Fisija uranovega jedra. Verižna reakcija

Vsa ta zmeda je zdaj povsem jasna. Izkazalo se je, da se lahko v uranu pod delovanjem nevtronov pojavi nova vrsta jedrske transformacije. Ta preobrazba, ki sta jo leta 1938 odkrila Hahn in Strassmann in je bila znana v začetku leta 1939, je v tem, da se lahko uranovo jedro po ujenju nevtrona razdeli na dve polovici.

Pri vseh drugih jedrskih reakcijah kvečjemu alfa delec odleti iz jedra. Tu sta iz urana pridobljeni dve jedri s povprečno atomsko maso, na primer kripton in barij:

(uran) 2|| + nevtron ->. (uran) U (kripton) ^ -[- (barij)'|?.

Energija vezave drobcev, to je jeder kriptona in barija, je veliko večja od energije urana. Zato se med cepljenjem urana sprosti ogromna energija 170 milijonov voltov, torej 10-krat več kot pri uničenju lige s protoni. Energija, ki se sprosti med cepljenjem, preide v kinetično energijo uranovih drobcev, kar pomeni, da ti drobci pridobijo ogromno hitrost.

Mimogrede, cepitev urana je podobna fisiji litija:

(litij) - (- proton) (berilij) ® - ". (helij) 2+ (helij) *.

V obeh primerih je jedro razdeljeno na dve polovici, razlogi za sproščanje energije pa so tudi enaki. Vendar pa jedra, težja od litija, vedno oddajajo največ delce alfa; ko se litij uniči, dobimo tudi samo alfa delce. Zato je cepitev urana prav poseben pojav.

Poglejmo, kako poteka ta cepitev urana. Uranovo jedro, sestavljeno iz več kot dvesto delcev, je kot majhna okrogla nabita kapljica in ima sferično obliko (slika 16, a). Če začnemo spreminjati obliko jedra, se bo zgodilo popolnoma enako kot s kapljico. Z majhnim

Ko se jedro raztegne, se nagiba k vrnitvi v prvotno sferično obliko, saj je v tem primeru površina jedra najmanjša; povečanje površine ni koristno, zahteva energijo.

Če pa močno spremenimo - obliko jedra - kot je prikazano na sl. 16, v - potem boste že jedro

Bolje je, da se razpade na dve polovici, ker se oba dela jedra odbijata drug od drugega z električnimi silami in ta odboj postane pomemben.

Ne, kot izguba energije, povezana s povečanjem površine.

Da bi torej prišlo do cepitve uranovega jedra, je treba v jedru povzročiti močne premike, ki bi pripeljali do želene spremembe njegove oblike.

4 V. L. Ginzburg 49

Nevtron, ki vstopi v jedro urana, lahko samo vzbudi močna gibanja in s tem privede do cepitve tega jedra. Med cepljenjem se pridobivajo različni drobci, na primer kripton in barij ali rubidij in cezij (od primera do primera je mogoče dobiti en par jeder ali drugega).

V komori oblakov lahko opazimo drobce (slika 17).

Za vse drobce, ki nastanejo zaradi cepitve urana, pa je značilna ena lastnost - izkaže se, da so zelo preobremenjeni z nevtroni. Stvar je

Dejstvo, da je pri težjih elementih razmerje med številom nevtronov in številom protonov večje kot pri lahkih elementih.

Na primer v uranu 2!! je 146 nevtronov in 92 protonov, v kisiku pa je enako število nevtronov in protonov.

Naravno prisotna izotopa kriptona in barija imata največ 50 oziroma 82 nevtronov oziroma skupaj 132 nevtronov. Medtem je v jedru urana z maso 239, ki razpade na kripton in barij, 147 nevtronov; zato bosta jedra kriptona in barija, ki nastaneta med cepljenjem urana, skupaj imela 50

15 dodatnih nevtronov. Ta okoliščina vodi v dejstvo, da se v delcih, ki nastanejo zaradi cepitve urana, presežni nevtroni pretvorijo v protone, to pomeni, da se ti fragmenti izkažejo za radioaktivne in oddajajo beta delce. Kripton na primer razpada takole:

(kripton) 3(G> (rubidij) 37-- (elektron) (stroncij) 38-)- (elektron).

Tako med cepljenjem urana nastane veliko elementov, od katerih je večina radioaktivnih.

Toda preobremenitev drobcev z nevtroni je tako velika, da zadeva ni omejena samo na radioaktivnost in več nevtronov preprosto odleti v prosti obliki.

Posledično se med cepljenjem urana, ki ga povzročajo nevtroni, sproščajo novi nevtroni, katerih število je enako dvema ali trem na eno kolapsirajoče jedro (slika 18).

To dejstvo ima odločilno vlogo pri uporabi jedrske energije.

Fisija urana se izkaže za jedrsko transformacijo ravno te vrste, pri kateri en nevtron povzroči emisijo več novih nevtronov. Hkrati se sprosti veliko energije. Če lahko nevtroni, ki nastanejo pri cepitvi, uspešno povzročijo novo cepitev jeder, se bo število nevtronov in razbitih jeder ves čas povečevalo in reakcija se ne bo ustavila.

Poleg tega, če se ne sprejmejo posebni ukrepi, bo ta reakcija tako močno rasla, da bo nastala eksplozija. Taka reakcija, ki raste brez zunanjih virov, kot smo že rekli, se imenuje verižna reakcija.

Izkazalo se je, da je v uranu takšno verižno reakcijo mogoče izvesti pod določenimi pogoji.

Tako se je prvič sprostila jedrska energija.

Vsebina članka

JEDRSKA FISIJA, jedrska reakcija, pri kateri se atomsko jedro, ko ga bombardirajo nevtroni, razcepi na dva ali več fragmentov. Skupna masa drobcev je običajno manjša od vsote mas začetnega jedra in bombardiranega nevtrona. "Pogrešana maša" m spremeni v energijo E po Einsteinovi formuli E = mc 2, kje c je svetlobna hitrost. Ker je svetlobna hitrost zelo velika (299.792.458 m/s), majhna masa ustreza ogromni količini energije. To energijo je mogoče pretvoriti v električno.

Energija, ki se sprosti med jedrsko cepitev, se pretvori v toploto, ko se cepitveni drobci upočasnijo. Hitrost sproščanja toplote je odvisna od števila jeder, ki se cepijo na enoto časa. Ko pride do cepitve velikega števila jeder v majhnem volumnu v kratkem času, ima reakcija značaj eksplozije. To je načelo atomske bombe. Če se po drugi strani relativno majhno število jeder cepi v velikem volumnu dlje časa, bo rezultat sproščanje toplote, ki jo je mogoče uporabiti. Na tem temeljijo jedrske elektrarne. V jedrskih elektrarnah se toplota, ki se sprosti v jedrskih reaktorjih kot posledica jedrske cepitve, uporablja za proizvodnjo pare, ki se dovaja v turbine, ki vrtijo električne generatorje.

Za praktično uporabo fisijskih procesov sta najbolj primerna uran in plutonij. Imajo izotope (atome določenega elementa z različnimi masnimi številkami), ki se cepijo, ko absorbirajo nevtrone, tudi pri zelo nizkih energijah.

Ključ do praktične uporabe cepitvene energije je bilo dejstvo, da nekateri elementi v procesu cepitve oddajajo nevtrone. Čeprav se med jedrsko cepijo absorbira en nevtron, se ta izguba nadomesti s proizvodnjo novih nevtronov med cepljenjem. Če ima naprava, v kateri pride do cepitve, dovolj veliko ("kritično") maso, se lahko "verižna reakcija" vzdržuje zaradi novih nevtronov. Verižno reakcijo je mogoče nadzorovati s prilagajanjem števila nevtronov, ki lahko povzročijo cepitev. Če je večja od ena, se intenzivnost delitve poveča, če je manjša od ena, pa se zmanjša.

ZGODOVINA REFERENCA

Zgodovina odkritja jedrske cepitve izvira iz dela A. Becquerela (1852–1908). Ko je leta 1896 raziskoval fosforescenco različnih materialov, je odkril, da minerali, ki vsebujejo uran, spontano oddajajo sevanje, ki povzroči črnitev fotografske plošče, tudi če je med mineral in ploščo neprozorna trdna snov. Različni eksperimentatorji so ugotovili, da to sevanje sestavljajo alfa delci (helijeva jedra), beta delci (elektroni) in gama žarki (trdo elektromagnetno sevanje).

Prvo preoblikovanje jeder, ki ga je umetno povzročil človek, je leta 1919 izvedel E. Rutherford, ki je z obsevanjem dušika z alfa delci urana pretvoril dušik v kisik. To reakcijo je spremljala absorpcija energije, saj masa njenih produktov - kisika in vodika - presega maso delcev, ki vstopajo v reakcijo - dušika in alfa delcev. Sprostitev jedrske energije sta leta 1932 prvič dosegla J. Cockcroft in E. Walton, ki sta litij bombardirala s protoni. Pri tej reakciji je bila masa jeder, ki so vstopila v reakcijo, nekoliko večja od mase produktov, zaradi česar se je sprostila energija.

Leta 1932 je J. Chadwick odkril nevtron – nevtralen delec z maso, ki je približno enaka masi jedra vodikovega atoma. Fiziki po vsem svetu so začeli preučevati lastnosti tega delca. Brez električnega naboja in ki ga pozitivno nabito jedro ne odbije, so domnevali, da bo nevtron bolj verjetno povzročil jedrske reakcije. Novejši rezultati so to domnevo potrdili. V Rimu so E. Fermi in njegovi sodelavci skoraj vse elemente periodnega sistema podvrgli nevtronskemu obsevanju in opazovali jedrske reakcije s tvorbo novih izotopov. Dokaz za nastanek novih izotopov je bila "umetna" radioaktivnost v obliki gama in beta sevanja.

Prvi znaki možnosti jedrske cepitve.

Fermi je zaslužen za odkritje mnogih danes znanih nevtronskih reakcij. Zlasti je skušal pridobiti element z atomsko številko 93 (neptunij) z bombardiranjem urana (elementa z atomsko številko 92) z nevtroni. Hkrati je v predlagani reakciji registriral elektrone, ki se oddajajo kot posledica zajema nevtronov.

238 U + 1 n ® 239 Np + b–,

kjer je 238 U izotop urana-238, 1 n je nevtron, 239 Np je neptunij in b- - elektron. Vendar so bili rezultati mešani. Da bi izključili možnost, da registrirana radioaktivnost pripada uranovim izotopom ali drugim elementom, ki se nahajajo v periodnem sistemu pred uranom, je bilo treba izvesti kemično analizo radioaktivnih elementov.

Rezultati analize so pokazali, da neznani elementi ustrezajo zaporednim številkam 93, 94, 95 in 96. Zato je Fermi zaključil, da je pridobil transuranove elemente. Vendar sta O. Hahn in F. Strassman v Nemčiji po temeljiti kemični analizi ugotovila, da je med elementi, ki nastanejo pri obsevanju urana z nevtroni, prisoten radioaktivni barij. To je pomenilo, da je verjetno del uranovih jeder razdeljen na dva velika fragmenta.

Potrditev delitve.

Po tem so Fermi, J. Dunning in J. Pegram z univerze Columbia izvedli poskuse, ki so pokazali, da jedrska cepitev res poteka. Cepitev urana z nevtroni je bila potrjena z metodami proporcionalnih števcev, oblačne komore in kopičenja fisijskih drobcev. Prva metoda je pokazala, da se visokoenergetski impulzi oddajajo, ko se vir nevtronov približa vzorcu urana. V komori oblakov je bilo videti, da je uranovo jedro, bombardirano z nevtroni, razdeljeno na dva fragmenta. Slednja metoda je omogočila ugotovitev, da so fragmenti, kot je predvideno v teoriji, radioaktivni. Vse to skupaj je prepričljivo dokazalo, da do cepitve res prihaja, in omogočilo samozavestno presojo energije, ki se sprosti med cepljenjem.

Ker se dopustno razmerje med številom nevtronov in številom protonov v stabilnih jedrih zmanjšuje z zmanjšanjem velikosti jedra, mora biti delež nevtronov v fragmentih manjši kot v izvirnem jedru urana. Tako so obstajali vsi razlogi za domnevo, da proces cepitve spremlja emisija nevtronov. To je kmalu eksperimentalno potrdil F. Joliot-Curie in njegovi sodelavci: število oddanih nevtronov v procesu cepitve je bilo večje od števila absorbiranih nevtronov. Izkazalo se je, da sta za en absorbiran nevtron približno dva in pol nova nevtrona. Možnost verižne reakcije in možnosti za ustvarjanje izjemno močnega vira energije in njegovo uporabo v vojaške namene so se takoj pokazale. Po tem so se v številnih državah (zlasti v Nemčiji in ZDA) začela dela na ustvarjanju atomske bombe v pogojih globoke tajnosti.

Razvoj dogodkov med drugo svetovno vojno.

Od leta 1940 do 1945 so smer razvoja določali vojaški premisleki. Leta 1941 so bile pridobljene majhne količine plutonija in določeni številni jedrski parametri urana in plutonija. V Združenih državah so bila najpomembnejša proizvodna in raziskovalna podjetja, potrebna za to, pod jurisdikcijo "vojaškega inženirskega okrožja Manhattan", kamor je bil 13. avgusta 1942 prenesen "projekt urana". Na univerzi Columbia (New York) je skupina zaposlenih pod vodstvom E. Fermija in V. Zinna izvedla prve poskuse, v katerih so preučevali množenje nevtronov v mreži blokov uranovega dioksida in grafita – atomskem »kotlu«. Januarja 1942 je bilo to delo preneseno na Univerzo v Chicagu, kjer so julija 1942 dobili rezultate, ki kažejo na možnost samovzdržne verižne reakcije. Sprva je reaktor deloval z močjo 0,5 W, po 10 dneh pa se je moč povečala na 200 W. Možnost pridobivanja velikih količin jedrske energije je bila prvič dokazana 16. julija 1945, ko je bila na poligonu Alamogordo (Nova Mehika) eksplodirana prva atomska bomba.

JEDRSKI REAKTORJI

Jedrski reaktor je naprava, v kateri je mogoče izvajati nadzorovano samovzdrževalno verižno reakcijo jedrske cepitve. Reaktorje lahko razvrstimo glede na uporabljeno gorivo (cepljivi in ​​surovi izotopi), po vrsti moderatorja, po vrsti gorivnih elementov in po vrsti hladilne tekočine.

cepljivi izotopi.

Obstajajo trije cepljivi izotopi - uran-235, plutonij-239 in uran-233. Uran-235 se proizvaja z ločevanjem izotopov; plutonij-239 - v reaktorjih, v katerih se uran-238 pretvori v plutonij, 238 U ® 239 U ® 239 Np ® 239 Pu; uran-233 - v reaktorjih, v katerih se torij-232 predela v uran. Jedrsko gorivo za energetski reaktor je izbrano ob upoštevanju njegovih jedrskih in kemičnih lastnosti ter stroškov.

Spodnja tabela prikazuje glavne parametre cepljivih izotopov. Skupni presek označuje verjetnost kakršne koli interakcije med nevtronom in danim jedrom. Prerez cepitve označuje verjetnost jedrske cepitve z nevtronom. Energijski donos na absorbirani nevtron je odvisen od tega, kateri del jeder ne sodeluje v procesu cepitve. Število oddanih nevtronov v enem fisijskem dogodku je pomembno z vidika vzdrževanja verižne reakcije. Število novih nevtronov na absorbirani nevtron je pomembno, ker označuje intenzivnost cepitve. Delež zapoznelih nevtronov, ki se oddajajo po cepitvenju, je povezan z energijo, shranjeno v materialu.

ZNAČILNOSTI FISILNIH IZOTOPOV

ZNAČILNOSTI FISILNIH IZOTOPOV
Izotop	Uran-235		Uran-233		Plutonij-239
Nevtronska energija	1 MeV	0,025 eV	1 MeV	0,025 eV	1 MeV	0,025 eV
Celoten razdelek	6,6±0,1	695±10	6,2±0,3	600±10	7,3±0,2	1005±5
Prerez delitve	1,25±0,05	581 ± 6	1,85±0,10	526±4	1,8±0,1	751±10
Delež jeder, ki ne sodelujejo pri cepitvi	0,077 ± 0,002	0,174 ± 0,01	0,057 ± 0,003	0,098 ± 0,004	0,08 ± 0,1	0,37 ± 0,03
Število oddanih nevtronov v enem dogodku cepitve	2,6±0,1	2,43 ± 0,03	2,65±0,1	2,50±0,03	3,03±0,1	2,84±0,06
Število nevtronov na absorbirani nevtron	2,41±0,1	2,07 ± 0,02	2,51±0,1	2,28 ± 0,02		2,07±0,04
Delež zapoznelih nevtronov, %	(0,64±0,03)	(0,65±0,02)	(0,26±0,02)	(0,26±0,01)	(0,21±0,01)	(0,22±0,01)
Energija cepitve, MeV
Vsi odseki so podani v hlevih (10 -28 m 2).

Podatki tabele kažejo, da ima vsak cepljivi izotop svoje prednosti. Na primer, v primeru izotopa z največjim presekom za toplotne nevtrone (z energijo 0,025 eV) je za doseganje kritične mase pri uporabi nevtronskega moderatorja potrebno manj goriva. Ker je največje število nevtronov na absorbirani nevtron v reaktorju s hitrim plutonijem (1 MeV), je v načinu razmnoževanja bolje uporabiti plutonij v hitrem reaktorju ali uran-233 v termičnem reaktorju kot uran-235 v termičnem reaktorju. Uran-235 je bolj zaželen z vidika enostavnosti nadzora, saj ima večji delež zapoznelih nevtronov.

Surovi izotopi.

Obstajata dva surova izotopa: torij-232 in uran-238, iz katerih se pridobivata cepljiva izotopa uran-233 in plutonij-239. Tehnologija uporabe surovih izotopov je odvisna od različnih dejavnikov, kot je potreba po obogatitvi. Uranova ruda vsebuje 0,7 % urana-235, torijeva ruda pa ne vsebuje cepljivih izotopov. Zato je treba toriju dodati obogaten cepljiv izotop. Pomembno je tudi število novih nevtronov na absorbirani nevtron. Ob upoštevanju tega dejavnika je treba dati prednost uranu-233 v primeru toplotnih nevtronov (moderiranih na energijo 0,025 eV), saj je v takih pogojih število oddanih nevtronov večje in posledično pretvorba faktor je število novih cepljivih jeder na eno »izrabljeno« cepljivo jedro.

Retarderji.

Moderator služi za zmanjšanje energije nevtronov, ki se oddajajo v procesu cepitve, s približno 1 MeV na toplotno energijo približno 0,025 eV. Ker umirjanje nastane predvsem kot posledica elastičnega sipanja jeder necepljivih atomov, mora biti masa moderatorskih atomov čim manjša, da jim nevtron prenese največjo energijo. Poleg tega morajo imeti atomi moderatorja majhen (v primerjavi s presekom sipanja) prerez zajemanja, saj mora nevtron večkrat trčiti z atomi moderatorja, preden se upočasni na toplotno energijo.

Najboljši moderator je vodik, saj je njegova masa skoraj enaka masi nevtrona in zato nevtron pri trku z vodikom izgubi največjo količino energije. Toda navadni (lahki) vodik premočno absorbira nevtrone, zato se izkažeta za bolj primerna moderatorja devterij (težki vodik) in težka voda, kljub nekoliko večji masi, saj manj absorbirata nevtrone. Berilij se lahko šteje za dobrega moderatorja. Ogljik ima tako majhen presek absorpcije nevtronov, da učinkovito ublaži nevtrone, čeprav za upočasnitev potrebuje veliko več trkov kot vodik.

Povprečno število N Elastični trki, potrebni za upočasnitev nevtrona z 1 MeV na 0,025 eV z uporabo vodika, devterija, berilija in ogljika, so približno 18, 27, 36 oziroma 135. Približna narava teh vrednosti je posledica dejstva, da zaradi prisotnosti kemične energije vezi v moderatorju trka pri energijah pod 0,3 eV skoraj ne morejo biti elastične. Pri nizkih energijah lahko atomska rešetka prenese energijo na nevtrone ali spremeni učinkovito maso pri trku, s čimer se krši proces upočasnjevanja.

Nosilci toplote.

Hladilna sredstva, ki se uporabljajo v jedrskih reaktorjih, so voda, težka voda, tekoči natrij, tekoči natrij-kalij (NaK), helij, ogljikov dioksid in organske tekočine, kot je terfenil. Te snovi so dobri nosilci toplote in imajo nizek presek absorpcije nevtronov.

Voda je odličen moderator in hladilno sredstvo, vendar premočno absorbira nevtrone in ima pri delovni temperaturi 336 °C previsok parni tlak (14 MPa). Najbolj znan moderator je težka voda. Njegove lastnosti so blizu običajnim vodam, prerez absorpcije nevtronov pa je manjši. Natrij je odlično hladilno sredstvo, vendar ni učinkovit kot moderator nevtronov. Zato se uporablja v reaktorjih s hitrimi nevtroni, kjer se med cepljenjem oddaja več nevtronov. Res je, da ima natrij številne pomanjkljivosti: povzroča radioaktivnost, ima nizko toplotno kapaciteto, je kemično aktiven in se strdi pri sobni temperaturi. Zlitina natrija in kalija je po lastnostih podobna natriju, vendar ostane tekoča pri sobni temperaturi. Helij je odlično hladilno sredstvo, vendar ima nizko specifično toplotno zmogljivost. Ogljikov dioksid je dobro hladilno sredstvo in se pogosto uporablja v grafitnih reaktorjih. Terfenil ima prednost pred vodo, da ima pri delovni temperaturi nizek parni tlak, vendar se pod visokimi temperaturami in sevalnimi tokovi, ki so značilni za reaktorje, razpade in polimerizira.

Elementi za ustvarjanje toplote.

Gorivni element (FE) je gorivno jedro s hermetičnim plaščem. Obloga preprečuje uhajanje produktov cepitve in interakcijo goriva s hladilno tekočino. Material lupine mora slabo absorbirati nevtrone in imeti sprejemljive mehanske, hidravlične in toplotno prevodne lastnosti. Gorivni elementi so običajno peleti sintranega uranovega oksida v cevi iz aluminija, cirkonija ali nerjavnega jekla; peleti iz uranovih zlitin s cirkonijem, molibdenom in aluminijem, prevlečeni s cirkonijem ali aluminijem (v primeru aluminijeve zlitine); grafitne tablete z dispergiranim uranovim karbidom, prevlečenim z neprepustnim grafitom.

Uporabljajo se vsi ti gorivni elementi, vendar so za reaktorje z vodo pod tlakom najbolj zaželene pelete uranovega oksida v ceveh iz nerjavnega jekla. Uranov dioksid ne reagira z vodo, ima visoko odpornost na sevanje in je značilno visoko tališče.

Zdi se, da so grafitne gorivne celice zelo primerne za visokotemperaturne plinsko hlajene reaktorje, vendar imajo resno pomanjkljivost – plinasti cepitveni produkti lahko prodrejo skozi njihovo oblogo zaradi difuzije ali okvar grafita.

Organska hladilna sredstva niso združljiva s cirkonijevimi gorivnimi palicami in zato zahtevajo uporabo aluminijevih zlitin. Možnosti za reaktorje z organskimi hladilnimi sredstvi so odvisne od tega, ali se ustvarijo aluminijeve zlitine ali izdelki iz prašne metalurgije, ki bi imeli trdnost (pri delovnih temperaturah) in toplotno prevodnost, potrebno za uporabo reber, ki povečajo prenos toplote na hladilno sredstvo. Ker je prenos toplote med gorivom in organskim hladilnim sredstvom zaradi toplotne prevodnosti majhen, je za povečanje prenosa toplote zaželeno uporabiti površinsko vrenje. Nove težave bodo povezane s površinskim vrenjem, ki pa jih je treba rešiti, če se izkaže, da je uporaba organskih tekočin za prenos toplote koristna.

VRSTE REAKTORJEV

Teoretično je možnih več kot 100 različnih vrst reaktorjev, ki se razlikujejo po gorivu, moderatorju in hladilni tekočini. Večina običajnih reaktorjev uporablja vodo kot hladilno tekočino, bodisi pod pritiskom ali vrelo vodo.

Reaktor z vodo pod tlakom.

V takih reaktorjih voda služi kot moderator in hladilno sredstvo. Ogreta voda se pod tlakom črpa v toplotni izmenjevalnik, kjer se toplota prenese na vodo sekundarnega kroga, v katerem nastane para, ki vrti turbino.

Vrelni reaktor.

V takem reaktorju voda vre neposredno v jedru reaktorja in nastala para vstopi v turbino. Večina reaktorjev z vrelo vodo uporablja tudi vodo kot moderator, včasih pa se uporablja grafitni moderator.

Reaktor s tekočim kovinskim hlajenjem.

V takem reaktorju se tekoča kovina, ki kroži po ceveh, uporablja za prenos toplote, ki se sprosti med cepljenjem v reaktorju. Skoraj vsi reaktorji te vrste uporabljajo natrij kot hladilno tekočino. Para, ki nastane na drugi strani cevi primarnega kroga, se dovaja v običajno turbino. V reaktorju, hlajenem s tekočo kovino, lahko uporabimo relativno visokoenergijske nevtrone (reaktor s hitrimi nevtroni) ali nevtrone, moderirane v grafitu ali berilijevem oksidu. Kot reaktorji za razmnoževanje so bolj zaželeni hitri nevtronski reaktorji, hlajeni s tekočo kovino, saj v tem primeru ni izgub nevtronov, povezanih z umerjanjem.

plinsko hlajen reaktor.

V takem reaktorju se toplota, ki se sprošča med cepitvenim procesom, prenaša na generator pare s plinom – ogljikovim dioksidom ali helijem. Moderator nevtronov je običajno grafit. Plinsko hlajen reaktor lahko deluje pri veliko višjih temperaturah kot tekočinsko hlajen reaktor in je zato primeren za industrijske ogrevalne sisteme in elektrarne z visokim izkoristkom. Za majhne plinsko hlajene reaktorje je značilna povečana varnost pri obratovanju, zlasti odsotnost nevarnosti taljenja reaktorja.

homogeni reaktorji.

V jedru homogenih reaktorjev se uporablja homogena tekočina, ki vsebuje cepljiv izotop urana. Tekočina je običajno staljena uranova spojina. Črpa se v veliko sferično tlačno posodo, kjer v kritični masi pride do cepitvene verižne reakcije. Tekočina se nato dovaja v generator pare. Homogeni reaktorji zaradi konstrukcijskih in tehnoloških težav niso pridobili popularnosti.

REAKTIVNOST IN NADZOR

Možnost samovzdržne verižne reakcije v jedrskem reaktorju je odvisna od tega, koliko nevtronov uhaja iz reaktorja. Nevtroni, ki nastanejo med cepljenjem, izginejo kot posledica absorpcije. Poleg tega je možno uhajanje nevtronov zaradi difuzije skozi snov, podobno kot pri difuziji enega plina skozi drugega.

Če želite nadzorovati jedrski reaktor, morate biti sposobni nadzorovati faktor razmnoževanja nevtronov k, opredeljeno kot razmerje med številom nevtronov v eni generaciji in številom nevtronov v prejšnji generaciji. Pri k= 1 (kritični reaktor) je stacionarna verižna reakcija s konstantno intenzivnostjo. Pri k> 1 (superkritični reaktor), se intenzivnost procesa poveča in pri k r = 1 – (1/ k) se imenuje reaktivnost.)

Zaradi pojava zapoznelih nevtronov se čas »rojstva« nevtronov poveča z 0,001 s na 0,1 s. Ta značilni reakcijski čas omogoča njegovo krmiljenje s pomočjo mehanskih aktuatorjev – krmilnih palic iz materiala, ki absorbira nevtrone (B, Cd, Hf, In, Eu, Gd itd.). Kontrolna časovna konstanta mora biti reda 0,1 s ali več. Za zagotovitev varnosti je izbran takšen način delovanja reaktorja, pri katerem so v vsaki generaciji potrebni zapozneli nevtroni za vzdrževanje stacionarne verižne reakcije.

Za zagotavljanje določenega nivoja moči se uporabljajo krmilne palice in nevtronski reflektorji, vendar je s pravilnim izračunom reaktorja mogoče močno poenostaviti kontrolno nalogo. Na primer, če je reaktor zasnovan tako, da se s povečanjem moči ali temperature reaktivnost zmanjša, potem bo bolj stabilen. Na primer, če je zaostajanje nezadostno, se voda v reaktorju zaradi dviga temperature razširi, t.j. gostota moderatorja se zmanjša. Posledično se poveča absorpcija nevtronov v uranu-238, saj nimajo časa, da bi se učinkovito upočasnili. V nekaterih reaktorjih se uporablja faktor za povečanje uhajanja nevtronov iz reaktorja zaradi zmanjšanja gostote vode. Drug način za stabilizacijo reaktorja je segrevanje "resonančnega absorberja nevtronov", kot je uran-238, ki nato močneje absorbira nevtrone.

Varnostni sistemi.

Varnost reaktorja zagotavlja en ali drug mehanizem za izklop v primeru močnega povečanja moči. To je lahko mehanizem fizičnega procesa ali delovanje nadzornega in zaščitnega sistema ali oboje. Pri projektiranju vodno hlajenih reaktorjev so predvidene izredne razmere, povezane z dotokom hladne vode v reaktor, padcem pretoka hladilne tekočine in previsoko reaktivnostjo med zagonom. Ker se intenzivnost reakcije povečuje z zniževanjem temperature, z močnim dotokom hladne vode v reaktor se reaktivnost in moč povečata. Zaščitni sistem običajno predvideva samodejno zaklepanje, ki preprečuje vstop hladne vode. Z zmanjšanjem pretoka hladilne tekočine se reaktor pregreje, tudi če se njegova moč ne poveča. V takih primerih je potrebna avtomatska zaustavitev. Poleg tega morajo biti črpalke hladilne tekočine dimenzionirane tako, da dovajajo hladilno tekočino, potrebno za zaustavitev reaktorja. Pri zagonu reaktorja s previsoko reaktivnostjo se lahko pojavijo izredne razmere. Zaradi nizke moči se reaktor nima časa dovolj segreti, da bi temperaturna zaščita delovala, dokler ni prepozno. Edini zanesljiv ukrep v takih primerih je previden zagon reaktorja.

Izogibanje tem izrednim razmeram je precej preprosto, če upoštevate naslednje pravilo: vsa dejanja, ki lahko povečajo reaktivnost sistema, je treba izvajati previdno in počasi. Najpomembnejša stvar pri vprašanju varnosti reaktorja je absolutna potreba po dolgotrajnem hlajenju jedra reaktorja po prenehanju cepitvene reakcije v njem. Dejstvo je, da radioaktivni produkti cepitve, ki ostanejo v kartušah z gorivom, oddajajo toploto. To je veliko manj kot toplota, ki se sprosti v načinu polne moči, vendar je dovolj, da se gorivni elementi stopijo, če ni potrebnega hlajenja. Kratka prekinitev oskrbe s hladilno vodo je povzročila znatno škodo na sredici in nesrečo reaktorja na otoku Three Mile Island (ZDA). Uničenje jedra reaktorja je najmanjša škoda v primeru takšne nesreče. Še huje, če pride do puščanja nevarnih radioaktivnih izotopov. Večina industrijskih reaktorjev je opremljenih s hermetično zaprtimi varnostnimi lupinami, ki naj bi v primeru nesreče preprečile izpust izotopov v okolje.

Za zaključek ugotavljamo, da je možnost uničenja reaktorja v veliki meri odvisna od njegove sheme in zasnove. Reaktorji so lahko zasnovani tako, da zmanjšanje pretoka hladilne tekočine ne bo povzročilo velikih težav. To so različne vrste plinsko hlajenih reaktorjev.

cepitev urana

Samo jedra se lahko delijo nekaj težkih elementov, kot je uran.

Jedro urana - 235 je sferično. Ko absorbira nevtron, je jedro vzbujeno in se začne deformirati.
Razteza se od strani do strani, dokler ne začnejo Coulombove odbojne sile med protoni prevladati nad jedrskimi silami privlačnosti. Po tem se jedro raztrga na dva dela in drobci razletijo s hitrostjo 1/30 svetlobne hitrosti. Jedrska cepitev proizvede še 2 ali 3 nevtrone.
Pojav nevtronov je razložen z dejstvom, da se število nevtronov v drobcih izkaže za večje, kot je dovoljeno.

Okolje upočasni leteče drobce, ki imajo izjemno hitrost.
Kinetična energija drobcev se pretvori v notranjo energijo medija, ki se segreje.
Tako cepitev uranovih jeder spremlja sproščanje velike količine energije.

JEDRSKA VERIŽNA REAKCIJA

To je proces, pri katerem ena izvedena reakcija povzroči naslednje reakcije iste vrste.

Med cepljenjem enega uranovega jedra lahko nastali nevtroni povzročijo cepitev drugih uranovih jeder, medtem ko se število nevtronov povečuje kot plaz.

Razmerje med številom proizvedenih nevtronov v enem fisijskem dogodku in številom takšnih nevtronov v prejšnjem fisijskem dogodku se imenuje faktor množenja nevtroni k.

Ko je k manjši od 1, reakcija ugasne, ker število absorbiranih nevtronov je večje od števila novonastalih.
Ko je k večji od 1, pride do eksplozije skoraj v trenutku.
Ko je k enak 1, pride do nadzorovane stacionarne verižne reakcije.

Verižno reakcijo spremlja sproščanje velike količine energije.

Za izvedbo verižne reakcije ni mogoče uporabiti nobenih jeder, ki se cepijo pod vplivom nevtronov.

Kemični element uran, ki se uporablja kot gorivo za jedrske reaktorje, je seveda sestavljen iz dveh izotopov: urana-235 in urana-238.

V naravi izotopi urana-235 predstavljajo le 0,7 % celotne zaloge urana, vendar so primerni za vodenje verižne reakcije, ker razdeljeno pod vplivom počasni nevtroni.

Jedra urana-238 je mogoče razdeliti le pod vplivom nevtronov visoke energije ( hitri nevtroni). Le 60 % nevtronov, ki se pojavijo med cepljenjem jedra urana-238, ima takšno energijo. Približno le 1 od 5 proizvedenih nevtronov povzroči jedrsko cepitev.

Pogoji za verižno reakcijo v uran-235:

Najmanjša količina goriva (kritična masa), potrebna za nadzorovano verižno reakcijo v jedrskem reaktorju
- hitrost nevtronov naj povzroči cepitev uranovih jeder
- brez nečistoč, ki absorbirajo nevtrone

Kritična masa:

Če je masa urana majhna, bodo nevtroni leteli iz njega, ne da bi reagirali
- če je masa urana velika, je možna eksplozija zaradi močnega povečanja števila nevtronov
- če masa ustreza kritični, poteka nadzorovana verižna reakcija

Za uran-235 kritična masa je 50 kg (to je na primer krogla iz urana s premerom 9 cm).

Prva nadzorovana verižna reakcija - ZDA leta 1942 (E. Fermi)
V ZSSR - 1946 (I.V. Kurchatov).

Ne pozabite na temo "Atomska fizika" za 9. razred:

Radioaktivnost.
radioaktivne transformacije.
Sestava atomskega jedra. jedrske sile.
Komunikacijska energija. napaka mase.
Fisija uranovih jeder.
Jedrska verižna reakcija.
Jedrski reaktor.
termonuklearna reakcija.

Druge strani na temo "Atomska fizika" za 10-11 razrede:

MALO IZ ZGODOVINE

Leta 1930 sta v Cambridgeu J. Cockcroft in E. Walson razdelila atom. Vodja laboratorija Cavendish, Lord E. Rutherford, je o tem poskusu javno spregovoril: »Razcepitev atoma je le najbolj eleganten poskus in njegova eleganca je v tem, da nima praktične uporabe."
___

Ko se je začelo delo v Franciji za ustvarjanje atomskega orožja in temu primerno pri čiščenju izotopov urana je bilo nenadoma odkrito, da urana iz okolice zahodnoafriške vasi Oklo namesto 0,71 % za uran-235, primernega za strelivo, vsebuje le 0,68 %. Sledila je pravda, ki je privedla do odkritja edinstvenega, resnično edinstvenega predmeta - naravni jedrski reaktor! Hkrati je bil med delovanjem tega reaktorja porabljen del urana-235.
___

Človeštvo je pred kratkim opazilo 50. obletnica atomskega bombardiranja Hirošima in Nagasaki. Pot do teh tragičnih dogodkov je potekala tudi pod glavno tribuno čikaškega stadiona, kjer je 2. decembra 1942 prva jedrska verižna reakcija.
___

Iz šale o kaj je verižna reakcija: "Če nekdo hodi blizu psa, ki sedi na verigi, začne lajati, drugi psi pa mu sledijo."

>> fisija urana

§ 107 FISIJA URANOVA JEDR

Le jedra nekaterih težkih elementov lahko razdelimo na dele. Med cepljenjem jeder se oddajajo dva ali trije nevtroni in -žarki. Hkrati se sprosti veliko energije.

Odkritje cepitve urana. Fisijo uranovih jeder sta leta 1938 odkrila nemška znanstvenika O. Hahn in F. Strassmann. Ugotovili so, da ob bombardiranju urana z nevtroni nastanejo elementi srednjega dela periodnega sistema: barij, kripton itd. Vendar je bila pravilna interpretacija tega dejstva ravno kot cepitve uranovega jedra, ki je zajelo nevtron, podana že pri začetku leta 1939 angleški fizik O. Frisch skupaj z avstrijskim fizikom L. Meitnerjem.

Zajetje nevtrona uniči stabilnost jedra. Jedro se vzbudi in postane nestabilno, kar vodi do njegove delitve na fragmente. Jedrska cepitev je možna, ker je masa mirovanja težkega jedra večja od vsote mas mirovanja drobcev, ki nastanejo med cepljenjem. Zato pride do sproščanja energije, ki je enakovredno zmanjšanju mase mirovanja, ki spremlja cepitev.

Možnost cepitve težkih jeder lahko razložimo tudi z grafom odvisnosti specifične energije vezave od masnega števila A (glej sliko 13.11). Specifična vezana energija jeder atomov elementov, ki zasedajo zadnja mesta v periodnem sistemu (A 200), je približno 1 MeV manjša od specifične energije vezave v jedrih elementov, ki se nahajajo na sredini periodnega sistema (A 100) . Zato je proces cepitve težkih jeder na jedra elementov v srednjem delu periodnega sistema energetsko ugoden. Po cepitvi sistem preide v stanje z minimalno notranjo energijo. Konec koncev, večja kot je vezavna energija jedra, večja energija se mora sprostiti, ko jedro nastane in posledično nižja je notranja energija novonastalega sistema.

Med jedrsko cepijo se energija vezave na nukleon poveča za 1 MeV, skupna sproščena energija pa mora biti ogromna - približno 200 MeV. Nobena druga jedrska reakcija (ki ni povezana s fisijo) ne sprosti tako velike energije.

Neposredne meritve energije, ki se sprosti med cepljenjem uranovega jedra, so potrdile zgornje ugotovitve in dale vrednost 200 MeV. Poleg tega večina te energije (168 MeV) pade na kinetično energijo drobcev. Na sliki 13.13 vidite sledi drobcev cepljivega urana v komori oblaka.

Energija, ki se sprosti med jedrsko cepijo, je elektrostatičnega in ne jedrskega izvora. Velika kinetična energija, ki jo imajo drobci, nastane zaradi njihove Coulombove odbojnosti.

mehanizem jedrske cepitve. Proces jedrske cepitve lahko razložimo na podlagi modela kapljice jedra. Po tem modelu je šop nukleonov podoben kapljici nabite tekočine (slika 13.14, a). Jedrske sile med nukleoni so kratkega dosega, tako kot sile, ki delujejo med tekočimi molekulami. Skupaj z močnimi silami elektrostatičnega odbijanja med protoni, ki težijo k raztrganju jedra, še vedno obstajajo velike jedrske privlačne sile. Te sile preprečujejo, da bi jedro razpadlo.

Jedro urana-235 je sferično. Ko absorbira dodaten nevtron, se vzbudi in se začne deformirati ter pridobi podolgovato obliko (slika 13.14, b). Jedro se bo raztegnilo, dokler odbojne sile med polovicama podolgovatega jedra ne bodo začele prevladovati nad privlačnimi silami, ki delujejo v prevleki (slika 13.14, c). Po tem se raztrga na dva dela (slika 13.14, d).

Pod delovanjem Coulombovih odbojnih sil ti drobci razletijo s hitrostjo, ki je enaka 1/30 svetlobne hitrosti.

Emisija nevtronov med cepljenjem. Temeljno dejstvo jedrske cepitve je emisija dveh ali treh nevtronov med cepljenjem. Zahvaljujoč temu je postala možna praktična uporaba intranuklearne energije.

Zakaj se oddajajo prosti nevtroni, je mogoče razumeti iz naslednjih premislekov. Znano je, da se razmerje med številom nevtronov in številom protonov v stabilnih jedrih povečuje z naraščanjem atomskega števila. Zato se v delcih, ki nastanejo med cepljenjem, izkaže, da je relativno število nevtronov večje, kot je dovoljeno za jedra atomov, ki se nahajajo na sredini periodnega sistema. Posledično se v procesu cepitve sprosti več nevtronov. Njihova energija ima različne vrednosti - od nekaj milijonov elektron voltov do zelo majhnih, blizu nič.

Fisija se običajno zgodi na drobce, katerih mase se razlikujejo približno 1,5-krat. Ti fragmenti so zelo radioaktivni, saj vsebujejo odvečno količino nevtronov. Kot rezultat niza zaporednih razpadov se na koncu dobijo stabilni izotopi.

Za zaključek ugotavljamo, da obstaja tudi spontana cepitev uranovih jeder. Odkrila sta ga sovjetska fizika G. N. Flerov in K. A. Petrzhak leta 1940. Razpolovna doba spontane cepitve je 10 16 let. To je dva milijona krat daljše od razpolovne dobe razpada urana.

Reakcijo jedrske cepitve spremlja sproščanje energije.

Vsebina lekcije povzetek lekcije podpora okvir predstavitev lekcije pospeševalne metode interaktivne tehnologije Vadite naloge in vaje samopreverjanje delavnice, treningi, primeri, naloge domača naloga razprava vprašanja retorična vprašanja študentov Ilustracije avdio, video posnetke in večpredstavnost fotografije, slike, grafike, tabele, sheme humor, anekdote, šale, stripi, prispodobe, izreki, križanke, citati Dodatki povzetkičlanki čipi za radovedne varalice učbeniki osnovni in dodatni slovarček izrazov drugo Izboljšanje učbenikov in poukapopravljanje napak v učbeniku posodabljanje fragmenta v učbeniku elementi inovativnosti v lekciji zamenjava zastarelo znanje z novim Samo za učitelje popolne lekcije koledarski načrt za leto metodološka priporočila razpravnega programa Integrirane lekcije

Študija interakcije nevtronov s snovjo je privedla do odkritja jedrskih reakcij nove vrste. Leta 1939 sta O. Hahn in F. Strassmann raziskovala kemične produkte, ki so posledica bombardiranja uranovih jeder z nevtroni. Med reakcijskimi produkti so našli barij - kemični element z veliko manjšo maso kot uran. Problem sta rešila nemška fizika L. Meitneroma in O. Frisch, ki sta pokazala, da ko nevtrone absorbira uran, je jedro razdeljeno na dva fragmenta:

kje k > 1.

Med cepljenjem uranovega jedra toplotni nevtron z energijo ~ 0,1 eV sprosti energijo ~ 200 MeV. Bistveno je, da ta proces spremlja pojav nevtronov, ki lahko povzročijo cepitev drugih uranovih jeder, - cepitvena verižna reakcija . Tako lahko en nevtron povzroči razvejano verigo jedrske cepitve in število jeder, vključenih v cepitveno reakcijo, se bo eksponentno povečalo. Odprle so se možnosti za uporabo fisijske verižne reakcije v dveh smereh:

· nadzorovana reakcija jedrske cepitve- izgradnja jedrskih reaktorjev;

· nenadzorovana reakcija jedrske cepitve- Ustvarjanje jedrskega orožja.

Leta 1942 je bil v ZDA zgrajen prvi jedrski reaktor. V ZSSR je bil prvi reaktor zagnan leta 1946. Trenutno se toplotna in električna energija proizvaja v več sto jedrskih reaktorjih, ki delujejo v različnih državah sveta.

Kot je razvidno iz sl. 4.2, z naraščajočo vrednostjo AMPAK specifična vezavna energija se poveča do AMPAK» 50. To vedenje je mogoče razložiti z dodajanjem sil; vezavna energija posameznega nukleona se poveča, če ga ne privlači en ali dva, temveč več drugih nukleonov. Vendar pa v elementih z vrednostmi masnega števila več kot AMPAK» 50 specifična vezavna energija se z naraščanjem postopoma zmanjšuje AMPAK. To je posledica dejstva, da so jedrske sile privlačnosti kratkega dosega velikosti posameznega nukleona. Zunaj tega polmera prevladujejo elektrostatične odbojne sile. Če se dva protona odstranita za več kot 2,5 × 10 - 15 m, potem med njima prevladujejo sile Coulombovega odbijanja in ne jedrske privlačnosti.

Posledica tega obnašanja specifične vezivne energije je odvisno od AMPAK je obstoj dveh procesov - fuzije in cepitve jeder . Razmislite o interakciji elektrona in protona. Ko nastane atom vodika, se sprosti energija 13,6 eV in masa vodikovega atoma se izkaže za 13,6 eV manjša od vsote mas prostega elektrona in protona. Podobno masa dveh lahkih jeder presega maso po njihovi povezavi na D M. Če sta povezana, se bosta združila s sproščanjem energije D GOSPA 2. Ta postopek se imenuje jedrska sinteza . Razlika v masi lahko presega 0,5%.

Če se težko jedro razdeli na dve lažji jedri, bo njihova masa manjša od mase matičnega jedra za 0,1%. Težka jedra se nagibajo k divizije v dve lažji jedri s sproščanjem energije. Energija atomske bombe in jedrskega reaktorja je energija , sprosti med jedrsko cepitev . Energija H-bombe je energija, ki se sprosti med jedrsko fuzijo. Alfa razpad je mogoče obravnavati kot zelo asimetrično cepitev, v kateri je matično jedro M se razdeli na majhen alfa delce in veliko preostalo jedro. Alfa razpad je možen le, če je reakcija

utež M izkaže, da je večja od vsote mas in alfa delca. Vsa jedra z Z> 82 (svinec). Z> 92 (uran) alfa razpadne razpolovne dobe so veliko daljše od starosti Zemlje in takšni elementi se v naravi ne pojavljajo. Vendar pa jih je mogoče ustvariti umetno. Na primer plutonij ( Z= 94) lahko dobimo iz urana v jedrskem reaktorju. Ta postopek je postal običajen in stane le 15 dolarjev za 1 g. Do sedaj je bilo mogoče pridobiti elemente do Z= 118, vendar po precej višji ceni in praviloma v zanemarljivih količinah. Lahko upamo, da se bodo radiokemiki naučili pridobivati, čeprav v majhnih količinah, nove elemente z Z> 118.

Če bi lahko masivno uranovo jedro razdelili na dve skupini nukleonov, bi se te skupine nukleonov preuredile v jedra z močnejšo vezjo. V procesu prestrukturiranja bi se sprostila energija. Spontano jedrsko cepitev dovoljuje zakon o ohranjanju energije. Vendar je potencialna ovira v reakciji cepitve naravno prisotnih jeder tako visoka, da je verjetnost spontane cepitve veliko manjša od verjetnosti alfa razpada. Razpolovna doba jeder 238 U glede na spontano cepitev je 8×10 15 let. To je več kot milijonkrat starejše od Zemlje. Če nevtron trči v težko jedro, lahko preide na višjo energijsko raven blizu vrha elektrostatične potencialne pregrade, posledično se bo verjetnost cepitve povečala. Jedro v vzbujenem stanju ima lahko pomemben kotni moment in pridobi ovalno obliko. Mesta na periferiji jedra lažje prodrejo v pregrado, saj so delno že za pregrado. V jedru ovalne oblike je vloga pregrade še bolj oslabljena. Ko se ujame jedro ali počasen nevtron, nastanejo stanja z zelo kratko življenjsko dobo glede na cepitev. Razlika med maso uranovega jedra in tipičnimi cepitvenimi produkti je taka, da se med cepljenjem urana sprosti v povprečju 200 MeV energije. Masa mirovanja uranovega jedra je 2,2×10 5 MeV. Približno 0,1 % te mase se pretvori v energijo, kar je enako razmerju 200 MeV proti 2,2 × 10 5 MeV.

Energetska ocena,sprosti med delitvijo,je mogoče dobiti iz Weizsäckerjeve formule :

Ko se jedro razdeli na dva fragmenta, se spremenita površinska in Coulombova energija , pri čemer se površinska energija povečuje in Coulombova energija zmanjšuje. Fisija je možna, če je energija, ki se sprosti med cepljenjem E > 0.

.

tukaj A 1 = A/2, Z 1 = Z/2. Iz tega ugotovimo, da je cepitev energetsko ugodna, ko Z 2 /A> 17. Vrednost Z 2 /A poklical parameter deljivosti . Energija E, ki se sprosti med delitvijo, narašča z naraščanjem Z 2 /A.

V procesu cepitve jedro spremeni obliko - zaporedno prehaja skozi naslednje stopnje (slika 9.4): žogica, elipsoid, bučica, dva hruškasta fragmenta, dva sferična fragmenta.

Potem ko je prišlo do cepitve in so fragmenti ločeni drug od drugega na razdalji, ki je veliko večja od njihovega polmera, se lahko potencialna energija drobcev, določena s Coulombovo interakcijo med njimi, šteje za enako nič.

Zaradi evolucije oblike jedra je sprememba njegove potencialne energije določena s spremembo vsote površinske in Coulombove energije . Predpostavlja se, da volumen jedra med deformacijo ostane nespremenjen. V tem primeru se površinska energija poveča, saj se površina jedra poveča. Coulombova energija se zmanjšuje, ko se povprečna razdalja med nukleoni povečuje. V primeru majhnih elipsoidnih deformacij pride do povečanja površinske energije hitreje kot do zmanjšanja Coulombove energije.

V območju težkih jeder se vsota površinske in Coulombove energije poveča z deformacijo. Pri majhnih elipsoidnih deformacijah povečanje površinske energije prepreči nadaljnjo spremembo oblike jedra in s tem cepitev. Prisotnost potencialne pregrade preprečuje takojšnjo spontano jedrsko cepitev. Da bi se jedro takoj razcepilo, mu je treba oskrbeti energijo, ki presega višino cepitvene pregrade H.

višina pregrade H večje kot je, manjše je razmerje med Coulombovo in površinsko energijo v začetnem jedru. To razmerje pa narašča z naraščanjem parametra deljivosti Z 2 /AMPAK. Težje je jedro, nižja je višina pregrade H, saj se parameter deljivosti povečuje z naraščanjem masnega števila:

Težja jedra je običajno treba oskrbeti z manj energije, da povzročijo cepitev. Iz Weizsäckerjeve formule sledi, da višina fisijske pregrade izgine pri . tiste. Po modelu kapljice v naravi ne bi smelo biti jeder, saj se spontano cepijo skoraj v trenutku (v značilnem jedrskem času reda 10–22 s). Obstoj atomskih jeder z (" otok stabilnosti ”) je razloženo s strukturo lupine atomskih jeder. Spontana jedrska cepitev z , za katerega je višina pregrade H ni enak nič, z vidika klasične fizike je nemogoče. Z vidika kvantne mehanike je takšna cepitev možna kot posledica prehoda drobcev skozi potencialno pregrado in se imenuje spontana cepitev . Verjetnost spontane cepitve narašča s povečanjem parametra cepitve , t.j. z zmanjšanjem višine fisijske pregrade.

Prisilna jedrska fisija lahko povzročijo kateri koli delci: fotoni, nevtroni, protoni, devtroni, α-delci itd., če energija, ki jo prispevajo k jedru, zadostuje za premagovanje cepitvene pregrade.

Mase drobcev, ki nastanejo med cepljenjem s toplotnimi nevtroni, niso enake. Jedro se nagiba k cepljenju tako, da glavni del nukleonov fragmenta tvori stabilno magično jedro. Na sl. 9.5 prikazuje porazdelitev mase med delitvijo. Najverjetnejša kombinacija masnih števil je 95 in 139.

Razmerje med številom nevtronov in številom protonov v jedru je 1,55, medtem ko je za stabilne elemente z maso, ki je blizu masi cepitvenih drobcev, to razmerje 1,25 - 1,45. Posledično so fisijski fragmenti močno preobremenjeni z nevtroni in so nestabilni proti β-razpadu – so radioaktivni.

Zaradi cepitve se sprosti energija ~ 200 MeV. Približno 80 % tega predstavlja energija fragmentov. V enem dejanju cepitve več kot dve fisijskih nevtronov s povprečno energijo ~ 2 MeV.

1 g katere koli snovi vsebuje . Fisijo 1 g urana spremlja sproščanje ~ 9×10 10 J. To je skoraj 3 milijone krat več kot energija zgorevanja 1 g premoga (2,9×10 4 J). Seveda stane 1 g urana veliko več kot 1 g premoga, vendar se izkaže, da je strošek 1 J energije, pridobljene z zgorevanjem premoga, 400-krat višji kot v primeru uranovega goriva. Proizvodnja 1 kWh energije stane 1,7 centa v elektrarnah na premog in 1,05 centa v jedrskih elektrarnah.

Zahvale gredo verižna reakcija jedrske cepitve je mogoče izvesti samozadostna . Pri vsaki cepitvi se oddajo 2 ali 3 nevtroni (slika 9.6). Če enemu od teh nevtronov uspe povzročiti cepitev drugega uranovega jedra, bo proces samovzdržen.

Niz cepljivega materiala, ki izpolnjuje to zahtevo, se imenuje kritično sestavljanje . Prva taka montaža, imenovana jedrski reaktor , je bila zgrajena leta 1942 pod vodstvom Enrica Fermija v kampusu Univerze v Chicagu. Prvi jedrski reaktor je bil izstreljen leta 1946 pod vodstvom I. Kurchatova v Moskvi. Prva jedrska elektrarna z zmogljivostjo 5 MW je bila zagnana v ZSSR leta 1954 v mestu Obninsk (slika 9.7).

maso in lahko tudi storite nadkritično . V tem primeru bodo nevtroni, ki nastanejo med cepljenjem, povzročili več sekundarnih cepitev. Ker nevtroni potujejo s hitrostmi, ki presegajo 10 8 cm/s, lahko superkritični sklop popolnoma reagira (ali razleti) v manj kot tisočinki sekunde. Takšna naprava se imenuje atomska bomba . Jedrski naboj iz plutonija ali urana se prevede v superkritično stanje, običajno s pomočjo eksplozije. Podkritična masa je obdana s kemičnimi eksplozivi. Med eksplozijo je plutonijeva ali uranova masa podvržena trenutnemu stiskanju. Ker se gostota krogle v tem primeru znatno poveča, se izkaže, da je stopnja absorpcije nevtronov višja od stopnje izgube nevtronov zaradi njihovega uhajanja navzven. To je pogoj superkritičnosti.

Na sl. 9.8 prikazuje diagram atomske bombe "Kid", odvržene na Hirošimo. Služil je kot jedrski eksploziv v bombi, razdeljen na dva dela, katerih masa je bila manj kot kritična. Kritična masa, potrebna za eksplozijo, je nastala s povezovanjem obeh delov po "topovski metodi" z uporabo običajnih eksplozivov.

Eksplozija 1 tone trinitrotoluena (TNT) sprosti 10 9 cal ali 4×10 9 J. Eksplozija atomske bombe, ki porabi 1 kg plutonija, sprosti približno 8×10 13 J energije.

Ali pa je skoraj 20.000-krat več kot pri eksploziji 1 tone TNT. Takšna bomba se imenuje 20-kilotonska bomba. Današnje megatonske bombe so milijone krat močnejše od običajnih TNT eksplozivov.

Proizvodnja plutonija temelji na obsevanju 238 U z nevtroni, kar vodi do tvorbe izotopa 239 U, ki se zaradi beta razpada spremeni v 239 Np, nato pa po še enem beta razpadu v 239 Pu. Ko se absorbira nizkoenergijski nevtron, se izotopa 235 U in 239 Pu cepita. Za produkte cepitve je značilna močnejša vezava (~ 1 MeV na nukleon), zaradi česar se zaradi cepitve sprosti približno 200 MeV energije.

Vsak gram izrabljenega plutonija ali urana povzroči skoraj gram radioaktivnih fisijskih produktov, ki imajo ogromno radioaktivnosti.

Za ogled predstavitev kliknite ustrezno hiperpovezavo: