لماذا يحدث التفاعل الانشطاري لنواة ذرة اليورانيوم. انشطار اليورانيوم النووي

>> انشطار نواة اليورانيوم

§ 107 انشطار نوى اليورانيوم

يمكن فقط تقسيم نوى بعض العناصر الثقيلة إلى أجزاء. عند انشطار النواة، ينبعث اثنان أو ثلاثة نيوترونات وأشعة. وفي الوقت نفسه، يتم إطلاق الكثير من الطاقة.

اكتشاف انشطار اليورانيوم.تم اكتشاف انشطار نواة اليورانيوم في عام 1938 من قبل العلماء الألمان O. Hahn iF. ستراسمان. ووجدوا أنه عند قصف اليورانيوم بالنيوترونات تظهر عناصر الجزء الأوسط الجدول الدوري: الباريوم والكريبتون وما إلى ذلك. ومع ذلك، فإن التفسير الصحيح لهذه الحقيقة على أنها انشطار نواة اليورانيوم التي استحوذت على نيوترون تم تقديمه في بداية عام 1939 من قبل الفيزيائي الإنجليزي O. Frisch مع الفيزيائي النمساوي L. Meitner.

التقاط النيوترونات يعطل استقرار النواة. تصبح النواة مثارة وتصبح غير مستقرة، مما يؤدي إلى انقسامها إلى شظايا. الانشطار النووي ممكن لأن الكتلة الباقية للنواة الثقيلة موجودة أكثر من المبلغالكتل الباقية من الشظايا الناتجة عن الانشطار. ولذلك، هناك إطلاق طاقة يعادل النقصان في كتلة الراحة المصاحبة للانشطار.

يمكن أيضًا تفسير إمكانية انشطار النوى الثقيلة باستخدام رسم بياني لطاقة الارتباط المحددة مقابل عدد الكتلة A (انظر الشكل 13.11). طاقة ربط محددة لنواة ذرات العناصر التي تحتل الجدول الدوري الأماكن الأخيرة(أ 200)، أي أقل بحوالي 1 ميغا إلكترون فولت من طاقة الربط النوعية في نوى العناصر الموجودة في منتصف الجدول الدوري (أ 100). ولذلك فإن عملية انشطار النوى الثقيلة إلى نوى العناصر الموجودة في الجزء الأوسط من الجدول الدوري تكون مواتية من الناحية الطاقة. بعد الانشطار، يدخل النظام إلى حالة ذات الحد الأدنى من الطاقة الداخلية. ففي المحصلة، كلما زادت طاقة الارتباط للنواة، زادت الطاقة التي ينبغي إطلاقها عند ظهور النواة، وبالتالي قلت الطاقة الداخلية للنظام المتشكل حديثًا.

أثناء الانشطار النووي، تزيد طاقة الربط لكل نيوكليون بمقدار 1 ميجا فولت ويجب أن يكون إجمالي الطاقة المنطلقة هائلاً - في حدود 200 ميجا فولت. ولا يوجد أي تفاعل نووي آخر (غير مرتبط بالانشطار) يطلق مثل هذه الطاقات الكبيرة.

أكدت القياسات المباشرة للطاقة المنطلقة أثناء انشطار نواة اليورانيوم الاعتبارات المذكورة أعلاه وأعطت قيمة 200 ميغا إلكترون فولت. علاوة على ذلك معظممن هذه الطاقة (168 ميغا إلكترون فولت) تقع على الطاقة الحركيةفتات. في الشكل 13.13 ترى مسارات شظايا اليورانيوم الانشطاري في غرفة السحابة.

الطاقة المنبعثة أثناء الانشطار النووي هي من أصل كهروستاتيكي وليس نووي. تنشأ الطاقة الحركية الكبيرة التي تمتلكها الشظايا بسبب تنافر كولوم.

آلية الانشطار النووي.يمكن تفسير عملية انشطار النواة الذرية بناءً على نموذج قطرة النواة. وفقًا لهذا النموذج، تشبه مجموعة من النيوكليونات قطيرة من سائل مشحون (الشكل 13.14، أ). القوى النووية بين النيوكليونات قصيرة المدى، مثل القوى المؤثرة بين الجزيئات السائلة. إلى جانب قوى التنافر الكهروستاتيكية الكبيرة بين البروتونات، والتي تميل إلى تمزيق النواة إلى أجزاء، تعمل قوى أكبر القوات النوويةجاذبية. هذه القوى تمنع النواة من التفكك.

نواة اليورانيوم 235 كروية الشكل. بعد أن امتص نيوترونًا إضافيًا، يصبح متحمسًا ويبدأ في التشوه، ويكتسب شكلًا ممدودًا (الشكل 13.14، ب). سوف يمتد اللب حتى تبدأ قوى التنافر بين نصفي اللب الممدود في التغلب على قوى الجذب التي تعمل في البرزخ (الشكل 13.14 ، ج). بعد ذلك، ينقسم إلى قسمين (الشكل 13.14، د).

تحت تأثير قوى كولوم التنافرية، تطير هذه الشظايا بعيدًا بسرعة تساوي 1/30 من سرعة الضوء.

انبعاث النيوترونات أثناء الانشطار.الحقيقة الأساسية للانشطار النووي هي انبعاث اثنين إلى ثلاثة نيوترونات أثناء عملية الانشطار. وهذا ما جعل ذلك ممكنا الاستخدام العمليالطاقة النووية.

من الممكن أن نفهم سبب انبعاث النيوترونات الحرة بناءً على الاعتبارات التالية. ومن المعروف أن نسبة عدد النيوترونات إلى عدد البروتونات في النوى المستقرة تزداد بزيادة العدد الذري. ولذلك فإن العدد النسبي للنيوترونات في الشظايا الناشئة أثناء الانشطار أكبر مما هو مسموح به لنواة الذرات الموجودة في منتصف الجدول الدوري. ونتيجة لذلك، يتم إطلاق العديد من النيوترونات أثناء عملية الانشطار. طاقتهم لديها معان مختلفة- من عدة ملايين من الإلكترونات فولت إلى ملايين صغيرة جدًا تقترب من الصفر.

يحدث الانشطار عادة إلى شظايا تختلف كتلتها بنحو 1.5 مرة. هذه الشظايا شديدة النشاط الإشعاعي، لأنها تحتوي على كمية زائدة من النيوترونات. ونتيجة لسلسلة من الاضمحلالات المتعاقبة، يتم الحصول في نهاية المطاف على النظائر المستقرة.

وفي الختام نلاحظ أن هناك أيضًا انشطارًا عفويًا لنواة اليورانيوم. تم اكتشافه من قبل الفيزيائيين السوفييت جي إن فليروف وكا بيترجاك في عام 1940. عمر النصف للانشطار التلقائي هو 10 16 سنة. وهذا أطول بمليوني مرة من نصف عمر اليورانيوم.

يصاحب تفاعل الانشطار النووي إطلاق الطاقة.

محتوى الدرس ملاحظات الدرسدعم إطار عرض الدرس وأساليب تسريع التقنيات التفاعلية يمارس المهام والتمارين ورش عمل الاختبار الذاتي، والدورات التدريبية، والحالات، والمهام الواجبات المنزلية موضوع مثير للجدل أسئلة بلاغيةمن الطلاب الرسوم التوضيحية الصوت ومقاطع الفيديو والوسائط المتعددةصور فوتوغرافية، صور، رسومات، جداول، رسوم بيانية، فكاهة، نوادر، نكت، كاريكاتير، أمثال، أقوال، كلمات متقاطعة، اقتباسات الإضافات الملخصاتالمقالات والحيل لأسرّة الأطفال الفضوليين والكتب المدرسية الأساسية والإضافية للمصطلحات الأخرى تحسين الكتب المدرسية والدروستصحيح الأخطاء في الكتاب المدرسيتحديث جزء من الكتاب المدرسي، وعناصر الابتكار في الدرس، واستبدال المعرفة القديمة بأخرى جديدة فقط للمعلمين دروس مثالية خطة التقويملسنة القواعد الارشاديةبرامج المناقشة دروس متكاملة

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

1. 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. لم تعد القوى النووية التي تعمل في وسط ضيق قادرة على تحمل قوة كولوم الكبيرة لتنافر 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. اثنين ردود الفعل النموذجيةأقسام هذه النواة لها الشكل:

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

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.

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 الطاقة الإشعاع الإشعاعيالشظايا 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 نوعية تعادل حوالي 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

1. 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. في الظروف المواتيةيمكن 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.swfالفلاش: تفاعل متسلسل 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 \(~^(238)_(92)U\) بالانقسام فقط مع النيوترونات السريعةبطاقة تبلغ حوالي 1 MeV. 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، ولا سيما على طبيعة وكمية المواد الانشطارية شكل هندسيالحجم الذي تشغله. نفس الكمية من هذه المادةلقد معنى مختلف ل. لالحد الأقصى إذا كانت المادة لها شكل كروي، لأنه في هذه الحالة سيكون فقدان النيوترونات السريعة عبر السطح ضئيلًا.

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

يتم تحديد قيمة الكتلة الحرجة بواسطة الهندسة النظام الماديوبنيتها وبيئتها 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.

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.

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

إذا كانت الكتلة وقود نوويأقل من الكتلة الحرجة ثم عامل 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 كل شيء عدد أكبرالانقسامات. ينمو التفاعل المتسلسل مثل الانهيار الجليدي وله طابع الانفجار، مصحوبًا بإطلاق هائل للطاقة وزيادة في درجة الحرارة المحيطة 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. التفاعل المتسلسل النووي المسبب انفجار نووي، لا يمكن الحفاظ عليها في مثل 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

تم اكتشاف انشطار نواة اليورانيوم عند قصفها بالنيوترونات في عام 1939 من قبل العلماء الألمان أوتو هان وفريتز ستراسمان.

أوتو هان (1879-1968)
عالم فيزياء ألماني، عالم رائد في مجال الكيمياء الإشعاعية. اكتشف انشطار اليورانيوم وعدد من العناصر المشعة

فريتز ستراسمان (1902-1980)
فيزيائي وكيميائي ألماني. تتعلق الأعمال بالكيمياء النووية، الانشطار النووي. أعطى دليلا كيميائيا على عملية الانشطار

دعونا نفكر في آلية هذه الظاهرة. يُظهر الشكل 162أ بشكل تقليدي نواة ذرة اليورانيوم. بعد أن امتصت نيوترونًا إضافيًا، أصبحت النواة متحمسة ومشوهة، واكتسبت شكلًا ممدودًا (الشكل 162، ب).

أرز. 162. عملية انشطار نواة اليورانيوم تحت تأثير النيوترون الداخل إليها

أنت تعلم بالفعل أن هناك نوعين من القوى العاملة في النواة: القوى التنافرية الكهروستاتيكية بين البروتونات، والتي تميل إلى تمزيق النواة، وقوى التجاذب النووي بين جميع النيوكليونات، والتي بفضلها لا تتحلل النواة. لكن القوى النووية قصيرة المدى، لذلك في النواة الممدودة لم يعد بإمكانها الاحتفاظ بأجزاء من النواة بعيدة جدًا عن بعضها البعض. تحت تأثير القوى التنافرية الكهروستاتيكية، ينقسم القلب إلى جزأين (الشكل 162، ج)، والذي يتطاير إلى جوانب مختلفةمع سرعة هائلةوتنبعث منها 2-3 نيوترونات.

اتضح هذا الجزء الطاقة الداخليةيتم تحويل النواة إلى الطاقة الحركية للشظايا والجسيمات المتطايرة. تتباطأ الشظايا بسرعة في البيئة، ونتيجة لذلك تتحول طاقتها الحركية إلى طاقة داخلية للبيئة (أي إلى طاقة التفاعل و الحركة الحراريةالجزيئات المكونة لها).

مع الانشطار المتزامن لعدد كبير من نوى اليورانيوم، تزيد الطاقة الداخلية للبيئة المحيطة باليورانيوم، وبالتالي تزيد درجة حرارته بشكل ملحوظ (أي ترتفع درجة حرارة البيئة).

وهكذا، فإن التفاعل الانشطاري لنواة اليورانيوم يحدث مع إطلاق الطاقة فيها بيئة.

الطاقة الموجودة في نوى الذرات هائلة. على سبيل المثال، مع الانشطار الكامل لجميع النوى الموجودة في 1 جم من اليورانيوم، سيتم إطلاق نفس كمية الطاقة التي تم إطلاقها أثناء احتراق 2.5 طن من النفط. لتحويل الطاقة الداخلية للنواة الذرية إلى طاقة كهربائية تستخدم محطات الطاقة النووية ما يسمى تفاعلات سلسلة الانشطار النووي.

دعونا نفكر في آلية التفاعل المتسلسل لانشطار نواة نظير اليورانيوم. نواة ذرة اليورانيوم (الشكل 163) نتيجة لالتقاط النيوترونات انقسمت إلى قسمين، مما أدى إلى انبعاث ثلاثة نيوترونات. تسبب اثنان من هذه النيوترونات في تفاعل انشطاري لنواتين أخريين، مما أدى إلى إنتاج أربعة نيوترونات. وهذه بدورها تسببت في انشطار أربع نوى، وبعد ذلك تم إنتاج تسعة نيوترونات، وما إلى ذلك.

التفاعل المتسلسل ممكن لأن انشطار كل نواة ينتج 2-3 نيوترونات، والتي يمكن أن تشارك في انشطار النوى الأخرى.

يوضح الشكل 163 مخطط التفاعل المتسلسل الذي الرقم الإجماليتتزايد النيوترونات الحرة الموجودة في قطعة اليورانيوم مثل الانهيار الجليدي بمرور الوقت. وبناء على ذلك، فإن عدد الانشطارات النووية والطاقة المنطلقة لكل وحدة زمنية يتزايد بشكل حاد. ولذلك فإن مثل هذا التفاعل متفجر بطبيعته (يحدث في القنبلة الذرية).

أرز. 163. التفاعل المتسلسل لانشطار نواة اليورانيوم

هناك خيار آخر ممكن، حيث يتناقص عدد النيوترونات الحرة مع مرور الوقت. في هذه الحالة، يتوقف التفاعل المتسلسل. لذلك، لا يمكن أيضًا استخدام مثل هذا التفاعل لإنتاج الكهرباء.

للأغراض السلمية، من الممكن استخدام الطاقة فقط من التفاعل المتسلسل الذي لا يتغير فيه عدد النيوترونات مع مرور الوقت.

كيف يمكننا التأكد من بقاء عدد النيوترونات ثابتًا طوال الوقت؟ لحل هذه المشكلة عليك معرفة العوامل التي تؤثر على زيادة ونقصان العدد الإجمالي للنيوترونات الحرة في قطعة اليورانيوم التي يحدث فيها التفاعل المتسلسل.

أحد هذه العوامل هو كتلة اليورانيوم. والحقيقة هي أنه ليس كل نيوترون ينبعث أثناء الانشطار النووي يسبب انشطار نوى أخرى (انظر الشكل 163). إذا كانت الكتلة (وبالتالي الأبعاد) لقطعة من اليورانيوم صغيرة جدًا، فسوف تطير منها العديد من النيوترونات، دون أن يكون لديها وقت للقاء النواة في طريقها، مما يتسبب في انشطارها وبالتالي توليد جيل جديد من اليورانيوم. النيوترونات اللازمة لمواصلة التفاعل. في هذه الحالة، سوف يتوقف التفاعل المتسلسل. للحفاظ على استمرار التفاعل، تحتاج إلى زيادة كتلة اليورانيوم إلى قيمة معينة، مُسَمًّى شديد الأهمية.

لماذا يصبح التفاعل المتسلسل ممكنا مع زيادة الكتلة؟ كيف المزيد من الكتلةكلما كان حجم القطعة أكبر، كان المسار الذي تسير فيه النيوترونات أطول. وفي هذه الحالة، يزداد احتمال التقاء النيوترونات بالنوى. وبناء على ذلك، يزداد عدد الانشطارات النووية وعدد النيوترونات المنبعثة.

وعند الكتلة الحرجة لليورانيوم، يصبح عدد النيوترونات المنتجة أثناء الانشطار النووي يساوي العددالنيوترونات المفقودة (أي التي تلتقطها النوى دون انشطار وتنبعث خارج القطعة).

ولذلك فإن العدد الإجمالي لهم يبقى دون تغيير. في هذه الحالة، يمكن أن يحدث تفاعل متسلسل منذ وقت طويلدون أن تتوقف أو تصبح متفجرة.

• تسمى أصغر كتلة من اليورانيوم يمكن أن يحدث فيها تفاعل متسلسل بالكتلة الحرجة

إذا كانت كتلة اليورانيوم أكبر من الكتلة الحرجة، فنتيجة للزيادة الحادة في عدد النيوترونات الحرة يؤدي التفاعل المتسلسل إلى انفجار، وإذا كانت أقل من الكتلة الحرجة فإن التفاعل لا يحدث المضي قدمًا بسبب نقص النيوترونات الحرة.

يمكن تقليل فقدان النيوترونات (التي تتسرب من اليورانيوم دون التفاعل مع النوى) ليس فقط عن طريق زيادة كتلة اليورانيوم، ولكن أيضًا باستخدام غلاف عاكس خاص. وللقيام بذلك، يتم وضع قطعة من اليورانيوم في غلاف مصنوع من مادة تعكس النيوترونات بشكل جيد (على سبيل المثال، البريليوم). وبالانعكاس من هذه القشرة، تعود النيوترونات إلى اليورانيوم ويمكن أن تشارك في الانشطار النووي.

هناك العديد من العوامل الأخرى التي تعتمد عليها إمكانية حدوث تفاعل متسلسل. على سبيل المثال، إذا كانت قطعة اليورانيوم تحتوي على الكثير من شوائب العناصر الكيميائية الأخرى، فإنها تمتص معظم النيوترونات ويتوقف التفاعل.

ويؤثر وجود ما يسمى بالوسيط النيوتروني في اليورانيوم أيضًا على مسار التفاعل. الحقيقة هي أن نواة اليورانيوم 235 على الأرجحالانشطار تحت تأثير النيوترونات البطيئة. وعندما تنشطر النواة، يتم إنتاج نيوترونات سريعة. إذا تم إبطاء النيوترونات السريعة، فسيتم التقاط معظمها بواسطة نوى اليورانيوم 235 مع الانشطار اللاحق لهذه النوى. يتم استخدام مواد مثل الجرافيت والماء والماء الثقيل (الذي يتضمن الديوتيريوم، وهو نظير الهيدروجين ذو العدد الكتلي 2)، وبعض المواد الأخرى كمهدئات. تعمل هذه المواد على إبطاء النيوترونات فقط، دون امتصاصها تقريبًا.

وبالتالي، فإن إمكانية حدوث التفاعل المتسلسل تتحدد من خلال كتلة اليورانيوم، وكمية الشوائب فيه، ووجود القشرة والمهدئ، وبعض العوامل الأخرى.

الكتلة الحرجةفقطعة كروية من اليورانيوم 235 تزن حوالي 50 كيلو جرامًا. علاوة على ذلك، يبلغ نصف قطره 9 سم فقط، لأن اليورانيوم ذو كثافة عالية جدًا.

وباستخدام وسيط وقذيفة عاكسة وتقليل كمية الشوائب، من الممكن تقليل الكتلة الحرجة لليورانيوم إلى 0.8 كجم.

أسئلة

1. لماذا لا يمكن أن يبدأ الانشطار النووي إلا عندما يتشوه تحت تأثير النيوترون الذي يمتصه؟
2. ما الذي يتكون نتيجة الانشطار النووي؟
3. ما هي الطاقة التي يتحول إليها جزء من الطاقة الداخلية للنواة أثناء انقسامها؟ الطاقة الحركية لشظايا نواة اليورانيوم عندما تتباطأ في البيئة؟
4. كيف يتم التفاعل الانشطاري لنواة اليورانيوم - مع إطلاق الطاقة في البيئة أو، على العكس من ذلك، مع امتصاص الطاقة؟
5. اشرح آلية التفاعل المتسلسل باستخدام الشكل 163.
6. ما هي الكتلة الحرجة لليورانيوم؟
7. هل من الممكن أن يحدث تفاعل متسلسل إذا كانت كتلة اليورانيوم أقل من الكتلة الحرجة؛ أكثر أهمية؟ لماذا؟

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.

تم إجراء أول تفاعل نووي 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. ولذلك تم البحث عن طرق إطلاق الطاقة النووية بكميات كبيرة لاستخدامها في الأغراض العملية.

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 الشظايا النووية، 2-3 النيوترون الحر. وفي ظل ظروف مواتية، يمكن 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 نواة 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 ممكنةويرتبط تنفيذ التفاعل المتسلسل الانشطاري بفصل نظائر اليورانيوم وإنتاج شكل نقيكافٍ كميات كبيرةالنظائر الشرط الضروري لحدوث التفاعل المتسلسل هو وجود كمية كبيرة بما فيه الكفاية من اليورانيوم، لأنه في عينة صغيرة تطير غالبية النيوترونات عبر العينة دون الاصطدام 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 ما 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). تمتلك معظم النيوترونات المنطلقة أثناء انشطار نواة اليورانيوم طاقة تتراوح بين 1-2 ميغا إلكترون فولت. تبلغ سرعتها حوالي 107 م/ث، ولهذا تسمى بالنيوترونات 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. النيوترونات التي تتحرك بسرعات قريبة من سرعة الحركة الحرارية (حوالي 2·103 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

يحدث اعتدال النيوترونات نتيجة الاصطدام بها النوى الذريةالبيئة التي يتحركون فيها. 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. ويستخدم 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).

حاليا، هي الأكبر في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية وأوروبا، سميت لينينغراد NPP باسمها. في و. لينين لديه قدرة 4000 ميغاواط، أي. 800 مرة قوة أول محطة للطاقة النووية.

تكلفة الكهرباء المولدة في محطات الطاقة النووية الكبيرة أقل من تكلفة الكهرباء المولدة في محطات الطاقة الحرارية. لهذا الطاقة النوويةيتطور بوتيرة متسارعة.

تستخدم المفاعلات النووية كمحطات لتوليد الطاقة السفن البحرية. تم بناء أول سفينة سلمية في العالم مزودة بمحطة للطاقة النووية، وهي كاسحة الجليد لينين 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.

رد فعل نووي حراري.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 عليها قوات كولومبالتنافر، وهو أمر ممكن عند السرعات العالية بما فيه الكفاية لتصادم الجسيمات. الشروط اللازمةلتخليق نوى الهيليوم من البروتونات المتوفرة في باطن النجوم. على الأرض، تم تنفيذ 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

يتطلب التدفئة إلى ما يقرب من 5 10 7 ك.

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 الاندماج النووي الحراريللأغراض السلمية هي واحدة من أهم المهام العلم الحديثوالتكنولوجيا.

تمكنت رد فعل نووي حراريمن المفترض أن يتم تخليق الهيليوم من نظائر الهيدروجين الثقيلة عن طريق التسخين عن طريق المرور التيار الكهربائيمن خلال البلازما. يتم استخدام المجال المغناطيسي لمنع البلازما الساخنة من ملامسة جدران الغرفة. على الإعداد التجريبية"توكاماك-10" الفيزيائيون السوفييتتمكنت من تسخين البلازما إلى درجة حرارة 13 مليون درجة. يصل إلى أكثر من ذلك درجات حرارة عاليةيمكن تسخين الهيدروجين 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.

في عام 1934، قرر E. Fermi الحصول على عناصر ما بعد اليورانيوم عن طريق تشعيع 238 U بالنيوترونات. كانت فكرة إي. فيرمي هي أنه نتيجة لاضمحلال النظير 239 U، عنصر كيميائيبالرقم التسلسلي Z = 93. إلا أنه لم يكن من الممكن التعرف على تكوين العنصر 93. بدلا من ذلك، نتيجة للتحليل الكيميائي الإشعاعي للعناصر المشعة التي أجراها O. Gan و F. Strassmann، تبين أن أحد منتجات تشعيع اليورانيوم بالنيوترونات هو الباريوم (Z = 56) - وهو عنصر كيميائي متوسط الوزن الذريبينما وفقًا لافتراضات نظرية فيرمي، كان من المفترض الحصول على عناصر ما بعد اليورانيوم.
اقترح L. Meitner وO. Frisch أنه نتيجة لالتقاط نيوترون بواسطة نواة اليورانيوم، تنهار النواة المركبة إلى جزأين

92 يو + ن → 56 با + 36 كر + ن.

يصاحب عملية انشطار اليورانيوم ظهور نيوترونات ثانوية (x> 1)، قادرة على التسبب في انشطار نوى يورانيوم أخرى، مما يفتح المجال أمام احتمال حدوث تفاعل متسلسل انشطاري - يمكن لنيوترون واحد أن يؤدي إلى نشوء نواة متفرعة. سلسلة انشطار نواة اليورانيوم. في هذه الحالة، يجب أن يزيد عدد النوى المنشطرة بشكل كبير. قام N. Bohr وJ. Wheeler بحساب الطاقة الحرجة اللازمة لنواة 236 U، التي تكونت نتيجة لالتقاط النيوترونات بواسطة نظير 235 U، للانقسام. هذه القيمة هي 6.2 ميغا إلكترون فولت، وهي أقل من طاقة الإثارة لنظير 236 يو المتكون أثناء التقاط نيوترون حراري بمقدار 235 يو. لذلك، عند التقاط النيوترونات الحرارية، من الممكن حدوث تفاعل متسلسل انشطاري قدره 235 يو. النظير الأكثر شيوعًا 238 U، تبلغ الطاقة الحرجة 5.9 MeV، بينما عند التقاط نيوترون حراري، تبلغ طاقة الإثارة لنواة 239 U الناتجة 5.2 MeV فقط. ولذلك، فإن التفاعل المتسلسل لانشطار النظير الأكثر شيوعًا في الطبيعة، 238 يو، تحت تأثير النيوترونات الحرارية، يتبين أنه مستحيل. في حدث انشطار واحد، يتم إطلاق طاقة ≈ 200 MeV (للمقارنة في التفاعلات الكيميائيةالاحتراق في حدث تفاعل واحد يطلق طاقة ≈ 10 فولت). إن إمكانية تهيئة الظروف لتفاعل متسلسل انشطاري قد فتحت آفاقًا لاستخدام طاقة التفاعل المتسلسل في الإنشاء المفاعلات النوويةو الأسلحة الذرية. تم بناء أول مفاعل نووي من قبل E. Fermi في الولايات المتحدة الأمريكية في عام 1942. وفي اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية، تم إطلاق أول مفاعل نووي تحت قيادة I. Kurchatov في عام 1946. وفي عام 1954، بدأت أول محطة للطاقة النووية في العالم العمل في أوبنينسك. ويتم حاليًا توليد الطاقة الكهربائية في حوالي 440 مفاعلًا نوويًا في 30 دولة.
في عام 1940، اكتشف G. Flerov وK. Petrzhak الانشطار التلقائي لليورانيوم. يتضح مدى تعقيد التجربة من خلال الأشكال التالية. عمر النصف الجزئي بالنسبة للانشطار التلقائي لنظير 238 U هو 10 16 -10 17 سنة، في حين أن فترة اضمحلال نظير 238 U هي 4.5∙10 9 سنوات. قناة الاضمحلال الرئيسية لنظير 238 U هي اضمحلال ألفا. من أجل مراقبة الانشطار التلقائي لنظير 238 U، كان من الضروري تسجيل حدث انشطار واحد على خلفية 10 7 – 10 8 أحداث اضمحلال ألفا.
يتم تحديد احتمال الانشطار التلقائي بشكل أساسي من خلال نفاذية حاجز الانشطار. يزداد احتمال الانشطار التلقائي مع زيادة الشحنة النووية، وذلك لأن في هذه الحالة، تزداد معلمة القسمة Z 2 /A. في النظائر Z< 92-95 деление происходит преимущественно с образованием двух осколков деления с отношением масс тяжёлого и лёгкого осколков 3:2. В изотопах Z >100، يسود الانشطار المتماثل مع تكوين شظايا متساوية الكتلة. ومع زيادة الشحنة النووية، تزداد نسبة الانشطار التلقائي مقارنة بتحلل ألفا.

النظائر	نصف الحياة	قنوات الاضمحلال
235 يو	7.04·10 8 سنوات	α (100%)، SF (7·10 -9%)
238 يو	4.47 10 9 سنوات	α (100%)، SF (5.5·10 -5%)
240 بو	6.56·10 3 سنوات	α (100%)، SF (5.7·10 -6%)
242 بو	3.75 10 5 سنوات	α (100%)، SF (5.5·10 -4%)
246 سم	4.76 10 3 سنوات	ألفا (99.97%)، إس إف (0.03%)
252 راجع	2.64 سنة	ألفا (96.91%)، SF (3.09%)
254 راجع	60.5 سنة	ألفا (0.31%)، سادس (99.69%)
256 راجع	12.3 سنة	α (7.04·10 -8%)، SF (100%)

الانشطار النووي. قصة

1934- اكتشف إي. فيرمي، الذي قام بتشعيع اليورانيوم بالنيوترونات الحرارية، نوى مشعة بين منتجات التفاعل، والتي لا يمكن تحديد طبيعتها.
طرح L. Szilard فكرة التفاعل النووي المتسلسل.

1939- اكتشف O. Hahn وF. Strassmann الباريوم بين منتجات التفاعل.
كان L. Meitner و O. Frisch أول من أعلن أنه تحت تأثير النيوترونات، تم تقسيم اليورانيوم إلى جزأين لهما كتلة مماثلة.
أعطى N. Bohr وJ. Wheeler تفسيرًا كميًا للانشطار النووي من خلال تقديم معامل الانشطار.
طور يا فرنكل نظرية السقوط للانشطار النووي بواسطة النيوترونات البطيئة.
L. Szilard، E. Wigner، E. Fermi، J. Wheeler، F. Joliot-Curie، Y. Zeldovich، Y. Khariton أثبتوا إمكانية حدوث تفاعل متسلسل انشطاري نووي في اليورانيوم.

1940- اكتشف ج. فليروف وك. بيترزاك ظاهرة الانشطار التلقائي لنواة اليورانيوم U.

1942- قام إي. فيرمي بإجراء تفاعل انشطاري متسلسل متحكم به في المفاعل الذري الأول.

1945- الاختبار الأول أسلحة نووية(نيفادا، الولايات المتحدة الأمريكية). على المدن اليابانيةأسقطت القوات الأمريكية القنابل الذرية على هيروشيما (6 أغسطس) وناغازاكي (9 أغسطس).

1946- تحت قيادة I.V. كورشاتوف، تم إطلاق أول مفاعل في أوروبا.

1954- تم إطلاقه لأول مرة في العالم محطة الطاقة النووية(أوبنينسك، اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية).

الانشطار النووي.منذ عام 1934، بدأ E. Fermi في استخدام النيوترونات لقصف الذرات. منذ ذلك الحين، زاد عدد النوى المستقرة أو المشعة التي تم الحصول عليها عن طريق التحول الاصطناعي إلى عدة مئات، وتقريبا جميع الأماكن في الجدول الدوري مليئة بالنظائر.
وتحتل الذرات الناشئة في كل هذه التفاعلات النووية نفس المكان في الجدول الدوري الذي تحتله الذرة المقذوفة، أو الأماكن المجاورة لها. ولذلك أنتجت ضجة كبيرةبرهان هان وستراسمان في عام 1938 على أنه عند قصف النيوترونات، فإن العنصر الأخير في الجدول الدوري−اليورانيوم−يحدث التحلل إلى العناصر الموجودة في الأجزاء الوسطى من الجدول الدوري. يؤدون هنا أنواع مختلفةفساد. تكون الذرات الناتجة في الغالب غير مستقرة وتتحلل على الفور بشكل أكبر؛ بعضها له عمر نصف يُقاس بالثواني، لذلك كان على غان استخدامه المنهج التحليليكوري لإطالة هذه العملية السريعة. من المهم أن نلاحظ أن العناصر الأولية لليورانيوم والبروتكتينيوم والثوريوم تظهر أيضًا اضمحلالًا مماثلاً عند تعرضها للنيوترونات، على الرغم من أن بدء الاضمحلال يستغرق وقتًا أطول. طاقة عاليةالنيوترونات مقارنة باليورانيوم. جنبا إلى جنب مع هذا، في عام 1940، اكتشف G. N. Flerov و K. A. Petrzhak الانشطار التلقائي لنواة اليورانيوم مع أكبر نصف عمر معروف حتى ذلك الحين: حوالي 2· 10 15 سنة؛ وتتضح هذه الحقيقة بسبب النيوترونات المنطلقة خلال هذه العملية. وهذا جعل من الممكن فهم سبب انتهاء النظام الدوري "الطبيعي" بالعناصر الثلاثة المذكورة. لقد أصبحت عناصر ما بعد اليورانيوم معروفة الآن، لكنها غير مستقرة إلى درجة أنها تتحلل بسرعة.
إن انشطار اليورانيوم بواسطة النيوترونات يجعل من الممكن الآن استخدام الطاقة الذرية، والتي تصورها الكثيرون بالفعل على أنها "حلم جول فيرن".

م. لاو، “تاريخ الفيزياء”

1939 اكتشف O. Hahn وF. Strassmann، عن طريق تشعيع أملاح اليورانيوم بالنيوترونات الحرارية، الباريوم (Z = 56) من بين منتجات التفاعل

أوتو غان (1879 – 1968)

الانشطار النووي هو انقسام النواة إلى نواتين (أقل من ثلاثة في كثير من الأحيان) ذات كتل متشابهة، والتي تسمى شظايا الانشطار. أثناء الانشطار، تظهر أيضًا جسيمات أخرى - النيوترونات والإلكترونات وجسيمات ألفا. نتيجة للانشطار، يتم إطلاق طاقة تبلغ حوالي 200 ميجا إلكترون فولت. يمكن أن يكون الانشطار عفويًا أو قسريًا تحت تأثير جسيمات أخرى، غالبًا النيوترونات.
ميزة مميزةالانشطار هو أن شظايا الانشطار، كقاعدة عامة، تختلف بشكل كبير في الكتلة، أي أن الانشطار غير المتماثل هو السائد. وهكذا، في حالة الانشطار الأكثر احتمالا لنظير اليورانيوم 236 U، فإن نسبة كتل الشظايا هي 1.46. الجزء الثقيل له عدد كتلي 139 (زينون)، والجزء الخفيف له عدد كتلي 95 (السترونتيوم). مع الأخذ في الاعتبار انبعاث اثنين من النيوترونات السريعة، فإن تفاعل الانشطار قيد النظر له الشكل

جائزة نوبل في الكيمياء
1944 - أو.غان.
لاكتشاف التفاعل الانشطاري لنواة اليورانيوم بواسطة النيوترونات.

شظايا الانشطار

الاعتماد على المتوسطات ضوء الجماهيرومجموعات ثقيلة من الشظايا من كتلة النواة الانشطارية.

اكتشاف الانشطار النووي. 1939

وصلت إلى السويد، حيث كانت ليز مايتنر تعاني من الوحدة، وقررت، مثل ابن أخ مخلص، أن أزورها في عيد الميلاد. عاشت في فندق Kungälv الصغير بالقرب من جوتنبرج. لقد وجدتها في وجبة الإفطار. فكرت في الرسالة التي تلقتها للتو من غان. لقد كنت متشككا للغاية بشأن محتويات الرسالة، التي أبلغت عن تكوين الباريوم عندما تم تشعيع اليورانيوم بالنيوترونات. ومع ذلك، فقد جذبتها هذه الفرصة. مشينا في الثلج، وهي سيرًا على الأقدام، وأنا على الزلاجات (قالت إنها تستطيع القيام بذلك بهذه الطريقة دون أن تتخلف عني، وقد أثبتت ذلك). بحلول نهاية المسيرة، كان بإمكاننا بالفعل صياغة بعض الاستنتاجات؛ لم ينقسم اللب، ولم تتطاير القطع منه، لكن هذه كانت عملية تذكرنا بنموذج بور القطيري للنواة؛ مثل القطرة، يمكن للنواة أن تستطيل وتنقسم. ثم بحثت كيف الشحنة الكهربائيةتتناقص النيوكليونات التوتر السطحي، والتي، كما تمكنت من إثباتها، تنخفض إلى الصفر عند Z = 100 وربما تكون صغيرة جدًا بالنسبة لليورانيوم. عملت ليز مايتنر على تحديد الطاقة المنبعثة خلال كل اضمحلال بسبب خلل في الكتلة. لقد كانت واضحة جدًا بشأن منحنى عيب الكتلة. اتضح أنه بسبب التنافر الكهروستاتيكي، فإن عناصر الانشطار ستكتسب طاقة تبلغ حوالي 200 ميغا إلكترون فولت، وهذا يتوافق تمامًا مع الطاقة المرتبطة بخلل الكتلة. ولذلك، يمكن أن تتم العملية بشكل كلاسيكي بحت دون أن تنطوي على مفهوم العبور حاجز محتملوالتي، بالطبع، لن تكون ذات فائدة هنا.
لقد أمضينا يومين أو ثلاثة أيام معًا خلال عيد الميلاد. ثم عدت إلى كوبنهاجن وبالكاد كان لدي الوقت لإبلاغ بور بفكرتنا في نفس اللحظة التي كان يستقل فيها بالفعل سفينة متجهة إلى الولايات المتحدة. أتذكر كيف صفع جبهته بمجرد أن بدأت في الكلام وصرخ: "أوه، كم كنا حمقى! كان ينبغي لنا أن نلاحظ هذا في وقت سابق." لكنه لم يلاحظ، ولم يلاحظ أحد.
لقد كتبت أنا وليز مايتنر مقالًا. وفي الوقت نفسه، بقينا على اتصال دائم عبر الهاتف لمسافات طويلة من كوبنهاغن إلى ستوكهولم.

أو. فريش، مذكرات. UFN. 1968. ت 96، العدد 4، ص. 697.

الانشطار النووي التلقائي

في التجارب الموضحة أدناه، استخدمنا الطريقة التي اقترحها فريش لأول مرة لتسجيل عمليات الانشطار النووي. يتم توصيل غرفة التأين ذات الألواح المغطاة بطبقة من أكسيد اليورانيوم بمضخم خطي تم تكوينه بطريقة لا يتمكن النظام من اكتشاف جسيمات α المنبعثة من اليورانيوم؛ النبضات من الشظايا، أكبر بكثير من النبضات من جسيمات ألفا، تفتح الثيراترون الناتج وتعتبر مرحلًا ميكانيكيًا.
تم تصميم غرفة التأين خصيصًا على شكل مكثف مسطح متعدد الطبقات مع المساحة الإجمالية 15 صفيحة في 1000 سم، تقع الصفائح على مسافة 3 مم من بعضها البعض، ومغطاة بطبقة من أكسيد اليورانيوم 10-20 ملغم/سم3 2 .
في التجارب الأولى مع مكبر للصوت تم تكوينه لحساب الشظايا، كان من الممكن مراقبة نبضات عفوية (في حالة عدم وجود مصدر نيوتروني) على مرحل ومرسمة الذبذبات. وكان عدد هذه النبضات صغيراً (6 في ساعة واحدة)، ولذلك فمن المفهوم عدم إمكانية ملاحظة هذه الظاهرة بكاميرات من النوع المعتاد...
نحن نميل إلى الاعتقاد بذلك التأثير الذي لاحظناه ينبغي أن يُعزى إلى الشظايا الناتجة عن الانشطار التلقائي لليورانيوم...

يجب أن يعزى الانشطار التلقائي إلى أحد نظائر اليورانيوم غير المثارة مع عمر النصف الذي تم الحصول عليه من تقييم نتائجنا:

ش 238 – 10 16 ~ 10 17 سنين،
ش 235 – 10 14 ~ 10 15 سنين،
ش 234 – 10 12 ~ 10 13 سنين.

اضمحلال النظائر 238 ش

الانشطار النووي التلقائي

أعمار النصف للنظائر الانشطارية تلقائيًا Z = 92 - 100

أولاً النظام التجريبيمع شعرية اليورانيوم والجرافيت تم بناؤها في عام 1941 تحت قيادة إي فيرمي. وهو عبارة عن مكعب من الجرافيت يبلغ طول حافته 2.5 متر، ويحتوي على حوالي 7 أطنان من أكسيد اليورانيوم، محاطًا بأوعية حديدية، توضع في المكعب على مسافات متساوية من بعضها البعض. تم وضع مصدر نيوترون RaBe في الجزء السفلي من شبكة اليورانيوم والجرافيت. كان معامل التكاثر في مثل هذا النظام ≈ 0.7. يحتوي أكسيد اليورانيوم على شوائب تتراوح من 2 إلى 5٪. كانت الجهود الإضافية تهدف إلى الحصول على مواد أنقى، وبحلول مايو 1942، تم الحصول على أكسيد اليورانيوم، حيث كانت نسبة الشوائب فيه أقل من 1٪. لضمان التفاعل المتسلسل الانشطاري، كان من الضروري استخدامه عدد كبير منالجرافيت واليورانيوم - حوالي عدة أطنان. يجب أن تكون الشوائب أقل من بضعة أجزاء في المليون. كان للمفاعل، الذي تم تجميعه بحلول نهاية عام 1942 من قبل فيرمي في جامعة شيكاغو، شكل كروي غير مكتمل مقطوع من الأعلى. وكانت تحتوي على 40 طنا من اليورانيوم و385 طنا من الجرافيت. وفي مساء يوم 2 ديسمبر 1942، وبعد إزالة قضبان امتصاص النيوترونات، تم اكتشاف حدوث تفاعل نووي متسلسل داخل المفاعل. وكان المعامل المقاس 1.0006. في البداية، كان المفاعل يعمل بمستوى طاقة قدره 0.5 واط. بحلول 12 ديسمبر، تمت زيادة قوتها إلى 200 واط. وفي وقت لاحق، تم نقل المفاعل إلى أكثر مكان آمنوتمت زيادة قوتها إلى عدة كيلووات. وفي الوقت نفسه، استهلك المفاعل 0.002 جرام من اليورانيوم 235 يوميًا.

أول مفاعل نووي في الاتحاد السوفييتي

بناء أول مركز أبحاث في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية مفاعل نوويكانت الطائرة F-1 جاهزة بحلول يونيو 1946.
وبعد إجراء كافة التجارب اللازمة، تم وضع نظام التحكم والحماية للمفاعل، وتم تحديد أبعاد المفاعل، وإجراء كافة التجارب اللازمة على نماذج المفاعل، وتم تحديد كثافة النيوترونات على تم الحصول على عدة نماذج، وكتل الجرافيت (ما يسمى بالنقاء النووي) وكتل اليورانيوم (بعد الفحوصات النيوترونية الفيزيائية)، وفي نوفمبر 1946 بدأوا في بناء مفاعل F-1.
إجمالي نصف القطركان طول المفاعل 3.8 متر، وكان يتطلب 400 طن من الجرافيت و45 طن من اليورانيوم. تم تجميع المفاعل في طبقات وفي الساعة 15:00 يوم 25 ديسمبر 1946، تم تجميع الطبقة الثانية والستين الأخيرة. بعد إزالة ما يسمى بقضبان الطوارئ، تم رفع قضيب التحكم، وبدأ حساب كثافة النيوترونات، وفي الساعة 18:00 يوم 25 ديسمبر 1946، ظهر أول مفاعل في الاتحاد السوفييتي وبدأ العمل. لقد كان انتصارًا مثيرًا للعلماء - مبدعي المفاعل النووي وكل شيء الشعب السوفييتي. وبعد عام ونصف، في 10 يونيو 1948، وصل المفاعل الصناعي الذي يحتوي على الماء في القنوات إلى حالة حرجة وسرعان ما بدأ الإنتاج الصناعي لنوع جديد من الوقود النووي، البلوتونيوم.