичные события деления высвобождают несколько сотен миллионов эВ энергии для каждого акта деления. Напротив, большинство химических реакций окисления таких как сжигание угля или тротила выделяют не более нескольких эВ за одно событие, поэтому ядерное топливо содержит по крайней мере в десять миллионов раз больше полезной энергии, чем химическое топливо. Энергия ядерного деления выделяется в виде кинетической энергии продуктов деления и осколков, а также в виде электромагнитного излучения в форме гамма-лучей; в ядерном реакторе энергия преобразуется в тепло, когда частицы и гамма-лучи сталкиваются с атомами, которые составляют реактор и его рабочую жидкость, обычно воду или иногда тяжелую воду. Ядерное деление тяжелых элементов производит энергию, потому что удельная энергия связи энергия связи на единицу массы ядер промежуточных масс с атомными номерами и атомными массами, близкими к 61Ni и 56Fe больше, чем удельная энергия связи очень тяжелых ядер, поэтому энергия выделяется при разрыве тяжелых ядер. Суммарные массы остатков продуктов деления Мп от единичной реакции меньше массы исходного топливного ядра М. Неравные деления энергетически более выгодны, потому что это позволяет одному продукту быть ближе к энергетическому минимуму около массы 60. Изменение удельной энергии связи в зависимости от атомного номера происходит из-за взаимодействия двух фундаментальных сил, действующих на составляющие нуклоны протоны и нейтроны , составляющие ядро. Ядра связаны сильным притягивающим ядерным взаимодействием между нуклонами, которое преодолевает электростатическое отталкивание между протонами.
Однако сильное ядерное взаимодействие действует только на очень коротких дистанциях, поскольку оно следует за потенциалом Юкавы. По этой причине большие ядра менее тесно связаны на единицу массы, чем маленькие ядра, и разбиение очень большого ядра на два или более ядер среднего размера высвобождает энергию. Из-за малого радиуса действия сильной связывающей силы большие ядра должны содержать пропорционально больше нейтронов, чем легкие элементы, которые наиболее стабильны при соотношении протонов и нейтронов 1-1. Дополнительные нейтроны стабилизируют тяжелые элементы, потому что они усиливают сильное связывание, не увеличивая протон-протонное отталкивание. В продуктах деления в среднем примерно такое же соотношение нейтронов и протонов, что и в их родительском ядре, и поэтому они обычно нестабильны, поскольку имеют пропорционально слишком много нейтронов по сравнению со стабильными изотопами аналогичной массы. Это основная причина проблемы высокоактивных радиоактивных отходов ядерных реакторов. Продукты деления, как правило, являются бета-излучателями, излучающими быстро движущиеся электроны для сохранения электрического заряда, поскольку избыточные нейтроны превращаются в протоны внутри ядра атомов продуктов деления. Наиболее распространенные виды ядерного топлива, 235U и 239Pu, сами по себе не представляют серьезной радиологической опасности: 235Период полураспада U составляет около 700 миллионов лет, и хотя 239Период полураспада Pu составляет всего около 24000 лет, он является чистым эмиттером альфа-частиц и, следовательно, не особенно опасен, если его не проглотить. После использования топливного элемента оставшийся топливный материал тщательно смешивается с высокорадиоактивными продуктами деления, которые испускают энергичные бета-частицы и гамма-лучи.
У некоторых продуктов деления период полураспада составляет всего секунды; у других периоды полураспада составляют десятки тысяч лет, что требует длительного хранения в таких объектах, как гора Юкка, до тех пор, пока продукты деления не распадутся на нерадиоактивные стабильные изотопы. Цепные реакции Многие тяжелые элементы, такие как уран, торий и плутоний, подвергаются как спонтанному делению, форме радиоактивного распада, так и индуцированное деление, форма ядерной реакции. Элементарные изотопы, которые подвергаются индуцированному делению при ударе свободным нейтроном, называются делящимися; изотопы, которые подвергаются делению при ударе теплового, медленно движущегося нейтрона, также называются делящимися. Несколько особенно делящихся и легко доступных изотопов особенно 235U и 239Pu называют ядерным топливом, потому что оно может поддерживать цепную реакцию и может быть получено в достаточно больших количествах, чтобы быть полезным. Все делящиеся и делящиеся изотопы подвергаются небольшому спонтанному делению, которое выделяет несколько свободных нейтронов в любой образец ядерного топлива. Такие нейтроны быстро выходят из топлива и становятся известными как свободные нейтроны с периодом полураспада около 15 минут, прежде чем они распадутся на протоны и бета-частицы. Однако нейтроны почти всегда сталкиваются и поглощаются другими ядрами, находящимися поблизости, задолго до того, как это происходит вновь созданные нейтроны деления движутся со скоростью примерно 7 процентов от скорости света, и даже замедленные нейтроны движутся примерно в 8 раз быстрее, чем это происходит. Некоторые нейтроны будут воздействовать на ядра топлива и вызывать дальнейшие деления, высвобождая еще больше нейтронов. Если достаточное количество ядерного топлива собрано в одном месте или если нейтроны улетучиваются в достаточной степени, то количество этих только что сгенерированных нейтронов превышает количество нейтронов, выходящих из сборки, и устойчивая цепная ядерная реакция состоится.
Сборка, которая поддерживает устойчивую цепную ядерную реакцию, называется критической сборкой или, если сборка почти полностью сделана из ядерного топлива, критической массой. Слово «критический» относится к пику в поведении дифференциального уравнения, которое определяет количество свободных нейтронов, присутствующих в топливе: если присутствует меньше критической массы, то количество нейтронов определяется радиоактивным распадом, но если если присутствует критическая масса или больше, то количество нейтронов контролируется физикой цепной реакции. Фактическая масса критическая масса ядерного топлива сильно зависит от геометрии и окружающих материалов. Не все делящиеся изотопы могут поддерживать цепную реакцию. Например, 238U, самая распространенная форма урана, расщепляется, но не расщепляется: он подвергается индуцированному делению при столкновении с энергичным нейтроном с кинетической энергией более 1 МэВ. Но слишком мало нейтронов, производимых 238Деление урана достаточно энергично, чтобы вызвать дальнейшее деление в 238U, поэтому цепная реакция с этим изотопом невозможна. Вместо этого бомбардировка 238U с медленными нейтронами заставляет его поглощать их становясь 239U и распад бета-излучением до 239Np, который затем снова распадается тем же процессом до 239Pu; этот процесс используется для производства 239Pu в реакторах-размножителях, но не участвует в цепной нейтронной реакции. Делящиеся, неделящиеся изотопы могут использоваться в качестве источника энергии деления даже без цепной реакции. Бомбардировка 238U с быстрыми нейтронами вызывает деление, высвобождая энергию, пока присутствует внешний источник нейтронов.