Fisiunea nucleului de uraniu. Reacție în lanț

Acasă

Tratamentul apei

Toată această confuzie este acum destul de clară. S-a dovedit că un nou tip de transformare nucleară poate avea loc în uraniu sub acțiunea neutronilor. Această transformare, descoperită în 1938 de Hahn și Strassmann și făcută cunoscută la începutul anului 1939, constă în faptul că, captând un neutron, nucleul de uraniu se poate scinda în două jumătăți.

În toate celelalte reacții nucleare, cel mult o particulă alfa zboară din nucleu. Aici, din uraniu se obțin două nuclee cu greutatea atomică medie, de exemplu, kripton și bariu:

(uraniu) 2|| + neutron ->. (uraniu) U (cripton) ^ -[- (bariu)'|?.

Energia de legare a fragmentelor, adică nucleele de cripton și bariu, este mult mai mare decât cea a uraniului. Prin urmare, în timpul fisiunii uraniului, se eliberează o energie enormă de 170 de milioane de volți, adică de 10 ori mai mult decât în timpul distrugerii ligiului de către protoni. Energia eliberată în timpul fisiunii trece în energia cinetică a fragmentelor de uraniu, adică aceste fragmente capătă o viteză enormă.

Apropo, fisiunea uraniului este similară cu fisiunea litiului:

(litiu) - (- proton) (beriliu) ® - ". (heliu) 2+ (heliu) *.

În ambele cazuri, nucleul este împărțit în două jumătăți, iar motivele eliberării de energie sunt, de asemenea, aceleași. Cu toate acestea, nucleele mai grele decât litiul emit întotdeauna cel mult o particulă alfa; când litiul este distrus, se obțin și particule alfa. Prin urmare, fisiunea uraniului este un fenomen cu totul special.

Să vedem cum are loc această fisiune a uraniului. Nucleul de uraniu, format din peste două sute de particule, este ca o mică picătură rotundă încărcată și are o formă sferică (Fig. 16, a). Dacă începem să schimbăm forma nucleului, atunci se va întâmpla exact același lucru ca și cu picătura. Cu un mic

Când nucleul este întins, tinde să revină la forma sa sferică inițială, deoarece în acest caz suprafața nucleului este cea mai mică; marirea suprafetei nu este benefica, necesita energie.

Dar dacă schimbăm mult - forma nucleului - așa cum se arată în Fig. 16, în - atunci vei fi deja miezul

Este mai bine să se destrame în două jumătăți, deoarece ambele părți ale nucleului sunt respinse una de cealaltă de forțele electrice, iar această repulsie devine semnificativă.

Nu, decât pierderea de energie asociată cu o creștere a suprafeței.

Astfel, pentru ca fisiunea nucleului de uraniu să se producă, este necesar să se producă mișcări puternice în nucleu, care să conducă la modificarea dorită a formei acestuia.

4 V. L. Ginzburg 49

Un neutron care intră în nucleul uraniului poate doar excita mișcări puternice și, prin urmare, poate duce la fisiunea acestui nucleu. În timpul fisiunii se obțin diverse fragmente, de exemplu, cripton și bariu, sau rubidiu și cesiu (de la caz la caz, se poate obține fie o pereche de nuclee, fie alta).

Fragmentele pot fi observate în camera de nor (Fig. 17).

Pentru toate fragmentele rezultate din fisiunea uraniului, însă, o caracteristică este caracteristică - se dovedesc a fi foarte supraîncărcate cu neutroni. Lucrul este

Faptul că în elementele mai grele raportul dintre numărul de neutroni și numărul de protoni este mai mare decât în elementele ușoare.

De exemplu, în uraniu 2!! sunt 146 de neutroni și 92 de protoni, iar în oxigen există un număr egal de neutroni și protoni.

Izotopii naturali ai criptonului și bariului au cel mult 50 și, respectiv, 82 de neutroni sau un total de 132 de neutroni. Între timp, într-un nucleu de uraniu cu o greutate de 239, care se descompune în cripton și bariu, există 147 de neutroni; prin urmare, nucleele de cripton și bariu, formate în timpul fisiunii uraniului, vor avea împreună 50

15 neutroni în plus. Această împrejurare duce la faptul că în fragmentele rezultate din fisiunea uraniului, neutronii în exces sunt transformați în protoni, adică aceste fragmente se dovedesc a fi radioactive și emit particule beta. Kryptonul, de exemplu, se descompune astfel:

(cripton) 3(G> (rubidiu) 37-- (electron) (stronțiu) 38-)- (electron).

Astfel, în timpul fisiunii uraniului se produc o mulțime de elemente, majoritatea fiind radioactive.

Dar supraîncărcarea fragmentelor de neutroni este atât de mare încât materia nu se limitează la o singură radioactivitate și mai mulți neutroni zboară pur și simplu într-o formă liberă.

În consecință, în timpul fisiunii uraniului cauzată de neutroni, sunt eliberați noi neutroni, al căror număr este egal cu doi sau trei pentru un nucleu care se prăbușește (Fig. 18).

Acest fapt joacă un rol decisiv în utilizarea energiei nucleare.

Fisiunea uraniului se dovedește a fi o transformare nucleară de acest tip, în care un neutron duce la emisia de mai mulți neutroni noi. În același timp, se eliberează multă energie. Dacă neutronii produși prin fisiune pot provoca cu succes noi fisiuni de nuclee, atunci numărul de neutroni și nuclee sparte va crește tot timpul, iar reacția nu se va opri.

Mai mult, dacă nu se iau măsuri speciale, atunci această reacție va crește atât de violent încât va rezulta o explozie. O astfel de reacție, care crește fără surse externe, așa cum am spus deja, se numește reacție în lanț.

S-a dovedit că în uraniu o astfel de reacție în lanț poate fi efectuată în anumite condiții.

Așa a fost eliberată prima dată energia nucleară.

Conținutul articolului

FISIUNE NUCLEARA, o reacție nucleară în care un nucleu atomic, atunci când este bombardat de neutroni, se împarte în două sau mai multe fragmente. Masa totală a fragmentelor este de obicei mai mică decât suma maselor nucleului inițial și a neutronului care bombardează. „Lisa dispărută” m se transformă în energie E conform formulei lui Einstein E = mc 2, unde c este viteza luminii. Deoarece viteza luminii este foarte mare (299.792.458 m/s), o masă mică corespunde unei cantități uriașe de energie. Această energie poate fi transformată în electricitate.

Energia eliberată în timpul fisiunii nucleare este transformată în căldură atunci când fragmentele de fisiune decelerează. Viteza de eliberare a căldurii depinde de numărul de nuclee care se fisionează pe unitatea de timp. Când fisiunea unui număr mare de nuclee are loc într-un volum mic într-un timp scurt, reacția are caracterul unei explozii. Acesta este principiul bombei atomice. Dacă, pe de altă parte, un număr relativ mic de nuclee se fisiază într-un volum mare pentru o perioadă mai lungă de timp, atunci rezultatul va fi o eliberare de căldură care poate fi utilizată. Pe asta se bazează centralele nucleare. La centralele nucleare, căldura eliberată în reactoarele nucleare ca urmare a fisiunii nucleare este folosită pentru a produce abur, care este alimentat la turbinele care rotesc generatoarele electrice.

Pentru utilizarea practică a proceselor de fisiune, uraniul și plutoniul sunt cele mai potrivite. Au izotopi (atomi ai unui element dat cu numere de masă diferite) care se fisionează atunci când absorb neutroni, chiar și la energii foarte scăzute.

Cheia utilizării practice a energiei de fisiune a fost faptul că unele elemente emit neutroni în procesul de fisiune. Deși un neutron este absorbit în timpul fisiunii nucleare, această pierdere este compensată prin producerea de noi neutroni în timpul fisiunii. Dacă dispozitivul în care are loc fisiunea are o masă („critică”) suficient de mare, atunci o „reacție în lanț” poate fi menținută datorită noilor neutroni. O reacție în lanț poate fi controlată prin ajustarea numărului de neutroni care pot provoca fisiunea. Dacă este mai mare de unu, atunci intensitatea diviziunii crește, iar dacă este mai mică de unu, scade.

REFERINȚĂ DE ISTORIE

Istoria descoperirii fisiunii nucleare provine din lucrarea lui A. Becquerel (1852–1908). Cercetând în 1896 fosforescența diferitelor materiale, el a descoperit că mineralele care conțin uraniu emit în mod spontan radiații care provoacă o înnegrire a unei plăci fotografice chiar dacă între mineral și placă este plasat un solid opac. Diferiți experimentatori au stabilit că această radiație constă din particule alfa (nuclee de heliu), particule beta (electroni) și raze gamma (radiații electromagnetice dure).

Prima transformare a nucleelor, indusă artificial de om, a fost realizată în 1919 de E. Rutherford, care a transformat azotul în oxigen prin iradierea azotului cu particule de uraniu alfa. Această reacție a fost însoțită de absorbția de energie, deoarece masa produselor sale - oxigen și hidrogen - depășește masa particulelor care intră în reacție - particule de azot și alfa. Eliberarea energiei nucleare a fost realizată pentru prima dată în 1932 de J. Cockcroft și E. Walton, care au bombardat litiu cu protoni. În această reacție, masa nucleelor care intră în reacție a fost ceva mai mare decât masa produselor, în urma căreia s-a eliberat energie.

În 1932, J. Chadwick a descoperit neutronul - o particulă neutră cu o masă aproximativ egală cu masa nucleului unui atom de hidrogen. Fizicienii din întreaga lume au început să studieze proprietățile acestei particule. S-a presupus că un neutron lipsit de sarcină electrică și care nu este respins de un nucleu încărcat pozitiv ar avea mai multe șanse să provoace reacții nucleare. Rezultatele mai recente au confirmat această presupunere. La Roma, E. Fermi și colaboratorii săi au supus aproape toate elementele sistemului periodic la iradiere cu neutroni și au observat reacții nucleare cu formarea de noi izotopi. Dovada formării de noi izotopi a fost radioactivitatea „artificială” sub formă de radiații gamma și beta.

Primele indicii ale posibilității fisiunii nucleare.

Fermi este creditat cu descoperirea multor reacții cu neutroni cunoscute astăzi. În special, a încercat să obțină un element cu număr atomic 93 (neptuniu) prin bombardarea uraniului (element cu număr atomic 92) cu neutroni. În același timp, el a înregistrat electroni emisi ca urmare a captării neutronilor în reacția propusă

238 U + 1 n ® 239 Np + b–,

unde 238 U este un izotop al uraniului-238, 1 n este un neutron, 239 Np este neptuniu și b- - electron. Cu toate acestea, rezultatele au fost mixte. Pentru a exclude posibilitatea ca radioactivitatea înregistrată să aparțină izotopilor de uraniu sau altor elemente localizate în sistemul periodic înaintea uraniului, a fost necesară efectuarea unei analize chimice a elementelor radioactive.

Rezultatele analizei au arătat că elementele necunoscute corespund numerelor de serie 93, 94, 95 și 96. Prin urmare, Fermi a concluzionat că a obținut elemente transuraniu. Cu toate acestea, O. Hahn și F. Strassman din Germania, după ce au efectuat o analiză chimică amănunțită, au descoperit că bariul radioactiv este prezent printre elementele rezultate din iradierea uraniului cu neutroni. Aceasta a însemnat că, probabil, o parte din nucleele de uraniu este împărțită în două fragmente mari.

Confirmarea diviziei.

După aceea, Fermi, J. Dunning și J. Pegram de la Universitatea Columbia au efectuat experimente care au arătat că fisiunea nucleară are loc. Fisiunea uraniului de către neutroni a fost confirmată prin metodele contoarelor proporționale, o cameră cu nori și acumularea de fragmente de fisiune. Prima metodă a arătat că impulsurile de înaltă energie sunt emise atunci când o sursă de neutroni se apropie de o probă de uraniu. În camera cu nori, s-a văzut că nucleul de uraniu, bombardat de neutroni, este împărțit în două fragmente. Această din urmă metodă a făcut posibil să se stabilească că, așa cum a prezis teorie, fragmentele sunt radioactive. Toate acestea, luate împreună, au dovedit în mod convingător că fisiunea are loc cu adevărat și au făcut posibil să se judece cu încredere energia eliberată în timpul fisiunii.

Deoarece raportul admisibil dintre numărul de neutroni și numărul de protoni din nucleele stabile scade odată cu scăderea dimensiunii nucleului, fracția de neutroni din fragmente trebuie să fie mai mică decât în nucleul original de uraniu. Astfel, existau toate motivele să credem că procesul de fisiune este însoțit de emisia de neutroni. Acest lucru a fost în curând confirmat experimental de F. Joliot-Curie și colaboratorii săi: numărul de neutroni emiși în procesul de fisiune a fost mai mare decât numărul de neutroni absorbiți. S-a dovedit că pentru un neutron absorbit există aproximativ doi neutroni și jumătate noi. Posibilitatea unei reacții în lanț și perspectivele de a crea o sursă de energie excepțional de puternică și de a o folosi în scopuri militare au devenit imediat evidente. După aceea, într-o serie de țări (în special în Germania și SUA), au început lucrările la crearea unei bombe atomice în condiții de secret profund.

Evoluții în timpul celui de-al Doilea Război Mondial.

Din 1940 până în 1945 direcția dezvoltării a fost determinată de considerente militare. În 1941, au fost obținute cantități mici de plutoniu și au fost stabiliți o serie de parametri nucleari ai uraniului și plutoniului. În SUA, cele mai importante întreprinderi de producție și cercetare necesare pentru aceasta se aflau sub jurisdicția „Districtului de inginerie militară Manhattan”, căruia „Proiectul Uraniu” a fost transferat la 13 august 1942. La Universitatea Columbia (New York), un grup de angajați condus de E. Fermi și V. Zinn a efectuat primele experimente în care s-a studiat multiplicarea neutronilor într-o rețea de blocuri de dioxid de uraniu și grafit – un „cazan” atomic. În ianuarie 1942, această lucrare a fost transferată la Universitatea din Chicago, unde în iulie 1942 au fost obținute rezultate care arătau posibilitatea unei reacții în lanț autosusținută. Inițial, reactorul a funcționat la o putere de 0,5 W, dar după 10 zile puterea a fost crescută la 200 W. Posibilitatea de a obține cantități mari de energie nucleară a fost demonstrată pentru prima dată pe 16 iulie 1945, când prima bombă atomică a fost detonată la locul de testare de la Alamogordo (New Mexico).

REACTORI NUCLEARI

Un reactor nuclear este o instalație în care este posibil să se efectueze o reacție în lanț controlată de fisiune nucleară. Reactoarele pot fi clasificate după combustibilul utilizat (izotopi fisionabili și bruti), după tipul de moderator, după tipul de elemente de combustibil și după tipul de lichid de răcire.

izotopi fisionali.

Există trei izotopi fisionali - uraniu-235, plutoniu-239 și uraniu-233. Uraniul-235 este produs prin separarea izotopilor; plutoniu-239 - în reactoare în care uraniul-238 este transformat în plutoniu, 238 U ® 239 U ® 239 Np ® 239 Pu; uraniu-233 - în reactoare în care toriu-232 este procesat în uraniu. Combustibilul nuclear pentru un reactor de putere este selectat în funcție de proprietățile sale nucleare și chimice, precum și de cost.

Tabelul de mai jos prezintă principalii parametri ai izotopilor fisionali. Secțiunea transversală totală caracterizează probabilitatea de interacțiune de orice tip între un neutron și un nucleu dat. Secțiunea transversală de fisiune caracterizează probabilitatea fisiunii nucleare de către un neutron. Randamentul energetic per neutron absorbit depinde de fracția de nuclee care nu participă la procesul de fisiune. Numărul de neutroni emiși într-un eveniment de fisiune este important din punctul de vedere al menținerii reacției în lanț. Numărul de noi neutroni per neutron absorbit este important deoarece caracterizează intensitatea fisiunii. Fracția de neutroni întârziați emiși după ce a avut loc fisiunea este legată de energia stocată în material.

CARACTERISTICILE ISOTOPII FISIBILI

CARACTERISTICILE ISOTOPII FISIBILI
Izotop	Uraniu-235		Uraniu-233		Plutoniu-239
Energia neutronilor	1 MeV	0,025 eV	1 MeV	0,025 eV	1 MeV	0,025 eV
Secțiune completă	6,6±0,1	695±10	6,2±0,3	600±10	7,3±0,2	1005±5
Secțiune transversală de diviziune	1,25±0,05	581 ± 6	1,85±0,10	526±4	1,8±0,1	751±10
Fracțiune de nuclee care nu participă la fisiune	0,077 ± 0,002	0,174 ± 0,01	0,057 ± 0,003	0,098 ± 0,004	0,08 ± 0,1	0,37 ± 0,03
Numărul de neutroni emiși într-un eveniment de fisiune	2,6±0,1	2,43 ± 0,03	2,65±0,1	2,50±0,03	3,03±0,1	2,84±0,06
Numărul de neutroni per neutron absorbit	2,41±0,1	2,07 ± 0,02	2,51±0,1	2,28 ± 0,02		2,07±0,04
Fracția de neutroni întârziați, %	(0,64±0,03)	(0,65±0,02)	(0,26±0,02)	(0,26±0,01)	(0,21±0,01)	(0,22±0,01)
Energia de fisiune, MeV
Toate secțiunile sunt date în hambare (10 -28 m 2).

Datele din tabel arată că fiecare izotop fisionabil are propriile sale avantaje. De exemplu, în cazul izotopului cu cea mai mare secțiune transversală pentru neutronii termici (cu o energie de 0,025 eV), este nevoie de mai puțin combustibil pentru a atinge masa critică atunci când se folosește un moderator de neutroni. Deoarece cel mai mare număr de neutroni per neutron absorbit are loc într-un reactor cu plutoniu rapid (1 MeV), în modul de reproducere este mai bine să folosiți plutoniu într-un reactor rapid sau uraniu-233 într-un reactor termic decât uraniul-235 într-un reactor termic. Uraniul-235 este mai de preferat în ceea ce privește ușurința controlului, deoarece are o proporție mai mare de neutroni întârziați.

Izotopi bruti.

Există doi izotopi bruti: toriu-232 și uraniu-238, din care se obțin izotopii fisionali uraniu-233 și plutoniu-239. Tehnologia de utilizare a izotopilor bruti depinde de diverși factori, cum ar fi nevoia de îmbogățire. Minereul de uraniu conține 0,7% uraniu-235, în timp ce minereul de toriu nu conține izotopi fisionali. Prin urmare, la toriu trebuie adăugat un izotop fisionabil îmbogățit. Numărul de noi neutroni per neutron absorbit este, de asemenea, important. Ținând cont de acest factor, este necesar să se acorde preferință uraniului-233 în cazul neutronilor termici (moderați la o energie de 0,025 eV), întrucât în astfel de condiții numărul de neutroni emiși este mai mare și, în consecință, conversia factorul este numărul de noi nuclee fisionabile per un nucleu fisionabil „cheltuit”.

Întârzieri.

Moderatorul servește la reducerea energiei neutronilor emiși în procesul de fisiune de la aproximativ 1 MeV la energii termice de aproximativ 0,025 eV. Deoarece moderarea are loc în principal ca urmare a împrăștierii elastice de către nucleele atomilor nefisionali, masa atomilor moderatori trebuie să fie cât mai mică posibil, astfel încât neutronul să le poată transfera energie maximă. În plus, atomii moderatori trebuie să aibă o secțiune transversală de captură mică (comparativ cu secțiunea transversală de împrăștiere), deoarece neutronul trebuie să se ciocnească în mod repetat cu atomii moderatori înainte de a fi încetinit la energie termică.

Cel mai bun moderator este hidrogenul, deoarece masa lui este aproape egală cu masa neutronului și, prin urmare, neutronul pierde cea mai mare cantitate de energie atunci când se ciocnește cu hidrogenul. Dar hidrogenul obișnuit (ușor) absoarbe neutronii prea puternic și, prin urmare, deuteriul (hidrogenul greu) și apa grea se dovedesc a fi moderatori mai adecvați, în ciuda masei lor puțin mai mari, deoarece absorb neutronii mai puțin. Beriliul poate fi considerat un bun moderator. Carbonul are o secțiune transversală atât de mică de absorbție a neutronilor încât moderează efectiv neutronii, deși necesită mult mai multe ciocniri pentru a încetini decât hidrogenul.

Număr mediu N Ciocnirile elastice necesare pentru a încetini un neutron de la 1 MeV la 0,025 eV folosind hidrogen, deuteriu, beriliu și carbon sunt de aproximativ 18, 27, 36 și, respectiv, 135. Natura aproximativă a acestor valori se datorează faptului că, din cauza prezenței energiei chimice, legăturile din moderatorul de coliziune la energii sub 0,3 eV pot fi cu greu elastice. La energii scăzute, rețeaua atomică poate transfera energie neutronilor sau poate modifica masa efectivă într-o coliziune, încălcând astfel procesul de decelerare.

Purtători de căldură.

Lichidanții de răcire utilizați în reactoarele nucleare sunt apă, apă grea, sodiu lichid, aliaj lichid de sodiu-potasiu (NaK), heliu, dioxid de carbon și lichide organice, cum ar fi terfenil. Aceste substanțe sunt buni purtători de căldură și au secțiuni transversale scăzute de absorbție a neutronilor.

Apa este un excelent moderator și lichid de răcire, dar absoarbe neutronii prea puternic și are o presiune de vapori prea mare (14 MPa) la o temperatură de funcționare de 336 ° C. Cel mai cunoscut moderator este apa grea. Caracteristicile sale sunt apropiate de cele ale apei obișnuite, iar secțiunea transversală de absorbție a neutronilor este mai mică. Sodiul este un excelent lichid de răcire, dar nu este eficient ca moderator de neutroni. Prin urmare, este folosit în reactoare cu neutroni rapizi, unde sunt emiși mai mulți neutroni în timpul fisiunii. Adevărat, sodiul are o serie de dezavantaje: induce radioactivitate, are o capacitate termică scăzută, este activ chimic și se solidifică la temperatura camerei. Un aliaj de sodiu și potasiu are proprietăți similare cu sodiul, dar rămâne lichid la temperatura camerei. Heliul este un excelent lichid de răcire, dar are o capacitate termică specifică scăzută. Dioxidul de carbon este un bun lichid de răcire și a fost utilizat pe scară largă în reactoarele moderate cu grafit. Terfenilul are avantajul față de apă că are o presiune scăzută a vaporilor la temperatura de funcționare, dar se descompune și polimerizează sub temperaturile ridicate și fluxurile de radiații care sunt caracteristice reactoarelor.

Elemente generatoare de căldură.

Un element de combustibil (FE) este un miez de combustibil cu o manta ermetica. Învelișul previne scurgerea produselor de fisiune și interacțiunea combustibilului cu lichidul de răcire. Materialul învelișului ar trebui să absoarbă slab neutronii și să aibă caracteristici mecanice, hidraulice și conductoare de căldură acceptabile. Elementele de combustibil sunt de obicei pelete de oxid de uraniu sinterizat în tuburi de aluminiu, zirconiu sau oțel inoxidabil; pelete din aliaje de uraniu cu zirconiu, molibden și aluminiu acoperite cu zirconiu sau aluminiu (în cazul unui aliaj de aluminiu); tablete de grafit cu carbură de uraniu dispersată acoperite cu grafit impermeabil.

Toate aceste elemente de combustibil sunt utilizate, dar pentru reactoarele cu apă presurizată, peletele de oxid de uraniu în tuburi de oțel inoxidabil sunt cele mai preferate. Dioxidul de uraniu nu reacționează cu apa, are o rezistență ridicată la radiații și se caracterizează printr-un punct de topire ridicat.

Pilele de combustibil din grafit par a fi foarte potrivite pentru reactoarele răcite cu gaz la temperatură înaltă, dar au un dezavantaj serios - produsele de fisiune gazoasă pot pătrunde prin învelișul lor din cauza difuziei sau a defectelor grafitului.

Lichidanții de răcire organici sunt incompatibili cu barele de combustibil din zirconiu și, prin urmare, necesită utilizarea aliajelor de aluminiu. Perspectivele pentru reactoarele cu lichid de răcire organic depind de crearea aliajelor de aluminiu sau a produselor din metalurgia pulberilor care ar avea rezistența (la temperaturi de funcționare) și conductivitatea termică necesare pentru utilizarea aripioarelor care măresc transferul de căldură către lichidul de răcire. Deoarece transferul de căldură dintre combustibil și lichidul de răcire organic datorită conducției termice este mic, este de dorit să se utilizeze fierberea la suprafață pentru a crește transferul de căldură. Noi probleme vor fi asociate cu fierberea la suprafață, dar ele trebuie rezolvate dacă utilizarea fluidelor organice de transfer termic se dovedește a fi benefică.

TIPURI DE REACTORI

Teoretic, sunt posibile mai mult de 100 de tipuri diferite de reactoare, care diferă în funcție de combustibil, moderator și lichide de răcire. Majoritatea reactoarelor convenționale folosesc apă ca lichid de răcire, fie sub presiune, fie apă clocotită.

Reactor cu apă sub presiune.

În astfel de reactoare, apa servește ca moderator și lichid de răcire. Apa încălzită este pompată sub presiune către un schimbător de căldură, unde căldura este transferată în apa din circuitul secundar, în care se generează abur care rotește turbina.

Reactorul de fierbere.

Într-un astfel de reactor, apa fierbe direct în miezul reactorului și aburul rezultat intră în turbină. Majoritatea reactoarelor cu apă clocotită folosesc și apă ca moderator, dar uneori se folosește un moderator din grafit.

Reactor cu răcire cu metal lichid.

Într-un astfel de reactor, metalul lichid care circulă prin conducte este folosit pentru a transfera căldura eliberată în timpul fisiunii în reactor. Aproape toate reactoarele de acest tip folosesc sodiu ca agent de răcire. Aburul generat pe cealaltă parte a conductelor circuitului primar este alimentat la o turbină convențională. Un reactor răcit cu metal lichid poate folosi neutroni de energie relativ mare (reactor cu neutroni rapidi) sau neutroni moderați în grafit sau oxid de beriliu. Ca reactoare de reproducere, reactoarele cu neutroni rapidi răcite cu metal lichid sunt mai preferabile, deoarece în acest caz nu există pierderi de neutroni asociate cu moderarea.

reactor răcit cu gaz.

Într-un astfel de reactor, căldura eliberată în timpul procesului de fisiune este transferată la generatorul de abur prin gaz - dioxid de carbon sau heliu. Moderatorul de neutroni este de obicei grafit. Un reactor răcit cu gaz poate funcționa la temperaturi mult mai mari decât un reactor răcit cu lichid și, prin urmare, este potrivit pentru sistemele industriale de încălzire și centralele electrice de înaltă eficiență. Reactoarele mici răcite cu gaz se caracterizează printr-o siguranță sporită în funcționare, în special prin absența riscului de topire a reactorului.

reactoare omogene.

În miezul reactoarelor omogene se folosește un lichid omogen care conține un izotop fisionabil de uraniu. Lichidul este de obicei un compus de uraniu topit. Este pompat într-un vas mare sferic presurizat unde are loc o reacție în lanț de fisiune într-o masă critică. Lichidul este apoi alimentat în generatorul de abur. Reactoarele omogene nu au câștigat popularitate din cauza dificultăților de proiectare și tehnologice.

REACTIVITATE ȘI CONTROL

Posibilitatea unei reacții în lanț auto-susținută într-un reactor nuclear depinde de câți neutroni se scurg din reactor. Neutronii produși în timpul fisiunii dispar ca urmare a absorbției. În plus, scurgerea de neutroni este posibilă datorită difuziei prin materie, similară difuzării unui gaz prin altul.

Pentru a controla un reactor nuclear, trebuie să fii capabil să controlezi factorul de multiplicare a neutronilor k, definit ca raportul dintre numărul de neutroni dintr-o generație și numărul de neutroni din generația anterioară. La k= 1 (reactor critic) are loc o reacție în lanț staționară cu intensitate constantă. La k> 1 (reactor supercritic), intensitatea procesului crește, iar la k r = 1 – (1/ k) se numește reactivitate.)

Datorită fenomenului de neutroni întârziați, timpul de „naștere” a neutronilor crește de la 0,001 s la 0,1 s. Acest timp de reacție caracteristic face posibilă controlul acestuia cu ajutorul unor actuatoare mecanice - tije de control realizate dintr-un material care absoarbe neutroni (B, Cd, Hf, In, Eu, Gd etc.). Constanta de timp de control ar trebui să fie de ordinul a 0,1 s sau mai mult. Pentru a asigura siguranța, se alege un astfel de mod de funcționare a reactorului în care sunt necesari neutroni întârziați în fiecare generație pentru a menține o reacție staționară în lanț.

Pentru a asigura un anumit nivel de putere, se folosesc tije de control și reflectoare de neutroni, dar sarcina de control poate fi mult simplificată prin calculul corect al reactorului. De exemplu, dacă reactorul este proiectat astfel încât pe măsură ce puterea sau temperatura crește, reactivitatea scade, atunci va fi mai stabil. De exemplu, dacă întârzierea este insuficientă, apa din reactor se extinde datorită creșterii temperaturii, adică. densitatea moderatorului scade. Ca rezultat, absorbția neutronilor din uraniu-238 este îmbunătățită, deoarece aceștia nu au timp să încetinească efectiv. În unele reactoare, un factor este utilizat pentru a crește scurgerea de neutroni din reactor din cauza scăderii densității apei. O altă modalitate de a stabiliza reactorul este să încălziți un „absorbitor de neutroni rezonanți”, cum ar fi uraniul-238, care apoi absoarbe neutronii mai puternic.

Sisteme de securitate.

Siguranța reactorului este asigurată de unul sau altul mecanism de oprire a acestuia în cazul creșterii puternice a puterii. Acesta poate fi un mecanism al unui proces fizic sau o operare a unui sistem de control și protecție sau ambele. La proiectarea reactoarelor cu apă sub presiune, sunt prevăzute situații de urgență când apă rece intră în reactor, o scădere a debitului de lichid de răcire și o reactivitate prea mare în timpul pornirii. Deoarece intensitatea reacției crește odată cu scăderea temperaturii, cu un aflux puternic de apă rece în reactor, reactivitatea și puterea cresc. Sistemul de protecție prevede de obicei o blocare automată pentru a împiedica pătrunderea apei rece. Cu o scădere a debitului de lichid de răcire, reactorul se supraîncălzi, chiar dacă puterea sa nu crește. În astfel de cazuri, este necesară o oprire automată. În plus, pompele de lichid de răcire trebuie să fie dimensionate pentru a furniza lichidul de răcire necesar pentru oprirea reactorului. O situație de urgență poate apărea la pornirea unui reactor cu reactivitate prea mare. Datorită nivelului scăzut de putere, reactorul nu are timp să se încălzească suficient pentru ca protecția împotriva temperaturii să funcționeze până nu este prea târziu. Singura măsură sigură în astfel de cazuri este pornirea atentă a reactorului.

Evitarea acestor urgente este destul de simpla daca respectati urmatoarea regula: toate actiunile care pot creste reactivitatea sistemului trebuie efectuate cu atentie si incet. Cel mai important lucru în problema siguranței reactorului este nevoia absolută de răcire pe termen lung a miezului reactorului după terminarea reacției de fisiune în acesta. Cert este că produsele de fisiune radioactive rămase în cartușele de combustibil emit căldură. Este mult mai mică decât căldura eliberată în modul de putere maximă, dar este suficient să topești elementele de combustibil în absența răcirii necesare. O scurtă întrerupere a furnizării apei de răcire a dus la deteriorarea semnificativă a miezului și accidentul reactorului din Three Mile Island (SUA). Distrugerea miezului reactorului este paguba minimă în cazul unui astfel de accident. Mai rău, dacă există o scurgere de izotopi radioactivi periculoși. Majoritatea reactoarelor industriale sunt echipate cu carcase de siguranță închise ermetic, care ar trebui să prevină eliberarea izotopilor în mediu în cazul unui accident.

În concluzie, observăm că posibilitatea distrugerii reactorului depinde în mare măsură de schema și proiectarea acestuia. Reactoarele pot fi proiectate în așa fel încât reducerea debitului lichidului de răcire să nu ducă la mari probleme. Acestea sunt diferitele tipuri de reactoare răcite cu gaz.

fisiunea uraniului

Doar nucleele se pot diviza unele grele elemente precum uraniul.

Nucleul uraniului - 235 este sferic. După ce a absorbit un neutron, nucleul este excitat și începe să se deformeze.
Se întinde dintr-o parte în alta până când forțele de respingere Coulomb dintre protoni încep să prevaleze asupra forțelor nucleare de atracție. După aceea, miezul este rupt în două părți și fragmentele zboară cu o viteză de 1/30 din viteza luminii. Fisiunea nucleară produce încă 2 sau 3 neutroni.
Apariția neutronilor se explică prin faptul că numărul de neutroni din fragmente se dovedește a fi mai mare decât este permis.

Fragmentele zburătoare, care au o viteză extraordinară, sunt decelerate de mediu.
Energia cinetică a fragmentelor este transformată în energia internă a mediului, care se încălzește.
Astfel, fisiunea nucleelor de uraniu este însoțită de eliberarea unei cantități mari de energie.

REACȚIA NUCLEARĂ ÎN LANȚ

Acesta este un proces în care o reacție efectuată provoacă reacții ulterioare de același tip.

În timpul fisiunii unui nucleu de uraniu, neutronii rezultați pot provoca fisiunea altor nuclee de uraniu, în timp ce numărul de neutroni crește ca o avalanșă.

Raportul dintre numărul de neutroni produși într-un eveniment de fisiune și numărul de astfel de neutroni din evenimentul de fisiune anterior se numește factor de multiplicare neutroni k.

Când k este mai mic de 1, reacția se stinge, deoarece numărul de neutroni absorbiți este mai mare decât numărul celor nou formați.
Când k este mai mare de 1, o explozie are loc aproape instantaneu.
Când k este egal cu 1, are loc o reacție în lanț staționară controlată.

O reacție în lanț este însoțită de eliberarea unei cantități mari de energie.

Pentru a efectua o reacție în lanț, este imposibil să se utilizeze nuclee care se fisiunea sub influența neutronilor.

Elementul chimic uraniu, care este folosit drept combustibil pentru reactoarele nucleare, constă în mod natural din doi izotopi: uraniu-235 și uraniu-238.

În natură, izotopii de uraniu-235 reprezintă doar 0,7% din totalul aprovizionării cu uraniu, dar sunt potriviți pentru efectuarea unei reacții în lanț, deoarece împărțit sub influență neutroni lenți.

Nucleele de uraniu-238 pot fi divizate numai sub influența neutronilor de înaltă energie ( neutroni rapizi). Doar 60% dintre neutronii care apar în timpul fisiunii nucleului de uraniu-238 au o astfel de energie. Aproximativ doar 1 din 5 neutroni produși cauzează fisiunea nucleară.

Condiții pentru o reacție în lanțîn uraniu-235:

Cantitatea minimă de combustibil (masă critică) necesară pentru o reacție în lanț controlată într-un reactor nuclear
- viteza neutronilor ar trebui să provoace fisiunea nucleelor de uraniu
- fara impuritati care absorb neutronii

Masa critica:

Dacă masa de uraniu este mică, neutronii vor zbura din el fără a reacționa
- dacă masa uraniului este mare, este posibilă o explozie datorită creșterii puternice a numărului de neutroni
- daca masa corespunde celei critice are loc o reactie in lant controlata

Pentru uraniu-235 masa critica este de 50 kg (aceasta este, de exemplu, o minge de uraniu cu un diametru de 9 cm).

Prima reacție în lanț controlată - SUA în 1942 (E. Fermi)
În URSS - 1946 (I.V. Kurchatov).

Amintiți-vă subiectul „Fizica atomică” pentru clasa a 9-a:

Radioactivitate.
transformări radioactive.
Compoziția nucleului atomic. Forțele nucleare.
Energia de comunicare. defect de masă.
Fisiunea nucleelor de uraniu.
Reacția nucleară în lanț.
Reactor nuclear.
reactie termonucleara.

Alte pagini cu tema „Fizica atomică” pentru clasele 10-11:

PUTIN DIN ISTORIE

În 1930, la Cambridge, J. Cockcroft și E. Walson au divizat atomul. Şeful Laboratorului Cavendish, Lord E. Rutherford, a vorbit public despre acest experiment: „Diviziunea atomului este doar cel mai elegant experiment, iar eleganţa lui constă în faptul că nu are aplicație practică.”
___

Când au început lucrările în Franța pentru a crea arme atomiceși, în consecință, în purificarea izotopilor de uraniu, s-a descoperit brusc că uraniul din vecinătatea satului vest-african Oklo, în loc de 0,71% pentru uraniul-235 potrivit pentru muniție, conține doar 0,68%. Litigiul care a urmat a dus la descoperirea unui obiect unic, cu adevărat unic - reactor nuclear natural! În același timp, o parte din uraniu-235 a fost consumată în timpul funcționării acestui reactor.
___

Umanitatea a remarcat recent 50 de ani de la bombardamentele atomice Hiroshima și Nagasaki. Calea către aceste evenimente tragice a trecut și pe sub tribuna principală a Stadionului din Chicago, unde pe 2 decembrie 1942, prima reacție nucleară în lanț.
___

Dintr-o glumă despre ce este o reacție în lanț: „Dacă cineva se plimbă lângă un câine care stă pe un lanț, acesta începe să latre, iar alți câini îl urmează.”

>> fisiunea uraniului

§ 107 FISIA NUCLEILOR URANIUS

Doar nucleele unor elemente grele pot fi împărțite în părți. În timpul fisiunii nucleelor sunt emise doi sau trei neutroni și raze -. În același timp, se eliberează multă energie.

Descoperirea fisiunii uraniului. Fisiunea nucleelor de uraniu a fost descoperită în 1938 de oamenii de știință germani O. Hahn și F. Strassmann. Ei au stabilit că atunci când uraniul este bombardat cu neutroni, apar elemente din partea de mijloc a sistemului periodic: bariu, cripton etc. Totuși, interpretarea corectă a acestui fapt tocmai ca fisiunea nucleului de uraniu care a captat neutronul a fost dată la începutul anului 1939 de către fizicianul englez O. Frisch împreună cu fizicianul austriac L. Meitner.

Captarea unui neutron distruge stabilitatea nucleului. Nucleul este excitat și devine instabil, ceea ce duce la divizarea lui în fragmente. Fisiunea nucleară este posibilă deoarece masa de repaus a unui nucleu greu este mai mare decât suma maselor de repaus ale fragmentelor care apar în timpul fisiunii. Prin urmare, există o eliberare de energie echivalentă cu o scădere a masei de repaus care însoțește fisiunea.

Posibilitatea de fisiune a nucleelor grele poate fi explicată și folosind un grafic al dependenței energiei specifice de legare de numărul de masă A (vezi Fig. 13.11). Energia specifică de legare a nucleelor atomilor elementelor care ocupă ultimele locuri în sistemul periodic (A 200) este cu aproximativ 1 MeV mai mică decât energia specifică de legare din nucleele elementelor situate în mijlocul sistemului periodic (A 100) . Prin urmare, procesul de fisiune a nucleelor grele în nuclee de elemente din partea de mijloc a sistemului periodic este favorabil energetic. După fisiune, sistemul intră într-o stare cu energie internă minimă. La urma urmei, cu cât energia de legare a nucleului este mai mare, cu atât energia trebuie eliberată mai mare atunci când apare nucleul și, în consecință, cu atât energia internă a sistemului nou format este mai mică.

În timpul fisiunii nucleare, energia de legare per nucleon crește cu 1 MeV, iar energia totală eliberată ar trebui să fie uriașă - aproximativ 200 MeV. Nicio altă reacție nucleară (care nu are legătură cu fisiunea) nu eliberează energii atât de mari.

Măsurătorile directe ale energiei eliberate în timpul fisiunii nucleului de uraniu au confirmat considerațiile de mai sus și au dat o valoare de 200 MeV. Mai mult, cea mai mare parte din această energie (168 MeV) cade pe energia cinetică a fragmentelor. În Figura 13.13 se vede urmele fragmentelor de uraniu fisil într-o cameră cu nori.

Energia eliberată în timpul fisiunii nucleare este mai degrabă de origine electrostatică decât nucleară. Energia cinetică mare pe care o au fragmentele apare din cauza repulsiei lor coulombice.

mecanismul fisiunii nucleare. Procesul de fisiune nucleară poate fi explicat pe baza modelului de picătură al nucleului. Conform acestui model, o grămadă de nucleoni seamănă cu o picătură de lichid încărcat (Fig. 13.14, a). Forțele nucleare dintre nucleoni sunt cu rază scurtă, ca și forțele care acționează între moleculele lichide. Alături de forțele puternice de repulsie electrostatică dintre protoni, care au tendința de a rupe nucleul, există încă forțe nucleare mari de atracție. Aceste forțe împiedică nucleul să se dezintegreze.

Nucleul de uraniu-235 este sferic. După ce a absorbit un neutron în plus, acesta este excitat și începe să se deformeze, dobândind o formă alungită (Fig. 13.14, b). Miezul se va întinde până când forțele de respingere dintre jumătățile miezului alungit încep să prevaleze asupra forțelor de atracție care acționează în istm (Fig. 13.14, c). După aceea, este rupt în două părți (Fig. 13.14, d).

Sub acțiunea forțelor de respingere Coulomb, aceste fragmente se despart cu o viteză egală cu 1/30 din viteza luminii.

Emisia de neutroni în timpul fisiunii. Faptul fundamental al fisiunii nucleare este emisia a doi sau trei neutroni în timpul fisiunii. Datorită acestui fapt, utilizarea practică a energiei intranucleare a devenit posibilă.

Este posibil să înțelegem de ce sunt emiși neutroni liberi din următoarele considerații. Se știe că raportul dintre numărul de neutroni și numărul de protoni din nucleele stabile crește odată cu creșterea numărului atomic. Prin urmare, în fragmentele care apar în timpul fisiunii, numărul relativ de neutroni se dovedește a fi mai mare decât este permis pentru nucleele atomilor situate în mijlocul tabelului periodic. Ca rezultat, mai mulți neutroni sunt eliberați în procesul de fisiune. Energia lor are valori diferite - de la câteva milioane de electroni volți la foarte mici, aproape de zero.

Fisiunea are loc de obicei în fragmente, ale căror mase diferă de aproximativ 1,5 ori. Aceste fragmente sunt foarte radioactive, deoarece conțin o cantitate în exces de neutroni. Ca urmare a unei serii de dezintegrari succesive, se obțin în cele din urmă izotopi stabili.

În concluzie, observăm că există și fisiunea spontană a nucleelor de uraniu. A fost descoperit de fizicienii sovietici G. N. Flerov și K. A. Petrzhak în 1940. Timpul de înjumătățire pentru fisiunea spontană este de 10 16 ani. Acesta este de două milioane de ori mai lung decât timpul de înjumătățire al descompunerii uraniului.

Reacția de fisiune nucleară este însoțită de eliberarea de energie.

Conținutul lecției rezumatul lecției suport cadru prezentarea lecției metode accelerative tehnologii interactive Practică sarcini și exerciții ateliere de autoexaminare, instruiri, cazuri, quest-uri teme pentru acasă întrebări discuții întrebări retorice de la elevi Ilustrații audio, clipuri video și multimedia fotografii, imagini grafice, tabele, scheme umor, anecdote, glume, benzi desenate, pilde, proverbe, cuvinte încrucișate, citate Suplimente rezumate articole jetoane pentru curioase cheat sheets manuale de bază și glosar suplimentar de termeni altele Îmbunătățirea manualelor și lecțiilorcorectarea erorilor din manual actualizarea unui fragment în manual elemente de inovare în lecție înlocuirea cunoștințelor învechite cu altele noi Doar pentru profesori lecții perfecte plan calendaristic pentru anul recomandări metodologice ale programului de discuții Lecții integrate

Studiul interacțiunii neutronilor cu materia a condus la descoperirea unor reacții nucleare de tip nou. În 1939, O. Hahn și F. Strassmann au investigat produsele chimice rezultate din bombardarea cu neutroni a nucleelor de uraniu. Printre produșii de reacție s-a găsit bariu - un element chimic cu o masă mult mai mică decât cea a uraniului. Problema a fost rezolvată de fizicienii germani L. Meitneroma și O. Frisch, care au arătat că atunci când neutronii sunt absorbiți de uraniu, nucleul este împărțit în două fragmente:

Unde k > 1.

În timpul fisiunii unui nucleu de uraniu, un neutron termic cu o energie de ~ 0,1 eV eliberează o energie de ~ 200 MeV. Punctul esențial este că acest proces este însoțit de apariția neutronilor capabili să provoace fisiunea altor nuclee de uraniu, - reacție în lanț de fisiune . Astfel, un neutron poate da naștere unui lanț ramificat de fisiune nucleară, iar numărul de nuclee implicate în reacția de fisiune va crește exponențial. S-au deschis perspectivele utilizării unei reacții în lanț de fisiune in doua directii:

· reacție controlată de fisiune nucleară- crearea de reactoare nucleare;

· reacție necontrolată de fisiune nucleară- Crearea de arme nucleare.

În 1942, primul reactor nuclear a fost construit în SUA. În URSS, primul reactor a fost lansat în 1946. În prezent, energia termică și electrică este generată în sute de reactoare nucleare care funcționează în diferite țări ale lumii.

După cum se poate observa din fig. 4.2, cu valoare crescătoare DAR energia specifică de legare crește până la DAR» 50. Acest comportament poate fi explicat prin adăugarea de forţe; energia de legare a unui nucleon individual este sporită dacă este atras nu de unul sau doi, ci de mai mulți alți nucleoni. Cu toate acestea, în elementele cu valori ale numărului de masă mai mari decât DAR» 50 de energie specifică de legare scade treptat odată cu creșterea DAR. Acest lucru se datorează faptului că forțele nucleare de atracție sunt cu rază scurtă de acțiune de ordinul mărimii unui nucleon individual. În afara acestei raze predomină forțele de repulsie electrostatică. Dacă doi protoni sunt îndepărtați cu mai mult de 2,5 × 10 - 15 m, atunci forțele de repulsie coulombiană predomină între ei, și nu atracția nucleară.

Consecința acestui comportament a energiei specifice de legare în funcție de DAR este existența a două procese - fuziunea si fisiunea nucleelor . Luați în considerare interacțiunea dintre un electron și un proton. Când se formează un atom de hidrogen, se eliberează o energie de 13,6 eV, iar masa atomului de hidrogen se dovedește a fi cu 13,6 eV mai mică decât suma maselor unui electron liber și unui proton. În mod similar, masa a două nuclee ușoare depășește masa după conectarea lor la D M. Dacă sunt conectate, se vor fuziona cu eliberarea energiei D DOMNIȘOARĂ 2. Acest proces se numește sinteza nucleara . Diferența de masă poate depăși 0,5%.

Dacă un nucleu greu se împarte în două nuclee mai ușoare, atunci masa lor va fi mai mică decât masa nucleului părinte cu 0,1%. Nucleele grele tind să Diviziaîn două nuclee mai ușoare cu eliberare de energie. Energia bombei atomice și a reactorului nuclear este energia , eliberat în timpul fisiunii nucleare . Energie bomba H este energia eliberată în timpul fuziunii nucleare. Dezintegrarea alfa poate fi privită ca o fisiune extrem de asimetrică în care nucleul părinte M se împarte într-o particule alfa mică și un nucleu rezidual mare. Dezintegrarea alfa este posibilă numai dacă reacția

greutate M se dovedește a fi mai mare decât suma maselor și a particulei alfa. Toate nucleele cu Z> 82 (plumb). Z> 92 (uraniu) timpii de înjumătățire alfa sunt mult mai lungi decât vârsta Pământului și astfel de elemente nu apar în natură. Cu toate acestea, ele pot fi create artificial. De exemplu, plutoniul ( Z= 94) poate fi obținut din uraniu într-un reactor nuclear. Această procedură a devenit obișnuită și costă doar 15 dolari pe 1 g. Până acum s-au putut obține elemente de până la Z= 118, dar la un preț mult mai mare și, de regulă, în cantități neglijabile. Se poate spera că radiochimiștii vor învăța cum să obțină, deși în cantități mici, elemente noi cu Z> 118.

Dacă un nucleu masiv de uraniu ar putea fi împărțit în două grupuri de nucleoni, atunci aceste grupuri de nucleoni s-ar rearanja în nuclee cu o legătură mai puternică. În procesul de restructurare, energie ar fi eliberată. Fisiunea nucleară spontană este permisă de legea conservării energiei. Cu toate acestea, bariera potențială în reacția de fisiune a nucleelor care apar în mod natural este atât de mare încât probabilitatea de fisiune spontană este mult mai mică decât probabilitatea de dezintegrare alfa. Timpul de înjumătățire al 238 de nuclee U în raport cu fisiunea spontană este de 8×10 15 ani. Aceasta este de peste un milion de ori vârsta Pământului. Dacă un neutron se ciocnește cu un nucleu greu, atunci acesta poate ajunge la un nivel de energie mai ridicat în apropierea vârfului barierei de potențial electrostatic, ca urmare, probabilitatea de fisiune va crește. Nucleul aflat în stare excitată poate avea un moment unghiular semnificativ și poate dobândi o formă ovală. Locurile de la periferia nucleului pătrund mai ușor în barieră, deoarece sunt deja parțial în spatele barierei. Într-un nucleu de formă ovală, rolul barierei este și mai slăbit. Când un nucleu sau un neutron lent este capturat, se formează stări cu durate de viață foarte scurte în raport cu fisiunea. Diferența dintre masele nucleului de uraniu și produsele tipice de fisiune este astfel încât, în medie, se eliberează energie de 200 MeV în timpul fisiunii uraniului. Masa în repaus a nucleului de uraniu este 2,2×10 5 MeV. Aproximativ 0,1% din această masă este convertită în energie, ceea ce este egal cu raportul de 200 MeV la 2,2 × 10 5 MeV.

Evaluare energetică,eliberat în timpul împărțirii,poate fi obtinut de la formule Weizsäcker :

Când un nucleu se împarte în două fragmente, energia de suprafață și energia Coulomb se schimbă , cu energia de suprafață în creștere și energia Coulomb în scădere. Fisiunea este posibilă atunci când energia eliberată în timpul fisiunii este E > 0.

Aici A 1 = A/2, Z 1 = Z/2. De aici rezultă că fisiunea este favorabilă energetic când Z 2 /A> 17. Valoare Z 2 /A numit parametrul de divizibilitate . Energie E, eliberat în timpul împărțirii, crește odată cu creșterea Z 2 /A.

În procesul de fisiune, nucleul își schimbă forma - trece secvenţial prin următoarele etape (Fig. 9.4): o minge, un elipsoid, o gantere, două fragmente în formă de pară, două fragmente sferice.

După ce fisiunea a avut loc, iar fragmentele sunt separate unele de altele la o distanță mult mai mare decât raza lor, energia potențială a fragmentelor, determinată de interacțiunea coulombiană dintre ele, poate fi considerată egală cu zero.

Datorită evoluției formei nucleului, modificarea energiei sale potențiale este determinată de modificarea sumei energiilor de suprafață și Coulomb. . Se presupune că volumul miezului rămâne neschimbat în timpul deformării. În acest caz, energia de suprafață crește, deoarece suprafața nucleului crește. Energia Coulomb scade pe măsură ce distanța medie dintre nucleoni crește. În cazul deformațiilor elipsoidale mici, creșterea energiei de suprafață are loc mai rapid decât scăderea energiei Coulomb.

În regiunea nucleelor grele, suma energiilor de suprafață și Coulomb crește odată cu deformarea. La deformații elipsoidale mici, o creștere a energiei de suprafață împiedică o modificare suplimentară a formei nucleului și, prin urmare, fisiunea. Prezența unei bariere potențiale împiedică fisiunea nucleară spontană instantanee. Pentru ca nucleul să se despartă instantaneu, trebuie să i se acorde o energie care depășește înălțimea barierei de fisiune. H.

înălțimea barierei H cu cât este mai mare, cu atât este mai mic raportul dintre energiile Coulomb și de suprafață din nucleul inițial. Acest raport, la rândul său, crește odată cu creșterea parametrului de divizibilitate Z 2 /DAR. Cu cât miezul este mai greu, cu atât înălțimea barierei este mai mică H, deoarece parametrul de divizibilitate crește odată cu creșterea numărului de masă:

Nucleele mai grele trebuie, în general, să fie furnizate cu mai puțină energie pentru a provoca fisiunea. Din formula Weizsäcker rezultă că înălțimea barierei de fisiune dispare la . Acestea. Conform modelului de picături, nu ar trebui să existe nuclee cu în natură, deoarece se fisiunea spontan aproape instantaneu (pe un timp nuclear caracteristic de ordinul 10-22 s). Existența nucleelor atomice cu (" insula de stabilitate ”) se explică prin structura învelișului nucleelor atomice. Fisiune nucleară spontană cu , pentru care înălțimea barierei H nu este egal cu zero, din punct de vedere al fizicii clasice este imposibil. Din punctul de vedere al mecanicii cuantice, o astfel de fisiune este posibilă ca urmare a trecerii fragmentelor printr-o barieră potențială și se numește fisiune spontană . Probabilitatea de fisiune spontană crește odată cu creșterea parametrului de fisiune, adică cu scăderea înălţimii barierei de fisiune.

Fisiunea nucleară forțată poate fi cauzată de orice particule: fotoni, neutroni, protoni, deuteroni, particule α etc., dacă energia pe care o contribuie la nucleu este suficientă pentru a depăși bariera de fisiune.

Masele de fragmente formate în timpul fisiunii de neutroni termici nu sunt egale. Nucleul tinde să se despartă în așa fel încât cea mai mare parte a nucleonilor fragmentului să formeze un nucleu magic stabil. Pe fig. 9.5 arată distribuția masei în timpul divizării. Cea mai probabilă combinație de numere de masă este 95 și 139.

Raportul dintre numărul de neutroni și numărul de protoni din nucleu este de 1,55, în timp ce pentru elementele stabile cu o masă apropiată de masa fragmentelor de fisiune, acest raport este de 1,25 - 1,45. În consecință, fragmentele de fisiune sunt puternic supraîncărcate cu neutroni și sunt instabile la degradarea β - sunt radioactive.

Ca urmare a fisiunii, se eliberează energie ~ 200 MeV. Aproximativ 80% din aceasta este reprezentată de energia fragmentului. Într-un act de fisiune, mai mult de două neutroni de fisiune cu o energie medie de ~ 2 MeV.

1 g de orice substanță conține . Fisiunea a 1 g de uraniu este însoțită de eliberarea de ~ 9×10 10 J. Aceasta este de aproape 3 milioane de ori mai mare decât energia de ardere a 1 g de cărbune (2,9×10 4 J). Desigur, 1 g de uraniu costă mult mai mult decât 1 g de cărbune, dar costul a 1 J de energie obținută prin arderea cărbunelui se dovedește a fi de 400 de ori mai mare decât în cazul combustibilului cu uraniu. Generarea a 1 kWh de energie costă 1,7 cenți în centralele pe cărbune și 1,05 cenți în centralele nucleare.

Mulțumită reacție în lanț procesul de fisiune nucleară poate fi realizat auto-sustinut . La fiecare fisiune sunt emiși 2 sau 3 neutroni (Fig. 9.6). Dacă unul dintre acești neutroni reușește să provoace fisiunea unui alt nucleu de uraniu, atunci procesul va fi auto-susținut.

Setul de material fisionabil care satisface această cerință se numește asamblare critică . Prima astfel de adunare, numită reactor nuclear , a fost construit în 1942 sub conducerea lui Enrico Fermi în campusul Universității din Chicago. Primul reactor nuclear a fost lansat în 1946 sub conducerea lui I. Kurchatov la Moscova. Prima centrală nucleară cu o capacitate de 5 MW a fost lansată în URSS în 1954 în orașul Obninsk (Fig. 9.7).

masa si poti sa faci supercritic . În acest caz, neutronii produși în timpul fisiunii vor provoca mai multe fisiuni secundare. Deoarece neutronii călătoresc cu viteze care depășesc 108 cm/s, un ansamblu supercritic poate reacționa complet (sau zbura separat) în mai puțin de o miime de secundă. Un astfel de dispozitiv este numit bombă atomică . O sarcină nucleară formată din plutoniu sau uraniu este transferată într-o stare supercritică, de obicei prin intermediul unei explozii. Masa subcritică este înconjurată de explozivi chimici. În timpul exploziei sale, masa de plutoniu sau uraniu este supusă unei compresii instantanee. Deoarece densitatea sferei în acest caz crește semnificativ, rata de absorbție a neutronilor se dovedește a fi mai mare decât rata de pierdere a neutronilor din cauza emisiei lor în exterior. Aceasta este condiția supercriticității.

Pe fig. 9.8 prezintă o diagramă a bombei atomice „Kid” aruncată pe Hiroshima. A servit ca exploziv nuclear într-o bombă, împărțită în două părți, a căror masă a fost mai puțin decât critică. Masa critică necesară pentru explozie a fost creată prin conectarea ambelor părți prin „metoda tunului” folosind explozivi convenționali.

Explozia a 1 tonă de trinitrotoluen (TNT) eliberează 10 9 cal, sau 4×10 9 J. Explozia unei bombe atomice care consumă 1 kg de plutoniu eliberează aproximativ 8×10 13 J de energie.

Sau este de aproape 20.000 de ori mai mult decât în explozia a 1 tonă de TNT. O astfel de bombă se numește bombă de 20 de kilotone. Bombele megatone de astăzi sunt de milioane de ori mai puternice decât explozivii TNT convenționali.

Producția de plutoniu se bazează pe iradierea a 238 U cu neutroni, ducând la formarea izotopului de 239 U, care, ca urmare a descompunerii beta, se transformă în 239 Np, iar apoi, după o altă dezintegrare beta, în 239 Pu. Când un neutron de energie scăzută este absorbit, atât izotopii 235 U, cât și 239 Pu sunt supuși fisiunii. Produsele de fisiune se caracterizează printr-o legare mai puternică (~ 1 MeV per nucleon), datorită căreia aproximativ 200 MeV de energie este eliberată ca urmare a fisiunii.

Fiecare gram de plutoniu sau uraniu uzat dă naștere la aproape un gram de produse radioactive de fisiune, care au o radioactivitate enormă.

Pentru a vizualiza demonstrații, faceți clic pe hyperlinkul corespunzător:

Secțiuni