การแตกตัวของนิวเคลียสคือการแยกอะตอมหนักออกเป็นสองส่วนที่มีมวลเท่ากันโดยประมาณ พร้อมกับปล่อยพลังงานจำนวนมากออกมา
การค้นพบนิวเคลียร์ฟิชชันได้เริ่มต้นยุคใหม่ - "ยุคอะตอม" ศักยภาพของการใช้งานที่เป็นไปได้และอัตราส่วนของความเสี่ยงที่จะได้รับประโยชน์จากการใช้งาน ไม่เพียงสร้างความสำเร็จทางสังคมวิทยา การเมือง เศรษฐกิจ และวิทยาศาสตร์เท่านั้น แต่ยังสร้างปัญหาร้ายแรงอีกด้วย แม้จากมุมมองทางวิทยาศาสตร์ล้วนๆ กระบวนการแยกตัวของนิวเคลียร์ได้สร้างปริศนาและความซับซ้อนจำนวนมาก และคำอธิบายเชิงทฤษฎีที่สมบูรณ์เกี่ยวกับเรื่องนี้ก็คือเรื่องของอนาคต
การแบ่งปันคือผลกำไร
พลังงานยึดเหนี่ยว (ต่อนิวคลีออน) แตกต่างกันไปตามนิวเคลียสที่ต่างกัน ธาตุที่หนักกว่ามีพลังงานยึดเหนี่ยวต่ำกว่าที่อยู่ตรงกลางตารางธาตุ
นี่หมายความว่านิวเคลียสหนักที่มีเลขอะตอมมากกว่า 100 จะได้ประโยชน์จากการแบ่งออกเป็นสองส่วนย่อยๆ จึงปล่อยพลังงานออกมาแปลงเป็นพลังงานจลน์ของชิ้นส่วน กระบวนการนี้เรียกว่าการแยกตัวของนิวเคลียสของอะตอม
ตามกราฟความคงตัว ซึ่งแสดงการพึ่งพาของจำนวนโปรตอนกับจำนวนนิวตรอนสำหรับนิวไคลด์ที่เสถียร นิวเคลียสที่หนักกว่าชอบนิวตรอนมากกว่า (เมื่อเทียบกับจำนวนโปรตอน) มากกว่านิวเคลียสที่เบากว่า นี่แสดงให้เห็นว่าพร้อมกับกระบวนการแยกออก นิวตรอน "สำรอง" บางส่วนจะถูกปล่อยออกมา นอกจากนี้พวกเขายังใช้พลังงานบางส่วนที่ปล่อยออกมา การศึกษาการแยกตัวของอะตอมของยูเรเนียมพบว่ามีการปล่อยนิวตรอน 3-4 นิวตรอน: 238U → 145La + 90Br + 3n.
เลขอะตอม (และมวลอะตอม) ของเศษส่วนไม่เท่ากับครึ่งหนึ่งของมวลอะตอมของแม่ ความแตกต่างระหว่างมวลของอะตอมที่เกิดจากการแยกตัวมักจะประมาณ 50 อย่างไรก็ตาม สาเหตุของสิ่งนี้ยังไม่เป็นที่เข้าใจอย่างถ่องแท้
พลังผูกพันของ 238U, 145La และ 90Br คือ 1803, 1198 และ 763 MeV ตามลำดับ ซึ่งหมายความว่าเป็นผลมาจากปฏิกิริยานี้ พลังงานฟิชชันของนิวเคลียสยูเรเนียมจะถูกปลดปล่อยออกมา เท่ากับ 1198 + 763-1803=158 MeV
แตกตัวที่เกิดขึ้นเอง
กระบวนการของการแยกตัวที่เกิดขึ้นเองนั้นเป็นที่รู้จักในธรรมชาติ แต่หายากมาก อายุขัยเฉลี่ยของกระบวนการนี้คือประมาณ 1017 ปี และตัวอย่างเช่น อายุขัยเฉลี่ยของการสลายตัวของอัลฟาของนิวไคลด์กัมมันตภาพรังสีเดียวกันคือประมาณ 1011ปี
เหตุผลก็คือต้องแยกเมล็ดออกเป็นสองส่วนขั้นแรกให้เปลี่ยนรูป (ยืด) เป็นรูปทรงวงรี จากนั้นก่อนที่จะแยกออกเป็นสองส่วนขั้นสุดท้าย จะสร้าง "คอ" ตรงกลาง
อุปสรรคที่อาจเกิดขึ้น
ในสภาพบิดเบี้ยว แรงทั้งสองกระทำต่อแกนกลาง หนึ่งในนั้นคือพลังงานพื้นผิวที่เพิ่มขึ้น (แรงตึงผิวของหยดของเหลวอธิบายรูปร่างทรงกลมของมัน) และอีกอย่างคือการผลักคูลอมบ์ระหว่างชิ้นส่วนฟิชชัน พวกเขาช่วยกันสร้างอุปสรรคที่อาจเกิดขึ้น
ในกรณีของการสลายตัวของอัลฟา เพื่อให้เกิดการแตกตัวที่เกิดขึ้นเองของนิวเคลียสอะตอมของยูเรเนียม ชิ้นส่วนจะต้องเอาชนะสิ่งกีดขวางนี้โดยใช้อุโมงค์ควอนตัม บาเรียนั้นอยู่ที่ประมาณ 6 MeV เช่นเดียวกับในกรณีของการสลายตัวของอัลฟา แต่ความน่าจะเป็นของการขุดอุโมงค์ของอนุภาค α นั้นมากกว่าผลิตภัณฑ์ฟิชชันของอะตอมที่หนักกว่ามาก
บังคับแยก
มีโอกาสเกิดฟิชชันของนิวเคลียสยูเรเนียมมากกว่า ในกรณีนี้ นิวเคลียสของผู้ปกครองจะถูกฉายรังสีด้วยนิวตรอน หากผู้ปกครองดูดซับ พวกมันจะผูกมัด โดยปล่อยพลังงานยึดเหนี่ยวออกมาในรูปของพลังงานสั่นสะเทือนที่เกิน 6 MeV ที่จำเป็นในการเอาชนะสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้น
ในกรณีที่พลังงานของนิวตรอนเพิ่มเติมไม่เพียงพอที่จะเอาชนะสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้น นิวตรอนที่ตกกระทบจะต้องมีพลังงานจลน์ขั้นต่ำเพื่อที่จะสามารถกระตุ้นการแยกตัวของอะตอม ในกรณีของ 238พลังงานพันธบัตร U เพิ่มนิวตรอนหายไปประมาณ 1 MeV ซึ่งหมายความว่าฟิชชันของนิวเคลียสของยูเรเนียมถูกเหนี่ยวนำโดยนิวตรอนที่มีพลังงานจลน์มากกว่า 1 MeV เท่านั้น ในทางกลับกัน ไอโซโทป 235U มีหนึ่งนิวตรอนที่ไม่มีการจับคู่ เมื่อนิวเคลียสดูดซับอีกอันหนึ่ง มันจะก่อตัวเป็นคู่กับมัน และด้วยผลของการจับคู่นี้ พลังงานการผูกมัดเพิ่มเติมก็ปรากฏขึ้น นี่ก็เพียงพอแล้วที่จะปลดปล่อยปริมาณพลังงานที่จำเป็นสำหรับนิวเคลียสเพื่อเอาชนะสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้น และการแยกตัวของไอโซโทปจะเกิดขึ้นเมื่อมีการชนกับนิวตรอนใดๆ
เบต้าสลายตัว
ทั้งๆ ที่ปฏิกิริยาฟิชชันจะปล่อยนิวตรอนสามหรือสี่นิวตรอน แต่ชิ้นส่วนเหล่านั้นยังคงมีนิวตรอนมากกว่าไอโซบาร์ที่เสถียรของพวกมัน ซึ่งหมายความว่าชิ้นส่วนฟิชชันโดยทั่วไปจะไม่เสถียรต่อการสลายตัวของเบต้า
ตัวอย่างเช่น เมื่อยูเรเนียมฟิชชันเกิดขึ้น 238U ไอโซบาร์เสถียรที่มี A=145 คือนีโอไดเมียม 145Nd ซึ่งหมายความว่า ชิ้นส่วนแลนทานัม 145ลาสลายตัวในสามขั้นตอน แต่ละครั้งที่ปล่อยอิเล็กตรอนและแอนตินิวตริโน จนกระทั่งเกิดนิวไคลด์ที่เสถียร ไอโซบาร์ที่เสถียรที่มี A=90 คือเซอร์โคเนียม 90Zr ดังนั้นโบรมีนที่แยกส่วน 90Br จะสลายตัวในห้าขั้นตอนของห่วงโซ่ β-การสลายตัว
โซ่สลายตัวเหล่านี้จะปล่อยพลังงานเพิ่มเติม ซึ่งเกือบทั้งหมดถูกอิเลคตรอนและแอนตินิวตริโนพัดพาไป
ปฏิกิริยานิวเคลียร์: ฟิชชันของนิวเคลียสยูเรเนียม
การแผ่รังสีนิวตรอนโดยตรงจากนิวไคลด์ด้วยเหมือนกันจำนวนมากเพื่อให้แน่ใจว่าเสถียรภาพของเคอร์เนลไม่น่าเป็นไปได้ ประเด็นคือไม่มีการผลักคูลอมบ์ ดังนั้นพลังงานพื้นผิวจึงมีแนวโน้มที่จะรักษานิวตรอนให้ผูกพันกับพ่อแม่ อย่างไรก็ตาม บางครั้งสิ่งนี้ก็เกิดขึ้น ตัวอย่างเช่น เศษส่วนฟิชชัน 90Br ในระยะแรกของการสลายตัวของเบต้าจะผลิตคริปทอน-90 ซึ่งสามารถอยู่ในสถานะตื่นเต้นด้วยพลังงานเพียงพอที่จะเอาชนะพลังงานพื้นผิว ในกรณีนี้ การปล่อยนิวตรอนสามารถเกิดขึ้นได้โดยตรงกับการก่อตัวของคริปทอน-89 isobar นี้ยังคงไม่เสถียรในการสลายตัว β จนกว่าจะเปลี่ยนเป็น yttrium-89 ที่เสถียร ดังนั้น krypton-89 จะสลายตัวในสามขั้นตอน
แตกตัวของยูเรเนียม: ปฏิกิริยาลูกโซ่
นิวตรอนที่ปล่อยออกมาในปฏิกิริยาฟิชชันสามารถดูดซับโดยนิวเคลียสของพ่อแม่อีกตัวหนึ่ง ซึ่งจากนั้นตัวมันเองจะได้รับการเหนี่ยวนำให้เกิดการแยกตัวออกมา ในกรณีของยูเรเนียม-238 นิวตรอนสามตัวที่ผลิตออกมาจะมีพลังงานน้อยกว่า 1 MeV (พลังงานที่ปล่อยออกมาในระหว่างการแตกตัวของนิวเคลียสของยูเรเนียม - 158 MeV - ส่วนใหญ่จะถูกแปลงเป็นพลังงานจลน์ของเศษส่วนฟิชชัน) ดังนั้นจึงไม่สามารถทำให้เกิดการแตกตัวของนิวไคลด์ได้อีก อย่างไรก็ตาม ด้วยความเข้มข้นที่มีนัยสำคัญของไอโซโทปหายาก 235U นิวตรอนอิสระเหล่านี้สามารถจับได้โดยนิวเคลียส 235U ซึ่งสามารถทำให้เกิดฟิชชันได้ เนื่องจากในกรณีนี้ ไม่มีเกณฑ์พลังงานต่ำกว่าซึ่งจะไม่เกิดฟิชชัน
นี่คือหลักการของปฏิกิริยาลูกโซ่
ประเภทของปฏิกิริยานิวเคลียร์
ให้ k คือจำนวนนิวตรอนที่ผลิตในตัวอย่างวัสดุฟิชไซล์ที่ระยะ n ของสายโซ่นี้ หารด้วยจำนวนนิวตรอนที่ผลิตในขั้นตอนที่ n - 1 ตัวเลขนี้จะขึ้นอยู่กับจำนวนนิวตรอนที่ผลิตได้ที่ ระยะที่ n - 1 ถูกดูดกลืนโดยนิวเคลียสซึ่งอาจเกิดการแตกตัวแบบบังคับ
• ถ้า k < เป็น 1 ปฏิกิริยาลูกโซ่ก็จะมลายหายไปและกระบวนการจะหยุดอย่างรวดเร็ว นี่คือสิ่งที่เกิดขึ้นในแร่ยูเรเนียมธรรมชาติ ซึ่งมีความเข้มข้นของ 235U ต่ำมากจนโอกาสที่ไอโซโทปดูดซับนิวตรอนตัวใดตัวหนึ่งโดยไอโซโทปนี้แทบไม่มีเลย
• ถ้า k > 1 ปฏิกิริยาลูกโซ่จะเติบโตจนกว่าจะใช้วัสดุฟิชไซล์ทั้งหมด (ระเบิดปรมาณู) สิ่งนี้ทำได้โดยการเพิ่มแร่ธรรมชาติเพื่อให้ได้ยูเรเนียม-235 ที่มีความเข้มข้นสูงเพียงพอ สำหรับตัวอย่างทรงกลม ค่าของ k จะเพิ่มขึ้นตามความน่าจะเป็นในการดูดกลืนนิวตรอนที่เพิ่มขึ้น ซึ่งขึ้นอยู่กับรัศมีของทรงกลม ดังนั้นมวลของ U ต้องเกินมวลวิกฤตบางส่วนเพื่อให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชันของนิวเคลียสยูเรเนียม (ปฏิกิริยาลูกโซ่)
• ถ้า k=1 ปฏิกิริยาควบคุมจะเกิดขึ้น ใช้ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ กระบวนการนี้ควบคุมโดยการกระจายแคดเมียมหรือแท่งโบรอนระหว่างยูเรเนียม ซึ่งดูดซับนิวตรอนส่วนใหญ่ (องค์ประกอบเหล่านี้มีความสามารถในการจับนิวตรอน) การแยกตัวของนิวเคลียสของยูเรเนียมจะถูกควบคุมโดยอัตโนมัติโดยการเคลื่อนที่ของแท่งเพื่อให้ค่า k เท่ากับหนึ่ง
