Influence of the Exit Channel in $^{235}$U(n,f) and $^{239}$Pu(n,f) Reactions in Time-Dependent Density Functional Theory

Die große atomare Spaltung: Eine Geschichte von Dehnung, Zerreißen und dem Auseinanderfliegen

Stellen Sie sich das Herz eines Atoms, den Kern, nicht als statische Murmel vor, sondern als einen wackeligen, superdichten Flüssigkeitstropfen. In diesem winzigen Universum tanzen Protonen und Neutronen in einer chaotischen, aber organisierten Menge. Manchmal wird diese Menge zu aufgeregt – vielleicht weil ein herumstreunendes Neutron dagegen stößt – und der Kern beginnt sich zu dehnen. Er wird länger, wie ein Stück Taffy, das von zwei hungrigen Kindern gezogen wird. Schließlich wird er in der Mitte so dünn, dass er reißt und in zwei kleinere, fliegende Teile zerfällt, die Spaltfragmente genannt werden. Dieser Prozess, bekannt als Kernspaltung, ist der Motor hinter den Sternen, die unseren Nachthimmel erhellen, und den Kraftwerken, die unsere Städte am Laufen halten.

Aber hier liegt der Knackpunkt: Während wir wissen, dass der Kern spaltet, verstehen wir die genaue Choreografie des Zerreißens noch nicht vollständig. Es geschieht in einem Augenblick, schneller als wir es mit einer Kamera beobachten könnten, und es beinhaltet Quantenmechanik, das seltsame Regelwerk, dem winzige Teilchen folgen. Wissenschaftler wissen seit langem, dass ein schweres Atom wie Uran oder Plutonium, wenn es spaltet, meistens nicht genau in der Mitte in zwei gleiche Hälften bricht. Stattdessen bevorzugt es eine ungleiche Spaltung, wie ein Keks, der in ein großes Stück und einen kleinen Krümel zerbricht. Die Frage bleibt jedoch: Ändert die Art und Weise, wie der Kern sich vor dem Zerreißen dehnt, wie die Teile auseinanderfliegen? Führen unterschiedliche Ausgangsformen zu unterschiedlichen Arten von Explosionen? Dies zu verstehen ist entscheidend, da es uns hilft vorherzusagen, wie viel Energie freigesetzt wird und wie heiß die resultierenden Fragmente werden, was für alles wichtig ist – vom Entwurf sicherer Reaktoren bis hin zum Verständnis der im Universum entstandenen Elemente.

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Die formverändernde Spaltung: Was diese Studie herausfand

In dieser Studie nutzte ein Forscherteam eine leistungsstarke Computersimulation namens „Zeitabhängige Dichtefunktionaltheorie“ (stellen Sie sich das wie ein supergenaues Physik-Videospiel vor), um zu beobachten, wie die Kerne von Uran-235 und Plutonium-239 spalten. Sie beobachteten nicht nur eine Art der Spaltung; sie testeten drei verschiedene „Ausgangsposen“ für den Kern, definiert durch die Art und Weise, wie einseitig oder „oktopol-deformiert“ er unmittelbar vor dem Bruch war. Sie untersuchten die übliche „asymmetrische“ Spaltung (das große Stück und der kleine Krümel), eine „nahezu symmetrische“ Spaltung (fast gleiche Hälften) und eine „hochgradig asymmetrische“ Spaltung (ein riesiges Stück und ein winziger Krümel).

Die Forscher entdeckten, dass die Ausgangsform des Kerns wie eine Schicksalskarte wirkt, die die Spaltung in drei sehr unterschiedliche Pfade mit jeweils einzigartigen Charakteren lenkt.

Die langhalsige Dehnung (Nahezu symmetrische Spaltung)
Wenn der Kern mit einer Form begann, die fast ausgewogen war (nahezu symmetrisch), verhielt er sich wie ein sehr hartnäckiges Stück Taffy. Anstatt schnell zu reißen, dehnte er sich zu einem bemerkenswert langen, dünnen Hals aus. Weil dieser Hals so lang war, waren die beiden Teile bereits recht weit voneinander entfernt – etwa 23,07 fm (Femtometer) für Uran – als sie sich schließlich brachen.

• Das Ergebnis: Da sie beim Bruch so weit voneinander entfernt waren, war die elektrische Abstoßung zwischen ihnen schwächer. Dies bedeutete, dass die beiden Teile mit weniger Geschwindigkeit auseinanderflogen, was zu einer viel niedrigeren „Gesamtkinetischen Energie“ (TKE) von etwa 144,70 MeV im Vergleich zur üblichen Spaltung führte.
• Die Hitze: Da Energie irgendwohin gehen muss, verwandelte sich diese „fehlende“ Geschwindigkeit in Hitze. Das schwere Fragment absorbierte den Großteil dieser zusätzlichen Hitze, wurde sehr angeregt und verformbar und entwickelte eine große „Quadrupol-Deformation“ (es wurde sehr eiförmig). Die Studie legt nahe, dass bei höherer Energie der auftreffenden Neutronen diese langhalsigen Spaltungen häufiger vorkommen könnten, was erklären könnte, warum die durchschnittliche Geschwindigkeit der Spaltfragmente sinkt, wenn der Reaktor heißer wird.

Kurz und knackig (Asymmetrische Spaltung)
Die „Standard“-Spaltung, bei der der Kern mit einer moderat einseitigen Form beginnt, war die häufigste. Hier war der Hals kürzer und die Teile waren näher beieinander – etwa 20,09 fm entfernt – als sie brachen.

• Das Ergebnis: Die größere Nähe bedeutete einen stärkeren elektrischen Stoß, sodass die Fragmente schneller auseinanderflogen, mit einer TKE von etwa 168,02 MeV.
• Die Hitze: Diese Fragmente waren kühler und weniger deformiert als ihre nahezu symmetrischen Verwandten.

Die Wildcard (Hochgradig asymmetrische Spaltung)
Die extremsten Spaltungen, bei denen der Kern von Beginn an sehr einseitig war, waren die chaotischsten. Einige bildeten lange Hälse, andere kurze.

• Das Ergebnis: Diese Spaltungen hatten im Allgemeinen die niedrigste TKE (etwa 137,49 MeV), da sie auch dazu neigten, bei größeren Abständen zu brechen.
• Die Hitze: Interessanterweise drehte sich die Wärmeverteilung um. In diesen Fällen erhielt das leichte Fragment (der kleine Krümel) den Großteil der zusätzlichen Hitze und Erregung, anstatt des schweren Fragments.

Das Reißen und das Spritzen
Die Studie untersuchte auch den exakten Moment, in dem der Hals riss. Sie fanden heraus, dass bei den langhalsigen, nahezu symmetrischen Spaltungen der Hals nicht einfach sofort verschwand; er brauchte länger, um zu zerfallen, und der „Riss“ geschah in zwei Phasen. Dieses langsamere, komplexere Reißen veränderte die Art und Weise, wie Neutronen (winzige Teilchen) herausgespritzt wurden.

• Das Sprühmuster: Bei einer normalen Spaltung werden Neutronen gleichmäßig in alle Richtungen gespritzt. Aber bei der nahezu symmetrischen Spaltung wurde, weil der Hals so lang und breit war, eine riesige Wolke aus Neutronen seitlich (senkrecht zur Spaltung) herausgeschossen, anstatt nach vorne oder hinten. Es ist wie der Unterschied zwischen einem Feuerwerkskörper, der explodiert (überall versprüht), und einem Wasserballon, der platzt (hauptsächlich seitlich versprüht).

Was die Studie ausschließt
Die Forscher fanden explizit heraus, dass die Vorstellung eines „zufälligen“ Halsbruchs wahrscheinlich nicht korrekt ist. In einigen älteren Theorien wurde angenommen, dass der Hals durch Zufall an einer beliebigen Stelle seiner Länge brechen könnte. Ihre Simulationen zeigten jedoch, dass der Bruchpunkt tatsächlich durch die Form des Kerns weit zurück am Anfang (am äußeren Sattelpunkt) bestimmt wird. Das System erinnert sich an seine ursprüngliche Form während der gesamten Spaltung. Der Hals wandert nicht; er bricht genau dort, wo die anfängliche Deformation es vorgab.

Wie sicher sind sie sich?
Es ist wichtig anzumerken, dass diese Ergebnisse aus Computersimulationen stammen, nicht aus einem physikalischen Experiment, bei dem die Spaltung in einem Labor eingefangen wurde. Die Autoren sind zuversichtlich bezüglich der Trends, die sie sehen – wie die langen Hälse, die zu geringerer Energie und der spezifischen Art des Neutronenspritzens führen –, räumen aber ein, dass ihre aktuellen Modelle die Geschwindigkeit der Fragmente im Vergleich zu realen Experimenten möglicherweise leicht unterschätzen. Sie deuten an, dass, während die exakten Zahlen mit besseren Modellen eventuell noch angepasst werden müssen, die Geschichte, wie die Ausgangsform das Ende bestimmt, höchstwahrscheinlich korrekt ist.

Kurz gesagt: Diese Arbeit sagt uns, dass die Geschichte einer Kernspaltung geschrieben wird, bevor der erste Ton gespielt wird. Die ursprüngliche Form des Kerns entscheidet darüber, ob es ein schneller, energiegeladener Knall oder ein langsames, heißes, seitlich spritzendes Dehnen wird, und das Universum erinnert sich an diese Form bis zum allerletzten Moment.