Khác biệt giữa bản sửa đổi của “Phản ứng phân hạch”
Không có tóm lược sửa đổi |
Không có tóm lược sửa đổi |
||
| Dòng 1: | Dòng 1: | ||
{{1000 bài cơ bản}} |
{{1000 bài cơ bản}} |
||
[[Tập tin:Nuclear fission.svg|250px|nhỏ| |
[[Tập tin:Nuclear fission.svg|250px|nhỏ|Phản ứng phân hạch cảm ứng. Một [[neutron]] được hấp thụ bởi một [[Urani-235|hạt nhân urani-235]], biến nó thành một hạt nhân [[urani-236]] bị kích thích, với năng lượng kích thích được cung cấp bởi động năng của neutron cộng với các [[ Công thức khối lượng bán thực nghiệm|lực liên kết với neutron]] . Urani-236 lần lượt phân tách thành các nguyên tố nhẹ chuyển động nhanh (sản phẩm phân hạch) và giải phóng một lượng nhỏ neutron tự do. Đồng thời, một hoặc nhiều " [[tia gamma]] tức thời" (không hiển thị) cũng được tạo ra.]] |
||
{{Vật lý hạt nhân }} |
{{Vật lý hạt nhân }} |
||
Trong [[vật lý hạt nhân]] và [[hóa học hạt nhân]], '''phản ứng phân hạch (phân hạch hạt nhân''') là một [[phản ứng hạt nhân]] hoặc quá trình [[Phóng xạ|phân rã phóng xạ]] trong đó [[Hạt nhân nguyên tử|hạt nhân]] của một [[nguyên tử]] tách thành hai hoặc nhiều [[Hạt nhân nguyên tử|hạt nhân]] nhỏ hơn, nhẹ hơn. Quá trình phân hạch thường tạo ra [[Photon|các photon]] [[Tia gamma|gamma]] và giải phóng một lượng [[năng lượng]] rất lớn ngay cả theo tiêu chuẩn năng lượng của [[Phóng xạ|sự phân rã phóng xạ]] . |
|||
Sự phân hạch hạt nhân của các nguyên tố nặng được [[Otto Hahn]] và trợ lý [[Fritz Strassmann]] của ông phát hiện vào ngày 17 tháng 12 năm 1938. Hiện tượng này đã được [[Lise Meitner]] và cháu trai của bà [[Otto Frisch|Otto Robert Frisch]] giải thích về mặt lý thuyết vào tháng 1 năm 1939. Frisch đặt tên cho quá trình này khi so sánh tương tự với [[Trực phân|phân hạch sinh học]] của các tế bào sống. Đối với các [[hạt nhân]] nặng, đó là một [[phản ứng tỏa nhiệt]] có thể giải phóng một lượng lớn [[năng lượng]] cả dưới dạng [[bức xạ điện từ]] và như [[động năng]] của các mảnh vỡ ( [[Nhiệt|làm nóng]] vật liệu khối nơi xảy ra quá trình phân hạch). Để phân hạch tạo ra năng lượng, tổng [[Năng lượng liên kết hạt nhân|năng lượng liên kết]] của các phần tử kết quả phải âm hơn (năng lượng liên kết lớn hơn) so với phần tử ban đầu. |
|||
Phân hạch là một dạng [[ Biến đổi hạt nhân|biến đổi hạt nhân]] vì các mảnh vỡ kết quả không phải là [[Nguyên tố hóa học|nguyên tố]] giống như nguyên tử ban đầu. Hai (hoặc nhiều) hạt nhân được tạo ra thường có kích thước tương đương nhưng hơi khác nhau, điển hình với tỷ lệ khối lượng sản phẩm khoảng 3 đến 2, đối với [[ Vết nứt|các]] [[đồng vị]] [[ Vết nứt|phân hạch]] phổ biến. <ref>{{Chú thích sách|url=https://books.google.com/books?id=G3JA5pYeQcgC&pg=PA202|title=Nuclear Chemistry|last=M. G. Arora|last2=M. Singh|publisher=Anmol Publications|year=1994|isbn=81-261-1763-X|page=202|last-author-amp=yes}}</ref> <ref>{{Chú thích sách|url=https://books.google.com/books?id=bEXqI4ACk-AC&pg=PA11|title=Fundamentals of Nuclear Pharmacy|last=Gopal B. Saha|date=1 November 2010|publisher=Springer|isbn=978-1-4419-5860-0|pages=11–}}</ref> Hầu hết các phân hạch là phân hạch nhị phân (tạo ra hai mảnh tích điện), nhưng đôi khi (2 đến 4 lần trên 1000 sự kiện), ''ba'' mảnh tích điện dương được tạo ra, trong một [[ Phân hạch|phân hạch tạm thời]] . Các mảnh nhỏ nhất trong các quá trình ternary có kích thước từ hạt proton đến hạt nhân [[argon]]. |
|||
Ngoài sự phân hạch do neutron gây ra, được con người sử dụng và khai thác, một dạng [[Phóng xạ|phân rã phóng xạ]] tự nhiên (không cần neutron) cũng được gọi là phân hạch, và đặc biệt xảy ra ở các đồng vị có khối lượng rất cao. [[Phân hạch tự phát|Sự phân hạch tự phát]] được [[ Georgy Flyorov|Flyorov]], [[ Konstantin Petrzhak|Petrzhak]] và [[Igor Vasilyevich Kurchatov|Kurchatov]]<ref name="PetrzhakChapter">{{Chú thích sách|title=Краткий Миг Торжества — О том, как делаются научные открытия|last=Петржак|first=Константин|date=1989|publisher=Наука|isbn=5-02-007779-8|editor-last=Черникова|editor-first=Вера|pages=108–112|language=Russian|trans-title=Brief Moment of Triumph — About making scientific discoveries|chapter=Как было открыто спонтанное деление|trans-chapter=How spontaneous fission was discovered|author-link=Konstantin Petrzhak}}</ref> phát hiện vào năm 1940 tại Moskva, khi họ xác nhận rằng, không bị bắn phá bởi neutron, tốc độ phân hạch của urani thực sự không đáng kể, như dự đoán của [[Niels Bohr]].<ref name="PetrzhakChapter" /> |
|||
Thành phần không thể đoán trước của các sản phẩm (khác nhau theo cách xác suất rộng và hơi hỗn loạn) phân biệt sự phân hạch với các quá trình [[Xuyên hầm lượng tử|đường hầm lượng tử]] hoàn toàn như [[phát xạ proton]], [[phân rã alpha]] và [[ Phân rã cụm|phân rã cụm]], mỗi lần cho cùng một sản phẩm. Phản ứng phân hạch hạt nhân tạo ra năng lượng cho năng lượng [[Năng lượng hạt nhân|hạt nhân]] và thúc đẩy sự bùng nổ của [[vũ khí hạt nhân]] . Cả hai cách sử dụng đều có thể bởi vì một số chất gọi là [[nhiên liệu hạt nhân]] trải qua quá trình phân hạch khi bị neutron phân hạch tấn công và lần lượt phát ra neutron khi chúng vỡ ra. Điều này làm cho [[phản ứng dây chuyền hạt nhân]] tự duy trì có thể xảy ra, giải phóng năng lượng ở tốc độ được kiểm soát trong [[lò phản ứng hạt nhân]] hoặc với tốc độ rất nhanh, không kiểm soát được trong [[vũ khí hạt nhân]] . |
|||
Năng lượng do phản ứng phân hạch sản sinh ra dùng trong [[nhà máy điện nguyên tử|nhà máy điện hạt nhân]] và [[vũ khí hạt nhân]]. Sư phân hạch được xem là nguồn năng lượng hữu dụng vì một số vật chất được gọi là nhiên liệu hạt nhân, vừa sản sinh ra các nơtron tự do vừa kích hoạt phản ứng phân hạch bởi tác động của các nơtron tự do này. Nhiên liệu hạt nhân còn là một phần của phản ứng dây chuyền tự duy trì mà nó giải phóng ra năng lượng ở mức có thể kiểm soát được như trong các [[lò phản ứng hạt nhân]] hoặc ở mức không thể kiểm soát được dùng chế tạo các loại vũ khí hạt nhân. |
Năng lượng do phản ứng phân hạch sản sinh ra dùng trong [[nhà máy điện nguyên tử|nhà máy điện hạt nhân]] và [[vũ khí hạt nhân]]. Sư phân hạch được xem là nguồn năng lượng hữu dụng vì một số vật chất được gọi là nhiên liệu hạt nhân, vừa sản sinh ra các nơtron tự do vừa kích hoạt phản ứng phân hạch bởi tác động của các nơtron tự do này. Nhiên liệu hạt nhân còn là một phần của phản ứng dây chuyền tự duy trì mà nó giải phóng ra năng lượng ở mức có thể kiểm soát được như trong các [[lò phản ứng hạt nhân]] hoặc ở mức không thể kiểm soát được dùng chế tạo các loại vũ khí hạt nhân. |
||
Lượng năng lượng tự do chứa trong nhiên liệu hạt nhân |
Lượng [[ Năng lượng tự do nhiệt động|năng lượng tự do]] chứa trong nhiên liệu hạt nhân gấp hàng triệu lần năng lượng tự do chứa trong một khối nhiên liệu hóa học tương tự như [[xăng]], khiến phân hạch hạt nhân trở thành một nguồn năng lượng rất dày đặc. Tuy nhiên, các sản phẩm phân hạch hạt nhân trung bình có tính [[phóng xạ]] cao hơn nhiều so với các nguyên tố nặng thường được phân hạch làm nhiên liệu, và vẫn tồn tại trong một khoảng thời gian đáng kể, làm phát [[Chất thải phóng xạ|sinh]] vấn đề [[Chất thải phóng xạ|chất thải hạt nhân]] . Những lo ngại về tích lũy [[Chất thải phóng xạ|chất thải hạt nhân]] và về [[Mùa đông hạt nhân|tiềm năng hủy diệt]] của vũ khí hạt nhân là một đối trọng với mong muốn hòa bình sử dụng [[Năng lượng hạt nhân|phân hạch làm nguồn năng lượng]] . |
||
== Tổng quan về vật lý == |
|||
=== Cơ chế === |
|||
[[Tập tin:UFission.gif|liên_kết=https://vi.wikipedia.org/wiki/T%E1%BA%ADp%20tin:UFission.gif|phải|nhỏ|250x250px|Một mô phỏng trực quan của một sự kiện phân hạch hạt nhân gây ra trong đó một neutron chuyển động chậm được hấp thụ bởi hạt nhân của một nguyên tử uranium-235, nó bắn vào hai nguyên tố nhẹ chuyển động nhanh (sản phẩm phân hạch) và neutron bổ sung. Hầu hết năng lượng được giải phóng là ở dạng vận tốc động học của các sản phẩm phân hạch và neutron.]] |
|||
[[Tập tin:ThermalFissionYield.svg|liên_kết=https://vi.wikipedia.org/wiki/T%E1%BA%ADp%20tin:ThermalFissionYield.svg|nhỏ|300x300px|Sản phẩm phân hạch theo khối lượng cho phân hạch [[ Neutron nhiệt|neutron nhiệt]] của [[Urani-235|U-235]], [[Plutoni-239|Pu-239]], một sự kết hợp của hai lò phản ứng điện hạt nhân hiện tại và [[ Urani-233|U-233]] được sử dụng trong [[ Chu kỳ Thorium|chu trình thorium]] .]] |
|||
==== Phân rã phóng xạ ==== |
|||
Sự phân hạch hạt nhân có thể xảy ra mà không bị bắn phá [[neutron]] như một loại [[Phóng xạ|phân rã phóng xạ]] . Loại phân hạch này (được gọi là [[phân hạch tự phát]] ) rất hiếm, ngoại trừ trong một vài đồng vị nặng. |
|||
==== Phản ứng hạt nhân ==== |
|||
Trong các thiết bị hạt nhân được thiết kế, về cơ bản, tất cả các phản ứng phân hạch hạt nhân xảy ra như một " [[phản ứng hạt nhân]] " - một quá trình điều khiển bắn phá, kết quả từ sự va chạm của hai hạt hạ nguyên tử. Trong các phản ứng hạt nhân, một hạt hạ nguyên tử va chạm với hạt nhân nguyên tử và gây ra những thay đổi cho nó. Do đó, các phản ứng hạt nhân được thúc đẩy bởi các cơ chế bắn phá, chứ không phải bởi sự [[Phân rã theo cấp số mũ|phân rã theo hàm mũ]] tương đối liên tục và đặc tính [[Chu kỳ bán rã|chu kỳ bán]] [[Phân rã theo cấp số mũ|rã]] của các quá trình phóng xạ tự phát. |
|||
Nhiều loại [[phản ứng hạt nhân]] hiện đang được biết đến. Phản ứng phân hạch hạt nhân quan trọng khác với các loại phản ứng hạt nhân khác, ở chỗ nó có thể được khuếch đại và đôi khi được điều khiển thông qua [[Phản ứng dây chuyền hạt nhân|phản ứng chuỗi hạt nhân]] (một loại [[phản ứng dây chuyền]] chung). Trong một phản ứng như vậy, [[Neutron|các neutron]] tự do được giải phóng bởi mỗi sự kiện phân hạch có thể kích hoạt thêm nhiều sự kiện nữa, từ đó giải phóng nhiều neutron hơn và gây ra sự phân hạch nhiều hơn. |
|||
Các [[đồng vị]] [[nguyên tố hóa học]] có thể duy trì phản ứng chuỗi phân hạch được gọi là [[nhiên liệu hạt nhân]] và được cho là ''[[ Vết nứt|phân hạch]]'' . Các nhiên liệu hạt nhân phổ biến nhất là [[Urani-235|<sup>235</sup>U]] (đồng vị của [[urani]] có [[Số khối|số khối lớn]] 235 và được sử dụng trong các lò phản ứng hạt nhân) và [[Plutoni-239|<sup>239</sup>Pu]] (đồng vị của [[plutoni]] với số khối là 239). Những nhiên liệu này tách ra thành một loạt các nguyên tố hóa học với khối lượng nguyên tử tập trung gần 95 và 135 '''u''' ( [[ Sản phẩm phân hạch|sản phẩm phân hạch]] ). Hầu hết các nhiên liệu hạt nhân chỉ trải qua quá trình [[phân hạch tự phát]] rất chậm, thay vào đó phân rã chủ yếu thông qua [[chuỗi phân rã]] [[Hạt alpha|alpha]] - [[Hạt beta|beta]] qua các [[thiên niên kỷ]] đến các [[Niên đại địa chất|eons]] . Trong một [[lò phản ứng hạt nhân]] hoặc vũ khí hạt nhân, phần lớn các sự kiện phân hạch được gây ra bởi sự bắn phá với một hạt khác, neutron, được tạo ra bởi các sự kiện phân hạch trước đó. |
|||
Phản ứng phân hạch hạt nhân trong nhiên liệu phân hạch là kết quả của năng lượng kích thích hạt nhân được tạo ra khi hạt nhân phân hạch bắt giữ neutron. Năng lượng này, kết quả từ sự bắt giữ neutron, là kết quả của [[lực hạt nhân]] hấp dẫn tác động giữa neutron và hạt nhân. Nó đủ để làm biến dạng hạt nhân thành một "giọt" hai thùy, đến mức các mảnh hạt nhân vượt quá khoảng cách mà lực hạt nhân có thể giữ hai nhóm hạt nhân tích điện lại với nhau và khi điều này xảy ra, hai mảnh vỡ hoàn thành sự phân tách của chúng và sau đó bị đẩy ra xa nhau bởi các lực đẩy lẫn nhau, trong một quá trình trở nên không thể đảo ngược với khoảng cách ngày càng lớn hơn. Một quá trình tương tự xảy ra ở các đồng vị [[ Phân hạch|phân hạch]] (như urani-238), nhưng để phân hạch, các đồng vị này đòi hỏi năng lượng bổ sung được cung cấp bởi [[ Neutron nhanh|các neutron nhanh]] (như các [[Phản ứng tổng hợp hạt nhân|phản ứng]] tạo ra bởi [[phản ứng tổng hợp hạt nhân]] trong [[Vũ khí nhiệt hạch|vũ khí hạt nhân]] ). |
|||
[[Mô hình giọt chất lỏng]] của [[hạt nhân nguyên tử]] dự đoán các sản phẩm phân hạch có kích thước bằng nhau là kết quả của biến dạng hạt nhân. [[ Mô hình vỏ hạt nhân|Mô hình vỏ hạt nhân]] tinh vi hơn là cần thiết để giải thích một cách cơ học con đường dẫn đến kết quả thuận lợi hơn về mặt năng lượng, trong đó một sản phẩm phân hạch nhỏ hơn một chút so với sản phẩm khác. Một lý thuyết phân hạch dựa trên mô hình vỏ đã được [[Maria Goeppert-Mayer|Maria Goeppert Mayer đưa ra]] . |
|||
Quá trình phân hạch phổ biến nhất là phân hạch nhị phân, và nó tạo ra các sản phẩm phân hạch được ghi chú ở trên, ở mức 95±15 và 135±15 '''u'''. Tuy nhiên, quá trình nhị phân xảy ra chỉ vì nó là xác suất cao nhất. Ở bất cứ nơi nào từ 2 đến 4 phân hạch trên 1000 trong lò phản ứng hạt nhân, một quá trình gọi là [[ Phân hạch|phân hạch ternary]] tạo ra ba mảnh tích điện dương (cộng với neutron) và nhỏ nhất trong số này có thể dao động từ một điện tích và khối lượng nhỏ như một proton (''Z''=1), một mảnh lớn như [[argon]] (''Z''=18). Tuy nhiên, các mảnh nhỏ phổ biến nhất bao gồm 90% hạt nhân helium-4 có nhiều năng lượng hơn các hạt alpha từ phân rã alpha (được gọi là "hạt alpha tầm xa" tại ~16MeV), cộng với hạt nhân helium-6 và [[triti]] (hạt nhân của [[triti]] ). Quá trình ternary ít phổ biến hơn, nhưng cuối cùng vẫn tạo ra sự tích tụ khí helium-4 và triti đáng kể trong các thanh nhiên liệu của các lò phản ứng hạt nhân hiện đại. <ref>S. Vermote, et al. (2008) [https://books.google.com/books?id=6IkykKNob6gC&pg=PA259 "Comparative study of the ternary particle emission in 243-Cm (nth,f) and 244-Cm(SF)"] in ''Dynamical aspects of nuclear fission: proceedings of the 6th International Conference.'' J. Kliman, M. G. Itkis, S. Gmuca (eds.). World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd. Singapore. {{ISBN|9812837523}}.</ref> |
|||
=== Năng lượng === |
|||
==== Đầu vào ==== |
|||
[[Tập tin:Stdef2.png|liên_kết=https://vi.wikipedia.org/wiki/T%E1%BA%ADp%20tin:Stdef2.png|phải|nhỏ|275x275px|Các giai đoạn phân hạch nhị phân trong một mô hình giọt chất lỏng. Năng lượng đầu vào làm biến dạng hạt nhân thành hình dạng "xì gà" béo, sau đó thành hình "đậu phộng", sau đó là phân hạch nhị phân khi hai thùy vượt quá khoảng cách thu hút [[lực hạt nhân]] tầm ngắn, sau đó bị đẩy ra xa và tích điện. Trong mô hình giọt chất lỏng, hai mảnh phân hạch được dự đoán có cùng kích thước. Mô hình vỏ hạt nhân cho phép chúng có kích thước khác nhau, như thường được quan sát bằng thực nghiệm.]] |
|||
Sự phân hạch của một hạt nhân nặng đòi hỏi tổng năng lượng đầu vào khoảng 7 đến 8 triệu [[Electronvolt|electron volt]] (MeV) để bước đầu vượt qua [[lực hạt nhân]] giữ hạt nhân thành hình cầu hoặc gần như hình cầu, và từ đó, biến dạng nó thành hai hình thùy ("đậu phộng") trong đó các thùy có thể tiếp tục tách ra khỏi nhau, được đẩy bởi điện tích dương lẫn nhau, trong quá trình phân hạch nhị phân phổ biến nhất (hai sản phẩm phân hạch tích điện dương + neutron). Một khi các thùy hạt nhân đã được đẩy đến một khoảng cách tới hạn, ngoài ra [[Tương tác mạnh|lực mạnh trong]] phạm vi ngắn không thể giữ chúng lại với nhau, quá trình phân tách của chúng tiến hành từ năng lượng của lực đẩy [[Điện từ học|điện từ]] (phạm vi dài hơn) giữa các mảnh. Kết quả là hai mảnh phân hạch di chuyển xa nhau, ở mức năng lượng cao. |
|||
Khoảng 6 MeV của năng lượng phân hạch - đầu vào được cung cấp bởi liên kết đơn giản của một neutron phụ với hạt nhân nặng thông qua lực mạnh; tuy nhiên, trong nhiều đồng vị phân hạch, lượng năng lượng này không đủ để phân hạch. Uranium-238, chẳng hạn, có tiết diện phân hạch gần bằng 0 đối với các neutron có ít hơn một năng lượng MeV. Nếu không có năng lượng bổ sung được cung cấp bởi bất kỳ cơ chế nào khác, hạt nhân sẽ không phân hạch, mà sẽ chỉ hấp thụ neutron, như xảy ra khi U-238 hấp thụ chậm và thậm chí một số phần của neutron nhanh, để trở thành U-239. Năng lượng còn lại để bắt đầu phân hạch có thể được cung cấp bởi hai cơ chế khác: một trong số đó là động năng nhiều hơn của neutron tới, nó ngày càng có khả năng phân [[ Phân hạch|hạch]] hạt nhân nặng [[ Phân hạch|có thể phân hạch]] khi nó vượt quá năng lượng động học của một MeV trở lên (vì vậy- gọi là [[ Neutron nhanh|neutron nhanh]] ). Các neutron năng lượng cao như vậy có thể phân hạch trực tiếp U-238 (xem [[vũ khí nhiệt hạch]] để ứng dụng, trong đó các neutron nhanh được cung cấp bởi [[phản ứng tổng hợp hạt nhân]] ). Tuy nhiên, quá trình này không thể xảy ra ở một mức độ lớn trong lò phản ứng hạt nhân, vì một phần quá nhỏ của các neutron phân hạch được tạo ra bởi bất kỳ loại phân hạch nào cũng có đủ năng lượng để phân hạch hiệu quả U-238 (neutron phân hạch có năng lượng [[Số yếu vị|chế độ]] 2 MeV, nhưng [[Số trung vị|trung bình]] chỉ 0,75 MeV, có nghĩa là một nửa trong số chúng có ít hơn năng lượng không đủ này). |
|||
Tuy nhiên, trong số các nguyên tố [[Họ Actini|actini]] nặng, những đồng vị có số nơtron lẻ (chẳng hạn như U-235 với 143 neutron) liên kết thêm một neutron với năng lượng tăng thêm 1 đến 2 MeV so với đồng vị của cùng một nguyên tố số lượng neutron (như U-238 với 146 neutron). Năng lượng liên kết bổ sung này được tạo sẵn do kết quả của cơ chế tạo hiệu ứng [[ Công thức khối lượng bán thực nghiệm|ghép neutron]] . Năng lượng bổ sung này là kết quả của [[Nguyên lý loại trừ Pauli|nguyên tắc loại trừ Pauli]] cho phép một neutron phụ chiếm cùng quỹ đạo hạt nhân như neutron cuối cùng trong hạt nhân, do đó hai người tạo thành một cặp. Do đó, trong các đồng vị như vậy, không cần động năng neutron, vì tất cả năng lượng cần thiết được cung cấp bằng cách hấp thụ bất kỳ neutron nào, hoặc là loại chậm hoặc nhanh (trước đây được sử dụng trong các lò phản ứng hạt nhân được kiểm duyệt, và sau đó được sử dụng [[ Lò phản ứng neutron nhanh|nhanh lò phản ứng neutron]], và trong vũ khí). Như đã lưu ý ở trên, nhóm các nguyên tố phân hạch có thể được phân hạch hiệu quả với các neutron phân hạch của chính chúng (do đó có khả năng gây ra [[Phản ứng dây chuyền|phản ứng chuỗi]] hạt nhân với lượng tương đối nhỏ của vật liệu tinh khiết) được gọi là " [[ Vết nứt|phân hạch]] ". Ví dụ về đồng vị phân hạch là uranium-235 và plutonium-239. |
|||
==== Đầu ra ==== |
|||
Các sự kiện phân hạch điển hình phát hành khoảng hai trăm triệu [[Electronvolt|eV]] (200 MeV) năng lượng, tương đương khoảng 2 nghìn tỷ Kelvin, cho mỗi sự kiện phân hạch. Đồng vị chính xác được phân hạch, và nó có thể phân hạch hay phân hạch hay không, chỉ có tác động nhỏ đến lượng năng lượng được giải phóng. Điều này có thể dễ dàng nhìn thấy bằng cách kiểm tra đường cong của [[ Năng lượng kết dính|năng lượng liên kết]] (hình ảnh bên dưới) và lưu ý rằng năng lượng liên kết trung bình của các hạt nhân actinide bắt đầu bằng uranium là khoảng 7,6 MeV mỗi nucleon. Nhìn xa hơn về đường cong của năng lượng liên kết, trong đó cụm [[ Sản phẩm phân hạch|sản phẩm phân hạch]], có thể dễ dàng quan sát thấy rằng năng lượng liên kết của các sản phẩm phân hạch có xu hướng tập trung vào khoảng 8,5 MeV mỗi nucleon. Do đó, trong bất kỳ sự kiện phân hạch nào của một đồng vị trong phạm vi khối lượng của Actinide, khoảng 0,9 MeV được giải phóng trên mỗi nucleon của nguyên tố ban đầu. Sự phân hạch của U235 bởi một neutron chậm mang lại năng lượng gần như tương đương với sự phân hạch của U238 bởi một neutron nhanh. Hồ sơ giải phóng năng lượng này đúng với thorium và các loại actinide nhỏ khác nhau. <ref name="ENS">{{Chú thích web|url=http://www.euronuclear.org/info/encyclopedia/n/nuclear-fission.htm|tựa đề=Nuclear fission|tác giả=Marion Brünglinghaus|nhà xuất bản=European Nuclear Society|url lưu trữ=https://web.archive.org/web/20130117002723/http://www.euronuclear.org/info/encyclopedia/n/nuclear-fission.htm|ngày lưu trữ=2013-01-17|ngày truy cập=2013-01-04}}</ref> |
|||
Ngược lại, hầu hết [[Phản ứng hóa học|các]] phản ứng [[Ôxy hóa khử|oxy]] [[Phản ứng hóa học|hóa hóa học]] (như đốt [[Than đá|than]] hoặc [[Trinitrotoluen|TNT]] ) giải phóng tối đa một vài [[Electronvolt|eV]] mỗi sự kiện. Vì vậy, nhiên liệu hạt nhân chứa ít nhất mười [[Mật độ năng lượng|năng lượng có thể sử dụng]] gấp triệu lần [[Mật độ năng lượng|trên mỗi đơn vị khối lượng]] so với nhiên liệu hóa học. Năng lượng của phản ứng phân hạch hạt nhân được giải phóng dưới dạng [[động năng]] của các sản phẩm và mảnh phân hạch, và dưới dạng [[bức xạ điện từ]] dưới dạng [[tia gamma]] ; trong lò phản ứng hạt nhân, năng lượng được chuyển thành [[nhiệt]] khi các hạt và tia gamma va chạm với các nguyên tử tạo nên lò phản ứng và [[chất lỏng làm việc]] của nó, thường là [[nước]] hoặc đôi khi là [[nước nặng]] hoặc [[ Muối nóng chảy|muối nóng chảy]] . |
|||
[[Tập tin:Bucky1.gif|liên_kết=https://vi.wikipedia.org/wiki/T%E1%BA%ADp%20tin:Bucky1.gif|phải|nhỏ|Hoạt hình của [[Nổ kích thích Coulomb|vụ nổ Coulomb]] trong trường hợp một cụm hạt nhân tích điện dương, gần giống với cụm các mảnh phân hạch. Mức độ màu sắc của [[ Huế|Huế]] tỷ lệ thuận với điện tích hạt nhân (lớn hơn). Các electron (nhỏ hơn) trên thang đo thời gian này chỉ được nhìn thấy bằng phương pháp stroboscopcopic và mức độ màu sắc là động năng của chúng]] |
|||
Khi một hạt nhân [[urani]] phân thành hai mảnh hạt nhân con, khoảng 0,1 phần trăm khối lượng của hạt nhân urani <ref name="bulletin1950">Hans A. Bethe (April 1950), [https://books.google.com/books?id=Mg4AAAAAMBAJ&pg=PA99 "The Hydrogen Bomb"], ''Bulletin of the Atomic Scientists'', p. 99.</ref> xuất hiện dưới dạng năng lượng phân hạch ~ 200 MeV. Đối với urani-235 (tổng năng lượng phân hạch trung bình 202,79 MeV <ref name="KopMikSin2004">{{Chú thích tạp chí|last=V|first=Kopeikin|last2=L|first2=Mikaelyan and|last3=V|first3=Sinev|year=2004|title=Reactor as a Source of Antineutrinos: Thermal Fission Energy|journal=Physics of Atomic Nuclei|volume=67|issue=10|page=1892|arxiv=hep-ph/0410100|bibcode=2004PAN....67.1892K|doi=10.1134/1.1811196}}</ref> ), thường là ~ 169 MeV xuất hiện dưới dạng [[động năng]] của hạt nhân con gái, chúng bay ra với tốc độ khoảng 3% tốc độ ánh sáng, do [[Lực tĩnh điện|lực đẩy Coulomb]]. Ngoài ra, trung bình là 2,5 neutron được phát ra, với động năng [[Số bình quân|trung bình]] trên mỗi neutron là ~ 2 MeV (tổng cộng 4,8 MeV). <ref>These fission neutrons have a wide energy spectrum, with range from 0 to 14 MeV, with mean of 2 MeV and [[mode (statistics)]] of 0.75 Mev. See Byrne, op. cite.</ref> Phản ứng phân hạch cũng giải phóng ~ 7 MeV trong [[Bức xạ điện từ|các photon]] [[tia gamma]] tức thời. Hình sau có nghĩa là một vụ nổ phân hạch hạt nhân hoặc tai nạn nghiêm trọng phát ra khoảng 3,5% năng lượng của nó dưới dạng tia gamma, ít hơn 2,5% năng lượng của nó là neutron nhanh (tổng cộng cả hai loại bức xạ ~ 6%) và phần còn lại là động năng năng lượng của các mảnh phân hạch (điều này xuất hiện gần như ngay lập tức khi các mảnh vỡ tác động xung quanh vật chất, dưới dạng [[nhiệt]] đơn giản). <ref>[https://web.archive.org/web/20170125171152/https://ke.army.mil/bordeninstitute/published_volumes/nuclearwarfare/chapter1/chapter1.pdf NUCLEAR EVENTS AND THEIR CONSEQUENCES by the Borden institute..."approximately '''82%''' of the fission energy is released as kinetic energy of the two large fission fragments. These fragments, being massive '''and highly charged particles''', interact readily with matter. They transfer their energy quickly to the surrounding weapon materials, which rapidly become heated"]</ref> <ref>{{Chú thích web|url=http://www.oektg.at/wp-content/uploads/02-Nuclear-Engineering-Overview1.pdf|tựa đề=''Nuclear Engineering Overview'' The various energies emitted per fission event pg 4. ''"167 MeV"'' is emitted by means of the repulsive electrostatic energy between the 2 daughter nuclei, which takes the form of the "kinetic energy" of the fission products, this kinetic energy results in both later blast and thermal effects. ''"5 MeV"'' is released in prompt or initial gamma radiation, ''"5 MeV"'' in prompt neutron radiation (99.36% of total), ''"7 MeV"'' in delayed neutron energy (0.64%) and ''"13 MeV"'' in beta decay and gamma decay(residual radiation)|nhà xuất bản=Technical University Vienna|url lưu trữ=https://web.archive.org/web/20180515201022/http://www.oektg.at/wp-content/uploads/02-Nuclear-Engineering-Overview1.pdf|ngày lưu trữ=May 15, 2018}}</ref> Trong một quả bom nguyên tử, sức nóng này có thể phục vụ để tăng nhiệt độ của lõi bom lên 100 triệu [[kelvin]] và gây ra sự phát xạ thứ cấp của tia X mềm, chuyển đổi một phần năng lượng này thành bức xạ ion hóa. Tuy nhiên, trong các lò phản ứng hạt nhân, động năng phân hạch vẫn là nhiệt độ thấp, chính nó gây ra ít hoặc không bị ion hóa. |
|||
Cái gọi là [[bom neutron]] (vũ khí bức xạ tăng cường) đã được chế tạo để giải phóng một phần năng lượng lớn hơn của chúng dưới dạng bức xạ ion hóa (cụ thể là neutron), nhưng đây đều là những thiết bị nhiệt hạch dựa vào giai đoạn tổng hợp hạt nhân để tạo ra bức xạ phụ. Động lực học năng lượng của bom phân hạch tinh khiết luôn duy trì ở mức năng suất khoảng 6% trong tổng lượng bức xạ, là kết quả tức thời của quá trình phân hạch. |
|||
Tổng năng lượng ''phân hạch nhanh'' lên tới khoảng 181 MeV, hoặc ~ 89% tổng năng lượng cuối cùng được giải phóng bởi quá trình phân hạch theo thời gian. ~ 11% còn lại được phát hành dưới dạng phân rã beta có thời gian bán hủy khác nhau, nhưng bắt đầu như một quá trình trong các sản phẩm phân hạch ngay lập tức; và trong phát thải gamma bị trì hoãn liên quan đến các phân rã beta này. Ví dụ, trong uranium-235, năng lượng bị trì hoãn này được chia thành khoảng 6,5 MeV trong betas, 8,8 MeV trong [[Neutrino|antineutrinos]] (được phát hành cùng lúc với betas), và cuối cùng, thêm 6.3 MeV trong phát xạ gamma bị trì hoãn từ các sản phẩm phân rã beta bị kích thích (với tổng số trung bình là ~ 10 phát xạ tia gamma trên mỗi phân hạch, tất cả). Do đó, khoảng 6,5% tổng năng lượng phân hạch được giải phóng một thời gian sau sự kiện, vì bức xạ ion hóa không kịp thời hoặc bị trì hoãn, và năng lượng ion hóa bị trì hoãn được chia đều giữa năng lượng tia gamma và beta. |
|||
Trong một lò phản ứng đã hoạt động được một thời gian, các sản phẩm phân hạch phóng xạ sẽ được xây dựng ở nồng độ trạng thái ổn định sao cho tốc độ phân rã của chúng bằng với tốc độ hình thành của chúng, do đó tổng đóng góp một phần của chúng vào nhiệt của lò phản ứng (thông qua phân rã beta ) giống như những đóng góp phân đoạn phóng xạ này cho năng lượng phân hạch. Trong các điều kiện này, 6,5% phân hạch xuất hiện dưới dạng bức xạ ion hóa bị trì hoãn (gamma và beta bị trì hoãn từ các sản phẩm phân hạch phóng xạ) góp phần vào việc sản xuất nhiệt lò phản ứng ở trạng thái ổn định dưới nguồn điện. Đây là phần đầu ra còn lại khi lò phản ứng đột ngột ngừng hoạt động (trải qua [[ Scram|scram]] ). Vì lý do này, sản lượng [[ Nhiệt phân hủy|nhiệt phân rã của]] lò phản ứng bắt đầu ở mức 6,5% công suất phân hạch trạng thái ổn định của lò phản ứng đầy đủ, sau khi lò phản ứng ngừng hoạt động. Tuy nhiên, trong vài giờ, do sự phân rã của các đồng vị này, sản lượng điện phân rã ít hơn nhiều. Xem [[ Nhiệt phân hủy|nhiệt phân rã]] để biết chi tiết. |
|||
Phần còn lại của năng lượng bị trì hoãn (8,8 MeV / 202,5 MeV = 4,3% tổng năng lượng phân hạch) được phát ra dưới dạng phản neutrino, như một vấn đề thực tế, không được coi là "bức xạ ion hóa". Lý do là năng lượng được giải phóng dưới dạng phản neutrino không bị bắt bởi vật liệu lò phản ứng dưới dạng nhiệt và thoát trực tiếp qua tất cả các vật liệu (bao gồm cả Trái đất) với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng và vào không gian liên hành tinh (lượng hấp thụ là rất nhỏ). Bức xạ neutrino thường không được phân loại là bức xạ ion hóa, vì nó gần như không được hấp thụ hoàn toàn và do đó không tạo ra hiệu ứng (mặc dù sự kiện neutrino rất hiếm là ion hóa). Hầu như tất cả phần còn lại của bức xạ (bức xạ beta và gamma bị trì hoãn 6,5%) cuối cùng được chuyển thành nhiệt trong lõi lò phản ứng hoặc các lớp che chắn. |
|||
Một số quá trình liên quan đến neutron là đáng chú ý để hấp thụ hoặc cuối cùng mang lại năng lượng - ví dụ như động năng neutron không sinh nhiệt ngay lập tức nếu neutron bị bắt bởi một nguyên tử uranium-238 để tạo ra plutonium-239, nhưng năng lượng này được phát ra nếu plutoni-239 là sau đó phân hạch. Mặt khác, cái gọi là [[ Neutron bị trì hoãn|neutron chậm]] phát ra dưới dạng các sản phẩm phân rã phóng xạ có chu kỳ bán rã lên đến vài phút, từ sản phẩm con phân hạch, rất quan trọng đối với việc [[ Vật lý lò phản ứng hạt nhân|điều khiển lò phản ứng]], bởi vì chúng cho thời gian "phản ứng" đặc trưng cho phản ứng hạt nhân tổng thể tăng gấp đôi kích thước, nếu phản ứng được chạy trong vùng " [[ Quan trọng bị trì hoãn|trễ quan trọng]] ", cố tình dựa vào các neutron này để phản ứng chuỗi siêu tới hạn (một trong đó mỗi chu kỳ phân hạch mang lại nhiều neutron hơn mức hấp thụ). Nếu không có sự tồn tại của chúng, phản ứng dây chuyền hạt nhân sẽ [[ Nhắc nhở quan trọng|nhanh chóng]] trở nên [[ Nhắc nhở quan trọng|quan trọng]] và tăng kích thước nhanh hơn khả năng can thiệp của con người. Trong trường hợp này, các lò phản ứng nguyên tử thử nghiệm đầu tiên sẽ chạy đến một "phản ứng quan trọng kịp thời" nguy hiểm và lộn xộn trước khi các nhà khai thác của họ có thể tự tắt chúng (vì lý do này, nhà thiết kế [[Enrico Fermi]] bao gồm các thanh điều khiển kích hoạt chống bức xạ, bị đình chỉ bằng nam châm điện, có thể tự động rơi vào trung tâm [[Chicago Pile-1]] ). Nếu những neutron bị trì hoãn này bị bắt mà không tạo ra sự phân hạch, chúng cũng tạo ra nhiệt. <ref>{{Chú thích web|url=http://www.kayelaby.npl.co.uk/atomic_and_nuclear_physics/4_7/4_7_1.html|tựa đề=Nuclear Fission and Fusion, and Nuclear Interactions|nhà xuất bản=National Physical Laboratory|url lưu trữ=https://web.archive.org/web/20100305114800/http://www.kayelaby.npl.co.uk/atomic_and_nuclear_physics/4_7/4_7_1.html|ngày lưu trữ=2010-03-05|ngày truy cập=2013-01-04}}</ref> |
|||
=== Hạt nhân sản phẩm và năng lượng liên kết === |
|||
Trong phân hạch, có một ưu tiên là tạo ra các mảnh có số chẵn, được gọi là hiệu ứng chẵn - lẻ đối với phân bố điện tích của các mảnh. Tuy nhiên, không có hiệu ứng chẵn - lẻ được quan sát thấy trong phân phối '''số khối''' . Kết quả này được quy cho sự [[Phá vỡ cặp hạt nhân trong phân hạch|phá vỡ cặp nucleon]] . |
|||
Trong các sự kiện phân hạch hạt nhân, các hạt nhân có thể vỡ thành bất kỳ sự kết hợp nào của các hạt nhân nhẹ hơn, nhưng sự kiện phổ biến nhất không phải là sự phân hạch với các hạt nhân có khối lượng bằng nhau về khối lượng 120; sự kiện phổ biến nhất (tùy thuộc vào đồng vị và quá trình) là sự phân hạch hơi không đồng đều trong đó một hạt nhân con gái có khối lượng khoảng 90 đến 100 '''u''' và cái còn lại 130 đến 140 '''u''' <ref>{{Chú thích tạp chí|last=L. Bonneau|last2=P. Quentin|year=2005|title=Microscopic calculations of potential energy surfaces: Fission and fusion properties|url=http://t16web.lanl.gov/publications/bonneau2.pdf|journal=AIP Conference Proceedings|volume=798|pages=77–84|doi=10.1063/1.2137231|archive-url=https://web.archive.org/web/20060929025926/http://t16web.lanl.gov/publications/bonneau2.pdf|archive-date=September 29, 2006|access-date=2008-07-28}}</ref> Phân hạch không đồng đều thuận lợi hơn về mặt năng lượng vì điều này cho phép một sản phẩm gần với mức tối thiểu năng lượng gần khối lượng 60 '''u''' (chỉ bằng một phần tư khối lượng phân hạch trung bình), trong khi các hạt nhân khác có khối lượng 135 '''u''' vẫn không nằm ngoài phạm vi của các hạt nhân bị ràng buộc chặt chẽ nhất (một tuyên bố khác về điều này, là đường cong [[ Năng lượng kết dính|năng lượng liên kết]] nguyên tử hơi dốc về bên trái của khối lượng 120 '''u''' hơn bên phải của nó). |
|||
=== Nguồn gốc của năng lượng hoạt động và đường cong của năng lượng liên kết === |
|||
[[Tập tin:Binding_energy_curve_-_common_isotopes.svg|liên_kết=https://vi.wikipedia.org/wiki/T%E1%BA%ADp%20tin:Binding_energy_curve_-_common_isotopes.svg|phải|nhỏ|300x300px|"Đường cong năng lượng liên kết": Biểu đồ năng lượng liên kết trên mỗi hạt nhân của các đồng vị chung.]] |
|||
Sự phân hạch hạt nhân của các nguyên tố nặng tạo ra năng lượng có thể khai thác được vì năng lượng [[ Năng lượng kết dính|liên kết]] riêng ( [[ Năng lượng kết dính|năng lượng]] liên kết trên khối lượng) của hạt nhân có khối lượng trung gian với [[Số nguyên tử|số]] [[Nguyên tử khối|nguyên tử]] và [[Nguyên tử khối|khối lượng nguyên tử]] gần bằng [[ Niken-62|<sup>62</sup>Ni]] và [[ Sắt-56|<sup>56</sup>Fe]] lớn hơn năng lượng liên kết riêng của hạt nhân của hạt nhân rất nặng, do đó năng lượng được giải phóng khi các hạt nhân nặng bị phá vỡ. Tổng khối lượng nghỉ của các sản phẩm phân hạch ('''Mp''') từ một phản ứng đơn lẻ nhỏ hơn khối lượng của hạt nhân nhiên liệu ban đầu ('''M'''). Khối lượng dư '''Δm''' = = '''M''' - '''Mp''' là [[ Khối lượng bất biến|khối lượng bất biến]] của năng lượng được giải phóng dưới dạng [[photon]] ( [[tia gamma]] ) và động năng của các mảnh phân hạch, theo công thức [[Sự tương đương khối lượng–năng lượng|tương đương năng lượng khối lượng]] ''E'' = ''mc''<sup>2</sup>. |
|||
Sự thay đổi năng lượng liên kết cụ thể với [[số nguyên tử]] là do sự tương tác của hai [[lực]] cơ bản tác động lên các [[Nucleon|hạt nhân]] thành phần ( [[proton]] và [[neutron]] ) tạo nên hạt nhân. Các hạt nhân bị ràng buộc bởi một [[lực hạt nhân]] hấp dẫn giữa các hạt nhân, vượt qua lực [[Tĩnh điện học|đẩy tĩnh điện]] giữa các proton. Tuy nhiên, lực hạt nhân chỉ hoạt động trong phạm vi tương đối ngắn (một vài đường kính [[nucleon]] ), vì nó đi theo [[ Tiềm năng Yukawa|tiềm năng Yukawa]] phân rã theo cấp số nhân, khiến nó không đáng kể ở khoảng cách xa hơn. Lực đẩy tĩnh điện có phạm vi dài hơn, vì nó phân rã theo quy tắc nghịch đảo bình phương, do đó hạt nhân lớn hơn khoảng 12 các hạt nhân có đường kính đạt đến điểm mà tổng lực đẩy tĩnh điện vượt qua lực hạt nhân và khiến chúng không ổn định một cách tự nhiên. Vì lý do tương tự, các hạt nhân lớn hơn (đường kính hơn tám hạt nhân) ít bị ràng buộc chặt chẽ hơn trên mỗi đơn vị khối lượng so với các hạt nhân nhỏ hơn; phá vỡ một hạt nhân lớn thành hai hoặc nhiều hạt nhân có kích thước trung gian sẽ giải phóng năng lượng. |
|||
Ngoài ra do phạm vi ngắn của lực liên kết mạnh, các hạt nhân ổn định lớn phải chứa nhiều neutron hơn so với các nguyên tố nhẹ nhất, ổn định nhất với '''tỷ lệ 1:1''' proton và neutron. Hạt nhân có hơn 20 proton không thể ổn định trừ khi chúng có nhiều hơn số nơtron bằng nhau. Các neutron phụ ổn định các nguyên tố nặng vì chúng thêm vào liên kết lực mạnh (hoạt động giữa tất cả các nucleon) mà không thêm vào lực đẩy proton proton. Trung bình, các sản phẩm phân hạch có cùng [[ Tỷ lệ proton neutron bào|tỷ lệ neutron và proton]] như hạt nhân mẹ của chúng, và do đó thường không ổn định để phân rã beta (làm thay đổi neutron thành proton) vì chúng có quá nhiều neutron so với các đồng vị ổn định có cùng khối lượng. |
|||
Xu hướng hạt nhân sản phẩm phân hạch này trải qua quá trình phân rã beta là nguyên nhân cơ bản của vấn đề [[Phóng xạ|chất thải phóng xạ]] [[ Chất thải cấp cao|ở mức độ cao]] từ các lò phản ứng hạt nhân. Các sản phẩm phân hạch có xu hướng [[Hạt beta|phát xạ beta]], [[Phân rã beta|phát ra]] các [[electron]] chuyển động nhanh để tiết kiệm [[điện tích]], vì các neutron dư chuyển đổi thành các proton trong các nguyên tử sản phẩm phân hạch. Xem [[ Sản phẩm phân hạch (theo yếu tố)|các sản phẩm phân hạch (theo yếu tố)]] để biết mô tả về các sản phẩm phân hạch được sắp xếp theo yếu tố. |
|||
Phản ứng phân hạch hạt nhân là một trong hai loại [[phản ứng hạt nhân]]. Loại kia là [[phản ứng tổng hợp hạt nhân]]. |
|||
== Xem thêm == |
== Xem thêm == |
||
Phiên bản lúc 14:17, ngày 24 tháng 7 năm 2020
| Vật lý hạt nhân |
|---|
 |
| Nucleus • Nucleons (Proton, Neutron) • Lực hạt nhân • Phản ứng hạt nhân |
|
Phân loại hạt nhân Đồng vị – bằng Z Isobars – bằng N Đồng neutron – bằng N Isodiapher – bằng N − Z Đồng phân – bằng tất cả các số trên Hạt nhân gương – Z ↔ N Ổn định • Số kỳ diệu • Chẵn/lẻ • Quầng |
|
Sự ổn định hạt nhân |
|
Quá trình năng lượng cao |
|
Phản ứng tổng hợp hạt nhân Quy trình: Tổng hợp sao • Vụ Nổ Lớn • Siêu tân tinh Hạt nhân: Nguyên thủy • Vũ trụ • Tổng hợp |
|
Alvarez Becquerel • Bethe • A. Bohr • N. Bohr • Chadwick • Cockcroft • Ir. Curie • Fr. Curie • Pi. Curie • Skłodowska-Curie • Davisson • Fermi • Hahn • Jensen • Lawrence • Mayer • Meitner • Oliphant • Oppenheimer • Proca • Purcell • Rabi • Rutherford • Soddy • Strassmann • Świątecki • Szilárd • Teller • Thomson • Walton • Wigner |
Trong vật lý hạt nhân và hóa học hạt nhân, phản ứng phân hạch (phân hạch hạt nhân) là một phản ứng hạt nhân hoặc quá trình phân rã phóng xạ trong đó hạt nhân của một nguyên tử tách thành hai hoặc nhiều hạt nhân nhỏ hơn, nhẹ hơn. Quá trình phân hạch thường tạo ra các photon gamma và giải phóng một lượng năng lượng rất lớn ngay cả theo tiêu chuẩn năng lượng của sự phân rã phóng xạ .
Sự phân hạch hạt nhân của các nguyên tố nặng được Otto Hahn và trợ lý Fritz Strassmann của ông phát hiện vào ngày 17 tháng 12 năm 1938. Hiện tượng này đã được Lise Meitner và cháu trai của bà Otto Robert Frisch giải thích về mặt lý thuyết vào tháng 1 năm 1939. Frisch đặt tên cho quá trình này khi so sánh tương tự với phân hạch sinh học của các tế bào sống. Đối với các hạt nhân nặng, đó là một phản ứng tỏa nhiệt có thể giải phóng một lượng lớn năng lượng cả dưới dạng bức xạ điện từ và như động năng của các mảnh vỡ ( làm nóng vật liệu khối nơi xảy ra quá trình phân hạch). Để phân hạch tạo ra năng lượng, tổng năng lượng liên kết của các phần tử kết quả phải âm hơn (năng lượng liên kết lớn hơn) so với phần tử ban đầu.
Phân hạch là một dạng biến đổi hạt nhân vì các mảnh vỡ kết quả không phải là nguyên tố giống như nguyên tử ban đầu. Hai (hoặc nhiều) hạt nhân được tạo ra thường có kích thước tương đương nhưng hơi khác nhau, điển hình với tỷ lệ khối lượng sản phẩm khoảng 3 đến 2, đối với các đồng vị phân hạch phổ biến. [1] [2] Hầu hết các phân hạch là phân hạch nhị phân (tạo ra hai mảnh tích điện), nhưng đôi khi (2 đến 4 lần trên 1000 sự kiện), ba mảnh tích điện dương được tạo ra, trong một phân hạch tạm thời . Các mảnh nhỏ nhất trong các quá trình ternary có kích thước từ hạt proton đến hạt nhân argon.
Ngoài sự phân hạch do neutron gây ra, được con người sử dụng và khai thác, một dạng phân rã phóng xạ tự nhiên (không cần neutron) cũng được gọi là phân hạch, và đặc biệt xảy ra ở các đồng vị có khối lượng rất cao. Sự phân hạch tự phát được Flyorov, Petrzhak và Kurchatov[3] phát hiện vào năm 1940 tại Moskva, khi họ xác nhận rằng, không bị bắn phá bởi neutron, tốc độ phân hạch của urani thực sự không đáng kể, như dự đoán của Niels Bohr.[3]
Thành phần không thể đoán trước của các sản phẩm (khác nhau theo cách xác suất rộng và hơi hỗn loạn) phân biệt sự phân hạch với các quá trình đường hầm lượng tử hoàn toàn như phát xạ proton, phân rã alpha và phân rã cụm, mỗi lần cho cùng một sản phẩm. Phản ứng phân hạch hạt nhân tạo ra năng lượng cho năng lượng hạt nhân và thúc đẩy sự bùng nổ của vũ khí hạt nhân . Cả hai cách sử dụng đều có thể bởi vì một số chất gọi là nhiên liệu hạt nhân trải qua quá trình phân hạch khi bị neutron phân hạch tấn công và lần lượt phát ra neutron khi chúng vỡ ra. Điều này làm cho phản ứng dây chuyền hạt nhân tự duy trì có thể xảy ra, giải phóng năng lượng ở tốc độ được kiểm soát trong lò phản ứng hạt nhân hoặc với tốc độ rất nhanh, không kiểm soát được trong vũ khí hạt nhân .
Năng lượng do phản ứng phân hạch sản sinh ra dùng trong nhà máy điện hạt nhân và vũ khí hạt nhân. Sư phân hạch được xem là nguồn năng lượng hữu dụng vì một số vật chất được gọi là nhiên liệu hạt nhân, vừa sản sinh ra các nơtron tự do vừa kích hoạt phản ứng phân hạch bởi tác động của các nơtron tự do này. Nhiên liệu hạt nhân còn là một phần của phản ứng dây chuyền tự duy trì mà nó giải phóng ra năng lượng ở mức có thể kiểm soát được như trong các lò phản ứng hạt nhân hoặc ở mức không thể kiểm soát được dùng chế tạo các loại vũ khí hạt nhân.
Lượng năng lượng tự do chứa trong nhiên liệu hạt nhân gấp hàng triệu lần năng lượng tự do chứa trong một khối nhiên liệu hóa học tương tự như xăng, khiến phân hạch hạt nhân trở thành một nguồn năng lượng rất dày đặc. Tuy nhiên, các sản phẩm phân hạch hạt nhân trung bình có tính phóng xạ cao hơn nhiều so với các nguyên tố nặng thường được phân hạch làm nhiên liệu, và vẫn tồn tại trong một khoảng thời gian đáng kể, làm phát sinh vấn đề chất thải hạt nhân . Những lo ngại về tích lũy chất thải hạt nhân và về tiềm năng hủy diệt của vũ khí hạt nhân là một đối trọng với mong muốn hòa bình sử dụng phân hạch làm nguồn năng lượng .
Tổng quan về vật lý
Cơ chế
Phân rã phóng xạ
Sự phân hạch hạt nhân có thể xảy ra mà không bị bắn phá neutron như một loại phân rã phóng xạ . Loại phân hạch này (được gọi là phân hạch tự phát ) rất hiếm, ngoại trừ trong một vài đồng vị nặng.
Phản ứng hạt nhân
Trong các thiết bị hạt nhân được thiết kế, về cơ bản, tất cả các phản ứng phân hạch hạt nhân xảy ra như một " phản ứng hạt nhân " - một quá trình điều khiển bắn phá, kết quả từ sự va chạm của hai hạt hạ nguyên tử. Trong các phản ứng hạt nhân, một hạt hạ nguyên tử va chạm với hạt nhân nguyên tử và gây ra những thay đổi cho nó. Do đó, các phản ứng hạt nhân được thúc đẩy bởi các cơ chế bắn phá, chứ không phải bởi sự phân rã theo hàm mũ tương đối liên tục và đặc tính chu kỳ bán rã của các quá trình phóng xạ tự phát.
Nhiều loại phản ứng hạt nhân hiện đang được biết đến. Phản ứng phân hạch hạt nhân quan trọng khác với các loại phản ứng hạt nhân khác, ở chỗ nó có thể được khuếch đại và đôi khi được điều khiển thông qua phản ứng chuỗi hạt nhân (một loại phản ứng dây chuyền chung). Trong một phản ứng như vậy, các neutron tự do được giải phóng bởi mỗi sự kiện phân hạch có thể kích hoạt thêm nhiều sự kiện nữa, từ đó giải phóng nhiều neutron hơn và gây ra sự phân hạch nhiều hơn.
Các đồng vị nguyên tố hóa học có thể duy trì phản ứng chuỗi phân hạch được gọi là nhiên liệu hạt nhân và được cho là phân hạch . Các nhiên liệu hạt nhân phổ biến nhất là 235U (đồng vị của urani có số khối lớn 235 và được sử dụng trong các lò phản ứng hạt nhân) và 239Pu (đồng vị của plutoni với số khối là 239). Những nhiên liệu này tách ra thành một loạt các nguyên tố hóa học với khối lượng nguyên tử tập trung gần 95 và 135 u ( sản phẩm phân hạch ). Hầu hết các nhiên liệu hạt nhân chỉ trải qua quá trình phân hạch tự phát rất chậm, thay vào đó phân rã chủ yếu thông qua chuỗi phân rã alpha - beta qua các thiên niên kỷ đến các eons . Trong một lò phản ứng hạt nhân hoặc vũ khí hạt nhân, phần lớn các sự kiện phân hạch được gây ra bởi sự bắn phá với một hạt khác, neutron, được tạo ra bởi các sự kiện phân hạch trước đó.
Phản ứng phân hạch hạt nhân trong nhiên liệu phân hạch là kết quả của năng lượng kích thích hạt nhân được tạo ra khi hạt nhân phân hạch bắt giữ neutron. Năng lượng này, kết quả từ sự bắt giữ neutron, là kết quả của lực hạt nhân hấp dẫn tác động giữa neutron và hạt nhân. Nó đủ để làm biến dạng hạt nhân thành một "giọt" hai thùy, đến mức các mảnh hạt nhân vượt quá khoảng cách mà lực hạt nhân có thể giữ hai nhóm hạt nhân tích điện lại với nhau và khi điều này xảy ra, hai mảnh vỡ hoàn thành sự phân tách của chúng và sau đó bị đẩy ra xa nhau bởi các lực đẩy lẫn nhau, trong một quá trình trở nên không thể đảo ngược với khoảng cách ngày càng lớn hơn. Một quá trình tương tự xảy ra ở các đồng vị phân hạch (như urani-238), nhưng để phân hạch, các đồng vị này đòi hỏi năng lượng bổ sung được cung cấp bởi các neutron nhanh (như các phản ứng tạo ra bởi phản ứng tổng hợp hạt nhân trong vũ khí hạt nhân ).
Mô hình giọt chất lỏng của hạt nhân nguyên tử dự đoán các sản phẩm phân hạch có kích thước bằng nhau là kết quả của biến dạng hạt nhân. Mô hình vỏ hạt nhân tinh vi hơn là cần thiết để giải thích một cách cơ học con đường dẫn đến kết quả thuận lợi hơn về mặt năng lượng, trong đó một sản phẩm phân hạch nhỏ hơn một chút so với sản phẩm khác. Một lý thuyết phân hạch dựa trên mô hình vỏ đã được Maria Goeppert Mayer đưa ra .
Quá trình phân hạch phổ biến nhất là phân hạch nhị phân, và nó tạo ra các sản phẩm phân hạch được ghi chú ở trên, ở mức 95±15 và 135±15 u. Tuy nhiên, quá trình nhị phân xảy ra chỉ vì nó là xác suất cao nhất. Ở bất cứ nơi nào từ 2 đến 4 phân hạch trên 1000 trong lò phản ứng hạt nhân, một quá trình gọi là phân hạch ternary tạo ra ba mảnh tích điện dương (cộng với neutron) và nhỏ nhất trong số này có thể dao động từ một điện tích và khối lượng nhỏ như một proton (Z=1), một mảnh lớn như argon (Z=18). Tuy nhiên, các mảnh nhỏ phổ biến nhất bao gồm 90% hạt nhân helium-4 có nhiều năng lượng hơn các hạt alpha từ phân rã alpha (được gọi là "hạt alpha tầm xa" tại ~16MeV), cộng với hạt nhân helium-6 và triti (hạt nhân của triti ). Quá trình ternary ít phổ biến hơn, nhưng cuối cùng vẫn tạo ra sự tích tụ khí helium-4 và triti đáng kể trong các thanh nhiên liệu của các lò phản ứng hạt nhân hiện đại. [4]
Năng lượng
Đầu vào
Sự phân hạch của một hạt nhân nặng đòi hỏi tổng năng lượng đầu vào khoảng 7 đến 8 triệu electron volt (MeV) để bước đầu vượt qua lực hạt nhân giữ hạt nhân thành hình cầu hoặc gần như hình cầu, và từ đó, biến dạng nó thành hai hình thùy ("đậu phộng") trong đó các thùy có thể tiếp tục tách ra khỏi nhau, được đẩy bởi điện tích dương lẫn nhau, trong quá trình phân hạch nhị phân phổ biến nhất (hai sản phẩm phân hạch tích điện dương + neutron). Một khi các thùy hạt nhân đã được đẩy đến một khoảng cách tới hạn, ngoài ra lực mạnh trong phạm vi ngắn không thể giữ chúng lại với nhau, quá trình phân tách của chúng tiến hành từ năng lượng của lực đẩy điện từ (phạm vi dài hơn) giữa các mảnh. Kết quả là hai mảnh phân hạch di chuyển xa nhau, ở mức năng lượng cao.
Khoảng 6 MeV của năng lượng phân hạch - đầu vào được cung cấp bởi liên kết đơn giản của một neutron phụ với hạt nhân nặng thông qua lực mạnh; tuy nhiên, trong nhiều đồng vị phân hạch, lượng năng lượng này không đủ để phân hạch. Uranium-238, chẳng hạn, có tiết diện phân hạch gần bằng 0 đối với các neutron có ít hơn một năng lượng MeV. Nếu không có năng lượng bổ sung được cung cấp bởi bất kỳ cơ chế nào khác, hạt nhân sẽ không phân hạch, mà sẽ chỉ hấp thụ neutron, như xảy ra khi U-238 hấp thụ chậm và thậm chí một số phần của neutron nhanh, để trở thành U-239. Năng lượng còn lại để bắt đầu phân hạch có thể được cung cấp bởi hai cơ chế khác: một trong số đó là động năng nhiều hơn của neutron tới, nó ngày càng có khả năng phân hạch hạt nhân nặng có thể phân hạch khi nó vượt quá năng lượng động học của một MeV trở lên (vì vậy- gọi là neutron nhanh ). Các neutron năng lượng cao như vậy có thể phân hạch trực tiếp U-238 (xem vũ khí nhiệt hạch để ứng dụng, trong đó các neutron nhanh được cung cấp bởi phản ứng tổng hợp hạt nhân ). Tuy nhiên, quá trình này không thể xảy ra ở một mức độ lớn trong lò phản ứng hạt nhân, vì một phần quá nhỏ của các neutron phân hạch được tạo ra bởi bất kỳ loại phân hạch nào cũng có đủ năng lượng để phân hạch hiệu quả U-238 (neutron phân hạch có năng lượng chế độ 2 MeV, nhưng trung bình chỉ 0,75 MeV, có nghĩa là một nửa trong số chúng có ít hơn năng lượng không đủ này).
Tuy nhiên, trong số các nguyên tố actini nặng, những đồng vị có số nơtron lẻ (chẳng hạn như U-235 với 143 neutron) liên kết thêm một neutron với năng lượng tăng thêm 1 đến 2 MeV so với đồng vị của cùng một nguyên tố số lượng neutron (như U-238 với 146 neutron). Năng lượng liên kết bổ sung này được tạo sẵn do kết quả của cơ chế tạo hiệu ứng ghép neutron . Năng lượng bổ sung này là kết quả của nguyên tắc loại trừ Pauli cho phép một neutron phụ chiếm cùng quỹ đạo hạt nhân như neutron cuối cùng trong hạt nhân, do đó hai người tạo thành một cặp. Do đó, trong các đồng vị như vậy, không cần động năng neutron, vì tất cả năng lượng cần thiết được cung cấp bằng cách hấp thụ bất kỳ neutron nào, hoặc là loại chậm hoặc nhanh (trước đây được sử dụng trong các lò phản ứng hạt nhân được kiểm duyệt, và sau đó được sử dụng nhanh lò phản ứng neutron, và trong vũ khí). Như đã lưu ý ở trên, nhóm các nguyên tố phân hạch có thể được phân hạch hiệu quả với các neutron phân hạch của chính chúng (do đó có khả năng gây ra phản ứng chuỗi hạt nhân với lượng tương đối nhỏ của vật liệu tinh khiết) được gọi là " phân hạch ". Ví dụ về đồng vị phân hạch là uranium-235 và plutonium-239.
Đầu ra
Các sự kiện phân hạch điển hình phát hành khoảng hai trăm triệu eV (200 MeV) năng lượng, tương đương khoảng 2 nghìn tỷ Kelvin, cho mỗi sự kiện phân hạch. Đồng vị chính xác được phân hạch, và nó có thể phân hạch hay phân hạch hay không, chỉ có tác động nhỏ đến lượng năng lượng được giải phóng. Điều này có thể dễ dàng nhìn thấy bằng cách kiểm tra đường cong của năng lượng liên kết (hình ảnh bên dưới) và lưu ý rằng năng lượng liên kết trung bình của các hạt nhân actinide bắt đầu bằng uranium là khoảng 7,6 MeV mỗi nucleon. Nhìn xa hơn về đường cong của năng lượng liên kết, trong đó cụm sản phẩm phân hạch, có thể dễ dàng quan sát thấy rằng năng lượng liên kết của các sản phẩm phân hạch có xu hướng tập trung vào khoảng 8,5 MeV mỗi nucleon. Do đó, trong bất kỳ sự kiện phân hạch nào của một đồng vị trong phạm vi khối lượng của Actinide, khoảng 0,9 MeV được giải phóng trên mỗi nucleon của nguyên tố ban đầu. Sự phân hạch của U235 bởi một neutron chậm mang lại năng lượng gần như tương đương với sự phân hạch của U238 bởi một neutron nhanh. Hồ sơ giải phóng năng lượng này đúng với thorium và các loại actinide nhỏ khác nhau. [5]
Ngược lại, hầu hết các phản ứng oxy hóa hóa học (như đốt than hoặc TNT ) giải phóng tối đa một vài eV mỗi sự kiện. Vì vậy, nhiên liệu hạt nhân chứa ít nhất mười năng lượng có thể sử dụng gấp triệu lần trên mỗi đơn vị khối lượng so với nhiên liệu hóa học. Năng lượng của phản ứng phân hạch hạt nhân được giải phóng dưới dạng động năng của các sản phẩm và mảnh phân hạch, và dưới dạng bức xạ điện từ dưới dạng tia gamma ; trong lò phản ứng hạt nhân, năng lượng được chuyển thành nhiệt khi các hạt và tia gamma va chạm với các nguyên tử tạo nên lò phản ứng và chất lỏng làm việc của nó, thường là nước hoặc đôi khi là nước nặng hoặc muối nóng chảy .
Khi một hạt nhân urani phân thành hai mảnh hạt nhân con, khoảng 0,1 phần trăm khối lượng của hạt nhân urani [6] xuất hiện dưới dạng năng lượng phân hạch ~ 200 MeV. Đối với urani-235 (tổng năng lượng phân hạch trung bình 202,79 MeV [7] ), thường là ~ 169 MeV xuất hiện dưới dạng động năng của hạt nhân con gái, chúng bay ra với tốc độ khoảng 3% tốc độ ánh sáng, do lực đẩy Coulomb. Ngoài ra, trung bình là 2,5 neutron được phát ra, với động năng trung bình trên mỗi neutron là ~ 2 MeV (tổng cộng 4,8 MeV). [8] Phản ứng phân hạch cũng giải phóng ~ 7 MeV trong các photon tia gamma tức thời. Hình sau có nghĩa là một vụ nổ phân hạch hạt nhân hoặc tai nạn nghiêm trọng phát ra khoảng 3,5% năng lượng của nó dưới dạng tia gamma, ít hơn 2,5% năng lượng của nó là neutron nhanh (tổng cộng cả hai loại bức xạ ~ 6%) và phần còn lại là động năng năng lượng của các mảnh phân hạch (điều này xuất hiện gần như ngay lập tức khi các mảnh vỡ tác động xung quanh vật chất, dưới dạng nhiệt đơn giản). [9] [10] Trong một quả bom nguyên tử, sức nóng này có thể phục vụ để tăng nhiệt độ của lõi bom lên 100 triệu kelvin và gây ra sự phát xạ thứ cấp của tia X mềm, chuyển đổi một phần năng lượng này thành bức xạ ion hóa. Tuy nhiên, trong các lò phản ứng hạt nhân, động năng phân hạch vẫn là nhiệt độ thấp, chính nó gây ra ít hoặc không bị ion hóa.
Cái gọi là bom neutron (vũ khí bức xạ tăng cường) đã được chế tạo để giải phóng một phần năng lượng lớn hơn của chúng dưới dạng bức xạ ion hóa (cụ thể là neutron), nhưng đây đều là những thiết bị nhiệt hạch dựa vào giai đoạn tổng hợp hạt nhân để tạo ra bức xạ phụ. Động lực học năng lượng của bom phân hạch tinh khiết luôn duy trì ở mức năng suất khoảng 6% trong tổng lượng bức xạ, là kết quả tức thời của quá trình phân hạch.
Tổng năng lượng phân hạch nhanh lên tới khoảng 181 MeV, hoặc ~ 89% tổng năng lượng cuối cùng được giải phóng bởi quá trình phân hạch theo thời gian. ~ 11% còn lại được phát hành dưới dạng phân rã beta có thời gian bán hủy khác nhau, nhưng bắt đầu như một quá trình trong các sản phẩm phân hạch ngay lập tức; và trong phát thải gamma bị trì hoãn liên quan đến các phân rã beta này. Ví dụ, trong uranium-235, năng lượng bị trì hoãn này được chia thành khoảng 6,5 MeV trong betas, 8,8 MeV trong antineutrinos (được phát hành cùng lúc với betas), và cuối cùng, thêm 6.3 MeV trong phát xạ gamma bị trì hoãn từ các sản phẩm phân rã beta bị kích thích (với tổng số trung bình là ~ 10 phát xạ tia gamma trên mỗi phân hạch, tất cả). Do đó, khoảng 6,5% tổng năng lượng phân hạch được giải phóng một thời gian sau sự kiện, vì bức xạ ion hóa không kịp thời hoặc bị trì hoãn, và năng lượng ion hóa bị trì hoãn được chia đều giữa năng lượng tia gamma và beta.
Trong một lò phản ứng đã hoạt động được một thời gian, các sản phẩm phân hạch phóng xạ sẽ được xây dựng ở nồng độ trạng thái ổn định sao cho tốc độ phân rã của chúng bằng với tốc độ hình thành của chúng, do đó tổng đóng góp một phần của chúng vào nhiệt của lò phản ứng (thông qua phân rã beta ) giống như những đóng góp phân đoạn phóng xạ này cho năng lượng phân hạch. Trong các điều kiện này, 6,5% phân hạch xuất hiện dưới dạng bức xạ ion hóa bị trì hoãn (gamma và beta bị trì hoãn từ các sản phẩm phân hạch phóng xạ) góp phần vào việc sản xuất nhiệt lò phản ứng ở trạng thái ổn định dưới nguồn điện. Đây là phần đầu ra còn lại khi lò phản ứng đột ngột ngừng hoạt động (trải qua scram ). Vì lý do này, sản lượng nhiệt phân rã của lò phản ứng bắt đầu ở mức 6,5% công suất phân hạch trạng thái ổn định của lò phản ứng đầy đủ, sau khi lò phản ứng ngừng hoạt động. Tuy nhiên, trong vài giờ, do sự phân rã của các đồng vị này, sản lượng điện phân rã ít hơn nhiều. Xem nhiệt phân rã để biết chi tiết.
Phần còn lại của năng lượng bị trì hoãn (8,8 MeV / 202,5 MeV = 4,3% tổng năng lượng phân hạch) được phát ra dưới dạng phản neutrino, như một vấn đề thực tế, không được coi là "bức xạ ion hóa". Lý do là năng lượng được giải phóng dưới dạng phản neutrino không bị bắt bởi vật liệu lò phản ứng dưới dạng nhiệt và thoát trực tiếp qua tất cả các vật liệu (bao gồm cả Trái đất) với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng và vào không gian liên hành tinh (lượng hấp thụ là rất nhỏ). Bức xạ neutrino thường không được phân loại là bức xạ ion hóa, vì nó gần như không được hấp thụ hoàn toàn và do đó không tạo ra hiệu ứng (mặc dù sự kiện neutrino rất hiếm là ion hóa). Hầu như tất cả phần còn lại của bức xạ (bức xạ beta và gamma bị trì hoãn 6,5%) cuối cùng được chuyển thành nhiệt trong lõi lò phản ứng hoặc các lớp che chắn.
Một số quá trình liên quan đến neutron là đáng chú ý để hấp thụ hoặc cuối cùng mang lại năng lượng - ví dụ như động năng neutron không sinh nhiệt ngay lập tức nếu neutron bị bắt bởi một nguyên tử uranium-238 để tạo ra plutonium-239, nhưng năng lượng này được phát ra nếu plutoni-239 là sau đó phân hạch. Mặt khác, cái gọi là neutron chậm phát ra dưới dạng các sản phẩm phân rã phóng xạ có chu kỳ bán rã lên đến vài phút, từ sản phẩm con phân hạch, rất quan trọng đối với việc điều khiển lò phản ứng, bởi vì chúng cho thời gian "phản ứng" đặc trưng cho phản ứng hạt nhân tổng thể tăng gấp đôi kích thước, nếu phản ứng được chạy trong vùng " trễ quan trọng ", cố tình dựa vào các neutron này để phản ứng chuỗi siêu tới hạn (một trong đó mỗi chu kỳ phân hạch mang lại nhiều neutron hơn mức hấp thụ). Nếu không có sự tồn tại của chúng, phản ứng dây chuyền hạt nhân sẽ nhanh chóng trở nên quan trọng và tăng kích thước nhanh hơn khả năng can thiệp của con người. Trong trường hợp này, các lò phản ứng nguyên tử thử nghiệm đầu tiên sẽ chạy đến một "phản ứng quan trọng kịp thời" nguy hiểm và lộn xộn trước khi các nhà khai thác của họ có thể tự tắt chúng (vì lý do này, nhà thiết kế Enrico Fermi bao gồm các thanh điều khiển kích hoạt chống bức xạ, bị đình chỉ bằng nam châm điện, có thể tự động rơi vào trung tâm Chicago Pile-1 ). Nếu những neutron bị trì hoãn này bị bắt mà không tạo ra sự phân hạch, chúng cũng tạo ra nhiệt. [11]
Hạt nhân sản phẩm và năng lượng liên kết
Trong phân hạch, có một ưu tiên là tạo ra các mảnh có số chẵn, được gọi là hiệu ứng chẵn - lẻ đối với phân bố điện tích của các mảnh. Tuy nhiên, không có hiệu ứng chẵn - lẻ được quan sát thấy trong phân phối số khối . Kết quả này được quy cho sự phá vỡ cặp nucleon .
Trong các sự kiện phân hạch hạt nhân, các hạt nhân có thể vỡ thành bất kỳ sự kết hợp nào của các hạt nhân nhẹ hơn, nhưng sự kiện phổ biến nhất không phải là sự phân hạch với các hạt nhân có khối lượng bằng nhau về khối lượng 120; sự kiện phổ biến nhất (tùy thuộc vào đồng vị và quá trình) là sự phân hạch hơi không đồng đều trong đó một hạt nhân con gái có khối lượng khoảng 90 đến 100 u và cái còn lại 130 đến 140 u [12] Phân hạch không đồng đều thuận lợi hơn về mặt năng lượng vì điều này cho phép một sản phẩm gần với mức tối thiểu năng lượng gần khối lượng 60 u (chỉ bằng một phần tư khối lượng phân hạch trung bình), trong khi các hạt nhân khác có khối lượng 135 u vẫn không nằm ngoài phạm vi của các hạt nhân bị ràng buộc chặt chẽ nhất (một tuyên bố khác về điều này, là đường cong năng lượng liên kết nguyên tử hơi dốc về bên trái của khối lượng 120 u hơn bên phải của nó).
Nguồn gốc của năng lượng hoạt động và đường cong của năng lượng liên kết
Sự phân hạch hạt nhân của các nguyên tố nặng tạo ra năng lượng có thể khai thác được vì năng lượng liên kết riêng ( năng lượng liên kết trên khối lượng) của hạt nhân có khối lượng trung gian với số nguyên tử và khối lượng nguyên tử gần bằng 62Ni và 56Fe lớn hơn năng lượng liên kết riêng của hạt nhân của hạt nhân rất nặng, do đó năng lượng được giải phóng khi các hạt nhân nặng bị phá vỡ. Tổng khối lượng nghỉ của các sản phẩm phân hạch (Mp) từ một phản ứng đơn lẻ nhỏ hơn khối lượng của hạt nhân nhiên liệu ban đầu (M). Khối lượng dư Δm = = M - Mp là khối lượng bất biến của năng lượng được giải phóng dưới dạng photon ( tia gamma ) và động năng của các mảnh phân hạch, theo công thức tương đương năng lượng khối lượng E = mc2.
Sự thay đổi năng lượng liên kết cụ thể với số nguyên tử là do sự tương tác của hai lực cơ bản tác động lên các hạt nhân thành phần ( proton và neutron ) tạo nên hạt nhân. Các hạt nhân bị ràng buộc bởi một lực hạt nhân hấp dẫn giữa các hạt nhân, vượt qua lực đẩy tĩnh điện giữa các proton. Tuy nhiên, lực hạt nhân chỉ hoạt động trong phạm vi tương đối ngắn (một vài đường kính nucleon ), vì nó đi theo tiềm năng Yukawa phân rã theo cấp số nhân, khiến nó không đáng kể ở khoảng cách xa hơn. Lực đẩy tĩnh điện có phạm vi dài hơn, vì nó phân rã theo quy tắc nghịch đảo bình phương, do đó hạt nhân lớn hơn khoảng 12 các hạt nhân có đường kính đạt đến điểm mà tổng lực đẩy tĩnh điện vượt qua lực hạt nhân và khiến chúng không ổn định một cách tự nhiên. Vì lý do tương tự, các hạt nhân lớn hơn (đường kính hơn tám hạt nhân) ít bị ràng buộc chặt chẽ hơn trên mỗi đơn vị khối lượng so với các hạt nhân nhỏ hơn; phá vỡ một hạt nhân lớn thành hai hoặc nhiều hạt nhân có kích thước trung gian sẽ giải phóng năng lượng.
Ngoài ra do phạm vi ngắn của lực liên kết mạnh, các hạt nhân ổn định lớn phải chứa nhiều neutron hơn so với các nguyên tố nhẹ nhất, ổn định nhất với tỷ lệ 1:1 proton và neutron. Hạt nhân có hơn 20 proton không thể ổn định trừ khi chúng có nhiều hơn số nơtron bằng nhau. Các neutron phụ ổn định các nguyên tố nặng vì chúng thêm vào liên kết lực mạnh (hoạt động giữa tất cả các nucleon) mà không thêm vào lực đẩy proton proton. Trung bình, các sản phẩm phân hạch có cùng tỷ lệ neutron và proton như hạt nhân mẹ của chúng, và do đó thường không ổn định để phân rã beta (làm thay đổi neutron thành proton) vì chúng có quá nhiều neutron so với các đồng vị ổn định có cùng khối lượng.
Xu hướng hạt nhân sản phẩm phân hạch này trải qua quá trình phân rã beta là nguyên nhân cơ bản của vấn đề chất thải phóng xạ ở mức độ cao từ các lò phản ứng hạt nhân. Các sản phẩm phân hạch có xu hướng phát xạ beta, phát ra các electron chuyển động nhanh để tiết kiệm điện tích, vì các neutron dư chuyển đổi thành các proton trong các nguyên tử sản phẩm phân hạch. Xem các sản phẩm phân hạch (theo yếu tố) để biết mô tả về các sản phẩm phân hạch được sắp xếp theo yếu tố.
Xem thêm
Tham khảo
- ^ M. G. Arora; M. Singh (1994). Nuclear Chemistry. Anmol Publications. tr. 202. ISBN 81-261-1763-X. Đã bỏ qua tham số không rõ
|last-author-amp=(gợi ý|name-list-style=) (trợ giúp) - ^ Gopal B. Saha (1 tháng 11 năm 2010). Fundamentals of Nuclear Pharmacy. Springer. tr. 11–. ISBN 978-1-4419-5860-0.
- ^ a b Петржак, Константин (1989). “Как было открыто спонтанное деление” [How spontaneous fission was discovered]. Trong Черникова, Вера (biên tập). Краткий Миг Торжества — О том, как делаются научные открытия [Brief Moment of Triumph — About making scientific discoveries] (bằng tiếng Russian). Наука. tr. 108–112. ISBN 5-02-007779-8.Quản lý CS1: ngôn ngữ không rõ (liên kết)
- ^ S. Vermote, et al. (2008) "Comparative study of the ternary particle emission in 243-Cm (nth,f) and 244-Cm(SF)" in Dynamical aspects of nuclear fission: proceedings of the 6th International Conference. J. Kliman, M. G. Itkis, S. Gmuca (eds.). World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd. Singapore. ISBN 9812837523.
- ^ Marion Brünglinghaus. “Nuclear fission”. European Nuclear Society. Bản gốc lưu trữ ngày 17 tháng 1 năm 2013. Truy cập ngày 4 tháng 1 năm 2013.
- ^ Hans A. Bethe (April 1950), "The Hydrogen Bomb", Bulletin of the Atomic Scientists, p. 99.
- ^ V, Kopeikin; L, Mikaelyan and; V, Sinev (2004). “Reactor as a Source of Antineutrinos: Thermal Fission Energy”. Physics of Atomic Nuclei. 67 (10): 1892. arXiv:hep-ph/0410100. Bibcode:2004PAN....67.1892K. doi:10.1134/1.1811196.
- ^ These fission neutrons have a wide energy spectrum, with range from 0 to 14 MeV, with mean of 2 MeV and mode (statistics) of 0.75 Mev. See Byrne, op. cite.
- ^ NUCLEAR EVENTS AND THEIR CONSEQUENCES by the Borden institute..."approximately 82% of the fission energy is released as kinetic energy of the two large fission fragments. These fragments, being massive and highly charged particles, interact readily with matter. They transfer their energy quickly to the surrounding weapon materials, which rapidly become heated"
- ^ “Nuclear Engineering Overview The various energies emitted per fission event pg 4. "167 MeV" is emitted by means of the repulsive electrostatic energy between the 2 daughter nuclei, which takes the form of the "kinetic energy" of the fission products, this kinetic energy results in both later blast and thermal effects. "5 MeV" is released in prompt or initial gamma radiation, "5 MeV" in prompt neutron radiation (99.36% of total), "7 MeV" in delayed neutron energy (0.64%) and "13 MeV" in beta decay and gamma decay(residual radiation)” (PDF). Technical University Vienna. Bản gốc (PDF) lưu trữ ngày 15 tháng 5 năm 2018.
- ^ “Nuclear Fission and Fusion, and Nuclear Interactions”. National Physical Laboratory. Bản gốc lưu trữ ngày 5 tháng 3 năm 2010. Truy cập ngày 4 tháng 1 năm 2013.
- ^ L. Bonneau; P. Quentin (2005). “Microscopic calculations of potential energy surfaces: Fission and fusion properties” (PDF). AIP Conference Proceedings. 798: 77–84. doi:10.1063/1.2137231. Bản gốc (PDF) lưu trữ ngày 29 tháng 9 năm 2006. Truy cập ngày 28 tháng 7 năm 2008.
Liên kết ngoài
Tư liệu liên quan tới Nuclear fission tại Wikimedia Commons- The Effects of Nuclear Weapons
- Annotated bibliography for nuclear fission from the Alsos Digital Library
- The Discovery of Nuclear Fission Historical account complete with audio and teacher's guides from the American Institute of Physics History Center
- atomicarchive.com Nuclear Fission Explained
- Nuclear Files.org What is Nuclear Fission?
- Nuclear Fission Animation
 |
Bài viết liên quan đến vật lý hạt nhân hoặc vật lý nguyên tử này vẫn còn sơ khai. Bạn có thể giúp Wikipedia mở rộng nội dung để bài được hoàn chỉnh hơn. |
| Bài viết chính |  | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Bức xạ và sức khỏe | ||||||||
| Tai nạn phóng xạ | ||||||||
| Bài viết liên quan | ||||||||
| Khoa học | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Nhiên liệu | |||||||||
| Năng lượng | |||||||||
| Lò phản ứng phân hạch bằng kiểm soát |
| ||||||||
| Y học |
| ||||||||
| Vũ khí |
| ||||||||
| Chất thải |
| ||||||||
