Az uránmag hasadása. Láncreakció
Mindez a zűrzavar most már egészen világos. Kiderült, hogy az uránban neutronok hatására új típusú nukleáris átalakulás következhet be. Ez a Hahn és Strassmann által 1938-ban felfedezett és 1939 elején ismertté vált átalakulás abban áll, hogy egy neutron befogása után az uránmag két felére szakadhat.
Minden más magreakcióban legfeljebb egy alfa-részecske repül ki az atommagból. Itt két átlagos atomtömegű atommagot kapunk az uránból, például kriptont és báriumot:
(urán) 2|| + neutron ->. (urán) U (kripton) ^ -[- (bárium)'|?.
A töredékek, azaz a kripton és a bárium magjainak kötési energiája sokkal nagyobb, mint az uráné. Ezért az urán hasadása során hatalmas, 170 millió voltos energia szabadul fel, azaz 10-szer több, mint a lilium protonok általi elpusztítása során. A hasadás során felszabaduló energia átmegy az urándarabok mozgási energiájába, azaz ezek a töredékek óriási sebességre tesznek szert.
Az urán hasadása egyébként hasonló a lítium hasadásához:
(lítium) - (- proton) (berillium) ® - ". (hélium) 2+ (hélium) *.
Mindkét esetben a mag két részre oszlik, és az energia felszabadulásának okai is ugyanazok. A lítiumnál nehezebb atommagok azonban mindig legfeljebb egy alfa-részecskét bocsátanak ki; a lítium elpusztulásakor szintén csak alfa-részecskék keletkeznek. Ezért az urán hasadása egészen különleges jelenség.
Nézzük meg, hogyan történik ez az uránhasadás. A több mint kétszáz részecskéből álló uránmag olyan, mint egy kis kerek töltött csepp, és gömb alakú (16. ábra, a). Ha elkezdjük megváltoztatni az atommag alakját, akkor pontosan ugyanaz történik, mint a cseppecskével. Egy kicsivel
A mag nyújtásakor hajlamos visszanyerni eredeti gömbalakját, mivel ebben az esetben a mag felülete a legkisebb; a felület növelése nem előnyös, energiát igényel.
Ám ha sokat változtatunk – a mag alakján –, ahogy az ábra mutatja. 16, in - akkor már te leszel a mag
Jobb, ha két felére esik szét, mert a mag mindkét részét elektromos erők taszítják el egymástól, és ez a taszítás jelentőssé válik.
Nem, mint a felület növekedésével járó energiaveszteség.
Tehát ahhoz, hogy az uránmag hasadása megtörténjen, erős mozgásokat kell kiváltani az atommagban, ami a kívánt alakváltozáshoz vezetne.
4 V. L. Ginzburg 49
Az uránmagba belépő neutron csak erős mozgásokat gerjeszthet, és ezáltal ennek az atommagnak a hasadásához vezethet. A hasadás során különféle töredékek keletkeznek, például kripton és bárium, vagy rubídium és cézium (esetről esetre egy vagy másik magpárt kaphatunk).
A felhőkamrában töredékek figyelhetők meg (17. ábra).
Az urán hasadásából származó összes töredékre azonban egy jellemző - kiderül, hogy nagyon túlterheltek neutronokkal. A dolog
Az a tény, hogy a nehezebb elemekben a neutronok és a protonok számának aránya nagyobb, mint a könnyű elemekben.
Például az urán 2-ben!! 146 neutron és 92 proton van, és az oxigénben egyenlő számú neutron és proton van.
A kripton és bárium természetben előforduló izotópjai legfeljebb 50, illetve 82 neutront tartalmaznak, illetve összesen 132 neutront. Eközben egy 239 tömegű uránmagban, amely kriptonná és báriummá bomlik, 147 neutron található; ezért az urán hasadása során keletkezett kripton és bárium magjai együtt 50
15 extra neutron. Ez a körülmény oda vezet, hogy az urán hasadásából származó töredékekben a felesleges neutronok protonokká alakulnak, azaz ezek a töredékek radioaktívnak bizonyulnak és béta-részecskéket bocsátanak ki. A kripton például így bomlik:
(kripton) 3(G> (rubídium) 37-- (elektron) (stroncium) 38-)- (elektron).
Így az urán hasadása során rengeteg elem keletkezik, amelyek többsége radioaktív.
De a töredékek neutronok általi túlterhelése olyan nagy, hogy az anyag nem korlátozódik egyetlen radioaktivitásra, és több neutron egyszerűen szabad formában kirepül.
Következésképpen az urán neutronok által okozott hasadása során új neutronok szabadulnak fel, amelyek száma egy összeomló atommagonként kettő vagy három (18. ábra).
Ez a tény meghatározó szerepet játszik az atomenergia felhasználásában.
Az urán hasadásáról kiderül, hogy egy ilyen típusú nukleáris átalakulás, amelyben egy neutron több új neutron kibocsátásához vezet. Ugyanakkor sok energia szabadul fel. Ha a hasadás során keletkező neutronok sikeresen képesek új atommaghasadást előidézni, akkor a neutronok és a törött atommagok száma folyamatosan nő, és a reakció nem áll le.
Ezenkívül, ha nem tesznek különleges intézkedéseket, akkor ez a reakció olyan hevesen nő, hogy robbanást okoz. Az ilyen, külső források nélkül növekvő reakciót, mint már említettük, láncreakciónak nevezzük.
Kiderült, hogy az uránban egy ilyen láncreakció bizonyos körülmények között végrehajtható.
Így szabadult fel először az atomenergia.
A cikk tartalma
NUKLEÁRIS MAGHASADÁS, nukleáris reakció, amelyben az atommag neutronokkal bombázva két vagy több részre bomlik. A töredékek össztömege általában kisebb, mint a kiinduló atommag és a bombázó neutron tömegének összege. "Az eltűnt mise" m energiává alakul E Einstein képlete szerint E = mc 2, hol c a fénysebesség. Mivel a fénysebesség nagyon nagy (299 792 458 m/s), a kis tömeg hatalmas mennyiségű energiának felel meg. Ez az energia elektromos árammá alakítható.
A maghasadás során felszabaduló energia hővé alakul, amikor a hasadási töredékek lelassulnak. A hőleadás sebessége az egységnyi idő alatt hasadó maghasadás számától függ. Ha rövid időn belül nagyszámú atommag hasadása megy végbe kis térfogatban, akkor a reakció robbanásszerű. Ez az atombomba elve. Ha viszont viszonylag kis számú mag hasad nagy térfogatban hosszabb ideig, akkor az eredmény felhasználható hő felszabadulása lesz. Erre épülnek az atomerőművek. Az atomerőművekben az atomreaktorokban az atommaghasadás következtében felszabaduló hőből gőzt állítanak elő, amelyet az elektromos generátorokat forgató turbinákba táplálnak.
A hasadási eljárások gyakorlati felhasználására az urán és a plutónium a legalkalmasabb. Izotópjaik vannak (egy adott elem különböző tömegszámú atomjai), amelyek a neutronok elnyelésekor hasadnak, még nagyon alacsony energiáknál is.
A hasadási energia gyakorlati felhasználásának kulcsa az volt, hogy egyes elemek a hasadás során neutronokat bocsátanak ki. Bár a maghasadás során egy neutron elnyelődik, ezt a veszteséget pótolja a maghasadás során keletkező új neutronok. Ha az eszköz, amelyben a hasadás megtörténik, kellően nagy ("kritikus") tömegű, akkor az új neutronok miatt "láncreakció" tartható fenn. A láncreakció szabályozható a hasadást okozó neutronok számának beállításával. Ha nagyobb egynél, akkor az osztás intenzitása nő, ha pedig kisebb egynél, akkor csökken.
TÖRTÉNETI HIVATKOZÁS
Az atommaghasadás felfedezésének története A. Becquerel (1852–1908) munkásságából származik. Különféle anyagok foszforeszcenciáját vizsgálva 1896-ban felfedezte, hogy az uránt tartalmazó ásványok spontán módon bocsátanak ki olyan sugárzást, amely a fényképészeti lemez elfeketedését okozza, még akkor is, ha átlátszatlan szilárd anyag kerül az ásvány és a lemez közé. Különböző kísérletezők megállapították, hogy ez a sugárzás alfa-részecskékből (héliummag), béta-részecskékből (elektronokból) és gamma-sugárzásból (kemény elektromágneses sugárzás) áll.
Az első, ember által mesterségesen előidézett atommag-átalakítást 1919-ben E. Rutherford hajtotta végre, aki a nitrogént urán-alfa-részecskékkel történő nitrogénsugárzással alakította át oxigénné. Ezt a reakciót energiafelvétel kísérte, mivel termékeinek - oxigén és hidrogén - tömege meghaladja a reakcióba belépő részecskék - nitrogén és alfa részecskék - tömegét. Az atomenergia felszabadítását először 1932-ben J. Cockcroft és E. Walton érte el, akik protonokkal bombázták a lítiumot. Ebben a reakcióban a reakcióba belépő magok tömege valamivel nagyobb volt, mint a termékek tömege, aminek következtében energia szabadult fel.
1932-ben J. Chadwick felfedezte a neutront - egy semleges részecskét, amelynek tömege megközelítőleg megegyezik a hidrogénatom atommagjának tömegével. A fizikusok szerte a világon elkezdték tanulmányozni ennek a részecskenak a tulajdonságait. Feltételezték, hogy az elektromos töltéstől mentes és pozitív töltésű atommag által nem taszított neutron nagyobb valószínűséggel okoz magreakciókat. Az újabb eredmények megerősítették ezt a feltételezést. Rómában E. Fermi és munkatársai a periódusos rendszer szinte minden elemét neutronbesugárzásnak tették ki, és új izotópok képződésével járó nukleáris reakciókat figyeltek meg. Az új izotópok kialakulásának bizonyítéka a "mesterséges" radioaktivitás volt gamma- és béta-sugárzás formájában.
Az első jelek az atommaghasadás lehetőségére.
Fermi nevéhez fűződik számos ma ismert neutronreakció felfedezése. Különösen egy 93-as rendszámú elemet (neptúnium) próbált megszerezni az urán (92-es rendszámú elem) neutronokkal történő bombázásával. Ugyanakkor regisztrálta a javasolt reakcióban a neutronbefogás eredményeként kibocsátott elektronokat
238 U + 1 n ® 239 Np + b–,
ahol 238 U az urán-238 izotópja, 1 n egy neutron, 239 Np a neptúnium, és b- - elektron. Az eredmények azonban vegyesek voltak. Annak kizárására, hogy a regisztrált radioaktivitás az urán előtti periodikus rendszerben található uránizotópokhoz vagy más elemekhez tartozik, szükséges volt a radioaktív elemek kémiai elemzése.
Az elemzés eredményei azt mutatták, hogy az ismeretlen elemek a 93-as, 94-es, 95-ös és 96-os sorozatszámoknak felelnek meg. Ezért Fermi arra a következtetésre jutott, hogy transzurán elemeket szerzett be. O. Hahn és F. Strassman Németországban azonban egy alapos kémiai elemzést követően megállapították, hogy az urán neutronos besugárzásából származó elemek között radioaktív bárium is található. Ez azt jelentette, hogy valószínűleg az uránmagok egy része két nagy töredékre oszlik.
Osztály megerősítése.
Ezt követően Fermi, J. Dunning és J. Pegram a Columbia Egyetemen végzett kísérleteket, amelyek kimutatták, hogy maghasadás valóban megtörténik. Az urán neutronos hasadását arányos számlálók, felhőkamra módszerei és a hasadási töredékek felhalmozódása igazolta. Az első módszer azt mutatta, hogy nagy energiájú impulzusok bocsátanak ki, amikor egy neutronforrás megközelíti az uránmintát. A felhőkamrában azt látták, hogy a neutronok által bombázott uránmag két részre hasad. Ez utóbbi módszer lehetővé tette annak megállapítását, hogy az elmélet szerint a töredékek radioaktívak. Mindez együttesen meggyőzően igazolta, hogy a hasadás valóban megtörténik, és lehetővé tette a hasadás során felszabaduló energia magabiztos megítélését.
Mivel a stabil atommagokban a neutronok számának és a protonok számának megengedhető aránya az atommag méretének csökkenésével csökken, a töredékekben a neutronok arányának kisebbnek kell lennie, mint az eredeti uránmagban. Így minden okunk volt azt hinni, hogy a hasadási folyamat neutronkibocsátással jár együtt. Ezt F. Joliot-Curie és munkatársai hamarosan kísérletileg is megerősítették: a hasadási folyamat során kibocsátott neutronok száma nagyobb volt, mint az elnyelt neutronok száma. Kiderült, hogy egy elnyelt neutronhoz körülbelül két és fél új neutron tartozik. Azonnal nyilvánvalóvá vált a láncreakció lehetősége és a kivételesen erős energiaforrás létrehozásának és katonai célokra történő felhasználásának kilátásai. Ezt követően számos országban (főleg Németországban és az USA-ban) megkezdődött a munka egy atombomba létrehozásán, mély titoktartás mellett.
Fejlesztések a második világháború alatt.
1940-től 1945-ig katonai szempontok határozták meg a fejlődés irányát. 1941-ben kis mennyiségű plutóniumot szereztek, és számos urán- és plutónium nukleáris paramétert állapítottak meg. Az Egyesült Államokban az ehhez szükséges legfontosabb termelési és kutatási vállalkozások a „Manhattan Military Engineering District” fennhatósága alá tartoztak, amelyhez 1942. augusztus 13-án az „Uranium Project” is átkerült. A Columbia Egyetemen (New York) E. Fermi és V. Zinn vezette alkalmazottak csoportja elvégezte az első kísérleteket, amelyek során a neutronszaporodást vizsgálták urán-dioxid és grafit tömbök rácsában - egy atomi "kazánban". 1942 januárjában ezt a munkát áthelyezték a Chicagói Egyetemre, ahol 1942 júliusában olyan eredmények születtek, amelyek egy önfenntartó láncreakció lehetőségét mutatták. A reaktor kezdetben 0,5 W teljesítménnyel működött, de 10 nap múlva a teljesítményt 200 W-ra emelték. A nagy mennyiségű atomenergia megszerzésének lehetőségét először 1945. július 16-án mutatták be, amikor az alamogordói (Új-Mexikó) kísérleti helyszínen felrobbantották az első atombombát.
Atomreaktorok
Az atomreaktor olyan létesítmény, amelyben lehetőség van a maghasadás szabályozott önfenntartó láncreakciójának végrehajtására. A reaktorok osztályozhatók a felhasznált tüzelőanyag (hasadó és nyers izotópok), a moderátor típusa, a fűtőelemek és a hűtőközeg típusa szerint.
hasadó izotópok.
Három hasadó izotóp létezik: urán-235, plutónium-239 és urán-233. Az urán-235-öt izotópleválasztással állítják elő; plutónium-239 - azokban a reaktorokban, amelyekben az urán-238-at plutóniummá alakítják, 238 U® 239 U® 239 Np® 239 Pu; urán-233 - olyan reaktorokban, amelyekben a tórium-232-t uránná dolgozzák fel. Az erőművi reaktorok nukleáris üzemanyagát nukleáris és kémiai tulajdonságai, valamint költsége alapján választják ki.
Az alábbi táblázat a hasadó izotópok fő paramétereit mutatja be. A teljes keresztmetszet a neutron és egy adott atommag között bármilyen típusú kölcsönhatás valószínűségét jellemzi. A hasadási keresztmetszet a neutron általi maghasadás valószínűségét jellemzi. Az egy elnyelt neutronra jutó energiahozam attól függ, hogy az atommag mely része nem vesz részt a hasadási folyamatban. A láncreakció fenntartása szempontjából fontos az egy hasadási esemény során kibocsátott neutronok száma. Az egy elnyelt neutronra jutó új neutronok száma azért fontos, mert ez jellemzi a hasadás intenzitását. A hasadás után kibocsátott késleltetett neutronok hányada az anyagban tárolt energiához kapcsolódik.
A hasadó IZOTÓPOK JELLEMZŐI
|
A hasadó IZOTÓPOK JELLEMZŐI |
||||||
| Izotóp |
Urán-235 |
Urán-233 |
Plutónium-239 |
|||
| Neutron energia |
1 MeV |
0,025 eV |
1 MeV |
0,025 eV |
1 MeV |
0,025 eV |
| Teljes rész |
6,6±0,1 |
695±10 |
6,2±0,3 |
600±10 |
7,3±0,2 |
1005±5 |
| Osztás keresztmetszete |
1,25±0,05 |
581 ± 6 |
1,85±0,10 |
526±4 |
1,8±0,1 |
751±10 |
| A maghasadásban nem részt vevő magok töredéke |
0,077 ± 0,002 |
0,174 ± 0,01 |
0,057 ± 0,003 |
0,098 ± 0,004 |
0,08 ± 0,1 |
0,37 ± 0,03 |
| Egy hasadási esemény során kibocsátott neutronok száma |
2,6±0,1 |
2,43 ± 0,03 |
2,65±0,1 |
2,50±0,03 |
3,03±0,1 |
2,84±0,06 |
| Az elnyelt neutrononkénti neutronok száma |
2,41±0,1 |
2,07 ± 0,02 |
2,51±0,1 |
2,28 ± 0,02 |
2,07±0,04 |
|
| A késleltetett neutronok hányada, % |
(0,64±0,03) |
(0,65±0,02) |
(0,26±0,02) |
(0,26±0,01) |
(0,21±0,01) |
(0,22±0,01) |
| Hasadási energia, MeV | ||||||
| Valamennyi rész istállóban van megadva (10 -28 m 2). | ||||||
A táblázat adatai azt mutatják, hogy minden hasadó izotópnak megvannak a maga előnyei. Például a termikus neutronok számára legnagyobb keresztmetszetű izotóp esetében (0,025 eV energiájú) neutronmoderátor használata esetén kevesebb üzemanyagra van szükség a kritikus tömeg eléréséhez. Mivel a legtöbb neutron egy elnyelt neutrononként gyors plutóniumreaktorban fordul elő (1 MeV), tenyésztési módban jobb plutóniumot gyorsreaktorban vagy urán-233-at termikus reaktorban használni, mint urán-235-öt termikus reaktorban. Az urán-235 előnyösebb a könnyű irányíthatóság szempontjából, mivel nagyobb arányban tartalmaz késleltetett neutronokat.
Nyers izotópok.
Két nyers izotóp létezik: a tórium-232 és az urán-238, amelyekből az urán-233 és a plutónium-239 hasadó izotópokat nyerik. A nyers izotópok felhasználási technológiája számos tényezőtől függ, például a dúsítás szükségességétől. Az uránérc 0,7% urán-235-öt tartalmaz, míg a tóriumérc nem tartalmaz hasadó izotópokat. Ezért a tóriumhoz dúsított hasadó izotópot kell adni. Szintén fontos az elnyelt neutrononkénti új neutronok száma. Ezt a tényezőt figyelembe véve a termikus neutronok (0,025 eV energiára mérsékelt) esetében előnyben kell részesíteni az urán-233-at, mivel ilyen körülmények között nagyobb a kibocsátott neutronok száma, és ennek következtében a konverzió. faktor az egy „elhasznált” hasadómagra jutó új hasadómagok száma.
Retarderek.
A moderátor arra szolgál, hogy a hasadási folyamat során kibocsátott neutronok energiáját körülbelül 1 MeV-ról körülbelül 0,025 eV hőenergiára csökkentse. Mivel a mérséklődés főként a nem hasadó atommagok rugalmas szórásának eredményeként következik be, a moderátor atomok tömegének a lehető legkisebbnek kell lennie, hogy a neutron maximális energiát tudjon átadni nekik. Ezenkívül a moderátor atomoknak kicsi (a szórási keresztmetszethez képest) befogási keresztmetszettel kell rendelkezniük, mivel a neutronnak ismételten ütköznie kell a moderátor atomokkal, mielőtt lelassulna hőenergiává.
A legjobb moderátor a hidrogén, mivel tömege majdnem megegyezik a neutron tömegével, ezért a neutron veszít a legnagyobb energiából a hidrogénnel való ütközéskor. De a közönséges (könnyű) hidrogén túl erősen nyeli el a neutronokat, ezért a deutérium (nehézhidrogén) és a nehézvíz alkalmasabb moderátornak bizonyulnak, annak ellenére, hogy valamivel nagyobb tömegük van, mivel kevesebb neutront nyelnek el. A berillium jó moderátornak tekinthető. A szénnek olyan kicsi a neutronelnyelési keresztmetszete, hogy hatékonyan mérsékli a neutronokat, bár sokkal több ütközésre van szükség a lassításhoz, mint a hidrogénnek.
Átlagos N A neutron 1 MeV-ról 0,025 eV-ra történő lelassításához szükséges rugalmas ütközések hidrogén, deutérium, berillium és szén felhasználásával körülbelül 18, 27, 36 és 135. Ezen értékek hozzávetőleges jellege abból adódik, hogy a kémiai energia jelenléte miatt az ütközés-moderátorban lévő kötések 0,3 eV alatti energiáknál aligha lehetnek rugalmasak. Alacsony energiáknál az atomrács energiát adhat át neutronoknak, vagy megváltoztathatja az effektív tömeget az ütközés során, ezzel megsértve a lassulási folyamatot.
Hőhordozók.
Az atomreaktorokban használt hűtőközegek a következők: víz, nehézvíz, folyékony nátrium, folyékony nátrium-kálium ötvözet (NaK), hélium, szén-dioxid és szerves folyadékok, például terfenil. Ezek az anyagok jó hőhordozók és alacsony neutronelnyelési keresztmetszetűek.
A víz kiváló moderátor és hűtőközeg, de túl erősen nyeli el a neutronokat, és túl magas gőznyomása (14 MPa) van 336 °C-os üzemi hőmérsékleten. A legismertebb moderátor a nehézvíz. Jellemzői közel állnak a közönséges vízéhez, a neutronelnyelési keresztmetszete kisebb. A nátrium kiváló hűtőfolyadék, de nem hatékony neutronmoderátorként. Ezért gyorsneutronos reaktorokban használják, ahol több neutron bocsát ki a hasadás során. Igaz, a nátriumnak számos hátránya van: radioaktivitást indukál, alacsony a hőkapacitása, kémiailag aktív, szobahőmérsékleten megszilárdul. A nátrium és kálium ötvözete tulajdonságaiban hasonló a nátriumhoz, de szobahőmérsékleten folyékony marad. A hélium kiváló hűtőfolyadék, de fajlagos hőkapacitása alacsony. A szén-dioxid jó hűtőközeg, és széles körben alkalmazzák grafitmérsékelt reaktorokban. A terfenil előnye a vízzel szemben, hogy üzemi hőmérsékleten alacsony a gőznyomása, de a reaktorokra jellemző magas hőmérsékleten és sugárzási fluxusok hatására lebomlik és polimerizálódik.
Hőtermelő elemek.
A fűtőelem (FE) egy hermetikus burkolatú üzemanyagmag. A burkolat megakadályozza a hasadási termékek szivárgását és az üzemanyag és a hűtőközeg kölcsönhatását. A héj anyagának gyengén kell elnyelnie a neutronokat, és elfogadható mechanikai, hidraulikus és hővezető tulajdonságokkal kell rendelkeznie. Az üzemanyag-elemek általában szinterezett urán-oxid pelletei alumínium-, cirkónium- vagy rozsdamentes acélcsövekben; cirkóniummal, molibdénnel és alumíniummal bevont uránötvözetek pelletjei cirkóniummal vagy alumíniummal bevonva (alumíniumötvözet esetén); grafittabletták diszpergált urán-karbiddal, át nem eresztő grafittal bevonva.
Mindezeket a fűtőelemeket használják, de a túlnyomásos vizes reaktorok esetében a rozsdamentes acélcsövekben lévő urán-oxid pellet a legelőnyösebb. Az urán-dioxid nem lép reakcióba vízzel, nagy sugárzásállósággal rendelkezik, és magas olvadáspontja jellemzi.
A grafit üzemanyagcellák nagyon alkalmasnak tűnnek a magas hőmérsékletű gázhűtéses reaktorokhoz, de van egy komoly hátrányuk: a burkolatukon a diffúzió vagy a grafit hibái miatt gáznemű hasadási termékek behatolhatnak.
A szerves hűtőfolyadékok nem kompatibilisek a cirkónium üzemanyagrudakkal, ezért alumíniumötvözetek használatát igénylik. A szerves hűtőközeggel működő reaktorok kilátásai attól függnek, hogy alumíniumötvözetek vagy porkohászati termékek jönnek-e létre, amelyek (üzemi hőmérsékleten) megfelelő szilárdsággal és hővezető képességgel rendelkeznek a hűtőközegbe történő hőátadást növelő bordák használatához. Mivel a tüzelőanyag és a szerves hűtőközeg közötti hőátadás a hővezetés miatt kicsi, a hőátadás növelésére célszerű felületi forralást alkalmazni. A felületi forralással új problémák merülnek fel, de ezeket meg kell oldani, ha a szerves hőhordozó folyadékok alkalmazása előnyösnek bizonyul.
A REAKTOROK TÍPUSAI
Elméletileg több mint 100 különböző típusú reaktor lehetséges, amelyek tüzelőanyagban, moderátorban és hűtőközegben különböznek egymástól. A legtöbb hagyományos reaktor vizet használ hűtőközegként, nyomás alatt vagy forrásban lévő vízzel.
Nyomás alatti vizes reaktor.
Az ilyen reaktorokban a víz moderátorként és hűtőfolyadékként szolgál. A felmelegített vizet nyomás alatt egy hőcserélőbe szivattyúzzák, ahol a hő a szekunder kör vizébe kerül, amelyben gőz keletkezik, amely forgatja a turbinát.
Forrás reaktor.
Egy ilyen reaktorban a víz közvetlenül a reaktormagban forr, és a keletkező gőz belép a turbinába. A legtöbb forrásvizes reaktor vizet is használ moderátorként, de néha grafit moderátort is használnak.
Folyékony fémhűtésű reaktor.
Egy ilyen reaktorban csövekben keringő folyékony fémet használnak a reaktorban történő hasadás során felszabaduló hő átvitelére. Szinte minden ilyen típusú reaktor nátriumot használ hűtőközegként. A primerköri csövek másik oldalán keletkező gőzt egy hagyományos turbinába táplálják. A folyékony fém hűtésű reaktorok viszonylag nagy energiájú neutronokat (gyorsneutronreaktor) vagy grafitban vagy berillium-oxidban mérsékelt neutronokat használhatnak. Nemesítő reaktorként előnyösebbek a folyékony fémhűtésű gyorsneutronos reaktorok, mivel ebben az esetben a mérsékléssel nem jár neutronveszteség.
gázhűtéses reaktor.
Egy ilyen reaktorban a hasadási folyamat során felszabaduló hőt gáz - szén-dioxid vagy hélium adja át a gőzfejlesztőnek. A neutron moderátor általában grafit. A gázhűtéses reaktor sokkal magasabb hőmérsékleten tud működni, mint a folyadékhűtéses reaktor, ezért alkalmas ipari fűtőrendszerekhez és nagy hatásfokú erőművekhez. A kisméretű gázhűtéses reaktorokat fokozott üzembiztonság jellemzi, különösen a reaktor leolvadásának veszélye.
homogén reaktorok.
A homogén reaktorok zónájában urán hasadó izotópját tartalmazó homogén folyadékot használnak. A folyadék általában olvadt uránvegyület. Egy nagy, gömb alakú, nyomás alatt álló edénybe pumpálják, ahol kritikus tömegben hasadási láncreakció megy végbe. Ezután a folyadékot a gőzfejlesztőbe táplálják. A homogén reaktorok a tervezési és technológiai nehézségek miatt nem váltak népszerűvé.
REAKCIÓKÉPESSÉG ÉS VEZÉRLÉS
Az önfenntartó láncreakció lehetősége egy atomreaktorban attól függ, hogy mennyi neutron szivárog ki a reaktorból. A hasadás során keletkező neutronok az abszorpció következtében eltűnnek. Ezen túlmenően neutronszivárgás lehetséges az anyagokon keresztüli diffúzió miatt, hasonlóan az egyik gáz másikon keresztüli diffúziójához.
Az atomreaktor vezérléséhez tudnia kell a neutronszaporodási tényezőt k, amelyet az egy generációban lévő neutronok számának és az előző generáció neutronszámának arányaként határozunk meg. Nál nél k= 1 (kritikus reaktor) állandó intenzitású álló láncreakció megy végbe. Nál nél k> 1 (szuperkritikus reaktor), a folyamat intenzitása nő, és at k r = 1 – (1/ k) reaktivitásnak nevezzük.)
A késleltetett neutronok jelensége miatt a neutronok "születési ideje" 0,001 s-ról 0,1 s-ra nő. Ez a jellegzetes reakcióidő lehetővé teszi a szabályozását mechanikus működtetők - neutronokat elnyelő anyagból (B, Cd, Hf, In, Eu, Gd stb.) készült vezérlőrudak segítségével. A szabályozási időállandónak 0,1 s vagy nagyobb nagyságrendűnek kell lennie. A biztonság érdekében olyan reaktorüzemmódot választanak, amelyben minden generációban késleltetett neutronokra van szükség az álló láncreakció fenntartásához.
Az adott teljesítményszint biztosítására vezérlőrudakat és neutronreflektorokat alkalmaznak, de a reaktor helyes számításával a szabályozási feladat nagyban leegyszerűsíthető. Például, ha a reaktor úgy van megtervezve, hogy a teljesítmény vagy a hőmérséklet növekedésével a reakcióképesség csökken, akkor stabilabb lesz. Például, ha a késleltetés nem elegendő, a reaktorban lévő víz a hőmérséklet emelkedése miatt kitágul, pl. a moderátor sűrűsége csökken. Ennek eredményeként az urán-238-ban lévő neutronok abszorpciója fokozódik, mivel nincs idejük hatékonyan lelassítani. Egyes reaktorokban a neutronok reaktorból való szivárgását növelő tényezőt alkalmaznak a víz sűrűségének csökkenése miatt. A reaktor stabilizálásának másik módja egy "rezonáns neutronelnyelő" felmelegítése, például az urán-238, amely azután erősebben nyeli el a neutronokat.
Biztonsági rendszerek.
A reaktor biztonságát egy vagy másik mechanizmus biztosítja, amely a teljesítmény hirtelen növekedése esetén leállítja. Ez lehet egy fizikai folyamat mechanizmusa, vagy egy vezérlő és védelmi rendszer működése, vagy mindkettő. A nyomás alatti vizes reaktorok tervezésekor a vészhelyzetek figyelembevételével hideg víz kerül a reaktorba, csökken a hűtőfolyadék áramlási sebessége és túl magas a reakcióképesség az indításkor. Mivel a reakció intenzitása a hőmérséklet csökkenésével növekszik, hideg víz éles beáramlásával a reaktorba, a reakcióképesség és a teljesítmény növekszik. A védelmi rendszer általában automatikus zárral rendelkezik, amely megakadályozza a hideg víz bejutását. A hűtőfolyadék áramlásának csökkenésével a reaktor túlmelegszik, még akkor is, ha teljesítménye nem nő. Ilyen esetekben automatikus leállítás szükséges. Ezenkívül a hűtőfolyadék-szivattyúkat úgy kell méretezni, hogy a reaktor leállításához szükséges hűtőközeget biztosítsák. Vészhelyzet adódhat egy túl magas reakcióképességű reaktor indításakor. Az alacsony teljesítményszint miatt a reaktornak nincs ideje annyira felmelegedni, hogy a hőmérsékletvédelem működjön, amíg nem késő. Ilyen esetekben az egyetlen megbízható intézkedés a reaktor gondos beindítása.
E vészhelyzetek elkerülése meglehetősen egyszerű, ha betartja a következő szabályt: minden olyan műveletet, amely növelheti a rendszer reakcióképességét, óvatosan és lassan kell végrehajtani. A reaktorbiztonság kérdésében a legfontosabb a reaktormag hosszú távú hűtésének feltétlenül szükségessége a benne zajló hasadási reakció befejeződése után. Az a tény, hogy az üzemanyagpatronokban maradó radioaktív hasadási termékek hőt bocsátanak ki. Ez jóval kevesebb, mint a teljes teljesítményű üzemmódban felszabaduló hő, de a szükséges hűtés hiányában elegendő a fűtőelemek megolvasztásához. A hűtővíz-ellátás rövid megszakítása a zóna jelentős károsodásához és a Three Mile Island-i (USA) reaktor balesetéhez vezetett. A reaktormag megsemmisülése a minimális kár egy ilyen baleset esetén. Még rosszabb, ha veszélyes radioaktív izotópok szivárognak ki. A legtöbb ipari reaktor hermetikusan lezárt biztonsági héjjal van felszerelve, amelyek baleset esetén megakadályozzák az izotópok környezetbe jutását.
Végezetül megjegyezzük, hogy a reaktor megsemmisítésének lehetősége nagymértékben függ annak konstrukciójától és kialakításától. A reaktorokat úgy lehet megtervezni, hogy a hűtőfolyadék áramlási sebességének csökkentése ne okozzon nagy bajt. Ezek a különböző típusú gázhűtésű reaktorok.
az urán hasadása
Csak az atommagok tudnak osztódni néhány nehéz olyan elemek, mint az urán.
Az urán-235 magja gömb alakú. Miután elnyelt egy neutront, az atommag gerjesztődik és deformálódni kezd.
Egyik oldalról a másikra nyúlik, amíg a protonok közötti Coulomb-taszító erők felülkerekednek a nukleáris vonzási erők felett. Ezt követően a mag két részre szakad, és a töredékek a fénysebesség 1/30-ának megfelelő sebességgel repülnek szét. Az atommaghasadás 2-3 további neutront termel.
A neutronok megjelenése azzal magyarázható, hogy a neutronok száma a töredékekben a megengedettnél nagyobbnak bizonyul.
A hatalmas sebességű repülő töredékeket a környezet lelassítja.
A töredékek mozgási energiája a közeg belső energiájává alakul, amely felmelegszik.
Így az uránmagok hasadása együtt jár nagy mennyiségű energia felszabadítása.
NUKLEÁRIS LÁNCREAKCIÓ
Ez egy olyan folyamat, amelyben egy végrehajtott reakció további, azonos típusú reakciókat okoz.
Egy uránmag hasadása során a keletkező neutronok más uránmagok hasadását idézhetik elő, miközben a neutronok száma lavinaszerűen növekszik.
Az egy hasadási esemény során keletkezett neutronok számának arányát az előző hasadási eseményben keletkezett neutronok számához ún. szorzótényező neutronok k.
Ha k kisebb, mint 1, a reakció kialszik, mert az elnyelt neutronok száma nagyobb, mint az újonnan képződött neutronok száma.
Ha k nagyobb, mint 1, akkor szinte azonnal robbanás következik be.
Ha k értéke 1, szabályozott stacionárius láncreakció megy végbe.
A láncreakció nagy mennyiségű energia felszabadulásával jár.
Láncreakció végrehajtásához lehetetlen olyan atommagokat használni, amelyek neutronok hatására hasadnak.
Az urán kémiai elem, amelyet atomreaktorok üzemanyagaként használnak, természetesen két izotópból áll: urán-235-ből és urán-238-ból.
A természetben az urán-235 izotópok a teljes uránkészletnek mindössze 0,7%-át teszik ki, de láncreakció lebonyolítására alkalmasak, mert befolyása alatt megosztott lassú neutronok.
Az urán-238 atommagjai csak nagy energiájú neutronok hatására oszthatók ( gyors neutronok). Az urán-238 mag hasadása során megjelenő neutronok mindössze 60%-a rendelkezik ilyen energiával. Körülbelül 5 keletkező neutronból csak egy okoz maghasadást.
A láncreakció feltételei urán-235-ben:
Az atomreaktorban a szabályozott láncreakcióhoz szükséges minimális üzemanyagmennyiség (kritikus tömeg).
- a neutronok sebessége az uránmagok hasadását okozza
- nincsenek neutronokat elnyelő szennyeződések
Kritikus tömeg:
Ha az urán tömege kicsi, a neutronok reakció nélkül kirepülnek belőle
- ha az urán tömege nagy, akkor a neutronok számának erős növekedése miatt robbanás lehetséges
- ha a tömeg megfelel a kritikusnak, szabályozott láncreakció megy végbe
Az urán-235-höz kritikus tömeg 50 kg (ez például egy 9 cm átmérőjű urángolyó).
Az első irányított láncreakció - USA 1942-ben (E. Fermi)
A Szovjetunióban - 1946 (I. V. Kurchatov).
Emlékezzen az "Atomfizika" témára a 9. osztályban:
Radioaktivitás.
radioaktív átalakulások.
Az atommag összetétele. Nukleáris erők.
Kommunikációs energia. tömeghiba.
Az uránmagok hasadása.
Nukleáris láncreakció.
Nukleáris reaktor.
termonukleáris reakció.
További oldalak az "Atomfizika" témában a 10-11. osztály számára:
EGY KIS TÖRTÉNELEMBŐL
1930-ban Cambridge-ben J. Cockcroft és E. Walson kettéhasította az atomot. A Cavendish Laboratórium vezetője, Lord E. Rutherford nyilvánosan így beszélt erről a kísérletről: „Az atom hasítása a legelegánsabb kísérlet, és eleganciája abban rejlik, hogy nincs gyakorlati alkalmazása."
___
Amikor elkezdődött a munka Franciaországban atomfegyverek létrehozásáraés ennek megfelelően az uránizotópok tisztítása során hirtelen kiderült, hogy a nyugat-afrikai Oklo falu környékéről származó urán a lőszerre alkalmas urán-235 0,71%-a helyett csak 0,68%-ot tartalmaz. Az ezt követő pereskedés egy egyedülálló, valóban egyedülálló tárgy felfedezéséhez vezetett - természetes atomreaktor! Ugyanakkor az urán-235 egy része elfogyott a reaktor működése során.
___
Az emberiség nemrég megállapította Az atombombázás 50. évfordulója Hirosima és Nagaszaki. Ezekhez a tragikus eseményekhez vezető út is a Chicago Stadion főlelátója alatt vezetett, ahol 1942. december 2-án első nukleáris láncreakció.
___
Egy viccből kb mi a láncreakció: "Ha valaki egy láncon ülő kutya közelében sétál, az ugatni kezd, és a többi kutya követi."
>> uránhasadás
107. § AZ URÁNMAG HASZADÁSA
Csak egyes nehéz elemek magja osztható részekre. Az atommagok hasadása során két-három neutron és -sugár bocsát ki. Ugyanakkor sok energia szabadul fel.
Az uránhasadás felfedezése. Az urán atommagok hasadását 1938-ban fedezték fel német tudósok, O. Hahn és F. Strassmann. Megállapították, hogy amikor az uránt neutronokkal bombázzák, a periódusos rendszer középső részének elemei keletkeznek: bárium, kripton stb. Ennek a ténynek a helyes értelmezése azonban éppen a neutront befogó uránmag hasadásaként adódott a 1939 elején O. Frisch angol fizikus és L. Meitner osztrák fizikus.
A neutron befogása tönkreteszi az atommag stabilitását. A mag izgatott és instabillá válik, ami töredékekre való felosztásához vezet. Az atommaghasadás azért lehetséges, mert a nehéz mag nyugalmi tömege nagyobb, mint a hasadás során keletkező töredékek nyugalmi tömegének összege. Ezért a hasadást kísérő nyugalmi tömeg csökkenésével egyenértékű energia szabadul fel.
A nehéz atommagok hasadásának lehetősége a fajlagos kötési energia A tömegszámtól való függésének grafikonjával is magyarázható (lásd 13.11. ábra). A periódusos rendszerben az utolsó helyeket elfoglaló elemek atommagjainak fajlagos kötési energiája (A 200) körülbelül 1 MeV-tal kisebb, mint a periódusos rendszer közepén elhelyezkedő elemek atommagjainak fajlagos kötési energiája (A 100). . Ezért a periódusos rendszer középső részében a nehéz atommagok elemmagokká történő hasadási folyamata energetikailag kedvező. A hasadás után a rendszer minimális belső energiájú állapotba kerül. Hiszen minél nagyobb az atommag kötési energiája, annál nagyobb energiát kell felszabadulni az atommag keletkezésekor, következésképpen annál kisebb az újonnan kialakult rendszer belső energiája.
A maghasadás során a nukleononkénti kötési energia 1 MeV-tal növekszik, és a teljes felszabaduló energiának hatalmasnak kell lennie - körülbelül 200 MeV-nak. Nincs más nukleáris reakció (ha nem kapcsolódik a hasadáshoz) ilyen nagy energiákat.
Az uránmag hasadása során felszabaduló energia közvetlen mérése megerősítette a fenti megfontolásokat és 200 MeV értéket adtak. Ráadásul ennek az energiának a nagy része (168 MeV) a töredékek mozgási energiájára esik. A 13.13. ábrán a hasadó urándarabkák nyomai láthatók egy felhőkamrában.
A maghasadás során felszabaduló energia inkább elektrosztatikus, mint mag eredetű. A töredékek nagy kinetikus energiája a Coulomb taszítás miatt keletkezik.
maghasadás mechanizmusa. A maghasadás folyamata az atommag cseppmodellje alapján magyarázható. E modell szerint egy csomó nukleon egy töltött folyadék cseppjére hasonlít (13.14. ábra, a). A nukleonok közötti nukleáris erők rövid hatótávolságúak, mint a folyékony molekulák között ható erők. A protonok közötti erős elektrosztatikus taszító erők mellett, amelyek hajlamosak szétszakítani az atommagot, továbbra is nagy nukleáris vonzási erők lépnek fel. Ezek az erők megakadályozzák az atommag szétesését.
Az urán-235 mag gömb alakú. Miután elnyelt egy plusz neutront, gerjesztődik és deformálódni kezd, és megnyúlt alakot kap (13.14. ábra, b). A mag addig fog nyúlni, amíg a megnyúlt mag felei közötti taszító erők nem kezdenek uralkodni az isthmusban ható vonzó erők felett (13.14. ábra, c). Ezt követően két részre tépjük (13.14. ábra, d).
A Coulomb taszító erők hatására ezek a töredékek a fénysebesség 1/30-ának megfelelő sebességgel repülnek szét.
Neutronkibocsátás a hasadás során. A maghasadás alapvető ténye két vagy három neutron kibocsátása a maghasadás során. Ennek köszönhetően vált lehetővé az intranukleáris energia gyakorlati felhasználása.
A következő megfontolások alapján érthető, hogy miért bocsátanak ki szabad neutronokat. Ismeretes, hogy a stabil atommagokban a neutronok számának és a protonok számának aránya az atomszám növekedésével növekszik. Ezért a hasadás során keletkező töredékekben a neutronok relatív száma nagyobbnak bizonyul, mint a periódusos rendszer közepén található atommagok esetében megengedett. Ennek eredményeként a hasadási folyamat során több neutron szabadul fel. Energiájuk különböző értékű - több millió elektronvolttól egészen kicsi, nullához közeliig.
A hasadás általában töredékekre történik, amelyek tömege körülbelül 1,5-szeres. Ezek a töredékek erősen radioaktívak, mivel túl sok neutront tartalmaznak. Egy sor egymást követő bomlás eredményeként végül stabil izotópokat kapunk.
Végezetül megjegyezzük, hogy az uránmagok spontán hasadása is előfordul. G. N. Flerov és K. A. Petrzhak szovjet fizikusok fedezték fel 1940-ben. A spontán hasadás felezési ideje 10 16 év. Ez kétmilliószor hosszabb, mint az uránbomlás felezési ideje.
A maghasadási reakciót energiafelszabadulás kíséri.
Az óra tartalma óra összefoglalója támogatási keret óra bemutató gyorsító módszerek interaktív technológiák Gyakorlat feladatok és gyakorlatok önvizsgálat műhelyek, tréningek, esetek, küldetések házi feladat megbeszélés kérdések szónoki kérdések a tanulóktól Illusztrációk audio, videoklippek és multimédia fényképek, képek grafika, táblázatok, sémák humor, anekdoták, viccek, képregények példázatok, mondások, keresztrejtvények, idézetek Kiegészítők absztraktokat cikkek chipek érdeklődő csaló lapok tankönyvek alapvető és kiegészítő kifejezések szószedete egyéb Tankönyvek és leckék javításaa tankönyv hibáinak javítása egy töredék frissítése a tankönyvben az innováció elemei a leckében az elavult ismeretek újakkal való helyettesítése Csak tanároknak tökéletes leckék naptári terv évre a vitaprogram módszertani ajánlásai Integrált leckékA neutronok anyaggal való kölcsönhatásának tanulmányozása új típusú magreakciók felfedezéséhez vezetett. 1939-ben O. Hahn és F. Strassmann az uránmagok neutronokkal történő bombázásából származó vegyi termékeket vizsgálták. A reakciótermékek között báriumot találtak - egy kémiai elemet, amelynek tömege sokkal kisebb, mint az uráné. A problémát L. Meitneroma és O. Frisch német fizikusok oldották meg, akik kimutatták, hogy amikor az urán a neutronokat elnyeli, az atommag két részre oszlik:
ahol k > 1.
Az uránmag hasadása során egy ~ 0,1 eV energiájú termikus neutron ~ 200 MeV energiát szabadít fel. A lényeg az, hogy ezt a folyamatot olyan neutronok megjelenése kíséri, amelyek képesek más uránmagok hasadását előidézni, - hasadási láncreakció . Így egy neutron elágazó láncú maghasadást eredményezhet, és a hasadási reakcióban részt vevő atommagok száma exponenciálisan megnő. Megnyíltak a távlatok a hasadási láncreakció alkalmazására két irányban:
· szabályozott maghasadási reakció- atomreaktorok létrehozása;
· ellenőrizetlen maghasadási reakció- Nukleáris fegyverek létrehozása.
1942-ben megépült az első atomreaktor az Egyesült Államokban. A Szovjetunióban az első reaktort 1946-ban indították el. Jelenleg a világ különböző országaiban működő atomreaktorok százaiban termelnek hő- és elektromos energiát.
ábrából látható. 4.2, növekvő értékkel DE a fajlagos kötési energia ig növekszik DE» 50. Ez a viselkedés az erők összeadásával magyarázható; az egyes nukleonok kötési energiája fokozódik, ha nem egy vagy két, hanem több másik nukleon vonzza. Azokban az elemekben azonban, amelyek tömegszáma nagyobb, mint DE» 50 fajlagos kötési energia a növekedéssel fokozatosan csökken DE. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy a magvonzási erők az egyes nukleonok méretének nagyságrendjéhez képest rövid hatótávolságúak. Ezen a sugáron kívül az elektrosztatikus taszító erők dominálnak. Ha két protont 2,5 × 10-15 m-nél nagyobb mértékben távolítanak el, akkor a Coulomb-taszítási erők érvényesülnek közöttük, és nem a magvonzás.
Ennek a viselkedésnek a következménye a fajlagos kötési energia attól függően DE két folyamat létezése - magok fúziója és hasadása . Tekintsük az elektron és a proton kölcsönhatását. Hidrogénatom keletkezésekor 13,6 eV energia szabadul fel, és a hidrogénatom tömege 13,6 eV-tal kisebb, mint egy szabad elektron és egy proton tömegének összege. Hasonlóképpen, két könnyű atommag tömege meghaladja a D-ben való összekapcsolódásuk utáni tömeget M. Ha összekapcsolódnak, összeolvadnak a D energia felszabadulásával KISASSZONY 2. Ezt a folyamatot ún nukleáris szintézis . A tömegkülönbség meghaladhatja a 0,5%-ot.
Ha egy nehéz mag két könnyebb magra szakad, akkor tömegük 0,1%-kal kisebb lesz, mint az anyamag tömege. A nehéz magok hajlamosak osztály két könnyebb magba energiafelszabadítással. Az atombomba és az atomreaktor energiája az energia , atommaghasadás során szabadult fel . H-bomba energia a magfúzió során felszabaduló energia. Az alfa-bomlás egy erősen aszimmetrikus hasadásnak tekinthető, amelyben az anyamag M kis alfa-részecskére és egy nagy maradék magra hasad. Az alfa-bomlás csak akkor lehetséges, ha a reakció
súly M nagyobbnak bizonyul, mint a tömegek és az alfa részecske összege. Minden mag Z> 82 (ólom). Z> 92 (urán) alfa bomlási felezési ideje jóval hosszabb, mint a Föld kora, és ilyen elemek a természetben nem fordulnak elő. Azonban mesterségesen is létrehozhatók. Például plutónium ( Z= 94) atomreaktorban lévő uránból nyerhető. Ez az eljárás általánossá vált, és mindössze 15 dollárba kerül 1 g-onként, és eddig legfeljebb Z= 118, de jóval magasabb áron és általában elhanyagolható mennyiségben. Remélhetőleg a radiokémikusok megtanulják, hogyan lehet kis mennyiségben is új elemeket nyerni Z> 118.
Ha egy hatalmas uránmagot két nukleoncsoportra lehetne osztani, akkor ezek a nukleoncsoportok erősebb kötéssel rendelkező atommagokká rendeződnének át. A szerkezetátalakítás során energia szabadulna fel. A spontán maghasadást az energiamegmaradás törvénye engedélyezi. A természetben előforduló atommagok hasadási reakciójában azonban olyan magas a potenciálgát, hogy a spontán hasadás valószínűsége sokkal kisebb, mint az alfa-bomlás valószínűsége. A 238 U atommag felezési ideje a spontán hasadáshoz viszonyítva 8×10 15 év. Ez több mint egymilliószorosa a Föld korának. Ha egy neutron egy nehéz atommaggal ütközik, akkor az elektrosztatikus potenciálgát teteje közelében magasabb energiaszintre kerülhet, aminek következtében megnő a hasadás valószínűsége. A gerjesztett állapotban lévő mag jelentős szögimpulzussal rendelkezhet, és ovális alakot kaphat. A mag perifériáján lévő helyek könnyebben áthatolnak a gáton, mivel részben már a gát mögött vannak. Az ovális alakú magban a gát szerepe még inkább gyengül. Amikor egy atommagot vagy egy lassú neutront befognak, a hasadáshoz képest nagyon rövid élettartamú állapotok jönnek létre. Az uránmag tömege és a tipikus hasadási termékek között akkora a különbség, hogy az urán hasadása során átlagosan 200 MeV energia szabadul fel. Az uránmag nyugalmi tömege 2,2×10 5 MeV. Ennek a tömegnek körülbelül 0,1%-a alakul át energiává, ami megegyezik a 200 MeV és a 2,2 × 10 5 MeV arányával.
Energia besorolás,felosztás közben szabadult fel,től szerezhető be Weizsäcker képletek :
Amikor egy atommag két részre osztódik, a felületi energia és a Coulomb-energia megváltozik 
, a felületi energia növekedésével és a Coulomb energia csökkenésével. A hasadás akkor lehetséges, ha a hasadás során felszabaduló energia E > 0.
.
Itt A 1 = A/2, Z 1 = Z/2. Ebből azt kapjuk, hogy a hasadás energetikailag akkor kedvező Z 2 /A> 17. Érték Z 2 /A hívott oszthatósági paraméter . Energia E, osztódás közben felszabaduló, növekedésével növekszik Z 2 /A.
A maghasadás során a mag alakot változtat - sorban halad át a következő szakaszokon (9.4. ábra): labda, ellipszoid, súlyzó, két körte alakú töredék, két gömb alakú töredék.
Miután a hasadás megtörtént, és a töredékek a sugarukhoz képest jóval nagyobb távolságra különülnek el egymástól, a fragmentumok potenciális energiája, amelyet a köztük lévő Coulomb-kölcsönhatás határoz meg, nullával egyenlőnek tekinthető.
Az atommag alakjának alakulása miatt potenciális energiájának változását a felületi és a Coulomb-energiák összegének változása határozza meg . Feltételezzük, hogy a mag térfogata a deformáció során változatlan marad. Ebben az esetben a felületi energia növekszik, mivel az atommag felülete növekszik. A Coulomb-energia csökken a nukleonok közötti átlagos távolság növekedésével. Kisebb ellipszoid alakváltozások esetén a felületi energia növekedése gyorsabban megy végbe, mint a Coulomb-energia csökkenése.
A nehéz atommagok tartományában a felületi és a Coulomb-energiák összege a deformációval növekszik. Kisebb ellipszoid alakváltozásoknál a felületi energia növekedése megakadályozza az atommag további alakváltozását, és ezáltal a hasadást. A potenciálgát jelenléte megakadályozza a pillanatnyi spontán maghasadást. Annak érdekében, hogy az atommag azonnal felhasadjon, olyan energiát kell adni neki, amely meghaladja a hasadási gát magasságát H.
gát magassága H minél nagyobb, annál kisebb a Coulomb és a felületi energiák aránya a kezdeti magban. Ez az arány pedig az oszthatósági paraméter növekedésével növekszik Z 2 /DE. Minél nehezebb a mag, annál alacsonyabb az akadály magassága H, mivel az oszthatósági paraméter a tömegszám növekedésével növekszik:
A nehezebb magokat általában kevesebb energiával kell ellátni a hasadáshoz. A Weizsäcker-képletből következik, hogy a hasadási gát magassága a -nál eltűnik. Azok. A cseppmodell szerint a természetben ne legyenek magok, mivel azok spontán módon szinte azonnal hasadnak (10-22 s nagyságrendű jellemző magidő alatt). Az atommagok létezése (" a stabilitás szigete ”) az atommagok héjszerkezetével magyarázható. Spontán maghasadás vele , amelyre a sorompó magassága H nem egyenlő nullával, a klasszikus fizika szempontjából ez lehetetlen. A kvantummechanika szempontjából az ilyen hasadás a fragmentumok potenciálgáton való áthaladás eredményeként lehetséges, és ún. spontán hasadás . A spontán hasadás valószínűsége a hasadási paraméter növekedésével növekszik, pl. a hasadási gát magasságának csökkenésével.
Kényszer maghasadás bármely részecske okozhatja: fotonok, neutronok, protonok, deuteronok, α-részecskék stb., ha az általuk az atommaghoz juttatott energia elegendő a hasadási gát leküzdéséhez.
A termikus neutronok által történő hasadás során keletkező töredékek tömege nem egyenlő. A sejtmag hajlamos oly módon hasadni, hogy a töredék nukleonjainak nagy része stabil mágikus magot alkot. ábrán. A 9.5 a tömegeloszlást mutatja osztás közben. A tömegszámok legvalószínűbb kombinációja a 95 és a 139.
A neutronok számának a protonok számához viszonyított aránya az atommagban 1,55, míg a stabil elemeknél, amelyek tömege közel van a hasadási fragmentumok tömegéhez, ez az arány 1,25 - 1,45. Következésképpen a hasadási töredékek erősen túlterheltek neutronokkal, és instabilok a β-bomlásra – radioaktívak.
A hasadás következtében ~ 200 MeV energia szabadul fel. Körülbelül 80%-át a fragmentum energiája teszi ki. Egy hasadási aktusban kettőnél több hasadási neutronok ~ 2 MeV átlagos energiával.
1 g bármilyen anyagot tartalmaz 
. 1 g urán hasadását ~ 9×10 10 J felszabadulás kíséri. Ez csaknem 3 milliószor nagyobb, mint 1 g szén elégetésének energiája (2,9×10 4 J). Természetesen 1 g urán sokkal többe kerül, mint 1 g szén, de a szén elégetésével nyert 1 J energia költsége 400-szor magasabb, mint az urán üzemanyag esetében. 1 kWh energia előállítása széntüzelésű erőművekben 1,7, atomerőművekben 1,05 centbe került.
Köszönet láncreakció maghasadási folyamat is végrehajtható önfenntartó . Minden hasadáskor 2 vagy 3 neutron bocsát ki (9.6. ábra). Ha egy ilyen neutronnak sikerül egy másik uránmag hasadását előidéznie, akkor a folyamat önfenntartó lesz.
Ezt a követelményt kielégítő hasadóanyag-készletet ún kritikus szerelvény . Az első ilyen összeállítás ún nukleáris reaktor 1942-ben épült Enrico Fermi irányításával a Chicagói Egyetem campusán. Az első atomreaktort 1946-ban indították be I. Kurcsatov vezetésével Moszkvában. Az első 5 MW teljesítményű atomerőművet 1954-ben indították el a Szovjetunióban Obnyinszk városában (9.7. ábra).
tömegés azt is megteheted szuperkritikus . Ebben az esetben a hasadás során keletkező neutronok több másodlagos hasadást okoznak. Mivel a neutronok 10 8 cm/s-ot meghaladó sebességgel haladnak, a szuperkritikus szerelvény egy ezredmásodpercnél rövidebb idő alatt képes teljesen reagálni (vagy szétrepülni). Az ilyen készüléket ún atombomba . A plutóniumból vagy uránból készült nukleáris töltet általában robbanás útján szuperkritikus állapotba kerül. A szubkritikus tömeget vegyi robbanóanyagok veszik körül. Robbanása során a plutónium vagy urán tömege azonnali összenyomásnak van kitéve. Mivel ebben az esetben a gömb sűrűsége jelentősen megnő, a neutronok abszorpciós sebessége nagyobb, mint a neutronok kibocsátásuk miatti elvesztésének sebessége. Ez a szuperkritikusság feltétele.
ábrán. A 9.8 ábrán a Hirosimára ledobott „Kid” atombomba diagramja látható. Nukleáris robbanóanyagként szolgált egy bombában, két részre osztva, amelynek tömege kisebb volt a kritikusnál. A robbanáshoz szükséges kritikus tömeget úgy hozták létre, hogy mindkét részt „ágyús módszerrel” összekapcsolták hagyományos robbanóanyagokkal.
1 tonna trinitrotoluol (TNT) felrobbanása 10 9 cal, vagyis 4×10 9 J. Egy 1 kg plutóniumot fogyasztó atombomba robbanása körülbelül 8×10 13 J energiát szabadít fel.
Vagy csaknem 20 000-szer több, mint 1 tonna TNT felrobbanásakor. Az ilyen bombát 20 kilotonnás bombának nevezik. A mai megatonnás bombák milliószor erősebbek, mint a hagyományos TNT robbanóanyagok.
A plutónium előállítása 238 U neutronokkal történő besugárzásán alapul, ami a 239 U izotóp kialakulásához vezet, amely a béta-bomlás eredményeként 239 Np, majd egy újabb béta-bomlás után 239 Pu-vá alakul. Amikor egy kis energiájú neutron elnyelődik, a 235 U és a 239 Pu izotópok is hasadáson mennek keresztül. A hasadási termékeket erősebb kötődés jellemzi (~ 1 MeV nukleononként), aminek köszönhetően a hasadás eredményeként megközelítőleg 200 MeV energia szabadul fel.
Az elhasznált plutónium vagy urán minden grammja csaknem egy gramm radioaktív hasadási terméket eredményez, amelyeknek óriási radioaktivitása van.
A bemutatók megtekintéséhez kattintson a megfelelő hivatkozásra: