วัสดุฟิสไซล์

วัสดุฟิสไซล์ () ในวิศวกรรมนิวเคลียร์ หมายถึงวัสดุที่สามารถรักษาปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ฟิชชันให้ยั่งยืน โดยคำนิยาม วัสดุฟิสไซล์สามารถรักษาปฏิกิริยาลูกโซ่ให้ยั่งยืนด้วยนิวตรอนที่มีพลังงานใด ๆ พลังงานนิวตรอนที่เป็นส่วนสำคัญหลักอาจแบ่งออกเป็นหลายชนิด เช่น นิวตรอนช้า (เช่น ระบบร้อน) หรือ นิวตรอนเร็ว วัสดุฟิสไซล์สามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงใน
 เครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนความร้อน ()  
 เครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนเร็ว () 
 ระเบิดนิวเคลียร์

 "ฟิสไซล์" เปรียบเทียบกับ "ฟิชชัน" 
ตาม "กฎของฟิสไซล์" สำหรับองค์ประกอบเคมีหนักที่มี 90 ≤ Z ≤ 100 ไอโซโทปของมันที่มี 2 × Z − N = 43 ± 2 ด้วยข้อยกเว้นบางอย่าง เป็นฟิสไซล์ (เมื่อ N = จำนวนของนิวตรอน และ Z = จำนวนของโปรตอน)Ronen Y., 2006. A rule for determining fissile isotopes. Nucl. Sci. Eng., 152:3, pages 334-335. The fissile rule thus formulated indicates 33 isotopes as likely fissile: Th-225, 227, 229; Pa-228, 230, 232; U-231, 233, 235; Np-234, 236, 238; Pu-237, 239, 241; Am-240, 242, 244; Cm-243, 245, 247; Bk-246, 248, 250; Cf-249, 251, 253; Es-252, 254, 256; Fm-255, 257, 259. Only thirteen (including a long-lived metastable nuclear isomer) have half-lives of at least a year: Th-229, U-233, U-235, Np-236, Pu-239, Pu-241, Am-242m, Cm-243, Cm-245, Cm-247, Cf-249, Cf-251 and Es-252. Of these, only U-235 is naturally occurring. It is possible to breed U-233 and Pu-239 from more common naturally occurring isotopes (Th-232 and U-238 respectively) by single neutron capture. The others are typically produced in smaller quantities through.


"ฟิสไซล์" ต่างจาก "ฟิชชัน" นิวไคลด์ที่สามารถเกิดฟิชชันได้ (แม้ว่าจะมีความเป็นไปได้ต่ำ) หลังการจับนิวตรอนพลังงานสูงจะถูกเรียกว่า "ฟิชชัน" นิวไคลด์ที่ฟิชชันได้ที่สามารถถูกเหนี่ยวนำให้เกิดฟิชชันด้วยนิวตรอนความร้อนพลังงานต่ำที่มีความเป็นไปได้สูงจะถูกเรียกว่า "ฟิสไซล์" แม้ว่าสองคำนี้แต่เดิมมีความหมายเหมือนกัน วัสดุที่ฟิชชันได้จะรวมถึงพวก (เช่น ยูเรเนียม-238) ที่สามารถถูกฟิชชันด้วยนิวตรอนพลังงานสูงเท่านั้น ผลก็คือวัสดุฟิสไซล์ (เช่น ยูเรเนียม-235) เป็นชุดย่อยของวัสดุที่ฟิสชันได้ 

ยูเรเนียม-235 จะ fission ด้วยนิวตรอนความร้อนพลังงานต่ำเนื่องจากพลังงานยึดเหนี่ยวในนิวเคลียส () ที่เป็นผลมาจากการดูดซับของนิวตรอนมีค่ามากกว่าพลังงานวิกฤตที่จำเป็นสำหรับการฟิชชัน; ดังนั้นยูเรเนียม-235 จึงเป็นวัสดุฟิสไซล์ ตรงกันข้ามพลังงานผูกพันที่ปล่อยออกมาจากยูเรเนียม-238 ในการดูดซับนิวตรอนความร้อนมีค่าน้อยกว่าพลังงานวิกฤต ดังนั้นนิวตรอนจะต้องมีพลังงานเพิ่มเติมสำหรับทำให้เกิดฟิชชันได้ ดังนั้น ยูเรเนียม-238 จึงเป็นวัสดุ fissionable แต่ไม่เป็นวัสดุฟิสไซล์

ความหมายอีกทางหนึ่งได้ให้คำจำกัดความของนิวไคลด์ฟิสไซล์ไว้ว่าเป็นพวกนิวไคลด์ที่สามารถถูกทำให้เกิดนิวเคลียร์ฟิชชั่นได้ (เช่น เป็น fissionable) และยังผลิตนิวตรอนจากฟิชชันดังกล่าวที่สามารถรักษาปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ให้ยั่งยืนในการตั้งค่าที่ถูกต้องอีกด้วย ภายใต้คำนิยามนี้ นิวไคลด์ที่ fissionable เท่านั้นจะเป็นพวกนิวไคลด์ที่สามารถถูกสร้างขึ้นมาเพื่อทำนิวเคลียร์ฟิชชั่นแต่ผลิตนิวตรอนไม่เพียงพอ ในด้านพลังงานหรือจำนวน เพื่อรักษาปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ให้ยั่งยืน เมื่อเป็นเช่นนี้ ในขณะที่ไอโซโทปฟิสไซล์ทุกตัวเป็น fissionable ไอโซโทป fissionable ทุกตัวก็ไม่ใช่ fissile ในบริบทการควบคุมอาวุธ เฉพาะอย่างยิ่งในข้อเสนอสำหรับ สนธิสัญญาตัดทิ้งวัสดุฟิสไซล์ () คำว่า "ฟิสไซล์" มักจะใช้เพื่ออธิบายวัสดุที่สามารถนำมาใช้ในฟิชชันเบื้องต้นของอาวุธนิวเคลียร์Fissile Materials and Nuclear Weapons , International Panel on Fissile Materials วัสดุเหล่านี้ใช้รักษาให้ยั่งยืนของปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์แบบฟิชชันเร็วสำหรับระเบิด

ภายใต้คำจำกัดความทั้งหมดข้างต้น ยูเรเนียม-238 เป็น fissionable แต่เพราะมันไม่สามารถรักษาความยั่งยืนของปฏิกิริยาลูกโซ่นิวตรอน มันจึงไม่ได้เป็น fissile นิวตรอนที่ผลิตโดยฟิชชันของ ยูเรเนียม-238 มีพลังงานจลน์ต่ำกว่านิวตรอนเดิม (พวกมันประพฤติตัวแบบใน การกระจัดกระจายไม่ยืดหยุ่น () มักจะต่ำกว่า 1 MeV (เช่น ความเร็วประมาณ 14,000 กิโลเมตร/วินาที) เกณฑ์ของฟิชชันที่จะทำให้เกิดฟิชชันตามมาของยูเรเนียม-238 ดังนั้น ฟิชชันของยูเรเนียม-238 จะไม่รักษาให้ยั่งยืนของปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์

ฟิชชันเร็วของยูเรเนียม-238 ในขั้นตอนที่สองของอาวุธนิวเคลียร์มีส่วนช่วยอย่างมากใน ผลผลิตอาวุธนิวเคลียร์และในผลร้ายที่ตามมาของนิวเคลียร์ ฟิชชันเร็วของยูเรเนียม-238 ยังทำให้มีส่วนร่วมอย่างมีนัยสำคัญในการส่งออกพลังงานของเครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนเร็วอีกด้วย

 นิวไคลด์ (ที่เป็น) ฟิสไซล์

โดยทั่วไป ไอโซโทป actinide ส่วนใหญ่ที่มี หมายเลขนิวตรอน เป็นเลขคี่จะเป็นฟิสไซล์ เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ส่วนใหญ่จะมี หมายเลขมวลอะตอม เป็นเลขคี่ (A = Z + N  = จำนวนรวมของ นิวคลีออน) และ หมายเลขอะตอม เป็นเลขคู่ Z นี่ก็หมายถึงจำนวนนิวตรอนเป็นจำนวนคี่ ไอโซโทปที่มีจำนวนนิวตรอนเป็นจำนวนคี่จะได้รับพลังงานเพิ่มเป็นพิเศษอีก 1-2 MeV จากการดูดซับหนึ่งนิวตรอนที่เกิน จากผลกระทบการจับคู่ซึ่งชอบพอจำนวนคู่ของทั้งนิวตรอนและโปรตอน พลังงานนี้ก็เพียงพอที่จะจ่ายพลังงานที่จำเป็นพิเศษสำหรับฟิชชันโดยนิวตรอนที่ช้ากว่า ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการทำไอโซโทปที่ fissionable ให้เป็น fissile ได้ด้วย

มากกว่าปกติ นิวไคลด์ที่มีจำนวนโปรตอนเป็นเลขคู่และจำนวนนิวตรอนเป็นเลขคู่ และอยู่ใกล้กับเส้นโค้งที่รู้จักกันดีในฟิสิกส์นิวเคลียร์ของเลขอะตอมเทียบกับจำนวนมวลอะตอมจะมีเสถียรภาพมากกว่าตัวอื่น ๆ ด้วยเหตุนี้ พวกมันมีโอกาสน้อยที่จะทำการฟิชชัน พวกมันมีแนวโน้มที่จะ "เพิกเฉย" นิวตรอนและปล่อยให้มันไปในทางของมัน หรือถ้าไม่ พวกมันจะดูดซับนิวตรอนแต่โดยไม่ได้รับพลังงานที่เพียงพอจากกระบวนการที่จะเปลี่ยนรูปนิวเคลียสพอสำหรับมันในการฟิชชัน ไอโซโทปที่เป็น "เลขคู่-เลขคู่" เหล่านี้ยังมีโอกาสน้อยที่จะทำการ ฟิชชันที่เกิดขึ้นเอง () และพวกมันยังมีครึ่งชีวิตบางส่วน () ค่อนข้างยาวมากสำหรับการสลายตัวของอัลฟาหรือเบต้า ตัวอย่างของไอโซโทปเหล่านี้คือยูเรเนียม-238 และ ทอเรียม-232

ในทางตรงกันข้าม นิวเคลียสที่มีจำนวนโปรตอนเป็นเลขคี่และจำนวนนิวตรอนเป็นเลขคี่ (Z คี่, N คี่) มักจะอายุสั้น (ยกเว้นที่น่าสังเกตคือ เนปทูเนียม-236 ที่มีครึ่งชีวิต 154,000 ปี) เพราะพวกมัน 'สลายตัวโดยการปล่อยอนุภาคเบต้า' ได้อย่างง่ายดายกลายเป็น isobars ที่มีจำนวนโปรตอนเป็นเลขคู่และจำนวนนิวตรอนเป็นเลขคู่ (Z คู่, N คู่), กลายเป็นเสถียรมากขึ้น พื้นฐานทางกายภาพสำหรับปรากฏการณ์นี้ยังมาจาก 'ผลการจับคู่' ในพลังงานผูกพันนิวเคลียร์ แต่คราวนี้จากการจับคู่ทั้งโปรตอน-โปรตอนและนิวตรอน-นิวตรอน ครึ่งชีวิตที่ค่อนข้างสั้นของไอโซโทปหนักแบบคี่-คี่เช่นนั้นหมายความว่าพวกมันจะมีปริมาณไม่พร้อมให้ใช้ได้ในและพวกมันมีกัมมันตภาพรังสีสูง

 เชื้อเพลิงนิวเคลียร์  

เพื่อที่จะเป็นเชื้อเพลิงที่มีประโยชน์สำหรับการเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์, วัสดุจะต้อง:

 อยู่ในพื้นที่ของเส้นโค้งพลังงานผูกพัน ในที่ซึ่งการเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชันมีความเป็นไปได้ (เช่น เหนือเรเดียม)
 มีความน่าจะเป็นของฟิชชันในการจับนิวตรอนที่สูง
 ปลดปล่อยสองนิวตรอนหรือมากกว่าโดยเฉลี่ยต่อการจับนิวตรอน (ซึ่งหมายความว่าจำนวนเฉลี่ยที่สูงขึ้นของพวกมันในแต่ละฟิชชัน เพื่อชดเชย nonfissions และการดูดซึมในตัวถ่วงปฏิกิริยา ()
 มีครึ่งชีวิตที่ยาวพอสมควร 
 มีปริมาณที่เหมาะสม

+อัตราส่วนระหว่างการจับต่อฟิชชั่นของนิวไคลด์ฟิสไซล์นิวตรอนความร้อน Epithermal neutrons	เอพิเทอร์มัลนิวตรอน, นิวตรอนที่มีพลังงานสูงกว่าเทอร์มัลนิวตรอนแต่ต่ำกว่านิวตรอนเร็ว มีพลังงานในช่วง 0.5 อิเล็กตรอนโวลต์ ถึง 1 แสนอิเล็กตรอนโวลต์ คำนี้มีความหมายเหมือนกับ intermediate neutron [นิวเคลียร์]σFσγ% σFσγ%531468.0%233U76014016%5859914.5%235U27514034%75027126.5%239Pu30020040%101036126.3%241Pu57016022%

นิวไคลด์ฟิสไซล์ในเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ได้แก่:

 ยูเรเนียม-235 ซึ่งเกิดขึ้นใน ยูเรเนียมธรรมชาติ และ ยูเรเนียมสมรรถนะสูง
 พลูโทเนียม-239 เพาะพันธุ์จาก ยูเรเนียม-238 โดย การจับนิวตรอน
 พลูโทเนียม-241 เพาะพันธุ์จาก พลูโตเนียม-240 โดยการจับนิวตรอน พลูโตเนียม-240 มาจาก พลูโตเนียม-239 โดยกระบวนการเดียวกัน
 ยูเรเนียม-233 เพาะพันธุ์จาก ทอเรียม-232 โดยการจับนิวตรอน

นิวไคลด์ฟิสไซล์ไม่ได้มีโอกาส 100% ของการทำฟิชชันในการดูดซึมของนิวตรอน โอกาสจะขึ้นอยู่กับนิวไคลด์เช่นเดียวกับพลังงานนิวตรอน สำหรับนิวตรอนพลังงานระดับต่ำและระดับกลาง, ภาคตัดขวางของการจับนิวตรอนสำหรับการฟิชชัน (σF), ภาคตัดขวางของการจับนิวตรอนด้วยการปล่อยรังสีแกมมา(σγ), และร้อยละของ non-fissions อยู่ในตารางด้านขวา

 กฎหมายควบคุม 

สำนักงานพลังงานปรมาณูระหว่างประเทศได้จัดประเภทวัสดุฟิสไซล์ตามระดับความปลอดภัยในการขนส่ง:Safe Transport of
Radioactive Materials, International Atomic Energy Agency, 196410CFR71, 49CFR173.403

 ฟิสไซล์ ระดับ I:  ไม่มีการควบคุม 
 ฟิสไซล์ ระดับ II:  จำกัดปริมาณของวัสดุในการขนส่ง
 ฟิสไซล์ ระดับ III: ต้องมีข้อกำหนดพิเศษในการขนส่ง

  ดูเพิ่ม 
 Fertile material
 Fission product
 Special nuclear material

 อ้างอิง 

หมวดหมู่:การออกแบบอาวุธนิวเคลียร์
หมวดหมู่:วัสดุฟิสไซล์
หมวดหมู่:ฟิสิกส์นิวเคลียร์