Fisión nuclear

La fisión nuclear es el proceso de dividir un núcleo atómico en dos (raramente tres) núcleos con masas similares, llamados fragmentos de fisión. Como resultado de la fisión, también pueden producirse otros productos de reacción: núcleos ligeros (principalmente partículas alfa ), neutrones y cuantos gamma . La fisión puede ser espontánea (espontánea) y forzada (como resultado de la interacción con otras partículas, principalmente con neutrones). La fisión de núcleos pesados es un proceso exotérmico , como resultado del cual se libera una gran cantidad de energía en forma de energía cinética de los productos de reacción, así como radiación. La fisión nuclear sirve como fuente de energía en reactores nucleares y armas nucleares .

Breve historia del descubrimiento

Casi inmediatamente después del descubrimiento del neutrón en 1932 por James Chadwick , comenzaron las investigaciones sobre la interacción de los neutrones con los núcleos. En el mismo año, Ernest Lawrence lanzó el primer ciclotrón en los EE . UU ., y en Inglaterra, John Cockcroft y Ernest Walton construyeron el primer acelerador de protones capaz de dividir núcleos.

En los años siguientes, varios científicos - Niels Bohr , Yakov Frenkel y John Wheeler desarrollaron los modelos teóricos más importantes - el modelo de gota del núcleo y el núcleo compuesto , que los acercó mucho al descubrimiento de la fisión. En 1934, Irene Curie y Frederic Joliot descubrieron la radiactividad artificial , lo que se convirtió en un gran impulso en el camino hacia el descubrimiento. Al mismo tiempo, Enrico Fermi y sus colaboradores expusieron varios elementos a la irradiación con haces de neutrones. Entre estos elementos, también investigaron el uranio , el elemento más pesado que se encuentra en la naturaleza. Las conclusiones que Fermi sacó de sus experimentos se redujeron al descubrimiento de elementos transuránicos y tampoco condujeron a una solución a la reacción de fisión, ya que otros resultados experimentales para Fermi se volvieron incomprensibles e inesperados.

Solo 4 años después, los empleados del Instituto de Química Kaiser Wilhelm Otto Hahn y Fritz Strassmann descubrieron el proceso de fisión nuclear. Estos científicos decidieron probar los resultados inexplicables de los experimentos realizados en París por Irene Curie y Pavel Savich [1] . Después de irradiar uranio con neutrones lentos , los físicos alemanes aislaron un producto radiactivo que precipitó en una reacción química a bario . Al principio asumieron que el elemento aislado era un isótopo de radio, relacionado químicamente con el bario, pero investigaciones posteriores los llevaron a la conclusión de que el producto aislado era bario y no un elemento más pesado con propiedades similares. Esta hipótesis, publicada en el artículo “Sobre la prueba de la aparición de metales alcalinotérreos durante la irradiación de uranio con neutrones y sus propiedades” [2] , contenía una conclusión revolucionaria de que la irradiación de un núcleo de uranio ( Z = 92) con neutrones puede conducen a la formación de un núcleo con una masa aproximadamente 2 veces menor que la inicial (para bario Z = 56).

Poco después, Otto Frisch y Lise Meitner dieron una explicación física del proceso de fisión del núcleo de uranio, que Frisch informó inmediatamente a Bohr. En un artículo que pronto se publicará [3] , Frisch y Meitner utilizaron por primera vez el término "fisión" ( fisión en inglés ), impulsado por Frisch por el biólogo estadounidense Arnold .

Mientras tanto, Bohr, en una famosa conferencia sobre física teórica en Washington el 26 de enero de 1939, anunció el descubrimiento de la fisión de uranio. Sin esperar el final del informe, los físicos comenzaron a salir uno por uno de la reunión para verificar el mensaje en sus laboratorios.

En el verano de 1939, Bohr y Wheeler presentaron el artículo "El mecanismo de la fisión nuclear" [4] , en el que se explicaba el mecanismo de la fisión nuclear basándose en el modelo de gota del núcleo. Este modelo, que podía predecir la fisión nuclear, comenzó a trabajar activamente para explicar su mecanismo [5] [6] [7] [8] .

Mecanismo de división

El proceso de fisión puede continuar solo cuando la energía potencial del estado inicial del núcleo en fisión excede la suma de las masas de los fragmentos de fisión. Dado que la energía específica de enlace de los núcleos pesados disminuye al aumentar la masa, esta condición se cumple para casi todos los núcleos con número de masa . ${\ estilo de visualización A> 90}$

Sin embargo, como muestra la experiencia, incluso los núcleos más pesados se fisionan espontáneamente con una probabilidad muy baja . Esto significa que hay una barrera de energía ( barrera de fisión ) que impide la fisión. Se utilizan varios modelos para describir el proceso de fisión nuclear, incluido el cálculo de la barrera de fisión, pero ninguno de ellos puede explicar completamente el proceso.

Descripción basada en el modelo de goteo

Tradicionalmente, el mecanismo de fisión se considera en el marco del modelo de gota del núcleo , este enfoque se remonta a los trabajos de Bohr y Wheeler en 1939 [4] .

Para la fisión, con una alta probabilidad, un núcleo pesado debe recibir energía del exterior, superando el valor de la barrera de fisión. Así, después de la unión de un neutrón, el núcleo tiene una energía de excitación igual a la suma de la energía de separación [9] ( energía de enlace [10] [11] [12] ) del neutrón y la energía cinética del neutrón capturado . Esta energía adicional puede ser suficiente para que el núcleo pase a un estado excitado con intensas oscilaciones.

Se puede obtener una situación físicamente similar colocando una gota de agua sobre una superficie horizontal caliente. Si la superficie está lo suficientemente caliente, la gota flotará sobre una capa de vapor aislante que la mantendrá libre sobre la superficie. En este caso, pueden producirse fluctuaciones en la forma de la gota, en la que tomará formas sucesivamente esféricas y elipsoidales . Tal movimiento oscilatorio es un estado de equilibrio dinámico entre el movimiento de inercia de la sustancia de la gota y la tensión superficial , que tiende a mantener una forma esféricamente simétrica de la gota. Si las fuerzas de tensión superficial son lo suficientemente grandes, el proceso de tirar de la gota se detendrá antes de que se separe. Si la energía cinética del movimiento de inercia de la sustancia de la gota resulta ser grande, entonces la gota puede tomar forma de mancuerna y, durante su movimiento posterior, dividirse en dos partes [11] .

En el caso del núcleo, el proceso ocurre de manera similar, solo se le suma la repulsión electrostática de los protones, actuando como un factor adicional frente a las fuerzas nucleares que mantienen a los nucleones en el núcleo. Si el núcleo está en un estado excitado, entonces realiza movimientos oscilatorios asociados con desviaciones de su forma esférica. La deformación máxima aumenta con el aumento de la energía de excitación y, en un valor determinado, puede superar el valor crítico, lo que conducirá a la ruptura de la gota original y la formación de dos nuevas. Los movimientos oscilatorios son posibles bajo la acción de fuerzas de tensión superficial (análogas a las fuerzas nucleares en el modelo de gota del núcleo) y fuerzas de Coulomb . La figura explicativa muestra el cambio en la energía potencial y sus componentes individuales en el proceso de fisión de una gota cargada. La energía de tensión superficial aumenta bruscamente con el crecimiento de pequeñas deformaciones (estados 1–3 ) y permanece prácticamente sin cambios después de que la gota adquiere forma de mancuerna ( 3–4 ) . La energía de la interacción de Coulomb disminuye suavemente con el aumento de las deformaciones en casi todo el rango de estados. Los núcleos formados después de la fisión del núcleo original se dispersan en direcciones opuestas bajo la acción de las fuerzas de Coulomb, y la energía potencial se convierte en energía cinética ( 4-5 ) . Como resultado, la energía potencial total aumenta hasta el momento de la fisión de las gotas y luego disminuye.

La barrera de fisión es igual a la diferencia entre el valor máximo de la energía potencial y su valor para el estado inicial, es esta barrera la que impide la fisión espontánea de núcleos pesados. La diferencia entre el valor inicial de la energía potencial y su valor mínimo final es igual a la energía de la reacción de fisión . ${\ Displaystyle W_ {f}}$ ${\ Displaystyle Q_ {f}}$

La fisión de núcleos pesados es energéticamente favorable ( mayor que cero para casi todos los núcleos ). Los valores de y dependen del número de masa del núcleo. Para núcleos con barrera de fisión es de aproximadamente 40-60 MeV , el valor disminuye a medida que aumenta y para los núcleos más pesados llega a ser de aproximadamente 6 MeV. Para los núcleos la barrera de fisión es prácticamente nula, por lo que no existen tales núcleos en la naturaleza. La energía de reacción de fisión aumenta con el aumento del número de masa desde valores negativos para núcleos c hasta alrededor de 200 MeV para núcleos c . Valores estimados y para algunos núcleos: ${\ Displaystyle Q_ {f}}$ ${\ estilo de visualización A> 90}$ ${\ Displaystyle W_ {f}}$ ${\ Displaystyle Q_ {f}}$ ${\ estilo de visualización A \ aproximadamente 100 \ div 200}$ $A$ ${\ Displaystyle W_ {f}}$ ${\ estilo de visualización A \ aproximadamente 260}$ ${\ Displaystyle Q_ {f}}$ $A\lesssim 90$ ${\ estilo de visualización A \ aproximadamente 230 \ div 240}$ ${\ Displaystyle Q_ {f}}$ ${\ Displaystyle W_ {f}}$

A	dieciséis	60	100	140	200	236
${\ Displaystyle Q_ {f}}$ , MeV	−14,5	−16	13.5	44	135	205
${\ Displaystyle W_ {f}}$ , MeV	18.5	48	47	62	40	6

Así, para llevar a cabo el proceso de fisión, con una alta probabilidad, el núcleo debe recibir del exterior una energía que supere el valor de la barrera de fisión. Dicha energía puede transferirse al núcleo de varias formas (irradiación con rayos gamma , bombardeo de partículas , etc.). De todos los métodos posibles, solo uno ha encontrado aplicación práctica: la formación de un núcleo compuesto excitado al unir un neutrón al núcleo original, la contribución de otros métodos de fisión en reactores nucleares (incluida la fotofisión por gamma quanta ) es inferior a 1 % La fisión por neutrones tiene una enorme ventaja sobre otras por dos motivos:

el valor umbral de la energía cinética de un neutrón es menor que el de un cuanto gamma en aproximadamente el valor (la energía de enlace de un neutrón en un núcleo compuesto), que se deriva de la fórmula de la energía de excitación de un núcleo compuesto; $\varepsilon_{n}$
la fisión de núcleos por neutrones va acompañada de la emisión de neutrones, lo que crea la base para la reacción en cadena de la fisión [13] .

Correcciones de conchas. Barrera de fisión de doble joroba

La descripción basada en el modelo de gota no puede explicar algunas características esenciales del proceso de fisión, en particular, la asimetría de las masas de los fragmentos [14] . Además, los parámetros de los isómeros nucleares espontáneamente fisionables y la naturaleza de la dependencia de la sección transversal de la reacción de fisión de la energía de los neutrones que la provocan indican que la barrera de fisión de los núcleos pesados no tiene uno, sino dos máximos (doble joroba). barrera de fisión), entre los cuales hay un segundo pozo de potencial . Los isómeros mencionados (el primero de los cuales fue descubierto 242m Am) corresponden al nivel de energía más bajo del núcleo en el segundo pozo de potencial [15] .

Estas características de la fisión se explican teniendo en cuenta las correcciones de capa a la energía calculada utilizando el modelo de gota. El método correspondiente fue propuesto por Strutinsky en 1966 [16] . Los efectos de capa se expresan en un aumento o disminución de la densidad de los niveles de energía nuclear ; son inherentes tanto a los estados esféricamente simétricos como a los deformados de los núcleos [17] . La consideración de estos efectos complica la dependencia de la energía del parámetro de deformación en comparación con el modelo de caída. Para la mayoría de los núcleos de actínidos, aparece un segundo pozo de potencial en esta dependencia, que corresponde a una fuerte deformación del núcleo. La profundidad de este pozo es menor que la profundidad del primer pozo (correspondiente al estado fundamental del núcleo) en 2-4 MeV [18] .

En el caso general, la deformación de un núcleo fisionable se describe no por uno, sino por varios parámetros. En tal espacio de múltiples parámetros, el núcleo puede moverse desde el estado inicial hasta el punto de discontinuidad de varias maneras. Estos caminos se denominan modos (o canales) de fisión [19] . Así, se distinguen tres modos en la fisión de 235 U por neutrones térmicos [20] [21] . Cada modo de fisión se caracteriza por sus propios valores de asimetría en las masas de los fragmentos de fisión y su energía cinética total.

Etapas del proceso de fisión

La fisión comienza con la formación de un núcleo compuesto. Después de unos 10 −14 segundos , este núcleo se divide en dos fragmentos que, acelerando bajo la acción de las fuerzas de Coulomb, se dispersan en direcciones opuestas. El movimiento acelerado de los fragmentos termina después de 10 −17 desde el momento de su formación. En ese momento, tienen una energía cinética total de unos 170 MeV y se encuentran a una distancia de unos 10 −8 cm entre sí , es decir, del orden del tamaño de un átomo.

Parte de la energía de fisión se destina a la energía de excitación de los fragmentos de fisión, que se comportan como cualquier núcleo excitado: entran en estados fundamentales, emiten cuantos gamma, o emiten nucleones y se convierten en nuevos núcleos, que también pueden estar en un estado excitado y su el comportamiento será similar al comportamiento de los núcleos formados durante la fisión del núcleo compuesto original.

La emisión de un nucleón por el núcleo es posible solo cuando la energía de excitación excede la energía de enlace del nucleón en el núcleo, entonces se emite con mayor probabilidad que un cuanto gamma, ya que este último proceso es mucho más lento (el proceso electromagnético ). interacción es mucho más débil que la nuclear ). El nucleón que se emite con más frecuencia es un neutrón, ya que no necesita superar la barrera de Coulomb al salir del núcleo, y para los fragmentos de fisión esto es aún más probable, ya que están sobrecargados de neutrones, lo que provoca una disminución de la energía de enlace. del último. La energía de excitación de los fragmentos de fisión es aproximadamente igual a 20 MeV, que es mucho más alta que la energía de enlace de los neutrones en los fragmentos y, por lo tanto, cada uno de los fragmentos puede emitir uno o dos neutrones después de 10 −17 −10 −14 segundos . desde el momento de su formación. Como resultado, casi instantáneamente después de la fisión del núcleo compuesto, los fragmentos de fisión emiten dos o tres neutrones, que comúnmente se denominan rápidos .

Los núcleos resultantes aún se encuentran en estados excitados, sin embargo, en cada uno de ellos, la energía de excitación es menor que la energía de enlace del neutrón, por lo que el resto de la energía de excitación se emite en forma de cuantos gamma después de 10 −14 −10 −9 segundos desde el momento en que se emitieron los neutrones, tales cuantos gamma también se denominan instantáneos .

En el futuro, el movimiento de los fragmentos de fisión no está asociado con sus transformaciones. Como no llevan consigo todos los electrones del átomo original, a partir de ellos se forman iones de carga múltiple, cuya energía cinética se gasta en la ionización y excitación de los átomos del medio, lo que provoca su desaceleración. Como resultado, los iones se convierten en átomos neutros con núcleos en los estados de energía fundamental . Estos átomos se denominan productos de fisión .

Los productos de fisión tienen núcleos con todavía un exceso de número de neutrones en comparación con los núcleos estables en la misma región de número de masa y, por lo tanto, son β − - radiactivos, cada uno de los cuales sirve como el comienzo de una serie de transformaciones β − , que finalizan solo cuando un estado estable es alcanzado. Los núcleos de una serie forman la llamada cadena de desintegración , que consta en promedio de tres transiciones β , cuya velocidad depende del exceso de neutrones, disminuye a medida que se acerca a un estado estable y es mucho menor que las etapas de la proceso de fisión considerado anteriormente. La desintegración β se acompaña de la emisión de antineutrinos .

Como resultado de las desintegraciones β − , se pueden formar núcleos en estados excitados, que pasan a los estados fundamentales mediante la emisión de cuantos gamma o, muy raramente, se transforman en otros núcleos mediante la emisión de neutrones. Estos neutrones se denominan retardados .

En el proceso de fisión, es posible la formación de partículas no mencionadas anteriormente (por ejemplo , partículas α ), o más de dos fragmentos de fisión, pero estos eventos son tan improbables que generalmente no se consideran en la práctica [22] [ 23] .

División espontánea

En algunos casos, el núcleo puede dividirse espontáneamente, sin interactuar con otras partículas. Este proceso se llama fisión espontánea . La fisión espontánea es uno de los principales tipos de descomposición de los núcleos superpesados.

Fisión nuclear espontánea en estado fundamental

La barrera de fisión impide la fisión de los núcleos en el estado fundamental .

De la consideración del mecanismo de fisión se deduce que la condición para una alta probabilidad de fisión (en proporción con las probabilidades de otras interacciones de los neutrones con un núcleo) se puede escribir como:

${\displaystyle E^{*}\geq W_{f))$ ,

es decir, la energía de excitación del núcleo compuesto no debe ser menor que la barrera de fisión de este núcleo. La fisión también es posible en , pero la probabilidad de tal proceso disminuye drásticamente con la disminución de la energía de excitación. ${\displaystyle E^{*}<W_{f))$

El mecanismo de este proceso se explica en el marco de la mecánica cuántica y es similar al mecanismo de radiación de una partícula α que pasa a través de una barrera de potencial . Este es el llamado efecto túnel , de cuya explicación se deduce que la permeabilidad de cualquier barrera energética es distinta de cero, aunque disminuye al aumentar la anchura y la altura de la barrera.

La probabilidad de fisión espontánea está determinada principalmente por la permeabilidad de la barrera de fisión. En la primera aproximación (en el marco del modelo de gota), la barrera de fisión disminuye al aumentar el parámetro de fisión, desapareciendo en [24] Así, la probabilidad de fisión espontánea aumenta al aumentar la carga nuclear . Para todos los núcleos que existen en la naturaleza, la probabilidad y, en consecuencia, la tasa de fisión espontánea son muy pequeñas. Sólo para los más pesados las velocidades aumentan tanto que pueden determinarse experimentalmente. Por ejemplo, para 238 U y 239 Pu , la vida media para la fisión espontánea es del orden de 10 16 años, y para 235 U es aún mayor. ${\ fracción {Z^{2}}{A}},$ ${\frac{Z^{2}}{A}}\aproximadamente 50.$ ${\ estilo de visualización (Z \ geq 90)}$ $T_{1/2}(SF)$

Núcleo	$T_{1/2}(SF)$ , años [25]	$T_{{1/2}}$ , años [26]	Proporción de fisión espontánea , % [26]
235U _	(1,0 ± 0,3)⋅10 19	(7,04 ± 0,01)⋅10 8	7⋅10−9 _
238 tu	(8,2 ± 0,1)⋅10 15	(4.468 ± 0.003)⋅10 9	5.5⋅10 −5
239 PU	(8 ± 2)⋅10 15	(2.411 ± 0.003)⋅10 4	3⋅10 −10
240 PU	(1,151 ± 0,04)⋅10 9	(6,564 ± 0,011)⋅10 3	5.7⋅10 −6
246cm _	(1,82 ± 0,02)⋅10 7	4760±40	2.62⋅10 -2
252 pies cúbicos	86±1	2,645±0,008	3.09
254 cf	60,7 días ± 0,2	60,5 días ± 0,2	99.7

En la tabla se puede ver que la intensidad de la fisión espontánea aumenta muy bruscamente con el aumento de la masa del núcleo. Las fisiones espontáneas tienen una importancia considerable como fuente de fondo de neutrones en reactores que contienen grandes cantidades de 238 U y en reactores en los que se acumula una cantidad significativa de transuranio, por ejemplo, en reactores de neutrones rápidos [27] [28] . Para estudiar las propiedades de la fisión espontánea, a menudo se utilizan nucleidos más pesados, principalmente 252 Cf. En la fisión espontánea de nucleidos con , a diferencia de los núcleos más ligeros, prevalece el modo simétrico (con masas de fragmentos de fisión aproximadamente iguales) [29] . ${\ estilo de visualización Z = 100 \ div 102}$

Formar isómeros

Para algunos nucleidos con un número de carga de 92 a 97 (desde el uranio hasta el berkelio ), se han encontrado estados excitados con una vida media de fisión espontánea corta. La probabilidad de fisión espontánea para estos estados es, en promedio, 10 26 veces mayor que la probabilidad de fisión espontánea para los estados fundamentales de los núcleos correspondientes. Estos estados corresponden al nivel de energía más bajo del núcleo en el segundo pozo de potencial. Se caracterizan por un alto grado de deformación y se denominan isómeros de forma [30] .

La alta probabilidad de fisión espontánea de los isómeros de forma se explica por el ancho mucho más pequeño de la barrera de fisión: la fisión del segundo pozo de potencial solo se evita por el pico exterior de la barrera de fisión. A su vez, el pico interno evita la transición gamma al estado fundamental del núcleo. Por lo tanto, el principal modo de descomposición de los isómeros de forma es la fisión espontánea: estos isómeros son conocidos por 35 nucleidos de actínidos (incluido 233m Th descubierto en 1994 ), y solo dos de ellos ( 236m U y 238m U ) exhiben una transición gamma isomérica [31] .

La energía de los isómeros de forma es de 2 a 4 MeV, correspondiente al mínimo de energía en el segundo pozo de potencial. La vida media varía de nanosegundos a milisegundos. La vida media más larga, 14 ms, se observa para 242m Am, el primero de los isómeros de la forma [32] [33] [34] [35] descubierto .

Nucleidos fisionables

Como se desprende de la teoría del núcleo compuesto , el valor mínimo de la energía del núcleo compuesto es igual a la energía de enlace de neutrones en este núcleo , que depende significativamente de la paridad del número de neutrones en el núcleo: la energía de enlace de un neutrón par es mucho mayor que la energía de enlace de uno impar con números de masa del núcleo aproximadamente iguales. Comparemos los valores de la barrera de fisión para núcleos pesados y la energía de enlace de neutrones en núcleos pesados (la más importante desde un punto de vista práctico): $mi^{*}$ $\varepsilon_{n}$

Núcleo	${\ Displaystyle W_ {f}}$ , MeV	Núcleo	$\varepsilon_{n}$ , MeV
232th _	5.9	233th _	4.79
233 tu	5.5	234 tu	6.84
235U _	5.75	236 tu	6.55
238 tu	5.85	239 tu	4.80
239 PU	5.5	240 PU	6.53

La tabla para la energía de enlace muestra los núcleos formados al unir un neutrón a los núcleos de la tabla para el umbral de fisión, sin embargo, el valor de la barrera de fisión depende débilmente del número de masa y la composición del núcleo, por lo que una comparación cualitativa de este tipo es aceptable.

La comparación de los valores de estas tablas muestra que para diferentes núcleos:

$E^{*}>\varepsilon_{n}$ , lo que significa que la fisión es posible mediante neutrones con cualquier energía cinética arbitrariamente pequeña. Este grupo incluye núcleos con un número impar de neutrones (el neutrón adjunto es par): 233 U, 235 U, 239 Pu, que comúnmente se denominan fisionables ;
$E^{*}<\varepsilon_{n}$ , esto significa que la fisión solo es posible mediante neutrones con una energía cinética que supere un cierto valor umbral. Este grupo incluye núcleos con un número par de neutrones (el neutrón adjunto es impar): 232 Th, 238 U, que se denominan umbral . Las energías umbral son aproximadamente iguales a 1,2 MeV para 232 Th y 1 MeV para 238 U.

Para otros núcleos que no figuran en la tabla, la situación es similar: los núcleos con un número impar de neutrones son fisionables, con un umbral de número par. Los núcleos de umbral no pueden servir como base para una reacción en cadena de fisión nuclear .

De los cinco núcleos discutidos anteriormente, solo tres existen en la naturaleza: 232 Th, 235 U, 238 U. El uranio natural contiene aproximadamente 99.3% 238 U y solo 0.7% 235 U. Se pueden obtener otros núcleos fisionables, 233 U y 239 Pu. artificialmente Los métodos prácticos para su preparación se basan en el uso de núcleos umbral 232 Th y 238 U de acuerdo con los siguientes esquemas:

${}_{90}^{232}{\textrm {Th}}+{}_{0}^{1}{\textrm {n}}\xrightarrow {}_{90}^{233} {\textrm {Th}}{\xrightarrow[{\text{22 min}}]{\beta ^{-}}}{}_{91}^{233}{\textrm {Pa}}{\xrightarrow[ {\text{27,4 días}}]{\beta ^{-}}}{}_{92}^{233}{\textrm {U}}{\xrightarrow[{1{,}6\cdot 10 ^{ 5}{\text{años))}]{\alpha }}$

${}_{92}^{238}{\textrm {U}}+{}_{0}^{1}{\textrm {n}}\xrightarrow {}_{92}^{239} {\textrm {U}}{\xrightarrow[{\text{23,5 min}}]{\beta ^{-}}}{}_{93}^{239}{\textrm {Np}}{\ xrightarrow[ {\text{2,3 días}}]{\beta ^{-}}}{}_{94}^{239}{\textrm {Pu}}{\xrightarrow[{2{,}4\ cdot 10 ^{4}{\text{años}}}]{\alfa }}$

En ambos casos, el proceso de captura radiativa da lugar a la formación de núcleos radiactivos . Después de dos desintegraciones β sucesivas , se forman nucleidos fisionables. Los núcleos intermedios tienen vidas medias lo suficientemente cortas, lo que hace posible utilizar estos métodos en la práctica. Los núcleos fisionables resultantes también son radiactivos, pero sus vidas medias son tan largas que los núcleos pueden considerarse estables cuando se usan en reactores nucleares.

En relación con la posibilidad de obtener núcleos fisionables a partir del umbral, que se presenta en la naturaleza, 232 Th y 238 U, estos últimos suelen denominarse reproductores . El conocimiento moderno sobre los nucleidos sugiere que el futuro de la energía nuclear está asociado precisamente a la transformación de materiales fértiles en fisionables [36] [37] .

Energía de fisión

Durante la fisión de un núcleo pesado se liberan aproximadamente 200 MeV, y más del 80% de esta energía es la energía cinética de los fragmentos de fisión. El resto se distribuye entre neutrones, cuantos gamma, partículas β y antineutrinos. En este caso, la relación entre los componentes individuales de la energía de fisión depende débilmente del núcleo fisionable y de la energía del neutrón que provoca el proceso de fisión.

La energía convertida en calor por acto de fisión (200 MeV), en términos de 1 g de 235 U reaccionada , da:

5⋅10 23 MeV = 1,94⋅10 10 cal = 8,1⋅10 10 J = 22,5 MW h ≈ 1 MW día

Curiosamente, alrededor del 5% de toda la energía de fisión se lleva con los antineutrinos y no se puede utilizar.

La energía de los fragmentos de fisión, los cuantos gamma rápidos y los neutrones se convierte en calor casi instantáneamente. La energía de la desintegración β − , que es aproximadamente el 7% de la energía de fisión total, se libera gradualmente durante mucho tiempo, ya que las desintegraciones β − ocurren mucho más tarde que el momento de la fisión del núcleo. Este retraso da lugar a la denominada liberación de energía residual en un reactor nuclear parado , que (en el caso de su funcionamiento a alta potencia) es tan grande tras la parada que se deben tomar medidas para enfriar el reactor. Además, al principio, la liberación de energía residual disminuye bastante rápido: un tercio en 1 minuto, 60 % en 1 hora, aproximadamente 75 % en 1 día. Luego, la energía se libera cada vez más lentamente, como resultado de lo cual el combustible nuclear gastado en el reactor tiene una radiactividad tan alta y, en consecuencia, una liberación de energía residual que requiere una exposición a largo plazo (varios años) en piscinas de refrigeración especiales [ 38] [39] .

Distribución de energía de fisión, MeV:

Núcleo	La energía cinética de los fragmentos.	Energía de cuantos gamma instantáneos	Energía de los cuantos gamma retardados	Energía de neutrones	Energía de partículas beta	Energía antineutrino	energía total
233 tu	160.5	7.0	7.0	5.0	9.0	diez	198.5
235U _	166.0	7.2	7.2	4.9	9.0	diez	204.1
239 PU	171.5	7.0	7.0	5.8	9.0	diez	210.3

Productos de fisión

Núcleos de fragmentación

Artículo principal: producto de fisión nuclear Artículo principal: rendimiento del producto de fisión

La gran mayoría de las reacciones de fisión terminan en la formación de dos núcleos. Una pequeña fracción, el 0,2..0,4% de las fisiones son triples fisiones , por lo que se forman tres núcleos atómicos, mientras que el tercer núcleo es ligero, como el helio -4 (90% de las triples fisiones) o el tritio (7% ).

La fisión de 235 U por neutrones térmicos produce alrededor de 30 pares de fragmentos diferentes, la mayoría de masa desigual. El más ligero de ellos tiene un número de masa de 72, el más pesado - 161. La división más probable en fragmentos con una relación de masa de 3/2. El rendimiento de dichos fragmentos alcanza aproximadamente el 6 %, mientras que el de fragmentos con masas iguales alcanza aproximadamente el 10-2 %. Este carácter de la distribución de masas de los fragmentos se observa para todos los nucleidos fisionables, tanto en la fisión espontánea como en la fisión de núcleos compuestos excitados, independientemente del tipo de partículas que bombardean los núcleos iniciales. Las curvas de rendimiento de los fragmentos de fisión difieren ligeramente para diferentes núcleos fisionables, lo que indica que la asimetría en la distribución de los fragmentos es inherente al mecanismo mismo de la fisión nuclear.

Tal asimetría de la fisión de fragmentos contradice las predicciones del modelo de gota del núcleo , ya que lo más probable es que una gota sin estructura se divida en dos partes iguales. La división en partes desiguales se explica dentro del modelo de capas del núcleo como resultado de la formación predominante de núcleos con capas rellenas que contienen 50 y 82 neutrones ( números mágicos ). Sin embargo, la asimetría de la fisión disminuye con el aumento de la energía de excitación del núcleo de fisión y desaparece a valores altos. Por ejemplo, en el caso de fisión de 235 U por neutrones térmicos, la probabilidad de fisión simétrica es de aproximadamente 0,01%, por neutrones con una energía de 14 MeV alrededor del 1%, y a una energía de neutrones de más de 100 MeV, la masa La distribución de fragmentos de fisión tiene un máximo correspondiente a la fisión simétrica del núcleo. Esta tendencia está de acuerdo con la idea de la aplicabilidad de los modelos nucleares [40] [41] .

Dado que los núcleos pesados tienen un exceso de neutrones, sus fragmentos también tienen un exceso de neutrones. Esto significa que los fragmentos de fisión son inestables y experimentan predominantemente desintegración β- . El número de masa no cambia en el curso de las transformaciones β − , por lo tanto, podemos suponer que la distribución de masa de los fragmentos prácticamente no cambiará, solo cambiará la composición química.

La composición de los productos de fisión en el caso general cambia constantemente, sin embargo, si el proceso de fisión continúa durante un tiempo suficientemente largo a una velocidad constante, entonces se alcanza el equilibrio en la mayoría de las cadenas de desintegración β , y la composición química de los productos de fisión se vuelve sin alterar. Cada elemento está representado por muchos isótopos de diferentes cadenas. En estado de equilibrio, de todos los productos de fisión, aproximadamente:

25% - elementos de tierras raras ,
15% - circonio ,
12% - molibdeno ,
6,5% - cesio ,
16% - gases nobles ( xenón y criptón ).

El número de productos de fisión es aproximadamente 2 veces el número de núcleos fisionados. Dado que los tamaños de todos los átomos son aproximadamente iguales, los productos de fisión ocupan un volumen mayor que los átomos del material fisionable, lo que conduce a la inflamación por radiación del combustible nuclear, es decir, a la formación de poros llenos de productos de fisión gaseosos, o un aumento en su volumen [42] [43] .

Los datos proporcionados en la sección son correctos solo en el caso de divisiones individuales. Si la fisión tiene lugar en un reactor nuclear o en otra fuente intensa de neutrones, las capturas de neutrones violarán el principio de distribución de los productos de fisión.

Neutrones

La emisión de neutrones por fragmentos de fisión es una de las características más importantes del proceso de fisión de núcleos pesados. Es ella quien te permite crear, bajo ciertas condiciones, una reacción en cadena de fisión . Y la presencia de neutrones retardados hace posible que esta reacción en cadena sea manejable.

Neutrones rápidos

Estos son neutrones emitidos por fragmentos de fisión casi inmediatamente después de la fisión de un núcleo compuesto , a diferencia de los neutrones retardados emitidos por productos de fisión algún tiempo después. El número de neutrones emitidos en un evento de fisión es una variable aleatoria distribuida aproximadamente según la ley de Gauss alrededor del valor medio (2-3 neutrones por núcleo fisionable ). Los neutrones rápidos constituyen más del 99% de los neutrones de fisión.

El número promedio de neutrones producidos durante la fisión depende del tipo de núcleo objetivo y de la energía del neutrón incidente. Se observa un aumento notable con un aumento en la energía de excitación del núcleo fisionable. Los datos experimentales están bien descritos por una dependencia lineal de la forma [44] [45] : $\nu _{{f}}^{{i}}$ $\nu _{{f}}^{{i}}$

\nu _{{f}}^{{i}}(E)=\nu _{{f0}}^{{i}}+E_{n}{\frac {d\nu _{{f}} ^{{i}}}{dE}}

donde está el valor de E=0.025 eV. $\nu _{{f0}}^{{i}}$ $\nu _{{f}}^{{i}}$

Neutrones retardados

Estos son neutrones emitidos por productos de fisión después de algún tiempo (desde unos pocos milisegundos hasta varios minutos) después de la reacción de fisión de núcleos pesados, en contraste con los neutrones instantáneos emitidos casi instantáneamente después de la fisión de un núcleo compuesto.

En casos muy raros, en una cadena de transformaciones β − , se forma un núcleo con una energía de excitación superior a la energía de enlace de neutrones en este núcleo. Dichos núcleos pueden emitir neutrones, que se denominan retardados. La emisión de un neutrón retardado compite con la radiación gamma, pero si el núcleo está sobrecargado de neutrones, es más probable que se emita un neutrón.

A pesar de su bajo rendimiento , los neutrones retardados juegan un papel muy importante en los reactores nucleares. Debido a la gran demora, estos neutrones aumentan significativamente, en aproximadamente dos órdenes de magnitud o más, la vida útil de los neutrones de una generación en un reactor nuclear y, por lo tanto, crean la posibilidad de controlar una reacción en cadena de fisión autosostenida.

El núcleo formado por la emisión de un neutrón retardado puede estar en estado fundamental o en estado excitado. En este último caso, la excitación se elimina mediante radiación gamma [46] [47] .

Aplicación

La fisión nuclear es una poderosa fuente de energía que la humanidad ha estado utilizando a gran escala durante más de 50 años. La aplicación de la propiedad de la fisión, que radica en el hecho de que, bajo ciertas condiciones, una reacción de fisión puede ser en cadena , condujo a la creación de reactores nucleares , utilizando una reacción en cadena controlada para diversos fines, y armas nucleares , utilizando una reacción no controlada. reacción en cadena. Junto con las armas termonucleares , las armas nucleares son el tipo de armas más destructivas . Las mayores organizaciones internacionales en el campo del uso de la energía atómica son el OIEA y WANO .

Reactores nucleares

Un reactor nuclear es un dispositivo en el que se lleva a cabo una reacción nuclear en cadena controlada , acompañada de la liberación de energía. El primer reactor nuclear del mundo, Chicago Pile - 1 , fue lanzado bajo las gradas del estadio universitario en 1942 por empleados de la Universidad de Chicago bajo la dirección de Enrico Fermi , como parte del proyecto Manhattan para desarrollar armas nucleares [48 ] . Cuatro años más tarde, en el Laboratorio N° 2 de la Academia de Ciencias de la URSS , bajo la dirección de Kurchatov , se puso en marcha el primer reactor F1 de Europa [49] con los mismos fines . La primera planta de energía nuclear del mundo en Obninsk con un reactor de potencia AM-1 se inauguró en 1954 [50] .

Los reactores nucleares son dispositivos muy diversos en cuanto a diseño y aplicaciones. Según la naturaleza del uso, los reactores se pueden dividir condicionalmente en:

reactores de investigación (experimentales), cuyo rango de aplicación es muy amplio: por ejemplo, reactores en los que los flujos de neutrones y rayos gamma creados en el núcleo se utilizan para investigación y experimentos físicos en el campo de la física nuclear , física del estado sólido , química de radiación , biología , para probar materiales destinados a operar en flujos de neutrones intensos (incluidos materiales para reactores nucleares) para la producción de isótopos;
reactores de isótopos (armas, industriales) utilizados para producir isótopos utilizados en armas nucleares, por ejemplo 239 Pu , estos incluyen reactores convertidores y reactores reproductores ;
reactores de potencia diseñados para producir energía eléctrica y térmica utilizados en el sector energético , así como para la desalinización de agua ;
reactores de transporte para accionar las centrales eléctricas de barcos y submarinos [51] [52] .

Tal división es bastante condicional, ya que el uso de reactores a menudo no se limita a una sola función. Los reactores de investigación son los más diversos y altamente especializados, debido a la amplia gama de tareas que resuelven [53] . Los reactores de potencia, además de sus funciones principales, también pueden realizar otras, por ejemplo, el reactor de potencia de la primera central nuclear en Obninsk estaba destinado principalmente a experimentos, y los reactores de neutrones rápidos pueden generar energía y producir isótopos que pueden luego ser utilizado como combustible o materia prima para armas. Los reactores de armas, además de su tarea principal, a menudo suministran calor y electricidad a los asentamientos de sus trabajadores [54] .

La historia de la energía nuclear abarca un período de más de medio siglo, y durante este tiempo ya se ha convertido en una industria energética tradicional , en la actualidad, la participación de la generación de electricidad en las centrales nucleares en muchos países alcanza valores bastante grandes. Actualmente hay 433 reactores de potencia en el mundo con una capacidad total de 366.590 GW y 65 en construcción [55] . El líder mundial en términos de capacidad instalada de centrales nucleares es EE. UU. (alrededor de 100 millones de kW ) y Francia (alrededor de 63 millones de kW), Francia lleva la delantera en la participación de la generación de electricidad en centrales nucleares, mientras que EE. UU. 18 lugar. Cinco países por capacidad y participación en la generación [56] :

Países	Capacidad instalada, millones de kW	Países	Porcentaje de generación de electricidad en centrales nucleares, %
EE.UU	101.2	Francia	74.1
Francia	63.1	Eslovaquia	51.8
Japón	44.1	Bélgica	51.2
Rusia	22.7	Ucrania	48.1
Corea del Sur	20.5	Hungría	42.1

Armas nucleares

Las armas nucleares son armas de destrucción masiva de acción explosiva basadas en el uso de la energía nuclear liberada durante una reacción de fisión nuclear en cadena de núcleos pesados. Este es el tipo de arma más poderosa creada por el hombre, inferior en términos de la fuerza de la explosión solo a las armas termonucleares y que tiene muchos factores dañinos .

El Tercer Reich participó activamente en el desarrollo de armas nucleares , sin embargo, a pesar de los importantes éxitos, no pudo completar el trabajo en esta dirección. La primera prueba de un arma nuclear ( la prueba Trinity ) se llevó a cabo en 1945 en Nuevo México , EE. UU . [57] . En el mismo año, por única vez en la historia, se utilizó , en las ciudades japonesas de Hiroshima ( 6 de agosto ) y Nagasaki ( 9 de agosto ) , las bombas Maly y Fat Man fueron lanzadas por las tropas estadounidenses .

A pesar de que las armas nucleares se han utilizado una sola vez, su existencia, generalmente confirmada por la realización de un ensayo nuclear en un país , tiene una gran importancia política y militar. Los países poseedores de armas nucleares forman parte del club nuclear informal , y los líderes en este tipo de armas, Rusia y Estados Unidos , se han adherido a la doctrina de la paridad nuclear desde la Guerra Fría , mientras orientan los esfuerzos políticos hacia la no proliferación nuclear . armas _ Los cinco principales países con el mayor número de ojivas nucleares en servicio [58] :

Países
Rusia
EE.UU
Francia
Porcelana
Gran Bretaña

Es interesante que las explosiones nucleares se usaron repetidamente con fines pacíficos , principalmente para la minería o, por el contrario, para intensificar los campos de gas y petróleo , para lo cual se desarrollaron cargas nucleares industriales especiales [59] .

Notas

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Enlaces

Los efectos de las armas nucleares
Bibliografía comentada sobre fisión nuclear de la Biblioteca digital de Alsos
atomicarchive.com Explicación de la fisión nuclear
Animación de fisión nuclear

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