Warum U235 statt U238?

Keine der Antworten geht darauf ein, was spaltbar wirklich bedeutet, warum spaltbare Materialien verwendet werden und warum nicht nicht spaltbare Materialien.

• Die Spaltung eines spaltbaren Isotops setzt von Natur aus eine probabilistische Anzahl von Neutronen frei, deren Durchschnitt zwischen 2 und 4 pro Spaltung liegt (untere Tabelle (v-Balken)) , und diese Zahl ist kein Hauptkriterium für die Auswahl eines Isotops.
• Im Gegensatz zu einigen Kommentaren hier kann die Spaltung von U-238 und die nukleare Stabilität nicht nur mit hohen Neutronenzahlen zusammenhängen.

Der Schlüsselteil der Definition von spaltbar ist, dass ein spaltbares Material die Spaltung mit Neutronen jeder Energie aufrechterhalten kann . Dies bedeutet, dass jedes Neutron in der lokalen Neutronenpopulation eine Spaltung verursachen kann, obwohl im Fall der meisten Isotope (einschließlich U-235) Neutronen mit niedrigerer "thermischer" Energie eher eine Spaltung verursachen. Dieser Punkt wird mit einem grundlegenden Verständnis der energieabhängigen Neutronenquerschnitte und der kritischen Energie jedes Isotops verstanden .

Kritische Energie ist das Anregungsenergieniveau des Kerns, oberhalb dessen eine Spaltung stattfinden kann.

• Bei spaltbaren Isotopen wie U-235 liegt die kritische Energie bei oder unter der Erregung des Kerns, wenn dieser ein Neutron absorbiert hat. Jedes absorbierte Neutron kann also in diesen Kernen eine Spaltung verursachen, obwohl sie immer noch eine Einfangwahrscheinlichkeit haben (U-235 kann ein Neutron absorbieren und zu U-236 werden, anstatt zu spalten).
• Bei spaltbaren und nicht spaltbaren Isotopen wie U-238 ist die kritische Energie größer als die Anregung des Kerns, wenn er ein Neutron absorbiert hat, sodass das Neutron zusätzliche Energie bringen muss, um eine Spaltung zu bewirken.
• Niedrige kritische Energie und Spaltbarkeit sind im Allgemeinen mit ungeraden Neutronenzahlen verbunden.

Energieabhängige Neutronenquerschnitte

• Das Diagramm im Link zeigt, dass nur Neutronen mit sehr hoher Energie eine Spaltung in U-238 (braune Linie ganz rechts) verursachen können (beachten Sie die logarithmischen Achsen), was mit dem Konzept der kritischen Energie korreliert; nur Neutronen über einer bestimmten Energie bringen genug zum U-238-Kern, um ihn über seine kritische Energie zu bringen.
• Es zeigt auch, dass jede Neutronenenergie eine Spaltung in U-235 verursachen kann.

Antworten

• Da aus der Spaltung bei der für die Spaltung von U-238 (und anderen nicht spaltbaren Isotopen) erforderlichen Energie zu wenige Neutronen entstehen, ist eine Reaktion nur mit U-238 nicht nachhaltig.
• Alle Neutronen können in U-235 eine Spaltung verursachen, daher ist seine Reaktion nachhaltig.

Die Voraussetzung dafür, dass ein Material spaltbar ist ( um eine Kettenspaltungsreaktion aufrechterhalten zu können), besteht nicht nur darin, dass es Neutronen hat, sondern dass jede Spaltung genügend Neutronen mit der richtigen Energie freisetzt, um weitere Reaktionen auszulösen.

Zufälligerweise ist U-238 nicht spaltbar (und ich kenne keinen einfachen Grund dafür, es ist nur die Art und Weise, wie die Gleichungen funktionieren). Sie können es mit einem schnellen Neutron brechen, aber es wird nicht genug schnelle Neutronen freisetzen, um dies fortzusetzen.

U-235 hingegen ist sehr empfindlich gegenüber langsamen Neutronen ( laut Wikipedia fast 600-mal empfindlicher ). Außerdem setzt es beim Aufbrechen oft mehrere Neutronen frei. Und es ist einfacher, zu schnelle Neutronen zu verlangsamen (das tun Moderatoren ), als zu langsame zu beschleunigen.

Es ist nur ein unglücklicher Zufall, dass U-238 3 Neutronen mehr hat als U-235, und die Lehrbuch-Uran-Kettenreaktion beinhaltet die Freisetzung von 3 freien Neutronen, also denken die Leute, U-238 sei das spaltbare Material. In Wirklichkeit setzt U-235 die 3 Neutronen frei (es hat sowieso viel übrig), und daher müssen wir hart daran arbeiten, das ziemlich seltene U-235 zu erwerben, um die Kraft der Kettenreaktionen zu nutzen.

Es hängt nicht von der Anzahl der Neutronen ab, die es hat, sondern von der Anzahl der Neutronen, die es in jedem Schritt der Kettenreaktion freisetzt. Darauf basierend wird das Isotop ausgewählt.