Kodola dalīšanās ir smaga atoma sadalīšanās divos aptuveni vienādas masas fragmentos, ko pavada liela enerģijas daudzuma izdalīšanās.
Kodolskaldīšanas atklāšana aizsāka jaunu ēru – "atomu laikmetu". Tās iespējamās izmantošanas potenciāls un riska attiecība pret ieguvumiem no tā izmantošanas ir radījusi ne tikai daudzus socioloģiskus, politiskus, ekonomiskus un zinātniskus sasniegumus, bet arī nopietnas problēmas. Pat no tīri zinātniskā viedokļa kodola skaldīšanas process ir radījis daudz mīklu un sarežģījumu, un pilnīgs tā teorētiskais izskaidrojums ir nākotnes jautājums.
Kopīgošana ir izdevīga
Saistīšanas enerģijas (uz vienu nukleonu) dažādiem kodoliem atšķiras. Smagākām saitēm ir zemāka saistošā enerģija nekā tām, kas atrodas periodiskās tabulas vidū.
Tas nozīmē, ka smagie kodoli, kuru atomu skaits ir lielāks par 100, gūst labumu, sadaloties divos mazākos fragmentos, tādējādi atbrīvojot enerģiju, kaspārvēršas fragmentu kinētiskajā enerģijā. Šo procesu sauc par atoma kodola sadalīšanu.
Pēc stabilitātes līknes, kas parāda protonu skaita atkarību no neitronu skaita stabiliem nuklīdiem, smagāki kodoli dod priekšroku vairāk neitronu (salīdzinot ar protonu skaitu) nekā vieglāki. Tas liecina, ka līdz ar sadalīšanas procesu tiks emitēti daži "rezerves" neitroni. Turklāt viņi arī uzņems daļu atbrīvotās enerģijas. Urāna atoma kodola skaldīšanas pētījums parādīja, ka tiek atbrīvoti 3-4 neitroni: 238U → 145La + 90Br + 3n.
Fragmenta atomskaitlis (un atommasa) nav vienāds ar pusi no pamatelementa atommasas. Atšķirība starp atomu masām, kas veidojas sadalīšanās rezultātā, parasti ir aptuveni 50. Tomēr iemesls tam vēl nav pilnībā izprasts.
238U, 145La un 90Br saistošās enerģijas ir 1803, 1198 un 763 MeV attiecīgi. Tas nozīmē, ka šīs reakcijas rezultātā tiek atbrīvota urāna kodola skaldīšanas enerģija, kas vienāda ar 1198 + 763-1803=158 MeV.
Spontāna skaldīšanās
Dabā ir zināmi spontānas šķelšanās procesi, taču tie ir ļoti reti. Šī procesa vidējais kalpošanas laiks ir aptuveni 1017 gadi, un, piemēram, viena un tā paša radionuklīda alfa sabrukšanas vidējais kalpošanas laiks ir aptuveni 1011 gadi.
Iemesls tam ir tāds, ka kodolam ir jābūt sadalītam divās daļāsvispirms deformējas (izstiepjas), iegūstot elipsoidālu formu, un pēc tam pirms galīgās sadalīšanas divās daļās izveido "kaklu" vidū.
Iespējamā barjera
Deformētā stāvoklī uz serdi iedarbojas divi spēki. Viens no tiem ir palielināta virsmas enerģija (šķidruma piliena virsmas spraigums izskaidro tā sfērisko formu), bet otrs ir Kulona atgrūšanās starp skaldīšanas fragmentiem. Kopā tie rada potenciālu barjeru.
Tāpat kā alfa sabrukšanas gadījumā, lai notiktu urāna atoma kodola spontāna skaldīšana, fragmentiem ir jāpārvar šī barjera, izmantojot kvantu tunelēšanu. Barjera ir aptuveni 6 MeV, tāpat kā alfa sabrukšanas gadījumā, bet α daļiņas tunelēšanas varbūtība ir daudz lielāka nekā daudz smagāka atoma skaldīšanās produkta gadījumā.
Piespiedu sadalīšana
Daudz lielāka iespējamība ir izraisīta urāna kodola skaldīšana. Šajā gadījumā mātes kodols tiek apstarots ar neitroniem. Ja vecāks to absorbē, tie saistās, atbrīvojot saistošo enerģiju vibrācijas enerģijas veidā, kas var pārsniegt 6 MeV, kas nepieciešami potenciālās barjeras pārvarēšanai.
Ja papildu neitrona enerģija nav pietiekama, lai pārvarētu potenciālo barjeru, krītošajam neitronam ir jābūt minimālai kinētiskajai enerģijai, lai tas varētu izraisīt atoma šķelšanos. 238U gadījumā papildu saišu enerģijaneitroniem trūkst apmēram 1 MeV. Tas nozīmē, ka urāna kodola skaldīšanu izraisa tikai neitrons, kura kinētiskā enerģija ir lielāka par 1 MeV. No otras puses, izotopam 235U ir viens nepāra neitrons. Kodols uzņemot papildu vienu, tas veido ar to pāri, un šīs pārošanas rezultātā parādās papildu saistīšanas enerģija. Tas ir pietiekami, lai atbrīvotu kodolam nepieciešamo enerģijas daudzumu, lai pārvarētu potenciālo barjeru, un izotopu skaldīšanās notiek sadursmē ar jebkuru neitronu.
Beta sabrukšana
Neskatoties uz to, ka skaldīšanas reakcija izstaro trīs vai četrus neitronus, fragmenti joprojām satur vairāk neitronu nekā to stabilie izobāri. Tas nozīmē, ka dalīšanās fragmenti parasti ir nestabili pret beta sabrukšanu.
Piemēram, kad notiek urāna skaldīšana 238U, stabilais izobārs ar A=145 ir neodīms 145Nd, kas nozīmē, ka lantāna fragments 145La sadalās trīs posmos, katru reizi izstarojot elektronu un antineitrīnu, līdz veidojas stabils nuklīds. Stabilais izobārs ar A=90 ir cirkonijs 90Zr, tāpēc šķelšanās fragments broms 90Br sadalās piecos β-sabrukšanas ķēdes posmos.
Šīs β-sabrukšanas ķēdes atbrīvo papildu enerģiju, kuru gandrīz visu aiznes elektroni un antineitrīni.
Kodolreakcijas: urāna kodolu skaldīšana
Tiešs neitrona starojums no nuklīda ar arīliels skaits no tiem, lai nodrošinātu kodola stabilitāti, ir maz ticams. Lieta ir tāda, ka nav Kulona atgrūšanas, un tāpēc virsmas enerģija mēdz uzturēt neitronu saiknē ar vecāku. Tomēr dažreiz tas notiek. Piemēram, dalīšanās fragments 90Br pirmajā beta sabrukšanas stadijā rada kriptonu-90, kas var būt ierosinātā stāvoklī ar pietiekami daudz enerģijas, lai pārvarētu virsmas enerģiju. Šajā gadījumā neitronu emisija var notikt tieši, veidojoties kriptonam-89. Šis izobārs joprojām ir nestabils pret β sabrukšanu, līdz tas mainās uz stabilu itriju-89, tāpēc kriptons-89 sadalās trīs posmos.
Urāna skaldīšanās: ķēdes reakcija
Skaldīšanās reakcijā emitētos neitronus var absorbēt cits mātes kodols, kas pēc tam pats tiek pakļauts inducētai skaldīšanai. Urāna-238 gadījumā trīs radītie neitroni izdalās ar enerģiju, kas mazāka par 1 MeV (urāna kodola skaldīšanas laikā atbrīvotā enerģija - 158 MeV - galvenokārt tiek pārvērsta skaldīšanas fragmentu kinētiskajā enerģijā), tāpēc tie nevar izraisīt šī nuklīda turpmāku skaldīšanu. Tomēr ar ievērojamu retā izotopa 235U koncentrāciju šos brīvos neitronus var uztvert kodoli 235U, kas patiešām var izraisīt skaldīšanu, jo šajā gadījumā nav enerģijas sliekšņa, zem kura netiek izraisīta skaldīšanās.
Šis ir ķēdes reakcijas princips.
Kodolreakciju veidi
Pieņemsim, ka k ir neitronu skaits, kas radušies skaldāmā materiāla paraugā šīs ķēdes n posmā, dalīts ar neitronu skaitu, kas radušies posmā n - 1. Šis skaitlis būs atkarīgs no tā, cik neitronu rodas n-1 stadijā, tiek absorbēti kodolā, kas var tikt pakļauts piespiedu skaldīšanai.
• Ja k < ir 1, ķēdes reakcija vienkārši izzudīs un process apstāsies ļoti ātri. Tieši tas notiek dabiskajā urāna rūdā, kurā 235U koncentrācija ir tik zema, ka varbūtība, ka šis izotops absorbēs vienu no neitroniem, ir ārkārtīgi niecīga.
• Ja k > 1, tad ķēdes reakcija pieaugs, līdz tiks izmantots viss skaldāmais materiāls (atombumba). To panāk, bagātinot dabisko rūdu, lai iegūtu pietiekami augstu urāna-235 koncentrāciju. Sfēriskam paraugam k vērtība palielinās, palielinoties neitronu absorbcijas varbūtībai, kas ir atkarīga no sfēras rādiusa. Tāpēc U masai ir jāpārsniedz kāda kritiskā masa, lai notiktu urāna kodolu sadalīšanās (ķēdes reakcija).
• Ja k=1, tad notiek kontrolēta reakcija. To izmanto kodolreaktoros. Procesu kontrolē, sadalot kadmija vai bora stieņus starp urānu, kas absorbē lielāko daļu neitronu (šiem elementiem ir spēja uztvert neitronus). Urāna kodola skaldīšana tiek automātiski kontrolēta, pārvietojot stieņus tā, lai k vērtība paliktu vienāda ar vienu.
