Fission du ministre – Wikipedia

Animation d’une fission nucléaire induite par les neutrons selon le modèle de gouttelettes avec trois neutrons nouvellement libérés

Exemple de fission nucléaire induite par les neutrons de l’uranium-235

Fission nucléaire Décrit les processus de physique nucléaire, dans lesquels un noyau atomique est décomposé en deux noyaux plus petits ou plus. La fission nucléaire devient également moins courante Fission nucléaire ( Latin fisso “Clivage”, Anglais fission nucléaire ) appelé. La fission ne doit pas avec la fusion nucléaire, le Fusionner Deux noyaux atomiques. Les tissus nouvellement créés par la scission sont appelés produits GAP.

Informations générales sur la physique de la division

Le clivage n’est observé que dans des nucléides lourds suffisants, du thorium-232 vers le haut. Ce n’est qu’avec eux qu’il est facile de se désassembler dans des grains plus légers et est possible avec la libération d’énergie de liaison. La scission peut être clairement comprise en fonction du modèle de gouttelettes par vibration et en déchirant le noyau: la grande vue animée de l’image ci-dessus montre comment le noyau (rouge) est frappé par un neutron (bleu), s’étend dans la longueur et se contracte au milieu. La longue gamme de rejet électrique mutuel des protons l’emporte ensuite sur la puissance nucléaire attrayante (voir le noyau atomique) avec sa courte portée et sépare les deux extrémités, de sorte que le noyau rejette en deux (ou rarement en trois) fragments – des noyaux de milieu très excités. En modifiant l’énergie de liaison, la masse totale diminue en conséquence (défaut de masse). Sauf les noyaux de fragment ( Fragments d’écart ) sont généralement libérés certains neutrons individuels, généralement deux ou, comme dans l’image, trois.

Le spectre d’énergie de ces neutrons a la forme d’une distribution de Maxwell, est donc continu et s’étend jusqu’à environ 15 MEV. Cependant, la température absolue, qui est pertinente dans les statistiques de Boltzmann, n’a pratiquement aucune importance physique ici, mais est traitée comme un paramètre libre pour adapter la courbe à la forme mesurée du spectre. L’énergie moyenne des neutrons est d’environ 2 MEV. Il accroche quelque chose sur la scission ^[d’abord] Nuclide et dans le cas de la division induite par les neutrons (voir ci-dessous) également à partir de celle de l’énergie du neutron de division. En raison de l’asymétrie de la courbe de distribution de Maxwell, l’énergie moyenne est différente de l’énergie la plus probable, le maximum de la courbe; Il s’agit d’environ 0,7 MeV. ^[2]

Environ 99% des neutrons sont directement des neutrons rapides lorsqu’ils se divisent dans environ 10 ⁻¹⁴ Secondes émises. Le reste, les neutrons retardés, est libéré des fragments d’écart à quelques minutes plus tard.

Fractionnement spontané

Certains types de noyau atomique (nucléides) se divisent sans influence externe. Cette scission spontanée est un type de désintégration radioactive. Il peut être expliqué quantique mécaniquement similaire à la désintégration alpha par l’effet du tunnel.

L’application pratique est le fractionnement spontané comme source de neutrons libres. L’isotope californium est généralement utilisé pour cela

utilisé.

Split induit par neutrons

La division induite par les neutrons, une réaction nucléaire, est d’une grande importance technique. Un neutron libre s’approche si près d’un noyau atomique qu’il peut être absorbé par lui. Le noyau gagne l’énergie de liaison et toute énergie cinétique de ce neutron, qui est à l’état vivant et se divise. Au lieu de se diviser, d’autres processus sont également possibles, par exemple la capture de neutrons. Les émissions de noyau atomique animées d’un ou plusieurs gamma quanta et fusionne dans son état de base.

La scission induite par les neutrons est essentiellement – avec une section croisée d’action plus petite ou plus grande – pour tous les éléments avec des numéros de commande AVEC possible de 90 (thorium) et observé dans bon nombre de leurs isotopes. ^[3]

En raison de son importance pour la production d’énergie civile et pour les armes nucléaires, la scission induite par les neutrons est principalement traitée ci-dessous.

Fragments spaltes

Le nombre total de protons et de neutrons est conservé à chaque fission nucléaire. Le cas le plus courant est la scission dans deux nouveaux noyaux ( Fragments spaltes )); Ce n’est que dans quelques-uns pour mille de toutes les divisions est un troisième fragment ( Ternaren Divisé) avec un nombre de masse généralement très petit jusqu’à un maximum d’environ 30. ^[4]

De nombreuses paires de nucléides différentes sont possibles avec deux fragments de pli. Habituellement, il y a un briquet (numéro de masse autour de 90) et un fragment d’écart plus lourd (numéro de masse autour de 140). La distribution de fréquence (appliquée en fonction du nombre de masse du fragment d’espace) a donc deux maxima.

À titre d’exemple, deux options de division du plutonium-239 après l’absorption d’un ou des neutrons sont mentionnées:

Cleage par neutrons thermiques: fréquence schématique des fragments d’écart (“rabats divisés”) en fonction du numéro de masse du produit divisé UN (horizontal). Puisqu’il y a 2 fragments à chaque division, la somme de tous les volets divisés est de 200%.

Les fragments d’écart sont des nucléides modérés avec une teneur en neutrons relativement élevée. Vous avez repris cet excédent de neutrons du noyau d’origine. Ils sont donc instables et libèrent initialement d’autres neutrons dans certains cas. Ces neutrons retardés peuvent également déclencher une fractionnement nucléaire supplémentaire; Ils sont importants pour le contrôle des réacteurs de base.

Les produits GAP encore instables démontent ensuite leur excédent de neutrons grâce à des désintégrations consécutives de bêta-minus. Étant donné que le nombre de masse du noyau atomique reste inchangé pendant les cas bêta, les nucléides, qui résultent d’un noyau de fragment d’écart donné, forment une chaîne isobaire; Ce sont donc des noyaux atomiques de différents éléments chimiques, mais le même nombre de masses. Cette chaîne de conversion se termine lorsqu’un nuclide stable est créé. La demi-vie est courte au début de la chaîne, mais peut être de nombreuses années pour les dernières désintégres. Des valeurs numériques précises pour la fréquence des différentes chaînes isobaires, en fonction du nuclide divisé et de l’énergie du neutron de division, peuvent être trouvées dans la littérature. ^[5]

Énergie et équilibre énergétique

Réglementation énergétique

Énergie de liaison au noyau atomique moyen par nucléon en fonction du nombre de nucléon dans le noyau atomique pour tous les nucléides connus selon AME2016

Les deux produits GAP ont ensemble un défaut de masse plus élevé que le cœur de départ lourd. En raison de l’équivalence de la masse et de l’énergie, cette différence de défauts de masse est libérée sous forme d’énergie. Dans l’explication suivante, il est supposé qu’un ²³⁵ U-Core reprend un neutron puis se désintégre en deux mêmes fragments de la masse numéro 118 (dans le cas du fractionnement nucléaire, le noyau nucléaire est généralement différent et certains neutrons individuels demeurent). Les valeurs moyennes de l’énergie de liaison par nucléon du graphique sont utilisées pour le calcul. L’énergie est donnée dans l’unité Megaelectron Volt (MEV).

• Initialement, 235 nucléons individuels (92 protons et 143 neutrons) ainsi que les neutrons enregistrés sont simplifiés. un Core composé. Avec ce processus
  ${DisplayStyle 236times 7 {,} 7 {text {mev}} = 1817 {text {mev}}}}$

  L’énergie peut être libérée. Afin de diviser complètement un noyau U-236 en ses nucléons, ce revenu énergétique est nécessaire.

• Devient un Fractionnaire composé, un a été reçu
  ${displayStyle 118Times 8 {,} 6 {text {mev}} = 1015 {text {mev}}}$

  .

• Lorsque vous divisez un noyau d’uranium-235 en deux parties tout aussi grandes, la différence d’énergie doit être
  ${displayStyle Left (2Times 1015Right) {text {mev}} – 1817 {text {mev}} = 213 {text {mev}}}$

  soyez gratuit.

• La majeure partie de cette énergie (par rejet électrostatique) est convertie en énergie cinétique des fragments. Soumis. Les fragments et les neutrons libres s’enfoncent à une vitesse très élevée. Dans le matériau environnant, les fragments sont ralentis et créent une «chaleur chauffante», plus précisément: ils transfèrent progressivement leur énergie cinétique aux impacts individuels sur de nombreux atomes du matériau environnant jusqu’à ce qu’ils soient ralentis à la vitesse qui correspond à la température du matériau.

Bilan énergétique

L’énergie d’environ 200 MEV par scission qui est libérée pendant le fractionnement nucléaire est distribuée aux particules et aux rayonnements qui surviennent pendant la fission nucléaire. Le tableau montre les valeurs d’énergie d’un processus de fractionnement typique. ^[6] La majeure partie de cette énergie peut être utilisée dans un réacteur nucléaire; Seule l’énergie de l’antineutrinos échappant et une partie du rayonnement gamma n’est pas convertie en chaleur.

Fugace

Certains actinoïdes et leurs produits d’écart les plus importants. Les actinoïdes faciles à séparer par les neutrons thermiques sont graisse écrit. Les isotopes sont triés en fonction de leur appartenance et / ou de leur demi-vie.

L’image montre la section transversale de l’action pour la réaction de division de U-233, U-235, U-238 et PU-239 en fonction de l’énergie neutronique. La zone de gauche correspond thermique , Le bon rapide Neutrons.

Neutrons thermiques

À travers des neutrons thermiques – d. H. Telle avec une énergie cinétique relativement faible – ne sont principalement que des isotopes avec un nombre incroyable de neutrons. Seuls ces noyaux atomiques gagnent un neutron Paire l’énergie En outre. “Bonne fractionnement” signifie que la section croisée du noyau pour le fractionnement en raison d’un neutron thermique est de centaines à des milliers de granges. En conséquence, «mal divisé» signifie que cette section croisée d’action n’est que 1 grange ou plus petite de la taille.

Exemple:

En tant qu’élément 95 avec son nombre impair de protons pour les nombres de nucléons impairs, l’amérique a un nombre droit de neutrons, tandis que le plutonium, en tant que 94e élément, a également des taux de neutrons impairs avec son nombre de protons droit dans un nombre impair de nucléon. C’est pourquoi l’Americium est ²⁴¹ Sur les neutrons thermiques mal divisés (3,1 grange), contrairement au plutonium ²⁴¹ PU (1010 enfants).

Neutrons rapides

Les neutrons libérés pendant la scission ont des énergies cinétiques dans la zone MEV. Avec des neutrons aussi rapides, les nucléides avec un nombre neutre droit peuvent également être divisés; L’énergie de la paire affecte alors à peine la section croisée de l’action. Cependant, les sections croisées pour la “division rapide” n’atteignent pas les valeurs élevées de certaines divisions “thermiques”.

La fente rapide conduit à un rendement particulièrement élevé de nouveaux neutrons par noyau divisé pour certaines colonnes. Ceci est exploité dans les réacteurs Brut.

Dans la bombe à trois étages, des neutrons très rapides avec plus de 14 MEV sont générés par la fusion nucléaire d’isotopes d’hydrogène. Ces colonnes dans la couverture d’uranium des noyaux d’uran-238 composés d’un uranium manipulé. La force explosive de la bombe et les retombées sont considérablement augmentées.

Masse critique

La plus petite masse d’un matériau de division dans lequel une réaction en chaîne peut être maintenue est appelée masse critique. Cela dépend de la présence et de la quantité d’une substance modératrice et de la disposition géométrique. Une feuille mince perdrait presque tous les neutrons vers l’extérieur, tandis que les neutrons sont plus susceptibles de rencontrer d’autres noyaux atomiques dans un objet compact. La plus petite masse critique est atteinte avec un arrangement sphérique. Cela peut encore être réduit par la compression du matériau; Il n’y a pas de bordure inférieure absolue. La dépendance à la géométrie de la masse critique est exploitée pour éviter les critiques menant à la réaction en chaîne lors de la fabrication ou du montage ou de l’édition. Par exemple, les réactions chimiques sont effectuées dans des baignoires plates dans lesquelles le matériau est distribué sur de longues zones.

Signification technique

Nucléaire

La division induite par les neutrons est d’une importance économique en tant que réaction en chaîne dans les réacteurs de base. Les nucléides uran-235 et plutonium-239 sont principalement utilisés. Dans la planification ou les tests, les réacteurs nucléaires étaient également basés sur le thorium-232 et l’uranium-233.

À environ 200 MEV par noyau atomique, l’énergie fermée de la division nucléaire est plusieurs fois plus élevée que dans les réactions chimiques (généralement environ 20 eV par molécule). L’énergie se produit principalement comme l’énergie cinétique des fragments d’écart, à une partie plus petite également dans le rayonnement de leur désintégration radioactive. Les neutrons retardés, qui sont cruciaux pour l’ajustement des réacteurs centraux, sont également libérés des fragments divisés en fonction de la réaction réelle de division.

Dans les réacteurs, l’énergie cinétique des produits GAP et l’énergie du rayonnement résultant sont converties en chaleur avec le matériau de l’environnement. Seuls les anti-Tinos électroniques émergents, une partie du rayonnement gamma et une partie des neutrons libres s’échappent de la zone de réaction, du noyau du réacteur.

Nucléaire

Le exponentiellement La réaction croissante de la chaîne d’écart nucléaire d’une disposition de colonnes rapidement sur-critique sert de source d’énergie pour les armes nucléaires “normales”. L ‘”énergie destructrice” est principalement libérée sous forme de rayonnement léger, de chaleur et de radioactivité ainsi que secondairement sous la forme d’une pression de pression.
Dans les bombes à hydrogène, le fractionnement nucléaire sert de détonateur pour une fusion nucléaire, c’est-à-dire la fusion des noyaux atomiques légers.

Autres crevasses induites

L’impact d’un gamma quante riche en énergie (dans le secteur de l’énergie MEV) peut conduire à la division d’un noyau lourd ( Écart photo ). ^[7] Ceci doit être distingué de l’effet photo de base, dans lequel seul un neutron, un proton ou une particule alpha se détachent du noyau, mais il n’est pas divisé.

L’impact d’une particule chargée peut également conduire à sa division nucléaire si elle transmet une énergie suffisamment élevée au noyau. Par exemple, des processus GAP induits par Proton et Myon ont été observés. ^[8]

Un noyau composé avec une très grande rotation nucléaire, comme peut également être créé dans des réactions lourdes, peut également réduire son énergie de suggestion en divisant.

Les applications techniques n’ont pas ces lacunes.

Historique de la recherche

Structure expérimentale au musée allemand, avec lequel Otto Hahn et Fritz Straßmann ont découvert la fission nucléaire en 1938

Depuis les travaux d’Ernest Rutherford, il est connu que les noyaux atomiques peuvent être modifiés avec des particules rapides. Rutherford lui-même a converti un noyau d’azote en 1917 en bombardement avec des particules alpha en oxygène plus proton. De telles réactions nucléaires et conversions de base étaient dans les années 1920 Survie atomique appelé. Avec la découverte du neutron en 1932 par James Chadwick, il est devenu clair qu’il devait y avoir de nombreuses occasions de convertir les noyaux atomiques. Entre autres choses, ils ont essayé de produire de nouveaux nucléides encore plus difficiles en insérant des neutrons dans des grains lourds.

Selon les hypothèses d’Enrico Fermi, ^[9] qui a déjà vu les produits d’uranium Gap à Rome, mais mal interprétés, il a représenté, entre autres. Ida Noddack-Tack ^[dix] L’hypothèse correcte de la division du noyau nouvellement formé. ^[11] Cependant, ces hypothèses spéculatives étaient toujours considérées comme douteuses en 1934, et aucun physicien ne les a vérifiés expérimentalement, et Ida Noddack lui-même ne l’a pas fait. Le 17 décembre 1938, Otto Hahn et son assistante Fritz Straßmann ont réussi à l’Institut de chimie de Berlin Kaiser-Wilhelm pour une fission nucléaire induite par les neutrons de l’uranium à travers les preuves radio-cochées du produit Barium. Ils ont publié leur découverte le 6 janvier 1939 dans le magazine “The Natural Sciences”. ^[douzième] À cette époque, Lise Meitner était en Suède depuis quelques mois, où elle a été émigrée à l’aide de Hahn parce qu’elle devait fuir l’Allemagne en tant que juive. Avec elle a également émigré le neveu Otto Frisch, elle a pu publier une première interprétation physique du processus Split dans le magazine des sciences anglaises “Nature” le 10 février 1939, car Hahn a été le premier à lui enseigner les résultats radiochimiques. Otto Hahn et Fritz Straßmann sont donc considérés comme les découvreurs de la fission nucléaire, et Lise Meitner et Otto Frisch comme le premier à publier une explication théorique correcte du processus. L’expression vient également de Frisch fission nucléaire C’est-à-dire la «fission nucléaire», qui a ensuite été adoptée à l’international, tandis que Hahn a initialement utilisé le terme «fission urbaine».

Le 16 janvier 1939, Niels Bohr s’est rendu aux États-Unis pour discuter des problèmes physiques avec Albert Einstein pendant quelques mois. Peu de temps avant son départ du Danemark, Frisch et Meitner lui ont parlé de leur interprétation des résultats des tests de Hahn-Strassmann. Après son arrivée aux États-Unis, Bohr a informé son ancien étudiant John Archibald Wheeler et d’autres parties intéressées. Grâce à cela, les nouvelles se sont répandues parmi d’autres physiciens, notamment Enrico Fermi de l’Université Columbia. Fermi a reconnu la possibilité d’une réaction contrôlée en chaîne de fractionnement et a effectué la première expérience réactive réussie dans la pile de Chicago en 1942 à Chicago à Chicago.

Liens web

Individuellement

1. ↑ L’expression spécialisée de la physique et de la technologie de base est «divisée», et non «divisé»
2. ↑ A. Ziegler, H. J. Allelein (éd.): Technologie des réacteurs-bases physiques-techniques. 2e éd., Springer-Vieweg 2013, ISBN 978-3-642-33845-8, page 54
3. ↑ J. Magill, G. Pfennig, R. Dreher, Z. Sóti: Carte nucléaire Karlsruhe. 8. Édition. Nucleonica GmbH, Eggenstein-LeopoldShafen 2012, ISBN 92-79-02431-0 (carte murale), ISBN 978-3-00-038392-2 (carte de pliage), ISBN 92-79-02175-3 (Brochure d’accompagnement).
4. ↑ Marcus Wöstheinrich: Émission de particules de Ternären des réactions ²²⁹ Th (n _e ,F), ²³³ ONU _e , f) et ²³⁹ Pu (n _e ,F) . Tübingen 1999, DNB 963242830 , urne: NBN: DE: BSZ: 21-OPUS-349 (Dissertation, Université de Tübingen).
5. ↑ Collecte de données de l’organisation internationale de l’énergie atomique
6. ↑ E.B. Paul: Physique nucléaire et des particules . Nord-Hollande, 1969, S. 250
7. ↑ Bernard Leonard Cohen: Concepts de physique nucléaire . McGraw-Hill, New York 1971, ISBN 0-07-011556-7, S. 265
8. ↑ Cyriel Wagemans (éd.): Le processus de fission nucléaire . CRC Press 1991, ISBN 0-8493-5434-X, situ 219
9. ↑ Enrico Fermi: Production possible d’élément de nombre atomique supérieur à 92 . Dans: Nature . Groupe 133 , 1934, S. 898–899 , est ce que je: 10.1038 / 133898A0 .
10. ↑ Ida Noddack: À propos de l’élément 93 . Dans: chimie appliquée . Groupe 47 , 1934, S. 653–655 , est ce que je: 10.1002 / ange.19340473707 .
11. ↑ Citation: “Il serait concevable qu’en ce qui concerne le bombardement des noyaux lourds avec des neutrons, ces noyaux se divisent en plusieurs fragments plus grands, qui sont des isotopes d’éléments bien connus, mais pas des voisins des éléments irradiés.”
12. ↑ Otto Hahn et Fritz Straßmann: Sur les preuves et le comportement des alcalimétaux terrestres causés par les neutrons pendant le rayonnement de l’uranium . Dans: Sciences naturelles . Groupe 27 , 1939, S. 11-15 , est ce que je: 10.1007 / BF01488241 .