วัสดุฟิสไซล์

วัสดุฟิสไซล์ () ในวิศวกรรมนิวเคลียร์, หมายถึงวัสดุที่สามารถรักษาปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ฟิชชันให้ยั่งยืน. โดยคำนิยาม วัสดุฟิสไซล์สามารถรักษาปฏิกิริยาลูกโซ่ให้ยั่งยืนด้วยนิวตรอนที่มีพลังงานใดๆ. พลังงานนิวตรอนที่เป็นส่วนสำคัญหลักอาจแบ่งออกเป็นหลายชนิดเช่น นิวตรอนช้า(เช่นระบบร้อน) หรือ นิวตรอนเร็ว. วัสดุฟิสไซล์สามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงใน

ตาม "กฏของฟิสไซล์", สำหรับองค์ประกอบเคมีหนักที่มี 90 ≤ "Z" ≤ 100, ไอโซโทปของมันที่มี 2 × "Z" − "N" = 43 ± 2, ด้วยข้อยกเว้นบางอย่าง, เป็นฟิสไซล์ (เมื่อ "N" = จำนวนของนิวตรอน และ "Z" = จำนวนของโปรตอน).
"ฟิสไซล์"ต่างจาก"ฟิชชั่นได้". นิวไคลด์ที่สามารถเกิดฟิชชั่นได้(แม้ว่าจะมีความเป็นไปได้ต่ำ)หลังการจับนิวตรอนพลังงานสูงจะถูกเรียกว่า "ฟิชชั่นได้". นิวไคลด์ที่ฟิชชั่นได้ที่สามารถถูกเหนี่ยวนำให้เกิดฟิชชั่นด้วยนิวตรอนความร้อนพลังงานต่ำที่มีความเป็นไปได้สูงจะถูกเรียกว่า "ฟิสไซล์". แม้ว่าสองคำนี้แต่เดิมมีความหมายเหมือนกัน, วัสดุที่ฟิชชั่นได้จะรวมถึงพวก(เช่นยูเรเนียม-238)ที่สามารถถูกฟิชชั่นด้วยนิวตรอนพลังงานสูงเท่านั้น. ผลก็คือ, วัสดุฟิสไซล์(เช่นยูเรเนียม-235)เป็นชุดย่อยของวัสดุที่ฟิสชั่นได้.

ยูเรเนียม-235 จะ fission ด้วยนิวตรอนความร้อนพลังงานต่ำเนื่องจากพลังงานยึดเหนี่ยวในนิวเคลียส () ที่เป็นผลมาจากการดูดซับของนิวตรอนมีค่ามากกว่าพลังงานวิกฤตที่จำเป็นสำหรับการฟิชชัน; ดังนั้นยูเรเนียม-235 จึงเป็นวัสดุฟิสไซล์. ตรงกันข้าม, พลังงานผูกพันที่ปล่อยออกมาจากยูเรเนียม-238 ในการดูดซับนิวตรอนความร้อนมีค่าน้อยกว่าพลังงานวิกฤต, ดังนั้นนิวตรอนจะต้องมีพลังงานเพิ่มเติมสำหรับทำให้เกิดฟิชชันได้. ดังนั้นยูเรเนียม-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" มักจะใช้เพื่ออธิบายวัสดุที่สามารถนำมาใช้ในฟิชชันเบื้องต้นของอาวุธนิวเคลียร์. 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, ดังนั้นฟิชชันของยูเรเนียม-238 จะไม่รักษาให้ยั่งยืนของปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์.

ฟิชชันเร็วของยูเรเนียม-238 ในขั้นตอนที่สองของอาวุธนิวเคลียร์มีส่วนช่วยอย่างมากใน ผลผลิตอาวุธนิวเคลียร์และในผลร้ายที่ตามมาของนิวเคลียร์. ฟิชชันเร็วของยูเรเนียม-238 ยังทำให้มีส่วนร่วมอย่างมีนัยสำคัญในการส่งออกพลังงานของเครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนเร็วอีกด้วย.

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, และอยู่ใกล้กับเส้นโค้งที่รู้จักกันดีในฟิสิกส์นิวเคลียร์ของเลขอะตอมเทียบกับจำนวนมวลอะตอมจะมีเสถียรภาพมากกว่าตัวอื่นๆ; ด้วยเหตุนี้, พวกมันมีโอกาสน้อยที่จะทำการฟิชชั่น. พวกมันมีแนวโน้มที่จะ "เพิกเฉย" นิวตรอนและปล่อยให้มันไปในทางของมัน, หรือถ้าไม่, พวกมันจะดูดซับนิวตรอนแต่โดยไม่ได้รับพลังงานที่เพียงพอจากกระบวนการที่จะเปลี่ยนรูปนิวเคลียสพอสำหรับมันในการฟิชชั่น. 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

เพื่อที่จะเป็นเชื้อเพลิงที่มีประโยชน์สำหรับการเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์, วัสดุจะต้อง:นิวไคลด์ฟิสไซล์ในเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ได้แก่:นิวไคลด์ฟิสไซล์ไม่ได้มีโอกาส 100% ของการทำฟิชชันในการดูดซึมของนิวตรอน. โอกาสจะขึ้นอยู่กับนิวไคลด์เช่นเดียวกับพลังงานนิวตรอน. สำหรับนิวตรอนพลังงานระดับต่ำและระดับกลาง, ภาคตัดขวางของการจับนิวตรอนสำหรับการฟิชชัน (σ), ภาคตัดขวางของการจับนิวตรอนด้วยการปล่อยรังสีแกมมา(σ), และร้อยละของ non-fissions อยู่ในตารางด้านขวา.

สำนักงานพลังงานปรมาณูระหว่างประเทศได้จัดประเภทวัสดุฟิสไซล์ตามระดับความปลอดภัยในการขนส่ง: