Деление на урановото ядро. Верижна реакция

Цялото това объркване вече е съвсем ясно. Оказа се, че под действието на неутрони в урана може да настъпи нов тип ядрена трансформация. Тази трансформация, открита през 1938 г. от Хан и Щрасман и станала известна в началото на 1939 г., се състои във факта, че улавяйки неутрон, ядрото на урана може да се раздели на две половини.

При всички други ядрени реакции най-много алфа-частица излита от ядрото. Тук от уран се получават две ядра със средно атомно тегло, например криптон и барий:

(уран) 2|| + неутрон ->. (уран) U (криптон) ^ -[- (барий)'|?.

Енергията на свързване на фрагментите, т.е. на ядрата на криптона и бария, е много по-голяма от тази на урана. Следователно по време на деленето на урана се освобождава огромна енергия от 170 милиона волта, тоест 10 пъти повече, отколкото при разрушаването на лигия от протони. Енергията, освободена при делене, преминава в кинетичната енергия на урановите фрагменти, т.е. тези фрагменти придобиват огромна скорост.

Между другото, деленето на уран е подобно на деленето на литий:

(литий) - (- протон) (берилий) ® - ". (хелий) 2+ (хелий) *.

И в двата случая ядрото е разделено на две половини, като причините за освобождаването на енергия също са едни и същи. Въпреки това, ядрата, по-тежки от лития, винаги излъчват най-много алфа частица; при унищожаване на лития се получават също само алфа частици. Следователно деленето на урана е много специално явление.

Нека видим как става това делене на уран. Урановото ядро, състоящо се от повече от двеста частици, е като малка кръгла заредена капка и има сферична форма (фиг. 16, а). Ако започнем да променяме формата на ядрото, тогава ще се случи точно същото нещо като с капчица. С малка

Когато ядрото се разтегне, то има тенденция да се върне към първоначалната си сферична форма, тъй като в този случай повърхността на ядрото е най-малката; увеличаването на повърхността не е от полза, изисква енергия.

Но ако променим много - формата на ядрото - както е показано на фиг. 16, в - тогава вече ще бъдете ядрото

По-добре е да се разпадне на две половини, защото и двете части на ядрото се отблъскват една от друга от електрически сили и това отблъскване става значително.

Не, освен загубата на енергия, свързана с увеличаване на повърхността.

По този начин, за да се случи деленето на урановото ядро, е необходимо да се предизвикат силни движения в ядрото, което да доведе до желаната промяна на формата му.

4 В. Л. Гинзбург 49

Неутрон, влизащ в ядрото на урана, може просто да възбуди силни движения и по този начин да доведе до делене на това ядро. По време на деленето се получават различни фрагменти, например криптон и барий, или рубидий и цезий (от случай на случай може да се получи една или друга двойка ядра).

В облачната камера могат да се наблюдават фрагменти (фиг. 17).

За всички фрагменти, получени в резултат на деленето на уран, обаче е характерна една особеност - те се оказват много претоварени с неутрони. Работата е

Фактът, че в по-тежките елементи съотношението на броя на неутроните към броя на протоните е по-голямо, отколкото при леките елементи.

Например в уран 2!! има 146 неутрона и 92 протона, а в кислорода има равен брой неутрони и протони.

Естествено срещащите се изотопи на криптон и барий имат най-много 50 и 82 неутрона, съответно, или общо 132 неутрона. Междувременно в ураново ядро ​​с тегло 239, разпадащо се на криптон и барий, има 147 неутрона; следователно, ядрата на криптон и барий, образувани по време на деленето на урана, заедно ще имат 50

15 допълнителни неутрона. Това обстоятелство води до факта, че в фрагментите, получени в резултат на деленето на уран, излишните неутрони се превръщат в протони, т.е. тези фрагменти се оказват радиоактивни и излъчват бета-частици. Криптон, например, се разпада така:

(криптон) 3(G> (рубидий) 37-- (електрон) (стронций) 38-)- (електрон).

Така по време на деленето на урана се произвеждат много елементи, повечето от които са радиоактивни.

Но претоварването на фрагменти от неутрони е толкова голямо, че материята не се ограничава до една радиоактивност и няколко неутрона просто излитат в свободна форма.

Следователно при деленето на урана, причинено от неутрони, се отделят нови неутрони, чийто брой е равен на два или три на едно колапсиращо ядро ​​(фиг. 18).

Този факт играе решаваща роля при използването на ядрената енергия.

Разделянето на урана се оказва ядрена трансформация точно от този тип, при която един неутрон води до излъчване на няколко нови неутрона. В същото време се отделя много енергия. Ако неутроните, произведени от деленето, могат успешно да причинят ново делене на ядра, тогава броят на неутроните и разбитите ядра ще се увеличава през цялото време и реакцията няма да спре.

Освен това, ако не се вземат специални мерки, тогава тази реакция ще нарасне толкова бурно, че ще се получи експлозия. Такава реакция, нарастваща без външни източници, както вече казахме, се нарича верижна реакция.

Оказа се, че в урана такава верижна реакция може да се проведе при определени условия.

Така за първи път се освобождава ядрената енергия.

Съдържанието на статията

ядрено делене,ядрена реакция, при която атомно ядро, когато е бомбардирано от неутрони, се разделя на два или повече фрагмента. Общата маса на фрагментите обикновено е по-малка от сумата от масите на първоначалното ядро ​​и бомбардиращия неутрон. "Липсващата литургия" мсе превръща в енергия Еспоред формулата на Айнщайн Е = mc 2, където ° Се скоростта на светлината. Тъй като скоростта на светлината е много висока (299 792 458 m/s), малка маса съответства на огромно количество енергия. Тази енергия може да се преобразува в електричество.

Енергията, освободена по време на ядрено делене, се превръща в топлина, когато фрагментите на делене се забавят. Скоростта на отделяне на топлина зависи от броя на деленето на ядра за единица време. Когато деленето на голям брой ядра се случи в малък обем за кратко време, реакцията има характер на експлозия. Това е принципът на атомната бомба. Ако, от друга страна, относително малък брой ядра се разделят в голям обем за по-дълго време, тогава резултатът ще бъде отделяне на топлина, която може да се използва. На това се основават атомните електроцентрали. В атомните електроцентрали топлината, отделена в ядрените реактори в резултат на ядрено делене, се използва за производство на пара, която се подава към турбини, които въртят електрически генератори.

За практическото използване на процесите на делене най-подходящи са уранът и плутоният. Те имат изотопи (атоми на даден елемент с различни масови числа), които се разделят, когато абсорбират неутрони, дори при много ниски енергии.

Ключът към практическото използване на енергията на делене беше фактът, че някои елементи излъчват неутрони в процеса на делене. Въпреки че един неутрон се абсорбира по време на ядрено делене, тази загуба се компенсира от производството на нови неутрони по време на делене. Ако устройството, в което се извършва делене, има достатъчно голяма („критична“) маса, тогава може да се поддържа „верижна реакция“ поради нови неутрони. Верижната реакция може да се контролира чрез регулиране на броя на неутроните, които могат да причинят делене. Ако е по-голямо от единица, тогава интензивността на деленето се увеличава, а ако е по-малка от единица, намалява.

СПРАВКА ЗА ИСТОРИЯ

Историята на откриването на ядреното делене води началото си от работата на А. Бекерел (1852–1908). Изследвайки фосфоресценцията на различни материали през 1896 г., той открива, че минералите, съдържащи уран, спонтанно излъчват радиация, която причинява почерняване на фотографска плоча, дори ако непрозрачно твърдо вещество е поставено между минерала и плочата. Различни експериментатори са установили, че това излъчване се състои от алфа частици (хелиеви ядра), бета частици (електрони) и гама лъчи (твърдо електромагнитно излъчване).

Първата трансформация на ядрата, изкуствено предизвикана от човека, е извършена през 1919 г. от Е. Ръдърфорд, който превръща азота в кислород чрез облъчване на азота с уранови алфа частици. Тази реакция беше придружена от поглъщане на енергия, тъй като масата на нейните продукти - кислород и водород - надвишава масата на частиците, влизащи в реакцията - азот и алфа частици. Освобождаването на ядрена енергия е постигнато за първи път през 1932 г. от Дж. Кокрофт и Е. Уолтън, които бомбардират лития с протони. При тази реакция масата на ядрата, влизащи в реакцията, е малко по-голяма от масата на продуктите, в резултат на което се отделя енергия.

През 1932 г. Дж. Чадуик открива неутрона – неутрална частица с маса, приблизително равна на масата на ядрото на водороден атом. Физиците от цял ​​свят започнаха да изучават свойствата на тази частица. Предполагаше се, че неутрон, лишен от електрически заряд и неотблъснат от положително заредено ядро, е по-вероятно да предизвика ядрени реакции. По-новите резултати потвърдиха това предположение. В Рим Е. Ферми и неговите сътрудници подлагат почти всички елементи на периодичната система на неутронно облъчване и наблюдават ядрени реакции с образуването на нови изотопи. Доказателството за образуването на нови изотопи беше "изкуствената" радиоактивност под формата на гама и бета лъчение.

Първите индикации за възможността за ядрено делене.

На Ферми се приписва откриването на много от неутронните реакции, известни днес. По-специално, той се опита да получи елемент с атомен номер 93 (нептуний) чрез бомбардиране на уран (елемент с атомен номер 92) с неутрони. В същото време той регистрира електрони, излъчени в резултат на улавяне на неутрони в предложената реакция

238 U + 1 n ® 239 Np + б–,

където 238 U е изотоп на уран-238, 1 n е неутрон, 239 Np е нептуний и б- - електрон. Резултатите обаче бяха смесени. За да се изключи възможността регистрираната радиоактивност да принадлежи на уранови изотопи или други елементи, разположени в периодичната система преди урана, беше необходимо да се извърши химичен анализ на радиоактивни елементи.

Резултатите от анализа показват, че неизвестните елементи отговарят на поредните номера 93, 94, 95 и 96. Следователно Ферми заключава, че е получил трансуранови елементи. Въпреки това, O. Hahn и F. Strassman в Германия, след като извършиха задълбочен химичен анализ, установиха, че радиоактивен барий присъства сред елементите, получени в резултат на облъчването на урана с неутрони. Това означаваше, че вероятно част от урановите ядра е разделена на два големи фрагмента.

Потвърждение на разделението.

След това Ферми, Дж. Дънинг и Дж. Пеграм от Колумбийския университет проведоха експерименти, които показаха, че ядреното делене наистина се случва. Разделянето на уран от неутрони беше потвърдено с методите на пропорционалните броячи, облачната камера и натрупването на фрагменти на делене. Първият метод показа, че импулси с висока енергия се излъчват, когато източник на неутрони се приближи до проба от уран. В облачната камера се видя, че урановото ядро, бомбардирано от неутрони, е разделено на два фрагмента. Последният метод даде възможност да се установи, че, както е предвидено от теорията, фрагментите са радиоактивни. Всичко това взето заедно убедително доказа, че деленето наистина се случва и направи възможно да се прецени уверено енергията, освободена по време на деленето.

Тъй като допустимото съотношение на броя на неутроните към броя на протоните в стабилните ядра намалява с намаляване на размера на ядрото, фракцията на неутроните във фрагментите трябва да бъде по-малка от тази в оригиналното ураново ядро. По този начин имаше всички основания да се смята, че процесът на делене е придружен от излъчване на неутрони. Това скоро беше експериментално потвърдено от Ф. Жолио-Кюри и неговите сътрудници: броят на излъчените неутрони в процеса на делене е по-голям от броя на погълнатите неутрони. Оказа се, че за един погълнат неутрон има приблизително два и половина нови неутрона. Възможността за верижна реакция и перспективите за създаване на изключително мощен източник на енергия и използването му за военни цели веднага станаха очевидни. След това в редица страни (особено в Германия и САЩ) започна работа по създаването на атомна бомба в условия на дълбока секретност.

Развитие по време на Втората световна война.

От 1940 до 1945 г. посоката на развитие се определя от военни съображения. През 1941 г. са получени малки количества плутоний и са установени редица ядрени параметри на урана и плутония. В Съединените щати най-важните производствени и изследователски предприятия, необходими за това, са под юрисдикцията на „Манхатънския военен инженерен окръг“, на който „Урановият проект“ е прехвърлен на 13 август 1942 г. В Колумбийския университет (Ню Йорк) група служители, водени от Е. Ферми и В. Зин, проведоха първите експерименти, при които беше изследвано размножаването на неутроните в решетка от блокове от уранов диоксид и графит - атомен "котел". През януари 1942 г. тази работа е прехвърлена в Чикагския университет, където през юли 1942 г. са получени резултати, показващи възможността за самоподдържаща се верижна реакция. Първоначално реакторът работеше с мощност 0,5 W, но след 10 дни мощността беше увеличена до 200 W. Възможността за получаване на големи количества ядрена енергия е демонстрирана за първи път на 16 юли 1945 г., когато първата атомна бомба е взривена на полигона Аламогордо (Ню Мексико).

ЯДРЕНИ РЕАКТОРИ

Ядреният реактор е инсталация, в която е възможно да се проведе контролирана самоподдържаща се верижна реакция на ядрено делене. Реакторите могат да се класифицират според използваното гориво (делящи се и необработени изотопи), по типа на забавителя, по вида на горивните елементи и по вида на охлаждащата течност.

делящи се изотопи.

Има три делящи се изотопа - уран-235, плутоний-239 и уран-233. Уран-235 се произвежда чрез разделяне на изотопи; плутоний-239 - в реактори, в които уран-238 се превръща в плутоний, 238 U ® 239 U ® 239 Np ® 239 Pu; уран-233 - в реактори, в които торий-232 се преработва в уран. Ядреното гориво за енергиен реактор се избира въз основа на неговите ядрени и химични свойства, както и на цената.

Таблицата по-долу показва основните параметри на делящите се изотопи. Общото напречно сечение характеризира вероятността за взаимодействие от всякакъв вид между неутрон и дадено ядро. Напречното сечение на деленето характеризира вероятността за ядрено делене от неутрон. Енергийният добив на погълнат неутрон зависи от това каква част от ядрата не участва в процеса на делене. Броят на неутроните, излъчени при едно събитие на делене, е важен от гледна точка на поддържането на верижната реакция. Броят на новите неутрони на погълнат неутрон е важен, защото характеризира интензивността на деленето. Частта от забавените неутрони, излъчени след настъпило делене, е свързана с енергията, съхранявана в материала.

ХАРАКТЕРИСТИКИ НА ДЕЛЯЩИ се ИЗОТОПИ

ХАРАКТЕРИСТИКИ НА ДЕЛЯЩИ се ИЗОТОПИ
изотоп	Уран-235		Уран-233		Плутоний-239
Неутронна енергия	1 MeV	0,025 eV	1 MeV	0,025 eV	1 MeV	0,025 eV
Пълен раздел	6,6±0,1	695±10	6,2±0,3	600±10	7,3±0,2	1005±5
Напречно сечение на разделяне	1,25±0,05	581 ± 6	1,85±0,10	526±4	1,8±0,1	751±10
Фракция от ядра, които не участват в деленето	0,077 ± 0,002	0,174 ± 0,01	0,057 ± 0,003	0,098 ± 0,004	0,08 ± 0,1	0,37 ± 0,03
Брой неутрони, излъчени при едно събитие на делене	2,6±0,1	2,43 ± 0,03	2,65±0,1	2,50±0,03	3,03±0,1	2,84±0,06
Брой неутрони на погълнат неутрон	2,41±0,1	2,07 ± 0,02	2,51±0,1	2,28 ± 0,02		2,07±0,04
Фракция на забавените неутрони, %	(0,64±0,03)	(0,65±0,02)	(0,26±0,02)	(0,26±0,01)	(0,21±0,01)	(0,22±0,01)
Енергия на делене, MeV
Всички секции са дадени в хамбари (10 -28 m 2).

Данните от таблицата показват, че всеки делящ се изотоп има своите предимства. Например, в случай на изотоп с най-голямо напречно сечение за топлинни неутрони (с енергия от 0,025 eV), е необходимо по-малко гориво за постигане на критична маса при използване на неутронен забавител. Тъй като най-високият брой неутрони на погълнат неутрон се среща в бърз плутониев реактор (1 MeV), в режим на размножаване е по-добре да се използва плутоний в бърз реактор или уран-233 в термичен реактор, отколкото уран-235 в термичен реактор. Уран-235 е по-предпочитан от гледна точка на лекота на контрол, тъй като има по-голям дял от забавените неутрони.

Сурови изотопи.

Има два сурови изотопа: торий-232 и уран-238, от които се получават делящите се изотопи уран-233 и плутоний-239. Технологията за използване на сурови изотопи зависи от различни фактори, като например необходимостта от обогатяване. Урановата руда съдържа 0,7% уран-235, докато ториевата руда не съдържа делящи се изотопи. Следователно към тория трябва да се добави обогатен делящ се изотоп. Броят на новите неутрони на погълнат неутрон също е важен. Като се има предвид този фактор, е необходимо да се даде предпочитание на уран-233 в случай на термични неутрони (умерени до енергия от 0,025 eV), тъй като при такива условия броят на излъчените неутрони е по-голям и следователно преобразуването Коефициентът е броят на новите делящи се ядра на едно „отработено“ делящо се ядро.

Забавители.

Забавителят служи за намаляване на енергията на неутроните, излъчвани в процеса на делене от около 1 MeV до топлинна енергия от около 0,025 eV. Тъй като задържането се случва главно в резултат на еластично разсейване от ядрата на неделящите се атоми, масата на атомите забавители трябва да бъде възможно най-малка, за да може неутронът да им предаде максимална енергия. В допълнение, атомите на забавителя трябва да имат малко (в сравнение с напречното сечение на разсейване) напречно сечение на улавяне, тъй като неутронът трябва многократно да се сблъсква с атомите на забавителя, преди да се забави до топлинна енергия.

Най-добрият модератор е водородът, тъй като неговата маса е почти равна на масата на неутрона и следователно неутронът губи най-голямо количество енергия при сблъсък с водород. Но обикновеният (лек) водород поглъща неутроните твърде силно и следователно деутерият (тежкият водород) и тежката вода се оказват по-подходящи модератори, въпреки малко по-голямата им маса, тъй като поглъщат по-малко неутрони. Берилият може да се счита за добър модератор. Въглеродът има толкова малко напречно сечение на абсорбция на неутрони, че ефективно задържа неутроните, въпреки че изисква много повече сблъсъци, за да се забави, отколкото водорода.

Среден брой нЕластичните сблъсъци, необходими за забавяне на неутрон от 1 MeV до 0,025 eV с помощта на водород, деутерий, берилий и въглерод, са приблизително 18, 27, 36 и 135, съответно. Приблизителната природа на тези стойности се дължи на факта, че поради наличието на химическа енергия, връзките в забавителя на сблъсъка при енергии под 0,3 eV трудно могат да бъдат еластични. При ниски енергии атомната решетка може да прехвърли енергия към неутрони или да промени ефективната маса при сблъсък, като по този начин нарушава процеса на забавяне.

Топлоносители.

Охлаждащите течности, използвани в ядрените реактори, са вода, тежка вода, течен натрий, течна натриево-калиева сплав (NaK), хелий, въглероден диоксид и органични течности като терфенил. Тези вещества са добри топлоносители и имат ниско сечение на абсорбция на неутрони.

Водата е отличен модератор и охлаждаща течност, но абсорбира неутроните твърде силно и има твърде високо налягане на парите (14 MPa) при работна температура от 336 ° C. Най-известният модератор е тежката вода. Характеристиките му са близки до тези на обикновената вода, а напречното сечение на абсорбция на неутрони е по-малко. Натрият е отлична охлаждаща течност, но не е ефективен като забавител на неутрони. Поради това се използва в реактори с бързи неутрони, където по време на деленето се отделят повече неутрони. Вярно е, че натрият има редица недостатъци: предизвиква радиоактивност, има нисък топлинен капацитет, химически е активен и се втвърдява при стайна температура. Сплав от натрий и калий е подобна по свойства на натрия, но остава течна при стайна температура. Хелият е отлична охлаждаща течност, но има нисък специфичен топлинен капацитет. Въглеродният диоксид е добра охлаждаща течност и е широко използван в реактори с графитно модериране. Терфенилът има предимството пред водата, че има ниско налягане на парите при работна температура, но се разлага и полимеризира при високи температури и радиационни потоци, които са характерни за реакторите.

Топлогенериращи елементи.

Горивният елемент (FE) е горивна сърцевина с херметична обвивка. Облицовката предотвратява изтичането на продукти на делене и взаимодействието на горивото с охлаждащата течност. Материалът на обвивката трябва слабо да абсорбира неутроните и да има приемливи механични, хидравлични и топлопроводими характеристики. Горивните елементи обикновено са пелети от синтерован уранов оксид в тръби от алуминий, цирконий или неръждаема стомана; пелети от уранови сплави с цирконий, молибден и алуминий, покрити с цирконий или алуминий (в случай на алуминиева сплав); графитни таблетки с диспергиран уранов карбид, покрити с непропусклив графит.

Използват се всички тези горивни елементи, но за реактори с вода под налягане, пелетите от уранов оксид в тръби от неръждаема стомана са най-предпочитани. Урановият диоксид не реагира с вода, има висока радиационна устойчивост и се характеризира с висока точка на топене.

Графитните горивни клетки изглеждат много подходящи за високотемпературни реактори с газово охлаждане, но имат сериозен недостатък – газообразните продукти на делене могат да проникнат през обвивката им поради дифузия или дефекти в графита.

Органичните охлаждащи течности са несъвместими с циркониеви горивни пръти и следователно изискват използването на алуминиеви сплави. Перспективите за реактори с органични охлаждащи течности зависят от това дали се създават алуминиеви сплави или продукти от прахова металургия, които биха имали здравината (при работни температури) и топлопроводимостта, необходими за използването на ребра, които увеличават топлопреминаването към охлаждащата течност. Тъй като преносът на топлина между горивото и органичната охлаждаща течност поради топлопроводимост е малък, е желателно да се използва повърхностно кипене, за да се увеличи топлопреминаването. Нови проблеми ще бъдат свързани с повърхностното кипене, но те трябва да бъдат решени, ако използването на органични топлопреносни течности се окаже полезно.

ВИДОВЕ РЕАКТОРИ

Теоретично са възможни повече от 100 различни типа реактори, които се различават по гориво, модератор и охлаждаща течност. Повечето конвенционални реактори използват вода като охлаждаща течност, под налягане или вряща вода.

Воден реактор под налягане.

В такива реактори водата служи като модератор и охлаждаща течност. Нагрятата вода се изпомпва под налягане към топлообменник, където топлината се прехвърля към водата от вторичния кръг, в който се генерира пара, която върти турбината.

Кипящ реактор.

В такъв реактор водата кипи директно в активната зона на реактора и получената пара навлиза в турбината. Повечето реактори с вряща вода също използват вода като модератор, но понякога се използва и графитен модератор.

Реактор с течно метално охлаждане.

В такъв реактор течен метал, циркулиращ през тръбите, се използва за пренасяне на топлината, отделена по време на деленето в реактора. Почти всички реактори от този тип използват натрий като охлаждаща течност. Парата, генерирана от другата страна на тръбите на първи контур, се подава към конвенционална турбина. В охладен с течен метал реактор могат да се използват неутрони с относително висока енергия (реактор с бързи неутрони) или неутрони, умерени в графит или берилиев оксид. Като реактори за размножаване, реакторите за бързи неутрони с течно-метално охлаждане са по-предпочитани, тъй като в този случай няма загуби на неутрони, свързани с умереността.

реактор с газово охлаждане.

В такъв реактор топлината, отделена по време на процеса на делене, се прехвърля към парогенератора чрез газ - въглероден диоксид или хелий. Неутронният модератор обикновено е графит. Реактор с газово охлаждане може да работи при много по-високи температури от реактор с течно охлаждане и следователно е подходящ за промишлени отоплителни системи и високоефективни електроцентрали. Малките реактори с газово охлаждане се характеризират с повишена безопасност при работа, по-специално отсъствието на риск от разтопяване на реактора.

хомогенни реактори.

В активната зона на хомогенни реактори се използва хомогенна течност, съдържаща делящ се изотоп на уран. Течността обикновено е разтопено ураново съединение. Изпомпва се в голям сферичен съд под налягане, където се случва верижна реакция на делене в критична маса. След това течността се подава в парогенератора. Хомогенните реактори не са придобили популярност поради конструктивни и технологични трудности.

РЕАКТИВНОСТ И КОНТРОЛ

Възможността за самоподдържаща се верижна реакция в ядрен реактор зависи от това колко неутрони изтичат от реактора. Неутроните, произведени по време на деленето, изчезват в резултат на абсорбция. Освен това е възможно изтичане на неутрони поради дифузия през материята, подобно на дифузията на един газ през друг.

За да управлявате ядрен реактор, трябва да можете да контролирате коефициента на умножение на неутроните к, дефиниран като съотношението на броя на неутроните в едно поколение към броя на неутроните в предишното поколение. В к= 1 (критичен реактор) има стационарна верижна реакция с постоянен интензитет. В к> 1 (свръхкритичен реактор), интензивността на процеса се увеличава, а при к r = 1 – (1/ к) се нарича реактивност.)

Поради явлението закъснели неутрони, времето на "раждане" на неутроните се увеличава от 0,001 s на 0,1 s. Това характерно време на реакция дава възможност да се управлява с помощта на механични задвижващи механизми - управляващи пръти, изработени от материал, който абсорбира неутрони (B, Cd, Hf, In, Eu, Gd и др.). Времевата константа за управление трябва да бъде от порядъка на 0,1 s или повече. За да се гарантира безопасността, е избран такъв режим на работа на реактора, при който закъснели неутрони са необходими във всяко поколение, за да се поддържа стационарна верижна реакция.

За осигуряване на дадено ниво на мощност се използват контролни пръти и неутронни рефлектори, но контролната задача може да бъде значително опростена чрез правилното изчисление на реактора. Например, ако реакторът е проектиран така, че с увеличаване на мощността или температурата реактивността намалява, тогава той ще бъде по-стабилен. Например, ако забавянето е недостатъчно, водата в реактора се разширява поради повишаването на температурата, т.е. плътността на модератора намалява. В резултат на това абсорбцията на неутрони в уран-238 се засилва, тъй като те нямат време да се забавят ефективно. В някои реактори се използва фактор за увеличаване на изтичането на неутрони от реактора поради намаляване на плътността на водата. Друг начин за стабилизиране на реактора е загряване на "резонансен неутронен абсорбер", като уран-238, който след това абсорбира неутроните по-силно.

Системи за сигурност.

Безопасността на реактора се осигурява от един или друг механизъм за изключването му в случай на рязко увеличаване на мощността. Това може да бъде механизъм на физически процес или работа на система за контрол и защита, или и двете. При проектирането на реактори с водно охлаждане се предвиждат аварийни ситуации, свързани с приток на студена вода в реактора, спад в скоростта на потока на охлаждащата течност и твърде висока реактивност по време на стартиране. Тъй като интензитетът на реакцията се увеличава с понижаване на температурата, с рязък приток на студена вода в реактора, реактивността и мощността се увеличават. Защитната система обикновено предвижда автоматично заключване, за да се предотврати навлизането на студена вода. С намаляване на потока на охлаждащата течност реакторът прегрява, дори ако мощността му не се увеличава. В такива случаи е необходимо автоматично спиране. Освен това помпите за охлаждаща течност трябва да бъдат оразмерени така, че да доставят охлаждащата течност, необходима за спиране на реактора. Аварийна ситуация може да възникне при стартиране на реактор с твърде висока реактивност. Поради ниското ниво на мощност реакторът няма време да се нагрее достатъчно, за да заработи температурната защита, докато не стане твърде късно. Единствената надеждна мярка в такива случаи е внимателното пускане на реактора.

Избягването на тези извънредни ситуации е доста лесно, ако следвате следното правило: всички действия, които могат да увеличат реактивността на системата, трябва да се извършват внимателно и бавно. Най-важното по въпроса за безопасността на реактора е абсолютната необходимост от продължително охлаждане на активната зона на реактора след прекратяване на реакцията на делене в нея. Факт е, че радиоактивните продукти на делене, останали в патроните с гориво, отделят топлина. Това е много по-малко от топлината, отделяна в режим на пълна мощност, но е достатъчна за стопяване на горивните елементи при липса на необходимото охлаждане. Кратко прекъсване на подаването на охлаждаща вода доведе до значителни щети на активната зона и аварията на реактора в Три Майл Айлънд (САЩ). Разрушаването на активната зона на реактора е минималната щета в случай на такава авария. По-лошо, ако има изтичане на опасни радиоактивни изотопи. Повечето промишлени реактори са оборудвани с херметически затворени предпазни обвивки, които трябва да предотвратяват изпускането на изотопи в околната среда в случай на авария.

В заключение отбелязваме, че възможността за разрушаване на реактора до голяма степен зависи от неговата схема и дизайн. Реакторите могат да бъдат проектирани по такъв начин, че намаляването на дебита на охлаждащата течност да не доведе до големи проблеми. Това са различните видове реактори с газово охлаждане.

делене на уран

Само ядрата могат да се делят някои тежкиелементи като уран.

Ядрото на урана - 235 е сферично. След като погълне неутрон, ядрото се възбужда и започва да се деформира.
Тя се простира от страна на страна, докато кулоновските отблъскващи сили между протоните започнат да надделяват над ядрените сили на привличане. След това ядрото се разкъсва на две части и фрагментите се разлитат със скорост 1/30 от скоростта на светлината. Ядреното делене произвежда още 2 или 3 неутрона.
Появата на неутрони се обяснява с факта, че броят на неутроните в фрагментите се оказва по-голям от допустимото.

Летящите фрагменти, които имат огромна скорост, се забавят от околната среда.
Кинетичната енергия на фрагментите се преобразува във вътрешната енергия на средата, която се нагрява.
По този начин деленето на урановите ядра се придружава от освобождаване на голямо количество енергия.

ЯДРЕНА ВЕРИЖНА РЕАКЦИЯ

Това е процес, при който една извършена реакция предизвиква последващи реакции от същия тип.

По време на деленето на едно ураново ядро, получените неутрони могат да причинят делене на други уранови ядра, докато броят на неутроните нараства като лавина.

Съотношението на броя на произведените неутрони в едно събитие на делене към броя на тези неутрони в предишното събитие на делене се нарича коефициент на умножениенеутрони k.

Когато k е по-малко от 1, реакцията загасва, т.к броят на погълнатите неутрони е по-голям от броя на новообразуваните.
Когато k е по-голямо от 1, експлозия настъпва почти мигновено.
Когато k е равно на 1, протича контролирана стационарна верижна реакция.

Верижната реакция е придружена от освобождаване на голямо количество енергия.

За да се извърши верижна реакция, е невъзможно да се използват ядра, които се делят под въздействието на неутрони.

Химическият елемент уран, който се използва като гориво за ядрени реактори, естествено се състои от два изотопа: уран-235 и уран-238.

В природата изотопите на уран-235 съставляват само 0,7% от общия запас уран, но са подходящи за провеждане на верижна реакция, т.к. разделен под влияние бавни неутрони.

Ядрата на уран-238 могат да се разделят само под въздействието на неутрони с висока енергия ( бързи неутрони). Само 60% от неутроните, които се появяват при деленето на ядрото на уран-238, имат такава енергия. Приблизително само 1 от 5 произведени неутрона причинява ядрено делене.

Условия за верижна реакцияв уран-235:

Минималното количество гориво (критична маса), необходимо за контролирана верижна реакция в ядрен реактор
- скоростта на неутроните трябва да предизвика делене на уранови ядра
- без примеси, които абсорбират неутрони

Критична маса:

Ако масата на урана е малка, неутроните ще излитат от него, без да реагират
- ако масата на урана е голяма, е възможна експлозия поради силно увеличаване на броя на неутроните
- ако масата съответства на критичната, протича контролирана верижна реакция

За уран-235 критична масае 50 кг (това е например топка от уран с диаметър 9 см).

Първата контролирана верижна реакция - САЩ през 1942 г. (Е. Ферми)
В СССР - 1946 г. (И. В. Курчатов).

Запомнете темата "Атомна физика" за 9 клас:

Радиоактивност.
радиоактивни трансформации.
Съставът на атомното ядро. Ядрени сили.
Комуникационна енергия. масов дефект.
Деление на уранови ядра.
Ядрено верижна реакция.
Ядрен реактор.
термоядрена реакция.

Други страници на тема "Атомна физика" за 10-11 клас:

МАЛКО ОТ ИСТОРИЯТА

През 1930 г. в Кеймбридж Дж. Кокрофт и Е. Уолсън разделят атома. Ръководителят на лабораторията в Кавендиш, лорд Е. Ръдърфорд, говори публично за този експеримент: „Разцепването на атома е просто най-елегантният експеримент и неговата елегантност се крие във факта, че той няма практическо приложение."
___

Когато започна работа във Франция за създаване на атомни оръжияи съответно при пречистването на урановите изотопи внезапно беше открито, че уранът от околностите на западноафриканското село Окло, вместо 0,71% за уран-235, подходящ за боеприпаси, съдържа само 0,68%. Последвалото съдебно дело доведе до откриването на уникален, наистина единствен по рода си обект - естествен ядрен реактор! В същото време част от уран-235 беше изразходван по време на работата на този реактор.
___

Човечеството наскоро отбеляза 50 години от атомните бомбардировкиХирошима и Нагасаки. Пътят към тези трагични събития минавал и под главната трибуна на стадион Чикаго, където на 2 декември 1942 г. първата ядрена верижна реакция.
___

От виц за какво е верижна реакция: "Ако някой върви близо до куче, което седи на верига, то започва да лае и други кучета го следват."

>> делене на уран

§ 107 ДЕЛЯНЕ НА ЯДРА НА УРАН

Само ядрата на някои тежки елементи могат да бъдат разделени на части. По време на деленето на ядрата се излъчват два или три неутрона и -лъчи. В същото време се отделя много енергия.

Откриване на делене на уран.Разделянето на урановите ядра е открито през 1938 г. от немските учени О. Хан и Ф. Щрасман. Те установяват, че при бомбардиране на уран с неутрони възникват елементи от средната част на периодичната система: барий, криптон и т. н. Правилното тълкуване на този факт именно като делене на урановото ядро, което е уловило неутрона, е дадено при началото на 1939 г. от английския физик О. Фриш заедно с австрийския физик Л. Майтнер.

Улавянето на неутрон разрушава стабилността на ядрото. Ядрото се възбужда и става нестабилно, което води до разделянето му на фрагменти. Ядреното делене е възможно, защото масата на покой на тежко ядро ​​е по-голяма от сумата на масите на покой на фрагментите, които възникват по време на деленето. Следователно има освобождаване на енергия, еквивалентно на намаляване на масата на покой, което придружава деленето.

Възможността за делене на тежки ядра може да се обясни и с помощта на графика на зависимостта на специфичната енергия на свързване от масовото число A (виж фиг. 13.11). Специфичната енергия на свързване на ядрата на атомите на елементите, заемащи последните места в периодичната система (A 200) е приблизително с 1 MeV по-малка от специфичната енергия на свързване в ядрата на елементите, разположени в средата на периодичната система (A 100) . Следователно процесът на делене на тежки ядра в ядра на елементи в средната част на периодичната система е енергийно благоприятен. След делене, системата преминава в състояние с минимална вътрешна енергия. В края на краищата, колкото по-голяма е енергията на свързване на ядрото, толкова по-голяма е енергията, която трябва да се освободи при възникване на ядрото и следователно, толкова по-ниска е вътрешната енергия на новообразуваната система.

При ядрено делене енергията на свързване на нуклон се увеличава с 1 MeV, а общата освободена енергия трябва да бъде огромна - около 200 MeV. Никоя друга ядрена реакция (която не е свързана с делене) не отделя толкова големи енергии.

Директните измервания на енергията, освободена по време на деленето на урановото ядро, потвърдиха горните съображения и дадоха стойност от 200 MeV. Освен това по-голямата част от тази енергия (168 MeV) пада върху кинетичната енергия на фрагментите. На фигура 13.13 виждате следите от делящи се уранови фрагменти в облачна камера.

Енергията, освободена при ядрено делене, е по-скоро електростатичен, отколкото ядрен произход. Голямата кинетична енергия, която имат фрагментите, възниква поради тяхното кулоново отблъскване.

механизъм на ядрено делене.Процесът на ядрено делене може да се обясни на базата на капковия модел на ядрото. Според този модел куп нуклони наподобява капка заредена течност (фиг. 13.14, а). Ядрените сили между нуклоните са къси, подобно на силите, действащи между течните молекули. Наред със силните сили на електростатично отблъскване между протоните, които са склонни да разкъсат ядрото, съществуват още по-големи ядрени сили на привличане. Тези сили предпазват ядрото от разпадане.

Ядрото на уран-235 е сферично. След като е погълнал допълнителен неутрон, той се възбужда и започва да се деформира, придобивайки удължена форма (фиг. 13.14, б). Ядрото ще се разтяга, докато силите на отблъскване между половините на удълженото ядро ​​започнат да преобладават над силите на привличане, действащи в провлака (фиг. 13.14, в). След това се разкъсва на две части (фиг. 13.14, г).

Под действието на кулоновите отблъскващи сили тези фрагменти се разлитат със скорост, равна на 1/30 от скоростта на светлината.

Емисия на неутрони по време на делене.Основният факт на ядреното делене е излъчването на два или три неутрона по време на делене. Именно благодарение на това стана възможно практическото използване на вътрешноядрена енергия.

Възможно е да се разбере защо се излъчват свободни неутрони от следните съображения. Известно е, че съотношението на броя на неутроните към броя на протоните в стабилните ядра се увеличава с увеличаване на атомния номер. Следователно при фрагменти, възникващи от деленето, относителният брой на неутроните се оказва по-голям от допустимото за ядрата на атомите, разположени в средата на периодичната таблица. В резултат на това в процеса на делене се отделят няколко неутрона. Тяхната енергия има различни стойности - от няколко милиона електрон волта до много малки, близки до нула.

Разделянето обикновено става на фрагменти, чиито маси се различават около 1,5 пъти. Тези фрагменти са силно радиоактивни, тъй като съдържат излишно количество неутрони. В резултат на поредица от последователни разпада, в крайна сметка се получават стабилни изотопи.

В заключение отбелязваме, че има и спонтанно делене на уранови ядра. Открит е от съветските физици Г. Н. Флеров и К. А. Петржак през 1940 г. Периодът на полуразпад за спонтанно делене е 10 16 години. Това е два милиона пъти по-дълго от периода на полуразпад на урана.

Реакцията на ядрено делене е придружена от освобождаване на енергия.

Съдържание на урока резюме на урокаподкрепа рамка презентация урок ускорителни методи интерактивни технологии Практика задачи и упражнения самоизпитване семинари, обучения, казуси, куестове домашна работа дискусия въпроси реторични въпроси от ученици Илюстрации аудио, видео клипове и мултимедияснимки, картини графики, таблици, схеми хумор, анекдоти, вицове, комикси притчи, поговорки, кръстословици, цитати Добавки резюметастатии чипове за любопитни cheat sheets учебници основни и допълнителен речник на термини други Подобряване на учебниците и уроцитекоригиране на грешки в учебникаактуализиране на фрагмент в учебника, елементи на иновация в урока, замяна на остарелите знания с нови Само за учители перфектни уроцикалендарен план за годината методически препоръки на дискусионната програма Интегрирани уроци

Изследването на взаимодействието на неутроните с материята доведе до откриването на ядрени реакции от нов тип. През 1939 г. О. Хан и Ф. Щрасман изследват химическите продукти, получени в резултат на бомбардирането на уранови ядра с неутрони. Сред продуктите на реакцията е открит барий - химичен елемент с маса много по-малка от тази на урана. Проблемът е решен от немските физици L. Meitneroma и O. Frisch, които показват, че когато неутроните се абсорбират от урана, ядрото се разделя на два фрагмента:

където к > 1.

По време на деленето на ураново ядро, топлинен неутрон с енергия от ~ 0,1 eV отделя енергия от ~ 200 MeV. Същественото е, че този процес е придружен от появата на неутрони, способни да причинят делене на други уранови ядра, - верижна реакция на делене . По този начин един неутрон може да доведе до разклонена верига на ядрено делене и броят на ядрата, участващи в реакцията на делене, ще се увеличи експоненциално. Откриха се перспективите за използване на верижна реакция на делене в две посоки:

· контролирана реакция на ядрено делене- създаване на ядрени реактори;

· неконтролирана реакция на ядрено делене- Създаване на ядрени оръжия.

През 1942 г. в САЩ е построен първият ядрен реактор. В СССР първият реактор е пуснат през 1946 г. В момента топлинна и електрическа енергия се генерира в стотици ядрени реактори, работещи в различни страни по света.

Както се вижда от фиг. 4.2, с нарастваща стойност НОспецифичната енергия на свързване нараства до НО» 50. Това поведение може да се обясни с добавянето на сили; енергията на свързване на отделен нуклон се засилва, ако той е привлечен не от един или два, а от няколко други нуклона. Въпреки това, в елементи със стойности на масовото число по-големи от НО» 50 специфичната енергия на свързване постепенно намалява с увеличаване НО.Това се дължи на факта, че ядрените сили на привличане са с малък обхват от порядъка на размера на отделен нуклон. Извън този радиус преобладават силите на електростатично отблъскване. Ако два протона се отстранят с повече от 2,5 × 10 - 15 m, тогава между тях преобладават силите на кулоново отблъскване, а не ядрено привличане.

Последствието от това поведение на специфичната енергия на свързване в зависимост от НОе съществуването на два процеса - сливане и делене на ядра . Помислете за взаимодействието на електрон и протон. Когато се образува водороден атом, се освобождава енергия от 13,6 eV и масата на водородния атом се оказва с 13,6 eV по-малка от сумата на масите на свободен електрон и протон. По подобен начин масата на две леки ядра надвишава масата след тяхното свързване в D М. Ако са свързани, те ще се слеят с освобождаването на енергия D Г-ЦА 2. Този процес се нарича ядрен синтез . Разликата в масата може да надвишава 0,5%.

Ако тежко ядро ​​се раздели на две по-леки ядра, тогава тяхната маса ще бъде по-малка от масата на изходното ядро ​​с 0,1%. Тежките ядра са склонни да дивизияна две по-леки ядра с освобождаване на енергия. Енергията на атомната бомба и ядрения реактор е енергията , освободен при ядрено делене . Енергия на водородната бомба е енергията, освободена по време на ядрен синтез. Алфа разпадът може да се разглежда като силно асиметрично делене, при което родителското ядро Мсе разделя на малка алфа частица и голямо остатъчно ядро. Алфа разпад е възможен само ако реакцията

тегло Мсе оказва по-голямо от сбора на масите и алфа-частицата. Всички ядра с З> 82 (олово). З> 92 (уран) алфа-разпад на полуразпад е много по-дълъг от възрастта на Земята и такива елементи не се срещат в природата. Те обаче могат да бъдат създадени изкуствено. Например плутоний ( З= 94) може да се получи от уран в ядрен реактор. Тази процедура стана обичайна и струва само 15 долара за 1 г. Досега беше възможно да се получат елементи до З= 118, но на много по-висока цена и като правило в незначителни количества. Може да се надяваме, че радиохимиците ще се научат как да получават, макар и в малки количества, нови елементи с З> 118.

Ако едно масивно ураново ядро ​​може да бъде разделено на две групи нуклони, тогава тези групи нуклони биха се пренаредили в ядра с по-силна връзка. В процеса на преструктуриране ще се освободи енергия. Спонтанното ядрено делене е позволено от закона за запазване на енергията. Въпреки това, потенциалната бариера в реакцията на делене на естествено срещащи се ядра е толкова висока, че вероятността от спонтанно делене е много по-малка от вероятността за алфа разпад. Времето на полуразпад на 238 U ядра спрямо спонтанното делене е 8×10 15 години. Това е повече от милион пъти възрастта на Земята. Ако неутрон се сблъска с тежко ядро, тогава той може да премине на по-високо енергийно ниво близо до върха на електростатичната потенциална бариера, в резултат на което вероятността от делене ще се увеличи. Ядрото във възбудено състояние може да има значителен ъглов импулс и да придобие овална форма. Местата по периферията на ядрото проникват по-лесно през бариерата, тъй като те частично вече са зад бариерата. При ядро ​​с овална форма ролята на бариерата е още по-отслабена. Когато се улавя ядро ​​или бавен неутрон, се образуват състояния с много кратък живот в сравнение с деленето. Разликата между масите на урановото ядро ​​и типичните продукти на делене е такава, че средно 200 MeV енергия се освобождава по време на деленето на урана. Масата на покой на урановото ядро ​​е 2,2×10 5 MeV. Около 0,1% от тази маса се превръща в енергия, което е равно на съотношението 200 MeV към 2,2 × 10 5 MeV.

Енергиен рейтинг,освободен по време на разделянето,може да се получи от Формули на Weizsäcker :

Когато ядрото се раздели на два фрагмента, повърхностната енергия и кулоновата енергия се променят , като повърхностната енергия се увеличава и кулоновата енергия намалява. Делението е възможно, когато енергията, освободена по време на деленето, е такава Е > 0.

.

Тук А 1 = А/2, З 1 = З/2. От това получаваме, че деленето е енергийно благоприятно, когато З 2 /А> 17. Стойност З 2 /АНаречен параметър на делимост . Енергия Е, освободен при деление, се увеличава с увеличаване З 2 /А.

В процеса на делене ядрото променя формата си – то последователно преминава през следните етапи (фиг. 9.4): топка, елипсоид, дъмбел, два крушовидни фрагмента, два сферични фрагмента.

След като деленето е осъществено и фрагментите са разделени един от друг на разстояние, много по-голямо от радиуса им, потенциалната енергия на фрагментите, определена от кулоновото взаимодействие между тях, може да се счита за равна на нула.

Поради еволюцията на формата на ядрото, промяната в неговата потенциална енергия се определя от промяната в сумата на повърхностната и кулоновата енергия . Приема се, че обемът на сърцевината остава непроменен по време на деформация. В този случай повърхностната енергия се увеличава, тъй като повърхностната площ на ядрото се увеличава. Кулоновата енергия намалява с увеличаване на средното разстояние между нуклоните. В случай на малки елипсоидни деформации увеличаването на повърхностната енергия става по-бързо от намаляването на кулоновата енергия.

В областта на тежките ядра сумата от повърхностната и кулоновата енергия нараства с напрежение. При малки елипсоидни деформации увеличаването на повърхностната енергия предотвратява по-нататъшна промяна във формата на ядрото, а оттам и деленето. Наличието на потенциална бариера предотвратява моментално спонтанно ядрено делене. За да може ядрото незабавно да се раздели, то трябва да бъде снабдено с енергия, надвишаваща височината на бариерата на делене Х.

височина на преградата Хколкото по-голямо, толкова по-малко е съотношението на кулоновата и повърхностната енергия в изходното ядро. Това съотношение от своя страна се увеличава с увеличаване на параметъра на делимост З 2 /НО.Колкото по-тежка е сърцевината, толкова по-ниска е височината на преградата Х, тъй като параметърът на делимост се увеличава с увеличаване на масовото число:

По-тежките ядра обикновено трябва да бъдат снабдени с по-малко енергия, за да предизвикат делене. От формулата на Weizsäcker следва, че височината на бариерата на деленето изчезва при . Тези. Според модела на капката в природата не трябва да има ядра, тъй като те се разделят спонтанно почти мигновено (за характерно ядрено време от порядъка на 10–22 s). Съществуването на атомни ядра с (" остров на стабилността ”) се обяснява със структурата на обвивката на атомните ядра. Спонтанно ядрено делене с , за което височината на преградата Хне е равно на нула, от гледна точка на класическата физика е невъзможно. От гледна точка на квантовата механика, такова делене е възможно в резултат на преминаването на фрагменти през потенциална бариера и се нарича спонтанно делене . Вероятността за спонтанно делене се увеличава с увеличаване на параметъра на делене, т.е. с намаляване на височината на бариерата на делене.

Принудително ядрено делене могат да бъдат причинени от всякакви частици: фотони, неутрони, протони, деутрони, α-частици и др., ако енергията, която те допринасят за ядрото, е достатъчна за преодоляване на бариерата на делене.

Масите на фрагментите, образувани по време на делене от топлинни неутрони, не са равни. Ядрото има тенденция да се раздели по такъв начин, че основната част от нуклоните на фрагмента да образува стабилно магическо ядро. На фиг. 9.5 показва разпределението на масата по време на разделяне. Най-вероятната комбинация от масови числа е 95 и 139.

Съотношението на броя на неутроните към броя на протоните в ядрото е 1,55, докато за стабилни елементи с маса, близка до масата на фрагментите на делене, това съотношение е 1,25 - 1,45. Следователно, фрагментите на делене са силно претоварени с неутрони и са нестабилни към β-разпад - те са радиоактивни.

В резултат на деленето се освобождава енергия ~ 200 MeV. Около 80% от него се дължи на енергията на фрагмента. При един акт на делене повече от два неутрони на делене със средна енергия от ~ 2 MeV.

1 g от всяко вещество съдържа . Разделянето на 1 g уран е придружено от освобождаване на ~ 9×10 10 J. Това е почти 3 милиона пъти по-голямо от енергията на изгаряне на 1 g въглища (2,9×10 4 J). Разбира се, 1 g уран струва много повече от 1 g въглища, но цената на 1 J енергия, получена при изгаряне на въглища, се оказва 400 пъти по-висока, отколкото в случая на ураново гориво. Генерирането на 1 kWh енергия струва 1,7 цента в електроцентралите, работещи с въглища, и 1,05 цента в атомните електроцентрали.

Благодарение на верижна реакцияпроцесът на ядрено делене може да се извърши самоподдържащи се . При всяко делене се отделят 2 или 3 неутрона (фиг. 9.6). Ако един от тези неутрони успее да предизвика делене на друго ураново ядро, тогава процесът ще бъде самоподдържащ се.

Наборът от делящ се материал, който отговаря на това изискване, се нарича критичен монтаж . Първото подобно събрание, наречено ядрен реактор , е построена през 1942 г. под ръководството на Енрико Ферми в кампуса на Чикагския университет. Първият ядрен реактор е пуснат през 1946 г. под ръководството на И. Курчатов в Москва. Първата атомна електроцентрала с мощност 5 MW е пусната в СССР през 1954 г. в град Обнинск (фиг. 9.7).

масаи вие също можете да направите свръхкритични . В този случай неутроните, произведени по време на деленето, ще причинят няколко вторични деления. Тъй като неутроните се движат със скорости, надвишаващи 10 8 cm/s, свръхкритичният агрегат може напълно да реагира (или да се разлети) за по-малко от хилядна от секундата. Такова устройство се нарича атомна бомба . Ядреният заряд, направен от плутоний или уран, се прехвърля в свръхкритично състояние, обикновено чрез експлозия. Подкритичната маса е заобиколена от химически експлозиви. По време на експлозията плутониевата или уранова маса се подлага на мигновено компресиране. Тъй като плътността на сферата в този случай се увеличава значително, скоростта на поглъщане на неутроните се оказва по-висока от скоростта на загуба на неутрони поради излъчването им навън. Това е условието за свръхкритичност.

На фиг. 9.8 показва диаграма на атомната бомба "Хлапе", хвърлена над Хирошима. Служи като ядрен експлозив в бомба, разделена на две части, чиято маса е по-малка от критична. Критичната маса, необходима за експлозията, е създадена чрез свързване на двете части по „метод на оръдията“ с помощта на конвенционални експлозиви.

Експлозия от 1 тон тринитротолуен (TNT) отделя 10 9 кал или 4×10 9 J. Експлозия на атомна бомба, която консумира 1 kg плутоний, освобождава около 8×10 13 J енергия.

Или е почти 20 000 пъти повече, отколкото при експлозията на 1 тон тротил. Такава бомба се нарича 20-килотона бомба. Днешните мегатонни бомби са милиони пъти по-мощни от конвенционалните TNT експлозиви.

Производството на плутоний се основава на облъчването на 238 U с неутрони, което води до образуването на изотоп 239 U, който в резултат на бета разпад се превръща в 239 Np, а след това, след още един бета разпад, в 239 Pu. Когато се абсорбира нискоенергиен неутрон, и двата изотопа 235 U и 239 Pu се подлагат на делене. Продуктите на делене се характеризират с по-силно свързване (~ 1 MeV на нуклон), поради което в резултат на деленето се освобождават приблизително 200 MeV енергия.

Всеки грам отработен плутоний или уран поражда почти грам радиоактивни продукти на делене, които имат огромна радиоактивност.

За да видите демонстрации, щракнете върху съответната хипервръзка: