Atommaghasadási reakciók.

Az atommagok átalakulását az elemi részecskékkel vagy egymással való kölcsönhatás során magreakcióknak nevezzük. A magreakciók a fő módszer az atommagok szerkezetének és tulajdonságaik tanulmányozására. A nukleáris reakciók betartják a megmaradási törvényeket: elektromos töltés, barion töltés, lepton töltés, energia, lendület Például a bariontöltés megmaradásának törvénye arra a tényre redukálódik, hogy a nukleonok összszáma ennek következtében nem változik nukleáris reakció.

A nukleáris reakciók energiát bocsáthatnak ki vagy nyelhetnek el. K, ami 10 6-szorosa a kémiai reakciók energiájának. Ha K> 0 energia szabadul fel (exoterm reakció). Például,

Nál nél K < 0 – поглощение энергии (endoterm reakció). Például,

A nukleáris reakciókat jellemzik hatékony reakciókeresztmetszet(ha a mag sugara nagyobb, mint a részecske de Broglie hullámhossza).

A nukleáris reakció hozama W a magreakció események számának aránya D N a részecskék számához N a céltárgy 1 cm 2 -ére esve, azaz.

,

ahol n az atommagok koncentrációja.

Sok kis energiájú nukleáris reakció megy át a képződés szakaszán összetett mag. Tehát ahhoz, hogy egy neutron 10 7 m/s sebességgel átrepüljön az atommagon, t=10 –22 s nagyságrendű idő szükséges. A reakcióidő 10 - 16 -10 - 12 s vagy (10 6 -10 10)t. Ez azt jelenti, hogy a magban lévő nukleonok között nagyszámú ütközés következik be, és egy köztes állapot jön létre - egy összetett mag. A t karakterisztikus időt az atommagban lezajló folyamatok elemzésére használjuk.

A neutron sebességének csökkenésével az atommaggal való kölcsönhatásának ideje és az atommag általi befogásának valószínűsége növekszik, mivel az effektív keresztmetszet fordítottan arányos a részecske sebességével (). Ha a neutron és a kiindulási atommag összenergiája abban a régióban van, ahol az összetett mag energiasávjai találhatók, akkor különösen nagy a valószínűsége az összetett atommag kvázi-stacionárius energiaszintjének kialakulásának. A nukleáris reakciók keresztmetszete ilyen részecskeenergiák mellett meredeken megnő, és rezonanciamaximumokat képez. Ilyen esetekben magreakciókat nevezünk rezonáns. A rezonancia keresztmetszete termikus (lassú) neutronok befogására ( kT» 0,025 eV) ~10 6-szor nagyobb lehet, mint az atommag geometriai keresztmetszete

Egy részecske befogása után a vegyület magja gerjesztett állapotban van ~10-14 s-ig, majd részecskét bocsát ki. Az összetett atommag radioaktív bomlásának több csatornája lehetséges. Lehetséges egy versengő folyamat is - sugárzási befogás, amikor a részecskemag általi befogása után gerjesztett állapotba kerül, majd egy g-kvantum kibocsátása után alapállapotba kerül. Ebben az esetben összetett mag is kialakulhat.

Az atommag pozitív töltésű részecskéi (protonok) közötti Coulomb-taszító erők nem járulnak hozzá, hanem megakadályozzák ezen részecskék kijutását az atommagból. Ez a befolyásnak köszönhető centrifugális gát. Ez azzal magyarázható, hogy a pozitív energia megfelel a taszító erőknek. Növeli a Coulomb potenciálgát magasságát és szélességét. A pozitív töltésű részecske kilépése az atommagból az al-sorompó folyamat. Minél kevésbé valószínű, annál magasabb és szélesebb a potenciális akadály. Ez különösen fontos a közepes és nehéz magok esetében.

Például az urán izotóp magja, miután befogott egy neutront, összetett atommagot képez, amely ezután két részre szakad. A Coulomb taszító erők hatására ezek a részek nagy, ~200 MeV kinetikus energiával repülnek szét, mivel ebben az esetben az elektromos erők meghaladják a magvonzási erőket. Ebben az esetben a töredékek radioaktívak és gerjesztett állapotban vannak. Alapállapotba kerülve azonnali és késleltetett neutronokat, valamint g-kvantumokat és egyéb részecskéket bocsátanak ki. A kibocsátott neutronokat másodlagosnak nevezzük.

A hasadás során felszabaduló összes atommag közül a neutronok ~99%-a azonnal felszabadul, és ~0,75%-a a késleltetett neutronok töredékére esik. Ennek ellenére a késleltetett neutronokat az atomenergia-technikában alkalmazzák, mivel ezek lehetővé teszik az előállítását szabályozott nukleáris reakciók. A legvalószínűbb az urán töredékekre való hasadása, amelyek közül az egyik körülbelül másfélszer nehezebb, mint a másik. Ezt a nukleáris neutronhéjak befolyása magyarázza, mivel energetikailag jövedelmezőbb az atommagnak úgy osztódni, hogy a neutronok száma az egyes fragmensekben megközelíti az egyik mágikus számot - 50 vagy 82. Az ilyen töredékek lehetnek , például magok és .

A potenciális energia maximális értéke közötti különbség E p(r) értékét pedig a stabil magokra vonatkozóan ún aktiválási energia. Ezért a maghasadáshoz az aktiválási energiánál nem kisebb energiát kell átadni. Ezt az energiát a neutronok hozzák, amelyek abszorpciója során gerjesztett vegyületmagok keletkeznek.

Tanulmányok kimutatták, hogy az izotóp magjai hasadást tapasztalnak bármely, beleértve a termikus neutron befogása után is. Az uránizotóp hasadásához 1 MeV-nál nagyobb energiájú gyors neutronokra van szükség. Az atommagok viselkedésének ez a különbsége a nukleonpárosodás hatásával függ össze.

A radioaktív atommagok spontán hasadása külső gerjesztés hiányában is lehetséges, amit 1940-ben figyeltek meg. Ebben az esetben a maghasadás az alagúthatás következtében a maghasadási termékek potenciálgáton keresztül történő kiszivárgásával történhet. Az összetett magon, bizonyos körülmények között lezajló magreakciók másik jellegzetessége az összetett mag bomlása során keletkező táguló részecskék szögeloszlásának szimmetriája a tömegközéppontban.

Közvetlen nukleáris reakciók is lehetségesek, pl.

amelyet neutronok előállítására használnak.

A nehéz atommagok hasadása során hasadómagonként átlagosan ~200 MeV energia szabadul fel, amit ún. nukleáris vagy atomenergia. Ez az energia ben termelődik atomreaktorok.

A természetes urán 99,3% izotópot és 0,7% izotópot tartalmaz, ami a nukleáris üzemanyag. Az urán és tórium izotópjai olyan nyersanyagok, amelyekből mesterségesen nyerik az izotópot és izotópot, amelyek egyben nukleáris fűtőanyag is, és a természetben nem fordulnak elő. A reakció során például plutónium izotóp keletkezik

A reakció során például uránizotóp keletkezik

ahol reakciót jelent

.
Az atommag izotópjai és a hasadás csak 1 MeV-nál nagyobb energiájú gyors neutronok által.

A hasadó atommagot jellemző fontos mennyiség a másodlagos neutronok átlagos száma, amelyre maghasadási láncreakció megvalósítása atommagok legalább 1-nek kell lennie. A neutronok az atommagok ilyen reakcióiban szaporodnak.

Láncreakció gyakorlatilag dúsított uránon hajtják végre atomreaktorok. A dúsított uránban az uránizotóp tartalmát izotópleválasztással 2-5%-ra állítják be. A hasadóanyag által elfoglalt térfogatot ún mag reaktor. A természetes urán esetében a termikus neutronszorzótényező k=1,32. A gyors neutronok sebességének a termikus sebességre való csökkentésére moderátorokat használnak (grafit, víz, berillium stb.).

Létezik különböző fajták atomreaktorok, céltól és teljesítménytől függően. Például kísérleti, új transzurán elemek előállítására szolgáló reaktorok stb.

Jelenleg az atomenergia-ipar használja tenyésztő reaktorok (tenyésztő reaktorok), amelyben nemcsak az energiatermelés megy végbe, hanem a hasadóanyag kiterjesztett szaporodása is. Dúsított uránt használnak, amelynek uránizotópja kellően magas (legfeljebb 30%).

Ilyen reaktorok tenyésztők energiatermelésre használják atomerőművekben. Az atomerőművek fő hátránya a radioaktív hulladékok felhalmozódása. A széntüzelésű erőművekhez képest azonban az atomerőművek környezetbarátabbak.

Az uránmagok neutronos bombázásával történő hasadását Otto Hahn és Fritz Strassmann német tudósok fedezték fel 1939-ben.

Otto Hahn (1879-1968)
Német fizikus, úttörő tudós a radiokémia területén. Felfedezték az urán hasadását, számos radioaktív elemet

Fritz Strassmann (1902-1980)
német fizikus és kémikus. A munkák a magkémiához, az atommaghasadáshoz kapcsolódnak. Kémiai bizonyítékot adott a hasadási folyamatra

Nézzük meg ennek a jelenségnek a mechanizmusát. A 162. ábra a hagyományosan egy urán atommagot ábrázolja. Egy plusz neutron elnyelése után az atommag gerjesztődik és deformálódik, és megnyúlt alakot kap (162. ábra, b).

Rizs. 162. Az uránmag hasadási folyamata a beleesett neutron hatására

Ön már tudja, hogy az atommagban kétféle erő hat: a protonok közötti elektrosztatikus taszító erők, amelyek hajlamosak az atommag törésére, és a magvonzó erők az összes nukleon között, amelyeknek köszönhetően az atommag nem bomlik le. De a nukleáris erők rövid hatótávolságúak, ezért egy megnyúlt magban már nem tudják megtartani az atommag egymástól nagyon távol eső részeit. Az elektrosztatikus taszító erők hatására az atommag két részre szakad (162. ábra, c), amelyek szétszóródnak különböző oldalak nagy sebességgel és 2-3 neutront bocsátanak ki egyszerre.

Kiderült, hogy az atommag belső energiájának egy része a repülő töredékek és részecskék kinetikus energiájává alakul. A töredékek a környezetben gyorsan lelassulnak, aminek következtében mozgási energiájuk a közeg belső energiájává (vagyis az alkotó részecskék kölcsönhatási és hőmozgási energiájává) alakul.

Ugyanakkor osztva egy nagy szám uránmagok, az uránt körülvevő közeg belső energiája és ennek megfelelően a hőmérséklete érezhetően megnő (azaz a közeg felmelegszik).

Így az uránmagok hasadási reakciója az energia felszabadulásával megy végbe környezet.

Az atommagokban rejlő energia kolosszális. Például az 1 g uránban lévő összes atommag teljes hasadása esetén ugyanannyi energia szabadulna fel, mint amennyi 2,5 tonna olaj elégetésekor felszabadul. Az atommagok belső energiájának elektromos energiává alakítására az atomerőművek az ún maghasadási láncreakciók.

Tekintsük az uránizotóp maghasadási láncreakciójának mechanizmusát. Az uránatom magja (163. ábra) egy neutron befogása következtében két részre oszlott, miközben három neutront bocsátott ki. E neutronok közül kettő további két atommag hasadási reakcióját váltotta ki, így négy neutron keletkezett. Ezek pedig négy atommag hasadását okozták, ami után kilenc neutron keletkezett stb.

Láncreakció lehetséges abból adódóan, hogy az egyes magok hasadása során 2-3 neutron képződik, amelyek más atommagok hasadásában is részt vehetnek.

A 163. ábra egy láncreakció diagramját mutatja, amelyben az urándarabban lévő szabad neutronok teljes száma idővel lavinaszerűen növekszik. Ennek megfelelően meredeken növekszik a maghasadások száma és az egységnyi idő alatt felszabaduló energia. Ezért egy ilyen reakció robbanásveszélyes (atombombában játszódik le).

Rizs. 163. Uránmagok hasadásának láncreakciója

Egy másik lehetőség is lehetséges, amelyben a szabad neutronok száma idővel csökken. Ebben az esetben a láncreakció leáll. Ezért egy ilyen reakciót sem lehet villamosenergia előállítására használni.

Békés célokra csak olyan láncreakció energiáját lehet felhasználni, amelyben a neutronok száma nem változik az idő múlásával.

Hogyan biztosítható, hogy a neutronok száma állandóan állandó maradjon? A probléma megoldásához tudni kell, hogy milyen tényezők befolyásolják a szabad neutronok összszámának növekedését és csökkenését egy olyan urándarabban, amelyben láncreakció játszódik le.

Az egyik ilyen tényező az urán tömege. Az a tény, hogy nem minden maghasadás során kibocsátott neutron okozza más atommagok hasadását (lásd 163. ábra). Ha egy darab urán tömege (és ennek megfelelően a mérete) túl kicsi, akkor sok neutron kirepül belőle, és nincs ideje, hogy útközben találkozzon az atommaggal, ennek hasadását okozza, és ezáltal egy új generációt generál. a reakció folytatásához szükséges neutronok. Ebben az esetben a láncreakció leáll. Ahhoz, hogy a reakció folytatódjon, az urán tömegét egy bizonyos értékre, ún kritikai.

Miért válik lehetségessé a láncreakció a tömeg növekedésével? Minél nagyobb egy darab tömege, annál nagyobbak a méretei, és annál hosszabb az út, amin a neutronok haladnak benne. Ebben az esetben megnő annak a valószínűsége, hogy a neutronok találkoznak az atommaggal. Ennek megfelelően nő a maghasadások és a kibocsátott neutronok száma.

Az urán kritikus tömegénél a maghasadás során keletkező neutronok száma lesz egyenlő a számmal elveszett neutronok (azaz magok által hasadás nélkül befogják és kirepültek a darabból).

Így összlétszámuk változatlan marad. Ebben az esetben a láncreakció hosszú ideig folytatódhat anélkül, hogy megtorpanna, és anélkül, hogy robbanékony jelleget szerezne.

• Az urán azon legkisebb tömegét, amelynél láncreakció lehetséges, kritikus tömegnek nevezzük.

Ha az urán tömege meghaladja a kritikus értéket, akkor a szabad neutronok számának meredek növekedése következtében a láncreakció robbanáshoz vezet, ha pedig kisebb, mint a kritikus, akkor a reakció nem megy végbe. szabad neutronok hiánya.

A neutronok veszteségét (amelyek anélkül repülnek ki az uránból, hogy reakcióba lépnek az atommagokkal) nemcsak az urán tömegének növelésével lehet csökkenteni, hanem speciális fényvisszaverő héj használatával is. Ehhez egy urándarabot helyeznek a neutronokat jól visszaverő anyagból (például berilliumból) készült héjba. Erről a héjról visszatükrözve a neutronok visszatérnek az uránhoz, és részt vehetnek az atommaghasadásban.

Számos egyéb tényező is függ a láncreakció lehetőségétől. Például, ha egy darab urán túl sok szennyeződést tartalmaz más kémiai elemekből, akkor ezek felszívódnak a legtöbb neutronok és a reakció leáll.

Az úgynevezett neutronmoderátor jelenléte az uránban szintén befolyásolja a reakció lefolyását. Az a tény, hogy az urán-235 atommagjai nagy valószínűséggel hasadnak lassú neutronok hatására. Az atommaghasadás gyors neutronokat termel. Ha a gyors neutronokat lelassítják, akkor a legtöbbjüket az urán-235 atommagok fogják be, majd ezek az atommagok hasadnak. Moderátorként olyan anyagokat használnak, mint a grafit, víz, nehézvíz (amely magában foglalja a deutériumot, a hidrogén 2-es tömegszámú izotópját) és néhány más anyagot. Ezek az anyagok csak lelassítják a neutronokat, szinte anélkül, hogy elnyelnék azokat.

Így a láncreakció lehetőségét az urán tömege, a benne lévő szennyeződések mennyisége, a héj és a moderátor jelenléte, valamint néhány egyéb tényező határozza meg.

Egy gömb alakú urán-235 darab kritikus tömege körülbelül 50 kg. Ráadásul a sugara csak 9 cm, mivel az urán sűrűsége nagyon nagy.

Moderátor és fényvisszaverő héj használatával, valamint a szennyeződések mennyiségének csökkentésével az urán kritikus tömege 0,8 kg-ra csökkenthető.

Kérdések

1. Miért kezdődhet meg a maghasadás csak akkor, ha az elnyelt neutron hatására deformálódik?
2. Mi keletkezik az atommaghasadás eredményeként?
3. Milyen energiában halad át az atommag belső energiájának egy része a hasadás során; az uránmag töredékeinek mozgási energiája lassulásuk során a környezetben?
4. Hogyan zajlik le az urán atommagok hasadási reakciója - energia kibocsátásával a környezetbe, vagy fordítva, az energia elnyelésével?
5. Ismertesse a láncreakció mechanizmusát a 163. ábra segítségével!
6. Mekkora az urán kritikus tömege?
7. Előfordulhat-e láncreakció, ha az urán tömege kisebb, mint a kritikus? kritikusabb? Miért?

Cél: az uránmagok hasadásával kapcsolatos ismeretek kialakítása a tanulókban.

• ellenőrizze a korábban tanulmányozott anyagot;
• vegyük figyelembe az uránmag hasadási mechanizmusát;
• mérlegelje a láncreakció bekövetkezésének feltételét;
• a láncreakció lefolyását befolyásoló tényezők feltárása;
• fejleszti a tanulók beszédét és gondolkodását;
• saját tevékenységeik egy adott időn belüli elemzésére, ellenőrzésére és beállítására való képesség fejlesztése.

Felszerelés: számítógép, vetítőrendszer, didaktikai anyag (teszt „A mag összetétele”), lemezek „Interaktív tanfolyam. Fizika 7-11kl ”(Fizikon) és“ 1C-ismétlő. Fizika” (1C).

Az óra előrehaladása

I. Szervezési momentum (2').

Üdvözlet, óraterv bejelentés.

II. Korábban tanult anyag ismétlése (8’).

A tanulók önálló munkája - teszt elvégzése ( melléklet 1. sz ). A tesztben egy helyes választ kell megadnia.

III. Új anyag tanulása (25’). Jegyzetek készítése az óra alatt(alkalmazás 2 ).

Nemrég megtudtuk, hogy egyes kémiai elemek a radioaktív bomlás során más kémiai elemekké alakulnak. És szerinted mi történik, ha valamilyen részecskét egy bizonyos kémiai elem atomjának magjába irányítanak, például egy neutront az urán atommagjába? (hallgatja meg a tanulók javaslatait)

Ellenőrizzük a feltételezéseit (munka a „Nuclear Fission” interaktív modellel"Interaktív tanfolyam. Fizika 7-11kl” ).

mi lett az eredménye?

- Amikor egy neutron eltalálja az uránmagot, azt látjuk, hogy ennek eredményeként 2 darab töredék és 2-3 neutron keletkezik.

Ugyanezt a hatást érték el 1939-ben Otto Hahn és Fritz Strassmann német tudósok. Megállapították, hogy a neutronok uránmagokkal való kölcsönhatása következtében radioaktív fragmentummagok jelennek meg, amelyek tömege és töltése megközelítőleg fele az uránmagok jellemzőinek. Az így létrejövő maghasadást kényszerhasadásnak nevezzük, ellentétben a spontán maghasadással, amely a természetes radioaktív átalakulások során jön létre.

A mag gerjesztett állapotba kerül és deformálódni kezd. Miért szakad 2 részre a mag? Milyen erők okozzák a törést?

Milyen erők hatnak a mag belsejében?

– Elektrosztatikus és nukleáris.

Oké, hogyan nyilvánulnak meg az elektrosztatikus erők?

– A töltött részecskék között elektrosztatikus erők hatnak. Az atommagban lévő töltött részecske a proton. Mivel a proton pozitív töltésű, ez azt jelenti, hogy taszító erők hatnak közöttük.

Igaz, de hogyan jelennek meg a nukleáris erők?

– A nukleáris erők az összes nukleon közötti vonzási erők.

Tehát milyen erők hatására az atommag eltörik?

- (Amennyiben nehézségek adódnak, irányító kérdéseket teszek fel és vezetem le a tanulókat a helyes következtetésre) Az elektrosztatikus taszító erők hatására az atommag két részre szakad, amelyek különböző irányokba szóródva 2-3 neutront bocsátanak ki.

A töredékek nagyon nagy sebességgel szóródnak szét. Kiderült, hogy az atommag belső energiájának egy része a repülő töredékek és részecskék kinetikus energiájává alakul. A töredékek a környezetbe kerülnek. Mit gondolsz, mi történik velük?

– A töredékek lelassulnak a környezetben.

Hogy ne sértsük meg az energiamegmaradás törvényét, meg kell mondanunk, mi lesz a mozgási energiával?

– A töredékek mozgási energiája a közeg belső energiájává alakul.

Észre lehet venni, hogy a közeg belső energiája megváltozott?

Igen, a környezet felmelegszik.

De befolyásolja-e a belső energia változását az, hogy más-más számú uránmag vesz részt a hasadásban?

- Természetesen nagyszámú uránmag egyidejű hasadásával megnő az uránt körülvevő környezet belső energiája.

A kémia tantárgyaiból tudja, hogy reakciók történhetnek az energia felvételével és felszabadulásával egyaránt. Mit mondhatunk az uránhasadási reakció lefolyásáról?

- Az uránmagok hasadási reakciója az energia környezetbe való kibocsátásával jár.

Az atommagokban rejlő energia kolosszális. Például az 1 g uránban lévő összes atommag teljes hasadása esetén ugyanannyi energia szabadulna fel, mint amennyi 2,5 tonna olaj elégetésekor felszabadul. Kitalálta, mi lesz a szilánkokkal Hogyan fognak viselkedni a neutronok?

– (Meghallgatom a hallgatók feltételezéseit, ellenőrzöm a feltételezéseket, a „Láncreakció” interaktív modellel dolgozom„1C átjátszó. Fizika" ).

Igaz, az útjukban lévő neutronok találkozhatnak uránmagokkal és hasadást okozhatnak. Az ilyen reakciót láncreakciónak nevezzük.

Tehát mi a feltétele a láncreakció bekövetkezésének?

- Láncreakció lehetséges abból adódóan, hogy az egyes magok hasadása során 2-3 neutron keletkezik, amelyek más atommagok hasadásában is részt vehetnek.

Látjuk, hogy az urándarabban lévő szabad neutronok száma idővel lavinaszerűen növekszik. Mihez vezethet ez?

- A robbanásig.

- Növekszik a maghasadás száma és ennek megfelelően az egységnyi idő alatt felszabaduló energia.

De végül is lehetséges egy másik lehetőség is, amelyben a szabad neutronok száma idővel csökken, az atommag nem találkozott útközben a neutronnal. Ebben az esetben mi történik a láncreakcióval?

- Meg fog állni.

Felhasználható-e az ilyen reakciók energiája békés célokra?

Hogyan folytatódjon a reakció?

A reakciónak úgy kell lezajlania, hogy a neutronok száma időben állandó maradjon.

Hogyan biztosítható, hogy a neutronok száma állandóan állandó maradjon?

- (gyermekjavaslatok)

A probléma megoldásához tudni kell, hogy milyen tényezők befolyásolják a szabad neutronok összszámának növekedését és csökkenését egy olyan urándarabban, amelyben láncreakció játszódik le.

Ezen tényezők egyike az urán tömege . A tény az, hogy nem minden maghasadás során kibocsátott neutron okoz más atommagok hasadását. Ha egy darab urán tömege (és ennek megfelelően a mérete) túl kicsi, akkor sok neutron kirepül belőle, és nincs ideje, hogy útközben találkozzon az atommaggal, ennek hasadását okozza, és ezáltal egy új generációt generál. a reakció folytatásához szükséges neutronok. Ebben az esetben a láncreakció leáll. Ahhoz, hogy a reakció folytatódjon, az urán tömegét egy bizonyos értékre, ún kritikai.

Miért válik lehetségessé a láncreakció a tömeg növekedésével?

– Minél nagyobb a darab tömege, annál nagyobb a valószínűsége annak, hogy a neutronok találkoznak az atommaggal. Ennek megfelelően nő a maghasadások és a kibocsátott neutronok száma.

Egy bizonyos, úgynevezett kritikus urántömegnél az atommagok hasadása során megjelenő neutronok száma megegyezik az elveszett neutronok számával (azaz a magok által hasadás nélkül befogott és a darabból kirepülő neutronok számával).

Így összlétszámuk változatlan marad. Ebben az esetben a láncreakció hosszú ideig folytatódhat anélkül, hogy megtorpanna, és anélkül, hogy robbanékony jelleget szerezne.

Az urán azon legkisebb tömegét, amelynél láncreakció lehetséges, kritikus tömegnek nevezzük.

Hogyan megy végbe a reakció, ha az urán tömege nagyobb, mint a kritikus tömeg?

– A szabad neutronok számának meredek növekedése következtében egy láncreakció robbanáshoz vezet.

Mi van, ha kevésbé kritikus?

A reakció a szabad neutronok hiánya miatt nem megy végbe.

A neutronok veszteségét (amelyek anélkül repülnek ki az uránból, hogy atommagokkal reagálnak) nemcsak az urán tömegének növelésével lehet csökkenteni, hanem speciális fényvisszaverő héj . Ehhez egy urándarabot helyeznek a neutronokat jól visszaverő anyagból (például berilliumból) készült héjba. Erről a héjról visszatükrözve a neutronok visszatérnek az uránhoz, és részt vehetnek az atommaghasadásban.

A tömegen és a fényvisszaverő héj meglétén kívül számos egyéb tényező is függ, amelyektől a láncreakció lehetősége függ. Például ha egy darab urán tartalmaz túl sok szennyeződéseket más kémiai elemek, a neutronok nagy részét elnyelik és a reakció leáll.

Egy másik tényező, amely befolyásolja a reakció lefolyását Elérhetőség az úgynevezett uránban neutron moderátor . Az a tény, hogy az urán-235 atommagjai nagy valószínűséggel hasadnak lassú neutronok hatására. Az atommaghasadás gyors neutronokat termel. Ha a gyors neutronokat lelassítják, akkor többségüket az urán-235 atommagok fogják be, majd ezek az atommagok hasadnak; moderátorként olyan anyagokat használnak, mint a grafit, kandalló, nehézvíz és néhány más. Ezek az anyagok csak lelassítják a neutronokat, szinte anélkül, hogy elnyelnék azokat.

Tehát melyek azok a fő tényezők, amelyek befolyásolhatják a láncreakció lefolyását?

- A láncreakció lehetőségét az urán tömege, a benne lévő szennyeződések mennyisége, a héj és a moderátor jelenléte határozza meg.

Egy gömb alakú urán-235 darab kritikus tömege körülbelül 50 kg. Ugyanakkor a sugara mindössze 9 cm, mivel az urán sűrűsége nagyon nagy.

Moderátor és fényvisszaverő héj használatával, valamint a szennyeződések mennyiségének csökkentésével az urán kritikus tömege 0,8 kg-ra csökkenthető.

1934-ben E. Fermi úgy döntött, hogy 238 U neutronokkal történő besugárzásával transzurán elemeket állít elő. E. Fermi ötlete az volt, hogy a 239 U izotóp β - bomlása következtében kémiai elem a Z = 93 rendszámmal. A 93. elem keletkezését azonban nem sikerült azonosítani. Ehelyett a radioaktív elemek O. Hahn és F. Strassmann által végzett radiokémiai elemzése során kimutatták, hogy az urán neutronos besugárzásának egyik terméke a bárium (Z = 56) - egy közepes atomtömegű kémiai elem. , míg a Fermi-elmélet feltételezése szerint transzurán elemeket kellett volna előállítani.
L. Meitner és O. Frisch azt javasolta, hogy egy neutron uránmag általi befogása következtében az összetett mag két részre bomlik.

92 U + n → 56 Ba + 36 Kr + xn.

Az uránhasadás folyamatát másodlagos neutronok (x > 1) megjelenése kíséri, amelyek más uránmagok hasadását idézhetik elő, ami megnyílik a hasadási láncreakció bekövetkezésének lehetősége - egy neutron elágazó láncot eredményezhet az uránmagok hasadásáról. Ebben az esetben az elválasztott magok számának exponenciálisan kell növekednie. N. Bohr és J. Wheeler kiszámította a 235 U izotóp által egy neutron befogása következtében létrejövő 236 U atommag felhasadásához szükséges kritikus energiát. Ez az érték 6,2 MeV, ami kisebb, mint a 235 U termikus neutron befogása során keletkező 236 U izotóp gerjesztési energiája. Ezért termikus neutronok befogása esetén 235 U hasadási láncreakció lehetséges. A közös izotóp 238 U, a kritikus energia 5,9 MeV, míg termikus neutron befogása esetén a kapott 239 U atommag gerjesztési energiája mindössze 5,2 MeV. Ezért a természetben leggyakrabban előforduló 238 U izotóp hasadási láncreakciója termikus neutronok hatására lehetetlen. Egy hasadási esemény során ≈ 200 MeV energia szabadul fel (összehasonlításképpen: kémiai reakciókégés során a reakció egyik lépésében ≈ 10 eV energia szabadul fel). A hasadási láncreakció feltételeinek megteremtésének lehetőségei lehetőséget nyitottak a láncreakció energiájának felhasználására atomreaktorokés atomfegyverek. Az első atomreaktort E. Fermi építette az USA-ban 1942-ben. A Szovjetunióban I. Kurcsatov vezetésével 1946-ban indították be az első atomreaktort. 1954-ben Obnyinszkban megkezdte működését a világ első atomerőműve. Jelenleg a világ 30 országában mintegy 440 atomreaktorban állítanak elő elektromos energiát.
1940-ben G. Flerov és K. Petrzhak felfedezte az urán spontán hasadását. A következő ábrák a kísérlet bonyolultságáról tanúskodnak. A 238 U izotóp részleges felezési ideje a spontán hasadáshoz képest 10 16 – 10 17 év, míg a 238 U izotóp bomlási ideje 4,5∙10 9 év. A 238 U izotóp fő bomlási csatornája az α-bomlás. A 238 U izotóp spontán hasadásának megfigyeléséhez egy hasadási eseményt kellett regisztrálni 10 7 –10 8 α-bomlási esemény hátterében.
A spontán hasadás valószínűségét elsősorban a hasadási gát permeabilitása határozza meg. A spontán hasadás valószínűsége az atommag töltésének növekedésével nő, hiszen. ez növeli a Z 2 /A osztási paramétert. Z izotópokban< 92-95 деление происходит преимущественно с образованием двух осколков деления с отношением масс тяжёлого и лёгкого осколков 3:2. В изотопах Z >100, a szimmetrikus hasadás dominál az azonos tömegű töredékek képződésével. Az atommag töltésének növekedésével a spontán hasadás aránya növekszik az α-bomláshoz képest.

Izotóp	Fél élet	a bomlás csatornái
235 U	7,04 10 8 év	α (100%), SF (7 10-9%)
238 U	4,47 10 9 év	α (100%), SF (5,5 10-5%)
240 Pu	6,56 10 3 év	α (100%), SF (5,7 10-6%)
242 Pu	3,75 10 5 év	α (100%), SF (5,5 10-4%)
246 cm	4,76 10 3 év	α (99,97%), SF (0,03%)
252 vö	2,64 éves	α (96,91%), SF (3,09%)
254 vö	60,5 éves	α (0,31%), SF (99,69%)
256 vö	12,3 éves	α (7,04 10 -8%), SF (100%)

Nukleáris maghasadás. Sztori

1934- Az uránt termikus neutronokkal besugárzó Fermi E. a reakciótermékek között radioaktív atommagokat talált, amelyek jellegét nem sikerült megállapítani.
L. Szilárd a nukleáris láncreakció ötletét vetette fel.

1939− O. Hahn és F. Strassmann báriumot fedezett fel a reakciótermékek között.
L. Meitner és O. Frisch először jelentette be, hogy neutronok hatására az urán két, tömegében összehasonlítható darabra hasadt.
N. Bohr és J. Wheeler a maghasadás kvantitatív értelmezését adta a hasadási paraméter bevezetésével.
Ya. Frenkel kidolgozta a lassú neutronok általi maghasadás cseppelméletét.
L. Szilard, E. Wigner, E. Fermi, J. Wheeler, F. Joliot-Curie, Ya. Zeldovich, Yu. Khariton egy maghasadási láncreakció lehetőségét támasztották alá az uránban.

1940− G. Flerov és K. Petrzhak felfedezték az U uránmagok spontán hasadásának jelenségét.

1942− E. Fermi szabályozott hasadási láncreakciót hajtott végre az első atomreaktorban.

1945− Első próba nukleáris fegyverek(Nevada, USA). Atombombákat dobtak le Hirosimára (augusztus 6-án) és Nagaszakira (augusztus 9-én).

1946− I.V. vezetésével. Beindították Európa első reaktorát, a Kurchatovot.

1954− Beindították a világ első atomerőművét (Obninszk, Szovjetunió).

Nukleáris maghasadás.1934 óta E. Fermi neutronokat kezdett használni atomok bombázására. Azóta sok százra nőtt a mesterséges transzformációval előállított stabil vagy radioaktív magok száma, és szinte mindenhol periodikus rendszer izotópokkal töltve.
Az összes ilyen magreakció során keletkező atomok a periódusos rendszerben ugyanazt a helyet foglalták el, mint a bombázott atom, vagy a szomszédos helyeket. Ezért Hahn és Strassmann 1938-as bizonyítéka arra a tényre, hogy amikor a neutronok bombázzák a periódusos rendszer utolsó elemét−uránium−olyan elemekre bomlik, amelyek a periódusos rendszer középső részeiben találhatók. Itt különböző típusú bomlás létezik. A keletkező atomok többnyire instabilak, és azonnal tovább bomlanak; egyesek felezési idejét másodpercekben mérik, így Hahnnak az analitikus Curie-módszert kellett alkalmaznia egy ilyen gyors folyamat meghosszabbításához. Fontos megjegyezni, hogy az urán előtti elemek, a protaktinium és a tórium is hasonló bomlást mutatnak a neutronok hatására, bár a bomlás megkezdéséhez nagyobb neutronenergia szükséges, mint az urán esetében. Ezzel együtt 1940-ben G. N. Flerov és K. A. Petrzhak az uránmag spontán hasadását fedezte fel az addig ismert leghosszabb felezési idővel: kb.· 10 15 év; ez a tény a folyamat során felszabaduló neutronok miatt válik világossá. Így meg lehetett érteni, hogy a „természetes” periodikus rendszer miért végződik a három megnevezett elemmel. A transzurán elemek ma már ismertek, de annyira instabilok, hogy gyorsan lebomlanak.
Az urán neutronok segítségével történő hasadása ma már lehetővé teszi az atomenergia felhasználását, amit már sokan "Jules Verne álmaként" képzeltek el.

M. Laue, A fizika története

1939 O. Hahn és F. Strassmann uránsókat termikus neutronokkal besugározva felfedezték a reakciótermékek között a báriumot (Z = 56)

Gunn Ottó (1879 – 1968)

Az atommaghasadás az atommag két (ritkán három) hasonló tömegű magra hasadása, amelyeket hasadási töredékeknek nevezünk. A hasadás során más részecskék is keletkeznek - neutronok, elektronok, α-részecskék. A hasadás következtében ~200 MeV energia szabadul fel. A hasadás lehet spontán vagy kényszerű más részecskék, leggyakrabban neutronok hatására.
jellemző tulajdonság A hasadás az, hogy a hasadási töredékek tömege általában jelentősen eltér egymástól, vagyis az aszimmetrikus hasadás dominál. Így a 236 U uránizotóp legvalószínűbb hasadása esetén a töredék tömegaránya 1,46. A nehéz töredék tömegszáma 139 (xenon), a könnyű töredék tömegszáma 95 (stroncium). Két azonnali neutron kibocsátását figyelembe véve a vizsgált hasadási reakció alakja

Kémiai Nobel-díj
1944 – O. Gan.
Az uránmagok neutronok általi hasadási reakciójának felfedezéséhez.

Hasadási szilánkok

A könnyű és nehéz töredékcsoportok átlagos tömegének függősége a hasadómag tömegétől.

Az atommaghasadás felfedezése. 1939

Svédországba jöttem, ahol Lise Meitner a magánytól szenvedett, és odaadó unokaöccsként úgy döntöttem, hogy meglátogatom karácsonykor. A Göteborg melletti Kungälv kis szállodában lakott. Elkaptam a reggelinél. Elgondolkodott a levélen, amit éppen Hantől kapott. Nagyon szkeptikus voltam annak a levélnek a tartalmával kapcsolatban, amely az urán neutronokkal történő besugárzásával bárium keletkezéséről számolt be. Ez a lehetőség azonban vonzotta. Sétáltunk a hóban, ő ment, én síeltem (azt mondta, hogy így is megteheti anélkül, hogy lemaradna rólam, és ezt be is bizonyította). A séta végére már megfogalmazhattunk néhány következtetést; az atommag nem hasadt szét, darabok nem repültek le róla, hanem inkább a Bohr-mag cseppmodelljére emlékeztető folyamat volt; mint egy csepp, a mag megnyúlhat és osztódhat. Ezt követően azt vizsgáltam, hogy a nukleonok elektromos töltése hogyan csökkenti a felületi feszültséget, amely, mint megállapítottam, Z = 100-nál nullára esik, az urán esetében pedig valószínűleg nagyon alacsonyra. Lise Meitner a tömeghiba következtében felszabaduló energia meghatározásával foglalkozott. Nagyon világos elképzelése volt a tömeghiba görbéről. Kiderült, hogy az elektrosztatikus taszítás miatt a hasadási elemek körülbelül 200 MeV energiát kapnak, és ez éppen megfelel a tömeghibához kapcsolódó energiának. Ezért a folyamat tisztán klasszikusan mehetne tovább anélkül, hogy magában foglalná a potenciálkorláton való áthaladás fogalmát, ami természetesen itt haszontalannak bizonyulna.
Két-három napot töltöttünk együtt karácsonykor. Aztán visszatértem Koppenhágába, és alig volt időm elmondani Bohrnak az ötletünket abban a pillanatban, amikor már az USA-ba tartó gőzhajóra szállt. Emlékszem, ahogy a homlokára csapott, amint beszélni kezdtem, és felkiáltott: „Ó, micsoda bolondok voltunk! Ezt hamarabb kellett volna észrevennünk." De ő nem vette észre, és senki sem vette észre.
Lise Meitner és én írtunk egy cikket. Ugyanakkor folyamatosan tartottuk a kapcsolatot a Koppenhága - Stockholm távolsági telefonon.

O. Frisch, Emlékiratok. UFN. 1968. T. 96., 4. szám, p. 697.

Spontán maghasadás

Az alábbiakban ismertetett kísérletekben a maghasadási folyamatok rögzítésére a Frisch által először javasolt módszert alkalmaztuk. Az urán-oxid réteggel bevont lemezekkel ellátott ionizációs kamra olyan lineáris erősítőhöz van csatlakoztatva, amelyet úgy hangoltak, hogy az uránból kibocsátott α-részecskéket a rendszer ne regisztrálja; a töredékekből származó impulzusok, amelyek sokkal nagyobbak, mint az α-részecskék impulzusai, feloldják a kimeneti tiratront, és mechanikus relének minősülnek.
Az ionizációs kamrát speciálisan többrétegű lapos kondenzátor formájában tervezték, amelynek teljes területe 15 1000 cm-es lemez. 2 .
A töredékek számlálására hangolt erősítővel végzett legelső kísérletekben relén és oszcilloszkópon lehetett spontán (neutronforrás hiányában) impulzusokat megfigyelni. Ezeknek az impulzusoknak a száma csekély volt (6/1 óra), ezért érthető, hogy ezt a jelenséget nem lehetett megfigyelni a szokásos típusú kamerákkal ...
Hajlamosak vagyunk azt gondolni az általunk megfigyelt hatás az urán spontán hasadásából származó töredékeknek tulajdonítható...

A spontán hasadást az egyik gerjesztetlen U izotópnak kell tulajdonítani, amelynek felezési ideje az eredményeink értékeléséből származik:

U 238 – 10 16 ~ 10 17 évek,
U 235 – 10 14 ~ 10 15 évek,
U 234 – 10 12 ~ 10 13 évek.

Izotóp bomlás 238 U

Spontán maghasadás

A spontán hasadó izotópok felezési ideje Z = 92-100

Az első urán-grafit rácsos kísérleti rendszer 1941-ben épült E. Fermi irányításával. Ez egy 2,5 m hosszú bordás grafitkocka volt, amely körülbelül 7 tonna urán-oxidot tartalmazott, vasedényekbe zárva, amelyeket egymástól egyenlő távolságra helyeztek el a kockában. Az urán-grafit rács aljára RaBe neutronforrást helyeztek el. A szorzótényező egy ilyen rendszerben ≈0,7 volt. Az urán-oxid 2-5% szennyeződést tartalmazott. További erőfeszítések a tisztább anyagok beszerzésére irányultak, és 1942 májusára sikerült olyan urán-oxidot kapni, amelyben a szennyeződés 1% alatti volt. A hasadási láncreakció biztosításához nagy mennyiségű grafit és urán felhasználására volt szükség - több tonna nagyságrendben. A szennyeződések kevesebb, mint néhány milliomodrész. A reaktor, amelyet 1942 végén állított össze Fermi a Chicagói Egyetemen, egy hiányos gömb alakú volt, amelyet felülről levágtak. 40 tonna uránt és 385 tonna grafitot tartalmazott. 1942. december 2-án este, miután a neutronelnyelő rudakat eltávolították, felfedezték, hogy a reaktor belsejében nukleáris láncreakció zajlik. A mért együttható 1,0006 volt. A reaktor kezdetben 0,5 W teljesítményszinten működött. December 12-re a teljesítményét 200 wattra növelték. Ezt követően a reaktort biztonságosabb helyre helyezték át, és teljesítményét több kW-ra növelték. Ebben az esetben a reaktor napi 0,002 g urán-235-öt fogyasztott.

Az első atomreaktor a Szovjetunióban

A Szovjetunió első F-1 kutatónukleáris reaktorának épülete 1946 júniusára készült el.
Az összes szükséges kísérlet elvégzése után kidolgozták a reaktor vezérlő és védelmi rendszerét, meghatározták a reaktor méreteit, elvégezték az összes szükséges kísérletet reaktormodellekkel, több modellen meghatározták a neutronsűrűséget, grafitblokkokat kaptak. (az ún. nukleáris tisztaság) és (neutronfizikai ellenőrzések után) uránblokkok, 1946 novemberében megkezdődött az F-1 reaktor építése.
A reaktor teljes sugara 3,8 m volt, 400 tonna grafitot és 45 tonna uránt igényelt. A reaktort rétegesen szerelték össze, és 1946. december 25-én 15 órakor az utolsó, 62. réteget is összeállították. Az úgynevezett vészrudak kivonása után a vezérlőrudat felemelték, elkezdték számolni a neutronsűrűséget, és 1946. december 25-én 18 órakor életre kelt és működni kezdett a Szovjetunió első reaktora. Izgalmas győzelem volt ez a tudósok – az atomreaktor megalkotói – és az egész szovjet nép számára. Másfél évvel később, 1948. június 10-én az ipari reaktor a vízzel a csatornákban elérte a kritikus állapotot, és hamarosan megkezdődött egy új típusú nukleáris fűtőanyag - a plutónium - ipari előállítása.

Az atommaghasadás egy nehéz atom két, megközelítőleg azonos tömegű töredékre való szétválása, amely nagy mennyiségű energia felszabadulásával jár.

Az atommaghasadás felfedezése új kor- Atomkor. Lehetséges felhasználásának lehetősége, valamint a használatából származó kockázat és haszon aránya nemcsak számos szociológiai, politikai, gazdasági és tudományos eredményeket hanem komoly problémák is. A maghasadás folyamata még tisztán tudományos szempontból is számos rejtvényt és bonyodalmat hozott létre, teljes elméleti magyarázata pedig a jövő kérdése.

A megosztás nyereséges

A kötési energiák (nukleononként) eltérőek a különböző magoknál. A nehezebbek alacsonyabb kötési energiával rendelkeznek, mint a periódusos rendszer közepén találhatók.

Ez azt jelenti, hogy a 100-nál nagyobb rendszámú nehéz magoknál előnyös, ha két kisebb töredékre osztják, ezáltal energiát szabadítanak fel, amely a fragmentumok mozgási energiájává alakul. Ezt a folyamatot hasításnak nevezik

A stabilitási görbe szerint, amely a protonok számának a neutronszámtól való függését mutatja stabil nuklidok esetén, a nehezebb atommagok több neutront részesítenek előnyben (a protonok számához képest), mint a könnyebbek. Ez arra utal, hogy a hasítási folyamattal együtt néhány "tartalék" neutron is kibocsátásra kerül. Emellett a felszabaduló energia egy részét is átveszik. Az urán atom maghasadásának vizsgálata kimutatta, hogy 3-4 neutron szabadul fel: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

A töredék rendszáma (és atomtömege) nem fele atomtömeg szülő. A hasadás eredményeként kialakuló atomtömegek közötti különbség általában körülbelül 50. Igaz, ennek oka még nem teljesen tisztázott.

A 238 U, 145 La és 90 Br kötési energiája 1803, 1198 és 763 MeV. Ez azt jelenti, hogy a reakció eredményeként az uránmag hasadási energiája szabadul fel, ami 1198 + 763-1803 = 158 MeV.

Spontán megosztottság

A spontán hasadás folyamatai ismertek a természetben, de nagyon ritkák. Ennek a folyamatnak az átlagos élettartama körülbelül 10 17 év, és például ugyanazon radionuklid alfa-bomlásának átlagos élettartama körülbelül 10 11 év.

Ennek az az oka, hogy a két részre szakadáshoz a magot először ellipszoid alakúra kell deformálni (nyújtani), majd mielőtt végleg két részre szakadna, középen egy „nyakat” kell kialakítani.

Potenciális akadály

A deformált állapotban két erő hat a magra. Az egyik a megnövekedett felületi energia (a folyadékcsepp felületi feszültsége magyarázza gömb alakját), a másik pedig a hasadási töredékek közötti Coulomb-taszítás. Együtt potenciális akadályt képeznek.

Az alfa-bomláshoz hasonlóan ahhoz, hogy az urán atommag spontán hasadása megtörténjen, a fragmentumoknak kvantum-alagúttal kell leküzdeniük ezt a gátat. A gát körülbelül 6 MeV, mint az alfa-bomlás esetében, de az alfa-részecske alagútba való áthaladásának valószínűsége sokkal nagyobb, mint egy sokkal nehezebb atomhasadási terméké.

kényszerű hasítás

Sokkal valószínűbb az uránmag indukált hasadása. Ebben az esetben az anyamagot neutronokkal sugározzák be. Ha a szülő elnyeli, megköti, felszabadítva a kötési energiát rezgési energia formájában, amely meghaladhatja a potenciálgát leküzdéséhez szükséges 6 MeV-ot.

Ahol a további neutron energiája nem elegendő a potenciálgát leküzdéséhez, a beeső neutronnak minimális kinetikus energiával kell rendelkeznie ahhoz, hogy képes legyen az atom felhasadására. 238 U esetén a további neutronok kötési energiája kb. 1 MeV rövid. Ez azt jelenti, hogy az uránmag hasadását csak egy 1 MeV-nál nagyobb kinetikus energiájú neutron indukálja. Másrészt a 235 U izotópnak van egy páratlan neutronja. Amikor a mag elnyel egy továbbit, akkor párat alkot vele, és ennek a párosításnak köszönhetően további kötési energia jelenik meg. Ez elegendő ahhoz, hogy felszabaduljon az atommagnak a potenciálgát leküzdéséhez szükséges energiamennyiség, és az izotóphasadás bármely neutronnal való ütközéskor megtörténik.

béta bomlás

Annak ellenére, hogy a hasadási reakció három vagy négy neutront bocsát ki, a töredékek még mindig több neutront tartalmaznak, mint a stabil izobárok. Ez azt jelenti, hogy a hasítási fragmentumok általában instabilak a béta-bomlás ellen.

Például, amikor az urán 238U hasadása megtörténik, a stabil izobár A = 145 neodímium 145Nd, ami azt jelenti, hogy a lantán 145La fragmentum három lépésben bomlik, minden alkalommal egy elektront és egy antineutrínót bocsát ki, amíg stabil nuklid nem képződik. Az A = 90 értékű stabil izobár a cirkónium 90 Zr, ezért a bróm 90 Br hasító fragmentum a β-bomlási lánc öt szakaszában bomlik le.

Ezek a β-bomlási láncok további energiát szabadítanak fel, amelyet szinte az összes elektronok és antineutrínók elvisznek.

Nukleáris reakciók: uránmagok hasadása

A neutronok közvetlen kibocsátása olyan nuklidból, amelyben túl sok van belőlük ahhoz, hogy biztosítsa az atommag stabilitását, nem valószínű. A lényeg itt az, hogy nincs Coulomb taszítás, és így a felületi energia hajlamos arra, hogy a neutront kötésben tartsa a szülővel. Ez azonban néha megtörténik. Például egy 90 Br méretű hasadási fragmentum az első béta-bomlási szakaszban kripton-90-et termel, amely gerjesztett állapotban lehet elegendő energiával ahhoz, hogy legyőzze a felületi energiát. Ebben az esetben a neutronok kibocsátása közvetlenül a kripton-89 képződésével történhet. továbbra is instabil a β-bomlás szempontjából, amíg stabil ittrium-89-té nem alakul át, így a kripton-89 három lépésben bomlik le.

Az urán atommagok hasadása: láncreakció

A hasadási reakció során kibocsátott neutronokat egy másik anyamag elnyelheti, amely aztán maga is indukált hasadáson megy keresztül. Az urán-238 esetében a keletkező három neutron 1 MeV-nál kisebb energiával jön ki (az uránmag hasadása során felszabaduló energia - 158 MeV - főként a hasadási fragmentumok mozgási energiájává alakul át ), így nem okozhatják ennek a nuklidnak a további hasadását. Ennek ellenére a ritka 235 U izotóp jelentős koncentrációjában ezeket a szabad neutronokat 235 U atommagok képesek befogni, ami valóban okozhat hasadást, mivel ebben az esetben nincs olyan energiaküszöb, amely alatt a hasadás ne indukálódik.

Ez a láncreakció elve.

A nukleáris reakciók típusai

Legyen k a hasadóanyag mintájában e lánc n szakaszában keletkezett neutronok száma, osztva az n - 1 szakaszban keletkezett neutronok számával. Ez a szám attól függ, hogy az n - 1 szakaszban előállított neutronok hány darabja nyelődik el a mag által, amely osztódásra kényszerülhet.

Ha k< 1, то цепная реакция просто выдохнется и процесс остановится очень быстро. Именно это и происходит в природной в которой концентрация 235 U настолько мала, что вероятность поглощения одного из нейтронов этим изотопом крайне ничтожна.

Ha k > 1, akkor a láncreakció addig fog növekedni, amíg az összes hasadóanyagot fel nem használjuk, ezt a természetes érc dúsításával érjük el, hogy kellően nagy koncentrációjú urán-235-öt kapjunk. Gömb alakú mintánál a k értéke a neutronelnyelési valószínűség növekedésével nő, ami a gömb sugarától függ. Ezért az U tömegnek meg kell haladnia egy bizonyos mennyiséget ahhoz, hogy az uránmagok hasadása (láncreakció) megtörténjen.

Ha k = 1, akkor szabályozott reakció megy végbe. Ezt használják az atomreaktorokban. A folyamatot kadmium- vagy bórrudakkal szabályozzák az urán között, amelyek elnyelik a neutronok nagy részét (ezek az elemek képesek a neutronok befogására). Az uránmag hasadását automatikusan szabályozzák a rudak olyan mozgatásával, hogy k értéke eggyel maradjon.