Phản ứng phân hạch
Tổng quan về vật lý > Năng lượng > Đầu vào

Sự phân hạch của một hạt nhân nặng đòi hỏi tổng năng lượng đầu vào khoảng 7 đến 8 triệu electron volt (MeV) để bước đầu vượt qua lực hạt nhân giữ hạt nhân thành hình cầu hoặc gần như hình cầu, và từ đó, biến dạng nó thành hai hình thùy ("đậu phộng") trong đó các thùy có thể tiếp tục tách ra khỏi nhau, được đẩy bởi điện tích dương lẫn nhau, trong quá trình phân hạch nhị phân phổ biến nhất (hai sản phẩm phân hạch tích điện dương + neutron). Một khi các thùy hạt nhân đã được đẩy đến một khoảng cách tới hạn, ngoài ra lực mạnh trong phạm vi ngắn không thể giữ chúng lại với nhau, quá trình phân tách của chúng tiến hành từ năng lượng của lực đẩy điện từ (phạm vi dài hơn) giữa các mảnh. Kết quả là hai mảnh phân hạch di chuyển xa nhau, ở mức năng lượng cao.
Khoảng 6 MeV của năng lượng phân hạch - đầu vào được cung cấp bởi liên kết đơn giản của một neutron phụ với hạt nhân nặng thông qua lực mạnh; tuy nhiên, trong nhiều đồng vị phân hạch, lượng năng lượng này không đủ để phân hạch. Uranium-238, chẳng hạn, có tiết diện phân hạch gần bằng 0 đối với các neutron có ít hơn một năng lượng MeV. Nếu không có năng lượng bổ sung được cung cấp bởi bất kỳ cơ chế nào khác, hạt nhân sẽ không phân hạch, mà sẽ chỉ hấp thụ neutron, như xảy ra khi U-238 hấp thụ chậm và thậm chí một số phần của neutron nhanh, để trở thành U-239. Năng lượng còn lại để bắt đầu phân hạch có thể được cung cấp bởi hai cơ chế khác: một trong số đó là động năng nhiều hơn của neutron tới, nó ngày càng có khả năng phân hạch hạt nhân nặng có thể phân hạch khi nó vượt quá năng lượng động học của một MeV trở lên (vì vậy- gọi là neutron nhanh). Các neutron năng lượng cao như vậy có thể phân hạch trực tiếp U-238 (xem vũ khí nhiệt hạch để ứng dụng, trong đó các neutron nhanh được cung cấp bởi phản ứng tổng hợp hạt nhân). Tuy nhiên, quá trình này không thể xảy ra ở một mức độ lớn trong lò phản ứng hạt nhân, vì một phần quá nhỏ của các neutron phân hạch được tạo ra bởi bất kỳ loại phân hạch nào cũng có đủ năng lượng để phân hạch hiệu quả U-238 (neutron phân hạch có năng lượng chế độ 2 MeV, nhưng trung bình chỉ 0,75 MeV, có nghĩa là một nửa trong số chúng có ít hơn năng lượng không đủ này).
Tuy nhiên, trong số các nguyên tố actini nặng, những đồng vị có số neutron lẻ (chẳng hạn như U-235 với 143 neutron) liên kết thêm một neutron với năng lượng tăng thêm 1 đến 2 MeV so với đồng vị của cùng một nguyên tố số lượng neutron (như U-238 với 146 neutron). Năng lượng liên kết bổ sung này được tạo sẵn do kết quả của cơ chế tạo hiệu ứng ghép neutron. Năng lượng bổ sung này là kết quả của nguyên tắc loại trừ Pauli cho phép một neutron phụ chiếm cùng quỹ đạo hạt nhân như neutron cuối cùng trong hạt nhân, do đó hai người tạo thành một cặp. Do đó, trong các đồng vị như vậy, không cần động năng neutron, vì tất cả năng lượng cần thiết được cung cấp bằng cách hấp thụ bất kỳ neutron nào, hoặc là loại chậm hoặc nhanh (trước đây được sử dụng trong các lò phản ứng hạt nhân được kiểm duyệt, và sau đó được sử dụng nhanh lò phản ứng neutron, và trong vũ khí). Như đã lưu ý ở trên, nhóm các nguyên tố phân hạch có thể được phân hạch hiệu quả với các neutron phân hạch của chính chúng (do đó có khả năng gây ra phản ứng chuỗi hạt nhân với lượng tương đối nhỏ của vật liệu tinh khiết) được gọi là " phân hạch ". Ví dụ về đồng vị phân hạch là uranium-235 và plutonium-239.