Особенности процесса деления

Делением называется реакция расщепления атомного ядра (обычно тяжелого) на две (иногда на три) примерно равные по массе части (осколки деления) (Рис.1). Тяжёлые ядра (Z ≥ 90) делятся как после слабого предварительного возбуждения атомного ядра, например, в результате облучения его нейтронами с энергией Е_n ≈ 1 МэВ, а для некоторых ядер даже тепловыми нейтронами (вынужденное деление), так и без предварительного возбуждения, т. е. самопроизвольно (спонтанное деление). Ядра с Z < 90 делятся только вынужденным способом (точнее говоря, они имеют слишком

большой период полураспада спонтанного деления), причём энергия возбуждения, необходимая для деления,

растёт с уменьшением параметра деления Z² / A. Вынужденное деление происходит практически мгновенно (τ

≈ 10^-14 сек).

Рис. 2. Барьер деления и последовательность фигур, проходимых делящимсяатомным ядром.

Начальная стадия деления - медленное изменение формы ядра, при котором появляется шейка, соединяющая 2 ещё не полностью сформированных осколка (Р ис. 2). Время прохождения этой стадии (10^-14 - 10^-18 сек) зависит от того, насколько сильно возбуждено делящееся ядро. Постепенно шейка утончается, и в некоторый момент происходит её разрыв). Образующиеся осколки с большой энергией

разлетаются в противоположные стороны. Деформация ядра при делении сопровождается изменением его потенциальной энергии. Для того чтобы ядро достигло формы, предшествующей его разрыву, необходима затрата определённой энергии для преодоления потенциального барьера, называется барьером деления. Эту энергию обычно ядро получает извне, в результате той или иной ядерной реакции (например, при захвате нейтрона). Деление наблюдается для всех ядер тяжелее Ag, однако вероятность его больше для тяжёлых элементов. В случае ²³⁵U деление происходит при захвате даже тепловых нейтронов.

Вынужденное деление ядер может быть вызвано любыми частицами: фотонами, нейтронами, протонами, дейтронами, α -частицами и т.д., если энергия, которую они вносят в ядро, достаточна для преодоления барьера деления.

Рис. 3. Схема процесса деления.

На Рис. 3 представлена схема процесса деления. Ядро, находящееся в некоторой равновесной деформации, поглощает энергию, становясь возбужденным, и трансформируется в конфигурацию, известную как переходное состояние или седловая точка. Как только ядро деформируется, кулоновская энергия уменьшается (так как среднее расстояние между ядерными протонами увеличилось). При этом уменьшается поверхностная энергия ядра (так как площадь поверхности ядра увеличилась). В седловой точке скорость изменения кулоновской энергии равна скорости изменения поверхностной энергии ядра. Образование и распад этого переходного состояния ядра – скорость определяющая стадия процесса деления - соответствует прохождению активационного энергетического барьера реакции. Если ядро деформируется за это положение оно необратимо идёт к делению. Когда это происходит, в очень короткое время, шейка между возникшими фрагментами исчезает, и ядро делится на два фрагмента. В точке разделения, находятся два высоко заряженных, деформированных фрагмента в контакте друг с другом. Большое кулоновское отталкивание между двумя фрагментами за 10^-20 сек ускоряет их до энергии, составляющей 90% от конечной. В процессе ускорения первичные фрагменты удаляются друг от друга, попутно переходя в более сферические формы, и конвертируя свою потенциальную энергию деформации во внутреннюю энергию возбуждения. Они становятся " горячими". Эта энергия возбуждения удаляется эмиссией " мгновенных" нейтронов из полностью ускоренных фрагментов и затем в конкуренции с запаздывающими нейтронами продукты деления испускают γ -лучи. Наконец, при больших временах обогащённые нейтронами фрагменты испускают β -частицы. Иногда, один из этих β -распадов заселяет высоко лежащее возбужденное состояние дочернего нуклида, которое неустойчиво относительно нейтронной эмиссии. Тогда ядро испускает нейтроны, называемые " запаздывающими" нейтронами. Если нейтроны испускаются преимущественно из полностью ускоренных

фрагментов, их пространственное распределение выстраивается по направлению движения фрагментов. Они не появляются беспорядочно вокруг ядра, как это обычно изображают художники. Здесь важно, что выделение энергии при делении происходит как кинетическая энергия фрагментов, а не как энергия нейтронов, фотонов, или других испускаемых частиц.

Рис. 3 демонстрирует две стадии процесса деления: подъём к седловой точке и переход через перевал.Как и в химических реакциях, вероятность реакции определяется преодолением переходного состояния. Менее очевидно, что распределения энергий продуктов деления, их масс, и т.д. определены на перевале или вблизи от него.

В момент разрыва ядра осколки сильно деформированы, но по мере их удаления друг от друга деформация уменьшается, что приводит к увеличению их внутренней энергии. В дальнейшем энергия возбуждения осколков уменьшается в результате испускания ими нейтронов и γ -квантов. Когда энергия возбуждения осколков становится меньше энергии, необходимой для отделения нейтрона от ядра, эмиссия нейтронов прекращается и начинается интенсивное испускание γ -квантов. В среднем наблюдается 8-10 γ -квантов на 1 акт деления.

Быстрый рост экономики развивающегося мира с прогнозируе-мым дефицитом энергоресурсов, а также загрязнение атмосферы, провоцирующее климатические изменения, создали объективную базу для «новой эры» ядерной энергетики. Долгосрочные интересы энергетической безопасности и устойчивого энергетического раз-вития мира требуют увеличения доли ядерной энергии в произ-водстве электричества, водорода, промышленного и бытового те-

пла [10].