Material físsil - Fissile material

Gráfico de nuclídeos mostrando valores de seção transversal de fissão de nêutrons térmicos . O aumento da fissilidade de isótopos de nêutrons ímpares é aparente. As caixas cinza representam isótopos não caracterizados.

Na engenharia nuclear , o material físsil é o material capaz de sustentar uma reação em cadeia de fissão nuclear . Por definição, o material físsil pode sustentar uma reação em cadeia com nêutrons de energia térmica. A energia de nêutrons predominante pode ser tipificada por nêutrons lentos (isto é, um sistema térmico) ou nêutrons rápidos . Material físsil pode ser usado para abastecer reatores térmica de nêutrons , reatores fast-nêutrons e explosivos nucleares .

Cindível vs cindível

De acordo com a regra físsil de Ronen , para um elemento pesado com 90Z100 , seus isótopos com 2 × Z - N = 43 ± 2, com poucas exceções, são físseis (onde N = número de nêutrons e Z = número de prótons )

" Físsil " é diferente de " fissionável ". Um nuclídeo capaz de sofrer fissão (mesmo com baixa probabilidade) após capturar um nêutron de alta ou baixa energia é denominado "fissionável". Um nuclídeo fissionável que pode ser induzido à fissão com nêutrons térmicos de baixa energia com uma alta probabilidade é referido como "físsil". Os materiais fissionáveis ​​incluem também aqueles (como o urânio-238 ) que podem ser fissionados apenas com nêutrons de alta energia. Como resultado, os materiais físseis (como o urânio-235 ) são um subconjunto de materiais físseis.

Fissões de urânio-235 com nêutrons térmicos de baixa energia porque a energia de ligação resultante da absorção de um nêutron é maior do que a energia crítica necessária para a fissão; portanto, o urânio-235 é um material físsil. Em contraste, a energia de ligação liberada pelo urânio-238 absorvendo um nêutron térmico é menor do que a energia crítica, então o nêutron deve possuir energia adicional para que a fissão seja possível. Consequentemente, o urânio-238 é um material físsil, mas não um material físsil.

Uma definição alternativa define nuclídeos físseis como aqueles nuclídeos que podem sofrer fissão nuclear (isto é, são fissionáveis) e também produzem nêutrons de tal fissão que podem sustentar uma reação em cadeia nuclear no cenário correto. Segundo essa definição, os únicos nuclídeos que são fissionáveis, mas não físseis, são aqueles nuclídeos que podem sofrer fissão nuclear, mas produzem nêutrons insuficientes, em energia ou em número, para sustentar uma reação em cadeia nuclear . Como tal, embora todos os isótopos físseis sejam físseis, nem todos os isótopos físseis são físseis. No contexto de controle de armas , particularmente em propostas para um Tratado de Corte de Materiais Físseis , o termo "físseis" é freqüentemente usado para descrever materiais que podem ser usados ​​na fissão primária de uma arma nuclear. Estes são materiais que sustentam uma reação em cadeia de fissão nuclear de nêutrons rápida e explosiva .

Em todas as definições acima, urânio-238 (238
você
) é físsil, mas como não pode sustentar uma reação em cadeia de nêutrons, não é físsil. Nêutrons produzidos por fissão de238
você
têm energias mais baixas do que o nêutron original (eles se comportam como em um espalhamento inelástico ), geralmente abaixo de 1 MeV (ou seja, uma velocidade de cerca de 14.000  km / s ), o limiar de fissão para causar a fissão subsequente de238
você
, então fissão de 238
você
não sustenta uma reação em cadeia nuclear .

Fissão rápida de 238
você
no estágio secundário de uma arma nuclear contribui enormemente para o rendimento e a precipitação radioativa . A rápida fissão de238
você
também dá uma contribuição significativa para a produção de energia de alguns reatores de nêutrons rápidos .

Nuclídeos físseis

Actinídeos por cadeia de decaimento
Faixa de meia-vida ( a )
Produtos de fissão de 235 U por rendimento
4 n 4 n +1 4 n +2 4 n +3
4,5-7% 0,04-1,25% <0,001%
228 Ra 4-6 a 155 Euþ
244 Cmƒ 241 Puƒ 250 Cf 227 Ac 10-29 a 90 Sr 85 Kr 113m Cdþ
232 Uƒ 238 Puƒ 243 Cmƒ 29-97 a 137 Cs 151 Smþ 121m Sn
248 Bk 249 Cfƒ 242m Amƒ 141-351 a

Nenhum produto de fissão
tem meia-vida
na faixa de
100 a-210 ka ...

241 Amƒ 251 Cfƒ 430-900 a
226 Ra 247 Bk 1,3-1,6 ka
240 Pu 229 th 246 Cmƒ 243 amƒ 4,7-7,4 ka
245 Cmƒ 250 cm 8,3-8,5 ka
239 Puƒ 24,1 ka
230 Th 231 Pa 32-76 ka
236 Npƒ 233 Uƒ 234 U 150–250 ka 99 Tc 126 Sn
248 cm 242 Pu 327-375 ka 79 Se
1,53 Ma 93 Zr
237 Npƒ 2,1-6,5 Ma 135 Cs 107 Pd
236 U 247 Cmƒ 15–24 Ma 129 I
244 Pu 80 ma

... nem além de 15,7 Ma

232 Th 238 U 235 Uƒ№ 0,7-14,1 Ga

Legenda para símbolos sobrescritos
₡ tem seção transversal de captura de nêutron térmico na faixa de 8–50 celeiros
ƒ  isômero metaestávelfissil № principalmente um material radioativo de ocorrência natural (NORM) þ  veneno de nêutron (seção transversal de captura de nêutron térmico maior que 3k celeiros) † faixa 4-97 a: Produto de fissão de vida média ‡ acima de 200 ka: Produto de fissão de vida longa




Em geral, a maioria dos isótopos actinídeos com um número ímpar de nêutrons são físseis. A maioria dos combustíveis nucleares têm um ângulo diferente número de massa atómica ( A = Z + N = o número total de núcleos ), e um mesmo número atómico Z . Isso implica um número ímpar de nêutrons. Os isótopos com um número ímpar de nêutrons ganham um extra de 1 a 2 MeV de energia absorvendo um nêutron extra, a partir do efeito de emparelhamento que favorece números pares de nêutrons e prótons. Essa energia é suficiente para fornecer a energia extra necessária para a fissão por nêutrons mais lentos, o que é importante para tornar os isótopos fissionáveis ​​também físseis.

Mais geralmente, os nuclídeos com um número par de prótons e um número par de nêutrons, e localizados perto de uma curva bem conhecida na física nuclear de número atômico vs. número de massa atômica são mais estáveis ​​do que outros; portanto, eles são menos propensos a sofrer fissão. É mais provável que eles "ignorem" o nêutron e o deixem seguir seu caminho, ou então absorvam o nêutron, mas sem obter energia suficiente do processo para deformar o núcleo o suficiente para que ele se fissione. Esses isótopos "pares" também têm menos probabilidade de sofrer fissão espontânea e também têm meias-vidas parciais relativamente mais longas para o decaimento alfa ou beta . Exemplos desses isótopos são o urânio-238 e o tório-232 . Por outro lado, além dos nuclídeos mais leves, nuclídeos com um número ímpar de prótons e um número ímpar de nêutrons ( Z ímpar, N ímpar ) geralmente têm vida curta (uma exceção notável é o neptúnio-236 com meia-vida de 154.000 anos) porque eles decaem prontamente por emissão de partículas beta para suas isóbaras com um número par de prótons e um número par de nêutrons (mesmo Z , mesmo N ) se tornando muito mais estáveis. A base física para esse fenômeno também vem do efeito de emparelhamento na energia de ligação nuclear, mas desta vez do emparelhamento próton-próton e nêutron-nêutron. A meia-vida relativamente curta de tais isótopos pesados ​​ímpares significa que eles não estão disponíveis em quantidade e são altamente radioativos.

Combustível nuclear

Para ser um combustível útil para reações em cadeia de fissão nuclear, o material deve:

  • Estar na região da curva de energia de ligação onde uma reação em cadeia de fissão é possível (ou seja, acima do rádio )
  • Tem uma alta probabilidade de fissão na captura de nêutrons
  • Libere mais de um nêutron em média por captura de nêutron. (O suficiente deles em cada fissão, para compensar as não fissões e absorções no moderador)
  • Ter uma meia-vida razoavelmente longa
  • Estar disponível em quantidades adequadas
Razões de captura-fissão de nuclídeos físseis
Nêutrons térmicos Nêutrons epitérmicos
σ F (b) σ γ (b) % σ F (b) σ γ (b) %
531 46 8,0% 233 U 760 140 16%
585 99 14,5% 235 U 275 140 34%
750 271 26,5% 239 Pu 300 200 40%
1010 361 26,3% 241 Pu 570 160 22%

Nuclídeos físseis em combustíveis nucleares incluem:

Os nuclídeos físseis não têm 100% de chance de sofrer fissão na absorção de um nêutron. A chance depende da energia do nuclídeo e também da energia do nêutron. Para nêutrons de baixa e média energia, as seções transversais de captura de nêutrons para fissão (σ F ), a seção transversal para captura de nêutrons com emissão de um raio gamaγ ) e a porcentagem de não fissões estão na tabela à direita .

Veja também

Notas

Referências