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Aufdecken eines Mysteriums

Ein neues Modell zur Erklärung der Spaltung bestimmter Atomkerne

07.02.2019

Blackout_Photography; pixabay.com; CC0

Gespaltener Stein, Symbolbild

Wissenschaftler des Tokyo Institute of Technology haben ein bestehendes mathematisches Modell erweitert, um es zur genaueren Vorhersage der Produkte von Spaltungsreaktionen zu verwenden.

Die Kernspaltung ist ein Prozess, bei dem der Kern eines Atoms gespalten wird, was im Allgemeinen zur Bildung von zwei kleineren und nicht unbedingt gleichen Atomen führt (dies wird als binäre Spaltung bezeichnet, da es zwei Spaltprodukte gibt). Obwohl die Kernspaltung seit Jahrzehnten weltweit zur Energieerzeugung in Kernkraftwerken genutzt wird, haben unser Verständnis und unsere Modelle von Kernspaltungsreaktionen noch viele Lücken.

Wissenschaftler haben beobachtet, dass es vier verschiedene Spaltmodi gibt, die im Großen und Ganzen angeben, welche Art von Kernarten durch ein Spaltungsereignis erzeugt werden. Diese Modi hängen mit der Form der beiden Kerne zusammen, kurz bevor sich der Kern vollständig spaltet (Spaltung). Zwei von ihnen heißen Standardmodi und sind asymmetrisch; sie produzieren einen leichteren und einen schwereren Kern. Die beiden anderen werden als super-lange und super-kurze Spaltmodi bezeichnet, und beide produzieren zwei fast identische Kerne.

Ein Modell, das für die Vorhersage der Spaltprodukte (und ihrer kinetischen Energie) für verschiedene schwere Elemente verwendet wurde, sind die 3D Langevin-Gleichungen. Diese 3D-Gleichungen basieren auf drei Variablen, die für einen Atomkern definiert sind, der kurz vor der Kernspaltung steht: der Abstand zwischen den Zentren der linken und rechten Fragmente, die Verformung ihrer Spitzen und ihr Unterschied in Masse oder Volumen, die sogenannte Massenasymmetrie.

Obwohl dieses Modell für viele schwere Kerne erfolgreich eingesetzt wurde, konnten seine Vorhersagen nicht mit den experimentellen Daten für einige Fermium- (256Fm und 258Fm) und Mendelevium- (260Md) Isotope übereinstimmen.

Um dieses Modell zu verbessern und zu verstehen, was für diese Isotope vor sich geht, verwendete ein Team von Wissenschaftlern des Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), darunter Prof. Satoshi Chiba, 4D Langevin-Gleichungen. Die Gleichungen für dieses neue Modell, das in Abb. "Modell für einen Kern, der kurz vor der Kernspaltung steht" dargestellt ist, tauschten die Variable, die die Verformung der Spitzen des Fragments anzeigt, gegen zwei unabhängige Variablen aus, die es ermöglichen, dass diese Verformungen unterschiedlich sind, anstatt immer symmetrisch zu sein.

Dieser zusätzliche Freiheitsgrad ermöglichte es dem neuen Modell, das zu berücksichtigen, was beim Vorgängermodell bisher ein Rätsel war. Experimentelle Daten (dargestellt in Abb. Experimentelle und berechnete Daten für die Spaltprodukte von 256Fm und 258Fm) für 256Fm zeigten, dass Standard-Spaltmodi für dieses Isotop dominierend waren, während Daten für 258Fm und 260Md zeigten, dass superkurze Spaltmodi viel wahrscheinlicher waren. Das Team schloss, dass die Formen der beiden Fragmente direkt bei der Spaltung einen sehr relevanten Einfluss auf die Spaltprodukte und ihre kinetische Energie hatten und dass die Verformung der Fragmentspitzen zwangsläufig gleich sein musste, was zu ungenauen Vorhersagen führte. "3D Langevin-Gleichungen sind nicht in der Lage, den beobachteten Übergang zwischen Standard- und Superkurzspaltmodus für diese Isotope zu lösen. Mit unserem 4D Langevin-Modell ist das nun gelöst", erklärt Chiba.

Das Team plant, dieses Modell weiter zu verbessern, um seine Vorhersagekraft für die Spaltungsreaktionen vieler Kerne zu verbessern.  Mit solchen Modellen können Forscher spaltungsbezogene Phänomene, wie die oben genannten Übergänge für die Fermiumisotope, leichter untersuchen und interpretieren.  "Unser Modell hat es uns ermöglicht, zu erklären, wie diese Übergänge in konsistenter Weise ablaufen", schließt Chiba.  Ein besseres Verständnis und eine bessere Modellierung der Kernspaltung sind natürlich von entscheidender Bedeutung, wenn wir die bestehende Kerntechnik weiter verbessern wollen, um zuverlässige Energiequellen zu sichern.

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