ما هي النوى التي تطلق أكبر قدر من الطاقة عند الانشطار؟ تفاعلات الانشطار النووي

التفاعلات النووية.يسمى تفاعل الجسيم مع نواة الذرة، مما يؤدي إلى تحول هذه النواة إلى نواة جديدة مع إطلاق جسيمات ثانوية أو أشعة جاما، بالتفاعل النووي.

أولاً التفاعل النوويتم تنفيذه بواسطة رذرفورد في عام 1919. واكتشف أن تصادم جسيمات ألفا مع نواة ذرات النيتروجين ينتج بروتونات سريعة الحركة. وهذا يعني أن نواة نظير النيتروجين، نتيجة اصطدامها بجسيم ألفا، تحولت إلى نواة نظير الأكسجين:

يمكن أن تحدث التفاعلات النووية مع إطلاق أو امتصاص الطاقة. باستخدام قانون العلاقة بين الكتلة والطاقة، يمكن تحديد مخرجات الطاقة للتفاعل النووي من خلال إيجاد الفرق في كتل الجزيئات التي تدخل التفاعل ونواتج التفاعل:

التفاعل المتسلسل لانشطار نواة اليورانيوم.ومن بين التفاعلات النووية المختلفة، على وجه الخصوص مهمفي الحياة الحديثة مجتمع انسانيتحتوي على تفاعلات متسلسلة لانشطار بعض النوى الثقيلة.

تم اكتشاف التفاعل الانشطاري لنواة اليورانيوم عند قصفها بالنيوترونات في عام 1939. ونتيجة للتجارب والتجارب البحث النظريالتي أجراها E. Fermi، I. Joliot-Curie، O. Hahn، F. Strassmann، L. Meitner، O. Frisch، F. Joliot-Curie، وجد أنه عندما يضرب نيوترون واحد نواة اليورانيوم، تصبح النواة مقسمة إلى قسمين ثلاثة أجزاء.

يطلق انشطار نواة يورانيوم واحدة حوالي 200 ميغا إلكترون فولت من الطاقة. تبلغ الطاقة الحركية لحركة نوى الشظايا حوالي 165 ميغا إلكترون فولت، ويتم نقل باقي الطاقة بواسطة كوانتا جاما.

وبمعرفة الطاقة المنطلقة أثناء انشطار نواة يورانيوم واحدة، يمكن حساب أن الطاقة الناتجة من انشطار جميع نوى 1 كجم من اليورانيوم تبلغ 80 ألف مليار جول. وهذا يزيد بملايين المرات عما يتم إطلاقه عند حرق 1 كجم فحمأو النفط. لذلك تم البحث عن طرق للتحرير الطاقة النوويةبكميات كبيرة لاستخدامها لأغراض عملية.

تم تقديم الاقتراح الأول حول إمكانية التفاعلات النووية المتسلسلة بواسطة F. Joliot-Curie في عام 1934. وفي عام 1939، اكتشف تجريبيًا مع H. Halban وL.Kwarski أنه أثناء انشطار نواة اليورانيوم، بالإضافة إلى شظايا نووية، 2-3 نيوترونات حرة. في الظروف المواتيةيمكن لهذه النيوترونات أن تضرب نوى اليورانيوم الأخرى وتتسبب في انشطارها. عندما تنشطر ثلاث نوى يورانيوم، يجب إطلاق 6-9 نيوترونات جديدة، وسوف تسقط في نوى يورانيوم جديدة، وما إلى ذلك. ويرد في الشكل 316 رسم تخطيطي لتطور التفاعل المتسلسل لانشطار نواة اليورانيوم.

أرز. 316

التنفيذ العملي للتفاعلات المتسلسلة ليس هكذا مهمة بسيطةكيف يبدو على الرسم البياني. النيوترونات المنطلقة أثناء انشطار نواة اليورانيوم قادرة على التسبب في انشطار نوى نظير اليورانيوم ذو العدد الكتلي 235 فقط، لكن طاقتها غير كافية لتدمير نوى نظير اليورانيوم ذو العدد الكتلي 238. وفي اليورانيوم الطبيعي تبلغ حصة اليورانيوم ذو العدد الكتلي 238 99.8%، وتبلغ حصة اليورانيوم ذو العدد الكتلي 235 0.7% فقط. لذلك الأول طريقة حل ممكنةيرتبط تنفيذ التفاعل المتسلسل الانشطاري بفصل نظائر اليورانيوم وإنتاج النظير في شكله النقي بكميات كبيرة بما فيه الكفاية. الشرط الضروري لحدوث التفاعل المتسلسل هو وجود كمية كافية كمية كبيرةاليورانيوم، حيث أن معظم النيوترونات في عينة صغيرة تطير عبر العينة دون أن تصطدم بأي نواة. تسمى الكتلة الدنيا لليورانيوم التي يمكن أن يحدث فيها تفاعل متسلسل بالكتلة الحرجة. وتبلغ الكتلة الحرجة لليورانيوم 235 عدة عشرات من الكيلوغرامات.

إن أبسط طريقة لإجراء تفاعل متسلسل في اليورانيوم 235 هي كما يلي: يتم تصنيع قطعتين من معدن اليورانيوم، كل منها ذات كتلة أقل بقليل من الكتلة الحرجة. لا يمكن أن يحدث تفاعل متسلسل في كل منهما على حدة. عندما يتم توصيل هذه القطع بسرعة، يتطور تفاعل متسلسل ويتم إطلاق طاقة هائلة. وتصل درجة حرارة اليورانيوم إلى ملايين الدرجات، ويتحول اليورانيوم نفسه وأي مواد أخرى قريبة منه إلى بخار. تتوسع الكرة الغازية الساخنة بسرعة وتحرق وتدمر كل شيء في طريقها. هكذا يحدث الانفجار النووي.

من الصعب جدًا استخدام طاقة الانفجار النووي للأغراض السلمية، لأن إطلاق الطاقة لا يمكن السيطرة عليه. يتم تنفيذ التفاعلات المتسلسلة الخاضعة للرقابة لانشطار نواة اليورانيوم في المفاعلات النووية.

مفاعل نووي.كانت المفاعلات النووية الأولى عبارة عن مفاعلات نيوترونية بطيئة (الشكل 317). تبلغ طاقة معظم النيوترونات المنطلقة أثناء انشطار نواة اليورانيوم 1-2 ميجا إلكترون فولت. تبلغ سرعتها حوالي 107 م/ث ولهذا سميت النيوترونات السريعة. في مثل هذه الطاقات، تتفاعل النيوترونات مع نواة اليورانيوم واليورانيوم بنفس الكفاءة تقريبًا. وبما أن نوى اليورانيوم في اليورانيوم الطبيعي تحتوي على 140 مرة أكثر من نوى اليورانيوم، فإن معظم هذه النيوترونات تمتصها نوى اليورانيوم ولا يتطور تفاعل متسلسل. تتحرك النيوترونات بسرعات قريبة من سرعتها الحركة الحرارية(حوالي 2·10 3 م/ث)، تسمى بطيئة أو حرارية. تتفاعل النيوترونات البطيئة بشكل جيد مع نوى اليورانيوم 235 ويتم امتصاصها بكفاءة أكبر بـ 500 مرة من النيوترونات السريعة. ولذلك، عندما يتم تشعيع اليورانيوم الطبيعي بالنيوترونات البطيئة، فإن معظمها لا يتم امتصاصه في نوى اليورانيوم -238، ولكن في نوى اليورانيوم -235 ويتسبب في انشطارها. وبالتالي، لكي يتطور التفاعل المتسلسل في اليورانيوم الطبيعي، يجب تقليل سرعات النيوترونات إلى سرعات حرارية.

أرز. 317

تتباطأ سرعة النيوترونات نتيجة اصطدامها بالنوى الذرية للوسط الذي تتحرك فيه. لإبطاء النيوترونات في المفاعل، يتم استخدام مادة خاصة تسمى الوسيط. يجب أن يكون لنوى ذرات المادة الوسيطة كتلة صغيرة نسبيًا، لأنه عند الاصطدام بنواة خفيفة، يفقد النيوترون طاقة أكبر من تلك التي يفقدها عند الاصطدام بنواة ثقيلة. المشرفون الأكثر شيوعًا هم الماء العادي والجرافيت.

يُطلق على المكان الذي يحدث فيه التفاعل المتسلسل اسم قلب المفاعل. لتقليل تسرب النيوترونات، يُحاط قلب المفاعل بعاكس نيوتروني، والذي يرفض جزءًا كبيرًا من النيوترونات الهاربة إلى القلب. عادةً ما يتم استخدام نفس المادة التي تعمل كمهدئ كعاكس.

تتم إزالة الطاقة المنبعثة أثناء تشغيل المفاعل باستخدام المبرد. يمكن فقط استخدام السوائل والغازات التي ليس لديها القدرة على امتصاص النيوترونات كمبرد. يستخدم الماء العادي على نطاق واسع كمبرد في بعض الأحيان ثاني أكسيد الكربونوحتى الصوديوم المعدني السائل.

يتم التحكم في المفاعل باستخدام قضبان تحكم (أو تحكم) خاصة يتم إدخالها في قلب المفاعل. قضبان التحكم مصنوعة من مركبات البورون أو الكادميوم، التي تمتص النيوترونات الحرارية بكفاءة عالية جدًا. وقبل أن يبدأ تشغيل المفاعل، يتم إدخالها بالكامل إلى قلبه. ومن خلال امتصاص جزء كبير من النيوترونات، فإنها تجعل من المستحيل حدوث تفاعل متسلسل. لبدء تشغيل المفاعل، تتم إزالة قضبان التحكم تدريجيًا من قلب المفاعل حتى يصل إطلاق الطاقة إلى مستوى محدد مسبقًا. عند زيادة القوة أعلاه المستوى المقرريتم تشغيل الآلات الأوتوماتيكية، مما يؤدي إلى غرس قضبان التحكم في عمق القلب.

الطاقة النووية.لقد تم وضع الطاقة النووية في خدمة السلام لأول مرة في بلادنا. كان أول منظم وقائد للعمل في مجال العلوم والتكنولوجيا الذرية في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية هو الأكاديمي إيغور فاسيليفيتش كورشاتوف (1903-1960).

حاليًا، أكبر محطة طاقة نووية في الاتحاد السوفييتي وأوروبا هي محطة لينينغراد للطاقة النووية التي سميت باسمها. في و. لينين لديه قدرة 4000 ميغاواط، أي. 800 ضعف قوة محطة الطاقة النووية الأولى.

تكلفة توليد الكهرباء بشكل عام محطات الطاقة النووية، أقل من تكلفة الكهرباء المتولدة في محطات الطاقة الحرارية. لهذا الطاقة النوويةيتطور بوتيرة متسارعة.

تستخدم المفاعلات النووية كمحطات لتوليد الطاقة السفن البحرية. تم بناء أول سفينة سلمية في العالم مع محطة للطاقة النووية ، وهي كاسحة الجليد التي تعمل بالطاقة النووية ، في الاتحاد السوفيتي في عام 1959.

أصبحت كاسحة الجليد السوفيتية أركتيكا التي تعمل بالطاقة النووية، والتي بنيت في عام 1975، أول سفينة سطحية في العالم تصل إلى القطب الشمالي.

التفاعل الحراري النووي.يتم إطلاق الطاقة النووية ليس فقط في التفاعلات النووية لانشطار النوى الثقيلة، ولكن أيضًا في تفاعلات مزيج من النوى الذرية الخفيفة.

لتوصيل البروتونات المشحونة بشكل مماثل، من الضروري التغلب على قوى كولوم التنافرية، وهو أمر ممكن عند السرعات العالية بما فيه الكفاية لتصادم الجسيمات. الشروط اللازمةلتخليق نوى الهيليوم من البروتونات المتوفرة في باطن النجوم. على الأرض، تم إجراء تفاعل الاندماج النووي الحراري أثناء الانفجارات النووية الحرارية التجريبية.

يتم تصنيع الهيليوم من النظير الخفيف للهيدروجين عند درجة حرارة حوالي 108 كلفن، وبالنسبة لتخليق الهيليوم من نظائر الهيدروجين الثقيلة - الديوتيريوم والتريتيوم - وفقًا للمخطط

مطلوب التسخين إلى ما يقرب من 5 · 10 · 7 كلفن.

عندما يتم تصنيع 1 جم من الهيليوم من الديوتيريوم والتريتيوم، تكون الطاقة المنطلقة 4.2·10 11 J. ويتم إطلاق هذه الطاقة عند حرق 10 أطنان من وقود الديزل.

احتياطيات الهيدروجين على الأرض لا تنضب عمليا، وبالتالي فإن استخدام الطاقة الحرارية الاندماج النوويللأغراض السلمية هي واحدة من أهم المهام العلم الحديثوالتكنولوجيا.

من المفترض أن يتم التفاعل النووي الحراري المتحكم فيه لتخليق الهيليوم من نظائر الهيدروجين الثقيلة عن طريق التسخين عن طريق تمرير تيار كهربائي عبر البلازما. يتم استخدام المجال المغناطيسي لمنع البلازما الساخنة من ملامسة جدران الغرفة. على الإعداد التجريبيةتمكن الفيزيائيون السوفييت "توكاماك-10" من تسخين البلازما إلى درجة حرارة 13 مليون درجة. يمكن تسخين الهيدروجين إلى درجات حرارة أعلى باستخدام أشعة الليزر. وللقيام بذلك، يجب تركيز أشعة الضوء الصادرة عن عدة أشعة ليزر على كرة زجاجية تحتوي على خليط من النظائر الثقيلة للديوتيريوم والتريتيوم. في التجارب على تركيبات الليزر، تم بالفعل الحصول على بلازما بدرجة حرارة تصل إلى عدة عشرات الملايين من الدرجات.

فصل

الدرس رقم 42-43

التفاعل المتسلسل لانشطار نواة اليورانيوم. الطاقة النووية والبيئة. النشاط الإشعاعي. نصف الحياة.

التفاعلات النووية

التفاعل النووي هو عملية تفاعل نواة الذرة مع نواة أخرى أو الجسيمات الأولية، مصحوبًا بتغيير في تكوين وبنية النواة وإطلاق جسيمات ثانوية أو γ quanta.

نتيجة للتفاعلات النووية، يمكن أن تتشكل نظائر مشعة جديدة لا توجد على الأرض في الظروف الطبيعية.

تم تنفيذ أول تفاعل نووي بواسطة E. Rutherford في عام 1919 في تجارب للكشف عن البروتونات في منتجات الاضمحلال النووي (انظر الفقرة 9.5). قصف رذرفورد ذرات النيتروجين بجسيمات ألفا. وعندما تصادمت الجزيئات حدث تفاعل نووي، ويتم وفق المخطط التالي:

خلال التفاعلات النووية عدة قوانين الحفظ: الدفع، الطاقة، الزخم الزاوي، الشحنة. وبالإضافة إلى هذه القوانين الكلاسيكيةالحفظ في التفاعلات النووية قانون حفظ ما يسمى شحنة الباريون(أي عدد النيوكليونات - البروتونات والنيوترونات). هناك أيضًا عدد من قوانين الحفظ الأخرى الخاصة بالفيزياء النووية وفيزياء الجسيمات.

يمكن أن تحدث التفاعلات النووية عندما يتم قصف الذرات بجسيمات سريعة الشحن (البروتونات والنيوترونات وجسيمات ألفا والأيونات). تم تنفيذ أول تفاعل من هذا النوع باستخدام بروتونات عالية الطاقة تم إنتاجها في مسرع في عام 1932:

حيث M A و M B هي كتل المنتجات الأولية، و M C و M D هي كتل منتجات التفاعل النهائية. تسمى الكمية ΔM خلل جماعي. يمكن أن تحدث التفاعلات النووية مع إطلاق (Q > 0) أو مع امتصاص الطاقة (Q< 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |Q|, которая называется порогом реакции.

لكي يحصل التفاعل النووي على ناتج طاقة موجب، طاقة ربط محددةيجب أن تكون النيوكليونات الموجودة في نوى المنتجات الأولية أقل من طاقة الارتباط المحددة للنيوكليونات الموجودة في نوى المنتجات النهائية. وهذا يعني أن قيمة ΔM يجب أن تكون موجبة.

هناك أساسا اثنين ممكن طرق مختلفةتحرير الطاقة النووية.

1. انشطار النوى الثقيلة. على عكس التحلل الإشعاعي للنواة، الذي يصاحبه انبعاث جسيمات ألفا أو بيتا، فإن تفاعلات الانشطار هي عملية يتم فيها تقسيم النواة غير المستقرة إلى شظيتين كبيرتين من الكتل المماثلة.

في عام 1939، اكتشف العلماء الألمان O. Hahn وF. Strassmann انشطار نواة اليورانيوم. واستمرارًا للبحث الذي بدأه فيرمي وجدوا أنه عند قصف اليورانيوم بالنيوترونات تظهر عناصر الجزء الأوسط الجدول الدوري– النظائر المشعة للباريوم (Z = 56)، الكريبتون (Z = 36)، إلخ.

يتواجد اليورانيوم في الطبيعة على شكل نظيرين: (99.3%) و (0.7%). عند قصفها بالنيوترونات، يمكن أن تنقسم نواة كلا النظيرين إلى شظيتين. في هذه الحالة، يحدث تفاعل الانشطار بشكل مكثف مع النيوترونات البطيئة (الحرارية)، بينما تدخل النوى في تفاعل الانشطار فقط مع النيوترونات السريعة التي تبلغ طاقتها حوالي 1 ميغا إلكترون فولت.

الاهتمام الرئيسي للطاقة النووية هو التفاعل الانشطاري للنواة. حاليًا، هناك حوالي 100 نظير مختلف بأعداد كتلية تتراوح من 90 إلى 145 تقريبًا، ناتجة عن انشطار هذه النواة. هناك تفاعلان انشطاريان نموذجيان لهذه النواة هما:

لاحظ أن الانشطار النووي الذي يبدأه النيوترون ينتج نيوترونات جديدة يمكن أن تسبب تفاعلات انشطارية في نوى أخرى. يمكن أن تكون منتجات انشطار نواة اليورانيوم 235 أيضًا نظائر أخرى للباريوم والزينون والسترونتيوم والروبيديوم وما إلى ذلك.

الطاقة الحركية المنبعثة أثناء انشطار نواة اليورانيوم هائلة - حوالي 200 ميغا إلكترون فولت. يمكن تقدير الطاقة المنبعثة أثناء الانشطار النووي باستخدام طاقة ربط محددةالنيوكليونات في النواة. تبلغ طاقة الارتباط المحددة للنويات في النوى ذات العدد الكتلي A ≈ 240 حوالي 7.6 ميجا إلكترون فولت/نيوكليون، بينما في النوى ذات الأعداد الكتلية A = 90–145 تبلغ الطاقة المحددة حوالي 8.5 ميجا إلكترون فولت/نيوكليون. وبالتالي، فإن انشطار نواة اليورانيوم يطلق طاقة تبلغ حوالي 0.9 ميغا إلكترون فولت/نيوكليون، أو ما يقرب من 210 ميغا إلكترون فولت لكل ذرة يورانيوم. يطلق الانشطار الكامل لجميع النوى الموجودة في 1 جرام من اليورانيوم نفس الطاقة التي يطلقها احتراق 3 أطنان من الفحم أو 2.5 طن من النفط.

تعتبر منتجات انشطار نواة اليورانيوم غير مستقرة لأنها تحتوي على عدد زائد كبير من النيوترونات. في الواقع، فإن نسبة N / Z للأنوية الأثقل هي في حدود 1.6 (الشكل 9.6.2)، وبالنسبة للنوى ذات الأعداد الكتلية من 90 إلى 145، فإن هذه النسبة في حدود 1.3-1.4. ولذلك، تخضع نوى الشظايا لسلسلة من اضمحلالات بيتا المتعاقبة، ونتيجة لذلك يزداد عدد البروتونات في النواة وينخفض عدد النيوترونات حتى تتشكل نواة مستقرة.

عندما تنشطر نواة اليورانيوم 235، والذي يحدث نتيجة اصطدامها بنيوترون، يتم إطلاق 2 أو 3 نيوترونات. وفي ظل ظروف مواتية، يمكن لهذه النيوترونات أن تضرب نوى اليورانيوم الأخرى وتتسبب في انشطارها. في هذه المرحلة، سيظهر من 4 إلى 9 نيوترونات، قادرة على التسبب في انحلال جديد لنواة اليورانيوم، وما إلى ذلك. وتسمى هذه العملية الشبيهة بالانهيار الجليدي بالتفاعل المتسلسل. مخطط التطوير تفاعل تسلسلييظهر في الشكل انشطار نواة اليورانيوم. 9.8.1.

الشكل 9.8.1. رسم تخطيطي لتطور التفاعل المتسلسل.

لكي يحدث التفاعل المتسلسل، من الضروري أن يحدث ما يسمى عامل الضرب النيوترونيكان أكثر من واحد. وبعبارة أخرى، في كل جيل لاحق يجب أن يكون هناك عدد أكبر من النيوترونات مما كان عليه في الجيل السابق. يتم تحديد معامل الضرب ليس فقط من خلال عدد النيوترونات المنتجة في كل فعل أولي، ولكن أيضًا من خلال الظروف التي يحدث فيها التفاعل - يمكن امتصاص بعض النيوترونات بواسطة نوى أخرى أو مغادرة منطقة التفاعل. النيوترونات المنطلقة أثناء انشطار نواة اليورانيوم 235 قادرة على التسبب في انشطار نواة اليورانيوم نفسه فقط، والذي يمثل 0.7٪ فقط من اليورانيوم الطبيعي. هذا التركيز غير كافي لبدء التفاعل المتسلسل. يمكن للنظير أيضًا أن يمتص النيوترونات، لكن هذا لا يسبب تفاعلًا متسلسلًا.

لا يمكن أن يتطور التفاعل المتسلسل في اليورانيوم مع زيادة محتوى اليورانيوم 235 إلا عندما تتجاوز كتلة اليورانيوم ما يسمى الكتلة الحرجة.وفي القطع الصغيرة من اليورانيوم، تطير معظم النيوترونات دون الاصطدام بأي نواة. بالنسبة لليورانيوم النقي 235، تبلغ الكتلة الحرجة حوالي 50 كجم. يمكن تقليل الكتلة الحرجة لليورانيوم عدة مرات باستخدام ما يسمى مثبطاتالنيوترونات. والحقيقة هي أن النيوترونات المنتجة أثناء تحلل نوى اليورانيوم لها سرعات عالية جدًا، واحتمال التقاط النيوترونات البطيئة بواسطة نوى اليورانيوم 235 أكبر بمئات المرات من النيوترونات السريعة. أفضل وسيط نيوتروني هو الماء الثقيل D 2 O. عند التفاعل مع النيوترونات، يتحول الماء العادي نفسه إلى ماء ثقيل.

يعتبر الجرافيت، الذي لا تمتص نواته النيوترونات، وسيطًا جيدًا أيضًا. أثناء التفاعل المرن مع الديوتيريوم أو نوى الكربون، تتباطأ النيوترونات إلى سرعات حرارية.

إن استخدام الوسائط النيوترونية وقذيفة البريليوم الخاصة التي تعكس النيوترونات يجعل من الممكن تقليل الكتلة الحرجة إلى 250 جرامًا.

في قنابل ذريةيحدث التفاعل النووي المتسلسل غير المنضبط عندما تتحد بسرعة قطعتان من اليورانيوم 235، كل منهما له كتلة أقل بقليل من الكتلة الحرجة.

يسمى الجهاز الذي يدعم تفاعل الانشطار النووي الخاضع للتحكم النووية(أو الذري) مفاعل. يظهر الشكل 1 مخططًا لمفاعل نووي يستخدم النيوترونات البطيئة. 9.8.2.

الشكل 9.8.2. رسم تخطيطي لمفاعل نووي.

يحدث التفاعل النووي في قلب المفاعل المملوء بوسيط ويتم اختراقه بواسطة قضبان تحتوي على خليط مخصب من نظائر اليورانيوم مع نسبة عالية من اليورانيوم 235 (تصل إلى 3٪). يتم إدخال قضبان التحكم التي تحتوي على الكادميوم أو البورون في القلب، والتي تمتص النيوترونات بشكل مكثف. يتيح لك إدخال القضبان في القلب التحكم في سرعة التفاعل المتسلسل.

يتم تبريد القلب باستخدام مبرد يتم ضخه، والذي يمكن أن يكون ماء أو معدنًا ذو نقطة انصهار منخفضة (على سبيل المثال، الصوديوم، الذي لديه نقطة انصهار تبلغ 98 درجة مئوية). في مولد البخار، ينقل المبرد الطاقة الحرارية إلى الماء، ويحولها إلى بخار ضغط مرتفع. يتم إرسال البخار إلى توربين متصل بمولد كهربائي. يدخل البخار من التوربين إلى المكثف. لتجنب تسرب الإشعاع، تعمل دوائر سائل التبريد I ومولد البخار II في دورات مغلقة.

التوربين في محطة الطاقة النووية هو محرك حراري يحدد الكفاءة الإجمالية للمحطة وفقًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية. محطات الطاقة النووية الحديثة لديها معامل عمل مفيدمتساوية تقريباً لذلك، لإنتاج 1000 ميجاوات من الطاقة الكهربائية، يجب أن تصل الطاقة الحرارية للمفاعل إلى 3000 ميجاوات. يجب نقل 2000 ميجاوات بواسطة ماء تبريد المكثف. وهذا يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الخزانات الطبيعية المحلية وظهور مشاكل بيئية لاحقة.

لكن، المشكلة الأساسيةهو ضمان كاملة السلامة الإشعاعيةالأشخاص الذين يعملون في محطات الطاقة النووية ومنع الإطلاقات العرضية للمواد المشعة التي تتراكم بكميات كبيرة في قلب المفاعل. عند تطوير المفاعلات النووية، يتم إيلاء الكثير من الاهتمام لهذه المشكلة. ومع ذلك، بعد وقوع حوادث في بعض محطات الطاقة النووية، ولا سيما في محطة الطاقة النووية في بنسلفانيا (الولايات المتحدة الأمريكية، 1979) وفي محطة تشيرنوبيل للطاقة النووية(1986)، أصبحت مشكلة سلامة الطاقة النووية حادة بشكل خاص.

إلى جانب المفاعل النووي الذي يعمل بالنيوترونات البطيئة الموصوفة أعلاه، فإن المفاعلات التي تعمل بدون وسيط على النيوترونات السريعة لها أهمية عملية كبيرة. في مثل هذه المفاعلات، يكون الوقود النووي عبارة عن خليط مخصب يحتوي على ما لا يقل عن 15٪ من النظائر. وتتمثل ميزة مفاعلات النيوترونات السريعة في أنه أثناء تشغيلها، تتحول نوى اليورانيوم 238، التي تمتص النيوترونات، إلى نواة بلوتونيوم من خلال اثنين من β - المتعاقبين. يتحلل، والتي بعد ذلك يمكن استخدامها وقود نووي:

يصل عامل التكاثر في هذه المفاعلات إلى 1.5، أي أنه يتم الحصول على ما يصل إلى 1.5 كجم من البلوتونيوم مقابل 1 كجم من اليورانيوم 235. وتنتج المفاعلات التقليدية أيضًا البلوتونيوم، ولكن بكميات أقل بكثير.

تم بناء أول مفاعل نووي عام 1942 في الولايات المتحدة الأمريكية تحت قيادة إي. فيرمي. في بلدنا، تم بناء المفاعل الأول في عام 1946 تحت قيادة آي في كورشاتوف.

2. التفاعلات النووية الحرارية . الطريقة الثانية لإطلاق الطاقة النووية ترتبط بتفاعلات الاندماج. عندما تندمج النوى الخفيفة وتشكل نواة جديدة، يجب إطلاق كمية كبيرة من الطاقة. ويمكن ملاحظة ذلك من منحنى طاقة الربط المحددة مقابل رقم الكتلة A (الشكل 9.6.1). حتى النوى التي يبلغ عدد كتلتها حوالي 60، تزداد طاقة الارتباط المحددة للنيوكليونات بزيادة A. وبالتالي، فإن تخليق أي نواة ذات A< 60 из более легких ядер должен сопровождаться выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза будет в этом случае меньше массы первоначальных частиц.

تسمى تفاعلات اندماج النوى الخفيفة التفاعلات النووية الحراريةلأنها لا يمكن أن تحدث إلا في درجات حرارة عالية جدًا. لكي تدخل نواتان في تفاعل اندماجي، يجب أن تقتربا من مسافة قوى نووية تتراوح بين 2·10 - 15 مترًا، متغلبتين على تنافرهما الكهربائي شحنات إيجابية. ولهذا يجب أن يتجاوز متوسط الطاقة الحركية للحركة الحرارية للجزيئات الطاقة الكامنةتفاعل كولوم. يؤدي حساب درجة الحرارة T المطلوبة لهذا إلى الحصول على قيمة تتراوح بين 10 8 – 10 9 كلفن. وهذه درجة حرارة عالية للغاية. عند درجة الحرارة هذه، تكون المادة في حالة متأينة تمامًا، وهو ما يسمى بلازما.

الطاقة المنبعثة أثناء التفاعلات النووية الحرارية لكل نيوكليون أعلى بعدة مرات من الطاقة المحددة المنبعثة في التفاعلات المتسلسلة للانشطار النووي. على سبيل المثال، في تفاعل اندماج نواة الديوتيريوم والتريتيوم

يتم إطلاق 3.5 ميجا إلكترون فولت/نيوكليون. بشكل عام، يطلق هذا التفاعل 17.6 MeV. هذا هو واحد من التفاعلات النووية الحرارية الواعدة.

تطبيق التفاعلات النووية الحرارية الخاضعة للرقابةسيمنح البشرية مصدرًا جديدًا للطاقة صديقًا للبيئة ولا ينضب عمليًا. ومع ذلك، فإن الحصول على درجات حرارة عالية جدًا وحصر البلازما التي يتم تسخينها إلى مليار درجة يمثل المهمة العلمية والتقنية الأكثر صعوبة على طريق تنفيذ الاندماج النووي الحراري الخاضع للرقابة.

في هذه المرحلة من تطور العلوم والتكنولوجيا، كان من الممكن التنفيذ فقط تفاعل الاندماج غير المنضبطالخامس قنبلة هيدروجينية. يتم تحقيق درجة الحرارة العالية المطلوبة للاندماج النووي هنا عن طريق انفجار قنبلة تقليدية من اليورانيوم أو البلوتونيوم.

تلعب التفاعلات النووية الحرارية دورًا كبيرًا دور مهمفي تطور الكون. الطاقة الإشعاعية للشمس والنجوم ذات أصل نووي حراري.

النشاط الإشعاعي

ما يقرب من 90٪ من النوى الذرية المعروفة البالغ عددها 2500 نواة غير مستقرة. تتحول النواة غير المستقرة تلقائيًا إلى نوى أخرى، مما يؤدي إلى انبعاث جسيمات. وتسمى هذه الخاصية للنوى النشاط الإشعاعي. ش حبات كبيرةينشأ عدم الاستقرار بسبب التنافس بين جذب النيوكليونات بواسطة القوى النووية وتنافر كولوم للبروتونات. لا توجد نوى مستقرة برقم شحنة Z > 83 وعدد كتلي A > 209. لكن النوى الذرية ذات القيم الأقل بكثير من أرقام Z وA يمكن أن تكون مشعة أيضًا إذا كانت النواة تحتوي على بروتونات أكثر بكثير من النيوترونات. ثم يحدث عدم الاستقرار بسبب زيادة طاقة تفاعل كولوم. النوى التي قد تحتوي على فائض كبير من النيوترونات مقارنة بعدد البروتونات يتبين أنها غير مستقرة بسبب حقيقة أن كتلة النيوترون تتجاوز كتلة البروتون. تؤدي زيادة كتلة النواة إلى زيادة طاقتها.

تم اكتشاف ظاهرة النشاط الإشعاعي عام 1896 على يد عالم الفيزياء الفرنسي أ. بيكريل، الذي اكتشف أن أملاح اليورانيوم تنبعث منها إشعاعات غير معروفة يمكنها اختراق الحواجز المعتمة للضوء وتسبب اسوداد المستحلب الفوتوغرافي. وبعد ذلك بعامين، اكتشف الفيزيائيان الفرنسيان م. وبي. كوري النشاط الإشعاعي للثوريوم واكتشفا عنصرين مشعين جديدين - البولونيوم والراديوم

في السنوات اللاحقة، درس العديد من علماء الفيزياء، بما في ذلك E. Rutherford وطلابه، طبيعة الإشعاع الإشعاعي. وقد وجد أن النوى المشعة يمكن أن تنبعث منها جسيمات من ثلاثة أنواع: موجبة وسالبة الشحنة ومحايدة. هذه الأنواع الثلاثة من الإشعاع كانت تسمى إشعاع α و β و γ. في التين. 9.7.1 يعرض مخططًا تجريبيًا يسمح لك بالكشف تكوين معقد الإشعاع الإشعاعي. في المجال المغناطيسي، تواجه الأشعة α و β انحرافات قدرها الأطراف المقابلة، وتنحرف أشعة β أكثر من ذلك بكثير. لا تنحرف أشعة جاما الموجودة في المجال المغناطيسي على الإطلاق.

تختلف هذه الأنواع الثلاثة من الإشعاع الإشعاعي اختلافًا كبيرًا عن بعضها البعض في قدرتها على تأين ذرات المادة، وبالتالي في قدرتها على الاختراق. يتمتع إشعاع ألفا بقدرة أقل على الاختراق. في الهواء عند الظروف العاديةتنتقل أشعة ألفا مسافة عدة سنتيمترات. يتم امتصاص أشعة بيتا بواسطة المادة بشكل أقل بكثير. إنهم قادرون على المرور عبر طبقة من الألومنيوم يبلغ سمكها عدة ملليمترات. تتمتع أشعة جاما بقدرة أكبر على الاختراق، فهي قادرة على المرور عبر طبقة من الرصاص يبلغ سمكها 5-10 سم.

في العقد الثاني من القرن العشرين، بعد اكتشاف إ. رذرفورد للبنية النووية للذرات، أصبح من الثابت أن النشاط الإشعاعي هو خاصية النوى الذرية. أظهرت الدراسات أن أشعة ألفا تمثل تدفق جسيمات ألفا - نواة الهيليوم، وأشعة بيتا تمثل تدفق الإلكترونات، وأشعة جاما تمثل الطول الموجي القصير الاشعاع الكهرومغناطيسيذات طول موجي قصير جدًا π< 10 –10 м и вследствие этого – ярко выраженными الخصائص الجسيميةأي أنه تدفق من الجزيئات - الكميات.

اضمحلال ألفا. اضمحلال ألفا هو التحول التلقائي للنواة الذرية مع عدد البروتونات Z والنيوترونات N إلى نواة أخرى (ابنة) تحتوي على عدد البروتونات Z – 2 والنيوترونات N – 2. في هذه الحالة، ينبعث جسيم ألفا - نواة ذرة الهيليوم. مثال على هذه العملية هو اضمحلال الراديوم ألفا:

استخدم رذرفورد جسيمات ألفا المنبعثة من نوى ذرات الراديوم في تجارب التشتت بواسطة نوى العناصر الثقيلة. تبلغ سرعة جسيمات ألفا المنبعثة أثناء اضمحلال ألفا لنواة الراديوم، مقاسة من انحناء المسار في مجال مغناطيسي، حوالي 1.5×107 م/ث، وتبلغ الطاقة الحركية المقابلة حوالي 7.5×10–13 جول ( حوالي 4.8 ميجا فولت). يمكن تحديد هذه القيمة بسهولة من خلال القيم المعروفةكتلة نواة الأم وابنتها ونواة الهيليوم. على الرغم من أن سرعة جسيم ألفا الهارب هائلة، إلا أنها لا تزال تساوي 5٪ فقط من سرعة الضوء، لذلك عند الحساب، يمكنك استخدام تعبير غير نسبي للطاقة الحركية.

أظهرت الأبحاث أن المادة المشعة يمكن أن تنبعث منها جسيمات ألفا ذات طاقات منفصلة متعددة. ويفسر ذلك حقيقة أن النوى يمكن أن تكون، مثل الذرات، في حالات مثارة مختلفة. قد ينتهي الأمر بالنواة الابنة في إحدى هذه الحالات المثارة أثناء اضمحلال ألفا. أثناء الانتقال اللاحق لهذه النواة إلى الحالة الأرضية، ينبعث الكم γ. يظهر الشكل 1 رسمًا تخطيطيًا لتحلل α للراديوم مع انبعاث جسيمات α بقيمتين من الطاقات الحركية. 9.7.2.

وبالتالي، فإن اضمحلال ألفا للنواة يكون في كثير من الحالات مصحوبًا بإشعاع جاما.

في نظرية اضمحلال ألفا، من المفترض أن المجموعات التي تتكون من بروتونين ونيوترونين، أي جسيم ألفا، يمكن أن تتشكل داخل النوى. النواة الأم مخصصة لجسيمات ألفا ثقب محتمل، وهو محدود حاجز محتمل. طاقة جسيم ألفا في النواة ليست كافية للتغلب على هذا الحاجز (الشكل 9.7.3). لا يمكن خروج جسيم ألفا من النواة إلا بسبب ظاهرة ميكانيكا الكم التي تسمى تأثير النفق. وفق ميكانيكا الكم، هناك احتمال غير صفر لمرور الجسيم تحت حاجز محتمل. إن ظاهرة حفر الأنفاق هي ظاهرة احتمالية بطبيعتها.

اضمحلال بيتا.أثناء اضمحلال بيتا، يتم إخراج إلكترون من النواة. لا يمكن للإلكترونات أن توجد داخل النوى (انظر الفقرة 9.5)؛ فهي تنشأ أثناء اضمحلال بيتا نتيجة لتحول النيوترون إلى بروتون. يمكن أن تحدث هذه العملية ليس فقط داخل النواة، ولكن أيضًا مع النيوترونات الحرة. متوسط عمر النيوترون الحر هو حوالي 15 دقيقة. أثناء الاضمحلال، يتحول النيوترون إلى بروتون وإلكترون

وقد أظهرت القياسات أن في هذه العملية مخالفة واضحة لقانون حفظ الطاقة، إذ أن الطاقة الكلية للبروتون والإلكترون الناتجة عن اضمحلال النيوترون أقل من طاقة النيوترون. في عام 1931، اقترح دبليو باولي أنه أثناء اضمحلال النيوترون، يتم إطلاق جسيم آخر ذو كتلة صفرية وشحنة، مما يؤدي إلى سحب جزء من الطاقة. تم تسمية الجسيم الجديد النيوترينو(نيوترون صغير). ونظرًا لقلة شحنة وكتلة النيوترينو، فإن هذا الجسيم يتفاعل بشكل ضعيف جدًا مع ذرات المادة، لذلك من الصعب للغاية اكتشافه في التجربة. إن قدرة النيوترينوات على التأين صغيرة جدًا لدرجة أن حدث تأين واحد في الهواء يحدث على بعد حوالي 500 كيلومتر من الطريق. تم اكتشاف هذا الجسيم فقط في عام 1953. ومن المعروف الآن أن هناك عدة أنواع من النيوترينوات. أثناء اضمحلال النيوترون، يتم إنتاج جسيم يسمى نيوترينو مضاد الإلكترون. يُشار إليه بالرمز لذلك يُكتب تفاعل اضمحلال النيوترونات على النحو التالي:

تحدث عملية مماثلة داخل النوى أثناء اضمحلال بيتا. الإلكترون الناتج عن اضمحلال أحد الإلكترونات النيوترونات النووية، يتم طرده على الفور من "منزل الوالدين" (الأساسي) مع سرعة هائلةوالتي يمكن أن تختلف عن سرعة الضوء بنسبة جزء من المئة فقط. نظرًا لأن توزيع الطاقة المنبعثة أثناء اضمحلال بيتا بين الإلكترون والنيوترينو والنواة التابعة يكون عشوائيًا، يمكن أن يكون لإلكترونات بيتا سرعات مختلفة على نطاق واسع.

أثناء اضمحلال بيتا، يزداد عدد الشحنة Z بمقدار واحد، لكن عدد الكتلة A يبقى دون تغيير. وتبين أن النواة الابنة هي نواة أحد نظائر العنصر، رقم سريوالذي في الجدول الدوري أعلى بمقدار واحد من العدد الترتيبي للنواة الأصلية. من الأمثلة النموذجية على تحلل β هو تحول أيزوتون الثوريوم الناتج عن تحلل α لليورانيوم إلى البلاديوم

اضمحلال غاما. على عكس النشاط الإشعاعي α و β، لا يرتبط النشاط الإشعاعي γ للنواة بالتغيير الهيكل الداخليالنواة ولا يصاحبه تغير في الشحنة أو الأعداد الكتلية. خلال كل من اضمحلال ألفا وبيتا، قد تجد النواة الابنة نفسها في حالة من الإثارة ولديها فائض من الطاقة. يصاحب انتقال النواة من الحالة المثارة إلى الحالة الأرضية انبعاث واحد أو أكثر من الكمات، والتي يمكن أن تصل طاقتها إلى عدة ميغا إلكترون فولت.

قانون الاضمحلال الإشعاعي. في أي عينة مادة مشعةيحتوي على عدد كبير من الذرات المشعة. بما أن الاضمحلال الإشعاعي عشوائي بطبيعته ولا يعتمد على الظروف الخارجية، فإن قانون النقصان في عدد N(t) من العناصر غير المتحللة بهذه اللحظةالوقت t يمكن أن تكون النوى بمثابة عامل مهم خاصية إحصائيةعملية الاضمحلال الإشعاعي.

دع عدد النوى غير المتحللة N(t) يتغير بمقدار ΔN خلال فترة زمنية قصيرة Δt< 0. Так как вероятность распада каждого ядра неизменна во времени, что число распадов будет пропорционально количеству ядер N(t) и промежутку времени Δt:

معامل التناسب ε هو احتمال الاضمحلال النووي في الوقت المناسب Δt = 1 ثانية. تعني هذه الصيغة أن معدل تغير الدالة N(t) يتناسب طرديًا مع الدالة نفسها.

حيث N 0 هو العدد الأولي للنوى المشعة عند t = 0. خلال الوقت τ = 1 / lect، سينخفض عدد النوى غير المنحل بمقدار e ≈ 2.7 مرة. تسمى الكمية τ متوسط مدة الحياةالنواة المشعة.

ل الاستخدام العمليمن الملائم كتابة قانون الانحلال الإشعاعي بشكل مختلف، باستخدام الرقم 2 بدلاً من e كقاعدة:

تسمى الكمية T نصف الحياة. خلال الزمن T، يضمحل نصف العدد الأصلي للنوى المشعة. ترتبط الكميات T و τ بالعلاقة

عمر النصف هو الكمية الرئيسية التي تميز معدل الانحلال الإشعاعي. كلما كان عمر النصف أقصر، كان الاضمحلال أكثر كثافة. وهكذا، بالنسبة لليورانيوم T ≈ 4.5 مليار سنة، وللراديوم T ≈ 1600 سنة. ولذلك فإن نشاط الراديوم أعلى بكثير من نشاط اليورانيوم. هناك عناصر مشعة ذات عمر نصف يبلغ جزءًا من الثانية.

لا يتم العثور عليه بشكل طبيعي، وينتهي في البزموت. وتحدث هذه السلسلة من التحلل الإشعاعي في المفاعلات النووية.

تطبيق مثير للاهتمامالنشاط الإشعاعي هو وسيلة لتأريخ الاكتشافات الأثرية والجيولوجية حسب التركيز النظائر المشعة. الطريقة الأكثر استخدامًا للتأريخ هي التأريخ بالكربون المشع. يظهر نظير غير مستقر للكربون في الغلاف الجوي نتيجة للتفاعلات النووية التي تسببها الأشعة الكونية. توجد نسبة صغيرة من هذا النظير في الهواء جنبًا إلى جنب مع المعتاد النظائر المستقرةتمتص النباتات والكائنات الحية الأخرى الكربون من الهواء وتراكم كلا النظائر بنفس النسب الموجودة في الهواء. وبعد موت النباتات تتوقف عن استهلاك الكربون ويتحول النظير غير المستقر تدريجياً إلى نيتروجين نتيجة اضمحلال بيتا بعمر نصف يبلغ 5730 سنة. بواسطة قياس دقيقيمكن للتركيز النسبي للكربون المشع في بقايا الكائنات الحية القديمة تحديد وقت وفاتها.

الإشعاع الإشعاعي بكافة أنواعه (ألفا، بيتا، جاما، النيوترونات)، وكذلك الإشعاع الكهرومغناطيسي ( الأشعة السينية) لديها قوية جدا التأثير البيولوجيعلى الكائنات الحية، والتي تتمثل في عمليات إثارة وتأين الذرات والجزيئات التي تتكون منها الخلايا الحية. تحت تأثير إشعاعات أيونيةتم تدميرها جزيئات معقدةو الهياكل الخلوية، هذا يؤدي إلى إصابة الإشعاعجسم. ولذلك، عند العمل مع أي مصدر للإشعاع، فمن الضروري اتخاذ جميع التدابير اللازمة الحماية من الإشعاعالأشخاص الذين قد يتعرضون للإشعاع.

ومع ذلك، يمكن أن يتعرض الشخص للإشعاعات المؤينة في المنزل. خامل، عديم اللون، الغاز المشعالرادون كما يتبين من الرسم البياني الموضح في الشكل. 9.7.5، الرادون هو نتاج اضمحلال α للراديوم وله عمر نصف T = 3.82 يومًا. يوجد الراديوم بكميات صغيرة في التربة والحجارة وهياكل البناء المختلفة. على الرغم نسبيا القليل من الوقتالحياة، يتم تجديد تركيز الرادون بشكل مستمر بسبب التحلل الجديد لنواة الراديوم، لذلك يمكن أن يتراكم الرادون في الأماكن المغلقة. بمجرد وصول الرادون إلى الرئتين، تنبعث منه جسيمات ألفا ويتحول إلى البولونيوم، وهي ليست مادة خاملة كيميائيا. ما يلي هو سلسلة من التحولات الإشعاعية لسلسلة اليورانيوم (الشكل 9.7.5). وفقًا للجنة الأمريكية للسلامة والسيطرة على الإشعاع، يتلقى الشخص العادي 55% من الإشعاعات المؤينة من الرادون و11% فقط من الإشعاعات المؤينة. الخدمات الطبية. مساهمة الأشعة الكونيةما يقرب من 8٪. الجرعة الإشعاعية الإجمالية التي يتلقاها الشخص خلال حياته أقل بعدة مرات الجرعة القصوى المسموح بها(SDA)، وهو مخصص للأشخاص العاملين في بعض المهن والذين يتعرضون لتعرض إضافي للإشعاعات المؤينة.

الانشطار النوويهي عملية يتم فيها تكوين نواة مجزأة (أحيانًا 3) من نواة ذرية واحدة متشابهة في الكتلة.

هذه العملية مفيدة للجميع β - نوى مستقرة عدد كتلتها A > 100.

انشطار اليورانيوم النوويتم اكتشافه في عام 1939 من قبل هان وستراسمان، اللذين أثبتا بشكل لا لبس فيه أنه عندما تقصف النيوترونات نواة اليورانيوم شتتشكل النوى المشعة بكتلة وشحنات أقل بحوالي مرتين من كتلة وشحنة نواة اليورانيوم. في نفس العام، قدم L. Meitner وO. Frischer المصطلح " الانشطار النووي"وقد لوحظ أن هذه العملية تطلق طاقة هائلة، واكتشف ف. جوليو كوري وإي. فيرمي في الوقت نفسه أن عدة نيوترونات تنبعث أثناء الانشطار (النيوترونات الانشطارية). وأصبح هذا هو الأساس لطرح الفكرة التفاعل المتسلسل الانشطاري ذاتي الاستدامةواستخدام الانشطار النووي كمصدر للطاقة. أساس الطاقة النووية الحديثة هو الانشطار النووي 235 شو 239 بوتحت تأثير النيوترونات.

يمكن أن يحدث الانشطار النووي بسبب وجود الكتلة الباقية للنواة الثقيلة كمية أكبرالكتل الباقية من الشظايا التي تنشأ أثناء الانشطار.

يوضح الرسم البياني أن هذه العملية مفيدة نقطة الطاقةرؤية.

يمكن تفسير آلية الانشطار النووي على أساس نموذج القطرة، الذي بموجبه تشبه مجموعة من النيوكليونات قطرة سائل مشحون. يتم الحفاظ على النواة من الاضمحلال بواسطة قوى التجاذب النووي، أكبر من قوى التنافر الكولومية التي تعمل بين البروتونات وتميل إلى تمزيق النواة.

جوهر 235 شلديه شكل الكرة. بعد امتصاص النيوترون، يتم تحفيزه وتشويهه، ويكتسب شكلًا ممدودًا (في الشكل ب) ، ويمتد حتى تصبح قوى التنافر بين نصفي النواة الممدودة أكبر من قوى الجذب المؤثرة في البرزخ (في الشكل الخامس). بعد ذلك، تنقسم النواة إلى قسمين (في الشكل ز). تطير الشظايا، تحت تأثير قوى كولوم التنافرية، بسرعة تعادل 1/30 من سرعة الضوء.

انبعاث النيوترونات أثناء الانشطاروالذي تحدثنا عنه أعلاه، يفسره أن العدد النسبي للنيوترونات (نسبة إلى عدد البروتونات) في النواة يزداد مع زيادة العدد الذري، وبالنسبة للشظايا المتكونة أثناء الانشطار فإن عدد النيوترونات يصبح أكبر من من الممكن أن تكون نوى الذرات ذات الأعداد الأصغر.

غالبًا ما يحدث الانقسام إلى أجزاء لا كتلة متساوية. هذه الشظايا مشعة. بعد المسلسل β - الاضمحلال ينتج في النهاية أيونات مستقرة.

يستثني قسرييحدث ذلك الانشطار التلقائي لنواة اليورانيوم، الذي افتتح عام 1940 الفيزيائيون السوفييت G. N. Flerov و K. A. Petrzhak. إن نصف عمر الانشطار التلقائي يعادل 10 16 سنة، وهو أكبر بمليوني مرة من نصف عمر الانشطار التلقائي. α - اضمحلال اليورانيوم.

يحدث تخليق النوى في التفاعلات النووية الحرارية. التفاعلات النووية الحراريةهو رد فعل اندماج النوى الخفيفة في غاية درجة حرارة عالية. الطاقة التي يتم إطلاقها أثناء الاندماج (التوليف) ستكون القصوى أثناء تركيب العناصر الخفيفة التي لديها أقل طاقة ربط. عندما تتحد نواتان خفيفتان، مثل الديوتيريوم والتريتيوم، تتشكل نواة هيليوم أثقل ذات طاقة ربط أعلى:

من خلال عملية الاندماج النووي هذه، يتم إطلاق طاقة كبيرة (17.6 ميجا إلكترون فولت)، تساوي الفرق في طاقات الارتباط بين نواة ثقيلة ونواتين خفيفتين. . ويكتسب النيوترون الناتج أثناء التفاعلات 70% من هذه الطاقة. تظهر مقارنة الطاقة لكل نواة في تفاعلات الانشطار النووي (0.9 ميجا إلكترون فولت) والاندماج (17.6 ميجا إلكترون فولت) أن تفاعل الاندماج للنواة الخفيفة يكون أكثر ملاءمة من حيث الطاقة من تفاعل انشطار النوى الثقيلة.

يحدث اندماج النوى تحت تأثير قوى الجذب النووية، لذا يجب أن تقترب من مسافات أقل من 10 -14 التي تؤثر فيها القوى النووية. يتم منع هذا النهج من خلال تنافر كولوم للنوى المشحونة إيجابيا. ولا يمكن التغلب عليها إلا بسبب الطاقة الحركية العالية للنواة، والتي تتجاوز طاقة تنافر كولومب. يتضح من الحسابات المقابلة أن الطاقة الحركية للنواة اللازمة لتفاعل الاندماج يمكن تحقيقها عند درجات حرارة تصل إلى مئات الملايين من الدرجات، ولذلك تسمى هذه التفاعلات نووي حراري.

الاندماج النووي الحراري- تفاعل يتم فيه، عند درجات حرارة عالية أعلى من 107 كلفن، تصنيع نوى أثقل من نوى خفيفة.

الاندماج النووي الحراري هو مصدر الطاقة لجميع النجوم، بما في ذلك الشمس.

العملية الرئيسية التي يتم من خلالها إطلاق الطاقة النووية الحرارية في النجوم هي تحويل الهيدروجين إلى هيليوم. وبسبب الخلل الكتلي في هذا التفاعل، تنخفض كتلة الشمس بمقدار 4 ملايين طن كل ثانية.

يتم الحصول على الطاقة الحركية الكبيرة اللازمة للاندماج النووي الحراري بواسطة نوى الهيدروجين نتيجة للقوى القوية جاذبية الجاذبيةإلى وسط النجم. وبعد ذلك، يؤدي اندماج نوى الهيليوم إلى إنتاج عناصر أثقل.

تلعب التفاعلات النووية الحرارية دورًا رئيسيًا في التطور التركيب الكيميائيالمواد الموجودة في الكون. وتحدث كل هذه التفاعلات مع إطلاق الطاقة التي تنبعث من النجوم على شكل ضوء على مدى مليارات السنين.

إن تنفيذ الاندماج النووي الحراري الخاضع للرقابة من شأنه أن يوفر للإنسانية مصدرًا جديدًا للطاقة لا ينضب عمليًا. يمكن الوصول بسهولة إلى كل من الديوتيريوم والتريتيوم اللازمين لتنفيذه. الأول موجود في مياه البحار والمحيطات (بكميات تكفي للاستخدام لمليون سنة)، والثاني يمكن الحصول عليه في مفاعل نووي عن طريق تشعيع الليثيوم السائل (احتياطياته ضخمة) بالنيوترونات:

أحد أهم مزايا الاندماج النووي الحراري المتحكم فيه هو الغياب النفايات المشعةأثناء تنفيذه (على عكس التفاعلات الانشطارية لنواة اليورانيوم الثقيلة).

العقبة الرئيسية أمام تنفيذ الاندماج النووي الحراري الخاضع للرقابة هي استحالة حصر البلازما ذات درجة الحرارة العالية باستخدام مجالات مغناطيسية قوية تبلغ 0.1-1. ومع ذلك، هناك ثقة بأنه سيتم إنشاء مفاعلات نووية حرارية عاجلاً أم آجلاً.

حتى الآن لم يكن من الممكن إلا أن تنتج رد فعل لا يمكن السيطرة عليهتركيب نوع متفجر في قنبلة هيدروجينية.

الانشطار النووي هو انشطار ذرة ثقيلة إلى جزأين متساويين في الكتلة تقريبًا، مصحوبًا بإطلاق كمية كبيرة من الطاقة.

بدأ اكتشاف الانشطار النووي عهد جديد- "العصر الذري". إن إمكانية استخدامه المحتمل ونسبة المخاطرة إلى المنفعة لاستخدامه لم تؤد فقط إلى ظهور العديد من المشاكل الاجتماعية والسياسية والاقتصادية والسياسية. الانجازات العلميةولكن أيضا مشاكل خطيرة. حتى مع نظيفة نقطة علميةعرض عملية الانشطار النووي التي تم إنشاؤها رقم ضخمالألغاز والتعقيدات، وتفسيرها النظري الكامل هو أمر للمستقبل.

المشاركة مربحة

تختلف طاقات الربط (لكل نيوكليون) باختلاف النوى. تمتلك العناصر الأثقل طاقة ربط أقل من تلك الموجودة في منتصف الجدول الدوري.

وهذا يعني أن النوى الثقيلة التي لديها العدد الذريأكثر من 100، من المفيد تقسيمها إلى شظايا أصغر، وبالتالي إطلاق الطاقة، والتي تتحول إلى طاقة حركية للشظايا. هذه العملية تسمى الانقسام

وفقا لمنحنى الاستقرار الذي يوضح اعتماد عدد البروتونات على عدد النيوترونات في النويدات المستقرة، يفضل النوى الأثقل عدد أكبرالنيوترونات (بالمقارنة مع عدد البروتونات) من الأخف منها. ويشير هذا إلى أن بعض النيوترونات "الاحتياطية" سوف تنبعث مع عملية الانشطار. بالإضافة إلى ذلك، سوف يمتصون أيضًا جزءًا من الطاقة المحررة. أظهرت دراسة انشطار نواة ذرة اليورانيوم أنه يتم إطلاق 3-4 نيوترونات: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

العدد الذري (والكتلة الذرية) للجزء لا يساوي النصف الكتلة الذريةالأبوين. عادة ما يكون الفرق بين كتل الذرات المتكونة نتيجة الانقسام حوالي 50. ومع ذلك، فإن السبب وراء ذلك ليس واضحًا تمامًا بعد.

طاقات الربط لـ 238 U و145 La و90 Br هي 1803 و1198 و763 MeV على التوالي. وهذا يعني أنه نتيجة لهذا التفاعل تنطلق طاقة انشطارية لنواة اليورانيوم تساوي 1198 + 763-1803 = 158 ميجا إلكترون فولت.

الانشطار التلقائي

وعمليات الانشطار التلقائي معروفة في الطبيعة، ولكنها نادرة جدًا. متوسط مدة الحياة العملية المحددةيبلغ حوالي 10 17 عامًا، وعلى سبيل المثال، يبلغ متوسط عمر اضمحلال ألفا لنفس النويدة المشعة حوالي 10 11 عامًا.

والسبب في ذلك هو أنه من أجل الانقسام إلى جزأين، يجب أولاً أن يخضع القلب للتشوه (التمدد) إلى شكل إهليلجي، وبعد ذلك، قبل الانقسام أخيرًا إلى جزأين، يشكل "رقبة" في المنتصف.

حاجز محتمل

في حالة مشوهة، تعمل قوتان على القلب. أحدهما هو زيادة الطاقة السطحية (التوتر السطحي لقطرة سائلة يفسر شكلها الكروي)، والآخر هو تنافر كولوم بين شظايا الانشطار. معا ينتجون حاجز محتمل.

كما في حالة اضمحلال ألفا، لكي يحدث الانشطار التلقائي لنواة ذرة اليورانيوم، يجب أن تتغلب الشظايا على هذا الحاجز بمساعدة نفق الكم. تبلغ قيمة الحاجز حوالي 6 ميغا إلكترون فولت، كما في حالة اضمحلال ألفا، ولكن احتمال وجود نفق جسيم ألفا أكبر بكثير من احتمال وجود منتج الانشطار الذري الأثقل بكثير.

الانقسام القسري

والأرجح هو الانشطار المستحث لنواة اليورانيوم. في هذه الحالة، يتم تشعيع النواة الأم بالنيوترونات. إذا امتصها الوالدان، فإنهما يترابطان، ويطلقان طاقة ملزمة في شكل طاقة اهتزازية يمكن أن تتجاوز 6 ميجا فولت اللازمة للتغلب على الحاجز المحتمل.

عندما لا تكون طاقة النيوترون الإضافي كافية للتغلب على الحاجز المحتمل، يجب أن يتمتع النيوترون الساقط بالحد الأدنى من الطاقة الحركية حتى يتمكن من إحداث الانشطار الذري. وفي حالة 238 U، تكون طاقة الارتباط للنيوترونات الإضافية مفقودة بحوالي 1 MeV. وهذا يعني أن انشطار نواة اليورانيوم يحدث فقط بواسطة نيوترون ذي طاقة حركية أكبر من 1 ميغا إلكترون فولت. ومن ناحية أخرى، يحتوي النظير 235 U على نيوترون واحد غير مزدوج. عندما تمتص النواة نواة إضافية، فإنها تقترن بها، وينتج عن هذا الاقتران طاقة ربط إضافية. وهذا يكفي لإطلاق كمية الطاقة اللازمة للنواة للتغلب على حاجز الجهد ويحدث انشطار النظائر عند اصطدامها بأي نيوترون.

اضمحلال بيتا

على الرغم من أن التفاعل الانشطاري ينتج ثلاثة أو أربعة نيوترونات، إلا أن الشظايا لا تزال تحتوي على نيوترونات أكثر من نظيراتها المستقرة. وهذا يعني أن شظايا الانقسام تميل إلى أن تكون غير مستقرة لتحلل بيتا.

على سبيل المثال، عند حدوث انشطار نواة اليورانيوم 238 U، فإن الأيزوبار المستقر ذو A = 145 هو النيوديميوم 145 Nd، مما يعني أن شظية اللانثانوم 145 La تضمحل على ثلاث مراحل، ينبعث منها في كل مرة إلكترون ونيوترينو مضاد، حتى يتم تشكيل نويدات مستقرة. إن الأيزوبار المستقر مع A = 90 هو الزركونيوم 90 Zr، وبالتالي فإن جزء انقسام البروم 90 Br يضمحل في خمس مراحل من سلسلة اضمحلال بيتا.

تطلق سلاسل اضمحلال بيتا هذه طاقة إضافية، يتم حملها كلها تقريبًا بواسطة الإلكترونات والنيوترينوات المضادة.

التفاعلات النووية: انشطار نواة اليورانيوم

من غير المحتمل انبعاث النيوترونات المباشرة من نواة تحتوي على عدد كبير جدًا من النيوترونات لضمان الاستقرار النووي. النقطة هنا هي أنه لا يوجد تنافر كولوم وبالتالي فإن الطاقة السطحية تميل إلى إبقاء النيوترون مرتبطًا بالوالد. ومع ذلك، يحدث هذا في بعض الأحيان. على سبيل المثال، الجزء الانشطاري 90 Br في المرحلة الأولى من اضمحلال بيتا ينتج الكريبتون 90، والذي يمكن أن يكون في حالة مثارة مع طاقة كافية للتغلب على الطاقة السطحية. في هذه الحالة، يمكن أن يحدث انبعاث النيوترونات مباشرة مع تكوين الكريبتون-89. لا يزال غير مستقر حتى يتحلل β حتى يصبح مستقرًا الإيتريوم-89، لذلك يضمحل الكريبتون-89 في ثلاث خطوات.

انشطار نواة اليورانيوم: التفاعل المتسلسل

النيوترونات المنبعثة في تفاعل الانشطار يمكن أن تمتصها نواة أم أخرى، والتي بدورها تخضع للانشطار المستحث. وفي حالة اليورانيوم 238، فإن النيوترونات الثلاثة التي يتم إنتاجها تخرج بطاقة أقل من 1 ميجا فولت (الطاقة المنطلقة أثناء انشطار نواة اليورانيوم - 158 ميجا فولت - تتحول بشكل أساسي إلى الطاقة الحركية لشظايا الانشطار) ) ، لذلك لا يمكنها التسبب في مزيد من انشطار هذه النويدة. ومع ذلك، مع تركيز كبير من النظير النادر 235 U، هذه النيوترونات الحرةيمكن التقاطها بواسطة 235 نواة يو، وهو ما يمكن أن يسبب الانشطار، لأنه في هذه الحالة لا توجد عتبة طاقة لا يتم دونها إحداث الانشطار.

هذا هو مبدأ التفاعل المتسلسل.

أنواع التفاعلات النووية

دع k هو عدد النيوترونات المنتجة في عينة من المواد الانشطارية في المرحلة n من هذه السلسلة، مقسومًا على عدد النيوترونات المنتجة في المرحلة n - 1. وسيعتمد هذا العدد على عدد النيوترونات المنتجة في المرحلة n - 1 التي تم امتصاصها بواسطة النواة التي قد تخضع للانقسام القسري.

إذا ك< 1, то цепная реакция просто выдохнется и процесс остановится очень быстро. Именно это и происходит в природной в которой концентрация 235 U настолько мала, что вероятность поглощения одного из нейтронов этим изотопом крайне ничтожна.

إذا كان k > 1، فإن التفاعل المتسلسل سوف ينمو حتى يتم استخدام جميع المواد الانشطارية. ويتم تحقيق ذلك عن طريق إثراء الخام الطبيعي إلى حد كافٍ تركيز عالياليورانيوم 235. بالنسبة لعينة كروية، تزداد قيمة k مع زيادة احتمال امتصاص النيوترونات، والذي يعتمد على نصف قطر الكرة. لذلك، يجب أن تتجاوز كتلة U كمية معينة حتى يمكن أن يحدث انشطار نواة اليورانيوم (التفاعل المتسلسل).

إذا كان k = 1، يحدث تفاعل متحكم فيه. ويستخدم هذا في المفاعلات النووية. ويتم التحكم في العملية عن طريق توزيع قضبان الكادميوم أو البورون بين اليورانيوم، الذي يمتص معظمالنيوترونات (هذه العناصر لديها القدرة على التقاط النيوترونات). يتم التحكم في انشطار نواة اليورانيوم تلقائيا عن طريق تحريك القضبان بحيث تظل قيمة k مساوية للواحد.

تم اكتشاف انشطار نواة اليورانيوم في عام 1938 من قبل العلماء الألمان O. Hahn و F. Strassmann. لقد تمكنوا من إثبات أنه عندما يتم قصف نواة اليورانيوم بالنيوترونات، تتشكل عناصر الجزء الأوسط من الجدول الدوري: الباريوم، والكريبتون، وما إلى ذلك. وقد قدم التفسير الصحيح لهذه الحقيقة الفيزيائي النمساوي ل. مايتنر و فيزيائي إنجليزييا فريش. وفسروا ظهور هذه العناصر من خلال اضمحلال نواة اليورانيوم التي استحوذت على النيوترون إلى جزأين متساويين تقريبا. وتسمى هذه الظاهرة بالانشطار النووي، وتسمى النوى الناتجة شظايا الانشطار.

أنظر أيضا

فاسيليف أ. انشطار اليورانيوم: من كلابروث إلى هان // الكم. - 2001. - رقم 4. - ص20-21,30.

نموذج القطرة للنواة

يمكن تفسير تفاعل الانشطار هذا بناءً على نموذج قطرة النواة. في هذا النموذج، يعتبر القلب بمثابة قطرة من سائل غير قابل للضغط ومشحون كهربائيًا. بالإضافة إلى القوى النووية التي تعمل بين جميع نواة النواة، تواجه البروتونات تنافرًا كهروستاتيكيًا إضافيًا، ونتيجة لذلك تقع في محيط النواة. في حالة عدم الاستثارة، يتم تعويض قوى التنافر الكهروستاتيكي، بحيث يكون للنواة شكل كروي (الشكل 1، أ).

بعد أن تلتقط النواة \(~^(235)_(92)U\) نيوترونًا، نواة وسيطة\(~(^(236)_(92)U)^*\)، وهو في حالة متحمس. في هذه الحالة، يتم توزيع طاقة النيوترونات بالتساوي بين جميع النيوكليونات، وتتشوه النواة الوسيطة نفسها وتبدأ في الاهتزاز. إذا كان الإثارة صغيرة، فإن النواة (الشكل 1، ب)، تحرر نفسها من الطاقة الزائدة عن طريق إصدار γ -الكم أو النيوترون يعود إلى حالة مستقرة. إذا كانت طاقة الإثارة مرتفعة بما فيه الكفاية، فإن تشوه النواة أثناء الاهتزازات يمكن أن يكون كبيرا جدا بحيث يتم تشكيل الخصر فيه (الشكل 1، ج)، على غرار الخصر بين جزأين من قطرة السائل المتشعبة. القوى النووية، التي تعمل في انقباض ضيق، لم تعد قادرة على تحمل كبير قوة كولومبتنافر أجزاء من النواة. ينكسر الخصر، وينقسم القلب إلى "شظيتين" (الشكل 1، د)، والتي تطير في اتجاهين متعاكسين.

uran.swfفلاش: انشطار اليورانيوم تكبير فلاش الشكل. 2.

حاليًا، يُعرف حوالي 100 نظير مختلف بأعداد كتلية من حوالي 90 إلى 145، ناتجة عن انشطار هذه النواة. هناك تفاعلان انشطاريان نموذجيان لهذه النواة هما:

\(~^(235)_(92)U + \ ^1_0n \ ^(\nearrow)_(\searrow) \ \begin(matrix) ^(144)_(56)Ba + \ ^(89)_( 36)Kr + \ 3^1_0n \\ ^(140)_(54)Xe + \ ^(94)_(38)Sr + \ 2^1_0n \end(matrix)\) .

عندما تنشطر نوى الذرات الثقيلة (\(~^(235)_(92)U\))، يتم إطلاق طاقة كبيرة جدًا - حوالي 200 ميجا فولت أثناء انشطار كل نواة. يتم إطلاق حوالي 80% من هذه الطاقة على شكل طاقة حركية للشظايا؛ أما الـ 20% المتبقية فتأتي من طاقة الإشعاع الإشعاعي المنبعث من الشظايا والطاقة الحركية للنيوترونات السريعة.

يمكن إجراء تقدير للطاقة المنبعثة أثناء الانشطار النووي باستخدام طاقة الربط المحددة للنيوكليونات في النواة. طاقة ربط محددة للنيوكليونات في النوى ذات العدد الكتلي أ≈ 240 من ترتيب 7.6 MeV/نوكليون، بينما في النوى ذات الأعداد الكتلية أ= 90 - 145 طاقة محددة تساوي تقريبًا 8.5 ميجا إلكترون فولت/نوكليون. وبالتالي، فإن انشطار نواة اليورانيوم يطلق طاقة تبلغ حوالي 0.9 ميغا إلكترون فولت/نيوكليون، أو ما يقرب من 210 ميغا إلكترون فولت لكل ذرة يورانيوم. يطلق الانشطار الكامل لجميع النوى الموجودة في 1 جرام من اليورانيوم نفس الطاقة التي يطلقها احتراق 3 أطنان من الفحم أو 2.5 طن من النفط.

أنظر أيضا

فارلاموف أ. نموذج القطرة للنواة // الكم. - 1986. - العدد 5. - ص23-24

تفاعل تسلسلي

تفاعل تسلسلي- تفاعل نووي تتشكل فيه الجزيئات المسببة للتفاعل كنواتج لهذا التفاعل.

عندما تنشطر نواة اليورانيوم 235، والذي يحدث نتيجة اصطدامها بنيوترون، يتم إطلاق 2 أو 3 نيوترونات. وفي ظل ظروف مواتية، يمكن لهذه النيوترونات أن تضرب نوى اليورانيوم الأخرى وتتسبب في انشطارها. في هذه المرحلة، سيظهر من 4 إلى 9 نيوترونات، قادرة على التسبب في انحلال جديد لنواة اليورانيوم، وما إلى ذلك. وتسمى هذه العملية الشبيهة بالانهيار الجليدي بالتفاعل المتسلسل. يظهر الشكل رسمًا تخطيطيًا لتطور التفاعل المتسلسل لانشطار نواة اليورانيوم. 3.

reakcia.swfفلاش: تفاعل متسلسل تكبير فلاش الشكل. 4.

يتواجد اليورانيوم في الطبيعة على شكل نظيرين \[~^(238)_(92)U\] (99.3%) و \(~^(235)_(92)U\) (0.7%). عند قصفها بالنيوترونات، يمكن أن تنقسم نواة كلا النظيرين إلى شظيتين. في هذه الحالة، يحدث تفاعل الانشطار \(~^(235)_(92)U\) بشكل مكثف مع النيوترونات البطيئة (الحرارية)، بينما تتفاعل النوى \(~^(238)_(92)U\) مع الانشطار فقط مع النيوترونات السريعة ذات الطاقات التي تصل إلى 1 ميغا إلكترون فولت. وبخلاف ذلك، يتبين أن طاقة إثارة النوى الناتجة \(~^(239)_(92)U\) غير كافية للانشطار، ومن ثم تحدث التفاعلات النووية بدلاً من الانشطار:

\(~^(238)_(92)U + \ ^1_0n \to \ ^(239)_(92)U \to \ ^(239)_(93)Np + \ ^0_(-1)e\ ) .

نظائر اليورانيوم \(~^(238)_(92)U\) β - مشع، عمر النصف 23 دقيقة. نظير النبتونيوم \(~^(239)_(93)Np\) هو أيضًا مشع، مع عمر نصف يبلغ حوالي يومين.

\(~^(239)_(93)Np \to \ ^(239)_(94)Pu + \ ^0_(-1)e\) .

نظير البلوتونيوم \(~^(239)_(94)Np\) مستقر نسبيًا، ويبلغ عمر النصف له 24000 سنة. العقار الأكثر أهميةالبلوتونيوم هو أنه ينشطر تحت تأثير النيوترونات بنفس طريقة \(~^(235)_(92)U\). لذلك، بمساعدة \(~^(239)_(94)Np\) يمكن إجراء تفاعل متسلسل.

مخطط التفاعل المتسلسل الذي تمت مناقشته أعلاه هو حالة مثالية. في ظروف حقيقيةلا تشارك جميع النيوترونات المنتجة أثناء الانشطار في انشطار النوى الأخرى. يتم التقاط بعضها بواسطة النوى غير الانشطارية للذرات الأجنبية، والبعض الآخر يطير من اليورانيوم (تسرب النيوترونات).

ولذلك فإن التفاعل المتسلسل لانشطار النوى الثقيلة لا يحدث دائمًا ولا لأي كتلة من اليورانيوم.

عامل تكاثر النيوترونات

يتميز تطور التفاعل المتسلسل بما يسمى بعامل تكاثر النيوترونات ل، والتي تقاس بنسبة العدد نأنا النيوترونات المسببة لانشطار نواة المادة في إحدى مراحل التفاعل إلى العدد نالنيوترونات i-1 التي تسببت في الانشطار في المرحلة السابقة من التفاعل:

\(~K = \dfrac(N_i)(N_(i - 1))\) .

ويعتمد معامل التكاثر على عدد من العوامل، لا سيما على طبيعة وكمية المادة الانشطارية شكل هندسيالحجم الذي تشغله. نفس الكمية من هذه المادةلقد معنى مختلف ل. لالحد الأقصى إذا كانت المادة ذات شكل كروي، لأنه في هذه الحالة سيكون فقدان النيوترونات السريعة عبر السطح ضئيلًا.

كتلة المادة الانشطارية التي يحدث فيها تفاعل متسلسل مع عامل الضرب ل= 1 تسمى الكتلة الحرجة. وفي القطع الصغيرة من اليورانيوم، تطير معظم النيوترونات دون الاصطدام بأي نواة.

معنى الكتلة الحرجةتحدده هندسة النظام المادي وبنيته وبيئته الخارجية. وبالتالي، بالنسبة لكرة من اليورانيوم النقي \(~^(235)_(92)U\) تبلغ الكتلة الحرجة 47 كجم (كرة يبلغ قطرها 17 سم). يمكن تقليل الكتلة الحرجة لليورانيوم عدة مرات باستخدام ما يسمى بالمهدئات النيوترونية. والحقيقة هي أن النيوترونات المنتجة أثناء تحلل نوى اليورانيوم لها سرعات عالية جدًا، واحتمال التقاط النيوترونات البطيئة بواسطة نوى اليورانيوم 235 أكبر بمئات المرات من النيوترونات السريعة. أفضل وسيط نيوتروني هو الماء الثقيل D 2 O. عند التفاعل مع النيوترونات، يتحول الماء العادي نفسه إلى ماء ثقيل.

بمعدل الضرب ل= 1 يتم الحفاظ على عدد النوى الانشطارية عند مستوى ثابت. يتم توفير هذا النظام في المفاعلات النووية.

وإذا كانت كتلة الوقود النووي أقل من الكتلة الحرجة، فيتم معامل الضرب ل < 1; каждое новое поколение вызывает все меньшее и عدد أصغرالانقسامات، ورد الفعل دون مصدر خارجيالنيوترونات تتحلل بسرعة.

إذا كانت كتلة الوقود النووي أكبر من الكتلة الحرجة، فإن عامل الضرب ل> 1 وكل جيل جديد من النيوترونات يسبب عددا متزايدا من الانشطارات. ينمو التفاعل المتسلسل مثل الانهيار الجليدي وله طابع الانفجار، مصحوبًا بإطلاق هائل للطاقة وزيادة في درجة الحرارة بيئةما يصل إلى عدة ملايين من الدرجات. يحدث هذا النوع من التفاعل المتسلسل عندما تنفجر قنبلة ذرية.

قنبلة نووية

في حالتها الطبيعية، لا تنفجر القنبلة النووية لأن الشحنة النووية الموجودة فيها تنقسم إلى عدة أجزاء صغيرة بواسطة أقسام تمتص نواتج اضمحلال اليورانيوم - النيوترونات. ولا يمكن أن يستمر التفاعل النووي المتسلسل الذي يسبب انفجارًا نوويًا في ظل هذه الظروف. ومع ذلك، إذا تم دمج أجزاء الشحنة النووية معًا، فإن كتلتها الإجمالية ستصبح كافية لبدء التفاعل المتسلسل لانشطار اليورانيوم. والنتيجة هي انفجار نووي. في هذه الحالة، تطورت قوة الانفجار قنبلة نوويةنسبياً أحجام صغيرة، أي ما يعادل الطاقة المنطلقة أثناء انفجار ملايين ومليارات الأطنان من مادة تي إن تي.

أرز. 5. القنبلة الذرية