Spontan fission

Den spontane fission er en form for radioaktivt henfald, der er karakteristisk for isotoper, der er meget tunge, hvor en tung kerne opdeles uden at levere ekstern energi, mindst to kerner lettere.

Historisk

Den første proces af nuklear fission at blive opdaget blev induceret fissions- neutroner . Denne observation blev annonceret i december 1938 af Otto Hahn og Fritz Strassmann . En teoretisk beskrivelse af fission foreslås af Niels Bohr og John Wheeler 6 måneder senere, i juni 1939. I denne artikel forudsiger de to forfattere muligheden for spontan fission i uran 238 .

Fordi kosmiske stråler producerer et par neutroner, var det svært at skelne mellem begivenheder induceret af neutroner og spontane. Kosmiske stråler kan effektivt dæmpes af et tykt lag af sten eller vand. Den spontane fission er blevet identificeret som sådan i 1940 af fysikerne Sovjet Georgy Flyorov og Konstantin Antonowitsch Petrschak (in) under deres observationer af uran i stationen Dinamo i Moskva Metro , der ligger 60 m under jorden.

Klyngeradioaktivitet har vist sig at være spontan super-asymmetrisk fission.

Generel beskrivelse

De letteste naturlige nuklider, der hypotetisk udsættes for opløsning ved spontan fission, er niobium 93 og molybdæn 94 (henholdsvis punkt 41 og 42). Imidlertid er der aldrig foretaget nogen eksperimentelle observationer af spontan fission i disse kerner. I praksis betragtes de som stabile isotoper. Det er teoretisk muligt for alle atomkerner, hvis masse er større end 100 u eller uma, det vil sige omtrent tungere end ruthenium .
Imidlertid observeres i praksis kun spontan fission for atomkerner med en masse større end 230 u , dvs. fra thorium . De mest sandsynlige grundstoffer til at gennemgå spontan fission er de mere massive actinider , såsom mendelevium og lawrencium , såvel som trans-actinide elementer såsom rutherfordium .

Matematisk er kriteriet, der bestemmer, om spontan fission opstår straks:

{\ displaystyle {\ hbox {Z}} ^ {2} / {\ hbox {A}} \ geq 45}

hvor Z er atomnummeret og A er massetallet (f.eks. Z = 92, A = 235 for ). ${\ displaystyle _ {92} ^ {235} U}$

Bemærk dog, at dette skøn kommer fra en beregning, der kun er baseret på væskedråbemodellen , det vil sige, at det kun tager højde for kernens makroskopiske egenskaber. I betragtning af de mikroskopiske virkninger på barrieregennemtrængning forklarer de spontane fissioner observeret i kerner, som har en Z 2 / A -forhold mindre end 47. På den anden side har eksperimentelle målinger vist, at halveringstiden af en kerne i forhold til spontan fission er alle jo svagere jo større er Z 2 / A- forholdet .

Som navnet antyder, har spontan fission nøjagtig den samme radioaktive henfaldsproces som nuklear fission, bortset fra at den forekommer uden at atomkernen er ramt af en neutron eller anden partikel . Spontan fission afviser neutroner som enhver fission, så hvis kritisk masse nås, kan den forårsage en kædereaktion . Dette er grunden til, at radioisotoper, hvis nukleare henfald ved spontan fission ikke er ubetydelig, kan bruges som kilde til neutronemission . Den californium 252 (halveringstid på 2.645 år, spontan fission forhold på 3,09%) er ofte bruges til dette formål. De således producerede neutroner kan derefter bruges i applikationer såsom søgning efter sprængstoffer under bagagesøgning i lufthavne, måling af jordfugtighed under vejbygning eller på byggepladser, fugtmåling af materialer lagret i siloer.

Så længe fissionsreaktionerne kun fører til et ubetydeligt fald i antallet af spontant fissile kerner, er dette en Poisson-proces : i meget korte tidsintervaller er sandsynligheden for spontan fission proportional med varigheden af intervallet.

Teoretisk beskrivelse

Spontan fission beskrives ved hjælp af tunneleffekten over fissionsbarrieren. Indtrængningen af barrieren er derfor den vigtigste faktor til bestemmelse af sandsynligheden for spontan fission. Halveringstiden med hensyn til spontan fission udtrykkes således af forholdet:

{\ displaystyle t_ {1/2} = {\ frac {\ ln {2}} {fP}}}

hvor f betegner svingningsfrekvensen i fissionstilstand for jordtilstanden i den første brønd, og P betegner barrieres gennemtrængelighed for jordtilstanden. Barrieres gennemtrængelighed afhænger meget af barrieres form.

Kerner, der falder ved spontan fission

Isotop	$Z 2 / PÅ$	Halveringstid i forhold til spontan fission
230 Th	35.2	≥ 1,5 × 10 17 a
231 Pa	35.8	≥ 1,1 × 10 16 a
232 Th	34.9	≥ 1 × 10 21 a
232 U	36,5	(8 ± 6) × 10 13 a
233 U	36.3	> 2,7 × 10 17 a
234 U	36.2	(1,5 ± 0,3) × 10 16 a
235 U	36,0	(9,8 ± 2,8) × 10 18 a
236 U	35.9	(2,48 ± 0,11) × 10 16 a
236 Pu	37.4	(23,4 ± 1,2) × 109 a
237 Np	36.9	≥ 1 × 10 18 a
238 U	35.6	(8,2 ± 0,1) × 10 15 a
238 Pu	37.1	(4,70 ± 0,08) × 10 10 a
239 Pu	37,0	(7,8 ± 1,8) × 10 15 a
240 Pu	36,8	(1,16 ± 0,02) × 10 11 a
240 Cm	38.4	1,9 × 10 6 a
241 Pu	36,7	<6 × 10 16 a
241 Am	37.4	(1,0 ± 0,4) × 10 14 a
242 Pu	36,5	(6,78 ± 0,04) × 10 10 a
242 Cm	38.1	(7,0 ± 0,2) × 106 a
243 Am	37.1	(2,0 ± 0,5) × 10 14 a
243 Cm	37.9	(5,5 ± 0,9) × 10 11 a
244 Pu	36.2	(6,6 ± 0,2) × 10 10 a
244 Cm	37.8	(1,32 ± 0,02) × 107 a
245 Cm	37.6	(1,4 ± 0,2) × 10 12 a
246 Cm	37,5	(1,81 ± 0,01) × 107 a
246 Jf	39,0	(2,0 ± 0,2) × 10 3 a
246 Fm	40,7	13,8 s
248 Cm	37.2	(4,15 ± 0,03) × 106 a
248 Jf	38,7	3,16 × 106 a
248 Fm	40.3	10 a.m.
249 Bk	37.8	1,91 × 10 9 a
249 Jf	38.6	6,74 × 10 10 a
250 Cm	37.8	(1,13 ± 0,05) × 104 a
250 Jf	38.4	1,66 × 104 4 a
250 Fm	40	10 a
250 Nej	41,6	250 ± 50 µs
252 Jf	38.1	85,5 ± 0,3 a
252 Fm	39,7	115 a
252 Nej	41.3	8,6 s
253 Es	38,7	6,4 × 105 5 a
253 Rf	42,8	~ 3,6 s
254 Jf	37.8	60,7 a
254 Es	38.6	> 2,5 × 107 a
254 Fm	39.4	228 d
254 Rf	42,6	500 ± 200 µs
255 Es	38.4	2,66 × 10 3 a
255 Fm	39.2	9,55 × 10 3 a
255 Rf	40,8	2,7 s
255 Db	43.2	1,6 s
256 Jf	37,5	12,3 ± 1,2 min
256 Fm	39.1	2,86 timer
256 Nej	40,6	1,83 min
256 Rf	42,25	7,6 ms
256 Db	43.1	2,6 s
257 Fm	38.9	131,1 a
257 Rf	42.1	27,1 s
257 Db	42.9	11,3 s
258 Fm	38.8	380 ± 60 µs
258 Nej	40.3	1,2 ms
258 Rf	41,9	13 ± 3 ms
259 Fm	39.6	1,5 ± 0,3 ms
259 mia	39.4	1,6 ± 0,4 timer
259 Rf	41,8	36,6 s
259 Sg	43.4	10 ms
260 Rf	41,6	21 ± 1 ms
260 Db	42.4	15,8 s
260 Sg	43.2	7,2 ms
261 Db	42.2	7,2 s
261 Bh	43.9	10 ms
262 Rf	41.3	47 ± 5 ms
262 Db	42.1	46,6 s
263 Sg	42,7	1,1 ± 0,3 s

I 1991 identificerede Cyriel Wagemans 72 isotoper, der kan falde ved spontan fission. De præsenteres i den modsatte tabel (uden at tælle fissionsisomererne ).

Spontan fissionsrate

Spontan fissionsrate:

Nuklide	Halveringstid ( a )	Sandsynlighed for fission ved henfald (%)	Antal fissioner pr (g • s)	Neutroner ved spontan fission	Neutroner efter (g • s)	Termisk effekt af henfald (W / g)	Fissioners termiske effekt (W / g)
232 Th	14.05 × 10 9	1.003 57 × 10 −6	4,07 × 10 −5	2.0	8.14 × 10 −5	2,65 × 10 −9	1,27 × 10 −15
235 U	7,038 × 10 8	2,0 × 10 −7	1,60 × 10 −4	1,86	2,97 × 10 −4	5,99 × 10 −8	5,00 × 10 −15
236 U	23,42 × 10 6	1,171 × 10 −7	2,80 × 10 −3	2.0	5,60 × 10 −3	1,75 × 10 −6	8,75 × 10 −14
238 U	4.468 8 × 10 9	5,4 × 10 −5	6,71 × 10 −3	2,07	1,39 × 10 −2	8,51 × 10 −9	2,10 × 10 −13
238 Pu	87,75	1.791 × 10 −7	1,134 × 10 3	2.0	2,27 × 10 3	0,567	3,54 × 10 −8
239 Pu	2,411 × 10 4	4,4 × 10 −10	1,01 × 10 −2	2.16	2,18 × 10 −2	1,93 × 10 −3	3,15 × 10 −13
240 Pu	6,56 × 10 3	5,0 × 10 −6	4,2 × 10 2	2.21	9,28 × 10 2	6,96 × 10 −3	1,31 × 10 −8
244 Pu	80,8 × 10 6	0,12	8,05 × 10 2	2.0	1,61 × 10 3	5,01 × 10 −7	2,51 × 10 −8
250 Cm	9.000	80,0	4,7 × 10 9	3.3	1,55 × 10 10	4,87 × 10 -3	0,147
252 Jf	2.645	3.09	6,13 × 10 11	3,73	2,3 × 10 12	19.76	19.15

I praksis indeholder plutonium 239 altid en vis mængde plutonium 240 på grund af absorptionen af neutroner i reaktorer; den høje hastighed af spontan fission af plutonium 240 gør det imidlertid til en uønsket kontaminant i militært plutonium. Sidstnævnte opnås derfor i specielle reaktorer, der gør det muligt at holde en mængde plutonium 240 på mindre end 7%.

Den termiske kraft som følge af spontane fissioner er ubetydelig sammenlignet med den, der skyldes alfa-henfald bortset fra de tungeste kerner.

Med hensyn til de såkaldte indsættelse af A-bomber skal den kritiske masse opnås på mindre end en millisekund, i hvilket tidsrum forekomsten af fission skal være lav. Det eneste fissile materiale, der kan bruges i disse bomber, er derfor uran 235.

Ansøgninger

Rekylen af kernerne produceret ved spontan fission forårsager defekter i krystallen, som var vært for det sprækkede radionuklid. Disse krystalfejl, kaldet spor af fission , vedvarer i fravær af betydelig opvarmning.

Ved hjælp af en syre kan sporene af fission, der er til stede på overfladen af en prøvesektion, udvikles (som udviklingen af fotografiske film ) og således blive synlige under et mikroskop. Tællingen af uran 238 fissionsspor er grundlaget for en absolut dateringsmetode kaldet fission sporingsdatering . Tællingen af plutonium 244 , en uddød radioaktivitet , muliggør en relativ datering af meget gamle prøver (flere milliarder år).

Noter og referencer

(fr) Denne artikel er helt eller delvist taget fra Wikipedia-artiklen på engelsk med titlen " Spontan fission " ( se forfatterlisten ) .

Bemærkninger

Halveringstiden vedrørende spontan fission opnås ved beregningen, hvor det angiver den radioaktive konstant, der er specifik for den spontane fission af det betragtede nuklid. Når en nuklid kan nedbrydes ifølge flere former for radioaktivitet, dens sande halveringstid er hvor betegner summen af den radioaktive konstanter specifikke for hver tilstand. ${\ displaystyle \, T _ {\ mathrm {fs}} = {\ frac {\ ln 2} {\ lambda _ {\ mathrm {fs}}}}}$ ${\ displaystyle \ lambda _ {\ mathrm {fs}}}$ ${\ displaystyle \, T = {\ frac {\ ln 2} {\ lambda}}}$ $\ lambda$
Fissionernes termiske effekt tages til 195 MeV for alle isotoper.

Referencer

(i) Niels Bohr og John Archibald Wheeler , " mekanismen for nuklear fission " , Physical Review , vol. 56,1 st september 1939, s. 426 ( DOI 10.1103 / PhysRev.56.426 ).
(en) Konstantin Petrzhak og Georgi Fliorov , " Spontan fission af uranium " , J. Phys. USSR , vol. 3,1940, s. 275.
(i) G. Scharff-Goldhaber og Klaiber GS, " Spontan Emission af Neutroner fra uran " , Physical Review , vol. 70, ingen knogler 3-4,1 st august 1946, s. 229–229 ( DOI 10.1103 / PhysRev.70.229.2 , Bibcode 1946PhRv ... 70..229S ).
(i) Igor Sutyagin, " Rollen af atomvåben og dens potentielle fremtidige mission " på nato.int (adgang 15 oktober 2016 ) .
(ru) Konstantin Petrschak, " Популярная библиотека химических элементов " , på nt.ru ,27. september 2003(adgang til 15. oktober 2016 ) .
(en) Dorin N. Poenaru et al. , “ Spontan emission af tunge klynger ” , Journal of Physics G: Nuclear Physics , vol. 10,1984, s. L183-L189 ( DOI 10.1088 / 0305-4616 / 10/8/004 , Bibcode 1984JPhG ... 10L.183P ).
(in) Kenneth S. Krane , Introduktion Nuclear Physics , John Wiley & Sons ,1988, 864 s. ( ISBN 978-0-471-80553-3 ) , s. 483-484.
Wagemans 1991 , s. 36.
Wagemans 1991 , s. 37-38.
J. Kenneth Shultis og Richard E. Faw, Fundamentals of Nuclear Science and Engineering , 2002, Marcel Dekker, s. 137 , tabel 6.2 ( ISBN 0-8247-0834-2 ) .
(in) RL Fleischer , PB Price og RM Walker , Nuclear Tracks in Solids: Principles and Applications , University of California Press, Berkeley,1975, 605 s. ( ISBN 978-0-520-02665-0 , læs online ).

Se også

Bibliografi

(en) Cyriel Wagemans, "Spontan fission" , i Cyriel Wagemans, Nuclear Fission Process , CRC Press ,1991( ISBN 9780849354342 , læs online ).
(en) Robert Vandenbosch og John Robert Huizenga, "Spontan fission" , i Robert Vandenbosch og John Robert Huizenga, Nuklear Fission , Academic Press ,1973( ISBN 9780127108506 , læs online ).