Fiziğin Muhteşem DünyasıEtkileşimli fizik simülasyonları
Ana sayfa › Nükleer Fizik › Nükleer Fisyon · Füzyon · Reaktörler

Nükleer Fisyon, Zincirleme Reaksiyon ve Füzyon

Fisyon: ²³⁵U bir nötron yakalayınca ²³⁶U* oluşur. Bu çekirdek ortalama $\nu \approx 2.4$ hızlı nötron ve iki parçayla birlikte yaklaşık 200 MeV açığa çıkararak bölünür. Bir nesildeki nötron sayısının bir önceki nesildekine oranı çoğaltma katsayısı $k$'dır: $$k = \nu\,\frac{\Sigma_f}{\Sigma_f + \Sigma_c + \Sigma_{\text{çubuk}}}\;P_{\text{kaçmama}}$$ $k<1$ alt kritik, $k=1$ kritik (kararlı reaktör), $k>1$ üst kritik durumdur. Örnek küçüldükçe yüzey/hacim oranı artar ve kaçan nötron oranı yükselir; $k=1$ veren boyuta kritik boyut denir.

Sıvı damla modeli: küçük bir $\alpha$ şekil bozulmasında yüzey enerjisi artar, Coulomb enerjisi azalır: $$\Delta E(\alpha) = \tfrac{2}{5}\alpha^2\left(E_s - \tfrac{1}{2}E_C\right) - \tfrac{4}{105}\alpha^3 (E_s + E_C)$$ Çekirdek, bölünebilirlik parametresi $x = E_C/2E_s$ 1'e yaklaştıkça bölünmeye karşı kararsızlaşır ($Z^2/A \approx 2a_s/a_c \approx 47$).

Füzyon: çekirdekler Coulomb engelini tünelleyerek birleşir. Reaksiyon olasılığı, Maxwell–Boltzmann dağılımının kuyruğu $e^{-E/kT}$ ile tünelleme olasılığı $e^{-\sqrt{E_G/E}}$'nin çarpımıyla orantılıdır. Bu çarpım Gamow tepesi'ni verir: $$E_0 = \left(\frac{E_G (kT)^2}{4}\right)^{1/3},\qquad \Delta = \frac{4}{\sqrt3}\sqrt{E_0 kT},\qquad E_G = 2\mu c^2(\pi\alpha Z_1 Z_2)^2$$

Kullanılan değerler ve varsayımlar

Yarı deneysel kütle formülü (Krane): $a_v = 15.5$, $a_s = 16.8$, $a_c = 0.72$, $a_a = 23$, $a_p = 34$ MeV. ²³⁵U termal fisyon enerjisinin dağılımı da Krane'den alındı (MeV): parçaların kinetik enerjisi 168, ani nötronlar 5, ani γ 7, β 8, antinötrinolar 12, gecikmeli γ 7. Zincirleme reaksiyon modeli eğitim amaçlıdır: nötronlar tek hızlı kabul edilir, ortalama serbest yol 1 birimdir, her çarpışmada sabit olasılıklarla saçılma, fisyon, yakalanma veya çubuk soğurması olur (2B rastgele yürüyüş). Sıvı damla engelinin modelde ~8 MeV çıkması, gerçek ~6 MeV'tan büyüktür; aradaki fark kabuk etkilerinden gelir ve model bunları içermez.

Parametreler

Nüfus 4000 nötronu aşarsa her nesil yeniden örneklenir (gösterim sınırı); grafikteki $N$ gerçek sayıyı izlemeye devam eder.

fisyonyakalanma / çubukkaçan nötron

Hesaplama

Bunu dene

1. Zincirleme reaksiyonda moderatörü açın, çubukları sıfırlayın ve yarıçapı 3 birime indirin. Ölçülen $k$ nedir? "Kritik yarıçapı bul" ile $k = 1$ veren yarıçapı bulun.

Açıklama
Sonsuz ortamda $k_\infty = 2.4 \times 0.60 = 1.44$ olur. $R = 3$ birimde nötronlar birçok saçılma yaptığı için yarıya yakını kaçar ve $k \approx 0.73$ (alt kritik) çıkar. Kritik yarıçap varsayılan değerlerle yaklaşık 5 ortalama serbest yoldur. Çubuk soğurması arttıkça kritik yarıçap büyür. Moderatörü kapatınca $k_\infty = 2.4\times0.35 = 0.84 < 1$ olur ve hiçbir boyutta kritik olunamaz.

2. Sıvı damla modunda ²³⁶U için fisyon engelini ve simetrik bölünmede açığa çıkan $Q$'yu okuyun. Sonra ⁵⁶Fe seçin. Ne değişti?

Açıklama
²³⁶U: $x \approx 0.77$, engel ≈ 8 MeV (model), simetrik bölünmede $Q \approx 190$ MeV. ⁵⁶Fe: $x \approx 0.21$, engel çok yüksek ve $Q < 0$; demir civarında $B/A$ en büyük olduğundan bölünme enerji tüketir.

3. Füzyon modunda D–T için $kT = 10$ keV seçin. Gamow tepesi hangi enerjide? p–p reaksiyonunda Güneş merkezindeki koşullar ($kT \approx 1.3$ keV) için tepe nerede?

Açıklama
D–T: $E_G = 1182$ keV, $E_0 = (1182\times100/4)^{1/3} \approx 30.9$ keV, yani ortalama termal enerjinin ($\tfrac32 kT = 15$ keV) yaklaşık iki katı. p–p: $E_G = 493$ keV, $E_0 \approx 5.9$ keV. Her iki durumda da reaksiyonları dağılımın kuyruğundaki az sayıda parçacık yapar.

Nükleer Fizik dersindeki diğer simülasyonlar