Hvorfor er fisjonsreaksjonen til kjernen til et uranatom. Kjernefysisk fisjon av uran

>> Fisjon av urankjerner

§ 107 FISSJON AV URANKJERNER

Bare kjernene til noen tunge grunnstoffer kan deles inn i deler. Ved fisjon av kjernen sendes det ut to eller tre nøytroner og -stråler. Samtidig frigjøres mye energi.

Oppdagelse av uran fisjon. Spaltningen av urankjerner ble oppdaget i 1938 av tyske forskere O. Hahn iF. Strassmann. De fant at når uran bombarderes med nøytroner, vises elementer fra midtdelen periodiske tabell: barium, krypton osv. Den riktige tolkningen av dette faktum som fisjon av en urankjerne som fanget et nøytron ble imidlertid gitt i begynnelsen av 1939 av den engelske fysikeren O. Frisch sammen med den østerrikske fysikeren L. Meitner.

Nøytronfangst forstyrrer stabiliteten til kjernen. Kjernen blir opphisset og blir ustabil, noe som fører til at den deles i fragmenter. Kjernefysisk fisjon er mulig fordi hvilemassen til den tunge kjernen er mer enn beløpet hvilemasser av fragmenter som følge av fisjon. Derfor er det en frigjøring av energi tilsvarende reduksjonen i hvilemasse som følger med fisjon.

Muligheten for fisjon av tunge kjerner kan også forklares ved hjelp av en graf over den spesifikke bindingsenergien kontra massetall A (se fig. 13.11). Spesifikk bindingsenergi til kjerner av atomer av elementer som opptar det periodiske systemet siste plassene(A 200), omtrent 1 MeV mindre enn den spesifikke bindingsenergien i kjernene til grunnstoffer plassert i midten av det periodiske system (A 100). Derfor er prosessen med fisjon av tunge kjerner til kjerner av elementer i den midtre delen av det periodiske systemet energisk gunstig. Etter fisjon går systemet inn i en tilstand med minimal indre energi. Tross alt, jo større bindingsenergien til kjernen er, desto større energi bør frigjøres ved fremveksten av kjernen og, følgelig, jo mindre er den indre energien til det nydannede systemet.

Under kjernefysisk fisjon øker bindingsenergien per nukleon med 1 MeV og den totale energien som frigjøres må være enorm - i størrelsesorden 200 MeV. Ingen annen kjernefysisk reaksjon (ikke relatert til fisjon) frigjør så store energier.

Direkte målinger av energien som frigjøres under fisjon av en urankjerne bekreftet betraktningene ovenfor og ga en verdi på 200 MeV. Dessuten mest av av denne energien (168 MeV) faller på kinetisk energi fragmenter. På figur 13.13 ser du sporene etter spaltbare uranfragmenter i et skykammer.

Energien som frigjøres under kjernefysisk fisjon er av elektrostatisk snarere enn kjernefysisk opprinnelse. Den store kinetiske energien som fragmentene har oppstår på grunn av deres Coulomb-frastøting.

Mekanisme for kjernefysisk fisjon. Prosessen med fisjon av atomkjernen kan forklares basert på dråpemodellen til kjernen. I følge denne modellen ligner en haug med nukleoner en dråpe ladet væske (fig. 13.14, a). Kjernekrefter mellom nukleoner er kortdistanse, som kreftene som virker mellom flytende molekyler. Sammen med de store elektrostatiske frastøtningskreftene mellom protonene, som har en tendens til å rive kjernen i stykker, virker enda større krefter kjernefysiske styrker tiltrekning. Disse kreftene forhindrer at kjernen går i oppløsning.

Uran-235-kjernen er sfærisk i form. Etter å ha absorbert et ekstra nøytron, blir det opphisset og begynner å deformeres, og får en langstrakt form (fig. 13.14, b). Kjernen vil strekke seg til frastøtende krefter mellom halvdelene av den langstrakte kjernen begynner å råde over tiltrekningskreftene som virker i isthmus (fig. 13.14, c). Etter dette brytes den i to deler (fig. 13.14, d).

Under påvirkning av frastøtende krefter fra Coulomb flyr disse fragmentene bort med en hastighet som tilsvarer 1/30 av lysets hastighet.

Emisjon av nøytroner under fisjon. Et grunnleggende faktum ved kjernefysisk fisjon er utslipp av to til tre nøytroner under fisjonsprosessen. Det var dette som gjorde det mulig praktisk bruk intranukleær energi.

Det er mulig å forstå hvorfor frie nøytroner sendes ut basert på følgende betraktninger. Det er kjent at forholdet mellom antall nøytroner og antall protoner i stabile kjerner øker med økende atomnummer. Derfor er det relative antallet nøytroner i fragmenter som oppstår under fisjon større enn det som er tillatt for atomkjernene plassert i midten av det periodiske systemet. Som et resultat frigjøres flere nøytroner under fisjonsprosessen. Energien deres har forskjellige betydninger- fra flere millioner elektronvolt til veldig små, nær null.

Fisjon oppstår vanligvis i fragmenter, hvis masse avviker med omtrent 1,5 ganger. Disse fragmentene er svært radioaktive, da de inneholder en overflødig mengde nøytroner. Som et resultat av en serie av påfølgende henfall, oppnås stabile isotoper til slutt.

Avslutningsvis bemerker vi at det også er spontan fisjon av urankjerner. Den ble oppdaget av sovjetiske fysikere G.N Flerov og K.A. Petrzhak i 1940. Halveringstiden for spontan fisjon er 10 16 år. Dette er to millioner ganger lengre enn halveringstiden til uran.

Reaksjonen av kjernefysisk fisjon er ledsaget av frigjøring av energi.

Leksjonens innhold leksjonsnotater støttende frame leksjon presentasjon akselerasjon metoder interaktive teknologier Øve på oppgaver og øvelser selvtestverksteder, treninger, case, oppdrag lekser kontroversielle saker retoriske spørsmål fra studenter Illustrasjoner lyd, videoklipp og multimedia fotografier, bilder, grafikk, tabeller, diagrammer, humor, anekdoter, vitser, tegneserier, lignelser, ordtak, kryssord, sitater Tillegg sammendrag artikler triks for nysgjerrige cribs lærebøker grunnleggende og tilleggsordbok med begreper andre Forbedre lærebøker og leksjonerrette feil i læreboka oppdatere et fragment i en lærebok, elementer av innovasjon i leksjonen, erstatte utdatert kunnskap med ny Kun for lærere perfekte leksjoner kalenderplan for et år retningslinjer diskusjonsprogrammer Integrerte leksjoner

Spaltningen av urankjerner ble oppdaget i 1938 av tyske forskere O. Hahn og F. Strassmann. De klarte å fastslå at når urankjerner bombarderes med nøytroner, dannes elementer i den midtre delen av det periodiske system: barium, krypton osv. Den korrekte tolkningen av dette faktum ble gitt av den østerrikske fysikeren L. Meitner og engelsk fysiker O. Frisch. De forklarte utseendet til disse elementene med nedbrytningen av urankjerner som fanget et nøytron i to omtrent like deler. Dette fenomenet kalles nukleær fisjon, og de resulterende kjernene kalles fisjonsfragmenter.

se også

1. Vasiliev A. Uran fisjon: fra Klaproth til Hahn // Quantum. - 2001. - Nr. 4. - S. 20-21,30.

Dråpemodell av kjernen

Denne fisjonsreaksjonen kan forklares basert på dråpemodellen til kjernen. I denne modellen betraktes kjernen som en dråpe elektrisk ladet inkompressibel væske. I tillegg til kjernekreftene som virker mellom alle nukleoner i kjernen, opplever protoner ytterligere elektrostatisk frastøtning, som et resultat av at de er lokalisert i periferien av kjernen. I en ueksitert tilstand kompenseres kreftene til elektrostatisk frastøtning, slik at kjernen har en sfærisk form (fig. 1, a).

Etter at et \(~^(235)_(92)U\) nøytron er fanget opp av kjernen, mellomkjerne\(~(^(236)_(92)U)^*\), som er i en spent tilstand. I dette tilfellet er nøytronenergien jevnt fordelt mellom alle nukleoner, og selve mellomkjernen deformeres og begynner å vibrere. Hvis eksitasjonen er liten, vil kjernen (fig. 1, b), frigjøre seg fra overflødig energi ved å sende ut γ -kvante eller nøytron, går tilbake til stabil. Hvis eksitasjonsenergien er tilstrekkelig høy, kan deformasjonen av kjernen under vibrasjoner være så stor at det dannes en midje i den (fig. 1, c), lik midjen mellom to deler av en todelt væskedråpe. Kjernekrefter som virker i en smal midje kan ikke lenger motstå den betydelige Coulomb-kraften til frastøting av deler av kjernen. Midjen brytes, og kjernen brytes opp i to "fragmenter" (fig. 1, d), som flyr av i motsatte retninger.

uran.swf Flash: Uran fisjon Forstørr Flash Fig. 2.

For tiden er rundt 100 forskjellige isotoper med massetall fra rundt 90 til 145 kjent, som følge av fisjon av denne kjernen. To typiske reaksjoner divisjoner av denne kjernen har formen:

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

Merk at kjernefysisk fisjon initiert av et nøytron produserer nye nøytroner som kan forårsake fisjonsreaksjoner i andre kjerner. Fisjonsproduktene til uran-235-kjerner kan også være andre isotoper av barium, xenon, strontium, rubidium, etc.

Når kjernene til tunge atomer fisjon (\(~^(235)_(92)U\)), frigjøres veldig stor energi - ca. 200 MeV under fisjon av hver kjerne. Omtrent 80 % av denne energien frigjøres som kinetisk energi av fragmenter; de resterende 20 % kommer fra energi radioaktiv stråling fragmenter og kinetisk energi til prompte nøytroner.

Et estimat av energien som frigjøres under kjernefysisk fisjon kan gjøres ved å bruke den spesifikke bindingsenergien til nukleoner i kjernen. Spesifikk bindingsenergi til nukleoner i kjerner med massetall EN≈ 240 i størrelsesorden 7,6 MeV/nukleon, mens de er i kjerner med massetall EN= 90 – 145 spesifikk energi er omtrent 8,5 MeV/nukleon. Følgelig frigjør fisjon av en urankjerne energi i størrelsesorden 0,9 MeV/nukleon, eller omtrent 210 MeV per uranatom. Med fullstendig fisjon av alle kjerner som finnes i 1 g uran, frigjøres den samme energien som ved forbrenning av 3 tonn kull eller 2,5 tonn olje.

se også

1. Varlamov A.A. Dråpemodell av kjernen //Quantum. - 1986. - Nr. 5. - S. 23-24

Kjedereaksjon

Kjedereaksjon - en kjernereaksjon der partiklene som forårsaker reaksjonen dannes som produkter av denne reaksjonen.

Når en uran-235 kjerne spalter, som er forårsaket av en kollisjon med et nøytron, frigjøres 2 eller 3 nøytroner. På gunstige forhold disse nøytronene kan treffe andre urankjerner og få dem til å spalte. På dette stadiet vil det dukke opp fra 4 til 9 nøytroner, som er i stand til å forårsake nye henfall av urankjerner osv. En slik skredlignende prosess kalles en kjedereaksjon. Et diagram over utviklingen av en kjedereaksjon av fisjon av urankjerner er vist i fig. 3.

reakcia.swf Flash: kjedereaksjon Forstørr Flash Fig. 4.

Uran forekommer i naturen i form av to isotoper \[~^(238)_(92)U\] (99,3%) og \(~^(235)_(92)U\) (0,7%). Når de bombarderes av nøytroner, kan kjernene til begge isotoper splittes i to fragmenter. I dette tilfellet skjer fisjonsreaksjonen \(~^(235)_(92)U\) mest intensivt med langsomme (termiske) nøytroner, mens kjernene \(~^(238)_(92)U\) reagerer ved å dele bare med raske nøytroner med en energi på ca. 1 MeV. Ellers viser eksitasjonsenergien til de resulterende kjernene \(~^(239)_(92)U\) å være utilstrekkelig for fisjon, og da oppstår kjernereaksjoner i stedet for fisjon:

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

Uranisotop \(~^(238)_(92)U\) β -radioaktiv, halveringstid 23 minutter. Neptunium-isotopen \(~^(239)_(93)Np\) er også radioaktiv, med en halveringstid på ca. 2 dager.

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

Plutoniumisotopen \(~^(239)_(94)Np\) er relativt stabil, med en halveringstid på 24 000 år. Den viktigste eiendommen plutonium er at det spalter under påvirkning av nøytroner på samme måte som \(~^(235)_(92)U\). Derfor kan en kjedereaksjon utføres ved hjelp av \(~^(239)_(94)Np\).

Kjedereaksjonsdiagrammet diskutert ovenfor er perfekt sak. I reelle forhold Ikke alle nøytroner produsert under fisjon deltar i fisjon av andre kjerner. Noen av dem fanges opp av de ikke-fissile kjernene til fremmede atomer, andre flyr ut av uranet (nøytronlekkasje).

Derfor oppstår ikke alltid en kjedereaksjon av fisjon av tunge kjerner og ikke for noen masse uran.

Nøytron multiplikasjonsfaktor

Utviklingen av en kjedereaksjon er preget av den såkalte nøytronmultiplikasjonsfaktoren TIL, som måles ved forholdet mellom tallet N i nøytroner som forårsaker fisjon av kjernene til et stoff på et av trinnene i reaksjonen, til tallet N i-1 nøytroner som forårsaket fisjon i forrige fase av reaksjonen:

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

Reproduksjonskoeffisienten avhenger av en rekke faktorer, spesielt av arten og mengden av spaltbart materiale, på geometrisk form volumet den opptar. Samme mengde av dette stoffet Det har annen betydning TIL. TIL maksimum hvis stoffet har en sfærisk form, siden i dette tilfellet vil tapet av prompte nøytroner gjennom overflaten være minimalt.

Massen av spaltbart materiale der kjedereaksjonen skjer med en multiplikasjonsfaktor TIL= 1 kalles kritisk masse. I små biter av uran flyr de fleste nøytroner ut uten å treffe noen kjerne.

Den kritiske masseverdien bestemmes av geometri fysisk system, dens struktur og ytre miljø. For en kule av rent uran \(~^(235)_(92)U\) er den kritiske massen 47 kg (en kule med en diameter på 17 cm). Den kritiske massen til uran kan reduseres mange ganger ved å bruke såkalte nøytronmoderatorer. Faktum er at nøytroner produsert under forfallet av urankjerner har for høye hastigheter, og sannsynligheten for å fange langsomme nøytroner av uran-235 kjerner er hundrevis av ganger større enn raske. Den beste nøytronmoderatoren er tungtvann D 2 O. Ved interaksjon med nøytroner blir vanlig vann i seg selv til tungtvann.

Grafitt, hvis kjerner ikke absorberer nøytroner, er også en god moderator. Under elastisk interaksjon med deuterium eller karbonkjerner, bremses nøytroner ned til termiske hastigheter.

Bruken av nøytronmoderatorer og et spesielt berylliumskall, som reflekterer nøytroner, gjør det mulig å redusere den kritiske massen til 250 g.

Med multiplikasjonshastigheten TIL= 1 antall fisjonskjerner holdes på et konstant nivå. Denne modusen er gitt i atomreaktorer.

Hvis massen kjernebrensel er mindre enn den kritiske massen, deretter multiplikasjonsfaktoren TIL < 1; каждое новое поколение вызывает все меньшее и mindre antall divisjoner, og reaksjonen uten ekstern kilde nøytroner forfaller raskt.

Hvis massen av kjernebrensel er større enn den kritiske massen, så multiplikasjonsfaktoren TIL> 1 og hver ny generasjon nøytroner forårsaker alt større antall divisjoner. Kjedereaksjonen vokser som et snøskred og har karakter av en eksplosjon, ledsaget av et enormt energiuttak og en økning i omgivelsestemperaturen til flere millioner grader. Denne typen kjedereaksjon oppstår når en atombombe eksploderer.

Atombombe

I sin normale tilstand eksploderer ikke en atombombe fordi atomladningen i den er delt inn i flere små deler av skillevegger som absorberer nedbrytningsproduktene til uran - nøytroner. Kjernefysisk kjedereaksjon forårsaker atomeksplosjon, kan ikke opprettholdes under slike forhold. Men hvis fragmenter av en kjernefysisk ladning kombineres, vil deres totale masse bli tilstrekkelig til at en kjedereaksjon av uranfisjon kan begynne å utvikle seg. Resultatet er en atomeksplosjon. I dette tilfellet utviklet eksplosjonskraften seg atombombe relativt små størrelser, tilsvarer kraften som ble frigjort under eksplosjonen av millioner og milliarder av tonn TNT.

Ris. 5. Atombombe

Spaltningen av urankjerner når de ble bombardert med nøytroner ble oppdaget i 1939 av tyske forskere Otto Hahn og Fritz Strassmann.

Otto Hahn (1879–1968)
Tysk fysiker, banebrytende vitenskapsmann innen radiokjemi. Oppdaget fisjon av uran og en rekke radioaktive grunnstoffer

Fritz Strassmann (1902-1980)
Tysk fysiker og kjemiker. Verkene er knyttet til kjernefysisk kjemi, atomfisjon. Ga kjemisk bevis på fisjonsprosessen

La oss vurdere mekanismen til dette fenomenet. Figur 162a viser konvensjonelt kjernen til et uranatom. Etter å ha absorbert et ekstra nøytron, blir kjernen eksitert og deformert, og får en langstrakt form (fig. 162, b).

Ris. 162. Prosessen med fisjon av en urankjerne under påvirkning av et nøytron som kommer inn i den

Du vet allerede at det er to typer krefter som virker i kjernen: elektrostatiske frastøtende krefter mellom protoner, som har en tendens til å rive kjernen fra hverandre, og kjernefysiske tiltrekningskrefter mellom alle nukleoner, takket være at kjernen ikke forfaller. Men kjernekrefter er kortdistanse, så i en langstrakt kjerne kan de ikke lenger holde deler av kjernen som er veldig fjernt fra hverandre. Under påvirkning av elektrostatiske frastøtende krefter brytes kjernen i to deler (fig. 162, c), som flyr fra hverandre inn i forskjellige sider Med enorm fart og sender ut 2-3 nøytroner.

Det viser seg den delen indre energi kjernen omdannes til den kinetiske energien til flygende fragmenter og partikler. Fragmentene bremses raskt i miljøet, som et resultat av at deres kinetiske energi omdannes til den indre energien i miljøet (dvs. til interaksjons- og termisk bevegelse dets partikler).

Med samtidig fisjon av et stort antall urankjerner, øker den indre energien til miljøet som omgir uranet og følgelig dets temperatur merkbart (dvs. miljøet varmes opp).

Dermed oppstår fisjonsreaksjonen til urankjerner med frigjøring av energi i miljø.

Energien som finnes i atomkjernene er kolossal. For eksempel, med fullstendig fisjon av alle kjerner som er tilstede i 1 g uran, vil samme mengde energi frigjøres som den som frigjøres under forbrenning av 2,5 tonn olje. For å omdanne den indre energien til atomkjerner til elektrisk energi bruker kjernekraftverk såkalte kjernefysiske fisjonskjedereaksjoner.

La oss vurdere mekanismen for kjedereaksjonen ved fisjon av uranisotopkjernen. Kjernen til et uranatom (fig. 163) som et resultat av nøytronfangst delte seg i to deler, og sender ut tre nøytroner. To av disse nøytronene forårsaket fisjonsreaksjonen til ytterligere to kjerner, og produserte fire nøytroner. Disse forårsaket på sin side fisjon av fire kjerner, hvoretter ni nøytroner ble produsert, etc.

En kjedereaksjon er mulig på grunn av det faktum at fisjon av hver kjerne produserer 2-3 nøytroner, som kan delta i fisjon av andre kjerner.

Figur 163 viser et kjedereaksjonsdiagram der totalt antall frie nøytroner i et stykke uran øker som et snøskred over tid. Følgelig øker antallet kjernefysiske spaltninger og energien som frigjøres per tidsenhet kraftig. Derfor er en slik reaksjon eksplosiv i naturen (den skjer i en atombombe).

Ris. 163. Kjedereaksjon av fisjon av urankjerner

Et annet alternativ er mulig, der antallet frie nøytroner avtar med tiden. I dette tilfellet stopper kjedereaksjonen. Derfor kan en slik reaksjon heller ikke brukes til å produsere elektrisitet.

For fredelige formål er det mulig å bruke energien kun til en kjedereaksjon der antall nøytroner ikke endres over tid.

Hvordan kan vi sikre at antallet nøytroner forblir konstant hele tiden? For å løse dette problemet må du vite hvilke faktorer som påvirker økningen og reduksjonen i det totale antallet frie nøytroner i et stykke uran der det oppstår en kjedereaksjon.

En slik faktor er massen av uran. Faktum er at ikke alle nøytroner som sendes ut under kjernefysisk fisjon forårsaker fisjon av andre kjerner (se fig. 163). Hvis massen (og følgelig dimensjonene) til et stykke uran er for liten, vil mange nøytroner fly ut av det, uten å ha tid til å møte kjernen på vei, forårsake fisjon og dermed generere en ny generasjon av uran. nøytroner som er nødvendige for å fortsette reaksjonen. I dette tilfellet vil kjedereaksjonen stoppe. For å holde reaksjonen i gang, må du øke massen av uran til viss verdi, kalt kritisk.

Hvorfor blir en kjedereaksjon mulig når massen øker? Hvordan mer masse stykke, jo større er dens størrelse og jo lengre bane som nøytronene beveger seg i den. I dette tilfellet øker sannsynligheten for at nøytroner møter kjerner. Følgelig øker antallet kjernefysiske spaltninger og antall emitterte nøytroner.

Ved den kritiske massen til uran blir antallet nøytroner produsert under kjernefysisk fisjon lik tallet tapte nøytroner (dvs. fanget opp av kjerner uten fisjon og sendt ut utenfor stykket).

Derfor forblir deres totale antall uendret. I dette tilfellet kan det oppstå en kjedereaksjon lang tid uten å stoppe eller bli eksplosiv.

• Den minste massen av uran som en kjedereaksjon kan oppstå ved kalles den kritiske massen

Hvis massen av uran er større enn den kritiske massen, som et resultat av en kraftig økning i antall frie nøytroner, fører kjedereaksjonen til en eksplosjon, og hvis den er mindre enn den kritiske massen, vil reaksjonen ikke fortsette på grunn av mangel på frie nøytroner.

Tapet av nøytroner (som flyr ut av uran uten å reagere med kjerner) kan reduseres ikke bare ved å øke massen av uran, men også ved å bruke et spesielt reflekterende skall. For å gjøre dette legges et stykke uran i et skall laget av et stoff som reflekterer nøytroner godt (for eksempel beryllium). Ved å reflektere fra dette skallet går nøytroner tilbake til uran og kan delta i kjernefysisk fisjon.

Det er flere andre faktorer som muligheten for en kjedereaksjon avhenger av. For eksempel, hvis et stykke uran inneholder for mange urenheter av andre kjemiske elementer, absorberer de det meste av nøytronene og reaksjonen stopper.

Tilstedeværelsen av en såkalt nøytronmoderator i uran påvirker også reaksjonsforløpet. Faktum er at uran-235 kjerner mest sannsynlig fisjon under påvirkning av langsomme nøytroner. Og når kjerner fisjons, produseres det raske nøytroner. Hvis raske nøytroner bremses ned, vil de fleste av dem bli fanget opp av uran-235-kjerner med påfølgende fisjon av disse kjernene. Stoffer som grafitt, vann, tungtvann (som inkluderer deuterium, en isotop av hydrogen med massenummer 2), og noen andre brukes som moderatorer. Disse stoffene bremser bare nøytroner, nesten uten å absorbere dem.

Dermed bestemmes muligheten for at en kjedereaksjon oppstår av massen av uran, mengden urenheter i den, tilstedeværelsen av et skall og moderator og noen andre faktorer.

Kritisk masse et sfærisk stykke uran-235 er omtrent 50 kg. Dessuten er radiusen bare 9 cm, siden uran har en veldig høy tetthet.

Ved å bruke en moderator og et reflekterende skall og redusere mengden urenheter, er det mulig å redusere den kritiske massen av uran til 0,8 kg.

Spørsmål

1. Hvorfor kan kjernefysisk fisjon bare begynne når den er deformert under påvirkning av et nøytron absorbert av den?
2. Hva dannes som et resultat av kjernefysisk fisjon?
3. Hvilken energi forvandles en del av den indre energien til kjernen til under delingen? kinetisk energi til fragmenter av en urankjerne når de bremses i miljøet?
4. Hvordan foregår fisjonsreaksjonen til urankjerner - med frigjøring av energi til miljøet eller omvendt med absorpsjon av energi?
5. Forklar mekanismen til en kjedereaksjon ved å bruke figur 163.
6. Hva er den kritiske massen til uran?
7. Er det mulig for en kjedereaksjon å oppstå hvis massen av uran er mindre enn den kritiske massen; mer kritisk? Hvorfor?

Kjernefysiske reaksjoner. Samspillet mellom en partikkel og en atomkjerne, som fører til transformasjonen av denne kjernen til en ny kjerne med frigjøring av sekundære partikler eller gammastråler, kalles en kjernereaksjon.

Den første kjernefysiske reaksjonen ble utført av Rutherford i 1919. Han oppdaget at alfapartikler kolliderte med nitrogenatomkjernene ga protoner i hurtig bevegelse. Dette betydde at kjernen til nitrogenisotopen, som et resultat av en kollisjon med en alfapartikkel, ble transformert til kjernen til oksygenisotopen:

.

Kjernereaksjoner kan oppstå med frigjøring eller absorpsjon av energi. Ved å bruke loven om forholdet mellom masse og energi, kan energiutgangen til en kjernefysisk reaksjon bestemmes ved å finne forskjellen i massene til partiklene som kommer inn i reaksjonen og reaksjonsproduktene:

Kjedereaksjon av fisjon av urankjerner. Blant de forskjellige kjernefysiske reaksjonene, spesielt viktig i det moderne liv menneskelig samfunn har kjedereaksjoner av fisjon av noen tunge kjerner.

Fisjonsreaksjonen til urankjerner når de ble bombardert med nøytroner ble oppdaget i 1939. Som et resultat av eksperimentelle og teoretisk forskning utført av E. Fermi, I. Joliot-Curie, O. Hahn, F. Strassmann, L. Meitner, O. Frisch, F. Joliot-Curie, ble det funnet at når ett nøytron treffer en urankjerne, er kjernen delt i to tre deler.

Spaltningen av en urankjerne frigjør omtrent 200 MeV energi. Den kinetiske energien til bevegelsen av fragmentkjerner utgjør omtrent 165 MeV, resten av energien blir båret bort av gammakvanter.

Når vi kjenner til energien som frigjøres under fisjon av en urankjerne, kan det beregnes at energiuttaket fra fisjon av alle kjerner på 1 kg uran er 80 tusen milliarder joule. Dette er flere millioner ganger mer enn det som frigjøres ved forbrenning av 1 kg kull eller olje. Derfor ble det søkt etter måter å frigjøre atomenergi i betydelige mengder for bruk til praktiske formål.

Det første forslaget om muligheten for kjedereaksjoner ble fremsatt av F. Joliot-Curie i 1934. I 1939 oppdaget han sammen med H. Halban og L. Kowarski eksperimentelt at under fisjon av en urankjerne, i tillegg til bl.a. kjernefysiske fragmenter, 2 -3 fritt nøytron. Under gunstige forhold kan disse nøytronene treffe andre urankjerner og få dem til å spalte. Når tre urankjerner spaltes, skal det frigjøres 6-9 nye nøytroner, de vil falle ned i nye urankjerner osv. Et diagram over utviklingen av en kjedereaksjon av fisjon av urankjerner er presentert i figur 316.

Ris. 316

Den praktiske gjennomføringen av kjedereaksjoner er ikke slik enkel oppgave hvordan det ser ut på diagrammet. Nøytroner som frigjøres under fisjon av urankjerner er i stand til å forårsake fisjon av bare kjerner i uranisotopen med et massetall på 235, men energien deres er utilstrekkelig til å ødelegge kjernene til en uranisotop med et massetall på 238. I naturlig uran er andelen uran med massenummer 238 99,8 %, og andelen uran med massenummer 235 er bare 0,7 %. Derfor den første mulig måte implementering av en fisjonskjedereaksjon er assosiert med separasjon av uranisotoper og produksjon av ren form nok store mengder isotop En nødvendig betingelse for at en kjedereaksjon skal oppstå er tilstedeværelsen av en tilstrekkelig stor mengde uran, siden i en liten prøve flyr flertallet av nøytronene gjennom prøven uten å treffe noen kjerne. Minimumsmassen av uran der en kjedereaksjon kan oppstå kalles den kritiske massen. Den kritiske massen for uran-235 er flere titalls kilo.

Den enkleste måten å utføre en kjedereaksjon i uran-235 på er følgende: to stykker uranmetall lages, hver med en masse litt mindre enn den kritiske. En kjedereaksjon kan ikke forekomme i hver av dem separat. Når disse bitene kobles raskt sammen, utvikles en kjedereaksjon og kolossal energi frigjøres. Temperaturen på uran når millioner av grader, selve uranet og eventuelle andre stoffer i nærheten blir til damp. Den varme gassformede kulen ekspanderer raskt, brenner og ødelegger alt i veien. Slik oppstår en atomeksplosjon.

Det er veldig vanskelig å bruke energien til en atomeksplosjon til fredelige formål, siden frigjøringen av energi er ukontrollerbar. Kontrollerte kjedereaksjoner av fisjon av urankjerner utføres i atomreaktorer.

Kjernereaktor. De første atomreaktorene var langsomme nøytronreaktorer (fig. 317). De fleste nøytronene som frigjøres under fisjon av urankjerner har en energi på 1-2 MeV. Hastighetene deres er omtrent 107 m/s, og det er derfor de kalles raske nøytroner. Ved slike energier samhandler nøytroner med uran og urankjerner med omtrent samme effektivitet. Og siden det er 140 ganger flere urankjerner i naturlig uran enn urankjerner, absorberes de fleste av disse nøytronene av urankjerner og det utvikles ikke en kjedereaksjon. Nøytroner som beveger seg med hastigheter nær hastigheten på termisk bevegelse (ca. 2·10 3 m/s) kalles sakte eller termiske. Langsomme nøytroner samhandler godt med uran-235-kjerner og absorberes av dem 500 ganger mer effektivt enn raske nøytroner. Derfor, når naturlig uran blir bestrålt med langsomme nøytroner, absorberes de fleste av dem ikke i kjernene til uran-238, men i kjernene til uran-235 og forårsaker deres fisjon. Følgelig, for at en kjedereaksjon skal utvikles i naturlig uran, må nøytronhastigheter reduseres til termiske.

Ris. 317

Nøytronmoderering oppstår som følge av kollisjon med atomkjerner miljøet de beveger seg i. For å bremse ned nøytroner i en reaktor, brukes et spesielt stoff som kalles moderator. Atomkjernene til moderatorstoffet må ha en relativt liten masse, siden når et nøytron kolliderer med en lett kjerne, mister et nøytron mer energi enn når det kolliderer med en tung. De vanligste moderatorene er vanlig vann og grafitt.

Rommet der kjedereaksjonen skjer kalles reaktorkjernen. For å redusere nøytronlekkasje er reaktorkjernen omgitt av en nøytronreflektor, som avviser en betydelig del av de unnslippende nøytronene inn i kjernen. Det samme stoffet som fungerer som moderator, brukes vanligvis som reflektor.

Energien som frigjøres under reaktordrift fjernes ved hjelp av en kjølevæske. Bare væsker og gasser som ikke har evne til å absorbere nøytroner kan brukes som kjølevæske. Vanlig vann er mye brukt som kjølevæske noen ganger karbondioksid og til og med flytende metallisk natrium.

Reaktoren styres ved hjelp av spesielle kontroll (eller kontroll) stenger satt inn i reaktorkjernen. Kontrollstaver er laget av bor- eller kadmiumforbindelser, som absorberer termiske nøytroner med svært høy effektivitet. Før reaktoren begynner å fungere, er de fullstendig introdusert i kjernen. Ved å absorbere en betydelig del av nøytronene gjør de det umulig for en kjedereaksjon å utvikle seg. For å starte reaktoren fjernes kontrollstavene gradvis fra kjernen til energifrigjøringen når et forhåndsbestemt nivå. Når du øker kraften over etablert nivå automatiske maskiner er slått på, og stikker kontrollstengene dypt inn i kjernen.

Kjernekraft. Atomenergi ble satt til tjeneste for fred for første gang i vårt land. Den første arrangøren og lederen av arbeidet med atomvitenskap og teknologi i USSR var akademiker Igor Vasilyevich Kurchatov (1903-1960).

For tiden er den største i Sovjetunionen og Europa Leningrad NPP oppkalt etter. I OG. Lenin har en kapasitet på 4000 MW, d.v.s. 800 ganger kraften til det første atomkraftverket.

Kostnaden for elektrisitet produsert ved store kjernekraftverk er lavere enn kostnaden for elektrisitet produsert ved termiske kraftverk. Derfor kjernekraft utvikler seg i et akselerert tempo.

Atomreaktorer brukes som kraftverk i sjøskip. Verdens første fredelige skip med atomkraftverk, den atomdrevne isbryteren Lenin, ble bygget i Sovjetunionen i 1959.

Den sovjetiske atomdrevne isbryteren Arktika, bygget i 1975, ble verdens første overflateskip som nådde Nordpolen.

Termonukleær reaksjon. Kjerneenergi frigjøres ikke bare i kjernefysiske reaksjoner av fisjon av tunge kjerner, men også i reaksjoner av kombinasjon av lette atomkjerner.

For å koble like-ladede protoner, er det nødvendig å overvinne Coulomb styrker frastøting, som er mulig ved tilstrekkelig høye hastigheter av kolliderende partikler. De nødvendige forholdene for syntese av heliumkjerner fra protoner er tilgjengelig i det indre av stjerner. På jorden ble termonukleær fusjonsreaksjon utført under eksperimentelle termonukleære eksplosjoner.

Syntesen av helium fra den lette isotopen av hydrogen skjer ved en temperatur på omtrent 108 K, og for syntesen av helium fra de tunge isotopene av hydrogen - deuterium og tritium - i henhold til skjemaet

krever oppvarming til ca. 5 10 7 K.

Når 1 g helium syntetiseres fra deuterium og tritium, er energien som frigjøres 4,2·10 11 J. Denne energien frigjøres når 10 tonn diesel brennes.

Hydrogenreservene på jorden er praktisk talt uuttømmelige, så energibruken termonukleær fusjon for fredelige formål er en av viktigste oppgaver moderne vitenskap og teknologi.

Fikk til termonukleær reaksjon Syntesen av helium fra tunge isotoper av hydrogen ved oppvarming er ment å utføres ved å passere elektrisk strøm gjennom plasma. Et magnetfelt brukes for å forhindre at det oppvarmede plasmaet kommer i kontakt med kammerveggene. På eksperimentell oppsett"Tokamak-10" sovjetiske fysikere klarte å varme opp plasmaet til en temperatur på 13 millioner grader. Opp til flere høye temperaturer hydrogen kan varmes opp ved hjelp av laserstråling. For å gjøre dette må lysstråler fra flere lasere fokuseres på en glasskule som inneholder en blanding av tunge isotoper av deuterium og tritium. I forsøk på laserinstallasjoner er det allerede oppnådd plasma med en temperatur på flere titalls millioner grader.

I 1934 bestemte E. Fermi seg for å skaffe transuranelementer ved å bestråle 238 U med nøytroner. E. Fermis idé var at som et resultat av β - forfallet av isotopen 239 U, kjemisk element med serienummer Z = 93. Det var imidlertid ikke mulig å identifisere dannelsen av det 93. elementet. I stedet, som et resultat av radiokjemisk analyse av radioaktive elementer utført av O. Gan og F. Strassmann, ble det vist at et av produktene av bestråling av uran med nøytroner er barium (Z = 56) - et kjemisk element av medium atomvekt, mens i henhold til antagelsen til Fermis teori, burde transuranelementer ha blitt oppnådd.
L. Meitner og O. Frisch antydet at som et resultat av fangsten av et nøytron av en urankjerne, kollapser den sammensatte kjernen i to deler

92 U + n → 56 Ba + 36 Kr + xn.

Fisjonsprosessen av uran er ledsaget av tilsynekomsten av sekundære nøytroner (x > 1), som er i stand til å forårsake fisjon av andre urankjerner, noe som åpner for potensialet for at en fisjonskjedereaksjon kan oppstå - ett nøytron kan gi opphav til en forgrenet fisjonskjede av urankjerner. I dette tilfellet bør antallet spaltede kjerner øke eksponentielt. N. Bohr og J. Wheeler beregnet den kritiske energien som kreves for at 236 U-kjernen, dannet som et resultat av nøytronfangst av 235 U-isotopen, skal dele seg. Denne verdien er 6,2 MeV, som er mindre enn eksitasjonsenergien til 236 U-isotopen som dannes under fangsten av et termisk nøytron med 235 U. Derfor, når termiske nøytroner fanges, er en fisjonskjedereaksjon på 235 U mulig vanligste isotop 238 U, er den kritiske energien 5,9 MeV, mens når et termisk nøytron fanges, er eksitasjonsenergien til den resulterende 239 U-kjernen bare 5,2 MeV. Derfor viser kjedereaksjonen av fisjon av den vanligste isotopen i naturen, 238 U, under påvirkning av termiske nøytroner seg å være umulig. I en fisjonshendelse frigjøres energi ≈ 200 MeV (til sammenligning i kjemiske reaksjoner forbrenning i en reaksjonshendelse frigjør energi ≈ 10 eV). Muligheten for å legge forholdene til rette for en fisjonskjedereaksjon har åpnet muligheter for å bruke energien i kjedereaksjonen til å skape atomreaktorer Og atomvåpen. Den første atomreaktoren ble bygget av E. Fermi i USA i 1942. I USSR ble den første atomreaktoren skutt opp under ledelse av I. Kurchatov i 1946. I 1954 startet verdens første atomkraftverk i Obninsk. For tiden genereres elektrisk energi i omtrent 440 atomreaktorer i 30 land.
I 1940 oppdaget G. Flerov og K. Petrzhak den spontane fisjon av uran. Kompleksiteten til eksperimentet er bevist av følgende figurer. Den delvise halveringstiden i forhold til spontan fisjon av 238 U-isotopen er 10 16 –10 17 år, mens nedbrytningsperioden for 238 U-isotopen er 4,5∙10 9 år. Hovedforfallskanalen til 238 U-isotopen er α-forfall. For å observere den spontane fisjonen av 238 U-isotopen, var det nødvendig å registrere én fisjonshendelse mot en bakgrunn av 10 7 –10 8 α-nedbrytningshendelser.
Sannsynligheten for spontan fisjon bestemmes hovedsakelig av fisjonsbarrierens permeabilitet. Sannsynligheten for spontan fisjon øker med økende atomladning, pga i dette tilfellet øker divisjonsparameteren Z 2 /A. I isotoper Z< 92-95 деление происходит преимущественно с образованием двух осколков деления с отношением масс тяжёлого и лёгкого осколков 3:2. В изотопах Z >100, dominerer symmetrisk fisjon med dannelse av fragmenter med lik masse. Når atomladningen øker, øker andelen spontan fisjon sammenlignet med α-nedbrytning.

Isotop	Halvt liv	Decay-kanaler
235 U	7.04·10 8 år	α (100 %), SF (7·10 -9 %)
238U	4,47 10 9 år	α (100%), SF (5,5·10 -5%)
240 Pu	6,56·10 3 år	α (100%), SF (5,7·10 -6%)
242 Pu	3,75 10 5 år	α (100%), SF (5,5·10 -4%)
246 cm	4,76·10 3 år	α (99,97 %), SF (0,03 %)
252 Jf	2,64 år	α (96,91 %), SF (3,09 %)
254 Jfr	60,5 år	α (0,31 %), SF (99,69 %)
256 Jfr	12,3 år	α (7,04·10 -8%), SF (100%)

Atomfisjon. Historie

1934- E. Fermi, som bestrålte uran med termiske nøytroner, oppdaget radioaktive kjerner blant reaksjonsproduktene, hvis art ikke kunne bestemmes.
L. Szilard fremmet ideen om en kjernefysisk kjedereaksjon.

1939− O. Hahn og F. Strassmann oppdaget barium blant reaksjonsproduktene.
L. Meitner og O. Frisch var de første som kunngjorde at under påvirkning av nøytroner ble uran delt inn i to fragmenter med sammenlignbar masse.
N. Bohr og J. Wheeler ga en kvantitativ tolkning av kjernefysisk fisjon ved å introdusere fisjonsparameteren.
Ya. Frenkel utviklet dråpeteorien om kjernefysisk fisjon av langsomme nøytroner.
L. Szilard, E. Wigner, E. Fermi, J. Wheeler, F. Joliot-Curie, Y. Zeldovich, Y. Khariton underbygget muligheten for at en kjernefysisk fisjonskjedereaksjon forekommer i uran.

1940− G. Flerov og K. Pietrzak oppdaget fenomenet spontan fisjon av uran U-kjerner.

1942− E. Fermi utførte en kontrollert fisjonskjedereaksjon i den første atomreaktoren.

1945− Første test atomvåpen(Nevada, USA). På japanske byer Atombomber ble sluppet av amerikanske tropper i Hiroshima (6. august) og Nagasaki (9. august).

1946− Under ledelse av I.V. Kurchatov, den første reaktoren i Europa ble lansert.

1954− Lanserte verdens første atomkraftverk(Obninsk, USSR).

Atomfisjon.Siden 1934 begynte E. Fermi å bruke nøytroner for å bombardere atomer. Siden den gang har antallet stabile eller radioaktive kjerner oppnådd ved kunstig transformasjon økt til mange hundre, og nesten alle steder i det periodiske systemet har blitt fylt med isotoper.
Atomene som oppsto i alle disse kjernefysiske reaksjonene okkuperte samme plass i det periodiske systemet som det bombarderte atomet, eller nærliggende steder. Derfor produserte den stor sensasjon Hahn og Strassmanns bevis i 1938 på at når de ble bombardert med nøytroner, var det siste elementet i det periodiske systemet−uran−nedbrytning skjer til grunnstoffer som er i de midtre delene av det periodiske systemet. De opptrer her forskjellige typer forfall. De resulterende atomene er for det meste ustabile og forfaller umiddelbart ytterligere; noen har halveringstider målt i sekunder, så Gan måtte bruke analytisk metode Curie for å forlenge en så rask prosess. Det er viktig å merke seg at oppstrømselementene av uran, protactinium og thorium, også viser lignende forfall når de utsettes for nøytroner, selv om det tar lengre tid før forfallet begynner. høy energi nøytroner enn når det gjelder uran. Sammen med dette, i 1940, oppdaget G. N. Flerov og K. A. Petrzhak den spontane fisjon av en urankjerne med den største halveringstiden kjent til da: ca.· 10 15 år; dette faktum blir tydelig på grunn av nøytronene som frigjøres under denne prosessen. Dette gjorde det mulig å forstå hvorfor det "naturlige" periodiske systemet ender med de tre navngitte elementene. Transuraniske grunnstoffer er nå blitt kjent, men de er så ustabile at de forfaller raskt.
Spaltningen av uran ved hjelp av nøytroner gjør det nå mulig å bruke atomenergi, som mange allerede har forestilt seg som «drømmen til Jules Verne».

M. Laue, "Fysikks historie"

1939 O. Hahn og F. Strassmann, bestråling av uransalter med termiske nøytroner, oppdaget barium (Z = 56) blant reaksjonsproduktene

Otto Gann (1879 – 1968)

Kjernefisjon er spaltning av en kjerne i to (sjeldnere tre) kjerner med lignende masser, som kalles fisjonsfragmenter. Under fisjon oppstår også andre partikler - nøytroner, elektroner, α-partikler. Som et resultat av fisjon frigjøres energi på ~200 MeV. Fisjon kan være spontan eller tvunget under påvirkning av andre partikler, oftest nøytroner.
Karakteristisk trekk fisjon er at fisjonsfragmenter som regel avviker betydelig i masse, det vil si at asymmetrisk fisjon dominerer. I tilfellet med den mest sannsynlige fisjon av uranisotopen 236 U, er forholdet mellom massene til fragmentene 1,46. Det tunge fragmentet har et massetall på 139 (xenon), og det lette fragmentet har et massetall på 95 (strontium). Tatt i betraktning utslippet av to prompte nøytroner, har fisjonsreaksjonen under vurdering formen

Nobelprisen i kjemi
1944 – O. Gan.
For oppdagelsen av fisjonsreaksjonen til urankjerner av nøytroner.

Fisjonsfragmenter

Avhengighet av gjennomsnitt masser lys og tunge grupper av fragmenter fra massen til den fissile kjernen.

Oppdagelse av kjernefysisk fisjon. 1939

Jeg kom til Sverige, hvor Lise Meitner led av ensomhet, og jeg, som en hengiven nevø, bestemte meg for å besøke henne til jul. Hun bodde på det lille hotellet Kungälv ved Gøteborg. Jeg fant henne til frokost. Hun tenkte på brevet hun nettopp hadde mottatt fra Gan. Jeg var veldig skeptisk til innholdet i brevet, som rapporterte dannelsen av barium når uran ble bestrålt med nøytroner. Imidlertid ble hun tiltrukket av muligheten. Vi gikk i snøen, hun til fots, jeg på ski (hun sa at hun kunne klare seg på denne måten uten å falle bak meg, og hun beviste det). Ved slutten av vandringen kunne vi allerede formulere noen konklusjoner; kjernen delte seg ikke, og biter fløy ikke av den, men dette var en prosess som minnet mer om Bohrs dråpemodell av kjernen; som en dråpe kunne kjernen forlenges og dele seg. Jeg undersøkte deretter hvordan elektrisk ladning reduserer nukleoner overflatespenning, som, som jeg var i stand til å fastslå, synker til null ved Z = 100 og er sannsynligvis ganske liten for uran. Lise Meitner jobbet med å bestemme energien som frigjøres under hvert forfall på grunn av en massedefekt. Hun var veldig tydelig på massedefektkurven. Det viste seg at på grunn av elektrostatisk frastøtning ville fisjonselementene få en energi på ca. 200 MeV, og dette tilsvarte nøyaktig energien knyttet til massedefekten. Derfor kunne prosessen forløpe rent klassisk uten å involvere konseptet med å gå gjennom potensiell barriere, som selvfølgelig ville være ubrukelig her.
Vi tilbrakte to eller tre dager sammen i julen. Så reiste jeg tilbake til København og hadde knapt tid til å informere Bohr om ideen vår akkurat i det øyeblikket han allerede gikk ombord på et skip med avgang til USA. Jeg husker hvordan han slo seg i pannen med en gang jeg begynte å snakke og utbrøt: «Å, for så dumme vi var! Vi burde ha lagt merke til dette tidligere." Men han la ikke merke til det, og ingen la merke til det.
Lise Meitner og jeg skrev en artikkel. Samtidig holdt vi hele tiden kontakten på langdistansetelefon fra København til Stockholm.

O. Frisch, Erindringer. UFN. 1968. T. 96, hefte 4, s. 697.

Spontan kjernefysisk fisjon

I eksperimentene beskrevet nedenfor brukte vi metoden først foreslått av Frisch for å registrere kjernefysiske fisjonsprosesser. Et ioniseringskammer med plater belagt med et lag av uranoksid er koblet til en lineær forsterker konfigurert på en slik måte at α-partikler som sendes ut fra uranet ikke oppdages av systemet; impulser fra fragmenter, mye større i størrelse enn impulser fra α-partikler, låser opp utgangstyratronen og regnes som et mekanisk relé.
Et ioniseringskammer ble spesialdesignet i form av en flerlags flat kondensator med med totalt areal 15 plater på 1000 cm Platene, plassert i en avstand på 3 mm fra hverandre, ble belagt med et lag uranoksid 10-20 mg/cm. 2 .
I de aller første eksperimentene med en forsterker konfigurert for å telle fragmenter, var det mulig å observere spontane (i fravær av en nøytronkilde) pulser på et relé og et oscilloskop. Antallet av disse pulsene var lite (6 på 1 time), og det er derfor forståelig at dette fenomenet ikke kunne observeres med kameraer av vanlig type...
Vi har en tendens til å tenke det effekten vi observerte skal tilskrives fragmenter som er et resultat av spontan fisjon av uran ...

Spontan fisjon skal tilskrives en av de ueksiterte U-isotopene med halveringstid oppnådd fra en evaluering av resultatene våre:

U 238 – 10 16 ~ 10 17 år,
U 235 – 10 14 ~ 10 15 år,
U 234 – 10 12 ~ 10 13 år.

Isotopforfall 238 U

Spontan kjernefysisk fisjon

Halveringstider for spontant spaltbare isotoper Z = 92 - 100

Først eksperimentelt system med et uran-grafittgitter ble bygget i 1941 under ledelse av E. Fermi. Det var en grafittkube med en kant 2,5 m lang, inneholdende ca. 7 tonn uranoksid, innelukket i jernbeholdere, som ble plassert i kuben i like avstand fra hverandre. En RaBe-nøytronkilde ble plassert i bunnen av uran-grafittgitteret. Reproduksjonskoeffisienten i et slikt system var ≈ 0,7. Uranoksid inneholdt fra 2 til 5 % urenheter. Ytterligere innsats var rettet mot å oppnå renere materialer, og innen mai 1942 ble det oppnådd uranoksid, hvor urenheten var mindre enn 1%. For å sikre en fisjonskjedereaksjon var det nødvendig å bruke et stort nummer av grafitt og uran - omtrent flere tonn. Urenhetene måtte være mindre enn noen få deler per million. Reaktoren, satt sammen i slutten av 1942 av Fermi ved University of Chicago, hadde formen av en ufullstendig kule avskåret ovenfra. Den inneholdt 40 tonn uran og 385 tonn grafitt. Om kvelden 2. desember 1942, etter at nøytronabsorberstavene ble fjernet, ble det oppdaget at det foregikk en kjernefysisk kjedereaksjon inne i reaktoren. Den målte koeffisienten var 1,0006. Opprinnelig drev reaktoren med et effektnivå på 0,5 W. Innen 12. desember ble effekten økt til 200 watt. Deretter ble reaktoren flyttet til en mer Trygt sted, og effekten ble økt til flere kW. Samtidig forbrukte reaktoren 0,002 g uran-235 per dag.

Den første atomreaktoren i USSR

Bygg for det første forskningssenteret i USSR kjernereaktor F-1 var klar i juni 1946.
Etter at alle nødvendige forsøk er utført, et kontroll- og beskyttelsessystem for reaktoren er utviklet, reaktorens dimensjoner er etablert, alle nødvendige forsøk er utført med reaktormodeller, nøytrontettheten er bestemt på flere modeller, grafittblokker er oppnådd (den såkalte kjernefysiske renhet) og (etter nøytron-fysiske kontroller) uranblokker, i november 1946 begynte de byggingen av F-1-reaktoren.
Total radius Reaktoren var 3,8 m lang. Den krevde 400 tonn grafitt og 45 tonn uran. Reaktoren ble satt sammen i lag og klokken 15:00 den 25. desember 1946 ble det siste, 62. laget satt sammen. Etter å ha fjernet de såkalte nødstengene ble kontrollstangen hevet, tellingen av nøytrontetthet begynte, og klokken 18:00 den 25. desember 1946 ble den første reaktoren i USSR våknet og begynte å fungere. Det var en spennende seier for forskerne - skaperne av atomreaktoren og alt sovjetiske folk. Og halvannet år senere, 10. juni 1948, nådde industrireaktoren med vann i kanalene en kritisk tilstand og snart startet den industrielle produksjonen av en ny type kjernebrensel, plutonium.