Tuuma lõhustumine on raske aatomi lõhenemine kaheks ligikaudu võrdse massiga fragmendiks, millega kaasneb suure hulga energia vabanemine.
Tuuma lõhustumise avastamisega algas uus ajastu – "aatomiajastu". Selle võimaliku kasutamise potentsiaal ning kasutamisest saadava kasu ja riski suhe ei ole mitte ainult toonud kaasa palju sotsioloogilisi, poliitilisi, majanduslikke ja teaduslikke saavutusi, vaid ka tõsiseid probleeme. Isegi puht alt teaduslikust vaatenurgast on tuuma lõhustumise protsess tekitanud palju mõistatusi ja komplikatsioone ning selle täielik teoreetiline seletus on tuleviku küsimus.
Jagamine on tulus
Sideenergia (nukleoni kohta) on erinevate tuumade puhul erinev. Raskematel on madalam sidumisenergia kui neil, mis asuvad perioodilisuse tabeli keskel.
See tähendab, et rasketel tuumadel, mille aatomnumber on suurem kui 100, on kasulik jagunemine kaheks väiksemaks fragmendiks, vabastades seeläbi energiat, midamuudetakse fragmentide kineetiliseks energiaks. Seda protsessi nimetatakse aatomituuma lõhenemiseks.
Stabiilsuskõvera järgi, mis näitab stabiilsete nukliidide puhul prootonite arvu sõltuvust neutronite arvust, eelistavad raskemad tuumad rohkem neutroneid (võrreldes prootonite arvuga) kui kergemad. See viitab sellele, et koos lõhenemisprotsessiga eralduvad mõned "varu" neutronid. Lisaks võtavad nad endale ka osa vabanenud energiast. Uraani aatomi tuuma lõhustumise uuring näitas, et eraldub 3-4 neutronit: 238U → 145La + 90Br + 3n.
Fragmendi aatomarv (ja aatommass) ei ole võrdne poolega lähteaine aatommassist. Erinevus lõhenemise tulemusena tekkinud aatomite masside vahel on tavaliselt umbes 50. Selle põhjust pole aga veel täielikult mõistetud.
Sideenergiad 238U, 145La ja 90Br on 1803, vastav alt 1198 ja 763 MeV. See tähendab, et selle reaktsiooni tulemusena vabaneb uraani tuuma lõhustumisenergia, mis võrdub 1198 + 763-1803=158 MeV.
Spontaanne lõhustumine
Spontaanse lõhenemise protsessid on looduses teada, kuid need on väga haruldased. Selle protsessi keskmine eluiga on umbes 1017 aastat ja näiteks sama radionukliidi alfalagunemise keskmine eluiga on umbes 1011aastat.
Selle põhjuseks on see, et kaheks osaks jagunemiseks peab tuum seda tegemaesm alt deformeeruvad (venivad) ellipsoidaalseks kujuks ja seejärel enne lõplikku kaheks killuks jagunemist moodustavad keskele “kaela”.
Võimalik barjäär
Deformeerunud olekus mõjuvad südamikule kaks jõudu. Üks neist on suurenenud pinnaenergia (vedeliku tilga pindpinevus seletab selle sfäärilist kuju) ja teine Coulombi tõrjumine lõhustumisfragmentide vahel. Koos tekitavad nad potentsiaalse barjääri.
Nagu alfalagunemise puhul, peavad fragmendid ületama selle barjääri, et saaks toimuda uraani aatomituuma spontaanne lõhustumine, kasutades kvanttunneldamist. Barjäär on umbes 6 MeV, nagu alfalagunemise puhul, kuid α-osakese tunnelistumise tõenäosus on palju suurem kui palju raskema aatomi lõhustumisprodukti puhul.
Sundjagamine
Palju tõenäolisem on uraani tuuma indutseeritud lõhustumine. Sel juhul kiiritatakse lähtetuuma neutronitega. Kui vanem neelab selle, siis nad seovad, vabastades sidumisenergia vibratsioonienergia kujul, mis võib ületada potentsiaalse barjääri ületamiseks vajalikku 6 MeV.
Kui täiendava neutroni energiast ei piisa potentsiaalse barjääri ületamiseks, peab langeval neutronil olema minimaalne kineetiline energia, et ta saaks indutseerida aatomi lõhenemist. 238U korral lisandub sideme energianeutronitel on puudu umbes 1 MeV. See tähendab, et uraani tuuma lõhustumise indutseerib ainult neutron, mille kineetiline energia on suurem kui 1 MeV. Teisest küljest on isotoobil 235U üks paaritu neutron. Kui tuum neelab täiendava, moodustab ta sellega paari ja selle paaristumise tulemusena tekib täiendav sidumisenergia. Sellest piisab energiakoguse vabastamiseks, mis on vajalik tuuma jaoks potentsiaalse barjääri ületamiseks ja isotoobi lõhustumine toimub kokkupõrkel mis tahes neutroniga.
Beeta lagunemine
Hoolimata asjaolust, et lõhustumisreaktsioon kiirgab kolm või neli neutronit, sisaldavad fragmendid siiski rohkem neutroneid kui nende stabiilsed isobaarid. See tähendab, et lõhustumise fragmendid on beeta-lagunemise suhtes üldiselt ebastabiilsed.
Näiteks kui toimub uraani lõhustumine 238U, on stabiilne isobaar, mille A=145 on neodüüm 145Nd, mis tähendab, et lantaani fragment 145La laguneb kolmes etapis, iga kord kiirgades elektroni ja antineutriino, kuni moodustub stabiilne nukliid. Stabiilne isobaar, mille A=90, on tsirkoonium 90Zr, seega lagunev fragmendi broom 90Br laguneb β-lagunemisahela viies etapis.
Need β-lagunemisahelad vabastavad lisaenergiat, mille elektronid ja antineutriinod kannavad ära peaaegu kogu.
Tuumareaktsioonid: uraani tuumade lõhustumine
Neutroni otsene kiirgus nukliidilt koos kanende suur hulk tuuma stabiilsuse tagamiseks on ebatõenäoline. Asi on selles, et Coulombi tõrjumist ei toimu ja seega kipub pinnaenergia hoidma neutronit vanemaga sidemes. Siiski juhtub seda mõnikord. Näiteks lõhustumisfragment 90Br beeta-lagunemise esimeses etapis toodab krüptoon-90, mis võib olla ergastatud olekus piisav alt energiaga, et ületada pinnaenergia. Sel juhul võib neutronite emissioon toimuda otse krüptoon-89 moodustumisega. See isobar on β-lagunemise suhtes endiselt ebastabiilne, kuni see muutub stabiilseks ütrium-89-ks, seega laguneb krüptoon-89 kolmes etapis.
Uraani lõhustumine: ahelreaktsioon
Lõhustumisreaktsiooni käigus eralduvad neutronid võivad neelduda teisest lähtetuumast, mis seejärel ise läbib indutseeritud lõhustumise. Uraan-238 puhul väljuvad kolm tekkivat neutronit energiaga alla 1 MeV (uraani tuuma lõhustumisel vabanev energia - 158 MeV - muundub peamiselt lõhustumisfragmentide kineetiliseks energiaks), nii et need ei saa põhjustada selle nukliidi edasist lõhustumist. Haruldase isotoobi 235U märkimisväärse kontsentratsiooni korral saavad need vabad neutronid kinni püüda tuumad 235U, mis võib tõepoolest põhjustada lõhustumist, kuna sel juhul puudub energialävi, millest allpool lõhustumist ei indutseerita.
See on ahelreaktsiooni põhimõte.
Tuumareaktsioonide tüübid
Olgu k selle ahela etapis n lõhustuva materjali proovis toodetud neutronite arv jagatuna etapis n–1 toodetud neutronite arvuga. See arv sõltub sellest, kui palju neutroneid ahela etapis n toodetakse. staadiumis n - 1, neelduvad tuum, mis võib läbida sundlõhustumise.
• Kui k < on 1, siis ahelreaktsioon lihts alt katkeb ja protsess peatub väga kiiresti. Täpselt nii juhtub looduslikus uraanimaagis, mille 235U kontsentratsioon on nii madal, et tõenäosus, et see isotoop neeldub üks neutron, on äärmiselt tühine.
• Kui k > 1, siis ahelreaktsioon kasvab seni, kuni kogu lõhustuv materjal on ära kasutatud (aatomipomm). See saavutatakse loodusliku maagi rikastamisega, et saada piisav alt kõrge uraan-235 kontsentratsioon. Sfäärilise proovi puhul suureneb k väärtus neutronite neeldumise tõenäosuse suurenemisega, mis sõltub sfääri raadiusest. Seetõttu peab U mass ületama mingi kriitilise massi, et saaks toimuda uraani tuumade lõhustumine (ahelreaktsioon).
• Kui k=1, siis toimub kontrollitud reaktsioon. Seda kasutatakse tuumareaktorites. Protsessi juhitakse jaotades uraani vahel kaadmiumi või boori vardad, mis neelavad enamiku neutronitest (neil elementidel on võime neutroneid kinni püüda). Uraani tuuma lõhustumist juhitakse automaatselt, liigutades vardaid nii, et k väärtus jääb ühega võrdseks.
