При делении тяжелых ядер, таких как 235U, 239Pu, 252Cf и других, исходное ядро расщепляется на два (реже три) более легких ядра, называемых фрагментами деления. Эти фрагменты обладают характерным распределением по массе, энергии и заряду, отражающим как квантово-механические свойства исходного ядра, так и динамику процесса деления.
Массовое распределение продуктов деления для большинства тяжёлых ядер несимметрично: оно имеет два максимума — в области массовых чисел около 90–100 и 130–145, и минимум вблизи середины (около A/2). Это так называемое двугорбое распределение массы. Причина — энергетическая выгодность образования фрагментов с закрытыми оболочками (особенно нейтронных), что обусловлено эффектами ядерной оболочной модели. Например, фрагмент с Z = 50, N = 82 — стабильное ядро 132Sn — часто возникает в качестве тяжелого продукта деления.
Энергетическое распределение отражает кинетическую энергию фрагментов и ее вклад в общий энергетический баланс. При делении 235U, индуцированном тепловым нейтроном, выделяется в среднем около 200 МэВ энергии, из которых:
Максимум кинетической энергии фрагментов наблюдается при симметричном делении, но из-за пониженной вероятности такого деления основная доля энергии приходится на несимметричные каналы.
Распределение зарядов (чисел протонов Z) среди фрагментов при фиксированном массовом числе A следует приближённо гауссовому закону с максимумом, соответствующим ядру с соотношением Z/A, близким к этому же отношению в исходном делящемся ядре. Однако наблюдается небольшой систематический сдвиг максимума в сторону менее заряженных фрагментов — эффект зарядового смещения, который объясняется кулоновым взаимодействием и нейтронной эмиссией.
Характерная ширина зарядового распределения составляет несколько единиц Z, и это приводит к формированию широкого спектра различных нуклидов, которые затем проходят β-распады, приближаясь к линии стабильности.
Фрагменты деления, как правило, находятся в возбужденном состоянии и теряют энергию в основном через испускание нейтронов. Эти нейтроны называются мгновенными нейтронами деления, и они испускаются в течение 10−14 – 10−13 с после момента деления. В среднем на одно деление 235U испускается около 2.5 нейтронов, хотя это значение зависит от энергии нейтрона, вызвавшего деление, и от нуклида.
Распределение по числу нейтронов ν близко к пуассоновскому и характеризуется средним значением ν̄, зависящим от типа делящегося ядра и энергии возбуждения. Более тяжёлые фрагменты в среднем испускают больше нейтронов, поскольку они имеют большее возбуждение.
Энергия мгновенных нейтронов имеет спектр с максимумом около 0.7 МэВ и средним значением порядка 2 МэВ. Этот спектр важен при моделировании реакторов и расчётах кинетики цепной реакции.
Небольшая часть нейтронов (~0.6% для 235U) испускается не мгновенно, а в результате β-распадов дочерних нестабильных фрагментов, находящихся в возбуждённом состоянии. Эти задержанные нейтроны появляются в интервале от миллисекунд до десятков секунд после деления. Хотя их доля мала, они играют ключевую роль в управлении цепной реакцией в ядерных реакторах, поскольку позволяют сдерживать и регулировать динамику нейтронного потока.
Радионуклиды, ответственные за задержанные нейтроны, называются предшественниками задержанных нейтронов. Их число, периоды полураспада и интенсивности испускания нейтронов являются критически важными параметрами для моделирования работы реакторов.
Фрагменты деления испускают γ-кванты при переходе из возбужденных состояний в основное. Это излучение делится на две категории:
Мощность γ-излучения значительна — на один акт деления приходится около 6–7 МэВ энергии, связанной с γ-квантами. Это излучение важно учитывать при расчётах радиационного фона, теплоотдачи от облучённого топлива и радиационной защиты.
Продукты деления, будучи, как правило, далёкими от линии стабильности, являются β-радиоактивными. Они последовательно претерпевают β−-распады, смещаясь к устойчивым изотопам. В процессе этих распадов могут также испускаться γ-кванты и, в некоторых случаях, запаздывающие нейтроны.
Характерными β-активными нуклидами среди продуктов деления являются:
Эти радионуклиды представляют интерес как с точки зрения радиационной опасности, так и применения в медицине и промышленности.
Формируется обширная область нестабильных изотопов, охватывающая примерно A = 70 до A = 160. Эти изотопы располагаются вдоль линии деления, которая описывает наиболее вероятные сочетания Z и N для фрагментов. Распределение этих нуклидов визуализируется в виде карты продуктов деления, где указана активность, период полураспада и путь превращений каждого радионуклида.
Иногда при делении, помимо двух фрагментов, могут испускаться лёгкие заряженные частицы — альфа-частицы и даже протонные кластеры. Такие процессы редки (вероятность порядка 10−4–10−6) и называются кластерным делением. Особый случай — спонтанное тройное деление, при котором образуется три фрагмента, например, два фрагмента деления и один легкий, как 10Be или α-частица.
Механизмы этих процессов остаются предметом активных исследований, поскольку они дают представление о внутренних структурах и динамике делящегося ядра.
Финальный изотопный состав продуктов деления зависит от:
Состав продуктов деления важен для:
Даже после завершения цепной реакции в ядерном реакторе продолжается тепловыделение, связанное с радиоактивным распадом продуктов деления и актинидов. Это остаточное тепло может составлять несколько процентов от номинальной мощности реактора непосредственно после его остановки и требует активного охлаждения.
Через 1 секунду после остановки реактора остаточная мощность составляет около 7% от номинальной, через 1 час — около 1%, а спустя сутки — порядка 0.4%. Эти значения учитываются при проектировании систем пассивного и активного отвода тепла.
Распределения продуктов деления по массе, энергии, заряду и нейтронной эмиссии обладают удивительной степенью универсальности. Например, формы массового распределения с двугорбой структурой сохраняются при широком диапазоне энергий возбуждения, хотя с увеличением энергии двугорбость сглаживается.
При высоких энергиях (например, при делении быстрыми нейтронами или тяжёлыми ионами) возможен переход к симметричному делению с равными фрагментами. Это свидетельствует о влиянии как оболочечных, так и коллективных эффектов на механизм деления и распределения образующихся ядер.