Løsning af et mysterium:En ny model til at forstå, hvordan visse kerner splittes

Forskere ved Tokyo Institute of Technology har udvidet en eksisterende matematisk model, så den kan bruges til mere præcist at forudsige produkterne fra fissionsreaktioner.

Nuklear fission er en proces, hvorved kernen i et atom spaltes, generelt resulterer i dannelsen af ​​to mindre og ikke nødvendigvis lige atomer (dette kaldes binær fission, fordi der er to fissionsprodukter). Selvom fission er blevet udnyttet i årtier til at generere energi i atomkraftværker globalt, vores forståelse og modeller for fissionsreaktioner har stadig mange huller.

Forskere har observeret, at der er fire forskellige fissionstilstande, der bredt indikerer, hvilken type nuklear art, der vil blive genereret af en fissionsbegivenhed. Disse tilstande er relateret til formen af ​​de to kerner lige før kernen deler sig fuldstændigt (spaltning). To af dem kaldes standardtilstande og er asymmetriske; de producerer en lettere kerne og en tungere. De to andre kaldes super-lange og super-korte fission-tilstande, og begge producerer to næsten identiske kerner.

En model, der er blevet brugt til at forudsige fissionsprodukterne (og deres kinetiske energi) for forskellige tunge elementer, involverer 3D-Langevin-ligningerne. Disse 3D-ligninger er baseret på tre variabler, der er defineret for en atomkerne, der er ved at undergå binær fission:afstanden mellem midten af ​​venstre og højre fragment, deformation af deres spidser, og deres forskel i masse eller volumen, kaldes masseasymmetri.

Selvom denne model med succes er blevet brugt til mange tunge kerner, dens forudsigelser kunne ikke matche de eksperimentelle data for noget fermium ( ²⁵⁶ Fm og ²⁵⁸ Fm) og mendelevium ( ²⁶⁰ Md) isotoper.

I et forsøg på at forbedre denne model og bruge den til at forstå, hvad der foregår for disse isotoper, et team af forskere ved Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), herunder Prof. Satoshi Chiba, brugte 4-D Langevin ligninger. Ligningerne for denne nye model, som er vist i fig. "Model for en kerne, der skal under fission", byttede variablen, der angav deformationen af ​​fragmentets spidser med to uafhængige variabler, der tillod disse deformationer at være forskellige i stedet for altid at være symmetriske.

Denne ekstra grad af frihed tillod den nye model at redegøre for, hvad der tidligere var et mysterium, når den forrige model gik. Eksperimentelle data (vist i fig. Eksperimentelle og beregnede data for fissionsprodukterne af ²⁵⁶ Fm og ²⁵⁸ Fm) for ²⁵⁶ Fm viste, at standard fissionmåder var dominerende for denne isotop, hvorimod data for ²⁵⁸ Fm og ²⁶⁰ Md viste, at super-korte fission-tilstande var meget mere sandsynlige. Teamet udledte, at formerne af de to fragmenter lige ved scission havde en meget relevant effekt på fissionsprodukterne og deres kinetiske energi, og at tvinge deformationen af ​​fragmentspidserne til at være ens resulterede i unøjagtige forudsigelser. "3D-Langevin-ligninger er ikke i stand til at løse den observerede overgang mellem standard- og superkort fissionstilstande for disse isotoper. Nu, med vores 4-D Langevin model, dette er løst, " forklarer Chiba.

Teamet planlægger at forbedre denne model yderligere for at forbedre dens forudsigelseskraft for fissionsreaktionerne i mange kerner. Ved hjælp af modeller som denne, forskere kan lettere studere og fortolke fissionsrelaterede fænomener, såsom de førnævnte overgange for fermiumisotoperne. "Vores model har givet os mulighed for at forklare, hvordan disse overgange sker på en konsekvent måde, "slutter Chiba. Det er overflødigt at sige, en bedre forståelse og bedre modellering af nuklear fission er afgørende, hvis vi skal blive ved med at forbedre eksisterende atomteknologi for at sikre pålidelige energikilder.