Продукти ядерного поділу – це атомні фрагменти, що залишаються після того, як велике атомне ядро зазнає ядерного поділу. Як правило, велике ядро, таке як ядро урану, ділиться на два менших ядра разом з кількома нейтронами, вивільняючи теплову енергію (кінетичну енергію ядер) та гамма-промені. Два менших ядра є продуктами поділу.
Близько 0,2% до 0,4% поділів є потрійними поділами, в результаті яких утворюється третє легке ядро, таке як гелій-4 (90%) або тритій (7%).
Самі продукти поділу зазвичай нестабільні, а отже, радіоактивні. Через те, що вони відносно багаті на нейтрони для свого атомного номера, багато з них швидко зазнають бета-розпаду. Це вивільняє додаткову енергію у вигляді бета-частинок, антинейтрино та гамма-променів. Таким чином, процеси поділу зазвичай супроводжуються бета- та додатковим гамма-випромінюванням, яке виникає одразу після них, хоча це випромінювання не утворюється безпосередньо під час самого акту поділу.
Утворені радіонукліди мають різний період напіврозпаду, а отже, різну радіоактивність. Наприклад, стронцій-89 та стронцій-90 утворюються в однакових кількостях при поділі, і кожне ядро розпадається шляхом бета- випромінювання. Але 90Sr має період напіврозпаду 30 років, а 89Sr – 50,5 дня. Таким чином, за 50,5 дня розпадається половина атомів 89Sr, випромінюючи таку ж кількість бета-частинок, як і розпадів; менш як 0,4% атомів 90Sr розпалося, випромінюючи лише 0,4% бета-частинок. Швидкість радіоактивного випромінювання є найвищою для радіонуклідів із найкоротшим періодом існування, хоча саме вони також розпадаються найшвидше. Крім того, менш стабільні продукти поділу рідше розпадаються безпосередньо до стабільних нуклідів, натомість перетворюючись на інші радіонукліди, які зазнають подальших розпадів і випромінювання, що збільшує загальний радіаційний вихід. Саме ці короткоживучі продукти поділу становлять безпосередню небезпеку відпрацьованого ядерного палива, а енергія, що вивільняється під час радіоактивного розпаду, також створює значну кількість тепла, яку необхідно враховувати під час зберігання відпрацьованого палива. Оскільки утворюються сотні різних радіонуклідів, початковий рівень радіоактивності швидко знижується внаслідок розпаду короткоживучих радіонуклідів, але ніколи не зникає повністю, оскільки довгоживучі радіонукліди становлять дедалі більшу частку нестабільних атомів, що залишаютьсяF. William Walker, Dr. George J. Kirouac, Francis M. Rourke. 1977. Chart of the Nuclides, twelfth edition. Knolls Atomic Power Laboratory, General Electric Company.. Фактично, короткоживучі продукти поділу мають настільки значний вплив, що 87 % із них розпадаються до стабільних ізотопів протягом першого місяця після вилучення палива з активної зони реактора
Формування та розпад Сума атомних мас двох атомів, що утворюються в результаті поділу одного атома, що ділиться, завжди менша за атомну масу вихідного атома. Це пояснюється тим, що частина маси втрачається у вигляді вільних нейтронів, і як тільки кінетична енергія продуктів поділу видалена (тобто продукти охолоджуються для вилучення тепла, що утворюється в результаті реакції), то маса, пов'язана з цією енергією, також втрачається системою і, таким чином, здається, «відсутня» в охолоджених продуктах поділу.
Оскільки ядра, які можуть легко зазнавати поділу, особливо багаті на нейтрони (наприклад, 61% нуклонів в урані-235 є нейтронами), початкові продукти поділу часто більш багаті на нейтрони, ніж стабільні ядра тієї ж маси, що й продукт поділу (наприклад, стабільний цирконій -90 містить 56% нейтронів порівняно з нестабільним стронцієм -90, який має 58%). Тому початкові продукти поділу можуть бути нестабільними і зазвичай зазнають бета-розпаду, щоб перейти до стабільної конфігурації, перетворюючи нейтрон на протон з кожним бета-випромінюванням.
Більшість продуктів поділу не розпадаються шляхом альфа-розпаду.
Деякі збагачені нейтронами та короткоживучі первинні продукти поділу зазнають звичайного бета-розпаду (що є джерелом помітного періоду напіврозпаду, зазвичай від кількох десятих секунди до кількох секунд), після чого збуджений дочірній нуклід негайно випромінює нейтрон. Цей процес є джерелом так званих запізнілих нейтронів, які відіграють важливу роль в управлінні ядерним реактором.
Перші бета-розпади відбуваються швидко та можуть вивільняти високоенергетичні бета-частинки або гамма-випромінювання. Однак, коли продукти поділу наближаються до стабільних ядерних умов, останні один або два розпади можуть мати тривалий період напіврозпаду та вивільняти менше енергії.
Радіоактивність з плином часу Продукти поділу мають періоди напіврозпаду 90 років () або менше, за винятком семи довгоживучих продуктів поділу, періоди напіврозпаду яких становлять 211 100 років () або більше. Таким чином, загальна радіоактивність суміші чистих продуктів поділу швидко зменшується протягом перших кількох сотень років (переважно визначається короткоживучими продуктами), після чого стабілізується на низькому рівні, який мало змінюється протягом сотень тисяч років (переважно визначається сімома довгоживучими продуктами).
Така поведінка чистих продуктів поділу без актиноїдів контрастує з розпадом палива, яке все ще містить актиноїди. Це паливо виробляється в так званому «відкритому» (тобто без переробки ядерної енергії) ядерному паливному циклі. Деякі з цих актиноїдів мають періоди напіврозпаду в пропущеному діапазоні приблизно від 100 до 200 000 років, що створює певні труднощі з планами зберігання в цьому часовому діапазоні для непереробленого палива відкритого циклу.
Прихильники ядерних паливних циклів, які прагнуть поглинути всі актиноїди шляхом поділу, такі як інтегральний швидкий реактор та реактор на розплавлених солях, використовують цей факт, щоб стверджувати, що протягом 200 років їхні паливні відходи не будуть більш радіоактивними, ніж вихідна уранова руда.
Продукти поділу переважно випромінюють бета-випромінювання, тоді як актиноїди переважно випромінюють альфа-випромінювання. Багато з них також випромінюють гамма-випромінювання.
Вихід продуктів поділу Кожен акт поділу материнського атома призводить до утворення певного набору атомів продуктів поділу. Однак, хоча окремий акт поділу неможливо передбачити, розподіл продуктів поділу можна описати статистично. Кількість певного ізотопу, що утворюється під час одного акту поділу, називається його виходом і зазвичай виражається у відсотках відносно одного поділу материнського ядра. Тому сума виходів становить 200 %, а не 100 %. (Фактична загальна сума дещо перевищує 200 % через рідкісні випадки потрійного поділу).
Хоча продукти поділу включають усі елементи від цинку до лантаноїдів, більшість продуктів поділу зустрічаються у двох піках. Один пік виникає приблизно в діапазоні (виражено атомними масами від 85 до 105) стронцію до рутенію, тоді як інший пік - приблизно в діапазоні від телуру до неодиму (виражено атомними масами від 130 до 145). Вихід певною мірою залежить від батьківського атома, а також від енергії ініціюючого нейтрона.
Загалом, чим вища енергія стану, що зазнає ядерного поділу, тим більша ймовірність того, що два продукти поділу матимуть подібну масу. Отже, зі збільшенням енергії нейтронів та/або енергії атома, що ділиться, западина між двома піками стає більш поверхневою. Наприклад, крива залежності виходу від маси для 239Pu має більш поверхневу западину, ніж та, що спостерігається для 235U, коли нейтрони є тепловими нейтронами. Криві для поділу пізніших актиноїдів мають тенденцію утворювати ще більш поверхневі западини. У крайніх випадках, таких як 259Fm, спостерігається лише один пік; це є наслідком того, що симетричний поділ стає домінуючим через оболонкові ефекти.
На сусідньому рисунку показано типовий розподіл продуктів поділу, що утворюються внаслідок поділу урану. Варто зазначити, що в розрахунках, використаних для побудови цього графіка, активація продуктів поділу не враховувалася, а також передбачалося, що всі акти поділу відбуваються одночасно, а не протягом певного періоду часу. На цій стовпчастій діаграмі результати наведені для різних часів охолодження (тобто часу, що минув після поділу). Через стабільність ядер із парною кількістю протонів та/або нейтронів крива виходу залежно від хімічного елемента не є гладкою, а демонструє тенденцію до чергування значень. Водночас крива виходу залежно від масового числа є гладкішою.
Виробництво Невелика кількість продуктів поділу природним чином утворюється в результаті або спонтанного поділу природного урану, який відбувається з низькою швидкістю, або в результаті нейтронів від радіоактивного розпаду чи реакцій з частинками космічних променів. Мікроскопічні сліди, залишені цими продуктами поділу в деяких природних мінералах (головним чином апатиті та цирконі), використовуються в датуванні за треками поділу для визначення віку охолодження (кристалізації) природних гірських порід. Цей метод має ефективний діапазон датування цього методу становить від 0,1 млн років до понад 1 млрд років залежно від використаного мінералу та концентрації урану в ньому.
Близько 1,5 мільярдів років тому в Африці, в урановому рудному тілі, природний ядерний реактор поділу працював кілька сотень тисяч років і виробив приблизно 5 тонн продуктів поділу. Ці продукти поділу були важливими доказами того, що природний реактор мав місце. Продукти поділу утворюються в результаті вибухів ядерної зброї, причому їх кількість залежить від типу зброї. Найбільшим джерелом продуктів поділу є ядерні реактори. У сучасних ядерних реакторах близько 3% урану в паливі перетворюється на продукти поділу як побічний продукт виробництва енергії. Більшість цих продуктів поділу залишаються в паливі, якщо не відбудеться відмова паливного елемента або ядерна аварія, або паливо не буде перероблено.
Енергетичні реактори Комерційні ядерні реактори поділу працюють у самозгасаючому підкритичному стані. Деякі продукти поділу розпадаються протягом кількох секунд або хвилин, утворюючи додаткові затримані нейтрони, необхідні для підтримки критичності. Прикладом є бром-87 з періодом напіврозпаду близько хвилини. Працюючи в цьому затриманому критичному стані, потужність змінюється досить повільно, щоб забезпечити керування людиною та автоматичне керування. Аналогічно пожежним заслінкам, що змінюють рух деревного вугілля до нового палива, регулювальні стрижні переміщуються, коли ядерне паливо згорає з часомPrompt and Delayed Neutrons.Той факт, що нейтрон утворюється внаслідок такого типу розпаду і що це відбувається на кілька порядків величини пізніше порівняно з випромінюванням миттєвих нейтронів, відіграє надзвичайно важливу роль у керуванні роботою реактора.nuclear education for K-12 students. Myths About Nuclear Energy.Неможливо, щоб реактор вибухнув так само, як ядерна зброя; така зброя містить спеціальні матеріали в дуже специфічних конфігураціях, і жодна з цих умов не присутня в ядерному реакторі..
У ядерному енергетичному реакторі основними джерелами радіоактивності є продукти поділу разом з актиноїдами та продуктами активації. Продукти поділу складають більшу частину радіоактивності протягом перших кількох сотень років, тоді як актиноїди переважають приблизно 103 to 105 років після використання палива.
Більшість продуктів поділу зберігаються поблизу місць їх утворення. Вони важливі для роботи реактора не лише тому, що деякі з них забезпечують запізнілі нейтрони, корисні для керування реактором, але й тому, що деякі є нейтронними отрутами, що гальмують ядерну реакцію. Накопичення нейтронних отрут є ключовим фактором того, як довго даний паливний елемент може зберігатися в реакторі. Розпад продуктів поділу також генерує тепло, яке продовжує виділятися навіть після того, як реактор був зупинений, а процес поділу припинено. Це тепло розпаду потребує видалення після зупинки; втрата цього охолодження пошкодила реактори на Три-Майл-Айленді та Фукусімі.