Настъпва делене на уранови ядра както следва: Първо, неутронът удря ядрото, както куршумът удря ябълка. В случай на ябълка, куршумът ще направи дупка в нея или ще я пръсне на парчета. Когато неутрон удари ядро, той се улавя ядрени сили. Известно е, че неутронът е неутрален, така че не се отблъсква от електростатични сили.
Как се случва деленето на ядрото на уран?
Така че, влизайки в ядрото, неутронът нарушава равновесието и ядрото се възбужда. Разтяга се настрани като дъмбел или знак за безкрайност: ∞ . Ядрените сили, както е известно, действат на разстояние, пропорционално на размера на частиците. Когато ядрото се разтегне, ефектът от ядрените сили става незначителен за външните частици на „дъмбела“, докато електрически силиТе действат много мощно на такова разстояние и ядрото просто се разпада на две части. В този случай се излъчват още два или три неутрона.
Фрагменти от ядрото и освободените неутрони се разпръскват с голяма скорост в различни посоки. Фрагментите се забавят доста бързо средакинетичната им енергия обаче е огромна. Трансформира се в вътрешна енергиясреда, която се нагрява. В този случай количеството освободена енергия е огромно. Енергията, получена от пълното делене на един грам уран, е приблизително равна на енергията, получена от изгарянето на 2,5 тона нефт.
Верижна реакция на делене на няколко ядра
Разгледахме деленето на едно ураново ядро. По време на делене се отделят няколко (обикновено два или три) неутрона. Те се разлитат с голяма скорост и могат лесно да проникнат в ядрата на други атоми, предизвиквайки реакция на делене в тях. Това е верижна реакция.
Тоест неутроните, получени в резултат на ядрено делене, възбуждат и принуждават други ядра към делене, които от своя страна сами излъчват неутрони, които продължават да стимулират по-нататъшно делене. И така докато не настъпи делене на всички уранови ядра в непосредствена близост.
В този случай може да възникне верижна реакция лавинообразен, например, в случай на експлозия на атомна бомба. Броят на ядрените деления се увеличава геометрична прогресияв кратък период от време. Може обаче да възникне и верижна реакция със затихване.
Факт е, че не всички неутрони срещат ядра по пътя си, които предизвикват делене. Както си спомняме, вътре в веществото основният обем е зает от празнината между частиците. Следователно някои неутрони летят през цялата материя, без да се сблъскват с нищо по пътя си. И ако броят на ядрените деления намалява с течение на времето, тогава реакцията постепенно избледнява.
Ядрени реакции и критична маса на урана
Какво определя вида на реакцията?От масата на урана. как повече маса- колкото повече частици среща летящият неутрон по пътя си и толкова повече шансове има да попадне в ядрото. Следователно те разграничават „ критична маса„Уранът е минималната маса, при която може да възникне верижна реакция.
Броят на произведените неутрони ще бъде равен на броя на неутроните, които излитат. И реакцията ще продължи приблизително същата скоростдо изчерпване на целия обем на веществото. Това се използва в практиката атомни електроцентралии се нарича контролирана ядрена реакция.
През 1934 г. Е. Ферми решава да получи трансуранови елементи чрез облъчване на 238 U с неутрони. Идеята на Е. Ферми е, че в резултат на β - разпада на изотопа 239 U, химически елементсъс сериен номер Z = 93. Въпреки това не беше възможно да се идентифицира образуването на 93-ия елемент. Вместо това, в резултат на радиохимичен анализ на радиоактивни елементи, извършен от О. Ган и Ф. Щрасман, беше показано, че един от продуктите на облъчване на уран с неутрони е барий (Z = 56) - химичен елемент от средата атомно тегло, докато според предположението на теорията на Ферми е трябвало да се получат трансуранови елементи.
Л. Майтнер и О. Фриш предполагат, че в резултат на улавянето на неутрон от ураново ядро, съставното ядро се разпада на две части
92 U + n → 56 Ba + 36 Kr + xn.
Процесът на делене на урана е придружен от появата на вторични неутрони (x > 1), способни да предизвикат делене на други уранови ядра, което отваря потенциал за възникване на верижна реакция на делене - един неутрон може да породи разклонен верига на делене на уранови ядра. В този случай броят на разцепените ядра трябва да нараства експоненциално. N. Bohr и J. Wheeler изчисляват критичната енергия, необходима за разцепването на ядрото 236 U, образувано в резултат на улавяне на неутрони от изотопа 235 U. Тази стойност е 6,2 MeV, което е по-малко от енергията на възбуждане на изотопа 236 U, образуван по време на улавянето на топлинен неутрон от 235 U. Следователно, когато се уловят топлинни неутрони, е възможна верижна реакция на делене на 235 U Най-често срещаният изотоп 238 U, критичната енергия е 5,9 MeV, докато когато се улови топлинен неутрон, енергията на възбуждане на полученото ядро 239 U е само 5,2 MeV. Следователно верижната реакция на делене на най-разпространения в природата изотоп 238 U под въздействието на топлинни неутрони се оказва невъзможна. При едно събитие на делене се освобождава енергия ≈ 200 MeV (за сравнение в химически реакцииизгаряне в едно реакционно събитие освобождава енергия ≈ 10 eV). Възможността за създаване на условия за верижна реакция на делене разкри перспективи за използване на енергията на верижната реакция за създаване на атомни реактори и атомни оръжия. Първият ядрен реактор е построен от Е. Ферми в САЩ през 1942 г. В СССР първият ядрен реактор е пуснат под ръководството на И. Курчатов през 1946 г. През 1954 г. в Обнинск започва да работи първата атомна електроцентрала в света. В момента електрическата енергия се генерира в приблизително 440 ядрени реактора в 30 страни.
През 1940 г. Г. Флеров и К. Петржак откриват спонтанното делене на урана. Сложността на експеримента се доказва от следните цифри. Частичният полуживот по отношение на спонтанното делене на изотопа 238 U е 10 16 –10 17 години, докато периодът на разпадане на изотопа 238 U е 4,5∙10 9 години. Основният канал на разпадане на изотопа 238 U е α разпадането. За да се наблюдава спонтанното делене на изотопа 238 U, беше необходимо да се регистрира едно събитие на делене на фона на 10 7 –10 8 събития на α-разпад.
Вероятността за спонтанно делене се определя главно от пропускливостта на бариерата на делене. Вероятността от спонтанно делене се увеличава с увеличаване на ядрения заряд, т.к в този случай параметърът на разделяне Z 2 /A се увеличава. В изотопи Z< 92-95
деление происходит преимущественно с образованием двух осколков деления с
отношением масс тяжёлого и лёгкого осколков 3:2. В изотопах
Z >100, преобладава симетричното делене с образуването на фрагменти с еднаква маса. С нарастването на ядрения заряд делът на спонтанното делене в сравнение с α-разпада се увеличава.
| Изотоп | Половин живот | Канали на разпад |
|---|---|---|
| 235 U | 7.04·10 8 години | α (100%), SF (7·10 -9%) |
| 238U | 4,47 10 9 години | α (100%), SF (5,5·10 -5%) |
| 240 Pu | 6,56·10 3 години | α (100%), SF (5,7·10 -6%) |
| 242 Pu | 3,75 10 5 години | α (100%), SF (5,5·10 -4%) |
| 246 см | 4,76·10 3 години | α (99,97%), SF (0,03%) |
| 252 Вж | 2,64 години | α (96,91%), SF (3,09%) |
| 254 Вж | 60,5 години | α (0,31%), SF (99,69%) |
| 256 Вж | 12,3 години | α (7,04·10 -8%), SF (100%) |
Ядрено делене. История
1934 г- Е. Ферми, облъчвайки урана с топлинни неутрони, открива сред продуктите на реакцията радиоактивни ядра, чиято природа не може да бъде определена.
L. Szilard представи идеята за ядрена верижна реакция.
1939 г− О. Хан и Ф. Щрасман откриват бария сред продуктите на реакцията.
Л. Майтнер и О. Фриш бяха първите, които обявиха, че под въздействието на неутрони уранът се разделя на два фрагмента със сравнима маса.
N. Bohr и J. Wheeler дадоха количествена интерпретация на ядреното делене чрез въвеждане на параметъра на делене.
Я. Френкел разработи капковата теория на ядреното делене от бавни неутрони.
L. Szilard, E. Wigner, E. Fermi, J. Wheeler, F. Joliot-Curie, Y. Zeldovich, Y. Khariton обосноваха възможността за верижна реакция на ядрено делене, протичаща в урана.
1940 г− G. Flerov и K. Pietrzak откриват явлението спонтанно делене на ядрата на уран U.
1942 г− Е. Ферми извърши контролирана верижна реакция на делене в първия атомен реактор.
1945 г− Първи тест ядрени оръжия(Невада, САЩ). включено японски градовеАтомни бомби бяха хвърлени от американските войски в Хирошима (6 август) и Нагасаки (9 август).
1946 г− Под ръководството на I.V. Курчатов е пуснат първият реактор в Европа.
1954 г− Пусната е първата в света атомна електроцентрала (Обнинск, СССР).
Ядрено делене.От 1934 г. Е. Ферми започва да използва неутрони за бомбардиране на атоми. Оттогава броят на стабилните или радиоактивни ядра, получени чрез изкуствена трансформация, се е увеличил до много стотици и почти всички места в периодичната таблица са запълнени с изотопи.
Атомите, възникващи във всички тези ядрени реакции, заемат същото място в периодичната таблица като бомбардирания атом или съседни места. Следователно, доказателството от Хан и Щрасман през 1938 г., че когато са бомбардирани с неутрони в последния елемент от периодичната таблица, създава голяма сензация−уран−настъпва разлагане на елементи, които са в средните части на периодичната таблица. Те изпълняват тук различни видовегниене. Получените атоми са предимно нестабилни и веднага се разпадат допълнително; някои имат период на полуразпад, измерен в секунди, така че Ган трябваше да използва аналитичен методКюри, за да удължи толкова бърз процес. Важно е да се отбележи, че елементите нагоре по веригата на уран, протактиний и торий, също показват подобен разпад, когато са изложени на неутрони, въпреки че отнема повече време, за да започне разпадането. висока енергиянеутрони, отколкото в случая с урана. Заедно с това през 1940 г. Г. Н. Флеров и К. А. Петржак откриват спонтанното делене на ураново ядро с най-големия известен дотогава период на полуразпад: около 2· 10 15 години; този факт става ясен поради неутроните, освободени по време на този процес. Това позволи да се разбере защо "естествената" периодична система завършва с трите посочени елемента. Вече са известни трансуранови елементи, но те са толкова нестабилни, че се разпадат бързо.
Деленето на урана чрез неутрони сега прави възможно използването на атомна енергия, което мнозина вече са си представяли като „мечтата на Жул Верн“.
М. Лауе, „История на физиката“
1939 О. Хан и Ф. Щрасман, облъчвайки уранови соли с топлинни неутрони, откриват барий (Z = 56) сред продуктите на реакцията
 Ото Ган (1879 – 1968) |
Ядреното делене е разделянето на ядрото на две (по-рядко три) ядра с еднакви маси, които се наричат фрагменти на делене. При деленето се появяват и други частици – неутрони, електрони, α-частици. В резултат на деленето се освобождава енергия от ~200 MeV. Деленето може да бъде спонтанно или принудително под въздействието на други частици, най-често неутрони.
Характерна особеностделене е, че фрагментите на делене като правило се различават значително по маса, т.е. преобладава асиметрично делене. По този начин, в случай на най-вероятно делене на урановия изотоп 236 U, съотношението на масите на фрагментите е 1,46. Тежкият фрагмент има масово число 139 (ксенон), а лекият фрагмент има масово число 95 (стронций). Като се вземе предвид излъчването на два незабавни неутрона, разглежданата реакция на делене има формата
Нобелова награда за химия
1944 – О. Ган.
За откриването на реакцията на делене на урановите ядра от неутрони.
Фрагменти от делене
Зависимост на средните стойности маси светлинаи тежки групи фрагменти от масата на делящото се ядро.
Откриване на ядреното делене. 1939 г
Пристигнах в Швеция, където Лиз Майтнер страдаше от самота, и аз, като предан племенник, реших да я посетя за Коледа. Тя живееше в малкия хотел Kungälv близо до Гьотеборг. Намерих я на закуска. Тя се замисли за писмото, което току-що бе получила от Ган. Бях много скептичен относно съдържанието на писмото, което съобщаваше за образуването на барий, когато уранът беше облъчен с неутрони. Тя обаче беше привлечена от възможността. Вървяхме в снега, тя пеша, аз на ски (тя каза, че може да мине така, без да изостава от мен и го доказа). В края на разходката вече можехме да формулираме някои изводи; ядрото не се разцепи и парчета не отлетяха от него, но това беше процес, който повече напомняше капковия модел на ядрото на Бор; подобно на капка, ядрото може да се удължи и да се раздели. След това проучих как електрически заряднамалява нуклоните повърхностно напрежение, което, както успях да установя, пада до нула при Z = 100 и вероятно е доста малко за уран. Lise Meitner работи, за да определи енергията, освободена по време на всеки разпад поради масов дефект. Тя беше много ясна за кривата на масовия дефект. Оказа се, че поради електростатично отблъскване, елементите на делене ще придобият енергия от около 200 MeV и това точно съответства на енергията, свързана с дефекта на масата. Следователно процесът може да протече чисто класически, без да включва концепцията за преминаване през потенциална бариера, което, разбира се, би било безполезно тук.
Прекарахме два-три дни заедно по Коледа. След това се върнах в Копенхаген и едва имах време да информирам Бор за нашата идея точно в момента, когато той вече се качваше на кораб, заминаващ за САЩ. Спомням си как той се плесна по челото, щом започнах да говоря, и възкликна: „Ах, какви глупаци бяхме! Трябваше да забележим това по-рано." Но той не забеляза и никой не забеляза.
Lise Meitner и аз написахме статия. В същото време поддържахме непрекъсната връзка по междуградски телефон от Копенхаген до Стокхолм.
О. Фриш, Мемоари. UFN. 1968. Т. 96, брой 4, с. 697.
Спонтанно ядрено делене
В експериментите, описани по-долу, използвахме метода, предложен за първи път от Frisch за записване на процесите на ядрено делене. Йонизационна камера с плочи, покрити със слой от уранов оксид, е свързана към линеен усилвател, конфигуриран по такъв начин, че α частиците, излъчвани от урана, да не се откриват от системата; импулси от фрагменти, много по-големи по величина от импулси от α-частици, отключват изходния тиратрон и се считат за механично реле.
Специално е проектирана йонизационна камера под формата на многослоен плосък кондензатор с обща площ 15 плочи през 1000 cm. Плочите, разположени на разстояние 3 mm една от друга, са покрити със слой ураниев оксид 10-20 mg/cm. 2
.
В първите експерименти с усилвател, конфигуриран за броене на фрагменти, беше възможно да се наблюдават спонтанни (при липса на източник на неутрони) импулси на реле и осцилоскоп. Броят на тези импулси беше малък (6 за 1 час) и затова е разбираемо, че това явление не можеше да се наблюдава с камери от обичайния тип...
Склонни сме да мислим така ефектът, който наблюдавахме, трябва да се припише на фрагменти, получени в резултат на спонтанното делене на урана...
Спонтанното делене трябва да се припише на един от невъзбудените U изотопи с полуживот, получен от оценка на нашите резултати:
U 238
– 10
16
~ 10
17
години,
U 235
– 10
14
~ 10
15
години,
U 234
– 10
12
~ 10
13
години.
Изотопно разпадане 238 U
Спонтанно ядрено делене
Време на полуразпад на спонтанно делящи се изотопи Z = 92 - 100
Първо експериментална системас уран-графитна решетка е построен през 1941 г. под ръководството на Е. Ферми. Това беше графитен куб с дължина на ръба 2,5 м, съдържащ около 7 тона уранов оксид, затворен в железни съдове, които бяха поставени в куба на еднакво разстояние един от друг. Източник на неутрони RaBe беше поставен на дъното на уран-графитната решетка. Коефициентът на възпроизвеждане в такава система беше ≈ 0,7. Урановият оксид съдържа от 2 до 5% примеси. По-нататъшните усилия бяха насочени към получаване на по-чисти материали и до май 1942 г. беше получен уранов оксид, в който примесът беше по-малък от 1%. За да се осигури верижна реакция на делене, беше необходимо да се използва голям бройграфит и уран - около няколко тона. Примесите трябваше да бъдат по-малко от няколко части на милион. Реакторът, сглобен в края на 1942 г. от Ферми в Чикагския университет, имаше формата на непълен сфероид, отрязан отгоре. Той съдържаше 40 тона уран и 385 тона графит. Вечерта на 2 декември 1942 г., след като прътите за поглъщане на неутрони бяха отстранени, беше открито, че вътре в реактора протича ядрена верижна реакция. Измереният коефициент е 1,0006. Първоначално реакторът работи на ниво на мощност от 0,5 W. До 12 декември мощността му беше увеличена до 200 вата. Впоследствие реакторът е преместен в повече безопасно място, а мощността му беше увеличена до няколко kW. В същото време реакторът изразходва 0,002 g уран-235 на ден.
Първият ядрен реактор в СССР
Сградата за първия ядрен изследователски реактор в СССР Ф-1 е готова до юни 1946 г.
След като са проведени всички необходими експерименти, е разработена система за управление и защита на реактора, установени са размерите на реактора, проведени са всички необходими експерименти с модели на реактори, определена е неутронната плътност на няколко модела, получени са графитни блокове (т.нар. ядрена чистота) и (след неутронно-физични проверки) уранови блокове, през ноември 1946 г. започва изграждането на реактор F-1.
Общ радиусРеакторът беше дълъг 3,8 м. За него бяха необходими 400 тона графит и 45 тона уран. Реакторът е сглобен на слоеве и в 15:00 часа на 25 декември 1946 г. е сглобен последният, 62-ри слой. След отстраняване на т. нар. аварийни пръти, управляващият прът е повдигнат, започва отчитането на неутронната плътност и в 18 часа на 25 декември 1946 г. първият реактор в СССР оживява и заработва. Това беше вълнуваща победа за учените - създателите на ядрения реактор и всичко останало съветски хора. И година и половина по-късно, на 10 юни 1948 г., промишленият реактор с вода в каналите достигна критично състояние и скоро започна промишленото производство на нов вид ядрено гориво, плутоний.
Ядреното делене е разделянето на тежък атом на два фрагмента от приблизително еднаква маса, съпроводено с отделяне на голямо количество енергия.
Отваряне ядрено делененачалото на нова ера - "атомната ера". Потенциалът на възможната му употреба и съотношението риск-полза от нейната употреба не само породиха много социологически, политически, икономически и научни постижения, но и сериозни проблеми. Дори и с чисти научна точкавижте създадения процес на ядрено делене голям бройпъзели и усложнения, а пълното му теоретично обяснение е въпрос на бъдещето.
Споделянето е печелившо
Енергиите на свързване (на нуклон) са различни за различните ядра. По-тежките имат по-ниска енергия на свързване от тези, разположени в средата на периодичната таблица.
Това означава, че тежките ядра, които имат атомно числоповече от 100, е изгодно да се раздели на два по-малки фрагмента, като по този начин се освободи енергия, която се превръща в кинетична енергия на фрагментите. Този процес се нарича разделяне
Според кривата на стабилност, която показва зависимостта на броя на протоните от броя на неутроните за стабилни нуклиди, се предпочитат по-тежките ядра по-голям бройнеутрони (в сравнение с броя на протоните) от по-леките. Това предполага, че някои "резервни" неутрони ще бъдат излъчени заедно с процеса на делене. Освен това те ще поемат и част от освободената енергия. Изследване на деленето на ядрото на атом на уран показа, че се отделят 3-4 неутрона: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.
Атомният номер (и атомната маса) на фрагмента не е равен на половината атомна масародител. Разликата между масите на атомите, образувани в резултат на разделянето, обикновено е около 50. Причината за това обаче все още не е напълно ясна.
Енергиите на свързване на 238 U, 145 La и 90 Br са съответно 1803, 1198 и 763 MeV. Това означава, че в резултат на тази реакция се освобождава енергията на делене на урановото ядро, равна на 1198 + 763-1803 = 158 MeV.
Спонтанно делене
Процесите на спонтанно делене са известни в природата, но те са много редки. Средна продължителност на живота посочения процесе около 10 17 години, а например средната продължителност на живота на алфа разпад на същия радионуклид е около 10 11 години.
Причината за това е, че за да се раздели на две части, сърцевината трябва първо да претърпи деформация (разтягане) в елипсоидална форма и след това, преди окончателно да се раздели на два фрагмента, да образува „врат“ в средата.
Потенциална бариера
В деформирано състояние върху ядрото действат две сили. Едното е увеличената повърхностна енергия (повърхностното напрежение на течна капка обяснява нейната сферична форма), а другото е кулоновото отблъскване между фрагментите на делене. Заедно те създават потенциална бариера.
Както в случая на алфа разпадане, за да се получи спонтанно делене на ядрото на уранов атом, фрагментите трябва да преодолеят тази бариера с помощта на квантово тунелиране. Големината на бариерата е около 6 MeV, както в случая на алфа разпад, но вероятността за тунелиране на алфа частица е много по-голяма от тази на много по-тежкия продукт на атомно делене.
Принудително разделяне
Много по-вероятно е индуцираното делене на урановото ядро. В този случай майчиното ядро се облъчва с неутрони. Ако родителят го абсорбира, те се свързват, освобождавайки свързваща енергия под формата на вибрационна енергия, която може да надхвърли 6 MeV, необходими за преодоляване на потенциалната бариера.
Когато енергията на допълнителния неутрон не е достатъчна за преодоляване на потенциалната бариера, падащият неутрон трябва да има минимална кинетична енергия, за да може да предизвика атомно делене. В случая на 238 U, енергията на свързване на допълнителни неутрони липсва с около 1 MeV. Това означава, че деленето на ураново ядро се предизвиква само от неутрон с кинетична енергия, по-голяма от 1 MeV. От друга страна, изотопът 235 U има един несдвоен неутрон. Когато едно ядро абсорбира допълнително, то се сдвоява с него и това сдвояване води до допълнителна енергия на свързване. Това е достатъчно, за да освободи количеството енергия, необходимо на ядрото да преодолее потенциалната бариера и деленето на изотопа се случва при сблъсък с всеки неутрон.
Бета разпад
Въпреки че реакцията на делене произвежда три или четири неутрона, фрагментите все още съдържат повече неутрони, отколкото техните стабилни изобари. Това означава, че фрагментите на разцепване са склонни да бъдат нестабилни към бета разпадане.
Например, когато се случи делене на урановото ядро 238 U, стабилната изобара с A = 145 е неодимовият 145 Nd, което означава, че фрагментът от лантан 145 La се разпада на три етапа, като всеки път излъчва електрон и антинеутрино, докато се образува стабилен нуклид. Стабилна изобара с A = 90 е цирконий 90 Zr, така че фрагментът на разцепване на бром 90 Br се разпада в пет етапа на веригата на β-разпад.
Тези вериги на β-разпад освобождават допълнителна енергия, почти цялата от която се отнася от електрони и антинеутрино.
Ядрени реакции: делене на уранови ядра
Директно излъчване на неутрони от нуклид с твърде много неутрони, за да се осигури ядрена стабилност, е малко вероятно. Въпросът тук е, че няма кулоново отблъскване и така повърхностната енергия има тенденция да поддържа неутрона свързан с родителя. Това обаче се случва понякога. Например, фрагментът на делене на 90 Br в първия етап на бета-разпадане произвежда криптон-90, който може да бъде във възбудено състояние с достатъчно енергия, за да преодолее повърхностната енергия. В този случай емисиите на неутрони могат да възникнат директно с образуването на криптон-89. е все още нестабилен към β разпадане, докато не стане стабилен итрий-89, така че криптон-89 се разпада в три стъпки.
Деление на уранови ядра: верижна реакция
Неутроните, излъчени при реакцията на делене, могат да бъдат погълнати от друго родителско ядро, което след това самото претърпява индуцирано делене. В случая на уран-238 трите неутрона, които се произвеждат, излизат с енергия по-малка от 1 MeV (енергията, освободена по време на деленето на ядрото на урана - 158 MeV - се превръща главно в кинетична енергия на фрагментите от делене ), така че те не могат да причинят по-нататъшно делене на този нуклид. Въпреки това, при значителна концентрация на редкия изотоп 235 U, тези свободни неутрони могат да бъдат уловени от ядра 235 U, което всъщност може да причини делене, тъй като в този случай няма енергиен праг, под който да не се индуцира делене.
Това е принципът на верижната реакция.
Видове ядрени реакции
Нека k е броят на неутроните, произведени в проба от делящ се материал на етап n от тази верига, разделен на броя на неутроните, произведени на етап n - 1. Това число ще зависи от това колко неутрони, произведени на етап n - 1, се абсорбират от ядрото, което може да претърпи принудително делене.
Ако к< 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.
Ако k > 1, тогава верижната реакция ще нараства, докато целият делящ се материал бъде изразходван. Това се постига чрез обогатяване на естествената руда до достатъчно висока концентрацияуран-235. За сферична проба стойността на k нараства с увеличаване на вероятността за поглъщане на неутрони, което зависи от радиуса на сферата. Следователно масата U трябва да надвишава определено количество, за да може да се получи делене на уранови ядра (верижна реакция).
Ако k = 1, тогава протича контролирана реакция. Това се използва в ядрени реактори. Процесът се контролира от разпределението на кадмиеви или борни пръчки сред урана, които абсорбират повечето от неутроните (тези елементи имат способността да улавят неутрони). Деленето на урановото ядро се управлява автоматично чрез преместване на пръчките, така че стойността на k остава равна на единица.
Енергията E, освободена по време на делене, се увеличава с увеличаване на Z 2 /A. Стойността на Z 2 /A = 17 за 89 Y (итрий). Тези. деленето е енергийно благоприятно за всички ядра, по-тежки от итрия. Защо повечето ядра са устойчиви на спонтанно делене? За да се отговори на този въпрос, е необходимо да се разгледа механизмът на разделяне.
По време на процеса на делене формата на ядрото се променя. Ядрото преминава последователно следващи етапи(Фиг. 7.1): топка, елипсоид, дъмбел, два крушовидни фрагмента, два сферични фрагмента. Как се променя потенциалната енергия на ядрото от различни етапидивизии?
Първоначално ядро с увеличение rприема формата на все по-удължен елипсоид на въртене. В този случай, поради еволюцията на формата на ядрото, промяната в неговата потенциална енергия се определя от промяната в сумата на повърхностната и кулоновата енергия E p + E k. В този случай повърхностната енергия нараства като повърхността на ядрото се увеличава. Енергията на Кулон намалява с увеличаване на средното разстояние между протоните. Ако при лека деформация, характеризираща се с малък параметър, първоначалното ядро е приело формата на аксиално симетричен елипсоид, повърхностната енергия E" p и енергията на Кулон E" k като функции на параметъра на деформация се променят, както следва:
В съотношения (7,4–7,5) д n и д k са повърхностната и кулоновата енергия на първоначалното сферично симетрично ядро.
В областта на тежките ядра 2E p > E k и сумата от повърхностната и кулоновата енергия нараства с нарастване. От (7.4) и (7.5) следва, че при малки деформации нарастването на повърхностната енергия се предотвратява по-нататъшна промянаформата на ядрото и следователно разделяне.
Съотношението (7.5) е валидно за малки деформации. Ако деформацията е толкова голяма, че сърцевината приема формата на дъмбел, тогава повърхността и силите на Кулон се стремят да разделят сърцевината и да придадат на фрагментите сферична форма. По този начин, с постепенно увеличаване на деформацията на ядрото, неговата потенциална енергия преминава през максимум. Графика на промените в повърхностната и кулоновата енергия на ядрото в зависимост от r е показана на фиг. 7.2.
Наличието на потенциална бариера предотвратява мигновеното спонтанно делене на ядрата. За да се раздели едно ядро, то трябва да придаде енергия Q, която надвишава височината на бариерата на делене H. Максималната потенциална енергия на ядрото на делене E + H (например злато) на два идентични фрагмента е ≈ 173 MeV, и количеството енергия E, освободено по време на делене, е 132 MeV. Така, когато златното ядро се дели, е необходимо да се преодолее потенциална бариера с височина около 40 MeV.
Височината на бариерата на делене H е толкова по-голяма, колкото по-висока е по-малко отношениеКулонова и повърхностна енергия E k /E p в изходното ядро. Това съотношение от своя страна нараства с увеличаване на параметъра на разделяне Z 2 /A (7.3). Колкото по-тежко е ядрото, толкова по-малка височинабариера на делене H, тъй като параметърът на делене, приемайки, че Z е пропорционален на A, нараства с увеличаване на масовото число:
| E k /E p = (a 3 Z 2)/(a 2 A) ~ A. | (7.6) |
Следователно по-тежките ядра обикновено трябва да придадат по-малко енергия, за да предизвикат ядрено делене.
Височината на бариерата на делене изчезва при 2E p – E k = 0 (7,5). В този случай
2E p /E k = 2(a 2 A)/(a 3 Z 2),
Z 2 /A = 2a 2 /(a 3 Z 2) ≈ 49.
По този начин, според капковия модел, ядра с Z 2 /A> 49 не могат да съществуват в природата, тъй като те трябва почти мигновено, в рамките на характерно ядрено време от порядъка на 10–22 s, спонтанно да се разделят на два фрагмента. Зависимостите на формата и височината на потенциалната бариера H, както и енергията на делене от стойността на параметъра Z 2 /A са показани на фиг. 7.3.
ориз. 7.3. Радиална зависимост на формата и височината на потенциалната бариера и енергията на делене E при различни стойности на параметъра Z 2 /A. включено вертикална оснанася се стойността E p + E k.
Спонтанно делене на ядра с Z 2 /A< 49,
для которых высота барьера H
не равна нулю, с точки зрения класическа физиканевъзможно. В квантовата механика обаче такова делене е възможно поради тунелния ефект - преминаването на фрагменти от делене през потенциална бариера. Нарича се спонтанно делене. Вероятността за спонтанно делене се увеличава с увеличаване на параметъра на делене Z 2 /A, т.е. с намаляване на височината на бариерата на делене. Като цяло периодът на спонтанно делене намалява при преминаване от по-леки към по-тежки ядра от T 1/2 > 10 21 години за 232 Th до 0,3 s за 260 Rf.
Принудително делене на ядра с Z 2 /A< 49
может быть вызвано их возбуждением фотонами, нейтронами, протонами, дейтронами,
a частицами и другими частицами, если вносимая в
ядро энергия достаточна для преодоления барьера деления.
Минималната стойност на енергията на възбуждане на съставно ядро E*, образувано по време на улавянето на неутрона, е равна на енергията на свързване на неутрона в това ядро ε n. Таблица 7.1 сравнява височината на бариерата H и енергията на свързване на неутрона ε n за изотопите Th, U и Pu, образувани след улавяне на неутрони. Енергията на свързване на неутрона зависи от броя на неутроните в ядрото. Поради енергията на сдвояване, енергията на свързване на четен неутрон е по-голяма от енергията на свързване на нечетен неутрон.
Таблица 7.1
Височина на бариерата на делене H, енергия на свързване на неутрона ε n
| Изотоп | Височина на бариерата на делене H, MeV | Изотоп | Енергия на свързване на неутрона ε n |
|---|---|---|---|
| 232 Th | 5.9 | 233 Th | 4.79 |
| 233 U | 5.5 | 234 U | 6.84 |
| 235 U | 5.75 | 236 U | 6.55 |
| 238U | 5.85 | 239 U | 4.80 |
| 239 Pu | 5.5 | 240 Pu | 6.53 |
Характерна особеност на деленето е, че фрагментите, като правило, имат различни маси. В случай на най-вероятно делене на 235 U съотношението на масата на фрагментите е средно ~ 1,5. Масовото разпределение на фрагменти от деленето на 235 U от топлинни неутрони е показано на фиг. 7.4. За най-вероятно делене тежкият фрагмент има масово число 139, лекият - 95. Сред продуктите на делене има фрагменти с A = 72 - 161 и Z = 30 - 65. Вероятността за делене на два фрагмента от равна маса не е нула. Когато 235 U се разпада от топлинни неутрони, вероятността за симетрично делене е приблизително три порядъка по-малка, отколкото в случая на най-вероятно делене на фрагменти с A = 139 и 95.
Асиметричното деление се обяснява със структурата на черупката на ядрото. Ядрото се стреми да се раздели по такъв начин, че основната част от нуклоните на всеки фрагмент образува най-стабилния магически скелет.
Съотношението на броя на неутроните към броя на протоните в ядрото 235 U N/Z = 1,55, докато за стабилни изотопи с масово число, близко до масовото число на фрагментите, това съотношение е 1,25 − 1,45. Следователно фрагментите от делене се оказват силно претоварени с неутрони и трябва да бъдат
β - радиоактивен. Следователно фрагментите на делене претърпяват последователни β-разпадания и зарядът на първичния фрагмент може да се промени с 4 − 6 единици. По-долу е дадена типична верига от радиоактивни разпадания на 97 Kr, един от фрагментите, образувани по време на деленето на 235 U:
Възбуждането на фрагменти, причинено от нарушаване на съотношението на броя на протоните и неутроните, характерно за стабилните ядра, също се отстранява поради излъчването на неутрони на бързо делене. Тези неутрони се излъчват от движещи се фрагменти за време, по-малко от ~ 10 -14 s. Средно 2-3 незабавни неутрона се излъчват при всяко събитие на делене. Техният енергиен спектър е непрекъснат с максимум около 1 MeV. Средната енергия на бърз неутрон е близо до 2 MeV. Излъчването на повече от един неутрон във всяко събитие на делене прави възможно да се получиенергия, дължаща се на верижна реакция на ядрено делене.
При най-вероятното делене на 235 U от топлинни неутрони, лек фрагмент (A = 95) придобива кинетична енергия от ≈ 100 MeV, а тежък фрагмент (A = 139) придобива кинетична енергия от около 67 MeV. Така общата кинетична енергия на фрагментите е ≈ 167 MeV. Обща енергияподразделения в в този случайе 200 MeV. По този начин останалата енергия (33 MeV) се разпределя между други продукти на делене (неутрони, електрони и антинеутрино от фрагменти на β-разпадане, γ-лъчение от фрагменти и техните продукти на разпадане). Разпределението на енергията на делене между различните продукти по време на деленето на 235 U от топлинни неутрони е дадено в таблица 7.2.
Таблица 7.2
Разпределение на енергията на делене 235 U топлинни неутрони
Продуктите на ядрено делене (NFP) са сложна смес от повече от 200 радиоактивни изотопи 36 елемента (от цинк до гадолиний). По-голямата част от активността идва от краткотрайни радионуклиди. Така 7, 49 и 343 дни след експлозията активността на PYD намалява съответно 10, 100 и 1000 пъти в сравнение с активността един час след експлозията. Добивът на най-биологично значимите радионуклиди е даден в таблица 7.3. В допълнение към PYN, радиоактивното замърсяване се причинява от радионуклиди с индуцирана активност (3 H, 14 C, 28 Al, 24 Na, 56 Mn, 59 Fe, 60 Co и др.) и неразделената част на урана и плутония. Ролята на индуцираната активност по време на термо ядрени експлозии.
Таблица 7.3
Освобождаването на някои продукти на делене от ядрена експлозия
| Радионуклид | Половин живот | Изход на деление, % | Дейност на 1 Mt, 10 15 Bq |
|---|---|---|---|
| 89 Sr | 50,5 дни. | 2.56 | 590 |
| 90 Sr | 29.12 години | 3.5 | 3.9 |
| 95 Zr | 65 дни | 5.07 | 920 |
| 103 Ru | 41 дни | 5.2 | 1500 |
| 106 Ru | 365 дни | 2.44 | 78 |
| 131 I | 8.05 дни | 2.9 | 4200 |
| 136 Cs | 13,2 дни | 0.036 | 32 |
| 137 Cs | на 30 години | 5.57 | 5.9 |
| 140 Ba | 12,8 дни | 5.18 | 4700 |
| 141 Cs | 32,5 дни. | 4.58 | 1600 |
| 144 Cs | 288 дни | 4.69 | 190 |
| 3 з | 12,3 години | 0.01 | 2,6·10 -2 |
По време на ядрени експлозии в атмосферата значителна част от валежите (до 50% при наземни експлозии) падат в близост до тестовата зона. Някои радиоактивни вещества се задържат в долната част на атмосферата и под въздействието на вятъра се придвижват дълги разстояния, оставайки приблизително на същата географска ширина. Оставайки във въздуха около месец, радиоактивните вещества постепенно падат на Земята по време на това движение. Повечето от радионуклидите се излъчват в стратосферата (на височина 10–15 km), където се разсейват в световен мащаб и до голяма степен се разпадат.
Различни структурни елементи на ядрени реактори са били силно активни от десетилетия (Таблица 7.4)
Таблица 7.4
Стойности на специфична активност (Bq/t уран) на основните продукти на делене в горивните елементи, извадени от реактора след три години работа
| Радионуклид | 0 | 1 ден | 120 дни | 1 година | 10 години | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 85 кр | 5. 78· 10 14 | 5. 78· 10 14 | 5. 66· 10 14 | 5. 42· 10 14 |
4. 7· 10 14 |
3. 03· 10 14 |
| 89 Sr | 4. 04· 10 16 | 3. 98· 10 16 | 5. 78· 10 15 | 2. 7· 10 14 |
1. 2· 10 10 |
|
| 90 Sr | 3. 51· 10 15 | 3. 51· 10 15 | 3. 48· 10 15 | 3. 43· 10 15 |
3. 26· 10 15 |
2. 75· 10 15 |
| 95 Zr | 7. 29· 10 16 | 7. 21· 10 16 | 1. 99· 10 16 | 1. 4· 10 15 | 5. 14· 10 11 | |
| 95 Nb | 7. 23· 10 16 | 7. 23· 10 16 | 3. 57· 10 16 | 3. 03· 10 15 | 1. 14· 10 12 | |
| 103 Ru | 7. 08· 10 16 | 6. 95· 10 16 | 8. 55· 10 15 | 1. 14· 10 14 | 2. 97· 10 8 | |
| 106 Ru | 2. 37· 10 16 | 2. 37· 10 16 | 1. 89· 10 16 | 1. 19· 10 16 | 3. 02· 10 15 | 2. 46· 10 13 |
| 131 I | 4. 49· 10 16 | 4. 19· 10 16 | 1. 5· 10 12 | 1. 01· 10 3 | ||
| 134 Cs | 7. 50· 10 15 | 7. 50· 10 15 | 6. 71· 10 15 | 5. 36· 10 15 | 2. 73· 10 15 | 2. 6· 10 14 |
| 137 Cs | 4. 69· 10 15 | 4. 69· 10 15 | 4. 65· 10 15 | 4. 58· 10 15 | 4. 38· 10 15 | 3. 73· 10 15 |
| 140 Ba | 7. 93· 10 16 | 7. 51· 10 16 | 1. 19· 10 14 | 2. 03· 10 8 | ||
| 140 La | 8. 19· 10 16 | 8. 05· 10 16 | 1. 37· 10 14 | 2. 34· 10 8 | ||
| 141 Ce | 7. 36· 10 16 | 7. 25· 10 16 | 5. 73· 10 15 | 3. 08· 10 13 | 5. 33· 10 6 | |
| 144 Ce | 5. 44· 10 16 | 5. 44· 10 16 | 4. 06· 10 16 | 2. 24· 10 16 | 3. 77· 10 15 | 7. 43· 10 12 |
| 143 вечерта | 6. 77· 10 16 | 6. 70· 10 16 | 1. 65· 10 14 | 6. 11· 10 8 | ||
| 147 вечерта | 7. 05·10 15 | 7. 05· 10 15 | 6. 78· 10 15 | 5. 68· 10 15 |
3. 35· 10 14 |
Клас
Урок No 42-43
Верижна реакцияделене на уранови ядра. Ядрена енергетика и екология. Радиоактивност. Половин живот.
Ядрената реакция е процес на взаимодействие атомно ядрос друго ядро или елементарна частица, съпроводено с промяна в състава и структурата на ядрото и освобождаване на вторични частици или γ кванти.
В резултат на ядрени реакции могат да се образуват нови радиоактивни изотопи, които не се срещат на Земята в естествени условия.
Първата ядрена реакция е извършена от Е. Ръдърфорд през 1919 г. в експерименти за откриване на протони в продуктите на ядрения разпад (виж § 9.5). Ръдърфорд бомбардира азотни атоми с алфа частици. При сблъсък на частиците възниква ядрена реакция, протичаща по следната схема:
По време на ядрени реакции няколко закони за опазване: импулс, енергия, ъглов момент, заряд. В допълнение към тези класически законизапазване при ядрени реакции законът за запазване на т.нар барионен заряд(тоест броят на нуклоните - протони и неутрони). В сила са и редица други закони за запазване, специфични за ядрената физика и физиката на частиците.
Ядрени реакции могат да възникнат, когато атомите са бомбардирани с бързо заредени частици (протони, неутрони, α-частици, йони). Първата реакция от този вид е извършена с помощта на високоенергийни протони, произведени на ускорител през 1932 г.:
където M A и M B са масите на първоначалните продукти, M C и M D са масите на крайните продукти на реакцията. Величината ΔM се нарича масов дефект. Ядрените реакции могат да възникнат с освобождаване (Q > 0) или с поглъщане на енергия (Q< 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |Q|, которая называется порогом реакции.
За да може ядрената реакция да има положителен енергиен изход, специфична енергия на свързваненуклоните в ядрата на първоначалните продукти трябва да бъдат по-малки от специфичната енергия на свързване на нуклоните в ядрата на крайните продукти. Това означава, че стойността ΔM трябва да е положителна.
По принцип има две възможни различни начиниосвобождаване ядрена енергия.
1. Деление на тежки ядра. За разлика от радиоактивния разпад на ядрата, който е придружен от излъчване на α- или β-частици, реакциите на делене са процес, при който нестабилно ядро се разделя на два големи фрагмента със сравними маси.
През 1939 г. немските учени О. Хан и Ф. Щрасман откриват деленето на уранови ядра. Продължавайки изследванията, започнати от Ферми, те установиха, че когато уранът се бомбардира с неутрони, възникват елементи от средната част на периодичната таблица - радиоактивни изотопи на барий (Z = 56), криптон (Z = 36) и др.
Уранът се среща в природата под формата на два изотопа: (99,3%) и (0,7%). Когато са бомбардирани от неутрони, ядрата на двата изотопа могат да се разделят на два фрагмента. В този случай реакцията на делене протича най-интензивно с бавни (топлинни) неутрони, докато ядрата влизат в реакция на делене само с бързи неутрони с енергия от порядъка на 1 MeV.
Основният интерес за ядрената енергия е реакцията на делене на ядрото Понастоящем са известни около 100 различни изотопа с масови числа от приблизително 90 до 145, получени в резултат на деленето на това ядро. Две типични реакции на делене на това ядро са:
Имайте предвид, че ядреното делене, инициирано от неутрон, произвежда нови неутрони, които могат да предизвикат реакции на делене в други ядра. Продукти на делене на ядрата на уран-235 могат да бъдат и други изотопи на барий, ксенон, стронций, рубидий и др.
Кинетичната енергия, която се отделя при деленето на едно ураново ядро, е огромна - около 200 MeV. Оценка на енергията, освободена по време на ядрено делене, може да се направи с помощта на специфична енергия на свързваненуклони в ядрото. Специфичната енергия на свързване на нуклоните в ядра с масово число A ≈ 240 е около 7,6 MeV/нуклон, докато в ядра с масови числа A = 90–145 специфичната енергия е приблизително 8,5 MeV/нуклон. Следователно, деленето на ураново ядро освобождава енергия от порядъка на 0,9 MeV/нуклон, или приблизително 210 MeV на уранов атом. При пълното делене на всички ядра, съдържащи се в 1 g уран, се отделя същата енергия, както при изгарянето на 3 тона въглища или 2,5 тона нефт.
Продуктите на делене на урановото ядро са нестабилни, тъй като съдържат значителен излишък от неутрони. Действително съотношението N / Z за най-тежките ядра е от порядъка на 1,6 (фиг. 9.6.2), за ядра с масови числа от 90 до 145 това съотношение е от порядъка на 1,3–1,4. Следователно ядрата на фрагменти претърпяват серия от последователни β – -разпади, в резултат на което броят на протоните в ядрото се увеличава, а броят на неутроните намалява, докато се образува стабилно ядро.
Когато ядрото на уран-235 се делене, което е причинено от сблъсък с неутрон, се освобождават 2 или 3 неутрона. При благоприятни условия тези неутрони могат да ударят други уранови ядра и да предизвикат тяхното делене. На този етап ще се появят от 4 до 9 неутрона, способни да предизвикат нови разпади на уранови ядра и т.н. Такъв лавинообразен процес се нарича верижна реакция. Схема за развитие верижна реакцияделенето на урановите ядра е показано на фиг. 9.8.1.
 |
| Фигура 9.8.1. |
За възникване на верижна реакция е необходимо т.нар коефициент на размножаване на неутронибеше по-голямо от едно. С други думи, във всяко следващо поколение трябва да има повече неутрони, отколкото в предишното. Коефициентът на размножаване се определя не само от броя на неутроните, произведени при всеки елементарен акт, но и от условията, при които протича реакцията - част от неутроните могат да бъдат погълнати от други ядра или да напуснат реакционната зона. Неутроните, освободени по време на деленето на ядрата на уран-235, са в състояние да предизвикат делене само на ядрата на същия уран, което представлява само 0,7% от естествения уран. Тази концентрация е недостатъчна, за да започне верижна реакция. Изотопът може също да абсорбира неутрони, но това не предизвиква верижна реакция.
Верижна реакция в уран с повишено съдържание на уран-235 може да се развие само когато масата на урана надвишава т.нар. критична маса.В малките парчета уран повечето неутрони излитат, без да удрят нито едно ядро. За чист уран-235 критичната маса е около 50 кг. Критичната маса на урана може да бъде намалена многократно чрез използване на т.нар забавителинеутрони. Факт е, че неутроните, произведени по време на разпадането на уранови ядра, имат твърде високи скорости и вероятността за улавяне на бавни неутрони от ядра на уран-235 е стотици пъти по-голяма от бързите. Най-добрият модератор на неутрони е тежка вода D 2 O. При взаимодействие с неутрони самата обикновена вода се превръща в тежка вода.
Графитът, чиито ядра не абсорбират неутрони, също е добър модератор. По време на еластично взаимодействие с деутериеви или въглеродни ядра, неутроните се забавят до топлинни скорости.
Използването на неутронни модератори и специална берилиева обвивка, която отразява неутроните, позволява намаляване на критичната маса до 250 g.
IN атомни бомбиНеконтролирана ядрена верижна реакция възниква, когато две парчета уран-235, всяка от които има маса малко под критичната, бързо се комбинират.
Нарича се устройство, което поддържа контролирана реакция на ядрено делене ядрен(или атомен) реактор. Диаграмата на ядрен реактор, използващ бавни неутрони, е показана на фиг. 9.8.2.
 |
| Фигура 9.8.2. |
Ядрената реакция протича в активната зона на реактора, която е пълна с модератор и е проникната от пръти, съдържащи обогатена смес от уранови изотопи с високо съдържание на уран-235 (до 3%). В активната зона се въвеждат управляващи пръти, съдържащи кадмий или бор, които интензивно поглъщат неутрони. Поставянето на пръти в ядрото ви позволява да контролирате скоростта на верижната реакция.
Ядрото се охлажда с помощта на изпомпван охладител, който може да бъде вода или метал с ниска точка на топене (например натрий, който има точка на топене 98 °C). В парогенератора охлаждащата течност се прехвърля топлинна енергиявода, превръщайки я в пара високо налягане. Парата се изпраща към турбина, свързана с електрически генератор. От турбината парата влиза в кондензатора. За да се избегне изтичане на радиация, веригите на охлаждащата течност I и парогенератора II работят в затворени цикли.
Турбината на атомната електроцентрала е топлинен двигател, който определя общата ефективност на централата в съответствие с втория закон на термодинамиката. Съвременните атомни електроцентрали имат коеф полезно действиеприблизително равно Следователно, за да се произведе 1000 MW електрическа мощност, топлинната мощност на реактора трябва да достигне 3000 MW. 2000 MW трябва да бъдат отнесени от водата, охлаждаща кондензатора. Това води до локално прегряване на естествените резервоари и последващо възникване на екологични проблеми.
обаче основен проблеме да се осигури пълна радиационна безопасностхора, работещи в атомни електроцентрали и предотвратяване на случайни изпускания на радиоактивни вещества, които се натрупват в големи количества в активната зона на реактора. При разработването на ядрени реактори се обръща много внимание на този проблем. Въпреки това, след аварии в някои атомни електроцентрали, по-специално в атомната електроцентрала в Пенсилвания (САЩ, 1979 г.) и в АЕЦ Чернобил(1986), проблемът за безопасността на ядрената енергия стана особено остър.
Наред с ядрения реактор, работещ с бавни неутрони, описан по-горе, реакторите, работещи без модератор на бързи неутрони. В такива реактори ядреното гориво е обогатена смес, съдържаща най-малко 15% от изотопа. Предимството на реакторите на бързи неутрони е, че по време на тяхната работа ядрата на уран-238, поглъщайки неутрони, се трансформират в ядра на плутоний чрез две последователни β-. разпади, които след това могат да се използват като ядрено гориво:
Коефициентът на размножаване на такива реактори достига 1,5, т.е. за 1 kg уран-235 се получава до 1,5 kg плутоний. Конвенционалните реактори също произвеждат плутоний, но в много по-малки количества.
Първият ядрен реактор е построен през 1942 г. в САЩ под ръководството на Е. Ферми. В нашата страна първият реактор е построен през 1946 г. под ръководството на И. В. Курчатов.
2. Термоядрени реакции. Вторият начин за освобождаване на ядрена енергия е свързан с реакциите на синтез. Когато леките ядра се сливат и образуват ново ядро, трябва да се освободи голямо количество енергия. Това може да се види от кривата на специфичната енергия на свързване спрямо масовото число А (фиг. 9.6.1). До ядра с масово число около 60, специфичната енергия на свързване на нуклоните се увеличава с увеличаване на A. Следователно синтезът на всяко ядро с A< 60 из более легких ядер должен сопровождаться выделением энергии. Общо теглоПродуктите от реакцията на синтез в този случай ще бъдат по-малки от масата на първоначалните частици.
Реакциите на синтез на леки ядра се наричат термоядрени реакции,тъй като те могат да се появят само при много високи температури. За да могат две ядра да влязат в реакция на синтез, те трябва да се приближат на разстояние от ядрени сили от порядъка на 2·10 –15 m, преодолявайки електрическото си отблъскване положителни заряди. За тази цел средната кинетична енергия топлинно движениемолекулите трябва да надвишават потенциалната енергия Кулоново взаимодействие. Изчисляването на необходимата за това температура T води до стойност от порядъка на 10 8 –10 9 K. Това е изключително висока температура. При тази температура веществото е в напълно йонизирано състояние, което се нарича плазма.
Енергията, освободена по време на термоядрени реакции на нуклон, е няколко пъти по-висока от специфичната енергия, освободена при верижни реакции на ядрено делене. Например при реакцията на синтез на ядра на деутерий и тритий
| |
Освобождават се 3,5 MeV/нуклон. Като цяло тази реакция освобождава 17,6 MeV. Това е една от най-обещаващите термоядрени реакции.
Внедряване контролирани термоядрени реакциище даде на човечеството нов екологичен и практически неизчерпаем източник на енергия. Въпреки това, получаването на свръхвисоки температури и ограничаването на плазма, нагрята до един милиард градуса, представлява най-трудната научна и техническа задача по пътя към прилагането на контролирана термична ядрен синтез.
включено на този етапбеше постигнато само развитие на науката и технологиите неконтролирана реакция на синтез V водородна бомба. Висока температура, необходимо за ядрен синтез, се постига тук с помощта на експлозия на конвенционална уранова или плутониева бомба.
Термоядрените реакции играят изключително голяма роля важна роляв еволюцията на Вселената. Радиационната енергия на Слънцето и звездите е с термоядрен произход.
Радиоактивност
Почти 90% от известните 2500 атомни ядра са нестабилни. Нестабилното ядро спонтанно се трансформира в други ядра, излъчващи частици. Това свойство на ядрата се нарича радиоактивност. U големи ядкинестабилността възниква поради конкуренцията между привличането на нуклоните от ядрените сили и кулоновото отблъскване на протоните. Няма стабилни ядра с зарядно число Z > 83 и масово число A > 209. Но атомните ядра със значително по-ниски стойности на числата Z и A също могат да се окажат радиоактивни, ако ядрото съдържа значително повече протони отколкото неутрони, тогава нестабилността е причинена от излишък на енергия на взаимодействие на Кулон. Ядрата, които биха съдържали голям излишък на неутрони спрямо броя на протоните, се оказват нестабилни поради факта, че масата на неутрона надвишава масата на протона. Увеличаването на масата на ядрото води до увеличаване на неговата енергия.
Феноменът радиоактивност е открит през 1896 г. от френския физик А. Бекерел, който открива, че урановите соли излъчват неизвестно лъчение, което може да проникне през бариери, непрозрачни за светлина, и да причини почерняване на фотографската емулсия. Две години по-късно френските физици М. и П. Кюри откриват радиоактивността на тория и откриват два нови радиоактивни елемента - полоний и радий
През следващите години много физици, включително Е. Ръдърфорд и неговите ученици, изучават природата на радиоактивното излъчване. Установено е, че радиоактивните ядра могат да излъчват частици от три вида: положително и отрицателно заредени и неутрални. Тези три вида радиация се наричат α-, β- и γ-лъчение. На фиг. 9.7.1 показва експериментална диаграма, която ви позволява да откриете сложен съставрадиоактивно излъчване. В магнитно поле α- и β-лъчите изпитват отклонения от противоположни страни, а β-лъчите се отклоняват много повече. γ-лъчите в магнитно поле изобщо не се отклоняват.
Тези три вида радиоактивно лъчение се различават значително един от друг по способността си да йонизират атомите на материята и следователно по своята проникваща способност. α-лъчението има най-малка проникваща способност. Във въздуха при нормални условияα-лъчите изминават разстояние от няколко сантиметра. β-лъчите се абсорбират много по-малко от материята. Те могат да преминат през слой алуминий с дебелина няколко милиметра. γ-лъчите имат най-голяма проникваща способност, способни да преминават през слой олово с дебелина 5–10 cm.
През второто десетилетие на 20 век, след откриването на Е. Ръдърфорд за ядрената структура на атомите, беше твърдо установено, че радиоактивността е свойство на атомните ядра. Изследванията показват, че α-лъчите представляват поток от α-частици - хелиеви ядра, β-лъчите са поток от електрони, γ-лъчите представляват късовълнов електромагнитно излъчванес изключително къса дължина на вълната λ< 10 –10 м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярни свойства, тоест това е поток от частици – γ-кванти.
Алфа разпад. Алфа-разпадът е спонтанна трансформация на атомно ядро с брой протони Z и неутрони N в друго (дъщерно) ядро, съдържащо брой протони Z - 2 и неутрони N - 2. В този случай се излъчва α частица - ядро на атом на хелий. Пример за такъв процес е α-разпадането на радий:
 |
Алфа частиците, излъчвани от ядрата на атомите на радия, бяха използвани от Ръдърфорд в експерименти за разсейване от ядрата на тежки елементи. Скоростта на α-частиците, излъчени по време на α-разпадането на радиевите ядра, измерена от кривината на траекторията в магнитно поле, е приблизително 1,5 10 7 m/s, а съответната кинетична енергия е около 7,5 10 –13 J ( приблизително 4,8 MeV). Тази стойност може лесно да се определи от известни стойностимасите на майчиното и дъщерното ядро и ядрото на хелия. Въпреки че скоростта на избягалата α-частица е огромна, тя все още е само 5% от скоростта на светлината, така че когато изчислявате, можете да използвате нерелативистичен израз за кинетична енергия.
Изследванията показват, че радиоактивно вещество може да излъчва алфа частици с няколко дискретни енергии. Това се обяснява с факта, че ядрата могат да бъдат, подобно на атомите, в различни възбудени състояния. Дъщерното ядро може да се окаже в едно от тези възбудени състояния по време на α разпадане. При последващия преход на това ядро в основно състояние се излъчва γ-квант. Схема на α-разпадане на радий с излъчване на α-частици с две стойности кинетични енергиипоказано на фиг. 9.7.2.
По този начин α-разпадането на ядрата в много случаи е придружено от γ-лъчение.
В теорията на α-разпада се приема, че вътре в ядрата могат да се образуват групи, състоящи се от два протона и два неутрона, тоест една α-частица. Майчиното ядро е за α-частиците потенциална дупка, което е ограничено потенциална бариера . Енергията на α-частицата в ядрото не е достатъчна, за да преодолее тази бариера (фиг. 9.7.3). Излитането на алфа частица от ядрото е възможно само благодарение на квантовомеханично явление, т.нар. тунелен ефект . Според квантова механика, съществува ненулева вероятност частица да премине под потенциална бариера. Феноменът на тунелирането е вероятностен по природа.
Бета разпад.По време на бета разпада електронът се изхвърля от ядрото. Електроните не могат да съществуват вътре в ядрата (виж § 9.5); възникват по време на бета-разпад в резултат на превръщането на неутрон в протон. Този процес може да се случи не само вътре в ядрото, но и със свободни неутрони. Средният живот на един свободен неутрон е около 15 минути. По време на разпада неутронът се превръща в протон и електрон
Измерванията показват, че в този процес има очевидно нарушение на закона за запазване на енергията, тъй като общата енергия на протона и електрона в резултат на разпада на неутрон е по-малка от енергията на неутрона. През 1931 г. В. Паули предполага, че при разпадането на неутрон се отделя друга частица с нулева маса и заряд, която отнема част от енергията. Нова частицаполучи името неутрино(малък неутрон). Поради липсата на заряд и маса на неутрино, тази частица взаимодейства много слабо с атомите на материята, така че е изключително трудно да се открие в експеримента. Йонизиращата способност на неутриното е толкова малка, че едно йонизиращо събитие във въздуха се случва на приблизително 500 km от пътя. Тази частица е открита едва през 1953 г. Сега е известно, че има няколко вида неутрино. При разпадането на неутрона се получава частица, която се нарича електронно антинеутрино. Означава се със символа Следователно реакцията на разпадане на неутрони се записва като
|
Подобен процес протича вътре в ядрата по време на β-разпадане. Електрон, получен от разпадането на един от ядрени неутрони, незабавно е изхвърлен от „родителския дом“ (ядро) с огромна скорост, която може да се различава от скоростта на светлината само с част от процента. Тъй като разпределението на енергията, освободена по време на β-разпадане между електрона, неутриното и дъщерното ядро, е произволно, β-електроните могат да имат различни скорости в широк диапазон.
По време на β-разпадане зарядното число Z се увеличава с единица, но масовото число А остава непроменено. Дъщерното ядро се оказва ядрото на един от изотопите на елемента, сериен номеркоето в периодичната таблица е с единица по-високо от поредния номер на първоначалното ядро. Типичен пример за β-разпадане е трансформацията на ториевия изотон в резултат на α-разпадането на уран в паладий
Гама разпад. За разлика от α- и β-радиоактивността, γ-радиоактивността на ядрата не е свързана с промяна във вътрешната структура на ядрото и не е придружена от промяна в заряда или масовите числа. Както по време на α-, така и по време на β-разпадане дъщерното ядро може да се окаже в някакво възбудено състояние и да има излишък от енергия. Преходът на ядрото от възбудено състояние в основно състояние се придружава от излъчване на един или повече γ кванта, чиято енергия може да достигне няколко MeV.
Закон за радиоактивното разпадане. Във всяка проба радиоактивно веществосъдържа огромен брой радиоактивни атоми. Тъй като радиоактивното разпадане е случайно по природа и не зависи от външните условия, законът за намаляване на броя N(t) на неразпадналите се в този моментвреме t ядра може да служи като важен статистическа характеристикапроцес на радиоактивно разпадане.
Нека броят на неразпадналите се ядра N(t) се промени с ΔN за кратък период от време Δt< 0. Так как вероятность распада каждого ядра неизменна во времени, что число распадов будет пропорционально количеству ядер N(t) и промежутку времени Δt:
Коефициентът на пропорционалност λ е вероятността за ядрен разпад за време Δt = 1 s. Тази формула означава, че скоростта на промяна на функцията N(t) е право пропорционална на самата функция.
където N 0 е първоначалният брой радиоактивни ядра при t = 0. През времето τ = 1 / λ броят на неразпадналите се ядра ще намалее с e ≈ 2,7 пъти. Величината τ се нарича средно време на животрадиоактивно ядро.
За практическа употребаУдобно е да напишете закона за радиоактивното разпадане в различна форма, като използвате числото 2, а не e като основа:
Величината Т се нарича полуживот. По време на T половината от първоначалния брой радиоактивни ядра се разпада. Величините T и τ са свързани със съотношението
Периодът на полуразпад е основната величина, характеризираща скоростта на радиоактивния разпад. как по-малко периодполуживот, толкова по-интензивен е разпадът. Така за уран T ≈ 4,5 милиарда години, а за радий T ≈ 1600 години. Следователно активността на радия е много по-висока от тази на урана. Има радиоактивни елементи с период на полуразпад от части от секундата.
Не се среща в естествени условия и завършва в бисмут. Тази поредица от радиоактивни разпади се среща в ядрени реактори.
Интересно приложениерадиоактивността е метод за датиране на археологически и геоложки находки чрез концентрацията на радиоактивни изотопи. Най-често използваният метод за датиране е радиовъглеродното датиране. Нестабилен изотоп на въглерода се появява в атмосферата поради ядрени реакции, причинени от космически лъчи. Малък процент от този изотоп се намира във въздуха заедно с обичайния стабилен изотопРастенията и другите организми поемат въглерод от въздуха и натрупват двата изотопа в същите пропорции, както във въздуха. След като растенията умрат, те спират да консумират въглерод и нестабилният изотоп постепенно се превръща в азот в резултат на β-разпад с период на полуразпад от 5730 години. от прецизно измерванеОтносителната концентрация на радиоактивен въглерод в останките на древни организми може да определи времето на тяхната смърт.
Радиоактивно излъчваневсички видове (алфа, бета, гама, неутрони), както и електромагнитно излъчване ( рентгеново лъчение) имат много силна биологичен ефектвърху живите организми, което се състои в процесите на възбуждане и йонизация на атоми и молекули, които изграждат живите клетки. Под влияние йонизиращо лъчениеса унищожени сложни молекулиИ клетъчни структури, което води до радиационно уврежданетяло. Ето защо, когато работите с какъвто и да е източник на радиация, е необходимо да вземете всички мерки за радиационна защитахора, които могат да бъдат изложени на радиация.
Човек обаче може да бъде изложен на йонизиращо лъчение у дома. Инертен, безцветен, радиоактивен газрадон Както се вижда от диаграмата, показана на фиг. 9.7.5, радонът е продукт на α-разпадането на радия и има период на полуразпад T = 3,82 дни. Радият се намира в малки количества в почвата, камъните и различни строителни конструкции. Въпреки относително малко времепрез целия живот, концентрацията на радон непрекъснато се попълва поради нови разпади на радиеви ядра, така че радонът може да се натрупва в затворени пространства. Попадайки в белите дробове, радонът излъчва α-частици и се превръща в полоний, който не е химически инертно вещество. Следва верига от радиоактивни трансформации на урановата серия (фиг. 9.7.5). Според Американската комисия за радиационна безопасност и контрол средният човек получава 55% от йонизиращото си лъчение от радон и само 11% от медицински грижи. Принос космически лъчие приблизително 8%. Общата доза радиация, която човек получава през живота си, е в пъти по-малка максимално допустима доза(SDA), който се установява за хора с определени професии, които са подложени на допълнително излагане на йонизиращо лъчение.