Розподіл ядер урану відбувається наступним чином: спочатку в ядро потрапляє нейтрон, наче куля в яблуко. У випадку з яблуком куля зробила б у ньому дірку, або рознесла на шматки. Коли ж нейтрон потрапляє у ядро, він захоплюється ядерними силами. Нейтрон, як відомо, нейтральний, тому він не відштовхується електростатичними силами.
Як відбувається розподіл ядра урану
Отже, потрапивши до складу ядра, нейтрон порушує рівновагу і ядро порушується. Воно розтягується в сторони подібно до гантелі або знака «нескінченність»: ∞ . Ядерні сили, як відомо, діють на відстані, порівнянному з розмірами частинок. Коли ядро розтягується, то дія ядерних сил стає несуттєвою для крайніх частинок «гантелі», тоді як електричні силидіють такій відстані дуже потужно, і ядро просто розривається на частини. При цьому ще випромінюється два-три нейтрони.
Уламки ядра і нейтрони, що виділилися, розлітаються на величезній швидкості в різні боки. Уламки досить швидко гальмуються довкіллям, проте їхня кінетична енергія величезна. Вона перетворюється на внутрішню енергіюсередовища, що нагрівається. При цьому величина енергії, що виділяється, величезна. Енергія, отримана при повному розподілі одного грама урану, приблизно дорівнює енергії, що отримується від спалювання 2,5 тонн нафти.
Ланцюгова реакція поділу кількох ядер
Ми розглянули поділ одного ядра урану. При розподілі виділилося кілька (найчастіше два-три) нейтронів. Вони на великій швидкості розлітаються в сторони і можуть запросто потрапити до ядр інших атомів, викликавши в них реакцію поділу. Це і є ланцюгова реакція.
Тобто отримані в результаті розподілу ядра нейтрони збуджують і примушують ділитися інші ядра, які в свою чергу самі випромінюють нейтрони, які продовжують стимулювати розподіл далі. І так доти, доки не відбудеться поділ всіх ядер урану в безпосередній близькості.
При цьому ланцюгова реакція може відбуватися лавиноподібнонаприклад, у разі вибуху атомної бомби. Кількість поділів ядер збільшується в геометричній прогресіїза короткий проміжок часу. Однак ланцюгова реакція може відбуватися і із загасанням.
Справа в тому, що не всі нейтрони зустрічають на своєму шляху ядра, які вони спонукають ділитися. Як ми пам'ятаємо, усередині речовини основний обсяг займає порожнеча між частинками. Тому деякі нейтрони пролітають усю речовину наскрізь, не зіткнувшись по дорозі ні з чим. І якщо кількість поділів ядер зменшується з часом, то реакція поступово згасає.
Ядерні реакції та критична маса урану
Від чого залежить тип реакції?Від маси урану. Чим більше маса- тим більше частинок зустріне на своєму шляху нейтрон, що летить, і шансів потрапити в ядро у нього більше. Тому розрізняють « критичну масуурану - це така мінімальна маса, при якій можливе протікання ланцюгової реакції.
Кількість нейтронів, що утворилися, дорівнюватиме кількості нейтронів, що відлетіли зовні. І реакція протікатиме з приблизно однаковою швидкістю, Доки не виробиться весь обсяг речовини. Це використовують на практиці на атомних електростанціяхі називають керованою ядерною реакцією.
У 1934 р. Е. Фермі вирішив отримати трансуранові елементи, опромінюючи 238 U нейтронами. Ідея Е. Фермі полягала в тому, що в результаті β-розпаду ізотопу 239 U утворюється хімічний елементз порядковим номером Z = 93. Однак ідентифікувати утворення 93 елемента не вдавалося. Натомість у результаті радіохімічного аналізу радіоактивних елементів, виконаного О.Ганом та Ф.Штрассманом, було показано, що одним із продуктів опромінення урану нейтронами є барій (Z = 56) – хімічний елемент середнього атомної ваги, в той час як згідно з припущенням теорії Фермі мали виходити трансуранові елементи.
Л. Мейтнер та О. Фріш висловили припущення, що внаслідок захоплення нейтрону ядром урану відбувається розвал складеного ядра на дві частини
92 U + n → 56 Ba + 36 Kr + xn.
Процес поділу урану супроводжується появою вторинних нейтронів (x > 1), здатних викликати поділ інших ядер урану, що відкриває потенційну можливість виникнення ланцюгової реакції поділу – один нейтрон може дати початок розгалуженому ланцюгу поділів ядер урану. При цьому кількість ядер, що розділилися, повинна зростати експоненційно. Н. Бор та Дж. Уіллер розрахували критичну енергію необхідну, щоб ядро 236 U, що утворилося в результаті захоплення нейтрону ізотопом 235 U, розділилося. Ця величина дорівнює 6,2 МеВ, що менше енергії збудження ізотопу 236 U, що утворюється при захопленні теплового нейтрону 235 U. Тому при захопленні теплових нейтронів можлива ланцюгова реакція поділу 235 U. Для найбільш поширеного ізотопу 238 U критична енергія дорівнює у той час як при захопленні теплового нейтрона енергія збудження ядра, що утворився, 239 U становить тільки 5,2 МеВ. Тому ланцюгова реакція поділу найбільш поширеного в природі ізотопу 238 U під дією теплових нейтронів виявляється неможливою. В одному акті поділу вивільняється енергія ≈ 200 МеВ (для порівняння хімічних реакціяхгоріння в одному акті реакції виділяється енергія ≈ 10 еВ). Можливості створення умов для ланцюгової реакції поділу відкрили перспективи використання енергії ланцюгової реакції для створення атомних реакторів та атомної зброї. Перший ядерний реактор був побудований Е. Фермі в США в 1942 р. У СРСР перший ядерний реактор був запущений під керівництвом І. Курчатова в 1946 р. У 1954 р. в Обнінську почала працювати перша в світі атомна електростанція. В даний час електрична енергія виробляється приблизно у 440 ядерних реакторах у 30 країнах світу.
У 1940 р. Г.Флеров і К.Петржак відкрили спонтанний поділ урану. Про складність проведення експерименту свідчать такі цифри. Парціальний період напіврозпаду по відношенню до спонтанного поділу ізотопу 238 U становить 10 16 -10 17 років, в той час як період розпаду ізотопу 238 U становить 4.5 10 9 років. Основним каналом розпаду ізотопу 238 U є α-розпад. Для того, щоб спостерігати спонтанне поділ ізотопу 238 U, потрібно було реєструвати один акт поділу на фоні 107-108 актів α-розпаду.
Імовірність спонтанного поділу переважно визначається проникністю бар'єру поділу. Імовірність спонтанного поділу збільшується із збільшенням заряду ядра, т.к. при цьому збільшується параметр розподілу Z2/A. В ізотопах Z< 92-95
деление происходит преимущественно с образованием двух осколков деления с
отношением масс тяжёлого и лёгкого осколков 3:2. В изотопах
Z >100 переважає симетричний поділ з утворенням однакових за масою уламків. Зі збільшенням заряду ядра частка спонтанного поділу порівняно з α-розпадом збільшується.
| Ізотоп | Період напіврозпаду | Канали розпаду |
|---|---|---|
| 235 U | 7.04·10 8 років | α (100%), SF (7 · 10 -9%) |
| 238 U | 4.47·10 9 років | α (100%), SF (5.5 · 10 -5%) |
| 240 Pu | 6.56·10 3 років | α (100%), SF (5.7 · 10 -6%) |
| 242 Pu | 3.75·10 5 років | α (100%), SF (5.5 · 10 -4%) |
| 246 Cm | 4.76·10 3 років | α (99,97%), SF (0.03%) |
| 252 Cf | 2.64 років | α (96,91%), SF (3.09%) |
| 254 Cf | 60.5 років | α (0,31%), SF (99.69%) |
| 256 Cf | 12.3 років | α (7.04 · 10 -8%), SF (100%) |
Розподіл ядер. Історія
1934 р.− Е. Фермі, опромінюючи уран тепловими нейтронами, виявив серед продуктів реакції радіоактивні ядра, природу яких встановити не вдалося.
Л. Сціллард висунув ідею ланцюгової ядерної реакції.
1939 р.− О. Ган та Ф. Штрассман виявили серед продуктів реакцій барій.
Л. Мейтнер і О. Фріш вперше оголосили, що під дією нейтронів відбувався розподіл урану на два порівняні за масою уламки.
Н. Бор та Дж. Уілер дали кількісну інтерпретацію поділу ядра, ввівши параметр поділу.
Я. Френкель розвинув краплинну теорію розподілу ядер повільними нейтронами.
Л. Сціллард, Е. Вігнер, Е. Фермі, Дж. Вілер, Ф. Жоліо-Кюрі, Я. Зельдович, Ю. Харітон обґрунтували можливість протікання в урані ланцюгової ядерної реакції поділу.
1940 р.− Г. Флеров та К. Петржак відкрили явище спонтанного поділу ядер урану U.
1942 р.− Е. Фермі здійснив керовану ланцюгову реакцію поділу в першому атомному реакторі.
1945 р.− Перше випробування ядерної зброї(штат Невада, США). на японські містаХіросіма (6 серпня) та Нагасакі (9 серпня) американськими військами було скинуто атомні бомби.
1946 р.− Під керівництвом І.В. Курчатова було пущено перший у Європі реактор.
1954 р.− Запущено першу у світі атомну електростанцію (м. Обнінськ, СРСР).
Розподіл ядер.З 1934 р. Е.Фермі став застосовувати нейтрони для бомбардування атомів. З того часу кількість стійких або радіоактивних ядер, отриманих шляхом штучного перетворення, зросла до багатьох сотень, і майже всі місця періодичної системи заповнилися ізотопами.
Атоми, що виникають у всіх цих ядерних реакціях, займали в періодичній системі те саме місце, що бомбардований атом, або сусідні місця. Тому справило велику сенсацію доказ Ганом та Штрассманом у 1938 р. того, що при обстрілі нейтронами останнього елемента періодичної системи−урану−відбувається розпад на елементи, які у середніх частинах періодичної системи. Тут виступають різні видирозпаду. Виникаючі атоми здебільшого нестійкі і відразу ж розпадаються далі; у деяких час напіврозпаду вимірюється секундами, тому Ган повинен був застосувати аналітичний методКюрі для продовження такого швидкого процесу. Важливо, що елементи, протактиній і торій, що стоять перед ураном, також виявляють подібний розпад під дією нейтронів, хоча для того, щоб розпад почався, потрібно більше висока енергіянейтронів, ніж у разі урану. Поруч із 1940 р. Р. М. Флеров і К. А. Петржак виявили спонтанне розщеплення уранового ядра з найбільшим із відомих доти періодом напіврозпаду: близько 2· 10 15 років; цей факт стає явним завдяки нейтронам, що звільняються при цьому. Так з'явилася можливість зрозуміти, чому «природна» періодична система закінчується трьома названими елементами. Тепер стали відомі трансуранові елементи, але вони настільки нестійкі, що швидко розпадаються.
Розщеплення урану за допомогою нейтронів дає тепер можливість використання атомної енергії, яке вже багатьом мерехтіло, як «мрія Жюля Верна».
М. Лауе, "Історія фізики"
1939 р. О. Ган та Ф. Штрассман, опромінюючи солі урану тепловими нейтронами, виявили серед продуктів реакції барій (Z = 56)
 Отто Ганн (1879 – 1968) |
Поділ ядер - розщеплення ядра на два (рідше три) ядра з близькими масами, які називають уламками поділу. При розподілі з'являються й інші частки – нейтрони, електрони, α-частинки. Через війну розподілу вивільняється енергія ~200 МеВ. Поділ то, можливо спонтанним чи змушеним під впливом інших частинок, найчастіше нейтронів.
Характерною особливістюрозподілу і те, що уламки розподілу, зазвичай, істотно різняться за масами, т. е. переважає асиметричне розподіл. Так, у разі найбільш ймовірного поділу ізотопу урану 236 U, відношення мас уламків дорівнює 1.46. Тяжкий уламок має при цьому масове число 139 (ксенон), а легкий – 95 (стронцій). З урахуванням випромінювання двох миттєвих нейтронів розглянута реакція поділу має вигляд
Нобелівська премія з хімії
1944 р. – О. Ган.
За відкриття реакції розподілу ядер урану нейтронами.
Уламки розподілу
Залежність середніх мас легкоїі важкої груп уламків від маси ядра, що ділиться.
Відкриття поділу ядер. 1939 р.
Я приїхав до Швеції, де Лізі Мейтнер страждала від самотності, і я, як відданий племінник, вирішив відвідати її на різдво. Вона жила в маленькому готелі Кунгель біля Гетеборга. Я застав її за сніданком. Вона обмірковувала листа, щойно отриманий нею від Гана. Я був дуже скептично налаштований щодо змісту листа, в якому повідомлялося про утворення барію при опроміненні урану нейтронами. Проте її привабила така можливість. Ми гуляли снігом, вона пішки, я на лижах (вона сказала, що може пройти цей шлях, не відставши від мене, і довела це). До кінця прогулянки ми могли сформулювати деякі висновки; ядро не розколювалося, і від нього не відлітали шматки, а це був процес, що швидше нагадував краплинну модель ядра Бора; подібно до краплі ядро могло подовжуватися і ділитися. Потім я досліджував, яким чином електричний заряднуклонів зменшує поверхневий натяг, Яке, як мені вдалося встановити, падає до нуля при Z = 100 і, можливо, дуже мало для урану. Лізе Мейтнер займалася визначенням енергії, що виділяється при кожному розпаді через дефект маси. Вона дуже ясно уявляла собі криву дефект мас. Виявилося, що за рахунок електростатичного відштовхування елементи поділу придбали б енергію близько 200 МеВ, а саме відповідало енергії, пов'язаної з дефектом маси. Тому процес міг йти суто класично без залучення поняття проходження через потенційний бар'єр, яке, звичайно, виявилося б тут марним.
Ми провели разом два чи три дні на різдво. Потім я повернувся до Копенгагена і ледве встиг повідомити Бору про нашу ідею в той самий момент, коли він уже сідав на пароплав, що вирушає до США. Я пам'ятаю, як він ляснув себе по лобі, тільки-но почав говорити, і вигукнув: «О, які ми були дурні! Ми мали помітити це раніше». Але він не помітив і ніхто не помітив.
Ми з Лізою Мейтнер написали статтю. При цьому ми постійно підтримували зв'язок міжміського телефону Копенгаген – Стокгольм.
О. Фріш, Спогади. УФН. 1968. Т. 96, вип.4, с. 697.
Спонтанний поділ ядер
В наведених нижче дослідах ми використовували метод, вперше запропонований Фрішем для реєстрації процесів поділу ядер. Іонізаційна камера з пластинами, покритими шаром окису урану, з'єднується з лінійним підсилювачем, налаштованим таким чином, що частинки, що вилітають з урану, не реєструються системою; імпульси від осколків, набагато перевищують за величиною імпульси від α-часток, відмикають вихідний тиратрон і вважаються механічним реле.
Була спеціально сконструйована іонізаційна камера у вигляді багатошарового плоского конденсатора з загальною площею 15 пластин 1000 см. Пластини, розташовані один від одного на відстані 3 мм, були покриті шаром окису урану 10-20 мг/см 2
.
У перших же дослідах з налаштованим для рахунку уламків підсилювачем вдалося спостерігати мимовільні (без джерела нейтронів) імпульси на реле та осцилографі. Число цих імпульсів було невеликим (6 в 1 годину), і цілком зрозуміло тому, що це явище не могло спостерігатися з камерами звичайного типу.
Ми схильні думати, що спостережуваний нами ефект слід приписати уламкам, що виходять в результаті спонтанного поділу урану.
Спонтанний поділ слід приписати одному з збуджених ізотопів U з періодами напіврозпаду, отриманими з оцінки наших результатів:
U 238
– 10
16
~ 10
17
років,
U 235
– 10
14
~ 10
15
років,
U 234
– 10
12
~ 10
13
років.
Розпад ізотопу 238 U
Спонтанний поділ ядер
Періоди напіврозпаду ізотопів, що спонтанно діляться Z = 92 - 100
Перша експериментальна системаз уран-графітовими гратами була побудована в 1941 р. під керівництвом Е. Фермі. Вона була графітовим кубом з ребром довжиною 2,5 м, що містить близько 7 т окису урану, укладеного в залізні судини, які були розміщені в кубі на однакових відстанях один від одного. На дні уран-графітових ґрат було поміщено RaBe джерело нейтронів. Коефіцієнт розмноження у такій системі був 0.7. Окис урану містив від 2 до 5% домішок. Подальші зусилля були спрямовані на отримання чистіших матеріалів і до травня 1942 р. був отриманий окис урану, в якому домішка становила менше 1%. Щоб забезпечити ланцюгову реакцію поділу, необхідно було використовувати велика кількістьграфіту та урану – близько кількох тонн. Домішки мали становити менше кількох мільйонних часток. Реактор, зібраний до кінця 1942 р. Фермі в університеті Чикаго, мав форму зрізаного зверху неповного сфероїда. Він містив 40 т урану та 385 т графіту. Увечері 2 грудня 1942 р. після того, як було прибрано стрижні нейтронного поглинача, було виявлено, що всередині реактора відбувається ланцюгова ядерна реакція. Виміряний коефіцієнт становив 1.0006. Спочатку реактор працював лише на рівні потужності 0.5 Вт. До 12 грудня його потужність було збільшено до 200 Вт. Надалі реактор був перенесений у більш безпечне місце, і потужність його була підвищена до кількох кВт. У цьому реактор споживав 0.002 р урану-235 щодня.
Перший ядерний реактор у СРСР
Будівля для першого в СРСР дослідницького ядерного реактора Ф-1 була готова до червня 1946 року.
Після того як було проведено всі необхідні експерименти, розроблено систему управління та захисту реактора, встановлено розміри реактора, проведено всі необхідні досліди з моделями реактора, визначено щільність нейтронів на кількох моделях, отримано графітові блоки (так звану ядерну чистоту) та (після нейтронно-фізичної) перевірки) уранові блочки, у листопаді 1946 р. розпочали спорудження реактора Ф-1.
Загальний радіусреактора був 3,8 м. Для нього знадобилося 400 т графіту та 45 т урану. Реактор збирали шарами і о 15 год 25 грудня 1946 р. було зібрано останній, 62-й шар. Після вилучення про аварійних стрижнів було зроблено підйом регулюючого стрижня, почався відлік щільності нейтронів, й у 18 год 25 грудня 1946 р. ожив, запрацював перший у СРСР реактор. Це була хвилююча перемога вчених - творців ядерного реактора та всього радянського народу. А через півтора роки, 10 червня 1948 р., промисловий реактор з водою в каналах досяг критичного стану і незабаром розпочалося промислове виробництво нового виду ядерного пального – плутонію.
Поділ ядра - це розщеплення важкого атома на два фрагменти приблизно рівної маси, що супроводжується виділенням великої кількості енергії
Відкриття ядерного поділупочало нову еру - «атомний вік». Потенціал можливого його використання та співвідношення ризику до користі від його застосування не тільки породили безліч соціологічних, політичних, економічних та наукових досягнень, але й серйозні проблеми. Навіть з чисто наукової точкизору процес ядерного поділу створив велике числоголоволомок та ускладнень, і повне теоретичне його пояснення є справою майбутнього.
Ділитись – вигідно
Енергії зв'язку (на нуклон) у різних ядер різняться. Більш важкі мають меншу енергію зв'язку, ніж розташовані в середині періодичної таблиці.
Це означає, що важким ядрам, у яких атомне числобільше 100, вигідно ділитися на два менші фрагменти, тим самим вивільняючи енергію, яка перетворюється на кінетичну енергію уламків. Цей процес називається розщепленням
Відповідно до кривої стабільності, яка показує залежність числа протонів від числа нейтронів для стабільних нуклідів, більш важкі ядра віддають перевагу більша кількістьнейтронів (проти кількості протонів), ніж легені. Це говорить про те, що поряд із процесом розщеплення будуть випускатися деякі «запасні» нейтрони. Крім того, вони також прийматимуть на себе частину енергії, що виділяється. Вивчення розподілу ядра атома урану показало, що при цьому виділяється 3-4 нейтрони: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.
Атомне число (і атомна маса) уламка не дорівнює половині атомної масибатька. Різниця між масами атомів, що утворилися внаслідок розщеплення, зазвичай становить близько 50. Щоправда, причина цього ще зовсім зрозуміла.
Енергії зв'язку 238 U, 145 La і 90 Br дорівнюють 1803, 1198 та 763 МеВ відповідно. Це означає, що в результаті цієї реакції вивільняється енергія поділу ядра урану, що дорівнює 1198 + 763-1803 = 158 МеВ.
Мимовільний поділ
Процеси спонтанного розщеплення відомі у природі, але дуже рідкісні. Середній час життя зазначеного процесустановить близько 10-17 років, а, наприклад, середній час життя альфа-розпаду того ж радіонукліду становить близько 10-11 років.
Причина цього полягає в тому, що для того, щоб розділитися на дві частини, ядро має спочатку піддатися деформації (розтягтися) в еліпсоїдальну форму, а потім перед остаточним розщепленням на два фрагменти утворити «шийку» посередині.
Потенційний бар'єр
У деформованому стані на ядро діють дві сили. Одна з них – збільшена поверхнева енергія (поверхневий натяг краплі рідини пояснює її сферичну форму), а інша – кулонівське відштовхування між уламками поділу. Разом вони справляють потенційний бар'єр.
Як і у випадку альфа-розпаду, щоб відбувся спонтанний поділ ядра атома урану, фрагменти мають подолати цей бар'єр за допомогою квантового тунелювання. Величина бар'єру становить близько 6 МеВ, як і у випадку з альфа-розпадом, але ймовірність тунелювання α-частинки значно більша, ніж значно важчого продукту розщеплення атома.
Вимушене розщеплення
Набагато найімовірнішим є індуковане розподіл ядра урану. У цьому випадку материнське ядро опромінюється нейтронами. Якщо батько його поглинає, вони зв'язуються, вивільняючи енергію зв'язку як коливальної енергії, що може перевищити 6 МеВ, необхідні подолання потенційного бар'єру.
Там, де енергії додаткового нейтрона недостатньо для подолання потенційного бар'єру, нейтрон, що падає, повинен мати мінімальну кінетичну енергію для того, щоб мати можливість індукувати розщеплення атома. Що стосується 238 U енергії зв'язку додаткових нейтронів бракує близько 1 МеВ. Це означає, що розподіл ядра урану індукується лише нейтроном з кінетичною енергією більше 1 МеВ. З іншого боку, ізотоп 235 має один непарний нейтрон. Коли ядро поглинає додатковий, він утворює з ним пару, і в результаті цього парування з'являється додаткова енергія зв'язку. Цього достатньо для звільнення кількості енергії, необхідної для того, щоб ядро подолало потенційний бар'єр і поділ ізотопу відбувався при зіткненні з будь-яким нейтроном.
Бета-розпад
Незважаючи на те, що при реакції поділу випромінюються три або чотири нейтрони, уламки, як і раніше, містять більше нейтронів, ніж їх стабільні ізобари. Це означає, що фрагменти розщеплення, як правило, нестійкі до бета-розпаду.
Наприклад, коли відбувається розподіл ядра урану 238 U, стабільним ізобаром з А = 145 є неодим 145 Nd, що означає, що фрагмент лантан 145 La розпадається в три етапи, щоразу випромінюючи електрон та антинейтрино, доки не буде утворено стабільний нуклід. Стабільним ізобаром з A = 90 є цирконій 90 Zr, тому уламок розщеплення бром 90 Br розпадається у п'ять етапів ланцюга β-розпаду.
Ці ланцюги β-розпаду виділяють додаткову енергію, яка майже вся виноситься електронами та антинейтрино.
Ядерні реакції: розподіл ядер урану
Пряме випромінювання нейтрону з нукліду з занадто великою кількістю для забезпечення стабільності ядра малоймовірно. Тут справа полягає в тому, що немає кулонівського відштовхування і тому поверхнева енергія має тенденцію до утримання нейтрону у зв'язку з батьком. Тим не менш, це іноді відбувається. Наприклад, фрагмент поділу 90 Br у першій стадії бета-розпаду виробляє криптон-90, який може бути у збудженому стані з достатньою енергією, щоб подолати поверхневу енергію. У цьому випадку випромінювання нейтронів може відбуватися безпосередньо з утворенням криптону-89. як і раніше, нестійкий по відношенню до β-розпаду, поки не перейде в стабільний ітрій-89, так що криптон-89 розпадається в три етапи.
Розподіл ядер урану: ланцюгова реакція
Нейтрони, що випускаються в реакції розщеплення, можуть бути поглинені іншим ядром-батьком, яке потім піддається індукованому поділу. У разі урану-238 три нейтрони, що виникають, виходять з енергією менше 1 МеВ (енергія, що виділяється при розподілі ядра урану - 158 МеВ - в основному переходить у кінетичну енергію уламків розщеплення), тому вони не можуть викликати подальшого розподілу цього нукліду. Тим не менш, при значній концентрації рідкісного ізотопу 235 U ці вільні нейтрони можуть бути захоплені ядрами 235 U, що дійсно може викликати розщеплення, так як в цьому випадку відсутня енергетичний поріг, нижче якого розподіл не індукується.
Такий принцип ланцюгової реакції.
Типи ядерних реакцій
Нехай k - число нейтронів, вироблене у зразку матеріалу, що ділиться на стадії n цього ланцюга, поділене на число нейтронів, утворених на стадії n - 1. Це число залежатиме від того, скільки нейтронів, отриманих на стадії n - 1, поглинаються ядром, яке може зазнати вимушеного поділу.
Якщо 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.
Якщо k > 1, то ланцюгова реакція буде зростати до тих пір, поки весь матеріал, що ділиться, не буде використаний Це досягається шляхом збагачення природної руди до отримання достатньо великої концентраціїурану-235. Для сферичного зразка величина k збільшується зі зростанням ймовірності поглинання нейтронів, що залежить від радіусу сфери. Тому маса U повинна перевищувати деяку щоб розподіл ядер урану (ланцюгова реакція) могло відбуватися.
Якщо k = 1, має місце керована реакція. Це використовують у ядерних реакторах. Процес контролюється розподілом серед урану стрижнів з кадмію або бору, які поглинають більшу частину нейтронів (ці елементи мають здатність захоплювати нейтрони). Розподіл ядра урану контролюється автоматично шляхом переміщення стрижнів таким чином, щоб величина k залишалася рівною одиниці.
Енергія E, що вивільняється при розподілі, зростає зі збільшенням Z 2 /A. Розмір Z 2 /A = 17 для 89 Y (ітрію). Тобто. розподіл енергетично вигідно всім ядер важче ітрію. Чому ж більшість ядер стійка до мимовільного поділу? Щоб відповісти на це питання, необхідно розглянути механізм розподілу.
У процесі розподілу відбувається зміна форми ядра. Ядро послідовно проходить через наступні стадії(рис. 7.1): куля, еліпсоїд, гантель, два грушоподібні уламки, два сферичні уламки. Як при цьому змінюється потенційна енергія ядра на різних стадіяхподілу?
Початкове ядро зі збільшенням rнабуває форми все більш витягнутого еліпсоїда обертання. В цьому випадку внаслідок еволюції форми ядра зміна його потенційної енергії визначається зміною суми поверхневої та кулонівської енергій E п + E к. Поверхнева енергія при цьому зростає, оскільки збільшується площа поверхні ядра. Кулонівська енергія зменшується, оскільки збільшується середня відстань між протонами. Якщо при незначній деформації, що характеризується малим параметром , вихідне ядро набуло форми аксіально симетричного еліпсоїда, поверхнева енергія E" п і кулонівська енергія E" як функції параметра деформації змінюються наступним чином:
У співвідношенні (7.4–7.5) Eп і Eк – поверхнева та кулонівська енергії вихідного сферично-симетричного ядра.
В області важких ядер 2E п > E до і сума поверхневої та кулонівської енергій зростає зі збільшенням. З (7.4) та (7.5) випливає, що при малих деформаціях зростання поверхневої енергії перешкоджає подальшій змініформи ядра, а отже, і поділу.
Співвідношення (7.5) справедливе для малих деформацій. Якщо деформація настільки велика, що ядро набуває форми гантелі, то поверхневі та кулонівські сили прагнуть розділити ядро і надати уламкам сферичну форму. Таким чином, за поступового збільшення деформації ядра його потенційна енергія проходить через максимум. Графік зміни поверхневої та кулонівської енергій ядра в залежності від r показаний на рис. 7.2.
Наявність потенційного бар'єру перешкоджає миттєвому мимовільному поділу ядер. Для того щоб ядро розділилося, йому необхідно повідомити енергію Q, що перевищує висоту бар'єра поділу H. Максимум потенційної енергії ядра E + H (наприклад золота), що ділиться, на два однакових осколка ≈ 173 МеВ, а величина енергії E, що звільняється при розподілі, дорівнює 132 Ме . Таким чином, при розподілі ядра золота необхідно подолати потенційний бар'єр заввишки близько 40 МеВ.
Висота бар'єру поділу H тим більше, ніж менше відношеннякулонівської та поверхневої енергії Е до /Е п у початковому ядрі. Це ставлення, своєю чергою, збільшується зі збільшенням параметра розподілу Z 2 /А (7.3). Чим важче ядро, тим менша висотабар'єра розподілу H, оскільки параметр розподілу в припущенні, що Z пропорційно A, збільшується зі зростанням масового числа:
| Е к /Е п = (a 3 Z 2)/(a 2 A) ~ A. | (7.6) |
Тому більш важким ядрам, як правило, потрібно повідомити меншу енергію, щоб викликати поділ ядра.
Висота бар'єра поділу перетворюється на нуль при 2E п – E до = 0 (7.5). В цьому випадку
2E п /E до = 2(a 2 A)/(a 3 Z 2),
Z 2 /A = 2a 2 /(a 3 Z 2) ≈ 49.
Таким чином, згідно з крапельною моделлю в природі не можуть існувати ядра з Z 2 /A > 49, оскільки вони повинні практично миттєво за характерний ядерний час порядку 10 -22 з мимоволі розділитися на два уламки. Залежність форми та висоти потенційного бар'єру H, а також енергії поділу від величини параметра Z 2 /A показані на рис. 7.3.
Мал. 7.3. Радіальна залежність форми та висоти потенційного бар'єру та енергії поділу E при різних величинах параметра Z 2 /A. на вертикальної осівідкладено величину E п + E до.
Мимовільний розподіл ядер з Z 2 /A< 49,
для которых высота барьера H
не равна нулю, с точки зрения класичної фізикинеможливо. Однак у квантовій механіці такий поділ можливий за рахунок тунельного ефекту – проходження уламків поділу через потенційний бар'єр. Воно зветься спонтанного поділу. Імовірність спонтанного розподілу зростає зі збільшенням параметра розподілу Z 2 /A, тобто зі зменшенням висоти бар'єру розподілу. В цілому період спонтанного поділу зменшується при переході від менш важких ядер до більш важких від T 1/2 > 10 21 років для 232 Th до 0,3 с для 260 Rf.
Вимушений поділ ядер із Z 2 /A< 49
может быть вызвано их возбуждением фотонами, нейтронами, протонами, дейтронами,
a частицами и другими частицами, если вносимая в
ядро энергия достаточна для преодоления барьера деления.
Мінімальне значення енергії збудження складового ядра E*, що утворюється при захопленні нейтрону, дорівнює енергії зв'язку нейтрону в цьому ядрі ε n . У таблиці 7.1 порівнюються висота бар'єру H і енергія зв'язку нейтрону n для ізотопів Th, U, Pu, що утворюються після захоплення нейтрона. Енергія зв'язку нейтрону залежить від кількості нейтронів у ядрі. За рахунок енергії парування енергія зв'язку парного нейтрона більша за енергію зв'язку непарного нейтрона.
Таблиця 7.1
Висота бар'єру поділу H, енергія зв'язку нейтрону ε n
| Ізотоп | Висота бар'єру поділу H, МеВ | Ізотоп | Енергія зв'язку нейтрону ε n |
|---|---|---|---|
| 232 Th | 5.9 | 233 Th | 4.79 |
| 233 U | 5.5 | 234 U | 6.84 |
| 235 U | 5.75 | 236 U | 6.55 |
| 238 U | 5.85 | 239 U | 4.80 |
| 239 Pu | 5.5 | 240 Pu | 6.53 |
Характерною особливістю поділу є те, що уламки, як правило, мають різні маси. У разі найбільш ймовірного поділу 235 U відношення мас уламків в середньому дорівнює ~1.5. Розподіл по масам уламків розподілу 235 U тепловими нейтронами показано на рис. 7.4. Для найбільш ймовірного поділу важкий уламок має масове число 139, легкий – 95. Серед продуктів поділу є уламки з A = 72 – 161 і Z = 30 – 65. Імовірність поділу на два рівні по масі уламка не дорівнює нулю. При розподілі 235 U тепловими нейтронами ймовірність симетричного розподілу приблизно на три порядки менше, ніж у разі найбільш ймовірного розподілу на уламки з A = 139 і 95.
Асиметричний поділ пояснюється оболонковою структурою ядра. Ядро прагне розділитися таким чином, щоб основна частина нуклонів кожного осколка утворила найбільш стійкий магічний кістяк.
Відношення числа нейтронів до протонів в ядрі 235 U N/Z = 1.55, у той час як у стабільних ізотопів, що мають масове число, близьке до масового числа осколків, це відношення 1.25 - 1.45. Отже, уламки розподілу виявляються сильно перевантаженими нейтронами і мають бути
β – радіоактивні. Тому уламки ділення зазнають послідовних β - -розпадів, причому заряд первинного осколка може змінюватися на 4 - 6 одиниць. Нижче наведено характерний ланцюжок радіоактивних розпадів 97 Kr - одного з уламків, що утворюється при розподілі 235 U:
Порушення уламків, спричинене порушенням співвідношення числа протонів і нейтронів, характерного для стабільних ядер, знімається також за рахунок вильоту миттєвих нейтронів поділу. Ці нейтрони випускаються осколками, що рухаються, за час, менший, ніж ~ 10 -14 с. У середньому в кожному акті поділу випромінюється 2-3 миттєві нейтрони. Їхній енергетичний спектр безперервний з максимумом близько 1 МеВ. Середня енергія миттєвого нейтрону близька до 2 МеВ. Випуск більш ніж одного нейтрона, в кожному акті поділу робить можливим отриманняенергії за рахунок ланцюгової ядерної реакції розподілу.
При найбільш ймовірному поділі 235 U тепловими нейтронами легкий уламок (A = 95) набуває кінетичної енергії ≈ 100 МеВ, а важкий (A = 139) – близько 67 МеВ. Таким чином, сумарна кінетична енергія уламків ≈ 167 МеВ. Повна енергіяподілу в даному випадкустановить 200 МеВ. Таким чином, енергія, що залишилася (33 МеВ) розподіляється між іншими продуктами поділу (нейтрони, електрони і антинейтрино β - -розпаду осколків, γ-випромінювання осколків і продуктів їх розпаду). Розподіл енергії поділу між різними продуктами при розподілі 235 U тепловими нейтронами наведено в таблиці 7.2.
Таблиця 7.2
Розподіл енергії поділу 235 U тепловими нейтронами
Продукти ядерного поділу (ПЗД) є складною сумішшю більш ніж 200 радіоактивних ізотопів 36 елементів (від цинку до гадолінію). Більшість активності становлять короткоживучі радіонукліди. Так, через 7, через 49 і через 343 діб після вибуху активність ПЗД знижується відповідно в 10, 100 та 1000 разів у порівнянні з активністю через годину після вибуху. Вихід найбільш біологічно значимих радіонуклідів наведено у таблиці 7.3. Крім ПЗД радіоактивне забруднення обумовлено радіонуклідами наведеної активності (3 H, 14 C, 28 Al, 24 Na, 56 Mn, 59 Fe, 60 C та ін) і нерозділеною частиною урану і плутонію. Особливо велика роль наведеної активності при термо ядерних вибухів.
Таблиця 7.3
Вихід деяких продуктів поділу під час ядерного вибуху
| Радіонуклід | Період напіврозпаду | Вихід на один поділ, % | Активність на 1 Мт, 10 15 Бк |
|---|---|---|---|
| 89 Sr | 50.5 діб. | 2.56 | 590 |
| 90 Sr | 29.12 років | 3.5 | 3.9 |
| 95 Zr | 65 діб. | 5.07 | 920 |
| 103 Ru | 41 діб. | 5.2 | 1500 |
| 106 Ru | 365 діб. | 2.44 | 78 |
| 131 I | 8.05 діб. | 2.9 | 4200 |
| 136 Cs | 13.2 діб. | 0.036 | 32 |
| 137 Cs | 30 років | 5.57 | 5.9 |
| 140 Ba | 12.8 діб. | 5.18 | 4700 |
| 141 Cs | 32.5 діб. | 4.58 | 1600 |
| 144 Cs | 288 діб. | 4.69 | 190 |
| 3 H | 12.3 років | 0.01 | 2.6 · 10 -2 |
При ядерних вибухах у атмосфері значна частина опадів (при наземних вибухах до 50%) випадає поблизу району випробувань. Частина радіоактивних речовин затримується у нижній частині атмосфери і під впливом вітру переміщається на великі відстанізалишаючись приблизно на одній і тій же широті. Перебуваючи в повітрі приблизно місяць радіоактивні речовини під час цього переміщення поступово випадають на Землю. Більшість радіонуклідів викидається в стратосферу (на висоту 10÷15 км), де відбувається їх глобальне розсіювання і значною мірою розпад.
Високу активність протягом десятків років мають різні елементи конструкції ядерних реакторів (таблиця 7.4)
Таблиця 7.4
Значення питомої активності (Бк/т урану) основних продуктів поділу в тепловиділяючих елементах, вилучених з реактора після трирічної експлуатації
| Радіонуклід | 0 | 1 добу. | 120 діб. | 1 рік | 10 років | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 85 Kr | 5. 78· 10 14 | 5. 78· 10 14 | 5. 66· 10 14 | 5. 42· 10 14 |
4. 7· 10 14 |
3. 03· 10 14 |
| 89 Sr | 4. 04· 10 16 | 3. 98· 10 16 | 5. 78· 10 15 | 2. 7· 10 14 |
1. 2· 10 10 |
|
| 90 Sr | 3. 51· 10 15 | 3. 51· 10 15 | 3. 48· 10 15 | 3. 43· 10 15 |
3. 26· 10 15 |
2. 75· 10 15 |
| 95 Zr | 7. 29· 10 16 | 7. 21· 10 16 | 1. 99· 10 16 | 1. 4· 10 15 | 5. 14· 10 11 | |
| 95 Nb | 7. 23· 10 16 | 7. 23· 10 16 | 3. 57· 10 16 | 3. 03· 10 15 | 1. 14· 10 12 | |
| 103 Ru | 7. 08· 10 16 | 6. 95· 10 16 | 8. 55· 10 15 | 1. 14· 10 14 | 2. 97· 10 8 | |
| 106 Ru | 2. 37· 10 16 | 2. 37· 10 16 | 1. 89· 10 16 | 1. 19· 10 16 | 3. 02· 10 15 | 2. 46· 10 13 |
| 131 I | 4. 49· 10 16 | 4. 19· 10 16 | 1. 5· 10 12 | 1. 01· 10 3 | ||
| 134 Cs | 7. 50· 10 15 | 7. 50· 10 15 | 6. 71· 10 15 | 5. 36· 10 15 | 2. 73· 10 15 | 2. 6· 10 14 |
| 137 Cs | 4. 69· 10 15 | 4. 69· 10 15 | 4. 65· 10 15 | 4. 58· 10 15 | 4. 38· 10 15 | 3. 73· 10 15 |
| 140 Ba | 7. 93· 10 16 | 7. 51· 10 16 | 1. 19· 10 14 | 2. 03· 10 8 | ||
| 140 La | 8. 19· 10 16 | 8. 05· 10 16 | 1. 37· 10 14 | 2. 34· 10 8 | ||
| 141 Ce | 7. 36· 10 16 | 7. 25· 10 16 | 5. 73· 10 15 | 3. 08· 10 13 | 5. 33· 10 6 | |
| 144 Ce | 5. 44· 10 16 | 5. 44· 10 16 | 4. 06· 10 16 | 2. 24· 10 16 | 3. 77· 10 15 | 7. 43· 10 12 |
| 143 Pm | 6. 77· 10 16 | 6. 70· 10 16 | 1. 65· 10 14 | 6. 11· 10 8 | ||
| 147 Pm | 7. 05·10 15 | 7. 05· 10 15 | 6. 78· 10 15 | 5. 68· 10 15 |
3. 35· 10 14 |
Клас
Урок № 42-43
Ланцюгова реакціяподілу ядер урану. Ядерна енергетика та екологія. Радіоактивність. Період напіврозпаду.
Ядерна реакція – це процес взаємодії атомного ядраз іншим ядром або елементарною частинкою, що супроводжується зміною складу та структури ядра та виділенням вторинних частинок або γ-квантів.
В результаті ядерних реакцій можуть утворюватися нові радіоактивні ізотопи, яких немає на Землі у природних умовах.
Перша ядерна реакція була здійснена Е. Резерфордом у 1919 році у дослідах щодо виявлення протонів у продуктах розпаду ядер (див. § 9.5). Резерфорд бомбардував атоми азоту α-частинками. При зіткненні частинок відбувалася ядерна реакція, що протікала за такою схемою:
При ядерних реакціях виконується декілька законів збереження: імпульсу, енергії, моменту імпульсу, заряду. На додаток до цих класичним законамзбереження при ядерних реакціях виконується закон збереження так званого баріонного заряду(тобто числа нуклонів – протонів та нейтронів). Виконується також низка інших законів збереження, специфічних для ядерної фізики та фізики елементарних частинок.
Ядерні реакції можуть протікати при бомбардуванні атомів швидкими зарядженими частинками (протони, нейтрони, -частки, іони). Перша така реакція була здійснена за допомогою протонів великої енергії, отриманих на прискорювачі, в 1932 році:
де M A і M B – маси вихідних продуктів, M C та M D – маси кінцевих продуктів реакції. Величина ΔM називається дефектом мас. Ядерні реакції можуть протікати із виділенням (Q > 0) або з поглинанням енергії (Q< 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |Q|, которая называется порогом реакции.
Для того щоб ядерна реакція мала позитивний енергетичний вихід, питома енергія зв'язкунуклонів в ядрах вихідних продуктів має бути менше питомої енергії зв'язку нуклонів в ядрах кінцевих продуктів. Це означає, що величина M повинна бути позитивною.
Можливі два принципово різних способузвільнення ядерної енергії.
1. Поділ важких ядер. На відміну від радіоактивного розпаду ядер, що супроводжується випромінюванням α- або β-частинок, реакції поділу – це процес, при якому нестабільне ядро ділиться на два великі фрагменти порівнянних мас.
У 1939 році німецькими вченими О. Ганом та Ф. Штрассманом було відкрито поділ ядер урану. Продовжуючи дослідження, розпочаті Фермі, вони встановили, що з бомбардуванні урану нейтронами виникають елементи середньої частини періодичної системи – радіоактивні ізотопи барію (Z = 56), криптону (Z = 36) та інших.
Уран зустрічається у природі як двох ізотопів: (99,3 %) і (0,7 %). При бомбардуванні нейтронами ядра обох ізотопів можуть розщеплюватися на два уламки. У цьому реакція розподілу найбільш інтенсивно йде на повільних (теплових) нейтронах, тоді як ядра входять у реакцію розподілу лише з швидкими нейтронами з енергією близько 1 МеВ.
Основний інтерес для ядерної енергетики реакція поділу ядра В даний час відомі близько 100 різних ізотопів з масовими числами приблизно від 90 до 145, що виникають при розподілі цього ядра. Дві типові реакції поділу цього ядра мають вигляд:
Зверніть увагу, що в результаті розподілу ядра, ініційованого нейтроном, виникають нові нейтрони, здатні викликати реакції розподілу інших ядер. Продуктами поділу ядер урану-235 можуть бути й інші ізотопи барію, ксенону, стронцію, рубідії і т.д.
Кінетична енергія, що виділяється при розподілі одного ядра урану, величезна - близько 200 МеВ. Оцінку ядра енергії, що виділяє при розподілі, можна зробити за допомогою питомої енергії зв'язкунуклонів у ядрі. Питома енергія зв'язку нуклонів у ядрах з масовим числом A ≈ 240 близько 7,6 МеВ/нуклон, тоді як у ядрах з масовими числами A = 90-145 питома енергія приблизно дорівнює 8,5 МеВ/нуклон. Отже, при розподілі ядра урану звільняється енергія близько 0,9 МеВ/нуклон або 210 МеВ на один атом урану. При повному поділі всіх ядер, що містяться в 1 г урану, виділяється така ж енергія, як і при згорянні 3 т вугілля або 2,5 т нафти.
Продукти розподілу ядра урану нестабільні, оскільки у них міститься значне надлишкове число нейтронів. Справді, відношення N/Z для найважчих ядер порядку 1,6 (рис. 9.6.2), для ядер із масовими числами від 90 до 145 це відношення порядку 1,3–1,4. Тому ядра-уламки випробовують серію послідовних β-розпадів, в результаті яких число протонів в ядрі збільшується, а число нейтронів зменшується до тих пір, поки не утворюється стабільне ядро.
При розподілі ядра урану-235, яке викликане зіткненням з нейтроном, звільняється 2 або 3 нейтрони. За сприятливих умов ці нейтрони можуть потрапити до інших ядрів урану і викликати їх поділ. На цьому етапі з'являться вже від 4 до 9 нейтронів, здатних викликати нові розпади ядер урану тощо. Такий лавиноподібний процес називається ланцюговою реакцією. Схема розвитку ланцюгової реакціїрозподілу ядер урану представлена на рис. 9.8.1.
 |
| Малюнок 9.8.1. |
Для здійснення ланцюгової реакції необхідно, щоб так званий коефіцієнт розмноження нейтронівбув більше одиниці. Інакше кажучи, у кожному наступному поколінні нейтронів має бути більше, ніж у попередньому. Коефіцієнт розмноження визначається як числом нейтронів, які утворюються у кожному елементарному акті, а й умовами, у яких протікає реакція – частина нейтронів може поглинатися іншими ядрами чи виходити із зони реакції. Нейтрони, що звільнилися при розподілі ядер урану-235, здатні викликати розподіл лише ядер цього ж урану, частку якого у природному урані припадає лише 0,7 %. Така концентрація виявляється недостатньою для початку ланцюгової реакції. Ізотоп може поглинати нейтрони, але при цьому не виникає ланцюгової реакції.
Ланцюгова реакція в урані з підвищеним вмістом урану-235 може розвиватися тільки тоді, коли маса урану перевершує так звану критичну масу.У невеликих шматках урану більшість нейтронів, не потрапивши в жодне ядро, вилітають назовні. Для чистого урану-235 критична маса становить близько 50 кг. Критичну масу урану можна у багато разів зменшити, якщо використовувати так звані сповільнювачінейтронів. Справа в тому, що нейтрони, що народжуються при розпаді ядер урану, мають занадто великі швидкості, а ймовірність захоплення повільних нейтронів ядрами урану-235 у сотні разів більша, ніж швидких. Найкращим сповільнювачем нейтронів є важка вода D 2 O. Звичайна вода при взаємодії з нейтронами сама перетворюється на важку воду.
Хорошим сповільнювачем є графіт, ядра якого не поглинають нейтронів. При пружній взаємодії з ядрами дейтерію чи вуглецю нейтрони сповільнюються до теплових швидкостей.
Застосування сповільнювачів нейтронів та спеціальної оболонки з берилію, що відбиває нейтрони, дозволяє знизити критичну масу до 250 г.
У атомних бомбахланцюгова некерована ядерна реакція виникає при швидкому з'єднанні двох шматків урану-235, кожен з яких має масу трохи нижче критичної.
Пристрій, у якому підтримується керована реакція поділу ядер, називається ядерним(або атомним) реактором. Схема ядерного реактора на повільних нейтронах наведено на рис. 9.8.2.
 |
| Малюнок 9.8.2. |
Ядерна реакція протікає в активній зоні реактора, заповнена сповільнювачем і пронизана стрижнями, що містять збагачену суміш ізотопів урану з підвищеним вмістом урану-235 (до 3%). В активну зону вводяться стрижні, що регулюють, що містять кадмій або бір, які інтенсивно поглинають нейтрони. Введення стрижнів у активну зону дозволяє керувати швидкістю ланцюгової реакції.
Активна зона охолоджується за допомогою теплоносія, що прокачується, в якості якого може застосовуватися вода або метал з низькою температурою плавлення (наприклад, натрій, що має температуру плавлення 98 °C). У парогенераторі теплоносій передає теплову енергіюводі, перетворюючи її на пару високого тиску. Пара прямує в турбіну, з'єднану з електрогенератором. З турбіни пара надходить у конденсатор. Щоб уникнути витоку радіації контури теплоносія I та парогенератора II працюють за замкнутими циклами.
Турбіна атомної електростанції є тепловою машиною, що визначає відповідно до другого закону термодинаміки загальну ефективність станції. У сучасних атомних електростанцій коефіцієнт корисної діїПриблизно дорівнює Отже, для виробництва 1000 МВт електричної потужності теплова потужність реактора повинна досягати 3000 МВт. 2000 МВт повинні нестися водою, що охолоджує конденсатор. Це призводить до локального перегріву природних водойм та подальшого виникнення екологічних проблем.
Проте, Головна проблемаполягає у забезпеченні повної радіаційної безпекилюдей, що працюють на атомних електростанціях, та запобігання випадковим викидам радіоактивних речовин, які у великій кількості накопичуються в активній зоні реактора. Під час розробки ядерних реакторів цій проблемі приділяється велика увага. Проте, після аварій на деяких АЕС, зокрема на АЕС у Пенсільванії (США, 1979 р.) та на Чорнобильської АЕС(1986 р.), проблема безпеки ядерної енергетики постала з особливою гостротою.
Поряд з описаним вище ядерним реактором, що працює на повільних нейтронах, великий практичний інтерес представляють реактори, що працюють без сповільнювача швидких нейтронах. Переважність реакторів на швидких нейтронах полягає в тому, що при їх роботі ядра урану-238, поглинаючи нейтрони, за допомогою двох послідовних β-розпадів перетворюються на ядра плутонію, які потім можна використовувати як ядерного палива:
Коефіцієнт відтворення таких реакторів досягає 1,5, тобто на 1 кг урану-235 виходить до 1,5 кг плутонію. У звичайних реакторах також утворюється плутоній, але набагато менших кількостях.
Перший ядерний реактор було побудовано 1942 року у США під керівництвом Еге. Фермі. У нашій країні перший реактор був побудований в 1946 під керівництвом І. В. Курчатова.
2. Термоядерні реакції. Другий шлях звільнення ядерної енергії пов'язані з реакціями синтезу. При злитті легких ядер та утворенні нового ядра має виділятися велика кількість енергії. Це видно з кривої залежності питомої енергії зв'язку масового числа A (рис. 9.6.1). Аж до ядер з масовим числом близько 60 питома енергія зв'язку нуклонів зростає зі збільшенням A. Тому синтез будь-якого ядра з A< 60 из более легких ядер должен сопровождаться выделением энергии. Загальна масапродуктів реакції синтезу буде у разі менше маси початкових частинок.
Реакції злиття легких ядер звуться термоядерних реакцій,оскільки вони можуть протікати лише за дуже високих температур. Щоб два ядра вступили в реакцію синтезу, вони повинні зблизитися на відстань дії ядерних сил близько 2 · 10 -15 м, подолавши електричне відштовхування їх позитивних зарядів. Для цього середня кінетична енергія теплового рухумолекул має перевищувати потенційну енергію кулонівської взаємодії. Розрахунок необхідної для цього температури T призводить до величини порядку 108-109К. Це надзвичайно висока температура. При такій температурі речовина знаходиться в повністю іонізованому стані, що називається плазмою.
Енергія, що виділяється при термоядерних реакціях, у розрахунку на один нуклон у кілька разів перевищує питому енергію, що виділяється в ланцюгових реакціях поділу ядер. Так, наприклад, у реакції злиття ядер дейтерію та тритію
| |
виділяється 3,5 МеВ/нуклон. Загалом у цій реакції виділяється 17,6 МеВ. Це одна з найперспективніших термоядерних реакцій.
Здійснення керованих термоядерних реакційдасть людству нове екологічно чисте і практично невичерпне джерело енергії. Однак отримання надвисоких температур і утримання плазми, нагрітої до мільярда градусів, є важким науково-технічним завданням на шляху здійснення керованого термо ядерного синтезу.
на даному етапірозвитку науки і техніки вдалося здійснити лише некеровану реакцію синтезув водневій бомбі. Висока температура, необхідна для ядерного синтезу, досягається тут за допомогою вибуху звичайної уранової або плутонієвої бомби.
Термоядерні реакції грають надзвичайно важливу рольв еволюції Всесвіту. Енергія випромінювання Сонця та зірок має термоядерне походження.
Радіоактивність
Майже 90% відомих 2500 атомних ядер нестабільні. Нестабільне ядро мимоволі перетворюється на інші ядра з випромінюванням частинок. Ця властивість ядер називається радіоактивністю. У великих ядернестабільність виникає внаслідок конкуренції між тяжінням нуклонів ядерними силами та кулонівським відштовхуванням протонів. Не існує стабільних ядер із зарядовим числом Z > 83 та масовим числом A > 209. Але радіоактивними можуть виявитися і ядра атомів із суттєво меншими значеннями чисел Z та A. Якщо ядро містить значно більше протонів, ніж нейтронів, то нестабільність обумовлюється надлишком енергії кулонівської взаємодії . Ядра, які містили б надлишок нейтронів над числом протонів, виявляються нестабільними внаслідок того, що маса нейтрону перевищує масу протону. Збільшення маси ядра призводить до збільшення енергії.
Явище радіоактивності було відкрито у 1896 році французьким фізиком А. Беккерелем, який виявив, що солі урану випромінюють невідоме випромінювання, здатне проникати через непрозорі для світла перешкоди та викликати почорніння фотоемульсії. Через два роки французькі фізики М. та П. Кюрі виявили радіоактивність торію та відкрили два нові радіоактивні елементи – полоній та радій
У подальші роки дослідженням природи радіоактивних випромінювань займалося багато фізиків, у тому числі Е. Резерфорд та його учні. Було з'ясовано, що радіоактивні ядра можуть випускати частки трьох видів: позитивно та негативно заряджені та нейтральні. Ці три види випромінювань були названі α-, β- та γ-випромінюваннями. На рис. 9.7.1 зображено схему експерименту, що дозволяє виявити складний складрадіоактивного випромінювання. У магнітному полі α- і β-промені відчувають відхилення в протилежні сторони, причому β-промені відхиляються значно більше. γ-промені в магнітному полі взагалі не відхиляються.
Ці три види радіоактивних випромінювань сильно відрізняються один від одного за здатністю іонізувати атоми речовини і, отже, проникаючої здатності. Найменшою проникною здатністю має α-випромінювання. У повітрі при нормальних умовахα-промені проходять шлях у кілька сантиметрів. β-промені набагато менше поглинаються речовиною. Вони здатні пройти через шар алюмінію завтовшки кілька міліметрів. Найбільшу проникаючу здатність мають γ-промені, здатні проходити через шар свинцю товщиною 5-10 см.
У другому десятилітті XX століття після відкриття Е. Резерфордом ядерної будови атомів було твердо встановлено, що радіоактивність – це властивість атомних ядер. Дослідження показали, що α-промені являють потік α-часток – ядер гелію , β-промені – це потік електронів, γ-промені є короткохвильовим. електромагнітне випромінюванняз надзвичайно малою довжиною хвилі λ< 10 –10 м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярними властивостямитобто є потоком частинок - γ-квантів.
Альфа-розпад. Альфа-розпадом називається мимовільне перетворення атомного ядра з числом протонів Z і нейтронів N в інше (дочірнє) ядро, що містить число протонів Z - 2 і нейтронів N - 2. При цьому α-частка - ядро атома гелію . Прикладом такого процесу може бути α-розпад радію:
 |
Альфа-частинки, що випускаються ядрами атомів радію, використовувалися Резерфордом у дослідах з розсіювання на ядрах важких елементів. Швидкість α-часток, що випромінюються при α-розпаді ядер радію, виміряна по кривизні траєкторії в магнітному полі, приблизно дорівнює 1,5·10 7 м/с, а відповідна кінетична енергія близько 7,5·10 -13 Дж (приблизно 4, 8 МеВ). Ця величина легко може бути визначена за відомим значенняммас материнського та дочірнього ядер та ядра гелію. Хоча швидкість α-частки, що вилітає, величезна, але вона все ж становить лише 5 % від швидкості світла, тому при розрахунку можна користуватися нерелятивістським виразом для кінетичної енергії.
Дослідження показали, що радіоактивна речовина може випромінювати α-частинки з кількома дискретними значеннями енергій. Це тим, що ядра можуть бути, подібно атомам, у різних збуджених станах. В одному з таких збуджених станів може бути дочірнє ядро при α-розпаді. При подальшому переході цього ядра в основний стан випускається γ-квант. Схема α-розпаду радію з випромінюванням α-часток з двома значеннями кінетичних енергійнаведено на рис. 9.7.2.
Таким чином, α-розпад ядер у багатьох випадках супроводжується γ-випромінюванням.
Теоретично α-розпаду передбачається, що всередині ядер можуть утворюватися групи, які з двох протонів і двох нейтронів, тобто α-частка. Материнське ядро є для α-часток потенційною ямою, яка обмежена потенційним бар'єром . Енергія α-частки в ядрі недостатня для подолання бар'єру (рис. 9.7.3). Виліт α-частки з ядра виявляється можливим лише завдяки квантово-механічному явищу, яке називається тунельним ефектом . Згідно квантової механіки, існують відмінна від нуля можливість проходження частки під потенційним бар'єром. Явище тунелювання має імовірнісний характер.
Бета-розпад.При бета-розпаді з ядра вилітає електрон. Всередині ядер електрони існувати не можуть (див. § 9.5), вони виникають при β-розпаді внаслідок перетворення нейтрону на протон. Цей процес може відбуватися не лише всередині ядра, а й із вільними нейтронами. Середнє життя вільного нейтрона становить близько 15 хвилин. При розпаді нейтрон перетворюється на протон та електрон
Вимірювання показали, що в цьому процесі спостерігається порушення закону збереження енергії, так як сумарна енергія протона і електрона, що виникають при розпаді нейтрона, менше енергії нейтрона. У 1931 році В. Паулі висловив припущення, що при розпаді нейтрону виділяється ще одна частка з нульовими значеннями маси та заряду, яка забирає з собою частину енергії. Нова часткаотримала назву нейтрино(маленький нейтрон). Через відсутність у нейтрино заряду та маси ця частка дуже слабко взаємодіє з атомами речовини, тому її надзвичайно важко виявити в експерименті. Іонізуюча здатність нейтрино настільки мала, що один акт іонізації повітря припадає приблизно на 500 км шляху. Ця частка була виявлена лише 1953 р. Нині відомо, що є кілька різновидів нейтрино. У процесі розпаду нейтрону виникає частка, що називається електронним антинейтрино. Вона позначається символом Тому реакція розпаду нейтрону записується як
|
Аналогічний процес відбувається і всередині ядер при β-розпаді. Електрон, що утворюється в результаті розпаду одного з ядерних нейтронів, негайно викидається з «батьківського дому» (ядра) з величезною швидкістюяка може відрізнятися від швидкості світла лише на частки відсотка. Оскільки розподіл енергії, що виділяється при β-розпаді, між електроном, нейтрино та дочірнім ядром носить випадковий характер, β-електрони можуть мати різні швидкості в широкому інтервалі.
При -розпаді зарядове число Z збільшується на одиницю, а масове число A залишається незмінним. Дочірнє ядро виявляється ядром одного з ізотопів елемента, порядковий номерякого таблиці Менделєєва на одиницю перевищує порядковий номер вихідного ядра. Типовим прикладом β-розпаду може бути перетворення ізотону торію, що виникає при α-розпаді урану в паладій
Гамма-розпад. На відміну від α- та β-радіоактивності γ-радіоактивність ядер не пов'язана зі зміною внутрішньої структури ядра і не супроводжується зміною зарядового чи масового чисел. Як при α-, так і при β-розпаді дочірнє ядро може опинитися в деякому збудженому стані та мати надлишок енергії. Перехід ядра з збудженого стану в основне супроводжується випромінюванням одного або декількох γ-квантів, енергія яких може досягати декількох МеВ.
Закон радіоактивного розпаду. У будь-якому зразку радіоактивної речовиниміститься безліч радіоактивних атомів. Так як радіоактивний розпад має випадковий характер і не залежить від зовнішніх умов, то закон зменшення кількості N(t) нерозпався до даному моментучасу t ядер може бути важливою статистичною характеристикоюпроцесу радіоактивного розпаду
Нехай за малий проміжок часу Δt кількість ядер, що не розпалися, N(t) змінилася на ΔN< 0. Так как вероятность распада каждого ядра неизменна во времени, что число распадов будет пропорционально количеству ядер N(t) и промежутку времени Δt:
Коефіцієнт пропорційності λ – це можливість розпаду ядра за час Δt = 1 с. Ця формула означає, що швидкість зміни функції N(t) прямо пропорційна самій функції.
де N 0 - початкове число радіоактивних ядер при t = 0. За час τ = 1 / λ кількість ядер, що не розпалися, зменшиться в e ≈ 2,7 рази. Величину τ називають середнім часом життярадіоактивного ядра.
Для практичного використаннязакон радіоактивного розпаду зручно записати в іншому вигляді, використовуючи як основу число 2, а не e:
Величина T називається періодом напіврозпаду. За час T розпадається половина первісної кількості радіоактивних ядер. Величини T і τ пов'язані співвідношенням
Період напіврозпаду – основна величина, що характеризує швидкість радіоактивного розпаду. Чим менше періоднапіврозпаду, тим інтенсивніше протікає розпад. Так, для урану T ≈ 4,5 млрд років, а для радію T ≈ 1600 років. Тому активність радію значно вища, ніж урану. Існують радіоактивні елементи з періодом напіврозпаду на частки секунди.
Не виявленого в природних умовах, і закінчується на вісмуті Ця серія радіоактивних розпадів виникає в ядерних реакторах.
Цікавим застосуваннямрадіоактивності є метод датування археологічних та геологічних знахідок за концентрацією радіоактивних ізотопів. Найчастіше використовується радіовуглецевий метод датування. Нестабільний ізотоп вуглецю виникає у атмосфері внаслідок ядерних реакцій, викликаних космічними променями. Невеликий відсоток цього ізотопу міститься у повітрі поряд із звичайним стабільним ізотопомРослини та інші організми споживають вуглець з повітря, і в них накопичуються обидва ізотопи в тій самій пропорції, як і в повітрі. Після загибелі рослин вони перестають споживати вуглець і нестабільний ізотоп у результаті β-розпаду поступово перетворюється на азот із періодом напіврозпаду 5730 років. Шляхом точного вимірувідносної концентрації радіоактивного вуглецю в останках древніх організмів можна визначити час їхньої загибелі.
Радіоактивне випромінюваннявсіх видів (альфа, бета, гама, нейтрони), а також електромагнітна радіація ( рентгенівське випромінювання) надають дуже сильне біологічний впливна живі організми, що полягає у процесах збудження та іонізації атомів та молекул, що входять до складу живих клітин. Під дією іонізуючої радіаціїруйнуються складні молекулиі клітинні структури, що приводить до променевого ураженняорганізму. Тому при роботі з будь-яким джерелом радіації необхідно вживати всіх заходів щодо радіаційний захистлюдей, які можуть потрапити до зони дії випромінювання.
Однак людина може піддаватися дії іонізуючої радіації та в побутових умовах. Серйозну небезпеку здоров'ю може представляти інертний, безбарвний, радіоактивний газрадон Як видно із схеми, зображеної на рис. 9.7.5 радон є продуктом α-розпаду радію і має період напіврозпаду T = 3,82 діб. Радій у невеликих кількостях міститься у ґрунті, у каменях, у різних будівельних конструкціях. Незважаючи на порівняно невеликий часжиття, концентрація радону безперервно поповнюється за рахунок нових розпадів ядер радію, тому радон може накопичуватися в закритих приміщеннях. Потрапляючи в легені, радон випускає α-частинки і перетворюється на полоній, який не є хімічно інертною речовиною. Далі слідує ланцюг радіоактивних перетворень серії урану (рис. 9.7.5). За даними Американської комісії радіаційної безпеки та контролю, людина в середньому отримує 55% іонізуючої радіації за рахунок радону та лише 11% за рахунок медичних обслуговувань. Вклад космічних променівстановить приблизно 8%. Загальна доза опромінення, яку отримує людина за життя, набагато менше гранично допустимої дози(ПДР), яка встановлюється для людей деяких професій, що зазнають додаткового опромінення іонізуючою радіацією.