Nuklear fission er en proces, hvor 2 (nogle gange 3) fragmentkerner dannes ud fra en atomkerne, som er ens i massen.
Denne proces er gavnlig for alle β -stabile kerner med massetal A > 100.
Nuklear fission af uran blev opdaget i 1939 af Hahn og Strassman, som utvetydigt beviste, at når neutroner bombarderer urankerner U Radioaktive kerner dannes med masser og ladninger cirka 2 gange mindre end urankernens masse og ladning. Samme år introducerede L. Meitner og O. Frischer udtrykket " nuklear fission"og det blev bemærket, at denne proces frigiver enorm energi, og F. Joliot-Curie og E. Fermi fandt samtidig ud af, at flere neutroner udsendes under fission (fissionsneutroner). Dette blev grundlaget for at fremsætte ideen selvbærende fissionskædereaktion og brugen af nuklear fission som energikilde. Grundlaget for moderne atomkraft er nuklear fission 235 U Og 239 Pu under påvirkning af neutroner.
Nuklear fission kan opstå på grund af, at den tunge kernes hvilemasse viser sig at være større beløb hvilemasser af fragmenter, der opstår under fission.
Grafen viser, at denne proces viser sig at være gavnlig med energipunkt vision.
Mekanismen for nuklear fission kan forklares ud fra dråbemodellen, hvorefter en flok nukleoner ligner en dråbe af en ladet væske. Kernen forhindres i at gå i opløsning atomstyrker attraktioner større end Coulomb frastødningskræfterne, der virker mellem protoner og har tendens til at rive kernen fra hinanden.
Kerne 235 U har form som en kugle. Efter at have absorberet en neutron bliver den exciteret og deformeret og får en langstrakt form (i figuren b), og strækker sig, indtil de frastødende kræfter mellem halvdelene af den aflange kerne bliver større end de tiltrækkende kræfter, der virker i landtangen (på figuren V). Herefter bryder kernen i to dele (i figuren G). Skår under indflydelse Coulomb styrker frastødninger flyver væk med en hastighed svarende til 1/30 af lysets hastighed.
Emission af neutroner under fission, som vi talte om ovenfor, forklares ved, at det relative antal neutroner (i forhold til antallet af protoner) i kernen stiger med stigende atomnummer, og for de fragmenter, der dannes under fission, bliver antallet af neutroner større end er muligt for kernerne af atomer med mindre antal.
Opdeling sker ofte i fragmenter af ulige masse. Disse fragmenter er radioaktive. Efter serien β -henfald producerer i sidste ende stabile ioner.
Undtagen tvunget, det sker spontan fission af urankerner, som blev åbnet i 1940 sovjetiske fysikere G. N. Flerov og K. A. Petrzhak. Halveringstiden for spontan fission svarer til 10 16 år, hvilket er 2 millioner gange længere end halveringstiden for α -henfald af uran.
Syntesen af kerner sker i termonukleære reaktioner. Termonukleære reaktioner er en reaktion af fusion af lette kerner ved meget høj temperatur. Den energi, der frigives under fusion (syntese), vil være maksimal under syntesen af lette elementer, der har den laveste bindingsenergi. Når to lette kerner, såsom deuterium og tritium, kombineres, dannes en tungere heliumkerne med højere bindingsenergi:
Med denne kernefusionsproces frigives betydelig energi (17,6 MeV), svarende til forskellen i bindingsenergierne for en tung kerne og to lette kerner 
. Den neutron, der produceres under reaktioner, optager 70 % af denne energi. Sammenligning af energien pr. nukleon i reaktioner nuklear fission(0,9 MeV) og fusion (17,6 MeV), viser, at fusionsreaktionen af lette kerner er energetisk mere gunstig end fissionsreaktionen af tunge.
Fusionen af kerner sker under påvirkning af nukleare tiltrækningskræfter, så de skal nærme sig afstande mindre end 10 -14, hvor kernekræfter virker. Denne tilgang forhindres af Coulomb-frastødningen af positivt ladede kerner. Det kan kun overvindes på grund af kernernes høje kinetiske energi, som overstiger energien fra deres Coulomb-frastødning. Ud fra de tilsvarende beregninger er det klart, at kinetisk energi kerner, som er nødvendige for fusionsreaktionen, kan opnås ved temperaturer i størrelsesordenen hundreder af millioner grader, hvorfor disse reaktioner kaldes termonuklear.
Termonuklear fusion- en reaktion, hvor der ved høje temperaturer over 10 7 K syntetiseres tungere kerner ud fra lette kerner.
Termonuklear fusion er kilden til energi for alle stjerner, inklusive Solen.
Den vigtigste proces, hvorved termonuklear energi frigives i stjerner, er omdannelsen af brint til helium. På grund af massefejlen i denne reaktion falder Solens masse med 4 millioner tons hvert sekund.
Større kinetisk energi, som er nødvendig for termonuklear fusion, opnås brintkerner som følge af stærke gravitationel tiltrækning til midten af stjernen. Herefter producerer fusionen af heliumkerner tungere grundstoffer.
Termonukleare reaktioner spiller en stor rolle i evolutionen kemisk sammensætning stoffer i universet. Alle disse reaktioner sker med frigivelse af energi, som udsendes af stjerner i form af lys over milliarder af år.
Implementeringen af kontrolleret termonuklear fusion ville give menneskeheden en ny, praktisk talt uudtømmelig energikilde. Både deuterium og tritium, der er nødvendige for dets implementering, er ret tilgængelige. Den første er indeholdt i havenes og oceanernes vand (i mængder, der er tilstrækkelige til brug i en million år), den anden kan fås i atomreaktor ved bestråling af flydende lithium (hvis reserverne er enorme) med neutroner:
En af de vigtigste fordele ved kontrolleret termonuklear fusion er fraværet radioaktivt affald under implementeringen (i modsætning til fissionsreaktioner af tunge urankerner).
Den største hindring for implementeringen af kontrolleret termonuklear fusion er umuligheden af at begrænse højtemperaturplasma ved hjælp af stærke magnetfelter for 0,1-1. Der er dog tillid til, at der før eller siden vil blive skabt termonukleare reaktorer.
Hidtil har det kun været muligt at producere ukontrollabel reaktion eksplosiv type syntese i en brintbombe.
Nukleare fissionsreaktioner- fissionsreaktioner, som består i, at en tung kerne, under påvirkning af neutroner, og, som det senere viste sig, andre partikler, er opdelt i flere lettere kerner (fragmenter), oftest i to kerner med lignende masse.
Et kendetegn ved nuklear fission er, at den ledsages af emission af to eller tre sekundære neutroner, kaldet fissionsneutroner. Da antallet af neutroner for mellemstore kerner er omtrent lig med antallet af protoner ( N/Z ≈ 1), og for tunge kerner overstiger antallet af neutroner væsentligt antallet af protoner ( N/Z ≈ 1.6), så bliver de resulterende fissionsfragmenter overbelastet med neutroner, som et resultat af hvilke de frigiver fissionsneutroner. Imidlertid eliminerer emissionen af fissionsneutroner ikke fuldstændigt overbelastningen af fragmentkerner med neutroner. Dette får fragmenterne til at blive radioaktive. De kan gennemgå en række β - -transformationer, ledsaget af emission af γ kvanter. Da β - -henfald er ledsaget af omdannelsen af en neutron til en proton, vil forholdet mellem neutroner og protoner i fragmentet efter en kæde af β - -transformationer nå en værdi svarende til en stabil isotop. For eksempel under fissionen af en urankerne U
U+ n → Xe + Sr +2 n(265.1)
fissionsfragment Xe, som et resultat af tre handlinger af β - henfald, bliver til stabil isotop Lantana La:
Heh → Cs → Ba → La.
Fissionsfragmenter kan være forskellige, så reaktion (265.1) er ikke den eneste, der fører til fission af U.
De fleste fissionsneutroner udsendes næsten øjeblikkeligt ( t≤ 10 –14 s), og en del (ca. 0,7%) udsendes af fissionsfragmenter nogen tid efter fission (0,05 s ≤ t≤ 60 s). De første af dem kaldes øjeblikkelig, anden - halter. I gennemsnit producerer hver fissionsbegivenhed 2,5 neutroner. De har et relativt bredt energispektrum, der spænder fra 0 til 7 MeV, med en gennemsnitlig energi på omkring 2 MeV pr. neutron.
Beregninger viser, at nuklear fission også skal ledsages af frigivelsen stor mængde energi. Faktisk den specifikke bindingsenergi for kerner gennemsnitsvægt er ca. 8,7 MeV, mens det for tunge kerner er lig med 7,6 MeV. Når en tung kerne deler sig i to fragmenter, bør der derfor frigives en energi svarende til ca. 1,1 MeV pr. nukleon.
Grundlaget for fissionsteori atomkerner(N. Bor, Ya. I. Frenkel) baseret på dråbemodellen af kernen. Kernen betragtes som en dråbe elektrisk ladet inkompressibel væske (med en tæthed svarende til kernedensiteten og overholder lovene kvantemekanik), hvis partikler, når en neutron rammer kernen, kommer ind oscillerende bevægelse, som et resultat af hvilket kernen bryder i to dele, flyver fra hinanden med enorm energi.
Sandsynligheden for nuklear fission bestemmes af neutronernes energi. For eksempel, hvis højenergi-neutroner forårsager fission af næsten alle kerner, så forårsager neutroner med en energi på flere mega-elektronvolt kun fission af tunge kerner ( EN>210), neutroner med aktiveringsenergi(den mindste energi, der kræves for at udføre en nuklear fissionsreaktion) af størrelsesordenen 1 MeV, forårsager spaltning af kernerne af uran U, thorium Th, protactinium Pa, plutonium Pu. Termiske neutroner spalter kernerne i U, Pu og U, Th (de sidste to isotoper forekommer ikke i naturen, de opnås kunstigt).
Sekundære neutroner, der udsendes under nuklear fission, kan forårsage nye fissionsbegivenheder, som gør det muligt at fission kædereaktion- nuklear reaktion, hvori de partikler, der forårsager reaktionen, dannes som produkter af denne reaktion. Fissionskædereaktionen er karakteriseret ved multiplikationsfaktor k neutroner, som lig med forholdet antallet af neutroner i en given generation til deres antal i den foregående generation. En nødvendig betingelse for udviklingen af en fission kædereaktion er krav k ≥ 1.
Det viser sig, at ikke alle producerede sekundære neutroner forårsager efterfølgende nuklear fission, hvilket fører til et fald i multiplikationsfaktoren. For det første på grund af de endelige dimensioner kerne(det rum, hvor en værdifuld reaktion opstår) og neutronernes høje gennemtrængende evne, vil nogle af dem forlade den aktive zone, før de bliver fanget af en kerne. For det andet fanges nogle neutroner af kernerne af ikke-fissile urenheder, som altid er til stede i kernen.Derudover kan der sammen med fission finde konkurrerende processer med strålingsindfangning og uelastisk spredning sted.
Multiplikationskoefficienten afhænger af arten af det fissile stof, og for af en given isotop– på dens mængde, samt størrelsen og formen af den aktive zone. Minimumsdimensionerne af den aktive zone, hvor en kædereaktion er mulig, kaldes kritiske størrelser. Minimumsmassen af fissilt materiale placeret i et system med kritiske dimensioner, der kræves for at implementere kædereaktion, hedder kritisk masse.
Udviklingshastigheden af kædereaktioner er forskellig. Lade T - gennemsnitstid
en generations liv, og N- antallet af neutroner i en given generation. I den næste generation er deres antal lige meget kN,T. e. stigning i antallet af neutroner pr. generation dN = kN – N = N(k – 1). Stigningen i antallet af neutroner pr. tidsenhed, dvs. væksthastigheden af kædereaktionen,
. (266.1)
Ved at integrere (266.1) opnår vi
,
Hvor N 0- antal neutroner i startmoment tid, og N- deres nummer ad gangen t. N bestemt af tegnet ( k- 1). På k>1 kommer udvikle reaktion, antallet af fissioner stiger løbende, og reaktionen kan blive eksplosiv. På k=1 går selvopretholdende reaktion hvor antallet af neutroner ikke ændrer sig over tid. På k <1 идет falmende reaktion
Kædereaktioner omfatter kontrollerede og ukontrollerbare. Eksplosionen af en atombombe er for eksempel en ukontrolleret reaktion. For at forhindre en atombombe i at eksplodere under opbevaring er U (eller Pu) i den opdelt i to dele fjernt fra hinanden med masser under kritiske. Så, ved hjælp af en almindelig eksplosion, kommer disse masser tættere på hinanden, den samlede masse af det fissile stof bliver større end den kritiske, og der opstår en eksplosiv kædereaktion, ledsaget af øjeblikkelig frigivelse af en enorm mængde energi og stor ødelæggelse . Den eksplosive reaktion begynder på grund af tilgængelige neutroner fra spontan fission eller neutroner fra kosmisk stråling. Kontrollerede kædereaktioner forekommer i atomreaktorer.
Nuklear kædereaktion. Som et resultat af forsøg med neutronbestråling af uran fandt man ud af, at urankerner under påvirkning af neutroner opdeles i to kerner (fragmenter) på cirka halvdelen af massen og ladningen; denne proces er ledsaget af emission af flere (to eller tre) neutroner (fig. 402). Ud over uran er nogle andre grundstoffer blandt de sidste elementer i Mendeleevs periodiske system i stand til at spalte. Disse elementer, som uran, fission ikke kun under påvirkning af neutroner, men også uden ydre påvirkninger (spontant). Spontan fission blev etableret eksperimentelt af sovjetiske fysikere K. A. Petrzhak og Georgiy Nikolaevich Flerov (f. 1913) i 1940. Det er en meget sjælden proces. I 1 g uran sker der således kun omkring 20 spontane spaltninger i timen.
Ris. 402. Spaltning af en urankerne under påvirkning af neutroner: a) kernen fanger en neutron; b) virkningen af en neutron på en kerne får sidstnævnte til at oscillere; c) kernen er opdelt i to fragmenter; samtidig udsendes flere neutroner
På grund af gensidig elektrostatisk frastødning spredes fissionsfragmenter i modsatte retninger og erhverver enorm kinetisk energi (ca.). Fissionsreaktionen sker således med en betydelig frigivelse af energi. Hurtigt bevægende fragmenter ioniserer intensivt mediets atomer. Denne egenskab af fragmenter bruges til at detektere fissionsprocesser ved hjælp af et ioniseringskammer eller skykammer. Et fotografi af spor af fissionsfragmenter i et skykammer er vist i fig. 403. Det er yderst betydningsfuldt, at neutroner, der udsendes under fission af en urankerne (de såkaldte sekundære fissionsneutroner), er i stand til at forårsage spaltning af nye urankerner. Takket være dette er det muligt at udføre en fissionskædereaktion: Når først den opstår, kan reaktionen i princippet fortsætte af sig selv og dække et stigende antal kerner. Udviklingsdiagrammet for en sådan stigende cellonreaktion er vist i fig. 404.
Ris. 403. Fotografi af spor af uranfissionsfragmenter i et skykammer: fragmenter () flyver i modsatte retninger fra et tyndt lag uran aflejret på en plade, der blokerer kammeret. Billedet viser også mange tyndere spor tilhørende protoner slået ud af neutroner fra molekylerne i vandvognen indeholdt i kammeret
At udføre en fissionskædereaktion i praksis er ikke let; erfaring viser, at der i massen af naturligt uran ikke forekommer en kædereaktion. Årsagen til dette ligger i tabet af sekundære neutroner; i naturligt uran slipper de fleste neutroner ud uden at forårsage fission. Som undersøgelser har afsløret, sker tabet af neutroner i den mest almindelige isotop af uran - uran - 238 (). Denne isotop absorberer let neutroner ved en reaktion svarende til reaktionen mellem sølv og neutroner (se § 222); dette producerer en kunstigt radioaktiv isotop. Den deler sig med besvær og kun under påvirkning af hurtige neutroner.
Isotopen, der er indeholdt i naturligt uran i mængder, har mere gunstige egenskaber for en kædereaktion. Det er opdelt under indflydelse af neutroner af enhver energi - hurtig og langsom, og jo lavere neutronenergi, jo bedre. Processen, der konkurrerer med fission - simpel absorption af neutroner - er usandsynlig, ulig. Derfor er en fissionskædereaktion i rent uran-235 mulig, dog forudsat at massen af uran-235 er stor nok. I lavmasse-uran afsluttes fissionsreaktionen på grund af emission af sekundære neutroner uden for dets stof.
Ris. 404. Udvikling af en værdifuld fissionsreaktion: det er konventionelt accepteret, at når en kerne spalter, udsendes to neutroner, og der er intet tab af neutroner, dvs. hver neutron forårsager en ny fission; cirkler - fissionsfragmenter, pile - fissionsneutroner
Faktisk, på grund af den lille størrelse af atomkerner, rejser en neutron en betydelig afstand (målt i centimeter) gennem stof, før den ved et uheld kolliderer med en kerne. Hvis kroppens størrelse er lille, så er sandsynligheden for en kollision på vej til udgangen lille. Næsten alle sekundære fissionsneutroner udsendes gennem kroppens overflade uden at forårsage nye fissioner, dvs. uden at fortsætte reaktionen.
Fra et stort legeme flyver hovedsageligt neutroner dannet i overfladelaget ud. Neutroner dannet inde i kroppen har en tilstrækkelig tykkelse af uran foran sig og forårsager for det meste nye spaltninger, der fortsætter reaktionen (fig. 405). Jo større massen af uran er, jo mindre andel af dets volumen er overfladelaget, hvorfra mange neutroner går tabt, og jo mere gunstige er betingelserne for udviklingen af en kædereaktion.
Ris. 405. Udvikling af en fissionskædereaktion i. a) Ved lav masse flyver de fleste fissionsneutroner ud. b) I en stor masse af uran forårsager mange fissionsneutroner fission af nye kerner; antallet af divisioner stiger fra generation til generation. Cirkler - fissionsfragmenter, pile - fissionsneutroner
Ved gradvist at øge mængden af , vil vi nå en kritisk masse, altså den mindste masse, startende fra hvilken en udæmpet kædereaktion af fission i . Med en yderligere stigning i massen vil reaktionen begynde at udvikle sig hurtigt (den vil begynde med spontane fissioner). Når massen falder under den kritiske værdi, dør reaktionen ud.
Så en fissionskædereaktion kan udføres. Hvis du har en tilstrækkelig mængde ren, adskilt fra.
Som vi så i §202, er adskillelsen af isotoper, selvom kompleks og dyr, stadig en gennemførlig operation. Faktisk var udvinding fra naturligt uran en af måderne, hvorpå fissionskædereaktionen blev ført ud i livet.
Sammen med dette blev kædereaktionen opnået på en anden måde, der ikke krævede adskillelse af uranisotoper. Denne metode er i princippet noget mere kompliceret, men lettere at implementere. Den bruger nedbremsningen af hurtige sekundære fissionsneutroner til termiske bevægelseshastigheder. Vi har set, at i naturligt uran absorberes de umiddelbare sekundære neutroner hovedsageligt af isotopen. Da absorption i ikke fører til fission, afsluttes reaktionen. Som målinger viser, når neutroner bremses ned til termiske hastigheder, øges absorptionskapaciteten mere end absorptionskapaciteten. Isotopens absorption af neutroner, hvilket fører til fission, har forrang. Derfor, hvis fissionsneutroner bremses, hvilket forhindrer dem i at blive absorberet i , vil en kædereaktion blive mulig med naturligt uran.
Ris. 406. Et system af naturligt uran og en moderator, hvori en fissionskædereaktion kan udvikle sig
I praksis opnås dette resultat ved at placere varme stænger af naturligt uran i form af et sjældent gitter i moderatoren (fig. 406). Stoffer, der har lav atommasse og svagt absorberer neutroner, bruges som moderatorer. Gode moderatorer er grafit, tungt vand og beryllium.
Lad en urankerne fission opstå i en af stavene. Da stangen er relativt tynd, vil næsten alle de hurtige sekundære neutroner undslippe ind i moderatoren. Stængerne er placeret ret sparsomt i gitteret. Den udsendte neutron, før den rammer den nye stang, oplever mange kollisioner med moderatorkerner og bremser ned til hastigheden af termisk bevægelse (fig. 407). Efter at have ramt uranstangen, vil neutronen højst sandsynligt blive absorberet i og forårsage en ny fission og derved fortsætte reaktionen. Fissionskædereaktionen blev først udført i USA i 1942. en gruppe videnskabsmænd ledet af den italienske fysiker Enrico Fermi (1901-1954) i et system med naturligt uran. Denne proces blev uafhængigt implementeret i USSR i 1946. Akademiker Igor Vasilievich Kurchatov (1903-1960) og hans stab.
Ris. 407. Udvikling af en værdifuld fissionsreaktion i et system af naturligt uran og en moderator. En hurtig neutron, der flygter fra en tynd stang, kommer ind i moderatoren og bremses. Når den er tilbage i uran, absorberes den bremsede neutron højst sandsynligt i , hvilket forårsager fission (symbol: to hvide cirkler). Nogle neutroner absorberes i , uden at forårsage fission (symbol: sort cirkel)
Spaltningen af urankerner, når de blev bombarderet med neutroner, blev opdaget i 1939 af de tyske videnskabsmænd Otto Hahn og Fritz Strassmann.
Otto Hahn (1879-1968)
Tysk fysiker, banebrydende videnskabsmand inden for radiokemi. Opdagede spaltningen af uran og en række radioaktive grundstoffer
Fritz Strassmann (1902-1980)
tysk fysiker og kemiker. Værkerne vedrører nuklear kemi og nuklear fission. Gav kemisk bevis for fissionsprocessen
Lad os overveje mekanismen for dette fænomen. Figur 162a viser konventionelt kernen af et uranatom. Efter at have absorberet en ekstra neutron, exciteres og deformeres kernen og får en aflang form (fig. 162, b).
Ris. 162. Processen med fission af en urankerne under påvirkning af en neutron, der trænger ind i den
Du ved allerede, at der er to typer kræfter i gang i kernen: elektrostatiske frastødende kræfter mellem protoner, som har tendens til at rive kernen fra hinanden, og nukleare tiltrækningskræfter mellem alle nukleoner, takket være hvilke kernen ikke henfalder. Men nukleare kræfter er kortrækkende, så i en aflang kerne kan de ikke længere holde dele af kernen, der er meget fjernt fra hinanden. Under påvirkning af elektrostatiske frastødende kræfter bryder kernen i to dele (fig. 162, c), som flyver væk i hver sin retning med enorm hastighed og udsender 2-3 neutroner.
Det viser sig, at en del af kernens indre energi omdannes til den kinetiske energi af flyvende fragmenter og partikler. Fragmenterne decelereres hurtigt i miljøet, som et resultat af hvilket deres kinetiske energi omdannes til den indre energi i miljøet (dvs. til energien for interaktion og termisk bevægelse af dets bestanddele).
Med den samtidige fission af et stort antal urankerner stiger den indre energi i miljøet, der omgiver uranet og følgelig dets temperatur mærkbart (dvs. miljøet opvarmes).
Spaltningsreaktionen af urankerner sker således med frigivelse af energi til miljøet.
Energien indeholdt i atomkernerne er kolossal. For eksempel, med fuldstændig fission af alle kerner til stede i 1 g uran, ville den samme mængde energi blive frigivet som frigivet under forbrændingen af 2,5 tons olie. For at omdanne atomkernernes indre energi til elektrisk energi bruger atomkraftværker såkaldte nuklear fission kædereaktioner.
Lad os overveje mekanismen for kædereaktionen ved fission af uranisotopkernen. Kernen i et uranatom (fig. 163) som et resultat af neutronfangst splittes i to dele, der udsender tre neutroner. To af disse neutroner forårsagede fissionsreaktionen af yderligere to kerner, hvilket producerede fire neutroner. Disse forårsagede til gengæld fission af fire kerner, hvorefter der blev produceret ni neutroner mv.
En kædereaktion er mulig på grund af det faktum, at spaltningen af hver kerne producerer 2-3 neutroner, som kan deltage i spaltningen af andre kerner.
Figur 163 viser et diagram over en kædereaktion, hvor det samlede antal frie neutroner i et stykke uran stiger eksponentielt over tid. Følgelig stiger antallet af nukleare spaltninger og den frigivne energi per tidsenhed markant. Derfor er en sådan reaktion eksplosiv af natur (den forekommer i en atombombe).
Ris. 163. Kædereaktion ved fission af urankerner
En anden mulighed er mulig, hvor antallet af frie neutroner falder med tiden. I dette tilfælde stopper kædereaktionen. Derfor kan en sådan reaktion heller ikke bruges til at producere elektricitet.
Til fredelige formål er det muligt kun at bruge energien fra en kædereaktion, hvor antallet af neutroner ikke ændrer sig over tid.
Hvordan kan vi sikre, at antallet af neutroner forbliver konstant hele tiden? For at løse dette problem skal du vide, hvilke faktorer der påvirker stigningen og faldet i det samlede antal frie neutroner i et stykke uran, hvori der opstår en kædereaktion.
En sådan faktor er massen af uran. Faktum er, at ikke alle neutroner, der udsendes under nuklear fission, forårsager fission af andre kerner (se fig. 163). Hvis massen (og følgelig dimensionerne) af et stykke uran er for lille, vil mange neutroner flyve ud af det, der ikke når at møde kernen på deres vej, forårsage dens spaltning og dermed generere en ny generation af uran. neutroner, der er nødvendige for at fortsætte reaktionen. I dette tilfælde vil kædereaktionen stoppe. For at reaktionen kan fortsætte, er det nødvendigt at øge massen af uran til en vis værdi, kaldet kritisk.
Hvorfor bliver en kædereaktion mulig, når massen stiger? Jo større massen er, jo større er dens dimensioner, og jo længere er den vej, neutronerne bevæger sig i. I dette tilfælde øges sandsynligheden for, at neutroner møder kerner. Følgelig stiger antallet af nukleare spaltninger og antallet af udsendte neutroner.
Ved den kritiske masse af uran bliver antallet af neutroner produceret under nuklear fission lig med antallet af tabte neutroner (det vil sige, fanget af kerner uden fission og udsendt uden for stykket).
Derfor forbliver deres samlede antal uændret. I dette tilfælde kan kædereaktionen fortsætte i lang tid, uden at stoppe og uden at blive eksplosiv.
- Den mindste masse af uran, ved hvilken der kan opstå en kædereaktion, kaldes den kritiske masse
Hvis massen af uran er større end den kritiske masse, vil kædereaktionen som følge af en kraftig stigning i antallet af frie neutroner føre til en eksplosion, og hvis den er mindre end den kritiske masse, så sker reaktionen ikke fortsætte på grund af mangel på frie neutroner.
Tabet af neutroner (som undslipper uran uden at reagere med kerner) kan reduceres ikke kun ved at øge massen af uran, men også ved at bruge en speciel reflekterende skal. For at gøre dette anbringes et stykke uran i en skal lavet af et stof, der reflekterer neutroner godt (for eksempel beryllium). Afspejlet fra denne skal vender neutroner tilbage til uran og kan deltage i nuklear fission.
Der er flere andre faktorer, som muligheden for en kædereaktion afhænger af. For eksempel, hvis et stykke uran indeholder for mange urenheder af andre kemiske grundstoffer, så absorberer de de fleste neutroner, og reaktionen stopper.
Tilstedeværelsen af en såkaldt neutronmoderator i uran påvirker også reaktionsforløbet. Faktum er, at uran-235 kerner er mest tilbøjelige til at spalte under påvirkning af langsomme neutroner. Og når kerner spaltes, produceres der hurtige neutroner. Hvis hurtige neutroner bremses, så vil de fleste af dem blive fanget af uran-235 kerner med efterfølgende fission af disse kerner. Stoffer som grafit, vand, tungt vand (som inkluderer deuterium, en isotop af brint med massenummer 2) og nogle andre bruges som moderatorer. Disse stoffer bremser kun neutroner, næsten uden at absorbere dem.
Således er muligheden for, at en kædereaktion opstår, bestemt af massen af uran, mængden af urenheder i det, tilstedeværelsen af en skal og moderator og nogle andre faktorer.
Den kritiske masse af et kugleformet stykke uranium-235 er cirka 50 kg. Desuden er dens radius kun 9 cm, da uran har en meget høj densitet.
Ved at bruge en moderator og en reflekterende skal og reducere mængden af urenheder er det muligt at reducere den kritiske masse af uran til 0,8 kg.
Spørgsmål
- Hvorfor kan nuklear fission kun begynde, når den er deformeret under påvirkning af en neutron, der absorberes af den?
- Hvad dannes som et resultat af nuklear fission?
- Hvilken energi omdannes en del af kernens indre energi til under opdelingen? kinetisk energi af fragmenter af en urankerne, når de decelereres i miljøet?
- Hvordan forløber urankernes fissionsreaktion - med frigivelse af energi til miljøet eller omvendt med absorption af energi?
- Forklar mekanismen for en kædereaktion ved hjælp af figur 163.
- Hvad er den kritiske masse af uran?
- Er det muligt, at der opstår en kædereaktion, hvis massen af uran er mindre end den kritiske masse; mere kritisk? Hvorfor?
Nukleare reaktioner. Interaktionen mellem en partikel og en atomkerne, der fører til transformationen af denne kerne til en ny kerne med frigivelse af sekundære partikler eller gammastråler, kaldes en kernereaktion.
Den første nukleare reaktion blev udført af Rutherford i 1919. Han opdagede, at kolliderende alfapartikler med kernerne af nitrogenatomer producerede hurtigt bevægende protoner. Dette betød, at kernen i nitrogenisotopen, som et resultat af en kollision med en alfapartikel, blev omdannet til kernen af oxygenisotopen:
.
Nukleare reaktioner kan forekomme med frigivelse eller absorption af energi. Ved at bruge loven om forholdet mellem masse og energi kan energiproduktionen af en kernereaktion bestemmes ved at finde forskellen i masserne af de partikler, der kommer ind i reaktionen, og reaktionsprodukterne:
Kædereaktion ved fission af urankerner. Blandt forskellige nukleare reaktioner er kædereaktioner af fission af nogle tunge kerner af særlig betydning i det moderne menneskelige samfunds liv.
Spaltningsreaktionen af urankerner, når de blev bombarderet med neutroner, blev opdaget i 1939. Som et resultat af eksperimentelle og teoretiske undersøgelser udført af E. Fermi, I. Joliot-Curie, O. Hahn, F. Strassmann, L. Meitner, O. Frisch, F. Joliot-Curie, blev det fundet, at når en neutron rammer en urankerne, er kernen opdelt i to eller tre dele.
Spaltningen af en urankerne frigiver omkring 200 MeV energi. Den kinetiske energi af bevægelsen af fragmentkerner tegner sig for ca. 165 MeV, resten af energien bliver båret væk af gammakvanter.
Ved at kende den energi, der frigives under fissionen af en urankerne, kan det beregnes, at energiproduktionen fra fissionen af alle kerner på 1 kg uran er 80 tusind milliarder joule. Det er flere millioner gange mere, end hvad der frigives ved afbrænding af 1 kg kul eller olie. Derfor blev der søgt efter måder at frigive atomenergi i betydelige mængder til brug for praktiske formål.
Det første forslag om muligheden for kædekernereaktioner blev fremsat af F. Joliot-Curie i 1934. I 1939 opdagede han sammen med H. Halban og L. Kowarski eksperimentelt, at der under fissionen af en urankerne ud over bl.a. nukleare fragmenter, 2-3 frie neutroner. Under gunstige forhold kan disse neutroner ramme andre urankerner og få dem til at spalte. Når tre urankerner fission, skulle der frigives 6-9 nye neutroner, vil de falde ned i nye urankerner mv. Et diagram over udviklingen af en kædereaktion af fission af urankerner er præsenteret i figur 316.
Ris. 316
Den praktiske implementering af kædereaktioner er ikke så simpel en opgave, som den ser ud i diagrammet. Neutroner frigivet under spaltningen af urankerner er i stand til kun at forårsage spaltning af kerner i uran-isotopen med et massetal på 235, men deres energi er utilstrækkelig til at ødelægge kernerne i en uran-isotop med et massetal på 238. I naturligt uran er andelen af uran med massenummer 238 99,8%, og andelen af uran med massenummer 235 er kun 0,7%. Derfor er den første mulige måde at udføre en fissionskædereaktion på forbundet med adskillelse af uranisotoper og fremstilling af isotopen i sin rene form i tilstrækkeligt store mængder. En nødvendig betingelse for, at en kædereaktion kan forekomme, er tilstedeværelsen af en tilstrækkelig stor mængde uran, da i en lille prøve flyver størstedelen af neutronerne gennem prøven uden at ramme nogen kerne. Den mindste masse af uran, hvori en kædereaktion kan forekomme, kaldes den kritiske masse. Den kritiske masse for uran-235 er flere titusinder af kilo.
Den enkleste måde at udføre en kædereaktion i uran-235 på er følgende: Der laves to stykker uranmetal, hver med en masse lidt mindre end den kritiske. En kædereaktion kan ikke forekomme i hver af dem separat. Når disse stykker hurtigt forbindes, udvikles en kædereaktion, og kolossal energi frigives. Temperaturen på uran når millioner af grader, selve uranet og alle andre stoffer i nærheden bliver til damp. Den varme gasformige kugle udvider sig hurtigt, brænder og ødelægger alt på dens vej. Sådan opstår en atomeksplosion.
Det er meget vanskeligt at bruge energien fra en atomeksplosion til fredelige formål, da frigivelsen af energi er ukontrollerbar. Kontrollerede kædereaktioner ved fission af urankerner udføres i atomreaktorer.
Atomreaktor. De første atomreaktorer var langsomme neutronreaktorer (fig. 317). De fleste neutroner, der frigives under spaltningen af urankerner, har en energi på 1-2 MeV. Deres hastigheder er cirka 107 m/s, hvorfor de kaldes hurtige neutroner. Ved sådanne energier interagerer neutroner med uran og urankerner med omtrent samme effektivitet. Og da der er 140 gange flere urankerner i naturligt uran end urankerner, absorberes de fleste af disse neutroner af urankerner, og der udvikles ikke en kædereaktion. Neutroner, der bevæger sig med hastigheder tæt på den termiske bevægelseshastighed (ca. 2·10 3 m/s), kaldes langsom eller termisk. Langsomme neutroner interagerer godt med uran-235 kerner og absorberes af dem 500 gange mere effektivt end hurtige neutroner. Derfor, når naturligt uran bestråles med langsomme neutroner, absorberes de fleste af dem ikke i kernerne af uran-238, men i kernerne af uran-235 og forårsager deres spaltning. For at en kædereaktion kan udvikle sig i naturligt uran, skal neutronhastigheder derfor reduceres til termiske.
Ris. 317
Neutroner sænker farten som følge af kollisioner med atomkerner i det medium, de bevæger sig i. For at bremse neutronerne i en reaktor bruges et særligt stof kaldet en moderator. Atomkernerne i moderatorstoffet skal have en relativt lille masse, da en neutron, når den kolliderer med en let kerne, mister mere energi, end når den kolliderer med en tung. De mest almindelige moderatorer er almindeligt vand og grafit.
Det rum, hvor kædereaktionen sker, kaldes reaktorkernen. For at reducere neutronlækage er reaktorkernen omgivet af en neutronreflektor, som afviser en betydelig del af de undslippende neutroner ind i kernen. Det samme stof, der fungerer som moderator, bruges normalt som reflektor.
Den energi, der frigives under reaktordrift, fjernes ved hjælp af et kølemiddel. Kun væsker og gasser, der ikke har evnen til at optage neutroner, kan bruges som kølemiddel. Almindelig vand bruges i vid udstrækning som kølevæske; kuldioxid og endda flydende metallisk natrium bruges nogle gange.
Reaktoren styres ved hjælp af specielle kontrol (eller kontrol) stænger indsat i reaktorkernen. Kontrolstænger er lavet af bor- eller cadmiumforbindelser, som absorberer termiske neutroner med meget høj effektivitet. Inden reaktoren starter i drift, er de helt indført i dens kerne. Ved at absorbere en betydelig del af neutronerne gør de det umuligt for en kædereaktion at udvikle sig. For at starte reaktoren fjernes kontrolstængerne gradvist fra kernen, indtil energifrigivelsen når et forudbestemt niveau. Når effekten stiger over det indstillede niveau, tændes automatiske maskiner, og styrestængerne dykker dybt ned i kernen.
Atomenergi. Atomenergi blev for første gang sat i fredens tjeneste i vores land. Den første organisator og leder af arbejdet med atomvidenskab og teknologi i USSR var akademiker Igor Vasilyevich Kurchatov (1903-1960).
I øjeblikket er den største i USSR og i Europa, Leningrad NPP opkaldt efter. I OG. Lenin har en kapacitet på 4000 MW, dvs. 800 gange kraften fra det første atomkraftværk.
Omkostningerne til elektricitet produceret på store atomkraftværker er lavere end omkostningerne ved elektricitet produceret på termiske kraftværker. Derfor udvikler atomenergi sig i et accelereret tempo.
Atomreaktorer bruges som kraftværker på flådeskibe. Verdens første fredelige skib med et atomkraftværk, den atomdrevne isbryder Lenin, blev bygget i Sovjetunionen i 1959.
Den sovjetiske atomdrevne isbryder Arktika, bygget i 1975, blev verdens første overfladeskib til at nå Nordpolen.
Termonukleær reaktion. Kerneenergi frigives ikke kun i kernereaktioner af fission af tunge kerner, men også i reaktioner af kombination af lette atomkerner.
For at forbinde ens ladede protoner er det nødvendigt at overvinde Coulomb frastødende kræfter, hvilket er muligt ved tilstrækkeligt høje hastigheder af kolliderende partikler. De nødvendige betingelser for syntesen af heliumkerner fra protoner findes i stjernernes indre. På Jorden blev termonuklear fusionsreaktion udført under eksperimentelle termonukleare eksplosioner.
Syntesen af helium fra den lette isotop af brint sker ved en temperatur på omkring 108 K, og for syntesen af helium fra de tunge isotoper af brint - deuterium og tritium - ifølge skemaet
kræver opvarmning til ca. 5 10 7 K.
Når 1 g helium syntetiseres fra deuterium og tritium, er den frigivne energi 4,2·10 11 J. Denne energi frigives, når 10 tons diesel brændes.
Reserverne af brint på Jorden er praktisk talt uudtømmelige, derfor er brugen af termonuklear fusionsenergi til fredelige formål en af de vigtigste opgaver for moderne videnskab og teknologi.
Den kontrollerede termonukleære reaktion af heliumsyntese fra tunge isotoper af brint ved opvarmning formodes at blive udført ved at lede en elektrisk strøm gennem plasmaet. Et magnetfelt bruges til at forhindre det opvarmede plasma i at komme i kontakt med kammervæggene. Ved forsøgsanlægget Tokamak-10 lykkedes det sovjetiske fysikere at opvarme plasmaet til en temperatur på 13 millioner grader. Brint kan opvarmes til højere temperaturer ved hjælp af laserstråling. For at gøre dette skal lysstråler fra flere lasere fokuseres på en glaskugle, der indeholder en blanding af tunge isotoper af deuterium og tritium. I forsøg på laserinstallationer er der allerede opnået plasma med en temperatur på flere titusinder af grader.