Tuuma lõhustumine on protsess, mille käigus ühest aatomituumast moodustub 2 (vahel 3) fragmendi tuuma, mis on massilt sarnased.
See protsess on kasulik kõigile β -stabiilsed tuumad massiarvuga A > 100.
Uraani tuuma lõhustumine avastasid 1939. aastal Hahn ja Strassman, kes tõestasid ühemõtteliselt, et kui neutronid pommitavad uraani tuumasid U Moodustuvad radioaktiivsed tuumad, mille mass ja laengud on ligikaudu 2 korda väiksemad kui uraani tuuma mass ja laeng. Samal aastal võtsid L. Meitner ja O. Frischer kasutusele mõiste „ tuuma lõhustumine"ja märgiti, et see protsess vabastab tohutult energiat ning F. Joliot-Curie ja E. Fermi leidsid samaaegselt, et lõhustumise käigus eraldub mitu neutronit (lõhustumise neutronid). See sai idee esitamise aluseks isemajandav lõhustumise ahelreaktsioon ja tuumalõhustumise kasutamine energiaallikana. Kaasaegse alus tuumaenergia on tuuma lõhustumine 235 U Ja 239 Pu neutronite mõju all.
Tuuma lõhustumine võib toimuda seetõttu, et raske tuuma puhkemass osutub suurem summa lõhustumisel tekkivad fragmentide massid.
Graafik näitab, et see protsess osutub kasulikuks energiapunkt nägemus.
Tuuma lõhustumise mehhanismi saab selgitada tilkade mudeli põhjal, mille järgi nukleonihunnik meenutab laetud vedeliku tilka. Tuum hoitakse lagunemast tuumajõud atraktsioonid, mis on suuremad kui Coulombi tõukejõud, mis toimivad prootonite vahel ja kipuvad tuuma laiali rebima.
Tuum 235 U on palli kujuga. Pärast neutroni neeldumist see ergastab ja deformeerub, omandades pikliku kuju (joonisel b) ja venib seni, kuni pikliku südamiku poolte vahelised tõukejõud muutuvad suuremaks kui maakitses mõjuvad külgetõmbejõud (joonisel V). Pärast seda laguneb tuum kaheks osaks (joonisel G). Killud mõju all Coulombi jõud tõukejõud lendavad minema kiirusega, mis võrdub 1/30 valguse kiirusega.
Neutronite emissioon lõhustumise ajal, millest eespool rääkisime, on seletatav asjaoluga, et neutronite suhteline arv (prootonite arvu suhtes) tuumas suureneb koos aatomarvu suurenemisega ning lõhustumisel tekkinud fragmentide puhul muutub neutronite arv suuremaks kui on võimalik väiksema arvuga aatomite tuumade puhul.
Jagunemine toimub sageli ebavõrdse massiga fragmentideks. Need killud on radioaktiivsed. Pärast sarja β -lagunemised toodavad lõpuks stabiilseid ioone.
Välja arvatud sunnitud, juhtub uraani tuumade spontaanne lõhustumine, mis avati 1940. aastal Nõukogude füüsikud G. N. Flerov ja K. A. Petržak. Spontaanse lõhustumise poolväärtusaeg on 10 16 aastat, mis on 2 miljonit korda pikem kui poolväärtusaeg. α - uraani lagunemine.
Tuumade süntees toimub termotuumareaktsioonides. Termotuumareaktsioonid on kergete tuumade ühinemisreaktsioon väga kõrge temperatuur. Termotuumasünteesi (sünteesi) käigus vabanev energia on maksimaalne madalaima sidumisenergiaga kergete elementide sünteesi ajal. Kui kaks kerget tuuma, nagu deuteerium ja triitium, ühinevad, moodustub raskem suurema sidumisenergiaga heeliumituum:
Selle tuumasünteesi protsessiga vabaneb märkimisväärne energia (17,6 MeV), mis võrdub raske tuuma ja kahe kerge tuuma sidumisenergia erinevusega 
. Reaktsioonide käigus tekkiv neutron omandab 70% sellest energiast. Ühe nukleoni energia võrdlus reaktsioonides tuuma lõhustumine(0,9 MeV) ja termotuumasünteesi (17,6 MeV), näitab, et kergete tuumade ühinemisreaktsioon on energeetiliselt soodsam kui raskete tuumade lõhustumisreaktsioon.
Tuumade sulandumine toimub tuumatõmbejõudude mõjul, seega peavad nad lähenema kaugustele, mis on väiksemad kui 10–14, mille juures tuumajõud toimivad. Seda lähenemist takistab positiivselt laetud tuumade Coulombi tõrjumine. Sellest saab üle vaid tänu tuumade suurele kineetilisele energiale, mis ületab nende Coulombi tõrjumise energia. Vastavate arvutuste põhjal on selge, et kineetiline energia fusioonireaktsiooniks vajalikke tuumasid on võimalik saavutada sadade miljonite kraadide suurusjärgus temperatuuridel, mistõttu neid reaktsioone nimetatakse nn. termotuuma.
Termotuumasünteesi- reaktsioon, mille käigus kõrgel temperatuuril üle 10 7 K sünteesitakse kergetest tuumadest raskemad tuumad.
Termotuumasüntees on kõigi tähtede, sealhulgas päikese energiaallikas.
Peamine protsess, mille käigus tähtedes vabaneb termotuumaenergia, on vesiniku muundamine heeliumiks. Selle reaktsiooni massidefekti tõttu väheneb Päikese mass iga sekundiga 4 miljoni tonni võrra.
Suurem kineetiline energia, mis on vajalik termotuumasünteesi, vesiniku tuumad saadakse tugevate tulemusena gravitatsiooniline külgetõmme tähe keskele. Pärast seda tekib heeliumi tuumade liitmisel raskemad elemendid.
Termotuumareaktsioonid mängivad evolutsioonis suurt rolli keemiline koostis ained universumis. Kõik need reaktsioonid toimuvad energia vabanemisega, mida tähed kiirgavad valguse kujul miljardite aastate jooksul.
Kontrollitud termotuumasünteesi rakendamine annaks inimkonnale uue, praktiliselt ammendamatu energiaallika. Selle rakendamiseks vajalik deuteerium ja triitium on üsna kättesaadavad. Esimene sisaldub merede ja ookeanide vees (kogustes, mis on piisavad kasutamiseks miljoniks aastaks), teist võib saada tuumareaktor vedela liitiumi (mille varud on tohutud) kiiritamisel neutronitega:
Kontrollitud termotuumasünteesi üks olulisemaid eeliseid on puudumine radioaktiivsed jäätmed selle rakendamise ajal (erinevalt raskete uraani tuumade lõhustumisreaktsioonidest).
Peamine takistus juhitava termotuumasünteesi rakendamisel on võimatu piirata kõrgtemperatuurset plasmat tugevate magnetväljadega 0,1-1. Siiski ollakse kindlad, et varem või hiljem luuakse termotuumareaktorid.
Seni on suudetud ainult toota kontrollimatu reaktsioon plahvatusohtlikku tüüpi süntees vesinikupommis.
Tuuma lõhustumise reaktsioonid- lõhustumisreaktsioonid, mis seisnevad selles, et neutronite ja, nagu hiljem selgus, muude osakeste mõju all olev raske tuum jaguneb mitmeks kergemaks tuumaks (fragmendiks), enamasti kaheks sarnase massiga tuumaks.
Tuuma lõhustumise tunnuseks on see, et sellega kaasneb kahe või kolme sekundaarse neutroni, nn. lõhustumise neutronid. Kuna keskmiste tuumade puhul on neutronite arv ligikaudu võrdne prootonite arvuga ( N/Z ≈ 1) ja raskete tuumade puhul ületab neutronite arv oluliselt prootonite arvu ( N/Z ≈ 1.6), siis koormatakse tekkivad lõhustumisfragmendid neutronitega üle, mille tulemusena vabastavad nad lõhustumisneutroneid. Lõhustumisneutronite emissioon ei välista aga täielikult killu tuumade ülekoormust neutronitega. Selle tulemusena muutuvad killud radioaktiivseks. Nad võivad läbida rea β--transformatsioone, millega kaasneb γ-kvantide emissioon. Kuna β-lagunemisega kaasneb neutroni muundumine prootoniks, siis pärast β-teisenduste ahelat jõuab fragmendi neutronite ja prootonite suhe väärtuseni, mis vastab stabiilsele isotoobile. Näiteks uraani tuuma U lõhustumise ajal
U+ n → Xe + Sr +2 n(265.1)
lõhustumise fragment Xe muutub kolme β-lagunemise tulemusel stabiilne isotoop Lantana La:
Heh → Cs → Ba → La.
Lõhustumisfragmendid võivad olla mitmekesised, seega pole reaktsioon (265.1) ainus, mis viib U lõhustumiseni.
Enamik lõhustumisneutroneid eraldub peaaegu kohe ( t≤ 10–14 s) ja osa (umbes 0,7%) eraldatakse lõhustumise fragmentide poolt mõni aeg pärast lõhustumist (0,05 s ≤ t≤ 60 s). Esimesi neist nimetatakse kohene, teine - mahajäänud. Keskmiselt tekitab iga lõhustumissündmus 2,5 neutronit. Neil on suhteliselt lai energiaspekter, mis jääb vahemikku 0 kuni 7 MeV, keskmise energiaga umbes 2 MeV neutroni kohta.
Arvutused näitavad, et tuuma lõhustumisega peab kaasnema ka vabanemine suur kogus energiat. Tegelikult tuumade spetsiifiline sidumisenergia keskmine kaal on ligikaudu 8,7 MeV, samas kui raskete tuumade puhul on see 7,6 MeV. Järelikult, kui raske tuum jaguneb kaheks fragmendiks, peaks vabanema energia, mis võrdub ligikaudu 1,1 MeV nukleoni kohta.
Lõhustumisteooria alus aatomi tuumad(N. Bor, Ya. I. Frenkel), mis põhineb tuuma tilkmudelil. Tuuma peetakse elektriliselt laetud kokkusurumatu vedeliku tilgaks (tihedus on võrdne tuumatihedusega ja järgib seadusi kvantmehaanika), mille osakesed satuvad neutroni tuuma tabamisel võnkuv liikumine, mille tulemusena puruneb tuum kaheks osaks, lendades tohutu energiaga laiali.
Tuuma lõhustumise tõenäosuse määrab neutronite energia. Näiteks kui suure energiaga neutronid põhjustavad peaaegu kõigi tuumade lõhustumist, siis mitme mega-elektronvoldi energiaga neutronid põhjustavad ainult raskete tuumade lõhustumist ( A>210), Neutronid, millel on aktiveerimise energia(tuuma lõhustumise reaktsiooni läbiviimiseks vajalik minimaalne energia) suurusjärgus 1 MeV, põhjustab uraani U, toorium Th, protaktiinium Pa, plutoonium Pu tuumade lõhustumise. Termilised neutronid lõhustavad U, Pu ja U, Th tuumad (kahte viimast isotoopi looduses ei esine, need saadakse kunstlikult).
Tuuma lõhustumisel eralduvad sekundaarsed neutronid võivad põhjustada uusi lõhustumissündmusi, mis võimaldavad lõhustumise ahelreaktsioon- tuumareaktsioon, milles reaktsiooni põhjustavad osakesed tekivad selle reaktsiooni produktidena. Lõhustumisahelreaktsiooni iseloomustab korrutustegur k neutronid, mis võrdne suhtega neutronite arv antud põlvkonnas võrreldes nende arvuga eelmises põlvkonnas. Vajalik tingimus lõhustumise ahelreaktsiooni arendamiseks on nõue k ≥ 1.
Selgub, et mitte kõik toodetud sekundaarsed neutronid ei põhjusta järgnevat tuuma lõhustumist, mis toob kaasa korrutusteguri vähenemise. Esiteks piiratud mõõtmete tõttu tuum(ruum, kus toimub väärtuslik reaktsioon) ja neutronite kõrge läbitungimisvõime, mõned neist lahkuvad aktiivsest tsoonist enne, kui mõni tuum neid kinni haarab. Teiseks püüavad osa neutroneid kinni mittelõhustuvate lisandite tuumad, mis on tuumas alati olemas, lisaks võivad koos lõhustumisega toimuda konkureerivad kiirguse püüdmise ja mitteelastse hajumise protsessid.
Korrutustegur sõltub lõhustuva aine olemusest ja antud isotoobist– selle koguse, samuti aktiivse tsooni suuruse ja kuju kohta. Nimetatakse aktiivse tsooni minimaalseid mõõtmeid, mille juures ahelreaktsioon on võimalik kriitilised suurused. Rakendamiseks vajalik kriitiliste mõõtmetega süsteemis paikneva lõhustuva materjali minimaalne mass ahelreaktsioon, helistas kriitiline mass.
Ahelreaktsioonide arengu kiirus on erinev. Lase T - keskmine aeg
ühe põlvkonna elu ja N- neutronite arv antud põlvkonnas. Järgmises põlvkonnas on nende arv võrdne kN,T. e) neutronite arvu suurenemine põlvkonna kohta dN = kN – N = N(k – 1). Neutronite arvu suurenemine ajaühikus, st ahelreaktsiooni kasvukiirus,
. (266.1)
Integreerides (266.1), saame
,
Kus N 0- neutronite arv algushetk aeg ja N- nende arv korraga t. N määratud märgiga ( k- 1). Kell k>1 tuleb areneb reaktsioon, lõhustumiste arv kasvab pidevalt ja reaktsioon võib muutuda plahvatusohtlikuks. Kell k=1 läheb isemajandav reaktsioon milles neutronite arv ajas ei muutu. Kell k <1 идет tuhmuv reaktsioon
Ahelreaktsioonide hulka kuuluvad kontrollitud ja kontrollimatud reaktsioonid. Näiteks aatomipommi plahvatus on kontrollimatu reaktsioon. Et vältida aatomipommi plahvatamist ladustamise ajal, jagatakse selles olev U (või Pu) kaheks üksteisest kaugel asuvaks osaks, mille mass on alla kriitilise. Seejärel lähenevad need massid tavalise plahvatuse abil üksteisele lähemale, lõhustuva aine kogumass muutub kriitilisest suuremaks ja toimub plahvatuslik ahelreaktsioon, millega kaasneb tohutu energiakoguse hetkeline vabanemine ja suur hävimine. . Plahvatusreaktsioon saab alguse saadaolevate iseenesliku lõhustumise või kosmilisest kiirgusest tulenevate neutronite tõttu. Tuumareaktorites toimuvad kontrollitud ahelreaktsioonid.
Tuuma ahelreaktsioon. Uraani neutronkiirguse katsete tulemusena selgus, et neutronite mõjul jagunevad uraani tuumad kaheks tuumaks (fragmendiks), mille mass ja laeng on ligikaudu pooled; selle protsessiga kaasneb mitme (kahe või kolme) neutroni emissioon (joonis 402). Lisaks uraanile on Mendelejevi perioodilisuse tabeli viimaste elementide hulgast lõhustumisvõimelised veel mõned elemendid. Need elemendid, nagu uraan, lõhustuvad mitte ainult neutronite mõjul, vaid ka ilma välismõjudeta (spontaanselt). Spontaanse lõhustumise rajasid eksperimentaalselt Nõukogude füüsikud K. A. Petržak ja Georgi Nikolajevitš Flerov (s. 1913) 1940. aastal. See on väga haruldane protsess. Seega toimub 1 g uraanis ainult umbes 20 spontaanset lõhustumist tunnis.
Riis. 402. Uraani tuuma lõhustumine neutronite mõjul: a) tuum haarab kinni neutroni; b) neutroni mõju tuumale põhjustab viimase võnkumise; c) südamik on jagatud kaheks killuks; samal ajal kiirgub veel mitu neutronit
Vastastikuse elektrostaatilise tõuke tõttu hajuvad lõhustumisfragmendid vastassuundades, omandades tohutu kineetilise energia (umbes ). Lõhustumisreaktsioon toimub seega olulise energia vabanemisega. Kiiresti liikuvad fragmendid ioniseerivad intensiivselt keskkonna aatomeid. Seda fragmentide omadust kasutatakse lõhustumisprotsesside tuvastamiseks ionisatsioonikambri või pilvekambri abil. Pilvekambris oleva lõhustumise fragmentide jälgede foto on näidatud joonisel fig. 403. On äärmiselt oluline, et uraani tuuma lõhustumisel eralduvad neutronid (nn sekundaarse lõhustumise neutronid) on võimelised põhjustama uute uraanituumade lõhustumist. Tänu sellele on võimalik läbi viia lõhustumisahelreaktsioon: kui see tekib, võib reaktsioon põhimõtteliselt jätkuda iseseisvalt, hõlmates järjest suuremat hulka tuumasid. Sellise kasvava tšelloreaktsiooni arenguskeem on näidatud joonisel fig. 404.
Riis. 403. Foto uraani lõhustumise fragmentide jälgedest pilvekambris: killud () lendavad vastassuundades õhukesest uraanikihist, mis on ladestunud kambrit blokeerivale plaadile. Pildil on ka palju õhemaid jälgi, mis kuuluvad kambris oleva veeauto molekulidest neutronite poolt välja löödud prootonitele.
Lõhustumise ahelreaktsiooni läbiviimine praktikas ei ole lihtne; kogemus näitab, et loodusliku uraani massis ahelreaktsiooni ei toimu. Selle põhjuseks on sekundaarsete neutronite kadu; looduslikus uraanis pääseb enamik neutroneid välja ilma lõhustumist põhjustamata. Nagu uuringud on näidanud, toimub neutronite kadu uraani kõige tavalisemas isotoobis - uraanis - 238 (). See isotoop neelab kergesti neutroneid reaktsiooniga, mis sarnaneb hõbeda reaktsiooniga neutronitega (vt § 222); see tekitab kunstlikult radioaktiivse isotoobi. See jaguneb vaevaliselt ja ainult kiirete neutronite mõjul.
Looduslikus uraanis koguses sisalduv isotoop omab ahelreaktsiooniks soodsamaid omadusi. See jaguneb mis tahes energiaga neutronite mõjul - kiireks ja aeglaseks ning mida madalam on neutronite energia, seda parem. Lõhustumisega konkureeriv protsess – lihtne neutronite neeldumine – on erinevalt ebatõenäoline. Seetõttu on puhtas uraan-235-s võimalik lõhustumise ahelreaktsioon, eeldusel, et uraan-235 mass on piisavalt suur. Madala massiga uraanis lõpeb lõhustumisreaktsioon sekundaarsete neutronite emissiooni tõttu väljaspool selle ainet.
Riis. 404. Väärtusliku lõhustumisreaktsiooni väljatöötamine: on tavapärane, et tuuma lõhustumisel eraldub kaks neutronit ja neutronite kadu ei toimu, s.t. iga neutron põhjustab uue lõhustumise; ringid - lõhustumise fragmendid, nooled - lõhustumise neutronid
Tegelikult läbib neutron aatomituumade pisikese suuruse tõttu läbi aine märkimisväärse vahemaa (mõõdetuna sentimeetrites), enne kui ta kogemata tuumaga kokku põrkub. Kui keha suurus on väike, siis on kokkupõrke tõenäosus teel väljapääsuni väike. Peaaegu kõik sekundaarse lõhustumise neutronid eralduvad läbi keha pinna uusi lõhustumist põhjustamata, s.t reaktsiooni jätkamata.
Suurest kehast lendavad välja peamiselt pinnakihis tekkinud neutronid. Keha sees tekkinud neutronite ees on piisava paksusega uraani ja need põhjustavad enamasti uusi lõhustumisi, jätkates reaktsiooni (joonis 405). Mida suurem on uraani mass, seda väiksem on selle mahu osakaal pinnakihil, millest kaob palju neutroneid, ja seda soodsamad on tingimused ahelreaktsiooni tekkeks.
Riis. 405. Lõhustumisahelreaktsiooni arendamine aastal. a) Madala massi korral lendab enamik lõhustumisneutroneid välja. b) Uraani suures massis põhjustavad paljud lõhustumisneutronid uute tuumade lõhustumise; jaotuste arv suureneb põlvest põlve. Ringid – lõhustumise fragmendid, nooled – lõhustumise neutronid
Kogust järk-järgult suurendades jõuame kriitilise massini ehk väikseima massini, millest alates toimub lõhustumise summutamata ahelreaktsioon aastal. Massi edasise suurenemisega hakkab reaktsioon kiiresti arenema (algab spontaanse lõhustumisega). Kui mass langeb alla kriitilise väärtuse, siis reaktsioon kustub.
Seega saab läbi viia lõhustumise ahelreaktsiooni. Kui teil on piisav kogus puhast, eraldage.
Nagu nägime §202-s, on isotoopide eraldamine, kuigi keeruline ja kallis, siiski teostatav toiming. Tõepoolest, looduslikust uraanist ekstraheerimine oli üks viise, kuidas lõhustumise ahelreaktsiooni praktikas rakendati.
Koos sellega saavutati ahelreaktsioon muul viisil, mis ei nõudnud uraani isotoopide eraldamist. See meetod on põhimõtteliselt mõnevõrra keerulisem, kuid lihtsam rakendada. See kasutab kiirete sekundaarsete lõhustumise neutronite aeglustumist soojusliikumise kiirusteks. Oleme näinud, et looduslikus uraanis neelavad vahetud sekundaarsed neutronid peamiselt isotoobi poolt. Kuna imendumine ei too kaasa lõhustumist, siis reaktsioon lõpeb. Mõõtmised näitavad, et kui neutroneid aeglustada termiliste kiirusteni, suureneb neeldumisvõime rohkem kui neeldumisvõime. Eelistatav on neutronite neeldumine isotoobi poolt, mis viib lõhustumiseni. Seega, kui lõhustumise neutroneid aeglustada, takistades nende neeldumist , muutub loodusliku uraaniga võimalikuks ahelreaktsioon.
Riis. 406. Loodusliku uraani süsteem ja aeglusti, milles saab areneda lõhustumise ahelreaktsioon
Praktikas saavutatakse see tulemus loodusliku uraani kuumade vardade asetamisega moderaatorisse haruldase võre kujul (joonis 406). Moderaatoritena kasutatakse aineid, millel on madal aatommass ja mis neelavad nõrgalt neutroneid. Head moderaatorid on grafiit, raske vesi ja berüllium.
Laske ühes varras uraani tuuma lõhustumine. Kuna varras on suhteliselt õhuke, pääsevad peaaegu kõik kiired sekundaarsed neutronid moderaatorisse. Vardad paiknevad võres üsna hõredalt. Väljastatud neutron kogeb enne uue varda tabamist palju kokkupõrkeid moderaatori tuumadega ja aeglustub soojusliikumise kiiruseni (joonis 407). Olles seejärel tabanud uraani varda, neeldub neutron suure tõenäosusega ja põhjustab uue lõhustumise, jätkates sellega reaktsiooni. Lõhustumisahelreaktsioon viidi esmakordselt läbi USA-s 1942. aastal. rühm teadlasi, mida juhtis itaalia füüsik Enrico Fermi (1901-1954) loodusliku uraaniga süsteemis. See protsess viidi NSV Liidus iseseisvalt ellu 1946. aastal. Akadeemik Igor Vassiljevitš Kurtšatov (1903-1960) ja tema kaaskond.
Riis. 407. Väärtusliku lõhustumisreaktsiooni väljatöötamine loodusliku uraani ja moderaatori süsteemis. Kiire neutron, mis pääseb õhukesest vardast välja, siseneb moderaatorisse ja aeglustub. Pärast uraani tagasi jõudmist neeldub aeglustunud neutron suure tõenäosusega ainesse, põhjustades lõhustumist (sümbol: kaks valget ringi). Mõned neutronid neelduvad, põhjustamata lõhustumist (sümbol: must ring)
Uraani tuumade lõhustumise neutronitega pommitamisel avastasid 1939. aastal Saksa teadlased Otto Hahn ja Fritz Strassmann.
Otto Hahn (1879-1968)
Saksa füüsik, teedrajav teadlane radiokeemia alal. Avastas uraani ja mitmete radioaktiivsete elementide lõhustumise
Fritz Strassmann (1902-1980)
Saksa füüsik ja keemik. Teosed on seotud tuumakeemia ja tuuma lõhustumisega. Andis keemilise tõendi lõhustumisprotsessi kohta
Vaatleme selle nähtuse mehhanismi. Joonisel 162a on tavapäraselt kujutatud uraani aatomi tuum. Olles neelanud lisaneutroni, tuum ergastub ja deformeerub, omandades pikliku kuju (joonis 162, b).
Riis. 162. Uraani tuuma lõhustumise protsess sellesse siseneva neutroni mõjul
Teate juba, et tuumas toimivad kahte tüüpi jõud: prootonite vahelised elektrostaatilised tõukejõud, mis kipuvad tuuma laiali rebima, ja tuumatõmbejõud kõigi nukleonide vahel, tänu millele tuum ei lagune. Kuid tuumajõud on lühikese ulatusega, nii et piklikus tuumas ei suuda nad enam hoida üksteisest väga kaugel asuvaid tuuma osi. Elektrostaatiliste tõukejõudude mõjul laguneb tuum kaheks osaks (joon. 162, c), mis lendavad tohutu kiirusega eri suundades minema ja kiirgavad 2-3 neutronit.
Selgub, et osa tuuma siseenergiast muundatakse lendavate fragmentide ja osakeste kineetiliseks energiaks. Fragmendid aeglustuvad keskkonnas kiiresti, mille tulemusena nende kineetiline energia muundatakse keskkonna siseenergiaks (s.o. selle koostises olevate osakeste vastastikmõju ja soojusliikumise energiaks).
Suure hulga uraani tuumade samaaegse lõhustumise korral suureneb uraani ümbritseva keskkonna siseenergia ja vastavalt selle temperatuur märgatavalt (st keskkond soojeneb).
Seega toimub uraani tuumade lõhustumisreaktsioon energia eraldumisega keskkonda.
Aatomite tuumades sisalduv energia on kolossaalne. Näiteks kõigi 1 g uraani tuumade täielikul lõhustumisel vabaneks sama palju energiat kui 2,5 tonni nafta põletamisel. Aatomituumade siseenergia muundamiseks elektrienergiaks kasutavad tuumajaamad nn tuuma lõhustumise ahelreaktsioonid.
Vaatleme uraani isotoobi tuuma lõhustumise ahelreaktsiooni mehhanismi. Uraani aatomi tuum (joon. 163) jagunes neutronite püüdmise tulemusena kaheks osaks, emiteerides kolm neutronit. Kaks neist neutronitest põhjustasid veel kahe tuuma lõhustumisreaktsiooni, tekitades neli neutronit. Need omakorda põhjustasid nelja tuuma lõhustumise, mille järel tekkis üheksa neutronit jne.
Ahelreaktsioon on võimalik tänu sellele, et iga tuuma lõhustumisel tekib 2-3 neutronit, mis võivad osaleda teiste tuumade lõhustumises.
Joonisel 163 on kujutatud diagramm ahelreaktsioonist, kus vabade neutronite koguarv uraanitükis suureneb aja jooksul eksponentsiaalselt. Sellest lähtuvalt suureneb järsult tuuma lõhustumise arv ja ajaühikus vabanev energia. Seetõttu on selline reaktsioon oma olemuselt plahvatusohtlik (see toimub aatomipommis).
Riis. 163. Uraani tuumade lõhustumise ahelreaktsioon
Võimalik on ka teine variant, mille puhul vabade neutronite arv aja jooksul väheneb. Sel juhul ahelreaktsioon peatub. Seetõttu ei saa sellist reaktsiooni kasutada ka elektri tootmiseks.
Rahulikel eesmärkidel on võimalik kasutada ainult ahelreaktsiooni energiat, mille käigus neutronite arv ajas ei muutu.
Kuidas tagada, et neutronite arv jääb kogu aeg muutumatuks? Selle probleemi lahendamiseks peate teadma, millised tegurid mõjutavad vabade neutronite koguarvu suurenemist ja vähenemist uraanitükis, milles toimub ahelreaktsioon.
Üks selline tegur on uraani mass. Fakt on see, et mitte iga tuuma lõhustumise käigus eralduv neutron ei põhjusta teiste tuumade lõhustumist (vt joonis 163). Kui uraanitüki mass (ja vastavalt ka mõõtmed) on liiga väike, lendab sellest välja palju neutroneid, kellel pole aega teel tuumaga kohtuda, põhjustavad selle lõhustumise ja tekitavad seega uue põlvkonna reaktsiooni jätkamiseks vajalikud neutronid. Sel juhul ahelreaktsioon peatub. Reaktsiooni jätkumiseks on vaja suurendada uraani massi teatud väärtuseni, nn kriitiline.
Miks saab massi kasvades võimalikuks ahelreaktsioon? Mida suurem on tüki mass, seda suuremad on selle mõõtmed ja seda pikem on neutronite tee selles. Sel juhul suureneb tõenäosus, et neutronid kohtuvad tuumadega. Sellest lähtuvalt suureneb tuuma lõhustumiste arv ja eralduvate neutronite arv.
Uraani kriitilise massi juures võrdub tuuma lõhustumise käigus tekkivate neutronite arv kaotatud neutronite arvuga (see tähendab, et tuumad püüavad kinni lõhustumata ja paisatakse väljapoole tükki).
Seetõttu jääb nende koguarv muutumatuks. Sel juhul võib ahelreaktsioon kesta kaua, peatumata ja plahvatusohtlikuks muutumata.
- Väiksemat uraani massi, mille juures võib toimuda ahelreaktsioon, nimetatakse kriitiliseks massiks
Kui uraani mass on suurem kui kriitiline mass, siis vabade neutronite arvu järsu suurenemise tagajärjel põhjustab ahelreaktsioon plahvatuse ja kui see on kriitilisest massist väiksem, siis reaktsioon ei toimu. jätkub vabade neutronite puudumise tõttu.
Neutronite kadu (mis lendavad uraanist välja ilma tuumadega reageerimata) saab vähendada mitte ainult uraani massi suurendamise, vaid ka spetsiaalse peegeldava kesta abil. Selleks asetatakse uraanitükk kesta, mis on valmistatud neutroneid hästi peegeldavast ainest (näiteks berüllium). Sellest kestast peegeldudes pöörduvad neutronid tagasi uraani ja võivad osaleda tuuma lõhustumises.
On veel mitmeid tegureid, millest sõltub ahelreaktsiooni võimalus. Näiteks kui uraanitükk sisaldab liiga palju muude keemiliste elementide lisandeid, neelavad need suurema osa neutronitest ja reaktsioon peatub.
Reaktsiooni kulgu mõjutab ka nn neutronmoderaatori olemasolu uraanis. Fakt on see, et uraan-235 tuumad lõhustuvad kõige tõenäolisemalt aeglaste neutronite mõjul. Ja tuumade lõhustumisel tekivad kiired neutronid. Kui kiireid neutroneid aeglustada, püütakse enamik neist kinni uraan-235 tuumade poolt, millele järgneb nende tuumade lõhustumine. Moderaatoritena kasutatakse selliseid aineid nagu grafiit, vesi, raske vesi (mis sisaldab deuteeriumi, vesiniku isotoopi massinumbriga 2) ja mõnda muud. Need ained ainult aeglustavad neutroneid, peaaegu ilma neid absorbeerimata.
Seega määrab ahelreaktsiooni toimumise võimaluse uraani mass, selles sisalduvate lisandite hulk, kesta ja moderaatori olemasolu ning mõned muud tegurid.
Uraan-235 kerakujulise tüki kriitiline mass on ligikaudu 50 kg. Pealegi on selle raadius vaid 9 cm, kuna uraanil on väga suur tihedus.
Kasutades moderaatorit ja peegeldavat kesta ning vähendades lisandite hulka, on võimalik vähendada uraani kriitilist massi 0,8 kg-ni.
Küsimused
- Miks saab tuuma lõhustumine alata alles siis, kui see neelduva neutroni mõjul deformeerub?
- Mis tekib tuuma lõhustumise tulemusena?
- Milliseks energiaks muundub osa tuuma siseenergiast selle jagunemise käigus? uraani tuuma fragmentide kineetiline energia, kui need keskkonnas aeglustuvad?
- Kuidas kulgeb uraani tuumade lõhustumisreaktsioon - energia eraldumisega keskkonda või vastupidi, energia neeldumisega?
- Selgitage joonise 163 abil ahelreaktsiooni mehhanismi.
- Mis on uraani kriitiline mass?
- Kas on võimalik ahelreaktsioon tekkida, kui uraani mass on kriitilisest massist väiksem; kriitilisem? Miks?
Tuumareaktsioonid. Osakese interaktsiooni aatomituumaga, mis viib selle tuuma muutumiseni uueks tuumaks koos sekundaarsete osakeste või gammakiirguse vabanemisega, nimetatakse tuumareaktsiooniks.
Esimese tuumareaktsiooni viis läbi Rutherford 1919. aastal. Ta avastas, et alfaosakeste kokkupõrge lämmastikuaatomite tuumadega tekitas kiiresti liikuvaid prootoneid. See tähendas, et lämmastiku isotoobi tuum muutus alfaosakesega kokkupõrke tagajärjel hapniku isotoobi tuumaks:
.
Tuumareaktsioonid võivad tekkida energia vabanemisel või neeldumisel. Kasutades massi ja energia vahelise seose seadust, saab tuumareaktsiooni energiaväljundi määrata, leides reaktsioonisse sisenevate osakeste masside ja reaktsioonisaaduste erinevuse:
Uraani tuumade lõhustumise ahelreaktsioon. Erinevate tuumareaktsioonide hulgas on tänapäeva inimühiskonna elus erilise tähtsusega mõnede raskete tuumade lõhustumise ahelreaktsioonid.
Uraani tuumade lõhustumisreaktsioon neutronitega pommitamisel avastati 1939. aastal. Eksperimentaalsete ja teoreetiliste uuringute tulemusena, mille viisid läbi E. Fermi, I. Joliot-Curie, O. Hahn, F. Strassmann, L. Meitner, O. Frisch, F. Joliot-Curie, leiti, et kui üks neutron tabab uraani tuuma, jaguneb tuum kaheks või kolmeks osaks.
Ühe uraani tuuma lõhustumisel vabaneb umbes 200 MeV energiat. Fragmentide tuumade liikumise kineetiline energia moodustab ligikaudu 165 MeV, ülejäänud energia kannavad ära gamma kvantid.
Teades ühe uraani tuuma lõhustumisel vabanevat energiat, võib välja arvutada, et 1 kg uraani kõigi tuumade lõhustumisel saadav energia on 80 tuhat miljardit džauli. Seda on mitu miljonit korda rohkem, kui eraldub 1 kg kivisöe või nafta põletamisel. Seetõttu otsiti võimalusi tuumaenergia märkimisväärses koguses vabastamiseks praktilistel eesmärkidel kasutamiseks.
Esimese ettepaneku aheltuumareaktsioonide võimalikkuse kohta tegi F. Joliot-Curie aastal 1934. 1939. aastal avastas ta koos H. Halbani ja L. Kowarskiga eksperimentaalselt, et uraani tuuma lõhustumise käigus tekkis lisaks tuumafragmendid, 2-3 vaba neutronit. Soodsates tingimustes võivad need neutronid tabada teisi uraani tuumasid ja põhjustada nende lõhustumist. Kolme uraani tuuma lõhustumisel peaks eralduma 6-9 uut neutronit, need kukuvad uuteks uraanituumadeks jne. Uraani tuumade lõhustumise ahelreaktsiooni arengu skeem on toodud joonisel 316.
Riis. 316
Ahelreaktsioonide praktiline rakendamine ei ole nii lihtne ülesanne, kui diagrammil paistab. Uraani tuumade lõhustumisel vabanevad neutronid on võimelised tekitama ainult 235 massinumbriga uraani isotoobi tuumade lõhustumist, kuid nende energiast ei piisa uraani isotoobi tuumade massinumbriga 238 hävitamiseks. Looduslikus uraanis on uraani massinumbriga 238 osakaal 99,8% ja uraani massinumbriga 235 osakaal vaid 0,7%. Seetõttu on esimene võimalik viis lõhustumisahelreaktsiooni läbiviimiseks seotud uraani isotoopide eraldamisega ja isotoobi tootmisega puhtal kujul piisavalt suurtes kogustes. Ahelreaktsiooni toimumise vajalik tingimus on piisavalt suure uraanikoguse olemasolu, kuna väikeses proovis lendab enamik neutroneid läbi proovi, ilma et see tabaks ühtegi tuuma. Uraani minimaalset massi, milles võib toimuda ahelreaktsioon, nimetatakse kriitiliseks massiks. Uraan-235 kriitiline mass on mitukümmend kilogrammi.
Lihtsaim viis uraan-235 ahelreaktsiooni läbiviimiseks on järgmine: uraanmetallist valmistatakse kaks tükki, millest igaühe mass on kriitilisest veidi väiksem. Ahelreaktsioon ei saa toimuda igaühes neist eraldi. Kui need tükid on kiiresti ühendatud, tekib ahelreaktsioon ja vabaneb kolossaalne energia. Uraani temperatuur ulatub miljonite kraadideni, uraan ise ja kõik muud läheduses olevad ained muutuvad auruks. Kuum gaasiline pall paisub kiiresti, põletades ja hävitades kõik, mis teel on. Nii toimub tuumaplahvatus.
Tuumaplahvatuse energiat on väga raske rahumeelsel eesmärgil kasutada, kuna energia vabanemine on kontrollimatu. Tuumareaktorites viiakse läbi kontrollitud uraani tuumade lõhustumise ahelreaktsioon.
Tuumareaktor. Esimesed tuumareaktorid olid aeglaste neutronreaktorid (joonis 317). Enamiku uraani tuumade lõhustumisel vabanevatest neutronitest on energia 1-2 MeV. Nende kiirus on ligikaudu 107 m/s, mistõttu neid nimetatakse kiireteks neutroniteks. Selliste energiate juures interakteeruvad neutronid uraani ja uraani tuumadega ligikaudu sama efektiivsusega. Ja kuna looduslikus uraanis on 140 korda rohkem uraani tuumasid kui uraani tuumades, neelduvad enamik neist neutronitest uraani tuumades ja ahelreaktsiooni ei arene. Soojusliikumise kiirusele lähedase kiirusega (umbes 2·10 3 m/s) liikuvaid neutroneid nimetatakse aeglasteks ehk termilisteks. Aeglased neutronid interakteeruvad hästi uraan-235 tuumadega ja neelduvad neis 500 korda tõhusamalt kui kiired neutronid. Seetõttu neeldub loodusliku uraani kiiritamisel aeglaste neutronitega enamik neist mitte uraan-238, vaid uraan-235 tuumades ja põhjustab nende lõhustumise. Järelikult tuleb ahelreaktsiooni arendamiseks looduslikus uraanis vähendada neutronite kiirusi termilisteks.
Riis. 317
Neutronid aeglustuvad kokkupõrgete tagajärjel keskkonna aatomituumadega, milles nad liiguvad. Neutronite aeglustamiseks reaktoris kasutatakse spetsiaalset ainet, mida nimetatakse moderaatoriks. Moderaatoraine aatomite tuumad peavad olema suhteliselt väikese massiga, kuna kerge tuumaga kokkupõrkel kaotab neutron rohkem energiat kui raske tuumaga kokkupõrkel. Levinumad moderaatorid on tavaline vesi ja grafiit.
Ruumi, kus ahelreaktsioon toimub, nimetatakse reaktori südamikuks. Neutronite lekke vähendamiseks ümbritseb reaktori südamikku neutronreflektor, mis lükkab olulise osa välja pääsevatest neutronitest südamikusse. Reflektorina kasutatakse tavaliselt sama ainet, mis toimib moderaatorina.
Reaktori töötamise ajal vabanev energia eemaldatakse jahutusvedeliku abil. Jahutusvedelikuna võib kasutada ainult vedelikke ja gaase, millel puudub neutronite neelamise võime. Jahutusvedelikuna kasutatakse laialdaselt tavalist vett, mõnikord kasutatakse süsinikdioksiidi ja isegi vedelat metallilist naatriumi.
Reaktorit juhitakse reaktori südamikusse sisestatud spetsiaalsete (või kontroll)varraste abil. Juhtvardad on valmistatud boori- või kaadmiumiühenditest, mis neelavad väga kõrge efektiivsusega termilisi neutroneid. Enne reaktori tööle hakkamist sisestatakse need täielikult selle südamikusse. Neelades märkimisväärse osa neutronitest, muudavad nad ahelreaktsiooni arenemise võimatuks. Reaktori käivitamiseks eemaldatakse juhtvardad südamikust järk-järgult, kuni energia vabanemine jõuab etteantud tasemeni. Kui võimsus tõuseb üle seatud taseme, lülitatakse sisse automaatsed masinad, mis suruvad juhtvardad sügavale südamikusse.
Tuumaenergia. Tuumaenergia pandi meie riigis esimest korda rahu teenistusse. Aatomiteaduse ja -tehnoloogia alase töö esimene korraldaja ja juht NSV Liidus oli akadeemik Igor Vassiljevitš Kurchatov (1903-1960).
Praegu on NSV Liidu ja Euroopa suurim Leningradi tuumaelektrijaam, mis kannab nime. IN JA. Lenini võimsus on 4000 MW, s.o. 800 korda suurem kui esimese tuumajaama võimsus.
Suurtes tuumaelektrijaamades toodetud elektrienergia maksumus on madalam soojuselektrijaamades toodetud elektrienergia maksumusest. Seetõttu areneb tuumaenergia kiirendatud tempos.
Tuumareaktoreid kasutatakse mereväe laevadel elektrijaamadena. Maailma esimene tuumajaamaga rahumeelne laev, tuumajõul töötav jäämurdja Lenin, ehitati Nõukogude Liidus 1959. aastal.
1975. aastal ehitatud Nõukogude tuumajõul töötav jäämurdja Arktika sai maailma esimeseks pinnalaevaks, mis jõudis põhjapoolusele.
Termotuumareaktsioon. Tuumaenergia ei vabane mitte ainult raskete tuumade lõhustumisreaktsioonides, vaid ka kergete aatomituumade kombinatsiooni reaktsioonides.
Sarnaselt laetud prootonite ühendamiseks on vaja ületada Coulombi tõukejõud, mis on võimalik osakeste kokkupõrke piisavalt suurtel kiirustel. Tähtede sisemuses on olemas vajalikud tingimused heeliumi tuumade sünteesiks prootonitest. Maal viidi termotuumasünteesi reaktsioon läbi eksperimentaalsete termotuumaplahvatuste käigus.
Heeliumi süntees vesiniku kergest isotoobist toimub temperatuuril umbes 108 K ja heeliumi sünteesiks vesiniku rasketest isotoopidest - deuteeriumist ja triitiumist - vastavalt skeemile
vajab kuumutamist umbes 5 10 7 K-ni.
Deuteeriumist ja triitiumist 1 g heeliumi sünteesimisel vabaneb energia 4,2·10 11 J. See energia vabaneb 10 tonni diislikütuse põletamisel.
Vesiniku varud Maal on praktiliselt ammendamatud, seetõttu on termotuumasünteesienergia kasutamine rahumeelsetel eesmärkidel tänapäevase teaduse ja tehnoloogia üks olulisemaid ülesandeid.
Vesiniku rasketest isotoopidest kuumutamise teel heeliumi sünteesi kontrollitav termotuumareaktsioon peaks toimuma plasmast läbi elektrivoolu juhtimisel. Magnetvälja kasutatakse selleks, et kuumutatud plasma ei puutuks kokku kambri seintega. Tokamak-10 katsepaigaldises õnnestus Nõukogude füüsikutel plasma kuumutada 13 miljoni kraadini. Vesinikku saab laserkiirguse abil kuumutada kõrgema temperatuurini. Selleks tuleb mitme laseri valguskiired suunata klaaskuulile, mis sisaldab raskete deuteeriumi ja triitiumi isotoopide segu. Laserinstallatsioonidega tehtud katsetes on juba saadud mitmekümne miljoni kraadise temperatuuriga plasmat.