Кіріспе

Ядролық тізбекті бөліну реакциясын қолдайтын материал. Ядролық инженерияда бөлінетін материал – бұл төмен энергиялы нейтронмен соққанда ядролық бөлінуге ұшырайтын материал. Өзін-өзі сақтайтын жылу тізбекті реакциясына тек бөлінетін материал арқылы қол жеткізуге болады. Жүйедегі басым нейтрон энергиясы баяу нейтрондармен (яғни, жылу жүйесі) немесе жылдам нейтрондармен сипатталуы мүмкін. Бөлінетін материал термиялық нейтрон реакторларын, жылдам нейтрон реакторларын және ядролық жарылғыш құрылғыларды отынмен қамтамасыз ету үшін қолданылады.

Бөлінуші және бөлінуге болатын

Роненнің ыдырау ережесіне сәйкес, 90 ≤ Z ≤ 100 аралығындағы ауыр элемент үшін, оның 1=2 × Z − [[нейтрон саны, аздаған ерекшеліктермен, ыдырауға қабілетті (мұнда N = нейтрон саны және Z = протон саны). "Ыдырауға қабілетті" термині "бөлінуге болатын" терминінен өзгеше. Жоғары немесе төмен энергиялы нейтронды ұстағаннан кейін ыдырауға қабілетті (алайда, ықтималдығы төмен болса да) нуклидтер бөлінуге болатын деп аталады. Жоғары ықтималдылықпен төмен энергиялы термиялық нейтрондармен ыдырауға икемді, бөлінуге болатын нуклидтер ыдырауға қабілетті деп аталады. Сөйтіп, ыдырауға қабілетті материалдар (мысалы, уран-235) – бөлінуге болатын материалдардың ішкі жиынтығы болып табылады. Уран-235 төмен энергиялы термиялық нейтрондармен ыдырайды, себебі нейтронды сіңіру нәтижесінде туындайтын байланыс энергиясы, ыдырау үшін қажетті сыни энергиядан жоғары; демек, уран-235 ыдырауға қабілетті. Керісінше, термиялық нейтронды сіңіретін уран-238 бөліп шығаратын байланыс энергиясы сыни энергиядан төмен, сондықтан ыдырау үшін нейтронға қосымша энергия қажет. Осылайша, уран-238 бөлінуге болатын, бірақ ыдырауға қабілетті емес. Басқа анықтама бойынша, ядролық ыдырауға ұшырап (яғни, бөлінуге болатын) және сонымен қатар, дұрыс жағдайда ядролық тізбекті реакцияны қолдай алатын нейтрондарды шығаратын нуклидтер ыдырауға қабілетті нуклидтер деп анықталады. Бұл анықтамаға сәйкес, ядролық ыдырауға ұшыраған, бірақ ыдырауға қабілетті емес жалғыз нуклидтер – ядролық тізбекті реакцияны қолдау үшін жеткіліксіз мөлшерде нейтрондар (энергиясы немесе саны бойынша) өндіретін нуклидтер. Осылайша, барлық ыдырауға қабілетті изотоптар бөлінуге болатын болғанымен, барлық бөлінуге болатын изотоптар ыдырауға қабілетті емес. Қару-жарақтарды бақылау контекстінде, әсіресе, ыдырауға қабілетті материалдарды тоқтату туралы келісімге қатысты ұсыныстарда, "ыдырауға қабілетті" термині ядролық қарудың бастапқы ыдырауында қолданылатын материалдарды сипаттау үшін жиі қолданылады. Бұл – жарылғыш жылдамдықпен нейтрондық ядролық ыдыраудың тізбекті реакциясын қолдайтын материалдар. Жоғарыда келтірілген барлық анықтамалар бойынша, уран-238 (Уран-238) бөлінуге болатын, бірақ ыдырауға қабілетті емес. Уран-238-дің ыдырауынан пайда болған нейтрондар бастапқы нейтроннан төмен энергияға ие (олар эластикалық шашырау сияқты әрекет етеді), әдетте 1 МэВ-тан төмен (яғни, шамамен 14 000 км/с жылдамдықпен), уран-238-дің кейінгі ыдырауына себеп болатын ыдырау шегі, сондықтан уран-238-дің ыдырауы ядролық тізбекті реакцияны қолдамайды. Термоядролық қарудың екінші сатысында уран-238-дің жылдам ыдырауы, ядролық синтезден жоғары энергиялы нейтрондардың өндірілуіне байланысты, мұндай қарудың қуатына және радиоактивтік шөгінділерге үлкен үлес қосады. Уран-238-дің жылдам ыдырауы таза ыдырау қаруларында да байқалады. Уран-238-дің жылдам ыдырауы кейбір жылдам нейтронды реакторлардың қуаттылығына да маңызды үлес қосады.

Фиссильді нуклидтер

Жалпы, нейтрон саны тақ актинидтердің көпшілігі бөлінеді. Көптеген ядролық отындардың атомдық массасы тақ санмен сипатталады (1=A = Z + N = нуклондардың жалпы саны), ал атомдық саны Z жұп сан болады. Бұл нейтрондардың тақ санын көрсетеді. Нейтрондардың тақ саны бар изотоптар, қосымша нейтронды сіңіргенде, жұптасу әсерінің нәтижесінде, нейтрондар мен протондардың жұп санына ұмтылуынан қосымша 1-2 МэВ энергия алады. Бұл энергия баяу нейтрондармен бөлінуге қажетті қосымша энергияны қамтамасыз етеді, бұл бөлінуге қабілетті изотоптарды да бөлінетін ету үшін маңызды. Көбінесе, протон саны жұп, нейтрон саны жұп және атомдық сан мен атомдық массалық сан арасындағы ядролық физикадағы белгілі қисыққа жақын орналасқан нуклидтер басқаларына қарағанда тұрақтырақ болады; демек, олардың бөлінуіне ықтималдық аз. Олар нейтронды "қабылдамай", жолына жіберуі мүмкін, немесе нейтронды сіңіріп алады, бірақ ядроны бөлінуге жеткілікті деформациялау үшін процестен жеткілікті энергия алмайды. Бұл "жұп-жұп" изотоптар да спонтанды бөлінуге аз бейім және олардың альфа немесе бета ыдырауының жартылай өмір шамасы салыстырмалы түрде ұзақ. Мысалдарға уран-238 және торий-232 жатады. Екінші жағынан, ең жеңіл нуклидтерден басқа, протон саны тақ және нейтрон саны тақ (тақ Z, тақ N) нуклидтер көбінесе аз өмір сүреді (нептуний-236, 154 000 жылдық жартылай өмір шамасымен ерекше жағдай), себебі олар бета-бөлшектерді шығару арқылы олардың изобарларына тез ыдырайды, бұл оларды протон саны жұп және нейтрон саны жұп (жұп Z, жұп N) болатын, әлдеқайда тұрақты жасайды. Бұл құбылыстың физикалық негізі де ядролық байланыс энергиясындағы жұптасу әсерінен туындайды, бірақ бұл жолы протон-протон және нейтрон-нейтрон жұптасуынан. Мұндай тақ-тақ ауыр изотоптардың салыстырмалы түрде қысқа жартылай өмір шамасы олардың жеткілікті мөлшерде қолжетпес екенін және жоғары радиоактивті екенін білдіреді.