Продукты деления урана в ядерной физике¶

Продукты деления урана — совокупность атомных ядер, образующихся при делении ядер изотопов урана (в первую очередь урана-235 и урана-233) под действием нейтронов и других частиц. Деление тяжёлого ядра сопровождается разрывом на два (реже три) осколка сравнимой массы, испусканием нескольких нейтронов и выделением значительной энергии — около 200 МэВ на один акт деления.

¶Механизм образования

При захвате нейтрона ядро урана-235 переходит в возбуждённое состояние и с высокой вероятностью делится. Образующиеся осколки сильно перегружены нейтронами относительно линии стабильности, поэтому они радиоактивны и претерпевают цепочки бета-распадов, постепенно приближаясь к стабильным ядрам. Совокупность таких последовательных распадов называют цепочкой распада, а промежуточные нуклиды — продуктами деления.

¶Распределение по массам

Продукты деления распределены по массам асимметрично: выход имеет два максимума — в области масс примерно 95 и 135 атомных единиц массы. Деление на два равных осколка маловероятно. Типичные представители лёгкой группы — изотопы стронция, циркония, молибдена; тяжёлой группы — изотопы йода, ксенона, цезия, бария.

¶Важнейшие нуклиды

Среди продуктов деления выделяют несколько групп по практической значимости:

• Газообразные: криптон-85, ксенон-133, ксенон-135 — сильные поглотители нейтронов, влияют на работу реактора (ксеноновое отравление).
• Летучие: йод-131, цезий-137 — определяют радиоактивное загрязнение при авариях.
• Долгоживущие: стронций-90 (период полураспада около 29 лет), цезий-137 (около 30 лет), технеций-99 — основные дозообразующие нуклиды в отработавшем топливе.
• Выгорающие поглотители: самарий-149, ксенон-135.

¶Запаздывающие нейтроны

Небольшая доля нейтронов (менее 1 %) испускается не мгновенно при делении, а при распаде отдельных осколков — предшественников запаздывающих нейтронов (например, брома-87, йода-137). Именно эти нейтроны обеспечивают возможность управляемого регулирования цепной реакции, поскольку их запаздывание составляет секунды и десятки секунд.

¶Практическое значение

Продукты деления определяют радиоактивность отработавшего ядерного топлива, его остаточное тепловыделение и радиотоксичность. Их накопление приводит к выгоранию топлива и отравлению реактора. В переработке облучённого топлива продукты деления отделяют от урана и плутония. Некоторые из них находят применение: цезий-137 и стронций-90 используются в радиоизотопных источниках, молибден-99 — для получения медицинского технеция-99m.

¶Управление и учёт

В реакторной физике оперируют понятием выхода продукта деления — вероятности образования данного нуклида на один акт деления. Суммарный выход по всем массам нормируется на 200 % (по 100 % на каждую из двух групп осколков). Учёт накопления продуктов деления лежит в основе расчётов топливных циклов, радиационной защиты и обращения с радиоактивными отходами.