Štiepenie jadra uránu. Reťazová reakcia

Všetok tento zmätok je teraz celkom jasný. Ukázalo sa, že v uráne pôsobením neutrónov môže dôjsť k novému typu jadrovej premeny. Táto premena, objavená v roku 1938 Hahnom a Strassmannom a známa začiatkom roku 1939, spočíva v tom, že po zachytení neutrónu sa jadro uránu môže rozdeliť na dve polovice.

Pri všetkých ostatných jadrových reakciách vyletí z jadra nanajvýš alfa častica. Tu sa z uránu získajú dve jadrá s priemernou atómovou hmotnosťou, napríklad kryptón a bárium:

(urán) 2|| + neutrón ->. (urán) U (kryptón) ^ -[- (bárium)'|?.

Väzbová energia úlomkov, t. j. jadier kryptónu a bária, je oveľa väčšia ako u uránu. Preto sa pri štiepení uránu uvoľňuje obrovská energia 170 miliónov voltov, teda 10-krát viac ako pri deštrukcii ligia protónmi. Energia uvoľnená pri štiepení prechádza do kinetickej energie úlomkov uránu, t.j. tieto úlomky nadobúdajú obrovskú rýchlosť.

Mimochodom, štiepenie uránu je podobné štiepeniu lítia:

(lítium) - (- protón) (berýlium) ® - ". (hélium) 2+ (hélium) *.

V oboch prípadoch je jadro rozdelené na dve polovice a dôvody na uvoľnenie energie sú tiež rovnaké. Jadrá ťažšie ako lítium však vždy emitujú nanajvýš alfa časticu; keď sa lítium zničí, získajú sa tiež iba častice alfa. Preto je štiepenie uránu veľmi zvláštnym javom.

Pozrime sa, ako k tomuto štiepeniu uránu dochádza. Jadro uránu, pozostávajúce z viac ako dvesto častíc, je ako malá okrúhla nabitá kvapka a má guľovitý tvar (obr. 16, a). Ak začneme meniť tvar jadra, stane sa presne to isté ako s kvapôčkou. S malým

Keď sa jadro natiahne, má tendenciu vrátiť sa do pôvodného guľovitého tvaru, pretože v tomto prípade je povrch jadra najmenší; zväčšenie povrchu nie je prospešné, vyžaduje si to energiu.

Ale ak zmeníme veľa - tvar jadra - ako je znázornené na obr. 16, v - potom už budete jadro

Je lepšie sa rozpadnúť na dve polovice, pretože obe časti jadra sú od seba odpudzované elektrickými silami a toto odpudzovanie sa stáva výrazným.

Nie, ako strata energie spojená s nárastom povrchu.

Aby teda mohlo dôjsť k štiepeniu jadra uránu, je potrebné vyvolať v jadre silné pohyby, ktoré by viedli k želanej zmene jeho tvaru.

4 V. L. Ginzburg 49

Neutrón vstupujúci do jadra uránu môže vyvolať silné pohyby a tým viesť k štiepeniu tohto jadra. Pri štiepení sa získavajú rôzne úlomky, napríklad kryptón a bárium alebo rubídium a cézium (od prípadu k prípadu možno získať jeden alebo druhý pár jadier).

Úlomky možno pozorovať v oblačnej komore (obr. 17).

Pre všetky úlomky vznikajúce pri štiepení uránu je však charakteristická jedna vlastnosť – ukazuje sa, že sú veľmi preťažené neutrónmi. Vec je

Skutočnosť, že v ťažších prvkoch je pomer počtu neutrónov k počtu protónov väčší ako v ľahkých prvkoch.

Napríklad v uráne 2!! existuje 146 neutrónov a 92 protónov av kyslíku je rovnaký počet neutrónov a protónov.

Prirodzene sa vyskytujúce izotopy kryptónu a bária majú najviac 50 a 82 neutrónov, alebo spolu 132 neutrónov. Medzitým v jadre uránu s hmotnosťou 239, rozpadajúcom sa na kryptón a bárium, je 147 neutrónov; preto jadrá kryptónu a bária, ktoré vznikajú pri štiepení uránu, budú mať spolu 50

15 neutrónov navyše. Táto okolnosť vedie k tomu, že vo fragmentoch vznikajúcich štiepením uránu sa prebytočné neutróny premieňajú na protóny, t. j. tieto fragmenty sa ukážu ako rádioaktívne a emitujú beta častice. Kryptón sa napríklad rozpadá takto:

(kryptón) 3(G> (rubídium) 37-- (elektrón) (stroncium) 38-)- (elektrón).

Pri štiepení uránu teda vzniká množstvo prvkov, z ktorých väčšina je rádioaktívna.

Ale preťaženie fragmentov neutrónmi je také veľké, že hmota nie je obmedzená na jednu rádioaktivitu a niekoľko neutrónov jednoducho vyletí vo voľnej forme.

Následne sa pri štiepení uránu spôsobeného neutrónmi uvoľňujú nové neutróny, ktorých počet sa rovná dvom až trom na jedno kolabujúce jadro (obr. 18).

Táto skutočnosť zohráva rozhodujúcu úlohu pri využívaní jadrovej energie.

Ukázalo sa, že štiepenie uránu je jadrovou transformáciou práve tohto typu, pri ktorej jeden neutrón vedie k emisii niekoľkých nových neutrónov. Zároveň sa uvoľňuje veľa energie. Ak neutróny vznikajúce pri štiepení môžu úspešne spôsobiť nové štiepenie jadier, potom sa počet neutrónov a rozbitých jadier bude neustále zvyšovať a reakcia sa nezastaví.

Navyše, ak sa neprijmú špeciálne opatrenia, táto reakcia narastie tak prudko, že dôjde k výbuchu. Takáto reakcia, ktorá rastie bez akýchkoľvek vonkajších zdrojov, ako sme už povedali, sa nazýva reťazová reakcia.

Ukázalo sa, že v uráne sa takáto reťazová reakcia môže uskutočniť za určitých podmienok.

Takto bola prvýkrát uvoľnená jadrová energia.

Obsah článku

JADROVÉ ŠTIEPENIE, jadrová reakcia, pri ktorej sa atómové jadro po bombardovaní neutrónmi rozdelí na dva alebo viac fragmentov. Celková hmotnosť fragmentov je zvyčajne menšia ako súčet hmotností počiatočného jadra a bombardujúceho neutrónu. "Chýbajúca omša" m premení na energiu E podľa Einsteinovho vzorca E = mc 2, kde c je rýchlosť svetla. Keďže rýchlosť svetla je veľmi vysoká (299 792 458 m/s), malá hmotnosť zodpovedá obrovskému množstvu energie. Túto energiu je možné premeniť na elektrickú energiu.

Energia uvoľnená pri štiepení jadra sa premieňa na teplo, keď sa štiepne fragmenty spomaľujú. Rýchlosť uvoľňovania tepla závisí od počtu štiepení jadier za jednotku času. Keď dôjde v krátkom čase k štiepeniu veľkého množstva jadier v malom objeme, reakcia má charakter výbuchu. Toto je princíp atómovej bomby. Ak sa naopak štiepi relatívne malý počet jadier vo veľkom objeme dlhší čas, výsledkom bude uvoľnenie využiteľného tepla. Na tom sú založené jadrové elektrárne. V jadrových elektrárňach sa teplo uvoľnené v jadrových reaktoroch v dôsledku jadrového štiepenia využíva na výrobu pary, ktorá sa privádza do turbín, ktoré otáčajú elektrické generátory.

Pre praktické využitie štiepnych procesov sú najvhodnejšie urán a plutónium. Majú izotopy (atómy daného prvku s rôznymi hmotnostnými číslami), ktoré sa štiepia, keď absorbujú neutróny, a to aj pri veľmi nízkych energiách.

Kľúčom k praktickému využitiu štiepnej energie bol fakt, že niektoré prvky v procese štiepenia emitujú neutróny. Aj keď sa počas jadrového štiepenia absorbuje jeden neutrón, táto strata je kompenzovaná produkciou nových neutrónov počas štiepenia. Ak má zariadenie, v ktorom dochádza k štiepeniu, dostatočne veľkú („kritickú“) hmotnosť, potom sa môže vďaka novým neutrónom zachovať „reťazová reakcia“. Reťazová reakcia môže byť riadená úpravou počtu neutrónov, ktoré môžu spôsobiť štiepenie. Ak je väčšia ako jedna, intenzita delenia sa zvyšuje a ak je menšia ako jedna, znižuje sa.

ODKAZ NA HISTÓRIU

História objavu jadrového štiepenia pochádza z práce A. Becquerela (1852–1908). Pri skúmaní fosforescencie rôznych materiálov v roku 1896 zistil, že minerály obsahujúce urán spontánne vyžarujú žiarenie, ktoré spôsobuje sčernenie fotografickej platne, aj keď je medzi minerál a platňu umiestnená nepriehľadná pevná látka. Rôzni experimentátori zistili, že toto žiarenie pozostáva z častíc alfa (jadrá hélia), častíc beta (elektrónov) a žiarenia gama (tvrdé elektromagnetické žiarenie).

Prvú premenu jadier, umelo vyvolanú človekom, vykonal v roku 1919 E. Rutherford, ktorý premenil dusík na kyslík ožiarením dusíka časticami uránu alfa. Táto reakcia bola sprevádzaná absorpciou energie, pretože hmotnosť jej produktov - kyslíka a vodíka - prevyšuje hmotnosť častíc vstupujúcich do reakcie - častíc dusíka a alfa. Uvoľnenie jadrovej energie prvýkrát dosiahli v roku 1932 J. Cockcroft a E. Walton, ktorí bombardovali lítium protónmi. Pri tejto reakcii bola hmotnosť jadier vstupujúcich do reakcie o niečo väčšia ako hmotnosť produktov, v dôsledku čoho sa uvoľnila energia.

V roku 1932 J. Chadwick objavil neutrón – neutrálnu časticu s hmotnosťou približne rovnou hmotnosti jadra atómu vodíka. Fyzici na celom svete začali skúmať vlastnosti tejto častice. Predpokladalo sa, že neutrón bez elektrického náboja a neodpudzovaný kladne nabitým jadrom s väčšou pravdepodobnosťou spôsobí jadrové reakcie. Najnovšie výsledky túto domnienku potvrdili. V Ríme E. Fermi a jeho spolupracovníci podrobili takmer všetky prvky periodického systému ožiareniu neutrónmi a pozorovali jadrové reakcie s tvorbou nových izotopov. Dôkazom vzniku nových izotopov bola „umelá“ rádioaktivita vo forme žiarenia gama a beta.

Prvé náznaky možnosti jadrového štiepenia.

Fermimu sa pripisuje objav mnohých dnes známych neutrónových reakcií. Pokúšal sa najmä získať prvok s atómovým číslom 93 (neptúnium) bombardovaním uránu (prvok s atómovým číslom 92) neutrónmi. Zároveň zaregistroval elektróny emitované v dôsledku záchytu neutrónov v navrhovanej reakcii

238 U + 1 n® 239 Np + b–,

kde 238 U je izotop uránu-238, 1 n je neutrón, 239 Np je neptúnium a b- - elektrón. Výsledky však boli zmiešané. Aby sa vylúčila možnosť, že evidovaná rádioaktivita patrí izotopom uránu alebo iným prvkom nachádzajúcim sa v periodickom systéme pred uránom, bolo potrebné vykonať chemický rozbor rádioaktívnych prvkov.

Výsledky analýzy ukázali, že neznáme prvky zodpovedajú sériovým číslam 93, 94, 95 a 96. Fermi preto dospel k záveru, že získal transuránové prvky. O. Hahn a F. Strassman v Nemecku však po dôkladnej chemickej analýze zistili, že medzi prvkami vznikajúcimi ožiarením uránu neutrónmi je prítomné rádioaktívne bárium. To znamenalo, že pravdepodobne časť jadier uránu je rozdelená na dva veľké fragmenty.

Potvrdenie divízie.

Potom Fermi, J. Dunning a J. Pegram z Kolumbijskej univerzity uskutočnili experimenty, ktoré ukázali, že dochádza k jadrovému štiepeniu. Štiepenie uránu neutrónmi bolo potvrdené metódami proporcionálnych počítačov, oblačnej komory a akumulácie štiepnych fragmentov. Prvá metóda ukázala, že keď sa zdroj neutrónov priblíži k vzorke uránu, vyžarujú sa vysokoenergetické impulzy. V oblačnej komore bolo vidieť, že jadro uránu, bombardované neutrónmi, je rozdelené na dva fragmenty. Posledná uvedená metóda umožnila zistiť, že podľa predpovede teórie sú fragmenty rádioaktívne. To všetko spolu presvedčivo dokázalo, že k štiepeniu skutočne dochádza, a umožnilo s istotou posúdiť energiu uvoľnenú počas štiepenia.

Keďže prípustný pomer počtu neutrónov k počtu protónov v stabilných jadrách klesá so znižovaním veľkosti jadra, podiel neutrónov vo fragmentoch musí byť menší ako v pôvodnom jadre uránu. Preto existovali všetky dôvody domnievať sa, že proces štiepenia je sprevádzaný emisiou neutrónov. Čoskoro to experimentálne potvrdil F. Joliot-Curie a jeho spolupracovníci: počet neutrónov emitovaných v procese štiepenia bol väčší ako počet absorbovaných neutrónov. Ukázalo sa, že na jeden absorbovaný neutrón pripadá približne dva a pol nových neutrónov. Možnosť reťazovej reakcie a vyhliadky na vytvorenie výnimočne silného zdroja energie a jeho využitie na vojenské účely boli okamžite zrejmé. Potom sa v mnohých krajinách (najmä v Nemecku a USA) začalo pracovať na vytvorení atómovej bomby v podmienkach hlbokého utajenia.

Vývoj počas 2. svetovej vojny.

Od roku 1940 do roku 1945 smer vývoja určovali vojenské úvahy. V roku 1941 sa získali malé množstvá plutónia a stanovilo sa množstvo jadrových parametrov uránu a plutónia. V Spojených štátoch na to potrebné najdôležitejšie výrobné a výskumné podniky patrili pod jurisdikciu „Manhattanského vojenského inžinierskeho okruhu“, do ktorého bol 13. augusta 1942 presunutý „Uránový projekt“. Na Kolumbijskej univerzite (New York) skupina zamestnancov pod vedením E. Fermiho a V. Zinna uskutočnila prvé experimenty, pri ktorých sa skúmalo násobenie neutrónov v mriežke z blokov oxidu uraničitého a grafitu – atómovom „kotli“. V januári 1942 bola táto práca prenesená na University of Chicago, kde sa v júli 1942 získali výsledky ukazujúce možnosť samoudržiavacej reťazovej reakcie. Spočiatku reaktor pracoval s výkonom 0,5 W, ale po 10 dňoch bol výkon zvýšený na 200 W. Možnosť získania veľkého množstva jadrovej energie bola prvýkrát preukázaná 16. júla 1945, keď bola na testovacom mieste Alamogordo (Nové Mexiko) odpálená prvá atómová bomba.

JADROVÉ REAKTORY

Jadrový reaktor je zariadenie, v ktorom je možné vykonávať riadenú autonómnu reťazovú reakciu jadrového štiepenia. Reaktory možno klasifikovať podľa použitého paliva (štiepne a surové izotopy), podľa typu moderátora, podľa typu palivových článkov a podľa typu chladiva.

štiepne izotopy.

Existujú tri štiepne izotopy – urán-235, plutónium-239 a urán-233. Urán-235 sa vyrába separáciou izotopov; plutónium-239 - v reaktoroch, v ktorých sa urán-238 premieňa na plutónium, 238 U ® 239 U ® 239 Np ® 239 Pu; urán-233 - v reaktoroch, v ktorých sa tórium-232 spracováva na urán. Jadrové palivo pre energetický reaktor sa vyberá na základe jeho jadrových a chemických vlastností, ako aj nákladov.

V tabuľke nižšie sú uvedené hlavné parametre štiepnych izotopov. Celkový prierez charakterizuje pravdepodobnosť interakcie akéhokoľvek typu medzi neutrónom a daným jadrom. Štiepny prierez charakterizuje pravdepodobnosť jadrového štiepenia neutrónom. Energetický výťažok na absorbovaný neutrón závisí od toho, aká časť jadier sa nezúčastňuje procesu štiepenia. Počet neutrónov emitovaných pri jednej štiepnej udalosti je dôležitý z hľadiska zachovania reťazovej reakcie. Počet nových neutrónov na absorbovaný neutrón je dôležitý, pretože charakterizuje intenzitu štiepenia. Podiel oneskorených neutrónov emitovaných po štiepení súvisí s energiou uloženou v materiáli.

CHARAKTERISTIKA ŠTEPNÝCH IZOTOPOV

CHARAKTERISTIKA ŠTEPNÝCH IZOTOPOV
izotop	Urán-235		Urán-233		Plutónium-239
Neutrónová energia	1 MeV	0,025 eV	1 MeV	0,025 eV	1 MeV	0,025 eV
Celá sekcia	6,6 ± 0,1	695±10	6,2 ± 0,3	600±10	7,3 ± 0,2	1005±5
Deliaci prierez	1,25 ± 0,05	581 ± 6	1,85 ± 0,10	526±4	1,8 ± 0,1	751±10
Zlomok jadier, ktoré sa nezúčastňujú štiepenia	0,077 ± 0,002	0,174 ± 0,01	0,057 ± 0,003	0,098 ± 0,004	0,08 ± 0,1	0,37 ± 0,03
Počet neutrónov emitovaných pri jednej štiepnej udalosti	2,6 ± 0,1	2,43 ± 0,03	2,65 ± 0,1	2,50 ± 0,03	3,03 ± 0,1	2,84 ± 0,06
Počet neutrónov na absorbovaný neutrón	2,41 ± 0,1	2,07 ± 0,02	2,51 ± 0,1	2,28 ± 0,02		2,07 ± 0,04
Podiel oneskorených neutrónov, %	(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 štiepenia, MeV
Všetky sekcie sú uvedené v stodolách (10 -28 m 2).

Tabuľkové údaje ukazujú, že každý štiepny izotop má svoje výhody. Napríklad v prípade izotopu s najväčším prierezom pre tepelné neutróny (s energiou 0,025 eV) je potrebné menej paliva na dosiahnutie kritickej hmotnosti pri použití moderátora neutrónov. Keďže najvyšší počet neutrónov na absorbovaný neutrón sa vyskytuje v rýchlom plutóniovom reaktore (1 MeV), v chovnom režime je lepšie použiť plutónium v ​​rýchlom reaktore alebo urán-233 v tepelnom reaktore ako urán-235 v tepelnom reaktore. Urán-235 je výhodnejší z hľadiska ľahkej kontroly, pretože má väčší podiel oneskorených neutrónov.

Surové izotopy.

Existujú dva surové izotopy: tórium-232 a urán-238, z ktorých sa získavajú štiepne izotopy urán-233 a plutónium-239. Technológia používania surových izotopov závisí od rôznych faktorov, ako je napríklad potreba obohacovania. Uránová ruda obsahuje 0,7% uránu-235, zatiaľ čo tóriová ruda neobsahuje žiadne štiepne izotopy. Preto sa do tória musí pridať obohatený štiepny izotop. Dôležitý je aj počet nových neutrónov na jeden absorbovaný neutrón. Vzhľadom na tento faktor je potrebné v prípade tepelných neutrónov uprednostniť urán-233 (moderovaný na energiu 0,025 eV), keďže za takýchto podmienok je väčší počet emitovaných neutrónov a tým aj premena. faktorom je počet nových štiepnych jadier na jedno „spotrebované“ štiepne jadro.

Retardéry.

Moderátor slúži na zníženie energie neutrónov emitovaných v procese štiepenia z približne 1 MeV na tepelné energie približne 0,025 eV. Keďže k moderovaniu dochádza najmä v dôsledku pružného rozptylu jadrami neštiepiteľných atómov, hmotnosť moderátorových atómov musí byť čo najmenšia, aby im neutrón mohol odovzdať maximum energie. Okrem toho musia mať atómy moderátora malý (v porovnaní s prierezom rozptylu) záchytný prierez, pretože neutrón sa musí opakovane zrážať s atómami moderátora, kým sa spomalí na tepelnú energiu.

Najlepším moderátorom je vodík, pretože jeho hmotnosť sa takmer rovná hmotnosti neutrónu, a preto pri zrážke s vodíkom neutrón stráca najväčšie množstvo energie. Ale obyčajný (ľahký) vodík pohlcuje neutróny príliš silno, a preto sa deutérium (ťažký vodík) a ťažká voda ukazujú ako vhodnejšie moderátory, napriek ich trochu väčšej hmotnosti, keďže neutróny pohlcujú menej. Beryllium možno považovať za dobrého moderátora. Uhlík má taký malý prierez absorpcie neutrónov, že účinne zmierňuje neutróny, hoci na spomalenie vyžaduje oveľa viac zrážok ako vodík.

Priemerná N Elastické zrážky potrebné na spomalenie neutrónu z 1 MeV na 0,025 eV pomocou vodíka, deutéria, berýlia a uhlíka sú približne 18, 27, 36 a 135, v tomto poradí. Približný charakter týchto hodnôt je spôsobený skutočnosťou, že v dôsledku prítomnosti chemickej energie môžu byť väzby v moderátore zrážky pri energiách pod 0,3 eV len ťažko elastické. Pri nízkych energiách môže atómová mriežka preniesť energiu na neutróny alebo zmeniť efektívnu hmotnosť pri zrážke, čím naruší proces spomalenia.

Nosiče tepla.

Chladiace kvapaliny používané v jadrových reaktoroch sú voda, ťažká voda, tekutý sodík, tekutá zliatina sodíka a draslíka (NaK), hélium, oxid uhličitý a organické kvapaliny, ako je terfenyl. Tieto látky sú dobrými nosičmi tepla a majú nízke prierezy absorpcie neutrónov.

Voda je výborný moderátor a chladivo, ale príliš silno pohlcuje neutróny a má príliš vysoký tlak pár (14 MPa) pri prevádzkovej teplote 336 °C. Najznámejším moderátorom je ťažká voda. Jeho vlastnosti sú podobné bežnej vode a prierez absorpcie neutrónov je menší. Sodík je vynikajúce chladivo, ale nie je účinný ako moderátor neutrónov. Preto sa používa v rýchlych neutrónových reaktoroch, kde sa pri štiepení uvoľňuje viac neutrónov. Pravda, sodík má množstvo nevýhod: indukuje rádioaktivitu, má nízku tepelnú kapacitu, je chemicky aktívny a pri izbovej teplote tuhne. Zliatina sodíka a draslíka má podobné vlastnosti ako sodík, ale pri izbovej teplote zostáva tekutá. Hélium je vynikajúce chladivo, ale má nízku mernú tepelnú kapacitu. Oxid uhličitý je dobré chladivo a je široko používaný v grafitom moderovaných reaktoroch. Terfenyl má oproti vode tú výhodu, že má nízky tlak pár pri prevádzkovej teplote, ale pri vysokých teplotách a radiačných tokoch, ktoré sú charakteristické pre reaktory, sa rozkladá a polymerizuje.

Prvky generujúce teplo.

Palivový prvok (FE) je palivové jadro s hermetickým plášťom. Obloženie zabraňuje úniku štiepnych produktov a interakcii paliva s chladivom. Materiál plášťa musí slabo absorbovať neutróny a mať prijateľné mechanické, hydraulické a tepelne vodivé vlastnosti. Palivové prvky sú zvyčajne pelety spekaného oxidu uránu v hliníkových, zirkónových alebo nerezových rúrkach; pelety zo zliatin uránu so zirkónom, molybdénom a hliníkom potiahnuté zirkónom alebo hliníkom (v prípade zliatiny hliníka); grafitové tablety s dispergovaným karbidom uránu potiahnuté nepriepustným grafitom.

Používajú sa všetky tieto palivové články, ale pre tlakovodné reaktory sú najvýhodnejšie pelety oxidu uránu v rúrkach z nehrdzavejúcej ocele. Oxid uraničitý nereaguje s vodou, má vysokú radiačnú odolnosť a vyznačuje sa vysokou teplotou topenia.

Grafitové palivové články sa zdajú byť veľmi vhodné pre vysokoteplotné plynom chladené reaktory, majú však vážnu nevýhodu – plynné produkty štiepenia môžu prenikať cez ich plášť v dôsledku difúzie alebo defektov grafitu.

Organické chladivá sú nekompatibilné so zirkónovými palivovými tyčami, a preto vyžadujú použitie hliníkových zliatin. Perspektíva reaktorov s organickým chladivom závisí od toho, či sa vytvoria hliníkové zliatiny alebo produkty práškovej metalurgie, ktoré by mali pevnosť (pri prevádzkových teplotách) a tepelnú vodivosť potrebnú na použitie rebier, ktoré zvyšujú prenos tepla do chladiva. Pretože prenos tepla medzi palivom a organickým chladivom v dôsledku vedenia tepla je malý, je žiaduce použiť povrchový var na zvýšenie prenosu tepla. S povrchovým varom budú spojené nové problémy, ktoré sa však musia vyriešiť, ak sa použitie organických kvapalín na prenos tepla ukáže ako prospešné.

TYPY REAKTOROV

Teoreticky je možných viac ako 100 rôznych typov reaktorov, ktoré sa líšia palivom, moderátorom a chladivom. Väčšina konvenčných reaktorov používa ako chladivo vodu, či už pod tlakom alebo vriacou vodou.

Tlakovodný reaktor.

V takýchto reaktoroch voda slúži ako moderátor a chladivo. Ohriata voda je pod tlakom čerpaná do výmenníka tepla, kde sa teplo odovzdáva vode sekundárneho okruhu, v ktorej vzniká para, ktorá roztáča turbínu.

Varný reaktor.

V takomto reaktore voda vrie priamo v jadre reaktora a vznikajúca para vstupuje do turbíny. Väčšina reaktorov s vriacou vodou tiež používa vodu ako moderátor, ale niekedy sa používa aj grafitový moderátor.

Reaktor s chladením tekutým kovom.

V takomto reaktore sa na prenos tepla uvoľneného počas štiepenia v reaktore používa tekutý kov cirkulujúci potrubím. Takmer všetky reaktory tohto typu používajú ako chladivo sodík. Para generovaná na druhej strane potrubia primárneho okruhu sa privádza do klasickej turbíny. Reaktor chladený kvapalnými kovmi môže využívať neutróny s relatívne vysokou energiou (rýchly neutrónový reaktor) alebo neutróny moderované v grafite alebo oxide berýlia. Ako množivé reaktory sú výhodnejšie rýchle neutrónové reaktory chladené tekutým kovom, pretože v tomto prípade nedochádza k žiadnym stratám neutrónov spojených s mierou.

plynom chladený reaktor.

V takomto reaktore sa teplo uvoľnené pri procese štiepenia prenáša do parogenerátora plynom - oxidom uhličitým alebo héliom. Moderátorom neutrónov je zvyčajne grafit. Plynom chladený reaktor môže pracovať pri oveľa vyšších teplotách ako kvapalinou chladený reaktor, a preto je vhodný pre priemyselné vykurovacie systémy a vysokoúčinné elektrárne. Malé plynom chladené reaktory sa vyznačujú zvýšenou bezpečnosťou prevádzky, najmä absenciou rizika roztavenia reaktora.

homogénne reaktory.

V jadre homogénnych reaktorov sa používa homogénna kvapalina obsahujúca štiepny izotop uránu. Kvapalinou je zvyčajne roztavená zlúčenina uránu. Čerpá sa do veľkej guľovej tlakovej nádoby, kde dochádza k štiepnej reťazovej reakcii v kritickom množstve. Kvapalina sa potom privádza do generátora pary. Homogénne reaktory si nezískali popularitu kvôli konštrukčným a technologickým ťažkostiam.

REAKTIVITA A KONTROLA

Možnosť samoudržiavacej reťazovej reakcie v jadrovom reaktore závisí od toho, koľko neutrónov z reaktora uniká. Neutróny vznikajúce pri štiepení miznú v dôsledku absorpcie. Okrem toho je možný únik neutrónov v dôsledku difúzie hmotou, podobne ako difúzia jedného plynu cez druhý.

Ak chcete ovládať jadrový reaktor, musíte byť schopní ovládať multiplikačný faktor neutrónov k, definovaný ako pomer počtu neutrónov v jednej generácii k počtu neutrónov v predchádzajúcej generácii. o k= 1 (kritický reaktor) prebieha stacionárna reťazová reakcia s konštantnou intenzitou. o k> 1 (superkritický reaktor), intenzita procesu sa zvyšuje a pri k r = 1 – (1/ k) sa nazýva reaktivita.)

V dôsledku javu oneskorených neutrónov sa čas „zrodu“ neutrónov zvyšuje z 0,001 s na 0,1 s. Tento charakteristický reakčný čas umožňuje jeho riadenie pomocou mechanických akčných členov - riadiacich tyčí vyrobených z materiálu pohlcujúceho neutróny (B, Cd, Hf, In, Eu, Gd atď.). Časová konštanta riadenia by mala byť rádovo 0,1 s alebo viac. Pre zaistenie bezpečnosti sa volí taký režim prevádzky reaktora, v ktorom sú v každej generácii potrebné oneskorené neutróny na udržanie stacionárnej reťazovej reakcie.

Na zabezpečenie danej úrovne výkonu sa používajú regulačné tyče a neutrónové reflektory, ale problém s reguláciou možno značne zjednodušiť správnym výpočtom reaktora. Napríklad, ak je reaktor navrhnutý tak, že so zvyšujúcim sa výkonom alebo teplotou reaktivita klesá, potom bude stabilnejší. Napríklad, ak je retardácia nedostatočná, voda v reaktore expanduje v dôsledku zvýšenia teploty, t.j. hustota moderátora klesá. V dôsledku toho sa zvyšuje absorpcia neutrónov v uráne-238, pretože nemajú čas na účinné spomalenie. V niektorých reaktoroch sa používa faktor na zvýšenie úniku neutrónov z reaktora v dôsledku poklesu hustoty vody. Ďalším spôsobom stabilizácie reaktora je zahriatie "rezonančného absorbéra neutrónov", ako je urán-238, ktorý potom neutróny absorbuje silnejšie.

Bezpečnostné systémy.

Bezpečnosť reaktora zabezpečuje ten či onen mechanizmus na jeho odstavenie pri prudkom zvýšení výkonu. Môže to byť mechanizmus fyzického procesu alebo činnosť riadiaceho a ochranného systému alebo oboje. Pri navrhovaní tlakovodných reaktorov sa počíta s núdzovými situáciami, keď do reaktora vstúpi studená voda, pokles prietoku chladiva a príliš vysoká reaktivita počas spúšťania. Keďže intenzita reakcie stúpa s klesajúcou teplotou, s prudkým prílevom studenej vody do reaktora, zvyšuje sa reaktivita a výkon. Ochranný systém zvyčajne zabezpečuje automatický zámok, aby sa zabránilo vniknutiu studenej vody. S poklesom prietoku chladiacej kvapaliny sa reaktor prehrieva, aj keď sa jeho výkon nezvýši. V takýchto prípadoch je potrebné automatické zastavenie. Okrem toho musia byť čerpadlá chladiacej kvapaliny dimenzované tak, aby dodávali chladivo potrebné na odstavenie reaktora. Núdzová situácia môže nastať pri spustení reaktora s príliš vysokou reaktivitou. Kvôli nízkej úrovni výkonu sa reaktor nestihne dostatočne zahriať, aby tepelná ochrana fungovala, kým nie je neskoro. Jediným spoľahlivým opatrením je v takýchto prípadoch opatrné spustenie reaktora.

Vyhnúť sa týmto núdzovým situáciám je celkom jednoduché, ak budete postupovať podľa nasledujúceho pravidla: všetky činnosti, ktoré môžu zvýšiť reaktivitu systému, sa musia vykonávať opatrne a pomaly. Najdôležitejšou vecou v otázke bezpečnosti reaktora je absolútna potreba dlhodobého chladenia aktívnej zóny reaktora po ukončení štiepnej reakcie v nej. Faktom je, že produkty rádioaktívneho štiepenia zostávajúce v palivových kazetách vyžarujú teplo. Je to oveľa menej ako teplo uvoľnené v režime plného výkonu, ale stačí na roztavenie palivových článkov pri absencii potrebného chladenia. Krátke prerušenie dodávky chladiacej vody viedlo k značnému poškodeniu aktívnej zóny a havárii reaktora v Three Mile Island (USA). Zničenie aktívnej zóny reaktora je minimálna škoda v prípade takejto havárie. Horšie, ak dôjde k úniku nebezpečných rádioaktívnych izotopov. Väčšina priemyselných reaktorov je vybavená hermeticky uzavretými bezpečnostnými plášťami, ktoré by mali zabrániť úniku izotopov do okolia v prípade havárie.

Na záver poznamenávame, že možnosť zničenia reaktora do značnej miery závisí od jeho schémy a konštrukcie. Reaktory môžu byť navrhnuté tak, aby zníženie prietoku chladiva neviedlo k veľkým problémom. Ide o rôzne typy plynom chladených reaktorov.

štiepenie uránu

Deliť sa môžu iba jadrá nejaké ťažké prvky ako urán.

Jadro uránu - 235 je guľovité. Po absorpcii neutrónu sa jadro vzruší a začne sa deformovať.
Naťahuje sa zo strany na stranu, až kým Coulombovské odpudivé sily medzi protónmi nezačnú prevládať nad jadrovými príťažlivými silami. Potom sa jadro roztrhne na dve časti a úlomky sa rozletia rýchlosťou 1/30 rýchlosti svetla. Jadrové štiepenie produkuje 2 alebo 3 ďalšie neutróny.
Vzhľad neutrónov sa vysvetľuje skutočnosťou, že počet neutrónov vo fragmentoch je väčší, ako je prípustné.

Letiace úlomky, ktoré majú obrovskú rýchlosť, sú spomaľované prostredím.
Kinetická energia úlomkov sa premieňa na vnútornú energiu média, ktoré sa zahrieva.
Štiepenie jadier uránu je teda sprevádzané o uvoľnenie veľkého množstva energie.

JADROVÁ REŤAZOVÁ REAKCIA

Ide o proces, pri ktorom jedna uskutočnená reakcia vyvolá následné reakcie rovnakého typu.

Pri štiepení jedného jadra uránu môžu vzniknuté neutróny spôsobiť štiepenie ďalších jadier uránu, pričom počet neutrónov stúpa ako lavína.

Pomer počtu vyrobených neutrónov pri jednej štiepnej udalosti k počtu takýchto neutrónov pri predchádzajúcej štiepnej udalosti sa nazýva multiplikačný faktor neutróny k.

Keď je k menšie ako 1, reakcia zaniká, pretože počet absorbovaných neutrónov je väčší ako počet novovzniknutých.
Keď je k väčšie ako 1, k výbuchu dôjde takmer okamžite.
Keď sa k rovná 1, prebieha riadená stacionárna reťazová reakcia.

Reťazová reakcia je sprevádzaná uvoľnením veľkého množstva energie.

Na uskutočnenie reťazovej reakcie nie je možné použiť žiadne jadrá, ktoré sa štiepia pod vplyvom neutrónov.

Chemický prvok urán, ktorý sa používa ako palivo pre jadrové reaktory, sa prirodzene skladá z dvoch izotopov: urán-235 a urán-238.

V prírode tvoria izotopy uránu-235 len 0,7 % z celkovej zásoby uránu, sú však vhodné na vedenie reťazovej reakcie, pretože rozdelené pod vplyvom pomalé neutróny.

Jadrá uránu-238 sa dajú rozdeliť iba pod vplyvom neutrónov s vysokou energiou ( rýchle neutróny). Takúto energiu má len 60 % neutrónov, ktoré vznikajú pri štiepení jadra uránu-238. Približne iba 1 z 5 produkovaných neutrónov spôsobuje jadrové štiepenie.

Podmienky pre reťazovú reakciu v uráne-235:

Minimálne množstvo paliva (kritická hmotnosť) potrebné na riadenú reťazovú reakciu v jadrovom reaktore
- rýchlosť neutrónov by mala spôsobiť štiepenie jadier uránu
- žiadne nečistoty, ktoré pohlcujú neutróny

Kritické množstvo:

Ak je hmotnosť uránu malá, neutróny z neho vyletia bez reakcie
- ak je hmotnosť uránu veľká, je možný výbuch v dôsledku silného nárastu počtu neutrónov
- ak hmotnosť zodpovedá kritickej, prebieha riadená reťazová reakcia

Pre urán-235 kritické množstvo je 50 kg (ide napr. o uránovú guľu s priemerom 9 cm).

Prvá riadená reťazová reakcia - USA v roku 1942 (E. Fermi)
V ZSSR - 1946 (I.V. Kurchatov).

Zapamätajte si tému „Atómová fyzika“ pre ročník 9:

Rádioaktivita.
rádioaktívne premeny.
Zloženie atómového jadra. Jadrové sily.
Komunikačná energia. hromadný defekt.
Štiepenie jadier uránu.
Jadrová reťazová reakcia.
Nukleárny reaktor.
termonukleárna reakcia.

Ďalšie stránky na tému "Atómová fyzika" pre ročníky 10-11:

TROCHU Z HISTÓRIE

V roku 1930 v Cambridge J. Cockcroft a E. Walson rozdelili atóm. Vedúci Cavendish Laboratory Lord E. Rutherford o tomto experimente verejne povedal: „Rozdelenie atómu je len najelegantnejší experiment a jeho elegancia spočíva v tom, že nemá praktické využitie."
___

Keď sa začali práce vo Francúzsku na vytvorenie atómových zbraní a podľa toho sa pri čistení izotopov uránu zrazu zistilo, že urán z okolia západoafrickej dediny Oklo namiesto 0,71 % pre urán-235 vhodný na muníciu obsahuje len 0,68 %. Následný súdny spor viedol k objavu jedinečného, ​​skutočne jedinečného predmetu - prírodný jadrový reaktor! Zároveň sa časť uránu-235 spotrebovala počas prevádzky tohto reaktora.
___

Ľudstvo nedávno poznamenalo 50. výročie atómových bombových útokov Hirošima a Nagasaki. Cesta k týmto tragickým udalostiam prešla aj pod hlavnú tribúnu chicagského štadióna, kde sa 2. decembra 1942 prvá jadrová reťazová reakcia.
___

Z vtipu o čo je reťazová reakcia: "Ak niekto prejde v blízkosti psa sediaceho na reťazi, začne štekať a ostatní psi ho nasledujú."

>> štiepenie uránu

§ 107 ŠTEPENIE JADIER URÁNU

Na časti možno rozdeliť iba jadrá niektorých ťažkých prvkov. Pri štiepení jadier sú emitované dva alebo tri neutróny a -lúče. Zároveň sa uvoľňuje veľa energie.

Objav štiepenia uránu.Štiepenie jadier uránu objavili v roku 1938 nemeckí vedci O. Hahn a F. Strassmann. Zistili, že pri bombardovaní uránu neutrónmi vznikajú prvky strednej časti periodickej sústavy: bárium, kryptón atď. začiatkom roku 1939 anglický fyzik O. Frisch spolu s rakúskym fyzikom L. Meitnerom.

Zachytenie neutrónu ničí stabilitu jadra. Jadro je vzrušené a stáva sa nestabilným, čo vedie k jeho rozdeleniu na fragmenty. Jadrové štiepenie je možné, pretože pokojová hmotnosť ťažkého jadra je väčšia ako súčet pokojových hmotností úlomkov, ktoré vznikajú pri štiepení. Preto dochádza k uvoľňovaniu energie ekvivalentnej poklesu pokojovej hmoty, ktorý sprevádza štiepenie.

Možnosť štiepenia ťažkých jadier možno vysvetliť aj pomocou grafu závislosti špecifickej väzbovej energie od hmotnostného čísla A (pozri obr. 13.11). Špecifická väzbová energia jadier atómov prvkov zaberajúcich posledné miesta v periodickej sústave (A 200) je približne o 1 MeV menšia ako špecifická väzbová energia v jadrách prvkov nachádzajúcich sa v strede periodickej sústavy (A 100) . Preto je proces štiepenia ťažkých jadier na jadrá prvkov v strednej časti periodickej sústavy energeticky priaznivý. Po štiepení sa systém dostane do stavu s minimálnou vnútornou energiou. Veď čím väčšia je väzbová energia jadra, tým väčšiu energiu treba pri vzniku jadra uvoľniť a následne tým nižšiu vnútornú energiu novovzniknutého systému.

Počas jadrového štiepenia sa väzbová energia na nukleón zvýši o 1 MeV a celková uvoľnená energia by mala byť obrovská - asi 200 MeV. Žiadna iná jadrová reakcia (nesúvisiaca so štiepením) neuvoľňuje také veľké energie.

Priame merania energie uvoľnenej pri štiepení jadra uránu potvrdili vyššie uvedené úvahy a poskytli hodnotu 200 MeV. Navyše väčšina tejto energie (168 MeV) pripadá na kinetickú energiu fragmentov. Na obrázku 13.13 vidíte stopy štiepnych úlomkov uránu v oblačnej komore.

Energia uvoľnená počas jadrového štiepenia je skôr elektrostatického než jadrového pôvodu. Veľká kinetická energia, ktorú fragmenty majú, vzniká v dôsledku ich Coulombovho odpudzovania.

mechanizmus jadrového štiepenia. Proces jadrového štiepenia možno vysvetliť na základe kvapkového modelu jadra. Podľa tohto modelu sa zväzok nukleónov podobá kvapke nabitej kvapaliny (obr. 13.14, a). Jadrové sily medzi nukleónmi sú krátkeho dosahu, podobne ako sily pôsobiace medzi molekulami kvapaliny. Spolu so silnými silami elektrostatického odpudzovania medzi protónmi, ktoré majú tendenciu roztrhnúť jadro, existujú ešte väčšie jadrové príťažlivé sily. Tieto sily bránia rozpadu jadra.

Jadro uránu-235 je guľovité. Po absorpcii ďalšieho neutrónu sa excituje a začína sa deformovať, pričom nadobúda predĺžený tvar (obr. 13.14, b). Jadro sa bude naťahovať, kým odpudivé sily medzi polovicami predĺženého jadra nezačnú prevládať nad príťažlivými silami pôsobiacimi v isthme (obr. 13.14, c). Potom sa roztrhne na dve časti (obr. 13.14, d).

Pôsobením Coulombových odpudivých síl sa tieto úlomky rozletia rýchlosťou rovnajúcou sa 1/30 rýchlosti svetla.

Emisia neutrónov počas štiepenia. Základným faktom jadrového štiepenia je emisia dvoch alebo troch neutrónov počas štiepenia. Práve vďaka tomu bolo možné praktické využitie vnútrojadrovej energie.

Z nasledujúcich úvah je možné pochopiť, prečo sú emitované voľné neutróny. Je známe, že pomer počtu neutrónov k počtu protónov v stabilných jadrách rastie so zvyšujúcim sa atómovým číslom. Preto sa vo fragmentoch, ktoré vznikajú pri štiepení, ukazuje relatívny počet neutrónov väčší, ako je prípustné pre jadrá atómov nachádzajúcich sa v strede periodickej tabuľky. V dôsledku toho sa v procese štiepenia uvoľňuje niekoľko neutrónov. Ich energia má rôzne hodnoty - od niekoľkých miliónov elektrónvoltov až po veľmi malé, takmer nulové.

K štiepeniu zvyčajne dochádza na fragmenty, ktorých hmotnosti sa líšia asi 1,5-krát. Tieto fragmenty sú vysoko rádioaktívne, pretože obsahujú nadmerné množstvo neutrónov. V dôsledku série po sebe nasledujúcich rozpadov sa nakoniec získajú stabilné izotopy.

Na záver poznamenávame, že dochádza aj k spontánnemu štiepeniu jadier uránu. Objavili ho sovietski fyzici G. N. Flerov a K. A. Petržak v roku 1940. Polčas spontánneho štiepenia je 10 16 rokov. To je dva milióny krát dlhšie ako polčas rozpadu uránu.

Jadrová štiepna reakcia je sprevádzaná uvoľňovaním energie.

Obsah lekcie zhrnutie lekcie podpora rámcová lekcia prezentácia akceleračné metódy interaktívne technológie Cvičte úlohy a cvičenia sebaskúšanie workshopy, školenia, prípady, questy domáce úlohy diskusia otázky rečnícke otázky študentov Ilustrácie audio, videoklipy a multimédiá fotografie, obrázky, grafika, tabuľky, schémy humor, anekdoty, vtipy, komiksové podobenstvá, výroky, krížovky, citáty Doplnky abstraktyčlánky čipy pre zvedavých cheat sheets učebnice základný a doplnkový slovník pojmov iné Zdokonaľovanie učebníc a vyučovacích hodínoprava chýb v učebnici aktualizácia fragmentu v učebnici prvky inovácie v lekcii nahradenie zastaraných vedomostí novými Len pre učiteľov perfektné lekcie kalendárny plán na rok metodické odporúčania programu diskusie Integrované lekcie

Štúdium interakcie neutrónov s hmotou viedlo k objavu jadrových reakcií nového typu. V roku 1939 O. Hahn a F. Strassmann skúmali chemické produkty vznikajúce pri bombardovaní jadier uránu neutrónmi. Medzi reakčnými produktmi sa našlo bárium - chemický prvok s oveľa menšou hmotnosťou ako urán. Problém vyriešili nemeckí fyzici L. Meitneroma a O. Frisch, ktorí ukázali, že keď sú neutróny absorbované uránom, jadro je rozdelené na dva fragmenty:

kde k > 1.

Pri štiepení jadra uránu tepelný neutrón s energiou ~ 0,1 eV uvoľní energiu ~ 200 MeV. Podstatné je, že tento proces je sprevádzaný objavením sa neutrónov schopných spôsobiť štiepenie iných jadier uránu, - štiepna reťazová reakcia . Z jedného neutrónu teda môže vzniknúť rozvetvený reťazec jadrového štiepenia a počet jadier zapojených do štiepnej reakcie sa bude exponenciálne zvyšovať. Vyhliadky na využitie štiepnej reťazovej reakcie sa otvorili v dvoch smeroch:

· riadená jadrová štiepna reakcia- vytvorenie jadrových reaktorov;

· nekontrolovaná jadrová štiepna reakcia- Výroba jadrových zbraní.

V roku 1942 bol v USA postavený prvý jadrový reaktor. V ZSSR bol prvý reaktor spustený v roku 1946. V súčasnosti sa tepelná a elektrická energia vyrába v stovkách jadrových reaktorov prevádzkovaných v rôznych krajinách sveta.

Ako je možné vidieť na obr. 4.2 s rastúcou hodnotou ALEšpecifická väzbová energia sa zvyšuje až na ALE» 50. Toto správanie možno vysvetliť pridaním síl; väzbová energia jednotlivého nukleónu sa zvýši, ak nie je priťahovaný jedným alebo dvoma, ale niekoľkými ďalšími nukleónmi. Avšak v prvkoch s hodnotami hmotnostného čísla väčšími ako ALE» 50 špecifická väzbová energia postupne klesá s rastúcim ALE. Je to spôsobené tým, že jadrové príťažlivé sily majú krátky dosah rádovo veľkosti jednotlivého nukleónu. Mimo tohto polomeru prevládajú elektrostatické odpudzujúce sily. Ak sú dva protóny odstránené o viac ako 2,5 × 10 - 15 m, potom medzi nimi prevládajú sily Coulombovho odpudzovania a nie jadrová príťažlivosť.

Dôsledkom tohto správania je špecifická väzbová energia v závislosti od ALE je existencia dvoch procesov - fúzie a štiepenia jadier . Zvážte interakciu elektrónu a protónu. Keď sa vytvorí atóm vodíka, uvoľní sa energia 13,6 eV a hmotnosť atómu vodíka sa ukáže byť o 13,6 eV menšia ako súčet hmotností voľného elektrónu a protónu. Podobne hmotnosť dvoch ľahkých jadier prevyšuje hmotnosť po ich spojení v D M. Ak sú spojené, splynú s uvoľnením energie D PANI 2. Tento proces sa nazýva jadrová syntéza . Hmotnostný rozdiel môže presiahnuť 0,5 %.

Ak sa ťažké jadro rozdelí na dve ľahšie jadrá, ich hmotnosť bude o 0,1 % menšia ako hmotnosť materského jadra. Ťažké jadrá majú tendenciu divízie na dve ľahšie jadrá s uvoľnením energie. Energia atómovej bomby a jadrového reaktora je energia , uvoľnené počas jadrového štiepenia . Energia H-bomby je energia uvoľnená pri jadrovej fúzii. Alfa rozpad možno považovať za vysoko asymetrické štiepenie, v ktorom je materské jadro M sa rozdelí na malú alfa časticu a veľké zvyškové jadro. Alfa rozpad je možný iba v prípade reakcie

hmotnosť M sa ukáže byť väčší ako súčet hmotností a častice alfa. Všetky jadrá s Z> 82 (olovo). Z> 92 (urán) polčasy rozpadu alfa sú oveľa dlhšie ako vek Zeme a takéto prvky sa v prírode nevyskytujú. Môžu byť však vytvorené umelo. Napríklad plutónium ( Z= 94) možno získať z uránu v jadrovom reaktore. Tento postup sa stal bežným a stojí len 15 dolárov za 1 g. Doteraz bolo možné získať prvky až do Z= 118, ale za oveľa vyššiu cenu a spravidla v zanedbateľnom množstve. Dá sa dúfať, že rádiochemici sa naučia získavať, aj keď v malom množstve, nové prvky s Z> 118.

Ak by sa masívne jadro uránu dalo rozdeliť na dve skupiny nukleónov, potom by sa tieto skupiny nukleónov preskupili na jadrá so silnejšou väzbou. V procese reštrukturalizácie by sa uvoľnila energia. Spontánne jadrové štiepenie umožňuje zákon zachovania energie. Potenciálna bariéra pri štiepnej reakcii prirodzene sa vyskytujúcich jadier je však taká vysoká, že pravdepodobnosť spontánneho štiepenia je oveľa menšia ako pravdepodobnosť rozpadu alfa. Polčas rozpadu jadier 238 U v porovnaní so spontánnym štiepením je 8×1015 rokov. To je viac ako miliónkrát vek Zeme. Ak sa neutrón zrazí s ťažkým jadrom, potom môže prejsť na vyššiu energetickú hladinu blízko vrcholu elektrostatickej potenciálovej bariéry, v dôsledku čoho sa zvýši pravdepodobnosť štiepenia. Jadro v excitovanom stave môže mať výrazný uhlový moment a nadobudnúť oválny tvar. Miesta na periférii jadra prenikajú bariérou ľahšie, pretože sú čiastočne už za bariérou. V jadre oválneho tvaru je úloha bariéry ešte viac oslabená. Keď sa zachytí jadro alebo pomalý neutrón, vytvárajú sa stavy s veľmi krátkou životnosťou v porovnaní so štiepením. Rozdiel medzi hmotnosťou jadra uránu a typickými produktmi štiepenia je taký, že pri štiepení uránu sa uvoľní v priemere 200 MeV energie. Zvyšná hmotnosť jadra uránu je 2,2×105 MeV. Asi 0,1 % tejto hmoty sa premení na energiu, čo sa rovná pomeru 200 MeV k 2,2 × 10 5 MeV.

Energetické hodnotenie,prepustený pri delení,možno získať z Weizsäckerove vzorce :

Keď sa jadro rozdelí na dva fragmenty, zmení sa povrchová energia a Coulombova energia , pričom povrchová energia rastie a Coulombova energia klesá. Štiepenie je možné, keď je energia uvoľnená počas štiepenia E > 0.

.

Tu A 1 = A/2, Z 1 = Z/2. Z toho získame, že štiepenie je energeticky priaznivé, keď Z 2 /A> 17. Hodnota Z 2 /A volal parameter deliteľnosti . energie E, uvoľnený pri delení, sa zvyšuje so zvyšovaním Z 2 /A.

V procese štiepenia jadro mení tvar - postupne prechádza nasledujúcimi štádiami (obr. 9.4): guľa, elipsoid, činka, dva úlomky hruškovitého tvaru, dva guľovité úlomky.

Potom, čo došlo k štiepeniu a fragmenty sú od seba oddelené vo vzdialenosti oveľa väčšej, ako je ich polomer, možno potenciálnu energiu fragmentov, určenú coulombovskou interakciou medzi nimi, považovať za rovnú nule.

V dôsledku vývoja tvaru jadra je zmena jeho potenciálnej energie určená zmenou súčtu povrchových a Coulombových energií. . Predpokladá sa, že objem jadra zostáva počas deformácie nezmenený. V tomto prípade sa povrchová energia zvyšuje, pretože povrch jadra sa zvyšuje. Coulombova energia klesá so zvyšujúcou sa priemernou vzdialenosťou medzi nukleónmi. V prípade malých elipsoidných deformácií nastáva nárast povrchovej energie rýchlejšie ako pokles Coulombovej energie.

V oblasti ťažkých jadier sa súčet povrchových a Coulombových energií zvyšuje s namáhaním. Pri malých elipsoidných deformáciách bráni zvýšenie povrchovej energie ďalšej zmene tvaru jadra, a tým aj štiepeniu. Prítomnosť potenciálnej bariéry zabraňuje okamžitému spontánnemu jadrovému štiepeniu. Aby sa jadro okamžite rozdelilo, musí sa mu dodať energia presahujúca výšku štiepnej bariéry H.

výška bariéry Hčím väčší, tým menší je pomer Coulombových a povrchových energií v počiatočnom jadre. Tento pomer sa naopak zvyšuje so zvyšujúcim sa parametrom deliteľnosti Z 2 /ALE.Čím je jadro ťažšie, tým je výška bariéry nižšia H, pretože parameter deliteľnosti sa zvyšuje so zvyšujúcim sa hmotnostným číslom:

Ťažšie jadrá zvyčajne potrebujú na štiepenie menej energie. Z Weizsäckerovho vzorca vyplýva, že výška štiepnej bariéry mizne pri . Tie. Podľa kvapôčkového modelu by v prírode nemali existovať žiadne jadrá, pretože sa spontánne štiepia takmer okamžite (počas charakteristického jadrového času rádovo 10–22 s). Existencia atómových jadier s (" ostrov stability “) sa vysvetľuje štruktúrou obalu atómových jadier. Spontánne jadrové štiepenie s , pre ktoré je výška bariéry H nerovná sa nule, z pohľadu klasickej fyziky je to nemožné. Z hľadiska kvantovej mechaniky je takéto štiepenie možné v dôsledku prechodu fragmentov cez potenciálnu bariéru a je tzv. spontánne štiepenie . Pravdepodobnosť samovoľného štiepenia sa zvyšuje so zvyšujúcim sa parametrom štiepenia , t.j. s poklesom výšky štiepnej bariéry.

Nútené jadrové štiepenie môžu spôsobiť akékoľvek častice: fotóny, neutróny, protóny, deuteróny, α-častice atď., ak energia, ktorú prispievajú k jadru, je dostatočná na prekonanie štiepnej bariéry.

Hmotnosti úlomkov vytvorených počas štiepenia tepelnými neutrónmi nie sú rovnaké. Jadro má tendenciu štiepiť sa takým spôsobom, že väčšina nukleónov fragmentu tvorí stabilné magické jadro. Na obr. 9.5 ukazuje rozdelenie hmoty pri delení. Najpravdepodobnejšia kombinácia hromadných čísel je 95 a 139.

Pomer počtu neutrónov k počtu protónov v jadre je 1,55, pričom pre stabilné prvky s hmotnosťou blízkou hmotnosti štiepnych fragmentov je tento pomer 1,25 - 1,45. V dôsledku toho sú štiepne fragmenty silne preťažené neutrónmi a sú nestabilné voči β-rozpadu – sú rádioaktívne.

V dôsledku štiepenia sa uvoľňuje energia ~ 200 MeV. Asi 80 % z toho pripadá na energiu fragmentu. V jednom akte štiepenia viac ako dva štiepne neutróny s priemernou energiou ~ 2 MeV.

1 g akejkoľvek látky obsahuje . Štiepenie 1 g uránu je sprevádzané uvoľnením ~ 9×10 10 J. To je takmer 3 milióny krát viac ako energia spálenia 1 g uhlia (2,9×10 4 J). Samozrejme, 1 g uránu stojí oveľa viac ako 1 g uhlia, ale náklady na 1 J energie získanej spaľovaním uhlia sú 400-krát vyššie ako v prípade uránového paliva. Výroba 1 kWh energie stála 1,7 centa v uhoľných elektrárňach a 1,05 centu v jadrových elektrárňach.

Vďaka reťazová reakcia je možné uskutočniť proces jadrového štiepenia sebestačný . Pri každom štiepení sú emitované 2 alebo 3 neutróny (obr. 9.6). Ak sa jednému z týchto neutrónov podarí spôsobiť štiepenie iného jadra uránu, potom bude proces sebestačný.

Súbor štiepneho materiálu, ktorý spĺňa túto požiadavku, sa nazýva tzv kritické zhromaždenie . Prvé takéto zhromaždenie, tzv nukleárny reaktor , bola postavená v roku 1942 pod vedením Enrica Fermiho v areáli Chicagskej univerzity. Prvý jadrový reaktor bol spustený v roku 1946 pod vedením I. Kurčatova v Moskve. Prvá jadrová elektráreň s výkonom 5 MW bola spustená v ZSSR v roku 1954 v meste Obninsk (obr. 9.7).

omša a môžete tiež urobiť nadkritické . V tomto prípade neutróny produkované počas štiepenia spôsobia niekoľko sekundárnych štiepení. Pretože neutróny sa pohybujú rýchlosťou presahujúcou 10 8 cm/s, nadkritická zostava môže úplne reagovať (alebo sa rozletieť) za menej ako tisícinu sekundy. Takéto zariadenie je tzv atómová bomba . Jadrový náboj vyrobený z plutónia alebo uránu sa prenesie do superkritického stavu, zvyčajne pomocou výbuchu. Podkritická masa je obklopená chemickými výbušninami. Počas výbuchu je plutóniová alebo uránová hmota okamžite stlačená. Pretože hustota gule sa v tomto prípade výrazne zvyšuje, rýchlosť absorpcie neutrónov sa ukazuje byť vyššia ako rýchlosť straty neutrónov v dôsledku ich emisie smerom von. Toto je podmienka superkritickosti.

Na obr. 9.8 je znázornený diagram atómovej bomby „Kid“ zhodenej na Hirošimu. Slúžil ako jadrová výbušnina v bombe, rozdelenej na dve časti, ktorých hmotnosť bola menej ako kritická. Kritická hmotnosť potrebná na výbuch vznikla spojením oboch častí „delovou metódou“ s použitím konvenčných trhavín.

Výbuch 1 tony trinitrotoluénu (TNT) uvoľní 10 9 cal alebo 4 × 10 9 J. Výbuch atómovej bomby, ktorá spotrebuje 1 kg plutónia, uvoľní asi 8 × 10 13 J energie.

Alebo je to takmer 20 000-krát viac ako pri výbuchu 1 tony TNT. Takáto bomba sa nazýva 20-kilotonová bomba. Dnešné megatonové bomby sú miliónkrát silnejšie ako bežné výbušniny TNT.

Výroba plutónia je založená na ožiarení 238 U neutrónmi, čo vedie k vytvoreniu izotopu 239 U, ktorý sa v dôsledku beta rozpadu zmení na 239 Np a po ďalšom beta rozpade na 239 Pu. Keď je nízkoenergetický neutrón absorbovaný, izotopy 235 U a 239 Pu podliehajú štiepeniu. Produkty štiepenia sa vyznačujú silnejšou väzbou (~ 1 MeV na nukleón), vďaka čomu sa v dôsledku štiepenia uvoľní približne 200 MeV energie.

Z každého gramu vyčerpaného plutónia alebo uránu vznikne takmer gram rádioaktívnych štiepnych produktov, ktoré majú obrovskú rádioaktivitu.

Ak chcete zobraziť ukážky, kliknite na príslušný hypertextový odkaz: