Was ist spontane Spaltung – Definition

Die spontane Spaltung ist ein Zerfallsprozess, bei dem sich ein instabiler Kern spontan und zufällig in kleinere Teile (leichtere Kerne) aufspaltet. Spontane Spaltungen setzen wie alle Spaltungen Neutronen frei. Strahlendosimetrie

Im Allgemeinen ist Kernspaltung eine Kernreaktion, bei der sich der Kern eines Atoms in kleinere Teile (leichtere Kerne) aufspaltet . Der Spaltprozess erzeugt oft freie Neutronen und Photonen (in Form von Gammastrahlen ) und setzt eine große Menge Energie frei . Kernspaltung ist in der Kernphysik entweder eine Kernreaktion oder ein radioaktiver Zerfallsprozess . Der Fall des Zerfalls wird als spontane Spaltung bezeichnet  und ist ein sehr seltener Vorgang.

Eine spontane Spaltung ist auch möglich, wenn wir die Kernbindungskurve untersuchen . Diese Art des Zerfalls ist für einen Kern mit A> 100 energetisch möglich. Obwohl erwartet wird, dass die Spontanspaltung mit zunehmender Massenzahl wahrscheinlicher wird, ist sie selbst in Uran immer noch ein sehr seltener Prozess.

Eine spontane Spaltung ist über praktische Beobachtungszeiten nur für Massenzahlen von mehr als etwa 232 möglich. Zum Beispiel sind 232 Th, 235 U und 238 U Urnuklide und haben Hinweise auf eine spontane Spaltung in ihren Mineralien hinterlassen.

Für schwere transurane Elemente nimmt die Übergangsrate der spontanen Spaltung mit der Massenzahl zu und kann bei Massenzahlen von mehr als etwa 260 zum dominanten Zerfallsmodus werden.

Ähnlich wie beim Alpha-Zerfall tritt auch eine spontane Spaltung aufgrund von Quantentunneln auf . Spontane Spaltungen setzen wie alle Spaltungen Neutronen frei und tragen so zum Neutronenfluss in einem unterkritischen Reaktor bei . Als Neutronenquelle können Radioisotope verwendet werden, für die die spontane Spaltung nicht zu vernachlässigen ist. Beispielsweise kann Kalifornium-252 (Halbwertszeit 2,645 Jahre, SF-Verzweigungsverhältnis etwa 3,1 Prozent) für diesen Zweck verwendet werden.

Die spontane Spaltung von natürlich vorkommenden Isotopen des Urans (Uran-238 und Uran-235) hinterlässt Spuren von Schäden in der Kristallstruktur von uranhaltigen Mineralien, wenn die Spaltfragmente durch sie zurückschießen. Eine radiometrische Datierungstechnik, die auf Analysen dieser Schadensspuren oder -spuren basiert, die von Spaltfragmenten in bestimmten uranhaltigen Mineralien und Gläsern hinterlassen werden, ist als Spaltspurdatierung bekannt .

Spontane Spaltung bestimmter Kerne

Die Hauptisotope, die im Brennstoffkreislauf aller kommerziellen Leichtwasserreaktoren berücksichtigt werden müssen, sind:

Isotope von Uran

  • 238 U . 238U gehört zur Gruppe derfruchtbaren Isotope238U zerfällt durchAlpha-Zerfallauf234Th mit einer Halbwertszeit von ~ 4,5 × 109Jahren. 238U zerfällt gelegentlich durch spontane Spaltung mit einer Wahrscheinlichkeit von 0,000055%. Seine spezifische Aktivität ist sehr gering (3,4 × 10-7 Ci / g).
  • 235 U . 235U gehört zur Gruppe derspaltbaren Isotope. Tatsächlich ist235U der einzige vorhandene spaltbare Kern aus natürlich vorkommenden Isotopen und daher ein äußerst strategisches Material. 235U zerfällt über Alpha-Zerfall (über Thorium-231) in231Pa mit einer Halbwertszeit von ~ 7 × 108Jahren. 235U zerfällt gelegentlich durch spontane Spaltung mit einer sehr geringen Wahrscheinlichkeit von 0,0000000072%. Seine spezifische Aktivität ist mit 2,2 x 10 & supmin; & sup6; Ci / g sehr gering.
  • 234 U . 234U gehört zur Gruppe derfruchtbaren Isotope234U zerfällt durch Alpha-Zerfall auf230Th mit einer Halbwertszeit von 246 000 Jahren. 234U zerfällt gelegentlich durch spontane Spaltung mit sehr geringer Wahrscheinlichkeit von 0,0000000017%. Seine spezifische Aktivität ist viel höher als 0,0063 Ci / g.

Isotope von Plutonium

  • 238 Pu . 238 Pu gehört zur Gruppe der fruchtbaren Isotope. 238 Pu zerfällt über Alpha-Zerfall auf 234 U  mit einer Halbwertszeit von 87,7 Jahren. 238 Pu erzeugt sehr hohe Zerfallswärme und weist eine sehr hohe Spontanspaltungsrate auf.
  • 239 Pu . 239Pu gehört zur Gruppe der spaltbaren Isotope. 239Pu zerfällt über Alpha-Zerfall auf 235 U mit einer Halbwertszeit von 24100 Jahren. Dieses Isotop ist das am häufigsten verwendete spaltbare Isotop.
  • 240 Pu . 240Pu gehört zur Gruppe derfruchtbaren Isotope240Pu zerfallen über Alpha-Zerfall auf 236 U mit einer Halbwertszeit von 6560 Jahren. 240Pu hat eine sehr hohe Spontanspaltungsrate und einen hohen Strahlungseinfangquerschnitt für thermische und auch für Resonanzneutronen.
  • 241 Pu . 241Pu gehört zur Gruppe der spaltbaren Isotope. 241Pu zerfällt durch negativen Beta-Zerfall auf241Am mit einer Halbwertszeit von 14,3 Jahren. Dieses spaltbare Isotop zerfällt zu einem nicht spaltbaren Isotop mit hohem Strahlungseinfangquerschnitt für thermische Neutronen. Ein Einfluss auf die Reaktivität des Kernbrennstoffs ist offensichtlich.

Andere Isotope

  • 242 cm. 242 cm Zerfall durch Alpha-Zerfall mit einer Halbwertszeit von 162 Tagen. 242 cm zerfallen gelegentlich durch spontane Spaltung mit einer Wahrscheinlichkeit von 0,0000061%.
  • 252 Vgl. 252 Cf (Halbwertszeit 2,645 Jahre, SF-Verzweigungsverhältnis etwa 3,1 Prozent) können in der primären Neutronenquelle zur besseren Überwachung des Anlaufens und Abschaltens des Reaktors verwendet werden, wenn der Reaktor unterkritisch ist.
JANIS - Halbwertszeit - Spontane Spaltung
Datenquelle: JANIS (Java-basierte Nuclear Data Information Software); Die JEFF-3.1.1 Nuclear Data Library

Spontane Spaltung und Quellenneutronen

PlutoniumzuchtDer Begriff “ Quellneutronen „ bezieht sich auf andere Neutronen als Neutronen mit sofortiger oder verzögerter Spaltung . Im Allgemeinen stammen sie aus anderen Quellen als der Neutronen-induzierten Spaltung. Diese Neutronen sind beim Starten und Herunterfahren des Reaktors sehr wichtig, wenn der Reaktor unterkritisch ist, da sie es ermöglichen, die Unterkritikalität eines Reaktors normalerweise über Exore-Neutronendetektoren im Quellbereich zu überwachen.

In Kernreaktoren ist unter diesem Gesichtspunkt auch die spontane Spaltung sehr wichtig. In bestrahlten Kernbrennelementen gibt es Nuklide, die einen Prozess der spontanen Spaltung durchlaufen. Wie geschrieben wurde, ist die spontane Spaltung tatsächlich eine Form des radioaktiven Zerfalls, der nur in sehr schweren chemischen Elementen (insbesondere transuranischen Elementen) zu finden ist. Zum Beispiel hat 240 Pu eine sehr hohe Rate an spontaner Spaltung. Bei Brennstoffen mit hohem Abbrand werden die Quellneutronen überwiegend durch spontane Spaltung von Curiumkernen (Cm-242 und Cm-244) bereitgestellt.

Hauptquelle für Neutronen

Manchmal müssen dem System Quellneutronen künstlich hinzugefügt werden. Die externe Neutronenquelle enthält ein Material, das Neutronen und Ummantelungen emittiert, um eine Barriere zwischen dem Reaktorkühlmittel und dem Material zu bilden. Externe Quellen werden normalerweise direkt in den Reaktorkern geladen (z. B. in Führungshülsen). Neutronenquellen, die auf spontaner Spaltung beruhen, werden als Primärquellen bezeichnet . Die primäre Neutronenquelle muss nicht bestrahlt werden, um Neutronen zu erzeugen. Diese Quellen können insbesondere im Fall eines ersten Kerns verwendet werden (dh eines Kerns, der nur aus frischem Brennstoff besteht). Die primäre Neutronenquelle basiert auf der spontanen Spaltreaktion. Die am häufigsten verwendete Quelle für spontane Spaltungen ist das radioaktive Isotop californium-252. Cf-252 und alle anderen Neutronenquellen mit spontaner Spaltung werden durch Bestrahlung von Uran oder einem anderen transuranischen Element in einem Kernreaktor hergestellt, wobei Neutronen im Ausgangsmaterial und seinen nachfolgenden Reaktionsprodukten absorbiert werden und das Ausgangsmaterial in das SF-Isotop umgewandelt wird.

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