@ 2019.02.08 , 00:22

科学家改进了刻画原子裂变过程的数学模型

东京工业大学的科学家扩展了现有的数学模型,以便更准确地预测裂变反应的产物。

核裂变,又称核分裂,是指由重的原子核(主要是指铀核或钚核)分裂成两个或多个质量较小的原子的一种核反应形式。原子弹或核能发电厂的能量来源就是核裂变。其中铀裂变在核电厂最常见,热中子轰击铀-235原子后会放出2到4个中子,中子再去撞击其它铀-235原子,从而形成链式反应。数十年来,全球的核电厂都采用原子核裂变的方式制造能量,但我们对裂变反应的理解和模型仍存在许多空白。

科学家早已观察到,在各种裂变反应中,存在四种基本模式。这些模式与核完全分裂(断裂)之前生成的两个新核的形状有关。其中两种被称为标准模式,具有不对称性;它们产生较轻的核和较重的核。另外两种分别被称为超长和超短裂变模式,两者都分裂出两个几乎相同的原子核。

现有的,用于预测各种重元素裂变产物(及其动能)的一种模型涉及3-D Langevin方程。方程基于三个变量,变量由即将完全断裂成两部分的原子核所定义:左右碎片中心之间的距离、尖端的变形以及它们在质量或体积上的差异,后者也被称为质量不对称性。

尽管该模型已成功用于许多重核元素的裂变过程,但其预测结果未能与某些镄(256Fm和258Fm)和钔(260Md)同位素的实验数据相匹配。

为了增强模型,东京工业大学的科学家团队,包括Satoshi Chiba教授,使用了4-D Langevin方程。这个新模型的方程式,将之前的碎片裂纹尖端变形量用两个独立变量代替,允许碎片尖端变形量不同,可以更好地刻画个别同位素的标准裂变模式和超短裂变模式。

新增的额外自由度使得新模型能够用于旧模型无能为力之处。256F的实验数据显示,对于这种同位素的裂变过程而言,标准裂变模式占主要地位;而对258Fm和260Md,超短裂变模式似乎占优。研究小组推断,断裂时两个碎片的形状对裂变产物及其动能具有非常直接的影响,并且迫使碎片尖端变形导致预测不准确。

“3-D Langevin方程无法解决同位素在标准和超短裂变模式之间过渡时的情况。现在,通过我们的4-D Langevin模型,问题解决了。”Chiba解释道。

该团队计划进一步改进该模型,以增强其对更多原子核的裂变反应的预测能力。使用这样的模型,研究人员可以更容易地研究和解释与裂变有关的现象,例如上述镄同位素的转变。 “我们的模型让我们能够以一致的方式解释这些转变是如何发生的,”Chiba总结道。毋庸置疑,如果我们打算不断改进现有核技术以确保可靠的能源产出,那此类研究至关重要。

本文译自 phys,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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