Fisija jezgra uranijuma. Lančana reakcija
Sva ova zbrka je sada sasvim jasna. Ispostavilo se da se u uranijumu pod dejstvom neutrona može desiti nova vrsta nuklearne transformacije. Ova transformacija, koju su 1938. otkrili Hahn i Strassmann i postala poznata početkom 1939. godine, sastoji se u činjenici da se jezgro uranijuma, nakon što je uhvatilo neutron, može podijeliti na dvije polovine.
U svim ostalim nuklearnim reakcijama, najviše alfa čestica izleti iz jezgre. Ovdje se iz uranijuma dobivaju dva jezgra prosječne atomske težine, na primjer, kripton i barij:
(uranijum) 2|| + neutron ->. (uran) U (kripton) ^ -[- (barijum)'|?.
Energija vezivanja fragmenata, odnosno jezgara kriptona i barijuma, mnogo je veća od one uranijuma. Dakle, prilikom fisije uranijuma oslobađa se ogromna energija od 170 miliona volti, odnosno 10 puta više nego prilikom razaranja ligijuma protonima. Energija koja se oslobađa pri fisiji prelazi u kinetičku energiju fragmenata uranijuma, odnosno ovi fragmenti dobijaju ogromnu brzinu.
Fisija uranijuma je, inače, slična fisiji litijuma:
(litijum) - (- proton) (berilij) ® - ". (helijum) 2+ (helijum) *.
U oba slučaja jezgro je podijeljeno na dvije polovine, a razlozi za oslobađanje energije su također isti. Međutim, jezgra teže od litijuma uvijek emituju najviše alfa česticu; kada se litijum uništi, dobijaju se i samo alfa čestice. Stoga je fisija uranijuma vrlo poseban fenomen.
Hajde da vidimo kako dolazi do ove fisije uranijuma. Jezgro uranijuma, koje se sastoji od više od dvije stotine čestica, je poput male okrugle nabijene kapljice i ima sferni oblik (slika 16, a). Ako počnemo mijenjati oblik jezgra, onda će se dogoditi potpuno isto što i s kapljicom. Sa malim
Kada je jezgro rastegnuto, ono teži da se vrati u svoj prvobitni sferni oblik, pošto je u ovom slučaju površina jezgra najmanja; povećanje površine nije korisno, zahtijeva energiju.
Ali ako mnogo promijenimo - oblik jezgre - kao što je prikazano na sl. 16, u - tada ćete već biti jezgro
Bolje je da se raspadne na dvije polovine, jer se oba dijela jezgra odbijaju jedan od drugog električnim silama, a to odbijanje postaje značajno.
Ne, nego gubitak energije povezan s povećanjem površine.
Dakle, da bi došlo do fisije jezgra uranijuma, potrebno je izazvati snažna kretanja u jezgru, što bi dovelo do željene promjene njegovog oblika.
4 V. L. Ginzburg 49
Neutron koji ulazi u jezgro uranijuma može samo potaknuti snažna kretanja i time dovesti do fisije ovog jezgra. Prilikom fisije dobijaju se različiti fragmenti, na primjer, kripton i barij, ili rubidij i cezijum (od slučaja do slučaja može se dobiti ili jedan ili drugi par jezgara).
U komori oblaka se mogu uočiti fragmenti (slika 17).
Za sve fragmente koji nastaju fisijom uranijuma, međutim, karakteristična je jedna karakteristika - ispostavilo se da su jako preopterećeni neutronima. Stvar je u tome
Činjenica da je u težim elementima odnos broja neutrona i broja protona veći nego kod lakih elemenata.
Na primjer, u uranijumu 2!! ima 146 neutrona i 92 protona, au kiseoniku je jednak broj neutrona i protona.
Prirodni izotopi kriptona i barijuma imaju najviše 50 odnosno 82 neutrona, odnosno ukupno 132 neutrona. U međuvremenu, u jezgru uranijuma težine 239, koje se raspada na kripton i barijum, nalazi se 147 neutrona; dakle, jezgra kriptona i barijuma, nastala tokom fisije uranijuma, zajedno će imati 50
15 dodatnih neutrona. Ova okolnost dovodi do činjenice da se u fragmentima koji nastaju fisijom uranijuma višak neutrona pretvara u protone, odnosno ovi fragmenti se ispostavljaju kao radioaktivni i emitiraju beta čestice. Kripton se, na primjer, raspada ovako:
(kripton) 3(G> (rubidijum) 37-- (elektron) (stroncijum) 38-)- (elektron).
Dakle, tokom fisije uranijuma nastaje mnogo elemenata, od kojih je većina radioaktivna.
Ali preopterećenje fragmenata neutronima je toliko veliko da materija nije ograničena na jednu radioaktivnost, već nekoliko neutrona jednostavno izleti u slobodnom obliku.
Shodno tome, tokom fisije uranijuma izazvane neutronima, oslobađaju se novi neutroni, čiji je broj jednak dva ili tri po jednom kolapsirajućem jezgru (slika 18).
Ova činjenica igra odlučujuću ulogu u korištenju nuklearne energije.
Ispostavilo se da je fisija uranijuma nuklearna transformacija upravo ovog tipa, u kojoj jedan neutron dovodi do emisije nekoliko novih neutrona. Istovremeno se oslobađa mnogo energije. Ako neutroni proizvedeni fisijom mogu uspješno izazvati novu fisiju jezgri, tada će se broj neutrona i razbijenih jezgara stalno povećavati, a reakcija se neće zaustaviti.
Štoviše, ako se ne preduzmu posebne mjere, tada će ova reakcija rasti tako burno da će uslijediti eksplozija. Takva reakcija, koja raste bez ikakvih vanjskih izvora, kao što smo već rekli, naziva se lančana reakcija.
Ispostavilo se da se u uranijumu takva lančana reakcija može izvesti pod određenim uslovima.
Tako je prvi put puštena nuklearna energija.
Sadržaj članka
NUKLEARNA FISIJA, nuklearna reakcija u kojoj se atomsko jezgro, kada ga bombardiraju neutroni, podijeli na dva ili više fragmenata. Ukupna masa fragmenata je obično manja od zbira masa početnog jezgra i neutrona koji bombarduje. "Misa koja nedostaje" m pretvara u energiju E prema Ajnštajnovoj formuli E = mc 2, gdje c je brzina svjetlosti. Budući da je brzina svjetlosti vrlo velika (299,792,458 m/s), mala masa odgovara ogromnoj količini energije. Ova energija se može pretvoriti u električnu energiju.
Energija oslobođena tokom nuklearne fisije pretvara se u toplinu kada se fragmenti fisije usporavaju. Brzina oslobađanja topline ovisi o broju cijepanja jezgara u jedinici vremena. Kada se fisija velikog broja jezgara dogodi u malom volumenu za kratko vrijeme, reakcija ima karakter eksplozije. Ovo je princip atomske bombe. Ako se, s druge strane, relativno mali broj jezgara fisije u velikom volumenu duže vrijeme, tada će rezultat biti oslobađanje topline koja se može iskoristiti. Na tome se baziraju nuklearne elektrane. U nuklearnim elektranama, toplina koja se oslobađa u nuklearnim reaktorima kao rezultat nuklearne fisije koristi se za proizvodnju pare, koja se dovodi u turbine koje rotiraju električne generatore.
Za praktičnu upotrebu fisionih procesa najprikladniji su uranijum i plutonijum. Imaju izotope (atome datog elementa s različitim masenim brojevima) koji se cijepaju kada apsorbuju neutrone, čak i pri vrlo niskim energijama.
Ključ za praktičnu upotrebu energije fisije bila je činjenica da neki elementi emituju neutrone u procesu fisije. Iako se jedan neutron apsorbuje tokom nuklearne fisije, ovaj gubitak se nadoknađuje proizvodnjom novih neutrona tokom fisije. Ako uređaj u kojem dolazi do fisije ima dovoljno veliku („kritičnu”) masu, tada se „lančana reakcija” može održati zbog novih neutrona. Lančana reakcija se može kontrolisati podešavanjem broja neutrona koji mogu izazvati fisiju. Ako je veći od jedan, onda se intenzitet podjele povećava, a ako je manji od jedan, opada.
ISTORIJA REFERENCE
Povijest otkrića nuklearne fisije potiče od djela A. Becquerela (1852–1908). Istražujući 1896. fosforescenciju različitih materijala, otkrio je da minerali koji sadrže uranijum spontano emituju zračenje koje uzrokuje pocrnjenje fotografske ploče čak i ako se neprozirna čvrsta materija stavi između minerala i ploče. Razni eksperimentatori su ustanovili da se ovo zračenje sastoji od alfa čestica (jezgra helijuma), beta čestica (elektrona) i gama zraka (tvrdo elektromagnetno zračenje).
Prvu transformaciju jezgara, umjetno izazvanu čovjekom, izveo je 1919. E. Rutherford, koji je azot pretvorio u kisik zračenjem dušika uranijum alfa česticama. Ovu reakciju prati apsorpcija energije, jer masa njenih proizvoda - kisika i vodika - premašuje masu čestica koje ulaze u reakciju - dušika i alfa čestica. Oslobađanje nuklearne energije prvi put su 1932. postigli J. Cockcroft i E. Walton, koji su bombardirali litijum protonima. U ovoj reakciji masa jezgara koja je ušla u reakciju bila je nešto veća od mase proizvoda, uslijed čega se oslobađala energija.
Godine 1932. J. Chadwick je otkrio neutron - neutralnu česticu čija je masa približno jednaka masi jezgra atoma vodika. Fizičari širom svijeta počeli su proučavati svojstva ove čestice. Pretpostavljalo se da će neutron bez električnog naboja i koji nije odbijen od pozitivno nabijenog jezgra vjerovatnije izazvati nuklearne reakcije. Noviji rezultati su potvrdili ovu pretpostavku. U Rimu su E. Fermi i njegovi saradnici podvrgli gotovo sve elemente periodnog sistema neutronskom zračenju i posmatrali nuklearne reakcije sa stvaranjem novih izotopa. Dokaz stvaranja novih izotopa bila je "vještačka" radioaktivnost u obliku gama i beta zračenja.
Prve naznake mogućnosti nuklearne fisije.
Fermi je zaslužan za otkriće mnogih danas poznatih neutronskih reakcija. Konkretno, pokušao je da dobije element sa atomskim brojem 93 (neptunijum) bombardovanjem uranijuma (element sa atomskim brojem 92) neutronima. Istovremeno je registrovao elektrone emitovane kao rezultat hvatanja neutrona u predloženoj reakciji
238 U + 1 n ® 239 Np + b–,
gdje je 238 U izotop uranijuma-238, 1 n je neutron, 239 Np je neptun, i b- - elektron. Međutim, rezultati su bili različiti. Da bi se isključila mogućnost da registrovana radioaktivnost pripada izotopima uranijuma ili drugim elementima koji se nalaze u periodnom sistemu prije uranijuma, bilo je potrebno izvršiti hemijsku analizu radioaktivnih elemenata.
Rezultati analize su pokazali da nepoznati elementi odgovaraju serijskim brojevima 93, 94, 95 i 96. Stoga je Fermi zaključio da je dobio transuranijumske elemente. Međutim, O. Hahn i F. Strassman u Njemačkoj, nakon što su izvršili temeljnu hemijsku analizu, otkrili su da je radioaktivni barijum prisutan među elementima koji nastaju zračenjem uranijuma neutronima. To je značilo da je, vjerovatno, dio jezgri uranijuma podijeljen na dva velika fragmenta.
Potvrda divizije.
Nakon toga, Fermi, J. Dunning i J. Pegram sa Univerziteta Columbia izveli su eksperimente koji su pokazali da postoji nuklearna fisija. Fisija uranijuma neutronima potvrđena je metodama proporcionalnih brojača, oblačne komore i akumulacije fisijskih fragmenata. Prva metoda je pokazala da se visokoenergetski impulsi emituju kada se izvor neutrona približi uzorku uranijuma. U komori za oblake, vidjelo se da je jezgro uranijuma, bombardirano neutronima, podijeljeno na dva fragmenta. Potonji metod je omogućio da se utvrdi da su, kako je predviđeno teorijom, fragmenti radioaktivni. Sve ovo zajedno uvjerljivo je dokazalo da se fisija zaista događa i omogućilo je pouzdanu procjenu energije koja se oslobađa tokom fisije.
Budući da se dozvoljeni omjer broja neutrona i broja protona u stabilnim jezgrama smanjuje sa smanjenjem veličine jezgra, udio neutrona u fragmentima mora biti manji nego u originalnom jezgru urana. Dakle, postojali su svi razlozi za vjerovanje da je proces fisije praćen emisijom neutrona. Ovo je ubrzo eksperimentalno potvrdio F. Joliot-Curie i njegovi saradnici: broj neutrona emitovanih u procesu fisije bio je veći od broja apsorbovanih neutrona. Ispostavilo se da za jedan apsorbovani neutron postoje otprilike dva i po nova neutrona. Mogućnost lančane reakcije i izgledi za stvaranje izuzetno snažnog izvora energije i korištenje u vojne svrhe odmah su postali očigledni. Nakon toga, u nizu zemalja (posebno u Njemačkoj i SAD) počelo se raditi na stvaranju atomske bombe u uslovima duboke tajnosti.
Razvoj tokom Drugog svetskog rata.
Od 1940. do 1945. smjer razvoja određivali su vojni razlozi. Godine 1941. dobijene su male količine plutonijuma i utvrđeni brojni nuklearni parametri uranijuma i plutonijuma. U Sjedinjenim Državama, najvažnija proizvodna i istraživačka preduzeća neophodna za to su bila pod jurisdikcijom "Manhattan vojnog inženjerskog okruga", na koji je "Uranijumski projekat" prebačen 13. avgusta 1942. godine. Na Univerzitetu Kolumbija (Njujork), grupa zaposlenih predvođena E. Fermijem i V. Zinom izvela je prve eksperimente u kojima je proučavano umnožavanje neutrona u rešetki blokova uran-dioksida i grafita - atomskom "kotlu". U januaru 1942. ovaj rad je prebačen na Univerzitet u Čikagu, gde su u julu 1942. dobijeni rezultati koji pokazuju mogućnost samoodržive lančane reakcije. U početku je reaktor radio na snazi od 0,5 W, ali je nakon 10 dana snaga povećana na 200 W. Mogućnost dobijanja velikih količina nuklearne energije prvi put je demonstrirana 16. jula 1945. godine, kada je detonirana prva atomska bomba na poligonu Alamogordo (Novi Meksiko).
NUKLEARNI REAKTORI
Nuklearni reaktor je instalacija u kojoj je moguće provesti kontroliranu samoodrživu lančanu reakciju nuklearne fisije. Reaktori se mogu klasificirati prema korištenom gorivu (fisijski i sirovi izotopi), prema vrsti moderatora, prema vrsti gorivnih elemenata i prema vrsti rashladnog sredstva.
fisioni izotopi.
Postoje tri fisiona izotopa - uranijum-235, plutonijum-239 i uranijum-233. Uran-235 se proizvodi odvajanjem izotopa; plutonijum-239 - u reaktorima u kojima se uranijum-238 pretvara u plutonijum, 238 U ® 239 U ® 239 Np ® 239 Pu; uranijum-233 - u reaktorima u kojima se torijum-232 prerađuje u uranijum. Nuklearno gorivo za energetski reaktor bira se na osnovu njegovih nuklearnih i hemijskih svojstava, kao i cijene.
Tabela ispod prikazuje glavne parametre fisijskih izotopa. Ukupni poprečni presek karakteriše verovatnoću interakcije bilo koje vrste između neutrona i datog jezgra. Poprečni presjek fisije karakterizira vjerovatnoću nuklearne fisije neutronom. Prinos energije po apsorbovanom neutronu zavisi od toga koji deo jezgra ne učestvuje u procesu fisije. Broj neutrona koji se emituju u jednom događaju fisije važan je sa stanovišta održavanja lančane reakcije. Broj novih neutrona po apsorbovanom neutronu je važan jer karakteriše intenzitet fisije. Udio odgođenih neutrona koji se emituju nakon što je došlo do fisije povezan je s energijom pohranjenom u materijalu.
KARAKTERISTIKE FISILNIH IZOTOPA
|
KARAKTERISTIKE FISILNIH IZOTOPA |
||||||
| Izotop |
Uranijum-235 |
Uranijum-233 |
Plutonijum-239 |
|||
| Neutronska energija |
1 MeV |
0,025 eV |
1 MeV |
0,025 eV |
1 MeV |
0,025 eV |
| Cijeli odjeljak |
6,6±0,1 |
695±10 |
6,2±0,3 |
600±10 |
7,3±0,2 |
1005±5 |
| Poprečni presjek |
1,25±0,05 |
581 ± 6 |
1,85±0,10 |
526±4 |
1,8±0,1 |
751±10 |
| Dio jezgara koji ne učestvuju u fisiji |
0,077 ± 0,002 |
0,174 ± 0,01 |
0,057 ± 0,003 |
0,098 ± 0,004 |
0,08 ± 0,1 |
0,37 ± 0,03 |
| Broj neutrona emitovanih u jednom događaju fisije |
2,6±0,1 |
2,43 ± 0,03 |
2,65±0,1 |
2,50±0,03 |
3,03±0,1 |
2,84±0,06 |
| Broj neutrona po apsorbovanom neutronu |
2,41±0,1 |
2,07 ± 0,02 |
2,51±0,1 |
2,28 ± 0,02 |
2,07±0,04 |
|
| Udio odloženih neutrona, % |
(0,64±0,03) |
(0,65±0,02) |
(0,26±0,02) |
(0,26±0,01) |
(0,21±0,01) |
(0,22±0,01) |
| Energija fisije, MeV | ||||||
| Sve sekcije su date u štalama (10 -28 m 2). | ||||||
Podaci iz tabele pokazuju da svaki fisijski izotop ima svoje prednosti. Na primjer, u slučaju izotopa s najvećim poprečnim presjekom za termičke neutrone (s energijom od 0,025 eV), potrebno je manje goriva za postizanje kritične mase kada se koristi moderator neutrona. Budući da se najveći broj neutrona po apsorbovanom neutronu javlja u brzom plutonijumskom reaktoru (1 MeV), u režimu razmnožavanja bolje je koristiti plutonijum u brzom reaktoru ili uranijum-233 u termičkom reaktoru nego uranijum-235 u termičkom reaktoru. Uranijum-235 je poželjniji u smislu lakoće kontrole, jer ima veći udio odloženih neutrona.
Sirovi izotopi.
Postoje dva sirova izotopa: torijum-232 i uranijum-238, od kojih se dobijaju fisioni izotopi uranijum-233 i plutonijum-239. Tehnologija korištenja sirovih izotopa ovisi o različitim faktorima, kao što je potreba za obogaćivanjem. Uranijumska ruda sadrži 0,7% uranijuma-235, dok ruda torijuma ne sadrži fisijske izotope. Stoga se toriju mora dodati obogaćeni fisijski izotop. Broj novih neutrona po apsorbovanom neutronu je takođe važan. Uzimajući u obzir ovaj faktor, neophodno je dati prednost uranijumu-233 u slučaju termičkih neutrona (umerenih na energiju od 0,025 eV), budući da je u takvim uslovima broj emitovanih neutrona veći, a samim tim i konverzija faktor je broj novih fisilnih jezgara po jednom “potrošenom” fisilnom jezgru.
Retarderi.
Moderator služi za smanjenje energije neutrona emitovanih u procesu fisije sa oko 1 MeV na toplotnu energiju od oko 0,025 eV. Budući da umjerenost nastaje uglavnom kao rezultat elastičnog raspršenja jezgrima necijepih atoma, masa atoma moderatora mora biti što manja kako bi im neutron mogao prenijeti maksimalnu energiju. Osim toga, atomi moderatora moraju imati mali (u poređenju sa poprečnim presjekom raspršenja) poprečni presjek hvatanja, budući da se neutron mora više puta sudarati s atomima moderatora prije nego što se uspori do toplinske energije.
Najbolji moderator je vodonik, jer je njegova masa skoro jednaka masi neutrona i stoga neutron gubi najveću količinu energije pri sudaru sa vodonikom. Ali obični (laki) vodonik suviše jako upija neutrone, pa se stoga deuterijum (teški vodonik) i teška voda ispostavljaju kao prikladniji moderatori, uprkos njihovoj nešto većoj masi, jer manje apsorbuju neutrone. Berilijum se može smatrati dobrim moderatorom. Ugljik ima tako mali poprečni presjek apsorpcije neutrona da efikasno ublažava neutrone, iako je za usporavanje potrebno mnogo više sudara nego vodonik.
Prosječan broj N Elastični sudari potrebni za usporavanje neutrona sa 1 MeV na 0,025 eV koristeći vodonik, deuterijum, berilijum i ugljenik su približno 18, 27, 36 i 135, respektivno. Približna priroda ovih vrijednosti je zbog činjenice da, zbog prisustva kemijske energije, veze u moderatoru sudara pri energijama ispod 0,3 eV teško mogu biti elastične. Pri niskim energijama, atomska rešetka može prenijeti energiju na neutrone ili promijeniti efektivnu masu u sudaru, čime se krši proces usporavanja.
Nosači toplote.
Rashladne tečnosti koje se koriste u nuklearnim reaktorima su voda, teška voda, tečni natrijum, tečna legura natrijum-kalijum (NaK), helijum, ugljen dioksid i organske tečnosti kao što je terfenil. Ove tvari su dobri nosioci topline i imaju male presjeke apsorpcije neutrona.
Voda je odličan moderator i rashladno sredstvo, ali suviše jako upija neutrone i ima previsok parni pritisak (14 MPa) na radnoj temperaturi od 336°C. Najpoznatiji moderator je teška voda. Njegove karakteristike su bliske običnim vodama, a presjek apsorpcije neutrona je manji. Natrijum je odlična rashladna tečnost, ali nije efikasan kao moderator neutrona. Stoga se koristi u reaktorima na brzim neutronima, gdje se više neutrona emituje tokom fisije. Istina, natrijum ima brojne nedostatke: izaziva radioaktivnost, ima mali toplotni kapacitet, hemijski je aktivan i stvrdnjava se na sobnoj temperaturi. Legura natrijuma i kalija po svojstvima je slična natrijumu, ali ostaje tečna na sobnoj temperaturi. Helijum je odlična rashladna tečnost, ali ima nizak specifični toplotni kapacitet. Ugljični dioksid je dobro rashladno sredstvo i široko se koristi u grafitnim reaktorima. Terfenil ima prednost u odnosu na vodu što ima nizak pritisak pare na radnoj temperaturi, ali se razgrađuje i polimerizuje pod visokim temperaturama i fluksovima zračenja koji su karakteristični za reaktore.
Elementi za generiranje topline.
Gorivni element (FE) je jezgro goriva sa hermetičkim omotačem. Obloga sprečava curenje produkata fisije i interakciju goriva sa rashladnom tečnošću. Materijal ljuske mora slabo apsorbirati neutrone i imati prihvatljive mehaničke, hidraulične i karakteristike provodljivosti topline. Gorivni elementi su obično pelete sinterovanog uran-oksida u cijevima od aluminija, cirkonija ili nehrđajućeg čelika; pelete od legura uranijuma sa cirkonijumom, molibdenom i aluminijumom obložene cirkonijumom ili aluminijumom (u slučaju legure aluminijuma); grafitne tablete sa dispergovanim uranijum karbidom obloženim nepropusnim grafitom.
Koriste se svi ovi gorivi elementi, ali za vodene reaktore pod pritiskom, najpoželjniji su peleti uran oksida u cijevima od nehrđajućeg čelika. Uran dioksid ne reaguje sa vodom, ima visoku otpornost na zračenje i karakteriše ga visoka tačka topljenja.
Čini se da su grafitne gorivne ćelije vrlo pogodne za reaktore hlađene plinom na visokoj temperaturi, ali imaju ozbiljan nedostatak - plinoviti fisioni proizvodi mogu prodrijeti kroz njihovu oblogu zbog difuzije ili defekata u grafitu.
Organska rashladna sredstva su nekompatibilna sa cirkonijumskim gorivnim šipkama i stoga zahtevaju upotrebu aluminijskih legura. Izgledi za reaktore sa organskim rashladnim tečnostima zavise od toga da li se stvaraju legure aluminijuma ili proizvodi metalurgije praha koji bi imali snagu (na radnim temperaturama) i toplotnu provodljivost potrebnu za upotrebu rebara koja povećavaju prenos toplote na rashladno sredstvo. Budući da je prijenos topline između goriva i organskog rashladnog sredstva zbog toplinske provodljivosti mali, poželjno je koristiti površinsko ključanje kako bi se povećao prijenos topline. Novi problemi bit će povezani s površinskim ključanjem, ali oni se moraju riješiti ako se korištenje organskih tekućina za prijenos topline pokaže korisnim.
VRSTE REAKTORA
Teoretski, moguće je više od 100 različitih tipova reaktora, koji se razlikuju u gorivu, moderatoru i rashladnim tečnostima. Većina konvencionalnih reaktora koristi vodu kao rashladno sredstvo, bilo pod pritiskom ili kipuću vodu.
Reaktor vode pod pritiskom.
U takvim reaktorima voda služi kao moderator i rashladno sredstvo. Zagrijana voda se pod pritiskom pumpa u izmjenjivač topline, gdje se toplina prenosi na vodu sekundarnog kruga, u kojem se stvara para koja rotira turbinu.
Reaktor sa ključanjem.
U takvom reaktoru voda ključa direktno u jezgri reaktora i nastala para ulazi u turbinu. Većina reaktora s kipućom vodom također koristi vodu kao moderator, ali ponekad se koristi i grafitni moderator.
Reaktor sa tečnim metalnim hlađenjem.
U takvom reaktoru, tekući metal koji cirkulira kroz cijevi se koristi za prijenos topline oslobođene tokom fisije u reaktoru. Gotovo svi reaktori ovog tipa koriste natrijum kao rashladno sredstvo. Para stvorena na drugoj strani cijevi primarnog kruga dovodi se u konvencionalnu turbinu. Reaktor hlađen tekućim metalom može koristiti neutrone relativno visoke energije (reaktor brzih neutrona) ili neutrone moderirane u grafitu ili berilijum oksidu. Kao reaktori za razmnožavanje, reaktori na brzim neutronima hlađeni tekućim metalom su poželjniji, jer u ovom slučaju nema gubitaka neutrona povezanih s umjerenošću.
gasno hlađeni reaktor.
U takvom reaktoru, toplina koja se oslobađa tokom procesa fisije prenosi se na generator pare pomoću plina - ugljičnog dioksida ili helijuma. Moderator neutrona je obično grafit. Reaktor hlađen plinom može raditi na mnogo višim temperaturama od reaktora hlađen tekućinom i stoga je pogodan za industrijske sisteme grijanja i elektrane visoke efikasnosti. Male gasno hlađene reaktore karakteriše povećana sigurnost u radu, posebno odsustvo opasnosti od topljenja reaktora.
homogenih reaktora.
U jezgri homogenih reaktora koristi se homogena tečnost koja sadrži fisijski izotop uranijuma. Tečnost je obično rastopljeno jedinjenje uranijuma. Pumpa se u veliku sferičnu posudu pod pritiskom gdje se lančana reakcija fisije događa u kritičnoj masi. Tečnost se zatim dovodi u generator pare. Homogeni reaktori nisu stekli popularnost zbog dizajnerskih i tehnoloških poteškoća.
REAKTIVNOST I KONTROLA
Mogućnost samoodržive lančane reakcije u nuklearnom reaktoru ovisi o tome koliko neutrona curi iz reaktora. Neutroni nastali tokom fisije nestaju kao rezultat apsorpcije. Osim toga, moguće je curenje neutrona zbog difuzije kroz materiju, slično difuziji jednog plina kroz drugi.
Da biste kontrolirali nuklearni reaktor, morate biti u mogućnosti kontrolirati faktor umnožavanja neutrona k, definiran kao omjer broja neutrona u jednoj generaciji prema broju neutrona u prethodnoj generaciji. At k= 1 (kritični reaktor) postoji stacionarna lančana reakcija sa konstantnim intenzitetom. At k> 1 (superkritični reaktor), intenzitet procesa se povećava, a pri k r = 1 – (1/ k) naziva se reaktivnost.)
Zbog fenomena odgođenih neutrona, vrijeme "rađanja" neutrona se povećava sa 0,001 s na 0,1 s. Ovo karakteristično vreme reakcije omogućava da se njime upravlja uz pomoć mehaničkih aktuatora - upravljačkih šipki napravljenih od materijala koji apsorbuje neutrone (B, Cd, Hf, In, Eu, Gd, itd.). Kontrolna vremenska konstanta treba biti reda veličine 0,1 s ili više. Da bi se osigurala sigurnost, odabran je takav način rada reaktora u kojem su odgođeni neutroni potrebni u svakoj generaciji za održavanje stacionarne lančane reakcije.
Da bi se osigurao zadani nivo snage, koriste se kontrolne šipke i reflektori neutrona, ali se problem upravljanja može znatno pojednostaviti pravilnim proračunom reaktora. Na primjer, ako je reaktor dizajniran tako da kako se snaga ili temperatura povećava, reaktivnost se smanjuje, tada će biti stabilniji. Na primjer, ako je usporavanje nedovoljno, voda u reaktoru se širi zbog porasta temperature, tj. gustina moderatora se smanjuje. Kao rezultat toga, apsorpcija neutrona u uranijum-238 je poboljšana, jer oni nemaju vremena da se efikasno uspore. U nekim reaktorima se koristi faktor za povećanje curenja neutrona iz reaktora zbog smanjenja gustine vode. Drugi način za stabilizaciju reaktora je zagrijavanje "rezonantnog apsorbera neutrona", kao što je uranijum-238, koji zatim jače apsorbira neutrone.
Sigurnosni sistemi.
Sigurnost reaktora osigurava se jednim ili drugim mehanizmom za gašenje u slučaju naglog povećanja snage. Ovo može biti mehanizam fizičkog procesa, ili rad sistema kontrole i zaštite, ili oboje. Prilikom projektovanja reaktora sa vodom pod pritiskom, predviđaju se hitni slučajevi kada hladna voda uđe u reaktor, pad protoka rashladne tečnosti i previsoka reaktivnost prilikom pokretanja. Budući da se intenzitet reakcije povećava sa padom temperature, uz nagli dotok hladne vode u reaktor, reaktivnost i snaga se povećavaju. Zaštitni sistem obično ima automatsko zaključavanje kako bi se spriječilo ulazak hladne vode. Sa smanjenjem protoka rashladne tekućine, reaktor se pregrije, čak i ako se njegova snaga ne poveća. U takvim slučajevima potrebno je automatsko zaustavljanje. Osim toga, pumpe rashladne tekućine moraju biti dimenzionirane tako da opskrbljuju rashladno sredstvo potrebno za gašenje reaktora. Hitna situacija može nastati pri pokretanju reaktora sa previsokom reaktivnošću. Zbog niskog nivoa snage, reaktor nema vremena da se zagrije dovoljno da bi temperaturna zaštita proradila dok ne bude prekasno. Jedina pouzdana mjera u takvim slučajevima je pažljivo puštanje u rad reaktora.
Izbjegavanje ovih hitnih situacija je prilično jednostavno ako se pridržavate sljedećeg pravila: sve radnje koje mogu povećati reaktivnost sistema moraju se izvoditi pažljivo i polako. Najvažnija stvar u pitanju sigurnosti reaktora je apsolutna potreba za dugotrajnim hlađenjem jezgre reaktora nakon završetka reakcije fisije u njemu. Činjenica je da radioaktivni proizvodi fisije koji ostaju u patronama goriva emituju toplinu. To je mnogo manje od toplote koja se oslobađa u režimu pune snage, ali je dovoljna da se rastopi gorivni elementi u nedostatku potrebnog hlađenja. Kratak prekid u opskrbi rashladnom vodom doveo je do značajnog oštećenja jezgre i havarije reaktora na ostrvu Three Mile (SAD). Uništenje jezgre reaktora je minimalna šteta u slučaju takve nesreće. Još gore, ako dođe do curenja opasnih radioaktivnih izotopa. Većina industrijskih reaktora opremljena je hermetički zatvorenim sigurnosnim omotačima, koji bi trebali spriječiti ispuštanje izotopa u okoliš u slučaju nesreće.
U zaključku, napominjemo da mogućnost uništenja reaktora u velikoj mjeri ovisi o njegovoj shemi i dizajnu. Reaktori mogu biti projektovani na način da smanjenje protoka rashladne tečnosti ne dovodi do velikih problema. To su različite vrste gasno hlađenih reaktora.
fisije uranijuma
Samo jezgra se mogu podijeliti neke teške elemenata kao što je uranijum.
Jezgro uranijuma - 235 je sferno. Nakon što apsorbira neutron, jezgro se pobuđuje i počinje deformirati.
Proteže se s jedne na drugu stranu sve dok Kulonove odbojne sile između protona ne počnu prevladavati nad nuklearnim silama privlačenja. Nakon toga se jezgro cijepa na dva dijela i fragmenti se razlijeću brzinom od 1/30 brzine svjetlosti. Nuklearna fisija proizvodi još 2 ili 3 neutrona.
Pojava neutrona objašnjava se činjenicom da je broj neutrona u fragmentima veći od dozvoljenog.
Leteće fragmente, koji imaju ogromnu brzinu, usporava okolina.
Kinetička energija fragmenata pretvara se u unutrašnju energiju medija koji se zagrijava.
Dakle, fisiju jezgri uranijuma prati oslobađanje velike količine energije.
NUKLEARNA LANČANA REAKCIJA
Ovo je proces u kojem jedna izvedena reakcija uzrokuje slijedeće reakcije istog tipa.
Prilikom fisije jednog jezgra uranijuma, nastali neutroni mogu izazvati fisiju drugih jezgara uranijuma, dok se broj neutrona povećava poput lavine.
Omjer broja proizvedenih neutrona u jednom događaju fisije i broja takvih neutrona u prethodnom događaju fisije naziva se faktor množenja neutroni k.
Kada je k manji od 1, reakcija se gasi, jer broj apsorbiranih neutrona je veći od broja novonastalih.
Kada je k veći od 1, eksplozija se događa gotovo trenutno.
Kada je k jednak 1, odvija se kontrolirana stacionarna lančana reakcija.
Lančana reakcija je praćena oslobađanjem velike količine energije.
Za izvođenje lančane reakcije nemoguće je koristiti bilo koje jezgre koje se cijepaju pod utjecajem neutrona.
Hemijski element uranijum, koji se koristi kao gorivo za nuklearne reaktore, prirodno se sastoji od dva izotopa: uranijuma-235 i uranijuma-238.
U prirodi, izotopi uranijuma-235 čine samo 0,7% ukupne zalihe uranijuma, ali su pogodni za provođenje lančane reakcije, jer podeljena pod uticajem spori neutroni.
Jezgra uranijuma-238 mogu se podijeliti samo pod utjecajem neutrona visoke energije ( brzi neutroni). Samo 60% neutrona koji se pojavljuju tokom fisije jezgra uranijuma-238 ima takvu energiju. Otprilike samo 1 od 5 proizvedenih neutrona uzrokuje nuklearnu fisiju.
Uslovi za lančanu reakciju u uranijumu-235:
Minimalna količina goriva (kritična masa) potrebna za kontroliranu lančanu reakciju u nuklearnom reaktoru
- brzina neutrona treba da izazove fisiju jezgri uranijuma
- nema nečistoća koje apsorbuju neutrone
Kritična masa:
Ako je masa uranijuma mala, neutroni će izletjeti iz njega bez reakcije
- ako je masa uranijuma velika, moguća je eksplozija zbog snažnog povećanja broja neutrona
- ako masa odgovara kritičnoj, dolazi do kontrolisane lančane reakcije
Za uranijum-235 kritična masa je 50 kg (ovo je, na primjer, lopta od uranijuma prečnika 9 cm).
Prva kontrolisana lančana reakcija - SAD 1942. (E. Fermi)
U SSSR-u - 1946 (I.V. Kurchatov).
Zapamtite temu "Atomska fizika" za 9. razred:
Radioaktivnost.
radioaktivne transformacije.
Sastav atomskog jezgra. Nuklearne snage.
Energija komunikacije. defekt mase.
Fisija jezgara uranijuma.
Nuklearna lančana reakcija.
Nuklearni reaktor.
termonuklearna reakcija.
Ostale stranice na temu "Atomska fizika" za 10-11 razred:
MALO IZ ISTORIJE
Godine 1930., u Kembridžu, J. Cockcroft i E. Walson su podijelili atom. Šef Cavendish laboratorije, lord E. Rutherford, javno je govorio o ovom eksperimentu: „Razbijanje atoma je samo najelegantniji eksperiment i njegova elegancija leži u činjenici da je nema praktičnu primenu."
___
Kada su počeli radovi u Francuskoj za stvaranje atomskog oružja i, shodno tome, u prečišćavanju izotopa uranijuma iznenada je otkriveno da uranijum iz okoline zapadnoafričkog sela Oklo, umesto 0,71% za uranijum-235 pogodan za municiju, sadrži samo 0,68%. Sudski spor koji je uslijedio doveo je do otkrića jedinstvenog, zaista jedinstvenog objekta - prirodni nuklearni reaktor! Istovremeno, dio uranijuma-235 je potrošen tokom rada ovog reaktora.
___
Čovječanstvo je nedavno primijetilo 50. godišnjica atomskog bombardovanja Hirošima i Nagasaki. Put do ovih tragičnih događaja prolazio je i ispod glavne tribine Čikaškog stadiona, gde je 2. decembra 1942. god. prva nuklearna lančana reakcija.
___
Iz vica o šta je lančana reakcija: "Ako neko priđe blizu psa koji sjedi na lancu, on počinje da laje, a drugi psi ga slijede."
>> fisija uranijuma
§ 107 FISIJA URANIJA
Samo jezgra nekih teških elemenata mogu se podijeliti na dijelove. Prilikom fisije jezgara emituju se dva ili tri neutrona i -zraka. Istovremeno se oslobađa mnogo energije.
Otkriće fisije uranijuma. Fisiju jezgara uranijuma otkrili su 1938. godine njemački naučnici O. Hahn i F. Strassmann. Utvrdili su da kada se uranijum bombarduje neutronima nastaju elementi srednjeg dela periodnog sistema: barijum, kripton itd. Međutim, ispravno tumačenje ove činjenice upravo kao fisije jezgra uranijuma koje je zahvatilo neutron dato je u početkom 1939. engleski fizičar O. Frisch zajedno sa austrijskim fizičarem L. Meitnerom.
Hvatanje neutrona uništava stabilnost jezgra. Jezgro se pobuđuje i postaje nestabilno, što dovodi do njegove podjele na fragmente. Nuklearna fisija je moguća jer je masa mirovanja teškog jezgra veća od zbira masa mirovanja fragmenata koji nastaju tokom fisije. Stoga dolazi do oslobađanja energije ekvivalentne smanjenju mase mirovanja koje prati fisiju.
Mogućnost fisije teških jezgara takođe se može objasniti korišćenjem grafika zavisnosti specifične energije vezivanja od masenog broja A (vidi sliku 13.11). Specifična energija veze jezgara atoma elemenata koji zauzimaju posljednja mjesta u periodnom sistemu (A 200) je približno 1 MeV manja od specifične energije veze u jezgrama elemenata smještenih u sredini periodnog sistema (A 100) . Stoga je proces fisije teških jezgara na jezgra elemenata u srednjem delu periodnog sistema energetski povoljan. Nakon fisije, sistem prelazi u stanje sa minimalnom unutrašnjom energijom. Uostalom, što je veća energija vezivanja jezgra, to se veća energija mora osloboditi kada jezgro nastane i, posljedično, manja je unutrašnja energija novonastalog sistema.
Tokom nuklearne fisije, energija vezivanja po nukleonu se povećava za 1 MeV, a ukupna oslobođena energija mora biti ogromna - oko 200 MeV. Nijedna druga nuklearna reakcija (koja nije povezana s fisijom) ne oslobađa tako velike energije.
Direktna mjerenja energije oslobođene tokom fisije jezgra uranijuma potvrdila su gornja razmatranja i dala vrijednost od 200 MeV. Štaviše, većina ove energije (168 MeV) otpada na kinetičku energiju fragmenata. Na slici 13.13 vidite tragove fisivnih fragmenata uranijuma u komori oblaka.
Energija oslobođena tokom nuklearne fisije je elektrostatičkog, a ne nuklearnog porijekla. Velika kinetička energija koju fragmenti imaju nastaje zbog njihovog kulonovskog odbijanja.
mehanizam nuklearne fisije. Proces nuklearne fisije može se objasniti na osnovu modela kapi jezgra. Prema ovom modelu, gomila nukleona liči na kap nabijene tečnosti (slika 13.14, a). Nuklearne sile između nukleona su kratkog dometa, poput sila koje djeluju između tekućih molekula. Zajedno sa jakim silama elektrostatičkog odbijanja između protona, koje nastoje razdvojiti jezgro, još uvijek postoje velike nuklearne sile privlačenja. Ove sile sprečavaju da se jezgro raspadne.
Jezgro uranijuma-235 je sferno. Nakon što je apsorbirao dodatni neutron, on se pobuđuje i počinje deformirati, dobijajući izduženi oblik (slika 13.14, b). Jezgro će se istezati sve dok sile odbijanja između polovica izduženog jezgra ne počnu prevladavati nad silama privlačnosti koje djeluju u prevlaci (slika 13.14, c). Nakon toga se cepa na dva dela (slika 13.14, d).
Pod djelovanjem Kulonovih odbojnih sila, ovi fragmenti se razlijeću brzinom jednakom 1/30 brzine svjetlosti.
Emisija neutrona tokom fisije. Osnovna činjenica nuklearne fisije je emisija dva ili tri neutrona tokom fisije. Zahvaljujući tome, praktična upotreba intranuklearne energije postala je moguća.
Moguće je razumjeti zašto se slobodni neutroni emituju iz sljedećih razmatranja. Poznato je da se odnos broja neutrona i broja protona u stabilnim jezgrama povećava sa povećanjem atomskog broja. Stoga se u fragmentima koji nastaju tokom fisije relativni broj neutrona pokazuje da je veći nego što je dozvoljeno za jezgra atoma smještena u sredini periodnog sistema. Kao rezultat, nekoliko neutrona se oslobađa u procesu fisije. Njihova energija ima različite vrijednosti - od nekoliko miliona elektron volti do vrlo malih, blizu nule.
Fisija se obično događa na fragmente, čija se masa razlikuje oko 1,5 puta. Ovi fragmenti su visoko radioaktivni, jer sadrže višak neutrona. Kao rezultat niza uzastopnih raspada, na kraju se dobijaju stabilni izotopi.
U zaključku, napominjemo da postoji i spontana fisija jezgara uranijuma. Otkrili su ga sovjetski fizičari G. N. Flerov i K. A. Petrzhak 1940. godine. Vrijeme poluraspada spontane fisije je 10 16 godina. Ovo je dva miliona puta duže od vremena poluraspada uranijuma.
Reakcija nuklearne fisije je praćena oslobađanjem energije.
Sadržaj lekcije sažetak lekcije podrška okvir prezentacije lekcije akcelerativne metode interaktivne tehnologije Vježbajte zadaci i vježbe samoispitivanje radionice, treninzi, slučajevi, potrage domaća zadaća diskusija pitanja retorička pitanja učenika Ilustracije audio, video i multimedija fotografije, slike grafike, tabele, šeme humor, anegdote, vicevi, strip parabole, izreke, ukrštene reči, citati Dodaci sažetakačlanci čipovi za radoznale cheat sheets udžbenici osnovni i dodatni glosar pojmova ostalo Poboljšanje udžbenika i lekcijaispravljanje grešaka u udžbeniku ažuriranje fragmenta u udžbeniku elementi inovacije u lekciji zamjena zastarjelih znanja novim Samo za nastavnike savršene lekcije kalendarski plan za godinu metodološke preporuke programa diskusije Integrisane lekcijeProučavanje interakcije neutrona sa materijom dovelo je do otkrića nuklearnih reakcija novog tipa. Godine 1939. O. Hahn i F. Strassmann su istraživali hemijske produkte koji su rezultat bombardiranja jezgara uranijuma neutronima. Među produktima reakcije pronađen je barij - hemijski element čija je masa mnogo manja od mase uranijuma. Problem su riješili njemački fizičari L. Meitneroma i O. Frisch, koji su pokazali da kada neutrone apsorbira uranijum, jezgro se dijeli na dva fragmenta:
gdje k > 1.
Tokom fisije jezgra uranijuma, termalni neutron sa energijom od ~ 0,1 eV oslobađa energiju od ~ 200 MeV. Suština je da je ovaj proces praćen pojavom neutrona koji mogu izazvati fisiju drugih jezgri urana, - lančana reakcija fisije . Dakle, jedan neutron može dovesti do razgranatog lanca nuklearne fisije, a broj jezgara uključenih u reakciju fisije će se eksponencijalno povećati. Otvoreni su izgledi za korištenje lančane reakcije fisije u dva pravca:
· kontrolisane reakcije nuklearne fisije- stvaranje nuklearnih reaktora;
· nekontrolisana reakcija nuklearne fisije- Stvaranje nuklearnog oružja.
1942. godine izgrađen je prvi nuklearni reaktor u SAD-u. U SSSR-u je prvi reaktor pušten u rad 1946. Trenutno se toplinska i električna energija proizvodi u stotinama nuklearnih reaktora koji rade u raznim zemljama svijeta.
Kao što se može vidjeti sa sl. 4.2, sa povećanjem vrijednosti ALI specifična energija vezivanja se povećava do ALI» 50. Ovo ponašanje se može objasniti dodavanjem sila; energija vezivanja pojedinačnog nukleona se povećava ako ga ne privlače jedan ili dva, već nekoliko drugih nukleona. Međutim, u elementima sa vrijednostima masenog broja većim od ALI» 50 specifična energija vezivanja postepeno opada sa povećanjem ALI. To je zbog činjenice da su nuklearne sile privlačenja kratkog dometa reda veličine pojedinačnog nukleona. Izvan ovog radijusa prevladavaju sile elektrostatičkog odbijanja. Ako su dva protona uklonjena za više od 2,5 × 10 - 15 m, tada između njih prevladavaju sile Coulombove odbijanja, a ne nuklearne privlačnosti.
Posljedica ovakvog ponašanja specifične energije vezivanja ovisi o ALI je postojanje dva procesa - fuzije i fisije jezgara . Razmotrite interakciju elektrona i protona. Kada se formira atom vodika, oslobađa se energija od 13,6 eV i masa atoma vodika ispada za 13,6 eV manja od zbira masa slobodnog elektrona i protona. Slično, masa dva laka jezgra premašuje masu nakon njihovog povezivanja na D M. Ako su povezani, spojit će se s oslobađanjem energije D GOSPOĐA 2. Ovaj proces se zove nuklearna sinteza . Razlika u masi može premašiti 0,5%.
Ako se teško jezgro podijeli na dva lakša jezgra, tada će njihova masa biti manja od mase matičnog jezgra za 0,1%. Teška jezgra imaju tendenciju divizije u dva lakša jezgra sa oslobađanjem energije. Energija atomske bombe i nuklearnog reaktora je energija , oslobođeno tokom nuklearne fisije . Energija H-bombe je energija oslobođena tokom nuklearne fuzije. Alfa raspad se može posmatrati kao visoko asimetrična fisija u kojoj je matično jezgro M dijeli se na malu alfa česticu i veliko rezidualno jezgro. Alfa raspad je moguć samo ako je reakcija
težina M ispada da je veći od zbira masa i alfa čestice. Sva jezgra sa Z> 82 (olovo). Z> 92 (uranijum) alfa raspad poluraspada je mnogo duži od starosti Zemlje, a takvi elementi se ne javljaju u prirodi. Međutim, mogu se stvoriti umjetno. Na primjer, plutonijum ( Z= 94) može se dobiti iz uranijuma u nuklearnom reaktoru. Ovaj postupak je postao uobičajen i košta samo 15 dolara za 1 g. Do sada je bilo moguće dobiti elemente do Z= 118, ali po znatno višoj cijeni i po pravilu u zanemarljivim količinama. Može se nadati da će radiohemičari naučiti kako da dobiju, iako u malim količinama, nove elemente sa Z> 118.
Kada bi se masivno jezgro uranijuma moglo podijeliti u dvije grupe nukleona, tada bi se te grupe nukleona preuredile u jezgra sa jačom vezom. U procesu restrukturiranja oslobađala bi se energija. Spontana nuklearna fisija dozvoljena je zakonom održanja energije. Međutim, potencijalna barijera u reakciji fisije prirodnih jezgara je toliko visoka da je vjerovatnoća spontane fisije mnogo manja od vjerovatnoće alfa raspada. Poluživot 238 U jezgara u odnosu na spontanu fisiju je 8×10 15 godina. Ovo je više od milion puta starije od Zemlje. Ako se neutron sudari s teškim jezgrom, tada može ići na viši energetski nivo blizu vrha elektrostatičke potencijalne barijere, kao rezultat toga, vjerovatnoća fisije će se povećati. Jezgro u pobuđenom stanju može imati značajan ugaoni moment i dobiti ovalni oblik. Lokacije na periferiji jezgra lakše prodiru kroz barijeru, jer su djelimično već iza barijere. U jezgri ovalnog oblika uloga barijere je još više oslabljena. Kada se uhvati jezgro ili spori neutron, formiraju se stanja s vrlo kratkim životnim vijekom u odnosu na fisiju. Razlika između masa jezgra uranijuma i tipičnih produkata fisije je takva da se tokom fisije uranijuma oslobađa u prosjeku 200 MeV energije. Masa mirovanja jezgra uranijuma je 2,2×10 5 MeV. Oko 0,1% ove mase pretvara se u energiju, što je jednako omjeru 200 MeV prema 2,2 × 10 5 MeV.
Energetska ocjena,pušten tokom podjele,može se dobiti od Weizsäckerove formule :
Kada se jezgro podijeli na dva fragmenta, površinska energija i Kulonova energija se mijenjaju 
, pri čemu se površinska energija povećava, a Kulonova energija smanjuje. Fisija je moguća kada je energija oslobođena tokom fisije E > 0.
.
Evo A 1 = A/2, Z 1 = Z/2. Iz ovoga dobijamo da je fisija energetski povoljna kada Z 2 /A> 17. Vrijednost Z 2 /A pozvao parametar djeljivosti . Energija E, koji se oslobađa tokom dijeljenja, povećava se s povećanjem Z 2 /A.
U procesu fisije, jezgro mijenja oblik - uzastopno prolazi kroz sljedeće faze (slika 9.4): lopta, elipsoid, bučica, dva fragmenta u obliku kruške, dva sferna fragmenta.
Nakon što se fisija dogodi, a fragmenti su odvojeni jedan od drugog na udaljenosti mnogo većoj od njihovog radijusa, potencijalna energija fragmenata, određena Kulonovom interakcijom između njih, može se smatrati jednakom nuli.
Zbog evolucije oblika jezgra, promjena njegove potencijalne energije određena je promjenom sume površinske i Kulonove energije . Pretpostavlja se da volumen jezgra ostaje nepromijenjen tijekom deformacije. U tom slučaju se povećava površinska energija, jer se povećava površina jezgre. Kulonova energija opada kako se prosječna udaljenost između nukleona povećava. U slučaju malih elipsoidnih deformacija, povećanje površinske energije se događa brže od smanjenja Kulonove energije.
U području teških jezgara, zbir površinske i Kulonove energije raste sa naprezanjem. Kod malih elipsoidnih deformacija, povećanje površinske energije sprječava daljnju promjenu oblika jezgra, a time i fisiju. Prisustvo potencijalne barijere sprečava trenutnu spontanu nuklearnu fisiju. Da bi se jezgro trenutno podijelilo, mora se snabdjeti energijom koja prelazi visinu fisijske barijere H.
visina barijere Hšto je veći, to je manji odnos Kulonove i površinske energije u početnom jezgru. Ovaj omjer se, zauzvrat, povećava sa povećanjem parametra djeljivosti Z 2 /ALI.Što je jezgro teže, to je niža visina barijere H, budući da parametar djeljivosti raste sa povećanjem masenog broja:
Teža jezgra općenito moraju biti opskrbljena s manje energije da bi izazvala fisiju. Iz Weizsäckerove formule slijedi da visina fisijske barijere nestaje na . One. Prema modelu kapljice, u prirodi ne bi trebalo biti jezgara, jer se spontano cijepaju gotovo trenutno (tokom karakterističnog nuklearnog vremena reda 10-22 s). Postojanje atomskih jezgara sa (" ostrvo stabilnosti ”) objašnjava se strukturom ljuske atomskih jezgara. Spontana nuklearna fisija sa , za koju je visina barijere H nije jednako nuli, sa stanovišta klasične fizike to je nemoguće. Sa stanovišta kvantne mehanike, takva fisija je moguća kao rezultat prolaska fragmenata kroz potencijalnu barijeru i naziva se spontana fisija . Vjerovatnoća spontane fisije raste sa povećanjem parametra fisije, tj. sa smanjenjem visine fisijske barijere.
Prisilna nuklearna fisija mogu izazvati bilo koje čestice: fotoni, neutroni, protoni, deuteroni, α-čestice, itd., ako je energija koju oni doprinose jezgru dovoljna da se prevlada fisijska barijera.
Mase fragmenata nastalih tokom fisije termalnim neutronima nisu jednake. Jezgro ima tendenciju da se podijeli na takav način da većina nukleona fragmenta formira stabilno magično jezgro. Na sl. 9.5 prikazuje raspodjelu mase tokom dijeljenja. Najvjerovatnija kombinacija masenih brojeva je 95 i 139.
Odnos broja neutrona i broja protona u jezgru je 1,55, dok je za stabilne elemente sa masom bliskom masi fisionih fragmenata ovaj odnos 1,25 - 1,45. Posljedično, fisioni fragmenti su jako preopterećeni neutronima i nestabilni su na β-raspad – oni su radioaktivni.
Kao rezultat fisije, oslobađa se energija ~ 200 MeV. Oko 80% otpada na energiju fragmenata. U jednom aktu fisije, više od dva fisioni neutroni sa prosječnom energijom od ~ 2 MeV.
1 g bilo koje supstance sadrži 
. Fisiju 1 g uranijuma prati oslobađanje ~ 9×10 10 J. Ovo je skoro 3 miliona puta veće od energije sagorevanja 1 g uglja (2,9×10 4 J). Naravno, 1 g uranijuma košta mnogo više od 1 g uglja, ali cijena 1 J energije dobivene sagorijevanjem uglja ispada 400 puta veća nego u slučaju uranijskog goriva. Proizvodnja 1 kWh energije koštala je 1,7 centi u elektranama na ugalj i 1,05 centi u nuklearnim elektranama.
Hvala za lančana reakcija proces nuklearne fisije može se obaviti samoodrživi . Sa svakom fisijom se emituju 2 ili 3 neutrona (slika 9.6). Ako jedan od ovih neutrona uspije da izazove fisiju drugog jezgra uranijuma, tada će proces biti samoodrživi.
Skup fisionog materijala koji zadovoljava ovaj zahtjev naziva se kritični sklop . Prva takva skupština, tzv nuklearni reaktor , izgrađen je 1942. godine pod vodstvom Enrica Fermija u kampusu Univerziteta u Čikagu. Prvi nuklearni reaktor pokrenut je 1946. godine pod vodstvom I. Kurchatova u Moskvi. Prva nuklearna elektrana snage 5 MW pokrenuta je u SSSR-u 1954. godine u gradu Obninsku (slika 9.7).
masa a možete i učiniti superkritičan . U ovom slučaju, neutroni nastali tokom fisije će izazvati nekoliko sekundarnih fisija. Budući da neutroni putuju brzinama većim od 10 8 cm/s, superkritični sklop može u potpunosti reagirati (ili se razletjeti) za manje od hiljaditi dio sekunde. Takav uređaj se zove atomska bomba . Nuklearni naboj napravljen od plutonija ili uranijuma prelazi u superkritično stanje, obično eksplozijom. Subkritična masa je okružena hemijskim eksplozivom. Tokom svoje eksplozije, masa plutonijuma ili uranijuma je podvrgnuta trenutnoj kompresiji. Budući da se gustoća sfere u ovom slučaju značajno povećava, ispada da je stopa apsorpcije neutrona veća od brzine gubitka neutrona zbog njihove emisije prema van. Ovo je uslov superkritičnosti.
Na sl. 9.8 prikazuje dijagram atomske bombe "Kid" bačene na Hirošimu. Služio je kao nuklearni eksploziv u bombi, podijeljen na dva dijela, čija je masa bila manja od kritične. Kritična masa neophodna za eksploziju stvorena je spajanjem oba dijela „topovskom metodom“ uz korištenje konvencionalnih eksploziva.
Eksplozija od 1 tone trinitrotoluena (TNT) oslobađa 10 9 cal, ili 4×10 9 J. Eksplozija atomske bombe koja potroši 1 kg plutonijuma oslobađa oko 8×10 13 J energije.
Ili je to skoro 20.000 puta više nego u eksploziji 1 tone TNT-a. Takva bomba se zove bomba od 20 kilotona. Današnje megatonske bombe su milione puta snažnije od konvencionalnih TNT eksploziva.
Proizvodnja plutonijuma se zasniva na zračenju 238 U neutronima, što dovodi do stvaranja izotopa 239 U, koji se kao rezultat beta raspada pretvara u 239 Np, a zatim, nakon još jednog beta raspada, u 239 Pu. Kada se apsorbuje niskoenergetski neutron, i 235 U i 239 Pu izotopi podležu fisiji. Produkte fisije karakterizira jače vezivanje (~ 1 MeV po nukleonu), zbog čega se kao rezultat fisije oslobađa približno 200 MeV energije.
Svaki gram istrošenog plutonija ili uranijuma stvara skoro gram radioaktivnih fisionih produkata, koji imaju ogromnu radioaktivnost.
Da pogledate demo, kliknite na odgovarajuću hipervezu: