Nükleer reaksiyonlar. Bir parçacığın bir atom çekirdeği ile etkileşime girerek bu çekirdeğin ikincil parçacıkların veya gama ışınlarının salınmasıyla yeni bir çekirdeğe dönüşmesine nükleer reaksiyon denir.
Birinci nükleer reaksiyon 1919'da Rutherford tarafından gerçekleştirildi. Alfa parçacıklarının nitrojen atomlarının çekirdekleriyle çarpışmasının hızla hareket eden protonlar ürettiğini keşfetti. Bu, bir alfa parçacığı ile çarpışmanın sonucu olarak nitrojen izotopunun çekirdeğinin, oksijen izotopunun çekirdeğine dönüştüğü anlamına geliyordu:
.
Enerjinin salınması veya emilmesiyle nükleer reaksiyonlar meydana gelebilir. Kütle ve enerji arasındaki ilişki yasasını kullanarak, bir nükleer reaksiyonun enerji çıktısı, reaksiyona giren parçacıkların kütleleri ile reaksiyon ürünlerinin kütleleri arasındaki fark bulunarak belirlenebilir:
Uranyum çekirdeğinin fisyonunun zincirleme reaksiyonu.Çeşitli nükleer reaksiyonlar arasında, özellikle önemli modern hayatta insan toplumu Bazı ağır çekirdeklerin fisyonunun zincirleme reaksiyonları var.
Uranyum çekirdeğinin nötronlarla bombardıman edildiğinde fisyon reaksiyonu 1939'da keşfedildi. Deneysel ve deneysel çalışmalar sonucunda teorik araştırma E. Fermi, I. Joliot-Curie, O. Hahn, F. Strassmann, L. Meitner, O. Frisch, F. Joliot-Curie tarafından yürütülen çalışmada, bir nötronun bir uranyum çekirdeğine çarptığında çekirdeğin iki üç parçaya bölünmüştür.
Bir uranyum çekirdeğinin bölünmesi yaklaşık 200 MeV enerji açığa çıkarır. Parça çekirdeklerinin hareketinin kinetik enerjisi yaklaşık 165 MeV'ye tekabül eder, enerjinin geri kalanı gama kuantumu tarafından taşınır.
Bir uranyum çekirdeğinin bölünmesi sırasında açığa çıkan enerji bilindiğinde, 1 kg uranyumun tüm çekirdeklerinin bölünmesinden elde edilen enerjinin 80 bin milyar joule olduğu hesaplanabilir. Bu, 1 kg yandığında açığa çıkanın birkaç milyon katıdır. kömür veya yağ. Bu nedenle özgürleşmenin yolları arandı. nükleer enerji pratik amaçlar için kullanmak için önemli miktarlarda.
F. Joliot-Curie, 1934'te zincirleme nükleer reaksiyonların olasılığını öne süren ilk kişiydi. 1939'da, H. Halban ve L. Kowarski ile birlikte, nükleer parçalara ek olarak bir uranyum çekirdeğinin bölünmesi sırasında deneysel olarak keşfetti. , 2-3 serbest nötron. Şu tarihte: uygun koşullar bu nötronlar diğer uranyum çekirdeklerine çarparak onların bölünmesine neden olabilir. Üç uranyum çekirdeği fisyonunda 6-9 yeni nötron salınmalı, bunlar yeni uranyum çekirdeklerine düşecek, vb. Uranyum çekirdeklerinin fisyonunun zincirleme reaksiyonunun gelişiminin bir diyagramı Şekil 316'da sunulmaktadır.
Pirinç. 316
Zincirleme reaksiyonların pratik uygulaması öyle değil basit görev diyagramda nasıl göründüğü. Uranyum çekirdeklerinin bölünmesi sırasında açığa çıkan nötronlar, yalnızca kütle numarası 235 olan uranyum izotopunun çekirdeklerinin bölünmesine neden olabilir, ancak enerjileri, kütle numarası 238 olan bir uranyum izotopunun çekirdeklerini yok etmek için yetersizdir. Doğal uranyumda kütle numarası 238 olan uranyumun payı %99,8, kütle numarası 235 olan uranyumun payı ise sadece %0,7'dir. Bu nedenle ilk olası yol Bir fisyon zincir reaksiyonunun uygulanması, uranyum izotoplarının ayrılması ve izotopun saf formunda yeterince büyük miktarlarda üretilmesi ile ilişkilidir. Bir zincirleme reaksiyonun gerçekleşmesi için gerekli koşul, yeterli miktarda varlığıdır. büyük miktar uranyum, çünkü küçük bir numunede nötronların çoğu, herhangi bir çekirdeğe çarpmadan numunenin içinden uçar. Zincirleme reaksiyonun meydana gelebileceği minimum uranyum kütlesine kritik kütle denir. Uranyum-235'in kritik kütlesi birkaç on kilogramdır.
Uranyum-235'te zincirleme reaksiyon gerçekleştirmenin en basit yolu şu şekildedir: her birinin kütlesi kritik kütleden biraz daha az olan iki parça uranyum metali yapılır. Her birinde ayrı ayrı zincirleme reaksiyon meydana gelemez. Bu parçalar hızla birleştiğinde zincirleme bir reaksiyon gelişir ve muazzam bir enerji açığa çıkar. Uranyumun sıcaklığı milyonlarca dereceye ulaşır, uranyumun kendisi ve yakınındaki diğer maddeler buhara dönüşür. Sıcak gazlı top hızla genişleyerek yoluna çıkan her şeyi yakıyor ve yok ediyor. Nükleer patlama bu şekilde gerçekleşir.
Enerjinin salınımı kontrol edilemediği için nükleer patlamanın enerjisini barışçıl amaçlarla kullanmak çok zordur. Uranyum çekirdeklerinin fisyonunun kontrollü zincir reaksiyonları nükleer reaktörlerde gerçekleştirilir.
Nükleer reaktör.İlk nükleer reaktörler yavaş nötron reaktörleriydi (Şekil 317). Uranyum çekirdeğinin bölünmesi sırasında açığa çıkan nötronların çoğu 1-2 MeV enerjiye sahiptir. Hızları yaklaşık 107 m/s olduğundan bu adla anılırlar. hızlı nötronlar. Bu tür enerjilerde nötronlar uranyum ve uranyum çekirdekleriyle yaklaşık olarak aynı verimlilikle etkileşime girer. Ve doğal uranyumda uranyum çekirdeklerinden 140 kat daha fazla uranyum çekirdeği bulunduğundan, bu nötronların çoğu uranyum çekirdekleri tarafından emilir ve bir zincirleme reaksiyon gelişmez. Hıza yakın hızlarda hareket eden nötronlar termal hareket(yaklaşık 2·10 3 m/s), yavaş veya termal olarak adlandırılır. Yavaş nötronlar, uranyum-235 çekirdekleriyle iyi etkileşime girer ve onlar tarafından hızlı nötronlardan 500 kat daha verimli bir şekilde emilir. Bu nedenle, doğal uranyum yavaş nötronlarla ışınlandığında, çoğu uranyum-238'in çekirdeklerinde değil, uranyum-235'in çekirdeklerinde emilir ve fisyonlarına neden olur. Sonuç olarak, doğal uranyumda bir zincirleme reaksiyonun gelişebilmesi için nötron hızlarının termal hızlara düşürülmesi gerekir.
Pirinç. 317
Nötronlar hareket ettikleri ortamın atom çekirdeği ile çarpışmaları sonucu yavaşlarlar. Bir reaktördeki nötronları yavaşlatmak için moderatör adı verilen özel bir madde kullanılır. Moderatör maddenin atomlarının çekirdekleri nispeten küçük bir kütleye sahip olmalıdır, çünkü hafif bir çekirdekle çarpışırken bir nötron, ağır bir çekirdekle çarpıştığından daha fazla enerji kaybeder. En yaygın moderatörler sıradan su ve grafittir.
Zincirleme reaksiyonun meydana geldiği alana reaktör çekirdeği adı verilir. Nötron sızıntısını azaltmak için reaktör çekirdeği, kaçan nötronların önemli bir kısmını çekirdeğe reddeden bir nötron reflektörü ile çevrelenir. Moderatör görevi gören aynı madde genellikle reflektör olarak kullanılır.
Reaktörün çalışması sırasında açığa çıkan enerji, bir soğutucu kullanılarak uzaklaştırılır. Soğutucu olarak yalnızca nötronları absorbe etme özelliği olmayan sıvılar ve gazlar kullanılabilir. Bazen soğutucu olarak sıradan su yaygın olarak kullanılır; karbondioksit ve hatta sıvı metalik sodyum.
Reaktör, reaktör çekirdeğine yerleştirilen özel kontrol (veya kontrol) çubukları kullanılarak kontrol edilir. Kontrol çubukları, termal nötronları çok yüksek verimlilikle emen bor veya kadmiyum bileşiklerinden yapılmıştır. Reaktör çalışmaya başlamadan önce tamamen çekirdeğine sokulurlar. Nötronların önemli bir kısmını absorbe ederek zincirleme reaksiyonun gelişmesini imkansız hale getirirler. Reaktörü başlatmak için, enerji salınımı önceden belirlenmiş bir seviyeye ulaşana kadar kontrol çubukları yavaş yavaş çekirdekten çıkarılır. Yukarıdaki gücü arttırırken yerleşik seviye otomatik makineler çalıştırılıyor ve kontrol çubukları çekirdeğin derinliklerine daldırılıyor.
Nükleer enerji. Nükleer enerji ülkemizde ilk kez barışın hizmetine sunuldu. SSCB'de atom bilimi ve teknolojisi üzerine çalışmaların ilk organizatörü ve lideri Akademisyen Igor Vasilyevich Kurchatov (1903-1960) idi.
Şu anda SSCB ve Avrupa'nın en büyüğü, adını taşıyan Leningrad nükleer santralidir. V.I. Lenin'in kapasitesi 4000 MW'tır. İlk nükleer santralin gücünün 800 katı.
Büyük ölçüde üretilen elektriğin maliyeti nükleer santraller Termik santrallerde üretilen elektriğin maliyetinden daha düşük. Bu yüzden nükleer enerji büyük bir hızla gelişiyor.
Nükleer reaktörler enerji santrali olarak kullanılıyor deniz gemileri. Dünyanın nükleer santrale sahip ilk barışçıl gemisi olan nükleer enerjiyle çalışan buzkıran Lenin, 1959 yılında Sovyetler Birliği'nde inşa edildi.
1975 yılında inşa edilen Sovyet nükleer enerjili buz kırıcı Arktika, dünyanın Kuzey Kutbu'na ulaşan ilk yüzey gemisi oldu.
Termonükleer reaksiyon. Nükleer enerji yalnızca ağır çekirdeklerin fisyonunun nükleer reaksiyonlarında değil, aynı zamanda hafif atom çekirdeklerinin birleşiminin reaksiyonlarında da açığa çıkar.
Benzer yüklü protonları bağlamak için, çarpışan parçacıkların yeterince yüksek hızlarında mümkün olan Coulomb itme kuvvetlerinin üstesinden gelmek gerekir. Önkoşullar Helyum çekirdeğinin protonlardan sentezi için yıldızların iç kısımlarında mevcuttur. Dünya'da deneysel termonükleer patlamalar sırasında termonükleer füzyon reaksiyonu gerçekleştirildi.
Hidrojenin hafif izotopundan helyumun sentezi yaklaşık 108 K sıcaklıkta gerçekleşir ve şemaya göre hidrojenin ağır izotoplarından - döteryum ve trityumdan helyumun sentezi için -
yaklaşık 5 10 7 K'ye kadar ısıtılması gerekir.
Döteryum ve trityumdan 1 g helyum sentezlendiğinde açığa çıkan enerji 4,2·10 11 J'dir. 10 ton dizel yakıt yakıldığında bu enerji açığa çıkar.
Dünyadaki hidrojen rezervleri neredeyse tükenmez olduğundan termal enerji kullanımı nükleer füzyon barışçıl amaçlar için en önemli görevler modern bilim ve teknoloji.
Hidrojenin ağır izotoplarından helyumun ısıtılarak sentezinin kontrollü termonükleer reaksiyonunun, plazmadan bir elektrik akımı geçirilerek gerçekleştirilmesi gerekiyor. Isıtılmış plazmanın oda duvarlarına temas etmesini önlemek için bir manyetik alan kullanılır. Açık deneysel kurulum"Tokamak-10" Sovyet fizikçileri plazmayı 13 milyon dereceye kadar ısıtmayı başardılar. Hidrojen kullanılarak daha yüksek sıcaklıklara ısıtılabilir lazer radyasyonu. Bunu yapmak için, çeşitli lazerlerden gelen ışık ışınlarının, döteryum ve trityumun ağır izotoplarının bir karışımını içeren bir cam topun üzerine odaklanması gerekir. Lazer kurulumları üzerinde yapılan deneylerde, birkaç on milyonlarca derecelik sıcaklığa sahip plazma zaten elde edildi.
Sınıf
Ders No. 42-43
Uranyum çekirdeğinin fisyonunun zincirleme reaksiyonu. Nükleer enerji ve ekoloji. Radyoaktivite. Yarı ömür.
Nükleer reaksiyonlar
Nükleer reaksiyon, bir atom çekirdeğinin başka bir çekirdekle etkileşimi sürecidir veya temel parçacıkçekirdeğin bileşiminde ve yapısında bir değişiklik ve ikincil parçacıkların veya γ kuantumunun salınımıyla birlikte.
Nükleer reaksiyonlar sonucunda Dünya'da doğal şartlarda bulunmayan yeni radyoaktif izotoplar oluşabilmektedir.
İlk nükleer reaksiyon, 1919'da E. Rutherford tarafından nükleer bozunma ürünlerindeki protonları tespit etmeye yönelik deneylerde gerçekleştirildi (bkz. § 9.5). Rutherford nitrojen atomlarını alfa parçacıklarıyla bombaladı. Parçacıklar çarpıştığında, aşağıdaki şemaya göre ilerleyen bir nükleer reaksiyon meydana geldi:
Nükleer reaksiyonlar sırasında birkaç koruma kanunları: İmpuls, enerji, açısal momentum, yük. Bunlara ek olarak klasik yasalar nükleer reaksiyonlarda korunum sözde korunum yasası baryon yükü(yani nükleonların sayısı - protonlar ve nötronlar). Nükleer ve parçacık fiziğine özgü bir dizi başka korunum kanunu da geçerlidir.
Atomlar hızlı yüklü parçacıklarla (protonlar, nötronlar, α parçacıkları, iyonlar) bombardımana tutulduğunda nükleer reaksiyonlar meydana gelebilir. Bu türden ilk reaksiyon, 1932'de bir hızlandırıcıda üretilen yüksek enerjili protonlar kullanılarak gerçekleştirildi:
M A ve M B başlangıç ürünlerinin kütleleridir, M C ve MD ise son reaksiyon ürünlerinin kütleleridir. ΔM miktarına denir kütle kusuru. Nükleer reaksiyonlar salınım (Q > 0) veya enerjinin emilmesi (Q) ile meydana gelebilir.< 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |Q|, которая называется порогом реакции.
Bir nükleer reaksiyonun pozitif enerji çıkışına sahip olabilmesi için, spesifik bağlanma enerjisi Başlangıç ürünlerinin çekirdeklerindeki nükleonların, son ürünlerin çekirdeklerindeki nükleonların spesifik bağlanma enerjisinden daha az olması gerekir. Bu, ΔM değerinin pozitif olması gerektiği anlamına gelir.
Temel olarak iki olası var farklı yollar nükleer enerjinin serbest bırakılması.
1. Ağır çekirdeklerin bölünmesi. α- veya β-partiküllerinin emisyonunun eşlik ettiği çekirdeklerin radyoaktif bozunmasının aksine, fisyon reaksiyonları, kararsız bir çekirdeğin karşılaştırılabilir kütlelere sahip iki büyük parçaya bölündüğü bir süreçtir.
1939'da Alman bilim adamları O. Hahn ve F. Strassmann, uranyum çekirdeğinin fisyonunu keşfetti. Fermi'nin başlattığı araştırmaya devam ederek, uranyumun nötron bombardımanına tutulduğunda orta kısımdaki elementlerin ortaya çıktığını buldular. periyodik tablo– baryumun (Z = 56), kriptonun (Z = 36) vb. radyoaktif izotopları.
Uranyum doğada iki izotop halinde bulunur: (%99,3) ve (%0,7). Nötron bombardımanına uğradığında her iki izotopun çekirdeği de iki parçaya bölünebilir. Bu durumda, fisyon reaksiyonu en yoğun şekilde yavaş (termal) nötronlarla meydana gelirken, çekirdekler yalnızca 1 MeV düzeyinde enerjiye sahip hızlı nötronlarla fisyon reaksiyonuna girer.
Nükleer enerjinin ana ilgi alanı, bir çekirdeğin fisyon reaksiyonudur. Şu anda, bu çekirdeğin fisyonundan kaynaklanan, kütle sayıları yaklaşık 90 ila 145 arasında olan yaklaşık 100 farklı izotop bilinmektedir. Bu çekirdeğin iki tipik fisyon reaksiyonu şunlardır:
Bir nötron tarafından başlatılan nükleer fisyonun, diğer çekirdeklerde fisyon reaksiyonlarına neden olabilecek yeni nötronlar ürettiğini unutmayın. Uranyum-235 çekirdeğinin fisyon ürünleri ayrıca baryum, ksenon, stronsiyum, rubidyum vb. izotopları da olabilir.
Bir uranyum çekirdeğinin bölünmesi sırasında açığa çıkan kinetik enerji çok büyüktür - yaklaşık 200 MeV. Nükleer fisyon sırasında açığa çıkan enerjinin tahmini şu şekilde yapılabilir: spesifik bağlanma enerjisiÇekirdekteki nükleonlar. Kütle numarası A ≈ 240 olan çekirdeklerdeki nükleonların spesifik bağlanma enerjisi yaklaşık 7,6 MeV/nükleon iken, kütle numarası A = 90-145 olan çekirdeklerde spesifik enerji yaklaşık 8,5 MeV/nükleondur. Sonuç olarak, bir uranyum çekirdeğinin bölünmesi, 0,9 MeV/nükleon düzeyinde veya uranyum atomu başına yaklaşık 210 MeV enerji açığa çıkarır. 1 gram uranyumun içerdiği tüm çekirdeklerin tamamen bölünmesi, 3 ton kömürün veya 2,5 ton petrolün yanmasıyla aynı enerjiyi açığa çıkarır.
Uranyum çekirdeğinin fisyon ürünleri kararsızdır çünkü önemli miktarda fazla sayıda nötron içerirler. Aslında, en ağır çekirdekler için N / Z oranı 1,6 düzeyindedir (Şekil 9.6.2), kütle sayıları 90 ila 145 arasında olan çekirdekler için bu oran 1,3-1,4 arasındadır. Bu nedenle, parça çekirdekleri bir dizi ardışık β – bozunumuna uğrar, bunun sonucunda çekirdekteki proton sayısı artar ve kararlı bir çekirdek oluşana kadar nötron sayısı azalır.
Bir nötronla çarpışmanın neden olduğu uranyum-235 çekirdeği fisyonları sırasında 2 veya 3 nötron açığa çıkar. Uygun koşullar altında bu nötronlar diğer uranyum çekirdeklerine çarparak onların bölünmesine neden olabilir. Bu aşamada, yeni uranyum çekirdeği bozunmalarına vb. neden olabilecek 4 ila 9 nötron ortaya çıkacaktır. Böyle çığ benzeri bir sürece zincirleme reaksiyon denir. Geliştirme şeması zincirleme reaksiyon Uranyum çekirdeğinin fisyonu Şekil 2'de gösterilmektedir. 9.8.1.
 |
| Şekil 9.8.1. |
Bir zincir reaksiyonunun gelişim şeması. Bir zincirleme reaksiyonun gerçekleşebilmesi için sözde olayın gerçekleşmesi gerekir. nötron çarpım faktörü öyleydi birden fazla
. Başka bir deyişle, sonraki her nesilde bir öncekine göre daha fazla nötron bulunmalıdır. Çarpma katsayısı yalnızca her temel eylemde üretilen nötronların sayısına göre değil, aynı zamanda reaksiyonun meydana geldiği koşullara göre de belirlenir - nötronların bir kısmı diğer çekirdekler tarafından emilebilir veya reaksiyon bölgesini terk edebilir. Uranyum-235 çekirdeklerinin bölünmesi sırasında açığa çıkan nötronlar, yalnızca doğal uranyumun yalnızca% 0,7'sini oluşturan aynı uranyumun çekirdeklerinin bölünmesine neden olabilir. Bu konsantrasyon bir zincirleme reaksiyonu başlatmak için yeterli değildir. İzotop ayrıca nötronları da emebilir ancak bu bir zincirleme reaksiyona neden olmaz. Uranyumda artan uranyum-235 içeriğine sahip bir zincirleme reaksiyon, ancak uranyum kütlesi sözde değeri aştığında gelişebilir. kritik kütle. Küçük uranyum parçalarındaki nötronların çoğu herhangi bir çekirdeğe çarpmadan uçup gider. Saf uranyum-235 için kritik kütle yaklaşık 50 kg'dır. Uranyumun kritik kütlesi sözde kullanılarak birçok kez azaltılabilir. geciktiriciler nötronlar. Gerçek şu ki, uranyum çekirdeklerinin bozunması sırasında üretilen nötronların hızları çok yüksektir ve yavaş nötronların uranyum-235 çekirdekleri tarafından yakalanma olasılığı hızlı olanlardan yüzlerce kat daha fazladır. En iyi nötron moderatörü ağır su
Çekirdeği nötronları absorbe etmeyen grafit de iyi bir moderatördür. Döteryum veya karbon çekirdeği ile elastik etkileşim sırasında nötronlar termal hızlara yavaşlar.
Nötron moderatörlerinin ve nötronları yansıtan özel bir berilyum kabuğunun kullanılması, kritik kütlenin 250 g'a düşürülmesini mümkün kılar.
İÇİNDE atom bombaları Her biri kritik değerin biraz altında kütleye sahip iki parça uranyum-235 hızla birleştiğinde kontrolsüz bir nükleer zincir reaksiyonu meydana gelir.
Kontrollü nükleer fisyon reaksiyonunu destekleyen cihaza denir nükleer(veya atomik) reaktör. Yavaş nötronları kullanan bir nükleer reaktörün diyagramı Şekil 1'de gösterilmektedir. 9.8.2.
 |
| Şekil 9.8.2. |
Bir nükleer reaktörün diyagramı.
Nükleer reaksiyon, bir moderatörle doldurulmuş ve yüksek oranda uranyum-235 (% 3'e kadar) içeren zenginleştirilmiş bir uranyum izotop karışımı içeren çubukların nüfuz ettiği reaktör çekirdeğinde gerçekleşir. Nötronları yoğun bir şekilde emen kadmiyum veya bor içeren kontrol çubukları çekirdeğe yerleştirilir. Çubukların çekirdeğe yerleştirilmesi, zincir reaksiyonunun hızını kontrol etmenizi sağlar. Çekirdek, su veya düşük erime noktasına sahip bir metal (örneğin, erime noktası 98 °C olan sodyum) olabilen, pompalanan bir soğutucu kullanılarak soğutulur. Buhar jeneratöründe soğutucu, termal enerjiyi suya aktararak onu buhara dönüştürür. yüksek basınç
. Buhar, elektrik jeneratörüne bağlı bir türbine gönderilir. Türbinden buhar yoğunlaştırıcıya girer. Radyasyon sızıntısını önlemek için soğutucu I ve buhar jeneratörü II devreleri kapalı çevrimde çalışır. Bir nükleer santralin türbini, termodinamiğin ikinci yasasına göre tesisin genel verimliliğini belirleyen bir ısı motorudur. Modern nükleer santrallerin bir katsayısı var yararlı eylem
yaklaşık olarak eşit Bu nedenle 1000 MW elektrik enerjisi üretebilmek için reaktörün termal gücünün 3000 MW'a ulaşması gerekmektedir. 2000 MW'ın kondenseri soğutan su tarafından taşınması gerekmektedir. Bu, doğal rezervuarların yerel olarak aşırı ısınmasına ve ardından çevre sorunlarının ortaya çıkmasına neden olur. Fakat, asıl sorun tamamlanmasını sağlamaktır nükleer santrallerde çalışan insanlar ve reaktör çekirdeğinde büyük miktarlarda biriken radyoaktif maddelerin kazara salınımlarının önlenmesi. Nükleer reaktörler geliştirilirken bu soruna çok dikkat ediliyor. Ancak bazı nükleer santrallerdeki kazalardan sonra, özellikle Pensilvanya nükleer santralinde (ABD, 1979) ve Çernobil nükleer santrali(1986), nükleer enerji güvenliği sorunu özellikle akut hale geldi.
Yukarıda açıklanan yavaş nötronlar üzerinde çalışan nükleer reaktörün yanı sıra, hızlı nötronlar üzerinde moderatör olmadan çalışan reaktörler de pratik açıdan büyük ilgi görmektedir. Bu tür reaktörlerde nükleer yakıt, en az% 15 izotop içeren zenginleştirilmiş bir karışımdır. Hızlı nötron reaktörlerinin avantajı, çalışmaları sırasında nötronları emen uranyum-238 çekirdeklerinin birbirini takip eden iki β yoluyla plütonyum çekirdeğine dönüşmesidir. çürümeler, daha sonra şu şekilde kullanılabilir: nükleer yakıt:
Bu tür reaktörlerin üreme faktörü 1,5'e ulaşır, yani 1 kg uranyum-235 için 1,5 kg'a kadar plütonyum elde edilir. Geleneksel reaktörler de plütonyum üretiyor ancak çok daha küçük miktarlarda.
İlk nükleer reaktör 1942 yılında ABD'de E. Fermi önderliğinde inşa edildi. Ülkemizde ilk reaktör 1946 yılında I.V.
2. Termonükleer reaksiyonlar . Nükleer enerjiyi serbest bırakmanın ikinci yolu füzyon reaksiyonlarıyla ilişkilidir. Işık çekirdekleri birleşip yeni bir çekirdek oluşturduğunda, büyük miktarda enerjinin açığa çıkması gerekir. Bu, spesifik bağlanma enerjisi ile kütle numarası A arasındaki eğriden görülebilir (Şekil 9.6.1). Kütle numarası yaklaşık 60 olan çekirdeklere kadar, nükleonların spesifik bağlanma enerjisi A arttıkça artar. Bu nedenle herhangi bir çekirdeğin A ile sentezi< 60 из более легких ядер должен сопровождаться выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза будет в этом случае меньше массы первоначальных частиц.
Hafif çekirdeklerin füzyon reaksiyonlarına denir termonükleer reaksiyonlar,Çünkü yalnızca çok yüksek sıcaklıklarda meydana gelebilirler. İki çekirdeğin füzyon reaksiyonuna girebilmesi için, elektriksel itmeyi aşarak 2.10 –15 m civarında nükleer kuvvet mesafesine yaklaşmaları gerekir. pozitif yükler. Bunun için moleküllerin termal hareketinin ortalama kinetik enerjisinin aşılması gerekir. potansiyel enerji Coulomb etkileşimi. Bunun için gereken T sıcaklığının hesaplanması 10 8 –10 9 K civarında bir değere yol açar. Bu son derece yüksek bir sıcaklıktır. Bu sıcaklıkta madde tamamen iyonize haldedir. plazma.
Termonükleer reaksiyonlar sırasında nükleon başına salınan enerji, nükleer fisyonun zincir reaksiyonlarında salınan spesifik enerjiden birkaç kat daha yüksektir. Örneğin döteryum ve trityum çekirdeklerinin füzyon reaksiyonunda
| |
3,5 MeV/nükleon salınır. Genel olarak bu reaksiyon 17,6 MeV açığa çıkarır. Bu en umut verici termonükleer reaksiyonlardan biridir.
Uygulama kontrollü termonükleer reaksiyonlar insanlığa yeni, çevre dostu ve neredeyse tükenmez bir enerji kaynağı verecek. Bununla birlikte, ultra yüksek sıcaklıkların elde edilmesi ve ısıtılan plazmanın bir milyar dereceye kadar hapsedilmesi, kontrollü termonükleer füzyonun uygulanması yolundaki en zor bilimsel ve teknik görevi temsil etmektedir.
Bilim ve teknolojinin gelişiminin bu aşamasında, yalnızca uygulamak mümkündü. kontrolsüz füzyon reaksiyonu V hidrojen bombası. Nükleer füzyon için gereken yüksek sıcaklık, burada geleneksel bir uranyum veya plütonyum bombasının patlamasıyla elde ediliyor.
Termonükleer reaksiyonlar son derece etkilidir önemli rol Evrenin evriminde. Güneşin ve yıldızların radyasyon enerjisi termonükleer kökenlidir.
Radyoaktivite
Bilinen 2500 atom çekirdeğinin neredeyse %90'ı kararsızdır. Kararsız bir çekirdek kendiliğinden başka çekirdeklere dönüşerek parçacıklar yayar. Çekirdeklerin bu özelliğine denir radyoaktivite. sen büyük taneler Kararsızlık, nükleonların nükleer kuvvetler tarafından çekilmesi ile protonların Coulomb itmesi arasındaki rekabet nedeniyle ortaya çıkar. Yük numarası Z > 83 ve kütle numarası A > 209 olan kararlı çekirdekler yoktur. Ancak Z ve A sayıları önemli ölçüde düşük olan atom çekirdekleri de radyoaktif olabilir. bu durumda kararsızlığa Coulomb etkileşim enerjisinin fazlalığı neden olur. Proton sayısından fazla miktarda nötron içeren çekirdekler, nötronun kütlesinin protonun kütlesini aşması nedeniyle kararsız hale gelir. Çekirdeğin kütlesindeki bir artış, enerjisinde bir artışa yol açar.
Radyoaktivite olgusu, 1896 yılında, uranyum tuzlarının, ışığa karşı opak bariyerleri aşabilen ve fotoğrafik emülsiyonun kararmasına neden olabilen bilinmeyen radyasyon yaydığını keşfeden Fransız fizikçi A. Becquerel tarafından keşfedildi. İki yıl sonra Fransız fizikçiler M. ve P. Curie, toryumun radyoaktivitesini keşfettiler ve iki yeni radyoaktif elementi keşfettiler: polonyum ve radyum
Sonraki yıllarda E. Rutherford ve öğrencileri de dahil olmak üzere birçok fizikçi radyoaktif radyasyonun doğasını inceledi. Radyoaktif çekirdeklerin üç tip parçacık yayabildiği bulunmuştur: pozitif ve negatif yüklü ve nötr. Bu üç radyasyon türüne α-, β- ve γ-radyasyonu adı verildi. Şek. 9.7.1, tespit etmenize olanak tanıyan deneysel bir diyagramı gösterir. karmaşık kompozisyon radyoaktif radyasyon. Manyetik bir alanda, α- ve β-ışınları aşağıdaki sapmalara maruz kalır: zıt taraflar ve β-ışınları çok daha fazla saptırılır. Manyetik alandaki γ-ışınları hiçbir şekilde saptırılmaz.
Bu üç radyoaktif radyasyon türü, maddenin atomlarını iyonize etme yetenekleri ve dolayısıyla nüfuz etme yetenekleri bakımından birbirlerinden büyük ölçüde farklıdır. α-radyasyonu en az nüfuz etme özelliğine sahiptir. Havada normal koşullarα-ışınları birkaç santimetrelik bir mesafe kat eder. β-ışınları madde tarafından çok daha az emilir. Birkaç milimetre kalınlığındaki alüminyum tabakasından geçebilirler. γ-ışınları, 5-10 cm kalınlığındaki kurşun tabakasından geçebilen en büyük nüfuz etme kabiliyetine sahiptir.
20. yüzyılın ikinci on yılında, E. Rutherford'un atomların nükleer yapısını keşfetmesinden sonra, radyoaktivitenin atom çekirdeğinin özelliği. Araştırmalar, α-ışınlarının α-parçacıklarının akışını temsil ettiğini, helyum çekirdeklerini, β-ışınlarının bir elektron akışını, γ-ışınlarının ise kısa dalga boyunu temsil ettiğini göstermiştir. elektromanyetik radyasyon son derece kısa dalga boyuna sahip λ< 10 –10 м и вследствие этого – ярко выраженными parçacık özellikleri yani bu bir parçacık akışıdır - γ-kuantum.
Alfa bozunması. Alfa bozunması, proton Z ve nötron N sayısına sahip bir atom çekirdeğinin, proton Z - 2 ve nötron N - 2 sayısını içeren başka bir (yardımcı) çekirdeğe kendiliğinden dönüşümüdür. Bu durumda, bir α parçacığı yayılır - Helyum atomunun çekirdeği. Böyle bir sürecin bir örneği, radyumun α bozunmasıdır:
 |
Radyum atomlarının çekirdekleri tarafından yayılan alfa parçacıkları, Rutherford tarafından ağır elementlerin çekirdekleri tarafından saçılma deneylerinde kullanıldı. Radyum çekirdeklerinin α bozunması sırasında yayılan α parçacıklarının hızı, manyetik alandaki yörüngenin eğriliğinden ölçülen, yaklaşık 1,5 x 10 7 m/s'dir ve buna karşılık gelen kinetik enerji yaklaşık 7,5 x 10 –13 J'dir ( yaklaşık 4,8 MeV). Bu değer kolaylıkla belirlenebilir. bilinen değerler anne ve kız çekirdeğinin ve helyum çekirdeğinin kütleleri. Kaçan α parçacığının hızı çok büyük olmasına rağmen yine de ışık hızının yalnızca %5'idir, dolayısıyla hesaplama yaparken kinetik enerji için göreceli olmayan bir ifade kullanabilirsiniz.
Araştırmalar, radyoaktif bir maddenin çeşitli farklı enerjilere sahip alfa parçacıkları yayabildiğini göstermiştir. Bu, çekirdeklerin atomlar gibi farklı uyarılmış hallerde olabileceği gerçeğiyle açıklanmaktadır. Yavru çekirdek, α bozunması sırasında bu uyarılmış durumlardan birine girebilir. Bu çekirdeğin daha sonra temel duruma geçişi sırasında bir γ-kuantumu yayılır. İki kinetik enerji değerine sahip a parçacıklarının emisyonu ile radyumun a bozunmasının bir diyagramı, Şekil 2'de gösterilmektedir. 9.7.2.
Bu nedenle, çekirdeklerin α-bozunmasına çoğu durumda γ-radyasyonu eşlik eder.
α bozunması teorisinde çekirdek içerisinde iki proton ve iki nötrondan oluşan grupların yani bir α parçacığının oluşabileceği varsayılmaktadır. Ana çekirdek α parçacıkları içindir potansiyel delik sınırlı olan potansiyel bariyer. Çekirdekteki α parçacığının enerjisi bu engeli aşmaya yeterli değildir (Şekil 9.7.3). Bir alfa parçacığının çekirdekten ayrılması ancak kuantum mekaniksel bir olay nedeniyle mümkündür. tünel etkisi. Buna göre kuantum mekaniği, bir parçacığın potansiyel bir bariyerin altından geçme olasılığı sıfırdan farklıdır. Tünel açma olgusu doğası gereği olasılıksaldır.
Beta bozunması. Beta bozunması sırasında çekirdekten bir elektron dışarı atılır. Elektronlar çekirdeğin içinde bulunamaz (bkz. § 9.5); beta bozunması sırasında bir nötronun protona dönüşmesi sonucu ortaya çıkarlar. Bu işlem yalnızca çekirdeğin içinde değil aynı zamanda serbest nötronlarda da gerçekleşebilir. Serbest bir nötronun ortalama ömrü yaklaşık 15 dakikadır. Çürüme sırasında bir nötron bir protona ve bir elektrona dönüşür
Ölçümler, bu süreçte enerjinin korunumu yasasının açıkça ihlal edildiğini göstermiştir, çünkü bir nötronun bozunmasından kaynaklanan proton ve elektronun toplam enerjisi, nötronun enerjisinden daha azdır. 1931'de W. Pauli, bir nötronun bozunması sırasında, enerjinin bir kısmını taşıyan sıfır kütle ve yüke sahip başka bir parçacığın salındığını öne sürdü. Yeni parçacığa isim verildi nötrino(küçük nötron). Nötrinonun yükünün ve kütlesinin olmaması nedeniyle, bu parçacık maddenin atomlarıyla çok zayıf etkileşime girer, dolayısıyla deneyde tespit edilmesi son derece zordur. Nötrinoların iyonlaşma yeteneği o kadar küçüktür ki, havada bir iyonizasyon olayı yaklaşık 500 km mesafede meydana gelir. Bu parçacık ancak 1953'te keşfedildi. Artık birkaç tür nötrino olduğu biliniyor. Bir nötronun bozunması sırasında, adı verilen bir parçacık üretilir. elektron antinötrino. Sembolü ile gösterilir. Bu nedenle nötron bozunma reaksiyonu şu şekilde yazılır:
|
β-bozunması sırasında çekirdeklerin içinde benzer bir süreç meydana gelir. Bunlardan birinin bozunması sonucu oluşan bir elektron nükleer nötronlar, derhal “ebeveyn evinden” (çekirdek) dışarı atılır. muazzam hızışık hızından yalnızca yüzde bir oranında farklılık gösterebilir. β bozunması sırasında açığa çıkan enerjinin elektron, nötrino ve kardeş çekirdek arasındaki dağılımı rastgele olduğundan, β elektronları geniş bir aralıkta farklı hızlara sahip olabilir.
β-bozunması sırasında Z yük numarası bir artar, ancak A kütle numarası değişmeden kalır. Kız çekirdeğin, elementin izotoplarından birinin çekirdeği olduğu ortaya çıktı, seri numarası periyodik tabloda orijinal çekirdeğin sıra sayısından bir yüksektir. β-bozunmasının tipik bir örneği, uranyumun α-bozunmasından kaynaklanan toryum izotonunun paladyuma dönüşümüdür.
Gama bozunması. α- ve β-radyoaktivitenin aksine, çekirdeklerin γ-radyoaktivitesi bir değişiklikle ilişkili değildir iç yapıçekirdek ve yük veya kütle sayılarında bir değişiklik eşlik etmez. Hem α hem de β bozunması sırasında, yavru çekirdek kendisini uyarılmış bir durumda bulabilir ve aşırı enerjiye sahip olabilir. Bir çekirdeğin uyarılmış durumdan temel duruma geçişine, enerjisi birkaç MeV'ye ulaşabilen bir veya daha fazla γ kuantanın emisyonu eşlik eder.
Radyoaktif Bozunma Yasası. Herhangi bir örnekte radyoaktif maddeçok sayıda radyoaktif atom içerir. Radyoaktif bozunma doğası gereği rastgele olduğundan ve dış koşullara bağlı olmadığından, bozunmamışların N(t) sayısındaki azalma yasası şu anda t süresindeki çekirdekler önemli bir rol oynayabilir istatistiksel karakteristik radyoaktif bozunma süreci.
Kısa bir Δt zaman periyodunda çürümemiş çekirdeklerin sayısı N(t)'nin ΔN kadar değişmesine izin verin.< 0. Так как вероятность распада каждого ядра неизменна во времени, что число распадов будет пропорционально количеству ядер N(t) и промежутку времени Δt:
Orantılılık katsayısı λ, Δt = 1 s zamanında nükleer bozunma olasılığıdır. Bu formül, N(t) fonksiyonunun değişim hızının, fonksiyonun kendisiyle doğru orantılı olduğu anlamına gelir.
burada N 0, t = 0'daki radyoaktif çekirdeklerin başlangıç sayısıdır. τ = 1 / λ süresi boyunca, çürümemiş çekirdeklerin sayısı e ≈ 2,7 kat azalacaktır. τ miktarına denir ortalama yaşam süresi radyoaktif çekirdek.
İçin pratik kullanım Radyoaktif bozunma yasasını, temel olarak e yerine 2 sayısını kullanarak farklı bir biçimde yazmak daha uygundur:
T miktarına denir yarı ömür. T süresi boyunca radyoaktif çekirdeklerin orijinal sayısının yarısı bozunur. T ve τ miktarları şu ilişkiyle ilişkilidir:
Yarı ömür, radyoaktif bozunma oranını karakterize eden ana miktardır. Yarı ömür ne kadar kısa olursa bozunma o kadar yoğun olur. Dolayısıyla, uranyum için T ≈ 4,5 milyar yıl ve radyum için T ≈ 1600 yıl. Bu nedenle radyumun aktivitesi uranyumunkinden çok daha yüksektir. Yarılanma ömrü saniyenin çok küçük bir bölümünde olan radyoaktif elementler vardır.
Doğal koşullarda bulunmaz ve bizmutta biter. Bu radyoaktif bozunma dizisi meydana gelir. nükleer reaktörler.
İlginç uygulama radyoaktivite, arkeolojik ve jeolojik bulguların konsantrasyona göre tarihlendirilmesine yönelik bir yöntemdir radyoaktif izotoplar. En yaygın kullanılan tarihleme yöntemi radyokarbon tarihlemesidir. Kozmik ışınların neden olduğu nükleer reaksiyonlar nedeniyle atmosferde kararsız bir karbon izotopu ortaya çıkar. Bu izotopun küçük bir yüzdesi, olağan izotoplarla birlikte havada bulunur. kararlı izotop Bitkiler ve diğer organizmalar havadan karbon alır ve her iki izotopu da havadakiyle aynı oranlarda biriktirir. Bitkiler öldükten sonra karbon tüketmeyi bırakırlar ve kararsız izotop, β-bozunması sonucu yavaş yavaş 5730 yıllık yarı ömre sahip nitrojene dönüşür. İle hassas ölçüm Antik organizmaların kalıntılarındaki göreceli radyoaktif karbon konsantrasyonu, onların ölüm zamanını belirleyebilir.
Her türden radyoaktif radyasyon (alfa, beta, gama, nötronlar) ve ayrıca elektromanyetik radyasyon ( x-ışını radyasyonu) çok güçlü bir yapıya sahip biyolojik etki canlı hücreleri oluşturan atomların ve moleküllerin uyarılması ve iyonlaşması süreçlerinden oluşan canlı organizmalar üzerinde. Etkisi altında iyonlaştırıcı radyasyon yok edildi karmaşık moleküller Ve hücresel yapılar, bu da şuna yol açar radyasyon yaralanması vücut. Bu nedenle herhangi bir radyasyon kaynağıyla çalışırken her türlü önlemi almak gerekir. radyasyondan korunma Radyasyona maruz kalabilecek kişiler.
Ancak kişi evde iyonlaştırıcı radyasyona maruz kalabilir. İnert, renksiz, radyoaktif gaz radon Şekil 2'de gösterilen diyagramdan da görülebileceği gibi. 9.7.5, radon, radyumun α bozunmasının bir ürünüdür ve yarı ömrü T = 3,82 gündür. Radyum toprakta, taşlarda ve çeşitli bina yapılarında az miktarda bulunur. Nispeten olmasına rağmen az zaman Yaşam boyunca, radyum çekirdeklerinin yeni bozunumları nedeniyle radon konsantrasyonu sürekli olarak yenilenir, böylece radon kapalı alanlarda birikebilir. Radon akciğerlere ulaştığında α parçacıkları yayar ve kimyasal olarak inert bir madde olmayan polonyum'a dönüşür. Aşağıda uranyum serisinin radyoaktif dönüşümlerinin bir zinciri yer almaktadır (Şekil 9.7.5). Amerikan Radyasyon Güvenliği ve Kontrol Komisyonu'na göre, ortalama bir kişi iyonlaştırıcı radyasyonun %55'ini radondan ve yalnızca %11'ini radondan almaktadır. tıbbi hizmetler. Katkı kozmik ışınlar yaklaşık %8'dir. Bir kişinin yaşamı boyunca aldığı toplam radyasyon dozu kat kat daha azdır izin verilen maksimum doz(SDA), iyonlaştırıcı radyasyona ek olarak maruz kalan belirli mesleklerdeki kişiler için oluşturulmuştur.
Nükleer fisyon kütle bakımından benzer olan bir atom çekirdeğinden 2 (bazen 3) parça çekirdeğin oluşturulduğu bir süreçtir.
Bu süreç herkese hayırlı olsun β -kütle numarası A > 100 olan kararlı çekirdekler.
Uranyum nükleer fisyonu 1939'da Hahn ve Strassman tarafından keşfedildi; onlar nötronların uranyum çekirdeğini bombaladığında bunu kesin olarak kanıtladılar. sen Radyoaktif çekirdekler, uranyum çekirdeğinin kütlesinden ve yükünden yaklaşık 2 kat daha az kütle ve yükten oluşur. Aynı yıl L. Meitner ve O. Frischer “ nükleer fisyon"ve bu işlem sırasında muazzam enerjinin açığa çıktığı kaydedildi ve F. Joliot-Curie ve E. Fermi aynı anda fisyon sırasında birkaç nötronun yayıldığını keşfettiler. (fisyon nötronları). Bu fikri ortaya koymanın temeli oldu kendi kendine devam eden fisyon zincirleme reaksiyonu ve nükleer fisyonun enerji kaynağı olarak kullanılması. Modern nükleer enerjinin temeli nükleer fisyondur 235 sen Ve 239 Pu nötronların etkisi altındadır.
Ağır çekirdeğin geri kalan kütlesinin ortaya çıkması nedeniyle nükleer fisyon meydana gelebilir. daha büyük miktar Fisyon sırasında ortaya çıkan parçaların dinlenme kütleleri.
Grafik bu sürecin faydalı olduğunu gösteriyor enerji noktası görüş.
Nükleer fisyonun mekanizması, bir grup nükleonun yüklü bir sıvı damlacığına benzediği damlacık modeli temelinde açıklanabilir. Çekirdek, protonlar arasında etkili olan ve çekirdeği parçalama eğiliminde olan Coulomb itme kuvvetlerinden daha büyük olan nükleer çekim kuvvetleri tarafından bozunmaya karşı korunur.
Çekirdek 235 sen top şekline sahiptir. Bir nötron emildikten sonra heyecanlanır ve deforme olur, uzun bir şekil alır (şekilde) B) ve uzatılmış çekirdeğin yarıları arasındaki itme kuvvetleri, kıstakta etki eden çekici kuvvetlerden daha büyük hale gelene kadar gerilir (şekilde) V). Bundan sonra çekirdek iki parçaya ayrılır (şekilde G). Coulomb itici kuvvetlerinin etkisi altındaki parçalar, ışık hızının 1/30'una eşit bir hızla uçup gidiyor.
Fisyon sırasında nötron emisyonu yukarıda bahsettiğimiz, atom numarası arttıkça çekirdekteki nötronların bağıl sayısının (proton sayısına göre) artması ve fisyon sırasında oluşan parçalar için nötron sayısının daha fazla olmasıyla açıklanmaktadır. sayıları daha küçük olan atomların çekirdekleri için mümkündür.
Bölünme sıklıkla parçalara ayrılır eşit kütle. Bu parçalar radyoaktiftir. Diziden sonra β -Çürümeler sonuçta kararlı iyonlar üretir.
Hariç zoraki, olur uranyum çekirdeğinin kendiliğinden fisyonu 1940 yılında açılan Sovyet fizikçileri G. N. Flerov ve K. A. Petrzhak. Kendiliğinden fisyonun yarı ömrü 10 16 yıla karşılık gelir; bu da yarılanma ömründen 2 milyon kat daha fazladır. α -uranyumun bozunması.
Çekirdeklerin sentezi termonükleer reaksiyonlarda meydana gelir. Termonükleer reaksiyonlar hafif çekirdeklerin çok yüksek düzeyde füzyonunun bir reaksiyonudur. yüksek sıcaklık. Bağlanma enerjisi en düşük olan hafif elementlerin sentezi sırasında füzyon (sentez) sırasında açığa çıkan enerji maksimum olacaktır. Döteryum ve trityum gibi iki hafif çekirdek birleştiğinde, daha yüksek bağlanma enerjisine sahip daha ağır bir helyum çekirdeği oluşur:
Bu nükleer füzyon süreciyle, ağır bir çekirdek ile iki hafif çekirdeğin bağlanma enerjileri arasındaki farka eşit olan önemli bir enerji (17,6 MeV) açığa çıkar. 
. Reaksiyonlar sırasında üretilen nötron bu enerjinin %70'ini alır. Nükleer fisyon (0,9 MeV) ve füzyon (17,6 MeV) reaksiyonlarında nükleon başına enerjinin karşılaştırılması, hafif çekirdeklerin füzyon reaksiyonunun, ağır çekirdeklerin fisyon reaksiyonundan enerji açısından daha uygun olduğunu göstermektedir.
Çekirdeklerin füzyonu nükleer çekim kuvvetlerinin etkisi altında meydana gelir, bu nedenle nükleer kuvvetlerin etki ettiği 10-14'ten daha az mesafelere yaklaşmaları gerekir. Bu yaklaşım, pozitif yüklü çekirdeklerin Coulomb itmesiyle önlenir. Yalnızca çekirdeklerin Coulomb itme enerjisini aşan yüksek kinetik enerjisi nedeniyle üstesinden gelinebilir. İlgili hesaplamalardan, füzyon reaksiyonu için gerekli olan çekirdeklerin kinetik enerjisine yüz milyonlarca derecelik sıcaklıklarda ulaşılabileceği açıktır, bu nedenle bu reaksiyonlara denir. termonükleer.
Füzyon- 10 7 K'nin üzerindeki yüksek sıcaklıklarda, hafif çekirdeklerden daha ağır çekirdeklerin sentezlendiği bir reaksiyon.
Termonükleer füzyon, Güneş dahil tüm yıldızların enerji kaynağıdır.
Yıldızlarda termonükleer enerjinin açığa çıktığı ana süreç, hidrojenin helyuma dönüştürülmesidir. Bu reaksiyondaki kütle kusuru nedeniyle Güneş'in kütlesi her saniye 4 milyon ton azalmaktadır.
Termonükleer füzyon için gerekli olan büyük kinetik enerji, güçlü etkileşim sonucunda hidrojen çekirdekleri tarafından elde edilir. yerçekimi çekimi yıldızın merkezine. Bundan sonra helyum çekirdeklerinin füzyonu daha ağır elementler üretir.
Termonükleer reaksiyonlar evrimde önemli bir rol oynar kimyasal bileşim Evrendeki maddeler. Tüm bu reaksiyonlar yıldızların milyarlarca yıl boyunca ışık halinde yaydığı enerjinin açığa çıkmasıyla meydana gelir.
Kontrollü termonükleer füzyonun uygulanması insanlığa yeni, neredeyse tükenmez bir enerji kaynağı sağlayacaktır. Uygulanması için gerekli olan hem döteryum hem de trityum oldukça erişilebilirdir. Birincisi denizlerin ve okyanusların suyunda bulunur (bir milyon yıl boyunca kullanıma yetecek miktarlarda), ikincisi bir nükleer reaktörde sıvı lityumun (rezervleri çok büyük olan) nötronlarla ışınlanmasıyla elde edilebilir:
Kontrollü termonükleer füzyonun en önemli avantajlarından biri, radyoaktif atık uygulanması sırasında (ağır uranyum çekirdeklerinin fisyon reaksiyonlarının aksine).
Kontrollü termonükleer füzyonun uygulanmasının önündeki ana engel, 0,1-1'lik güçlü manyetik alanlar kullanılarak yüksek sıcaklıktaki plazmanın sınırlandırılmasının imkansızlığıdır. Ancak er ya da geç termonükleer reaktörlerin yaratılacağına dair güven var.
Şu ana kadar sadece üretmek mümkün oldu kontrol edilemeyen reaksiyon Hidrojen bombasında patlayıcı tipte sentez.
Nükleer fisyon, ağır bir atomun, büyük miktarda enerjinin açığa çıkmasıyla birlikte yaklaşık olarak eşit kütleye sahip iki parçaya bölünmesidir.
Nükleer fisyonun keşfi başladı yeni dönem- "atom yaşı". Olası kullanım potansiyeli ve kullanımının risk-fayda oranı sadece birçok sosyolojik, politik, ekonomik ve bilimsel başarılar ama aynı zamanda ciddi sorunlar da var. Temiz olsa bile bilimsel nokta oluşturulan nükleer fisyon sürecini görüntüleyin büyük sayı bulmacalar ve zorluklar ve bunların tam teorik açıklaması geleceğe yönelik bir konudur.
Paylaşmak faydalıdır
Bağlanma enerjileri (nükleon başına) farklı çekirdekler için farklılık gösterir. Daha ağır olanlar periyodik tablonun ortasında yer alanlardan daha düşük bağlanma enerjisine sahiptir.
Bu, ağır çekirdeklerin olduğu anlamına gelir. atom numarası 100'den fazla ise iki küçük parçaya bölmek avantajlıdır, böylece enerji açığa çıkar ve bu da parçaların kinetik enerjisine dönüşür. Bu işleme bölme denir
Kararlı nüklidler için proton sayısının nötron sayısına bağımlılığını gösteren kararlılık eğrisine göre daha ağır çekirdekler tercih edilir. daha büyük sayı nötronlar (proton sayısına kıyasla) daha hafif olanlardan daha fazladır. Bu, fisyon süreciyle birlikte bazı "yedek" nötronların yayılacağını gösteriyor. Ayrıca açığa çıkan enerjinin bir kısmını da emecekler. Bir uranyum atomunun çekirdeğinin bölünmesi üzerine yapılan bir çalışma, 3-4 nötronun salındığını gösterdi: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.
Parçanın atom numarası (ve atom kütlesi) yarıya eşit değil atom kütlesi ebeveyn. Bölünme sonucu oluşan atomların kütleleri arasındaki fark genellikle 50 civarındadır. Ancak bunun nedeni henüz tam olarak belli değildir.
238 U, 145 La ve 90 Br'nin bağlanma enerjileri sırasıyla 1803, 1198 ve 763 MeV'dir. Bu, bu reaksiyon sonucunda uranyum çekirdeğinin 1198 + 763-1803 = 158 MeV'ye eşit fisyon enerjisinin açığa çıktığı anlamına gelir.
Kendiliğinden fisyon
Kendiliğinden fisyon süreçleri doğada bilinmektedir, ancak çok nadirdir. Ortalama yaşam süresi belirtilen süreç yaklaşık 10 17 yıldır ve örneğin aynı radyonüklidin alfa bozunmasının ortalama ömrü yaklaşık 10 11 yıldır.
Bunun nedeni, çekirdeğin iki parçaya ayrılabilmesi için önce deformasyona uğraması (gerilmesi) ve elipsoidal bir şekil alması, ardından da iki parçaya ayrılmadan önce ortada bir "boyun" oluşturması gerektiğidir.
Potansiyel bariyer
Deforme olmuş bir durumda çekirdeğe iki kuvvet etki eder. Biri artan yüzey enerjisidir (bir sıvı damlasının yüzey gerilimi onun küresel şeklini açıklar), diğeri ise fisyon parçaları arasındaki Coulomb itmesidir. Birlikte üretiyorlar potansiyel bariyer.
Alfa bozunmasında olduğu gibi, bir uranyum atomunun çekirdeğinin kendiliğinden bölünmesinin meydana gelmesi için, parçacıkların bu engeli aşağıdakilerin yardımıyla aşması gerekir: kuantum tünelleme. Engel değeri, alfa bozunması durumunda olduğu gibi yaklaşık 6 MeV'dir, ancak bir alfa parçacığının tünel açma olasılığı, çok daha ağır atomik fisyon ürünününkinden çok daha yüksektir.
Zorla bölme
Uranyum çekirdeğinin indüklenmiş fisyonunun gerçekleşmesi çok daha olasıdır. Bu durumda ana çekirdek nötronlarla ışınlanır. Ebeveyn onu emerse, potansiyel bariyeri aşmak için gereken 6 MeV'yi aşabilen titreşim enerjisi biçiminde bağlanma enerjisi açığa çıkararak bağlanırlar.
İlave nötronun enerjisinin potansiyel bariyeri aşmaya yeterli olmadığı durumlarda, gelen nötronun atomik fisyonu tetikleyebilmesi için minimum kinetik enerjiye sahip olması gerekir. 238 U durumunda, ilave nötronların bağlanma enerjisi yaklaşık 1 MeV kadar eksiktir. Bu, bir uranyum çekirdeğinin fisyonunun yalnızca kinetik enerjisi 1 MeV'den büyük olan bir nötron tarafından indüklendiği anlamına gelir. Öte yandan 235 U izotopunda eşlenmemiş bir nötron bulunur. Bir çekirdek bir tane daha emdiğinde onunla eşleşir ve bu eşleşme ek bağlanma enerjisiyle sonuçlanır. Bu, çekirdeğin potansiyel bariyeri aşması için gereken enerji miktarını serbest bırakmak için yeterlidir ve herhangi bir nötronla çarpışma durumunda izotop fisyonu meydana gelir.
Beta bozunması
Fisyon reaksiyonu üç veya dört nötron üretse de, parçalar hala kararlı izobarlarından daha fazla nötron içeriyor. Bu, bölünme parçalarının beta bozunmasına karşı kararsız olma eğiliminde olduğu anlamına gelir.
Örneğin, uranyum çekirdeği 238 U'nun fisyonu meydana geldiğinde, A = 145'e sahip kararlı izobar neodimyum 145 Nd'dir; bu, lantan 145 La fragmanının, her seferinde bir elektron ve bir antinötrino yayan üç aşamada bozunduğu anlamına gelir. kararlı nüklid oluşur. A = 90 olan stabil bir izobar zirkonyum 90 Zr'dir, dolayısıyla bromin 90 Br'nin bölünme fragmanı β-bozunma zincirinin beş aşamasında bozunur.
Bu β-bozunma zincirleri, neredeyse tamamı elektronlar ve antinötrinolar tarafından taşınan ek enerji açığa çıkarır.
Nükleer reaksiyonlar: uranyum çekirdeğinin bölünmesi
Nükleer stabiliteyi sağlamak için çok fazla nötron içeren bir nüklidden doğrudan nötron emisyonu pek olası değildir. Buradaki önemli nokta, Coulomb itmesinin olmaması ve dolayısıyla yüzey enerjisinin nötronu ebeveyne bağlı tutma eğiliminde olmasıdır. Ancak bu bazen olur. Örneğin, beta bozunmasının ilk aşamasında 90 Br'nin fisyon parçası, yüzey enerjisini yenmek için yeterli enerjiye sahip uyarılmış bir durumda olabilen kripton-90'ı üretir. Bu durumda doğrudan kripton-89'un oluşmasıyla nötron emisyonu meydana gelebilir. kararlı itriyum-89 haline gelene kadar β bozunması konusunda hala kararsızdır, bu nedenle kripton-89 üç adımda bozunur.
Uranyum çekirdeğinin bölünmesi: zincirleme reaksiyon
Fisyon reaksiyonunda yayılan nötronlar, daha sonra kendisi de indüklenmiş fisyona uğrayan başka bir ana çekirdek tarafından emilebilir. Uranyum-238 durumunda, üretilen üç nötron 1 MeV'den daha düşük bir enerjiyle ortaya çıkar (uranyum çekirdeğinin bölünmesi sırasında açığa çıkan enerji - 158 MeV - esas olarak fisyon parçalarının kinetik enerjisine dönüştürülür) ), dolayısıyla bu çekirdeğin daha fazla bölünmesine neden olamazlar. Bununla birlikte, nadir izotop 235 U'nun önemli bir konsantrasyonu ile bunlar serbest nötronlar 235 U çekirdeği tarafından yakalanabilir ve bu gerçekten fisyona neden olabilir, çünkü bu durumda, fisyonun indüklenmeyeceği bir enerji eşiği yoktur.
Bu zincirleme reaksiyonun prensibidir.
Nükleer reaksiyon türleri
K, bu zincirin n aşamasındaki bölünebilir malzeme örneğinde üretilen nötronların sayısı, n - 1 aşamasında üretilen nötron sayısına bölünsün. Bu sayı, n - 1 aşamasında üretilen nötronların sayısına bağlı olacaktır. zorunlu bölünmeye maruz kalabilecek çekirdek tarafından.
eğer k< 1, то цепная реакция просто выдохнется и процесс остановится очень быстро. Именно это и происходит в природной в которой концентрация 235 U настолько мала, что вероятность поглощения одного из нейтронов этим изотопом крайне ничтожна.
Eğer k > 1 ise, bölünebilir malzemenin tamamı tükenene kadar zincirleme reaksiyon büyüyecektir. Bu, doğal cevherin yeterince zenginleştirilmesiyle sağlanır. yüksek konsantrasyon uranyum-235. Küresel bir örnek için k değeri, kürenin yarıçapına bağlı olan nötron soğurma olasılığı arttıkça artar. Bu nedenle uranyum çekirdeğinin fisyonunun (zincirleme reaksiyon) gerçekleşebilmesi için U kütlesinin belirli bir miktarı aşması gerekir.
Eğer k = 1 ise kontrollü bir reaksiyon meydana gelir. Bu nükleer reaktörlerde kullanılır. Süreç, kadmiyum veya bor çubuklarının uranyum içindeki dağılımı ile kontrol edilir. çoğu nötronlar (bu elementler nötronları yakalama yeteneğine sahiptir). Uranyum çekirdeğinin bölünmesi, k'nin değeri bire eşit kalacak şekilde çubukların hareket ettirilmesiyle otomatik olarak kontrol edilir.
Uranyum çekirdeğinin fisyonu, 1938 yılında Alman bilim adamları O. Hahn ve F. Strassmann tarafından keşfedildi. Uranyum çekirdekleri nötronlarla bombalandığında periyodik tablonun orta kısmındaki elementlerin oluştuğunu tespit etmeyi başardılar: baryum, kripton vb. Bu gerçeğin doğru yorumunu Avusturyalı fizikçi L. Meitner ve İngiliz fizikçi O. Frisch. Bu elementlerin görünümünü, bir nötronu yakalayan uranyum çekirdeklerinin yaklaşık olarak eşit iki parçaya bozunmasıyla açıkladılar. Bu olaya nükleer fisyon denir ve ortaya çıkan çekirdeklere fisyon fragmanları denir.
Ayrıca bakınız
- Vasiliev A. Uranyum fisyonu: Klaproth'tan Hahn'a // Kuantum. - 2001. - No. 4. - S. 20-21,30.
Çekirdeğin damlacık modeli
Bu fisyon reaksiyonu çekirdeğin damlacık modeline göre açıklanabilir. Bu modelde çekirdek, elektrik yüklü sıkıştırılamaz bir sıvı damlası olarak kabul edilir. Çekirdeğin tüm nükleonları arasında etkili olan nükleer kuvvetlere ek olarak, protonlar, çekirdeğin çevresine yerleştirilmelerinin bir sonucu olarak ek elektrostatik itme yaşarlar. Uyarılmamış bir durumda, elektrostatik itme kuvvetleri telafi edilir, böylece çekirdek küresel bir şekle sahiptir (Şekil 1, a).
Bir \(~^(235)_(92)U\) nötronu çekirdek tarafından yakalandıktan sonra, ara çekirdek\(~(^(236)_(92)U)^*\), uyarılmış durumda. Bu durumda nötron enerjisi tüm nükleonlar arasında eşit olarak dağılır ve ara çekirdeğin kendisi deforme olur ve titremeye başlar. Uyarma küçükse, o zaman çekirdek (Şekil 1, b), yayarak kendisini aşırı enerjiden kurtarır. γ -kuantum veya nötron, geri döner kararlı hal. Uyarma enerjisi yeterince yüksekse, titreşimler sırasında çekirdeğin deformasyonu o kadar büyük olabilir ki, içinde çatallanan bir sıvı damlasının iki kısmı arasındaki bele benzer şekilde bir bel oluşur (Şekil 1, c). Nükleer kuvvetler dar bir daralma içinde faaliyet gösteren, artık önemli ölçüde dayanamaz Coulomb kuvvetiçekirdeğin bazı kısımlarının itilmesi. Bel kırılır ve çekirdek, zıt yönlere uçan iki "parçaya" (Şekil 1, d) ayrılır.
Şu anda, bu çekirdeğin bölünmesinden kaynaklanan, kütle numaraları yaklaşık 90 ila 145 arasında olan yaklaşık 100 farklı izotop bilinmektedir. Bu çekirdeğin iki tipik fisyon reaksiyonu şunlardır:
\(~^(235)_(92)U + \ ^1_0n \ ^(\nearrow)_(\searrow) \ \begin(matrix) ^(144)_(56)Ba + \ ^(89)_( 36)Kr + \ 3^1_0n \\ ^(140)_(54)Xe + \ ^(94)_(38)Sr + \ 2^1_0n \end(matrix)\) .
Bir nötron tarafından başlatılan nükleer fisyonun, diğer çekirdeklerde fisyon reaksiyonlarına neden olabilecek yeni nötronlar ürettiğini unutmayın. Uranyum-235 çekirdeğinin fisyon ürünleri ayrıca baryum, ksenon, stronsiyum, rubidyum vb. izotopları da olabilir.
Ağır atomların çekirdekleri bölündüğünde (\(~^(235)_(92)U\)) çok büyük bir enerji açığa çıkar - her çekirdeğin bölünmesi sırasında yaklaşık 200 MeV. Bu enerjinin yaklaşık %80'i parçaların kinetik enerjisi olarak açığa çıkar; geri kalan %20 ise parçalardan gelen radyoaktif radyasyonun enerjisinden ve hızlı nötronların kinetik enerjisinden gelir.
Nükleer fisyon sırasında açığa çıkan enerjinin tahmini, çekirdekteki nükleonların spesifik bağlanma enerjisi kullanılarak yapılabilir. Kütle numaralı çekirdeklerdeki nükleonların spesifik bağlanma enerjisi A≈ 7,6 MeV/nükleon mertebesinde 240, kütle numaralı çekirdeklerde ise A= 90 – 145 özgül enerji yaklaşık 8,5 MeV/nükleondur. Sonuç olarak, bir uranyum çekirdeğinin bölünmesi, 0,9 MeV/nükleon düzeyinde veya uranyum atomu başına yaklaşık 210 MeV enerji açığa çıkarır. 1 gram uranyumun içerdiği tüm çekirdeklerin tamamen bölünmesi, 3 ton kömürün veya 2,5 ton petrolün yanmasıyla aynı enerjiyi açığa çıkarır.
Ayrıca bakınız
- Varlamov A.A. Çekirdeğin damlacık modeli // Kuantum. - 1986. - No. 5. - S. 23-24
Zincirleme reaksiyon
Zincirleme reaksiyon- Reaksiyona neden olan parçacıkların bu reaksiyonun ürünleri olarak oluştuğu nükleer reaksiyon.
Bir nötronla çarpışmanın neden olduğu uranyum-235 çekirdeği fisyonları sırasında 2 veya 3 nötron açığa çıkar. Uygun koşullar altında bu nötronlar diğer uranyum çekirdeklerine çarparak onların bölünmesine neden olabilir. Bu aşamada, yeni uranyum çekirdeği bozunmalarına vb. neden olabilecek 4 ila 9 nötron ortaya çıkacaktır. Böyle çığ benzeri bir sürece zincirleme reaksiyon denir. Uranyum çekirdeklerinin fisyonunun zincirleme reaksiyonunun gelişiminin bir diyagramı Şekil 2'de gösterilmektedir. 3.
Uranyum doğada iki izotop \[~^(238)_(92)U\] (%99,3) ve \(~^(235)_(92)U\) (%0,7) formunda bulunur. Nötron bombardımanına uğradığında her iki izotopun çekirdeği de iki parçaya bölünebilir. Bu durumda, fisyon reaksiyonu \(~^(235)_(92)U\) en yoğun şekilde yavaş (termal) nötronlarda meydana gelirken, çekirdekler \(~^(238)_(92)U\) fisyona tepki verir. yalnızca 1 MeV düzeyinde enerjiye sahip hızlı nötronlarla. Aksi halde ortaya çıkan \(~^(239)_(92)U\) çekirdeğinin uyarılma enerjisi fisyon için yetersiz kalır ve fisyon yerine nükleer reaksiyonlar meydana gelir:
\(~^(238)_(92)U + \ ^1_0n \to \ ^(239)_(92)U \to \ ^(239)_(93)Np + \ ^0_(-1)e\ ).
Uranyum izotopu \(~^(238)_(92)U\) β -radyoaktif, yarı ömrü 23 dakika. Neptunyum izotopu \(~^(239)_(93)Np\) da yaklaşık 2 günlük yarı ömre sahip radyoaktiftir.
\(~^(239)_(93)Np \to \ ^(239)_(94)Pu + \ ^0_(-1)e\) .
Plütonyum izotopu \(~^(239)_(94)Np\) 24.000 yıllık yarı ömre sahip, nispeten kararlıdır. En önemli mülk plütonyumun özelliği, nötronların etkisi altında \(~^(235)_(92)U\) ile aynı şekilde fisyona uğramasıdır. Bu nedenle \(~^(239)_(94)Np\) yardımıyla bir zincirleme reaksiyon gerçekleştirilebilir.
Yukarıda tartışılan zincir reaksiyon diyagramı mükemmel durum. İÇİNDE gerçek koşullar Fisyon sırasında üretilen nötronların tümü diğer çekirdeklerin fisyonuna katılmaz. Bazıları yabancı atomların bölünemeyen çekirdekleri tarafından yakalanır, diğerleri ise uranyumdan dışarı uçar (nötron sızıntısı).
Bu nedenle, ağır çekirdeklerin fisyonunun zincirleme reaksiyonu her zaman gerçekleşmez ve herhangi bir uranyum kütlesi için gerçekleşmez.
Nötron çarpım faktörü
Bir zincir reaksiyonunun gelişimi, nötron çoğalma faktörü olarak adlandırılan faktör ile karakterize edilir. İLE sayının oranıyla ölçülür N i reaksiyonun aşamalarından birinde bir maddenin çekirdeğinin bölünmesine neden olan nötronlar N Reaksiyonun önceki aşamasında fisyona neden olan i-1 nötronları:
\(~K = \dfrac(N_i)(N_(i - 1))\) .
Üreme katsayısı bir dizi faktöre, özellikle bölünebilir malzemenin doğasına ve miktarına bağlıdır. geometrik şekil kapladığı hacim. Aynı miktar bu maddenin sahip olmak farklı anlam İLE. İLE Madde küresel bir şekle sahipse maksimumdur, çünkü bu durumda yüzeyden hızlı nötron kaybı minimum düzeyde olacaktır.
Çarpma faktörü ile zincirleme reaksiyonun meydana geldiği bölünebilir bir maddenin kütlesi İLE= 1'e kritik kütle denir. Küçük uranyum parçalarındaki nötronların çoğu herhangi bir çekirdeğe çarpmadan uçup gider.
Anlam kritik kütle fiziksel sistemin geometrisi, yapısı ve dış ortamı tarafından belirlenir. Dolayısıyla, saf uranyumdan oluşan bir top \(~^(235)_(92)U\) için kritik kütle 47 kg'dır (17 cm çapında bir top). Uranyumun kritik kütlesi, nötron moderatörleri kullanılarak birçok kez azaltılabilir. Gerçek şu ki, uranyum çekirdeklerinin bozunması sırasında üretilen nötronların hızları çok yüksektir ve yavaş nötronların uranyum-235 çekirdekleri tarafından yakalanma olasılığı hızlı olanlardan yüzlerce kat daha fazladır. En iyi nötron moderatörü ağır su D 2 O'dur. Nötronlarla etkileşime girdiğinde sıradan suyun kendisi ağır suya dönüşür.
Çekirdeği nötronları absorbe etmeyen grafit de iyi bir moderatördür. Döteryum veya karbon çekirdeği ile elastik etkileşim sırasında nötronlar termal hızlara yavaşlar.
Nötron moderatörlerinin ve nötronları yansıtan özel bir berilyum kabuğunun kullanılması, kritik kütlenin 250 g'a düşürülmesini mümkün kılar.
Çarpma oranında İLE= 1 bölünen çekirdeklerin sayısı sabit bir seviyede tutulur. Bu rejim nükleer reaktörlerde sağlanır.
Nükleer yakıtın kütlesi kritik kütleden küçükse çarpım faktörü İLE < 1; каждое новое поколение вызывает все меньшее и daha küçük sayı bölünmeler ve olmadan tepki harici kaynak nötronlar hızla bozunur.
Nükleer yakıtın kütlesi kritik kütleden büyükse çarpım faktörü İLE> 1 ve her yeni nesil nötron, artan sayıda fisyona neden olur. Zincirleme reaksiyon çığ gibi büyür ve büyük bir enerji salınımı ve sıcaklıktaki artışla birlikte patlama karakterine sahiptir. çevre birkaç milyon dereceye kadar. Bu tür zincirleme reaksiyonlar atom bombası patladığında meydana gelir.
Atom bombası
Normal durumunda, bir nükleer bomba patlamaz çünkü içindeki nükleer yük, uranyum - nötronların bozunma ürünlerini emen bölümler tarafından birkaç küçük parçaya bölünmüştür. Nükleer patlamaya neden olan nükleer zincirleme reaksiyon bu koşullar altında sürdürülemez. Bununla birlikte, nükleer yükün parçaları bir araya getirilirse, bunların toplam kütlesi, uranyum fisyonunun zincirleme reaksiyonunun gelişmeye başlaması için yeterli olacaktır. Sonuç nükleer bir patlamadır. Bu durumda patlama gücü gelişir. atom bombası nispeten küçük boyutlar, milyonlarca ve milyarlarca ton TNT'nin patlaması sırasında açığa çıkan güce eşdeğerdir.
Pirinç. 5. Atom bombası