Den spontane fisjonen er en form for radioaktivt forfall som er karakteristisk for isotoper som er veldig tunge der en tung kjerne deler seg, uten å levere ekstern energi, minst to kjerner lettere.
Den første prosessen med kjernefysisk fisjon som ble oppdaget var induserte fisjon nøytroner . Denne observasjonen ble kunngjort i desember 1938 av Otto Hahn og Fritz Strassmann . En teoretisk beskrivelse av fisjon er foreslått av Niels Bohr og John Wheeler 6 måneder senere, i juni 1939. I denne artikkelen forutsier de to forfatterne muligheten for spontan fisjon i uran 238 .
Fordi kosmiske stråler produserer noen nøytroner, var det vanskelig å skille hendelser indusert av nøytroner fra de som var spontane. Kosmiske stråler kan effektivt dempes av et tykt lag med stein eller vann. Den spontane fisjonen ble identifisert som sådan i 1940 av fysikerne Sovjet Georgy Flyorov og Konstantin Antonowitsch Petrschak (in) under observasjonene av uran i stasjonen Dinamo i Moskva Metro , som ligger 60 m under jorden.
Klyngeradioaktivitet har vist seg å være spontan super-asymmetrisk fisjon.
De letteste naturlige nuklider hypotetisk utsatt for oppløsning ved spontan fisjon er niob 93 og molybden 94 (henholdsvis punkt 41 og 42). Imidlertid har det aldri blitt gjort noen eksperimentelle observasjoner av spontan fisjon i disse kjernene. I praksis regnes de som stabile isotoper. Det er teoretisk mulig for alle atomkjerner hvis masse er større enn 100 u eller uma, det vil si omtrent tyngre enn ruthenium .
Imidlertid blir spontan fisjon observert i praksis bare for atomkjerner med en masse større enn 230 u , dvs. fra thorium . De elementer som mest sannsynlig vil gjennomgå spontan fisjon er de mer massive aktinider , for eksempel mendelevium og lawrencium , samt trans-aktinid-elementer som rutherfordium .
Matematisk er kriteriet som avgjør om spontan fisjon oppstår umiddelbart:
hvor Z er atomnummeret og A er massetallet (f.eks. Z = 92, A = 235 for ).
Vær imidlertid oppmerksom på at dette estimatet kommer fra en beregning kun basert på væskedråpemodellen , det vil si at den bare tar hensyn til kjernens makroskopiske egenskaper. Tatt i betraktning de mikroskopiske effektene på barrierepenetrasjon, hjelper til med å forklare de spontane fisjonene som er observert i kjerner som har et Z 2 / A- forhold som er mindre enn 47. På den annen side har eksperimentelle målinger vist at halveringstiden til en kjerne sammenlignet med spontan fisjon er alt jo svakere jo større er Z 2 / A- forholdet .
Som navnet antyder, har spontan fisjon nøyaktig samme radioaktive forfallsprosess som kjernefisjon, bortsett fra at den oppstår uten at atomkjernen blir truffet av et nøytron eller annen partikkel . Spontan fisjon avviser nøytroner , som enhver fisjon, så hvis kritisk masse er nådd, kan den forårsake en kjedereaksjon . Dette er grunnen til at radioisotoper hvis kjerneforfall ved spontan fisjon ikke er ubetydelig kan brukes som kilde for nøytronutslipp . Den californium- 252 (halveringstid på 2.645 år, spontan fisjon andel på 3,09%) blir ofte anvendt for dette formål. De således produserte nøytronene kan deretter brukes i applikasjoner som å søke etter eksplosiver under bagasjesøk på flyplasser, måle jordfuktighet under veibygging eller på byggeplasser, fuktmåling av materialer lagret i siloer.
Så lenge spaltningsreaksjonene bare fører til en ubetydelig reduksjon i antall spontant fissile kjerner, er dette en Poisson-prosess : i svært korte tidsintervaller er sannsynligheten for spontan fisjon proporsjonal med varigheten av intervallet.
Spontan fisjon er beskrevet ved hjelp av tunneleffekten over fisjonssperren. Gjennomtrengningen av barrieren er derfor hovedfaktoren for å bestemme sannsynligheten for spontan fisjon. Halveringstiden med hensyn til spontan fisjon uttrykkes således av forholdet:
hvor f betegner svingningsfrekvensen i fisjonmodus for grunntilstanden i den første brønnen og P betegner gjennomtrengbarheten til barrieren for grunntilstanden. Gjennomtrengbarheten til barrieren avhenger i stor grad av barrieren.
Isotop | Z 2PÅ | Halveringstid i forhold til spontan fisjon |
---|---|---|
230 Th | 35.2 | ≥ 1,5 × 10 17 a |
231 Pa | 35.8 | ≥ 1,1 × 10 16 a |
232 Th | 34.9 | ≥ 1 × 10 21 a |
232 U | 36.5 | (8 ± 6) × 10 13 a |
233 U | 36.3 | > 2,7 × 10 17 a |
234 U | 36.2 | (1,5 ± 0,3) × 10 16 a |
235 U | 36,0 | (9,8 ± 2,8) × 10 18 a |
236 U | 35.9 | (2,48 ± 0,11) × 10 16 a |
236 Pu | 37.4 | (23,4 ± 1,2) × 109 a |
237 Np | 36.9 | ≥ 1 × 10 18 a |
238 U | 35.6 | (8,2 ± 0,1) × 10 15 a |
238 Pu | 37.1 | (4,70 ± 0,08) × 10 10 a |
239 Pu | 37,0 | (7,8 ± 1,8) × 10 15 a |
240 Pu | 36.8 | (1,16 ± 0,02) × 10 11 a |
240 Cm | 38.4 | 1,9 × 10 6 a |
241 Pu | 36,7 | <6 × 10 16 a |
241 Am | 37.4 | (1,0 ± 0,4) × 10 14 a |
242 Pu | 36.5 | (6,78 ± 0,04) × 10 10 a |
242 Cm | 38.1 | (7,0 ± 0,2) x 10 6 en |
243 Am | 37.1 | (2,0 ± 0,5) × 10 14 a |
243 Cm | 37.9 | (5,5 ± 0,9) × 10 11 a |
244 Pu | 36.2 | (6,6 ± 0,2) × 10 10 a |
244 Cm | 37.8 | (1,32 ± 0,02) × 107 a |
245 Cm | 37.6 | (1,4 ± 0,2) × 10 12 a |
246 Cm | 37.5 | (1,81 ± 0,01) × 107 a |
246 Jf | 39,0 | (2,0 ± 0,2) × 10 3 a |
246 Fm | 40,7 | 13,8 s |
248 Cm | 37.2 | (4,15 ± 0,03) × 10 6 a |
248 Jf | 38.7 | 3,16 × 10 6 a |
248 Fm | 40.3 | 10 a.m. |
249 Bk | 37.8 | 1,91 × 10 9 a |
249 Jf | 38.6 | 6,74 × 10 10 a |
250 Cm | 37.8 | (1,13 ± 0,05) × 10 4 a |
250 Jf | 38.4 | 1,66 × 10 4 a |
250 Fm | 40 | 10 a |
250 Nei | 41,6 | 250 ± 50 µs |
252 Jf | 38.1 | 85,5 ± 0,3 a |
252 Fm | 39,7 | 115 a |
252 Nei | 41.3 | 8,6 s |
253 Es | 38.7 | 6,4 × 10 5 a |
253 Rf | 42.8 | ~ 3,6 s |
254 Jfr | 37.8 | 60,7 a |
254 Es | 38.6 | > 2,5 × 10 7 a |
254 Fm | 39.4 | 228 d |
254 Rf | 42.6 | 500 ± 200 µs |
255 Es | 38.4 | 2,66 × 10 3 a |
255 Fm | 39.2 | 9,55 × 10 3 a |
255 Rf | 40.8 | 2,7 s |
255 Db | 43.2 | 1,6 s |
256 Jf | 37.5 | 12,3 ± 1,2 min |
256 Fm | 39.1 | 2,86 timer |
256 Nei | 40.6 | 1,83 min |
256 Rf | 42,25 | 7,6 ms |
256 Db | 43.1 | 2,6 s |
257 Fm | 38.9 | 131,1 a |
257 Rf | 42.1 | 27,1 s |
257 Db | 42.9 | 11,3 s |
258 Fm | 38.8 | 380 ± 60 µs |
258 Nei | 40.3 | 1,2 ms |
258 Rf | 41,9 | 13 ± 3 ms |
259 Fm | 39.6 | 1,5 ± 0,3 ms |
259 milliarder kroner | 39.4 | 1,6 ± 0,4 timer |
259 Rf | 41,8 | 36,6 s |
259 Sg | 43.4 | 10 ms |
260 Rf | 41,6 | 21 ± 1 ms |
260 Db | 42.4 | 15,8 s |
260 Sg | 43.2 | 7,2 ms |
261 Db | 42.2 | 7,2 s |
261 Bh | 43.9 | 10 ms |
262 Rf | 41.3 | 47 ± 5 ms |
262 Db | 42.1 | 46,6 s |
263 Sg | 42,7 | 1,1 ± 0,3 s |
I 1991 identifiserte Cyriel Wagemans 72 isotoper som kan reduseres ved spontan fisjon. De er presentert i tabellen motsatt (uten å telle fisjonsisomerer ).
Spontan fisjonrate:
Nuklide |
Halveringstid ( a ) |
Sannsynlighet for fisjon ved forfall (%) |
Antall fisjon per (g • s) |
Nøytroner ved spontan fisjon |
Nøytroner etter (g • s) |
Termisk kraft av forfall (W / g) |
Termisk kraft av spaltninger (W / g) |
---|---|---|---|---|---|---|---|
232 Th | 14.05 × 10 9 | 1.003 57 × 10 −6 | 4,07 × 10 −5 | 2.0 | 8,14 × 10 −5 | 2,65 × 10 −9 | 1,27 × 10 −15 |
235 U | 7,038 × 10 8 | 2,0 × 10 −7 | 1,60 × 10 −4 | 1,86 | 2,97 × 10 −4 | 5,99 × 10 −8 | 5,00 × 10 −15 |
236 U | 23,42 × 10 6 | 1,171 × 10 −7 | 2,80 × 10 −3 | 2.0 | 5,60 × 10 −3 | 1,75 × 10 −6 | 8,75 × 10 −14 |
238 U | 4 468 8 × 10 9 | 5,4 × 10 −5 | 6,71 × 10 −3 | 2.07 | 1,39 × 10 −2 | 8,51 × 10 −9 | 2,10 × 10 −13 |
238 Pu | 87,75 | 1.791 × 10 −7 | 1,134 × 10 3 | 2.0 | 2,27 × 10 3 | 0,567 | 3,54 × 10 −8 |
239 Pu | 2,411 × 10 4 | 4,4 × 10 −10 | 1,01 × 10 −2 | 2.16 | 2,18 × 10 −2 | 1,93 × 10 −3 | 3,15 × 10 −13 |
240 Pu | 6,56 × 10 3 | 5,0 × 10 −6 | 4,2 × 10 2 | 2.21 | 9,28 × 10 2 | 6,96 × 10 −3 | 1,31 × 10 −8 |
244 Pu | 80,8 × 10 6 | 0,12 | 8,05 × 10 2 | 2.0 | 1,61 × 10 3 | 5,01 × 10 −7 | 2,51 × 10 −8 |
250 Cm | 9.000 | 80,0 | 4,7 × 10 9 | 3.3 | 1,55 × 10 10 | 4,87 × 10 −3 | 0,147 |
252 Jf | 2,645 | 3.09 | 6,13 × 10 11 | 3,73 | 2,3 × 10 12 | 19.76 | 19.15 |
I praksis inneholder plutonium 239 alltid en viss mengde plutonium 240 på grunn av absorpsjon av nøytroner i reaktorer; imidlertid gjør den høye frekvensen av spontan fisjon av plutonium 240 det til en uønsket forurensning i militært plutonium. Sistnevnte oppnås derfor i spesielle reaktorer som gjør det mulig å holde en mengde plutonium 240 på mindre enn 7%.
Den termiske kraften som følge av spontan fisjon er ubetydelig sammenlignet med den som skyldes alfa-forfall bortsett fra de tyngste kjernene.
Når det gjelder såkalte innsettings-A-bomber , må den kritiske massen oppnås på mindre enn et millisekund, i løpet av hvilken tid forekomsten av fisjon må være lav. Det eneste fissile materialet som kan brukes i disse bombene er derfor uran 235.
Rekylen av kjernene produsert ved spontan fisjon forårsaker defekter i krystallet som var vert for det sprukne radionuklidet. Disse krystalldefektene, kalt spor av fisjon , vedvarer i fravær av betydelig oppvarming.
Ved virkning av en syre kan sporene av fisjon som er tilstede på overflaten av en prøveseksjon utvikles (som utvikling av fotografiske filmer ) og dermed bli synlige under et mikroskop. Antallet av uran 238 fisjonsspor er grunnlaget for en absolutt dateringsmetode som kalles fisjonssporedatering . Tellingen av plutonium 244 , en utdød radioaktivitet , tillater en relativ datering av svært gamle prøver (flere milliarder år).