Aufgrund der elektrischen Neutralität von Neutronen.

2. Welche Energie nennt man Energieausbeute der Reaktion? Wie kann man die Energieausbeute für eine Spaltreaktion abschätzen?

Die Gesamtenergieausbeute einer Spaltreaktion ist die Energie, die bei der Spaltung eines Urankerns freigesetzt wird. Die spezifische Bindungsenergie eines Nukleons im Kern von Uran 235 ist ungefähr gleich 7,6 MeV, von Reaktionsfragmenten - ungefähr 8,5 MeV. Als Ergebnis der Spaltung wird (8,5 - 7,6) MeV = 0,9 MeV (pro Nukleon) freigesetzt. Es gibt insgesamt 235 Nukleonen, dann ist die gesamte Energieausbeute der Spaltungsreaktion

3. Welcher Wert charakterisiert die Geschwindigkeit einer Kettenreaktion? Schreiben Sie die notwendige Bedingung für die Entwicklung einer Kettenreaktion auf.

Der Neutronenmultiplikationsfaktor k charakterisiert die Geschwindigkeit der Kettenreaktion. Eine notwendige Bedingung für die Entwicklung einer Kettenreaktion

4. Welche Spaltungsreaktion wird als selbsterhaltend bezeichnet? Wann tritt es auf?

Eine sich selbst erhaltende Kernspaltungsreaktion tritt auf, wenn ein neues Neutron während der Zeit, in der das Neutron durch ein Medium mit einer linearen Dimension l wandert, Zeit hat, sich als Ergebnis der Spaltungsreaktion zu bilden.

5. Bewerten Sie die kritische Kerngröße und die kritische Masse.

Das Volumen des Zylinders ist

N ist die Kernkonzentration. Die Anzahl der Stöße eines Neutrons mit Kernen pro Zeiteinheit n.

Kernspaltung ist die Aufspaltung eines schweren Atoms in zwei Fragmente ungefähr gleicher Masse, begleitet von der Freisetzung einer großen Energiemenge.

Mit der Entdeckung der Kernspaltung begann eine neue Ära – das „Atomzeitalter“. Das Potenzial seiner möglichen Verwendung und das Verhältnis von Risiko zu Nutzen seiner Verwendung haben nicht nur viele soziologische, politische, wirtschaftliche und wissenschaftliche Errungenschaften hervorgebracht, sondern auch ernsthafte Probleme. Auch aus rein wissenschaftlicher Sicht hat der Prozess der Kernspaltung eine Vielzahl von Rätseln und Komplikationen geschaffen, und seine vollständige theoretische Erklärung liegt in der Zukunft.

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Die Bindungsenergien (pro Nukleon) unterscheiden sich für verschiedene Kerne. Schwerere haben niedrigere Bindungsenergien als diejenigen, die sich in der Mitte des Periodensystems befinden.

Das bedeutet, dass es bei schweren Kernen mit einer Ordnungszahl größer 100 vorteilhaft ist, sich in zwei kleinere Bruchstücke zu teilen und dabei Energie freizusetzen, die in die kinetische Energie der Bruchstücke umgewandelt wird. Dieser Vorgang wird Splitten genannt

Gemäß der Stabilitätskurve, die bei stabilen Nukliden die Abhängigkeit der Protonenzahl von der Neutronenzahl zeigt, bevorzugen schwerere Kerne mehr Neutronen (im Vergleich zur Protonenzahl) als leichtere. Dies deutet darauf hin, dass zusammen mit dem Aufspaltungsprozess einige "Ersatz"-Neutronen emittiert werden. Außerdem nehmen sie auch einen Teil der freigesetzten Energie auf. Die Untersuchung der Kernspaltung des Uranatoms zeigte, dass 3-4 Neutronen freigesetzt werden: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

Die Ordnungszahl (und die Atommasse) des Fragments ist nicht gleich der halben Atommasse des Elternteils. Der Unterschied zwischen den Massen der durch Spaltung gebildeten Atome beträgt normalerweise etwa 50. Der Grund dafür ist zwar noch nicht ganz klar.

Die Bindungsenergien von 238 U, 145 La und 90 Br betragen 1803, 1198 bzw. 763 MeV. Dies bedeutet, dass als Ergebnis dieser Reaktion die Spaltenergie des Urankerns freigesetzt wird, die 1198 + 763-1803 = 158 MeV entspricht.

Spontane Teilung

Die Prozesse der spontanen Spaltung sind in der Natur bekannt, aber sehr selten. Die durchschnittliche Lebensdauer dieses Prozesses beträgt etwa 10 17 Jahre, und beispielsweise beträgt die durchschnittliche Lebensdauer des Alpha-Zerfalls desselben Radionuklids etwa 10 11 Jahre.

Der Grund dafür ist, dass der Kern, um ihn in zwei Teile zu spalten, zunächst in eine ellipsenförmige Form verformt (gedehnt) werden muss und dann, bevor er sich schließlich in zwei Fragmente aufspaltet, in der Mitte einen „Hals“ bildet.

Potenzielle Barriere

Im verformten Zustand wirken zwei Kräfte auf den Kern. Zum einen die erhöhte Oberflächenenergie (die Oberflächenspannung eines Flüssigkeitstropfens erklärt seine Kugelform) und zum anderen die Coulomb-Abstoßung zwischen Spaltfragmenten. Zusammen bilden sie eine Potentialbarriere.

Wie beim Alpha-Zerfall müssen die Bruchstücke diese Barriere durch Quantentunneln überwinden, damit die spontane Spaltung des Uran-Atomkerns stattfinden kann. Die Barriere beträgt etwa 6 MeV, wie im Fall des Alpha-Zerfalls, aber die Wahrscheinlichkeit, ein Alpha-Teilchen zu tunneln, ist viel größer als die eines Spaltprodukts eines viel schwereren Atoms.

erzwungene Spaltung

Viel wahrscheinlicher ist die induzierte Spaltung des Urankerns. Dabei wird der Mutterkern mit Neutronen bestrahlt. Wenn der Elternteil es absorbiert, binden sie und setzen Bindungsenergie in Form von Schwingungsenergie frei, die die zum Überwinden der Potentialbarriere erforderlichen 6 MeV überschreiten kann.

Wenn die Energie des zusätzlichen Neutrons nicht ausreicht, um die Potentialbarriere zu überwinden, muss das einfallende Neutron eine minimale kinetische Energie haben, um die Spaltung eines Atoms herbeiführen zu können. Im Fall von 238 U ist die Bindungsenergie zusätzlicher Neutronen etwa 1 MeV kurz. Das bedeutet, dass die Spaltung des Urankerns nur durch ein Neutron mit einer kinetischen Energie größer als 1 MeV induziert wird. Andererseits hat das 235 U-Isotop ein ungepaartes Neutron. Wenn der Kern ein zusätzliches absorbiert, bildet er mit ihm ein Paar, und als Ergebnis dieser Paarung erscheint zusätzliche Bindungsenergie. Dies reicht aus, um die Energiemenge freizusetzen, die der Kern benötigt, um die Potentialbarriere zu überwinden, und die Isotopenspaltung tritt bei Kollision mit einem beliebigen Neutron auf.

Beta-Zerfall

Obwohl die Spaltreaktion drei oder vier Neutronen emittiert, enthalten die Fragmente immer noch mehr Neutronen als ihre stabilen Isobaren. Dies bedeutet, dass Spaltfragmente im Allgemeinen gegen Beta-Zerfall instabil sind.

Wenn beispielsweise Uran 238U gespalten wird, ist die stabile Isobare mit A = 145 Neodym 145Nd, was bedeutet, dass das Lanthan 145La-Fragment in drei Schritten zerfällt, wobei jedes Mal ein Elektron und ein Antineutrino emittiert werden, bis ein stabiles Nuklid gebildet wird. Die stabile Isobare mit A = 90 ist Zirkonium 90 Zr, daher zerfällt das Brom 90 Br Spaltfragment in fünf Stufen der β-Zerfallskette.

Diese β-Zerfallsketten setzen zusätzliche Energie frei, die fast vollständig von Elektronen und Antineutrinos abgeführt wird.

Kernreaktionen: Spaltung von Urankernen

Die direkte Emission eines Neutrons von einem Nuklid mit zu vielen davon, um die Stabilität des Kerns zu gewährleisten, ist unwahrscheinlich. Der Punkt hier ist, dass es keine Coulomb-Abstoßung gibt und daher die Oberflächenenergie dazu neigt, das Neutron mit dem Elternteil in Verbindung zu halten. Dies kommt jedoch manchmal vor. Beispielsweise erzeugt ein 90-Br-Spaltfragment in der ersten Beta-Zerfallsstufe Krypton-90, das in einem angeregten Zustand mit genügend Energie sein kann, um die Oberflächenenergie zu überwinden. In diesem Fall kann die Emission von Neutronen direkt mit der Bildung von Krypton-89 erfolgen. immer noch instabil in Bezug auf den β-Zerfall, bis es in stabiles Yttrium-89 umgewandelt wird, so dass Krypton-89 in drei Schritten zerfällt.

Spaltung von Urankernen: eine Kettenreaktion

Die bei der Spaltungsreaktion emittierten Neutronen können von einem anderen Mutterkern absorbiert werden, der dann selbst einer induzierten Spaltung unterliegt. Im Fall von Uran-238 kommen die drei erzeugten Neutronen mit einer Energie von weniger als 1 MeV heraus (die bei der Spaltung des Urankerns freigesetzte Energie - 158 MeV - wird hauptsächlich in die kinetische Energie der Spaltfragmente umgewandelt ), sodass sie keine weitere Spaltung dieses Nuklids verursachen können. Bei einer signifikanten Konzentration des seltenen Isotops 235 U können diese freien Neutronen jedoch von 235 U-Kernen eingefangen werden, was tatsächlich eine Spaltung verursachen kann, da es in diesem Fall keine Energieschwelle gibt, unterhalb derer keine Spaltung induziert wird.

Das ist das Prinzip einer Kettenreaktion.

Arten von Kernreaktionen

Sei k die Anzahl der Neutronen, die in einer Probe aus spaltbarem Material in Stufe n dieser Kette erzeugt werden, geteilt durch die Anzahl der Neutronen, die in Stufe n - 1 erzeugt werden. Diese Zahl hängt davon ab, wie viele Neutronen, die in Stufe n - 1 erzeugt wurden, absorbiert werden durch den Kern, der zur Teilung gezwungen werden kann.

Wenn 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.

Ist k > 1, dann wächst die Kettenreaktion, bis das gesamte spaltbare Material verbraucht ist, indem natürliches Erz angereichert wird, um eine ausreichend große Konzentration an Uran-235 zu erhalten. Bei einer kugelförmigen Probe steigt der Wert von k mit zunehmender Neutronenabsorptionswahrscheinlichkeit, die vom Radius der Kugel abhängt. Daher muss die Masse U einen bestimmten Betrag überschreiten, damit es zur Spaltung von Urankernen (Kettenreaktion) kommt.

Wenn k = 1, dann findet eine kontrollierte Reaktion statt. Dies wird in Kernreaktoren verwendet. Der Prozess wird gesteuert, indem Cadmium- oder Borstäbe im Uran verteilt werden, die die meisten Neutronen absorbieren (diese Elemente haben die Fähigkeit, Neutronen einzufangen). Die Spaltung des Urankerns wird automatisch gesteuert, indem die Stäbe so bewegt werden, dass der Wert von k gleich eins bleibt.

Kernspaltung- der Prozess der Spaltung eines Atomkerns in zwei (selten drei) Kerne mit ähnlicher Masse, sogenannte Spaltfragmente. Als Ergebnis der Spaltung können auch andere Reaktionsprodukte entstehen: leichte Kerne (hauptsächlich Alpha-Teilchen), Neutronen und Gamma-Quanten. Die Spaltung kann spontan (spontan) und erzwungen (durch Wechselwirkung mit anderen Teilchen, hauptsächlich mit Neutronen) erfolgen. Die Spaltung schwerer Kerne ist ein exothermer Prozess, bei dem eine große Energiemenge in Form der kinetischen Energie der Reaktionsprodukte sowie Strahlung freigesetzt wird. Die Kernspaltung dient als Energiequelle in Kernreaktoren und Kernwaffen. Der Spaltungsprozess kann nur ablaufen, wenn die potentielle Energie des Anfangszustands des Spaltkerns die Summe der Massen der Spaltfragmente übersteigt. Da die spezifische Bindungsenergie schwerer Kerne mit zunehmender Masse abnimmt, ist diese Bedingung für fast alle Kerne mit der Massenzahl erfüllt.

Erfahrungsgemäß werden jedoch selbst die schwersten Kerne mit sehr geringer Wahrscheinlichkeit spontan geteilt. Dies bedeutet, dass es eine Energiebarriere gibt ( Spaltbarriere) um eine Teilung zu verhindern. Mehrere Modelle werden verwendet, um den Prozess der Kernspaltung zu beschreiben, einschließlich der Berechnung der Spaltungsbarriere, aber keines davon kann den Prozess vollständig erklären.

Dass bei der Spaltung schwerer Kerne Energie freigesetzt wird, folgt direkt aus der Abhängigkeit der spezifischen Bindungsenergie ε = E St (A, Z) / A aus der Massenzahl A. Bei der Spaltung eines schweren Kerns entstehen leichtere Kerne, in denen die Nukleonen stärker gebunden sind, und bei der Spaltung wird ein Teil der Energie freigesetzt. In der Regel geht die Kernspaltung mit der Emission von 1–4 Neutronen einher. Lassen Sie uns die Energie der Spaltungsteile Q durch die Bindungsenergien der Anfangs- und Endkerne ausdrücken. Die Energie des Ausgangskerns, der aus Z Protonen und N Neutronen besteht und eine Masse M (A, Z) und eine Bindungsenergie E St (A, Z) hat, schreiben wir in der folgenden Form:

M(A,Z)c 2 = (Zm p + Nm n)c 2 – E St (A, Z).

Die Teilung des Kerns (A, Z) in 2 Fragmente (A 1, Z 1) und (A 2, Z 2) wird von der Bildung von N n begleitet = A – A 1 – A 2 provozieren Neutronen. Zerlegt man den Kern (A,Z) in Fragmente mit den Massen M 1 (A 1 ,Z 1), M 2 (A 2 ,Z 2) und den Bindungsenergien E st1 (A 1 ,Z 1), E st2 (A 2 , Z 2), dann haben wir für die Spaltenergie den Ausdruck:

Q div \u003d (M (A, Z) -) c 2 \u003d E St 1 (A 1, Z 1) + E St (A 2, Z 2) - E St (A, Z),

A \u003d A 1 + A 2 + N n, Z \u003d Z 1 + Z 2.

23. Elementare Theorie der Kernspaltung.

1939 N.Bor und J.Wheeler, und auch Ja, Frenkel Lange bevor die Spaltung umfassend experimentell untersucht wurde, wurde eine Theorie dieses Prozesses vorgeschlagen, die auf dem Konzept des Kerns als Tropfen einer geladenen Flüssigkeit basiert.

Die bei der Spaltung freigesetzte Energie kann direkt aus gewonnen werden Weizsäcker-Formeln.

Berechnen wir die Energiemenge, die bei der Spaltung eines schweren Kerns freigesetzt wird. Ersetzen Sie in (f.2) die Ausdrücke für die Bindungsenergien der Kerne (f.1), wobei A 1 = 240 und Z 1 = 90 angenommen werden. Vernachlässigen Sie den letzten Term in (f.1) wegen seiner Kleinheit und ersetzen Sie die Werte der Parameter a 2 und a 3 erhalten wir

Daraus folgt, dass die Spaltung energetisch günstig ist, wenn Z 2 /A > 17 ist. Der Wert von Z 2 /A wird als Teilbarkeitsparameter bezeichnet. Die bei der Spaltung freigesetzte Energie E wächst mit zunehmendem Z 2 /A; Z 2 /A = 17 für Kerne im Bereich von Yttrium und Zirkonium. Aus den erhaltenen Abschätzungen ist ersichtlich, dass die Spaltung für alle Kerne mit A > 90 energetisch günstig ist. Warum ist die Mehrheit der Kerne stabil gegenüber spontaner Spaltung? Um diese Frage zu beantworten, sehen wir uns an, wie sich die Form des Kerns während der Spaltung ändert.

Bei der Spaltung durchläuft der Kern nacheinander die folgenden Stadien (Abb. 2): eine Kugel, ein Ellipsoid, eine Hantel, zwei birnenförmige Fragmente, zwei kugelförmige Fragmente. Wie ändert sich die potentielle Energie des Kerns in verschiedenen Stadien der Spaltung? Nachdem die Spaltung stattgefunden hat und die Fragmente um einen Abstand voneinander getrennt sind, der viel größer als ihr Radius ist, kann die potentielle Energie der Fragmente, die durch die Coulomb-Wechselwirkung zwischen ihnen bestimmt wird, als gleich Null angesehen werden.

Betrachten wir das Anfangsstadium der Spaltung, wenn der Kern mit zunehmendem r die Form eines immer länger werdenden Rotationsellipsoids annimmt. In diesem Stadium der Spaltung ist r ein Maß für die Abweichung des Kerns von einer Kugelform (Abb. 3). Aufgrund der Formentwicklung des Kerns wird die Änderung seiner potentiellen Energie durch die Änderung der Summe der Oberflächen- und Coulomb-Energien E"n + E"k bestimmt. Es wird angenommen, dass das Volumen des Kerns unverändert bleibt während der Verformung. In diesem Fall nimmt die Oberflächenenergie E "p zu, da die Oberfläche des Kerns zunimmt. Die Coulomb-Energie E" k nimmt ab, da der mittlere Abstand zwischen Nukleonen zunimmt. Der kugelförmige Kern nehme als Ergebnis einer leichten Verformung, die durch einen kleinen Parameter gekennzeichnet ist, die Form eines axialsymmetrischen Ellipsoids an. Es lässt sich zeigen, dass sich die Oberflächenenergie E „p und die Coulomb-Energie E“ k in Abhängigkeit davon wie folgt ändern:

Bei kleinen ellipsoidischen Verformungen erfolgt die Zunahme der Oberflächenenergie schneller als die Abnahme der Coulomb-Energie. Im Bereich schwerer Kerne 2En > Ek nimmt die Summe aus Oberflächen- und Coulombenergie mit zunehmendem zu. Aus (f.4) und (f.5) folgt, dass bei kleinen ellipsoidischen Deformationen die Erhöhung der Oberflächenenergie weitere Änderungen der Kernform und damit die Spaltung verhindert. Ausdruck (f.5) gilt für kleine Werte (kleine Verformungen). Wenn die Verformung so groß ist, dass der Kern die Form einer Hantel annimmt, dann neigen die Kräfte der Oberflächenspannung wie die Coulomb-Kräfte dazu, den Kern zu trennen und den Fragmenten eine Kugelform zu verleihen. In diesem Spaltungsstadium geht eine Zunahme der Spannung mit einer Abnahme sowohl der Coulomb- als auch der Oberflächenenergie einher. Diese. Mit einer allmählichen Zunahme der Deformation des Kerns durchläuft seine potentielle Energie ein Maximum. Jetzt hat r die Bedeutung des Abstands zwischen den Zentren zukünftiger Fragmente. Wenn sich die Fragmente voneinander entfernen, nimmt die potentielle Energie ihrer Wechselwirkung ab, da die Energie der Coulomb-Abstoßung Ek abnimmt. Die Abhängigkeit der potentiellen Energie vom Abstand zwischen den Fragmenten ist in Abb. 4. Das Nullniveau der potentiellen Energie entspricht der Summe der Oberflächen- und Coulomb-Energien zweier nicht wechselwirkender Fragmente. Das Vorhandensein einer Potentialbarriere verhindert eine sofortige spontane Kernspaltung. Damit sich der Kern sofort spalten kann, muss ihm eine Energie Q gegeben werden, die die Barrierenhöhe H übersteigt. Die maximale potentielle Energie eines spaltbaren Kerns ist ungefähr gleich e 2 Z 2 /(R 1 + R 2), wobei R 1 und R 2 sind die Fragmentradien. Wenn beispielsweise ein Goldkern in zwei identische Fragmente geteilt wird, e 2 Z 2 / (R 1 + R 2) \u003d 173 MeV und die während der Spaltung freigesetzte Energie E ( siehe Formel (f.2)) ist gleich 132 MeV. So muss bei der Spaltung eines Goldkerns eine Potentialbarriere mit einer Höhe von etwa 40 MeV überwunden werden. Die Barrierenhöhe H ist umso größer, je kleiner das Verhältnis der Coulomb- und Oberflächenenergien E zu /E p im Ausgangskern ist. Dieses Verhältnis wiederum steigt mit zunehmendem Teilbarkeitsparameter Z 2 /A ( siehe (f.4)). Je schwerer der Kern, desto geringer die Barrierenhöhe H , da der Teilbarkeitsparameter mit zunehmender Massenzahl zunimmt:

Diese. Gemäß dem Tropfenmodell sollten Kerne mit Z 2 /A > 49 in der Natur nicht vorkommen, da sie fast augenblicklich spontan spalten (in einer charakteristischen Kernzeit in der Größenordnung von 10 –22 s). Die Existenz von Atomkernen mit Z 2 /A > 49 („Insel der Stabilität“) erklärt sich aus der Schalenstruktur. Die Abhängigkeit der Form, der Höhe der Potentialbarriere H und der Spaltenergie E vom Wert des Teilbarkeitsparameters Z 2 /À ist in Abb. dargestellt. 5.

Spontane Kernspaltung mit Z 2 /A< 49, для которых высота барьера Н не равна нулю, с точки зрения классической физики невозможно. С точки зрения квантовой механики такое деление возможно в результате прохождения через потенциальный барьер и носит название спонтанного деления. Вероятность спонтанного деления растет с увеличением параметра делимости Z 2 /А, т.е. с уменьшением высоты барьера. В целом период полураспада относительно спонтанного деления уменьшается при переходе от менее тяжелых ядер к более тяжелым от Т 1/2 > 10 21 Jahre für 232 Th bis 0,3 s für 260 Ku. Erzwungene Kernspaltung mit Z 2 /A < 49 может быть вызвано любыми частицами: фотонами, нейтронами, протонами, дейтронами, -частицами и т.д., если энергия, которую они вносят в ядро достаточна для преодоления барьера деления.

Kernreaktion der Kette. Als Ergebnis von Experimenten zur Neutronenbestrahlung von Uran wurde festgestellt, dass Urankerne unter Einwirkung von Neutronen in zwei Kerne (Fragmente) mit ungefähr der halben Masse und Ladung aufgeteilt werden; dieser Vorgang wird von der Emission mehrerer (zwei oder drei) Neutronen begleitet (Abb. 402). Neben Uran sind einige weitere Elemente aus den letzten Elementen des Periodensystems von Mendelejew spaltungsfähig. Diese Elemente spalten wie Uran nicht nur unter dem Einfluss von Neutronen, sondern auch ohne äußere Einflüsse (spontan). Die spontane Spaltung wurde 1940 von den sowjetischen Physikern K. A. Petrzhak und Georgy Nikolaevich Flerov (geb. 1913) experimentell etabliert. Es ist ein sehr seltener Vorgang. In 1 g Uran treten also nur etwa 20 spontane Spaltungen pro Stunde auf.

Reis. 402. Spaltung eines Urankerns unter dem Einfluss von Neutronen: a) der Kern fängt ein Neutron ein; b) der Aufprall eines Neutrons auf den Kern versetzt diesen in Schwingung; c) der Kern wird in zwei Fragmente geteilt; mehr Neutronen werden emittiert.

Aufgrund gegenseitiger elektrostatischer Abstoßung zerstreuen sich Spaltfragmente in entgegengesetzte Richtungen und erwerben eine enorme kinetische Energie (etwa ). Die Spaltreaktion erfolgt also unter erheblicher Energiefreisetzung. Sich schnell bewegende Fragmente ionisieren die Atome des Mediums intensiv. Diese Eigenschaft von Bruchstücken wird genutzt, um Spaltprozesse mit Hilfe einer Ionisationskammer oder Nebelkammer nachzuweisen. Ein Foto von Spuren von Spaltfragmenten in einer Nebelkammer ist in Abb. 1 gezeigt. 403. Es ist äußerst bedeutsam, dass die bei der Spaltung eines Urankerns emittierten Neutronen (die sogenannten sekundären Spaltneutronen) in der Lage sind, die Spaltung neuer Urankerne zu bewirken. Dank dessen ist es möglich, eine Spaltungskettenreaktion durchzuführen: Die einmal entstandene Reaktion kann im Prinzip von selbst weitergehen und eine zunehmende Anzahl von Kernen umfassen. Das Entwicklungsschema einer solchen wachsenden Cellonreaktion ist in Abb. 404.

Reis. 403. Foto von Spuren von Uranspaltfragmenten in einer Nebelkammer: Fragmente () streuen in entgegengesetzte Richtungen von einer dünnen Uranschicht, die auf einer Platte abgelagert ist, die die Kammer blockiert. Das Bild zeigt auch viele dünnere Spuren, die zu Protonen gehören, die von Neutronen aus in der Kammer enthaltenen Wasserautomolekülen herausgeschlagen wurden.

Die Durchführung einer Spaltkettenreaktion ist in der Praxis nicht einfach; Die Erfahrung zeigt, dass in der Masse des natürlichen Urans keine Kettenreaktion abläuft. Der Grund dafür liegt im Verlust von Sekundärneutronen; In natürlichem Uran sind die meisten Neutronen aus dem Spiel, ohne eine Spaltung zu verursachen. Wie Studien gezeigt haben, tritt der Verlust von Neutronen im häufigsten Isotop von Uran auf - Uran - 238 (). Dieses Isotop absorbiert leicht Neutronen in einer Reaktion ähnlich der Reaktion von Silber mit Neutronen (siehe § 222); dabei entsteht ein künstlich radioaktives Isotop. Es teilt sich nur schwer und nur unter Einwirkung schneller Neutronen.

Ein Isotop, das in einer Menge in natürlichem Uran enthalten ist, hat erfolgreichere Eigenschaften für eine Kettenreaktion. Es wird unter der Einwirkung von Neutronen jeder Energie geteilt - schnell und langsam, und je besser, desto niedriger ist die Neutronenenergie. Der mit der Kernspaltung konkurrierende Prozess – die einfache Aufnahme von Neutronen – ist dagegen unwahrscheinlich. Daher ist bei reinem Uran-235 eine Spaltkettenreaktion möglich, vorausgesetzt jedoch, dass die Masse von Uran-235 groß genug ist. Bei massearmem Uran wird die Spaltreaktion durch die Emission sekundärer Neutronen außerhalb seiner Materie beendet.

Reis. 404. Entwicklung einer wertvollen Spaltreaktion: Es wird bedingt akzeptiert, dass bei der Kernspaltung zwei Neutronen emittiert werden und es keine Neutronenverluste gibt, d.h. jedes Neutron verursacht eine neue Spaltung; Kreise - Spaltfragmente, Pfeile - Spaltneutronen

Tatsächlich legt ein Neutron aufgrund der winzigen Größe von Atomkernen eine lange Strecke in Materie zurück (gemessen in Zentimetern), bevor es versehentlich auf einen Kern trifft. Wenn die Abmessungen des Körpers klein sind, ist die Wahrscheinlichkeit einer Kollision auf dem Weg zum Ausgang gering. Fast alle Neutronen der sekundären Spaltung fliegen durch die Körperoberfläche, ohne neue Spaltungen zu verursachen, d.h. ohne die Reaktion fortzusetzen.

Aus einem Körper mit großen Abmessungen fliegen hauptsächlich Neutronen heraus, die in der Oberflächenschicht gebildet werden. Die im Inneren des Körpers gebildeten Neutronen haben eine ausreichende Urandicke vor sich und verursachen zum größten Teil neue Spaltungen, die die Reaktion fortsetzen (Abb. 405). Je größer die Masse von Uran ist, desto kleiner ist der Volumenanteil der Oberflächenschicht, aus der viele Neutronen verloren gehen, und desto günstiger sind die Bedingungen für die Entwicklung einer Kettenreaktion.

Reis. 405. Entwicklung einer Spaltkettenreaktion in . a) In einer kleinen Masse fliegen die meisten Spaltneutronen heraus. b) In einer großen Uranmasse bewirken viele Spaltneutronen die Spaltung neuer Kerne; die Zahl der Teilungen nimmt von Generation zu Generation zu. Kreise - Spaltfragmente, Pfeile - Spaltneutronen

Durch allmähliche Erhöhung der Menge erreichen wir die kritische Masse, also die kleinste Masse, ab der eine anhaltende Spaltkettenreaktion möglich ist. Mit einer weiteren Massenzunahme beginnt sich die Reaktion schnell zu entwickeln (sie wird durch spontane Spaltung initiiert). Wenn die Masse unter den kritischen Wert sinkt, klingt die Reaktion ab.

Sie können also eine Kettenreaktion der Spaltung durchführen. Wenn du genug rein hast, trenne dich ab.

Wie wir in §202 gesehen haben, ist die Isotopentrennung ein komplexer und teurer Vorgang, aber dennoch möglich. Tatsächlich war die Extraktion aus natürlichem Uran eine der Möglichkeiten, wie die Spaltkettenreaktion in die Praxis umgesetzt wurde.

Gleichzeitig wurde die Kettenreaktion auf einem anderen Weg erreicht, der keine Trennung von Uranisotopen erforderte. Diese Methode ist im Prinzip etwas komplizierter, aber einfacher umzusetzen. Es nutzt die Verlangsamung schneller sekundärer Spaltneutronen auf die Geschwindigkeit thermischer Bewegung. Wir haben gesehen, dass im natürlichen Uran die unmittelbaren sekundären Neutronen hauptsächlich vom Isotop absorbiert werden. Da die Aufnahme nicht zur Spaltung führt, bricht die Reaktion ab. Messungen zeigen, dass, wenn Neutronen auf thermische Geschwindigkeiten abgebremst werden, die Absorptionsleistung stärker zunimmt als die Absorptionsleistung. Die Absorption von Neutronen durch das Isotop , was zur Spaltung führt, gewinnt die Oberhand. Wenn daher Spaltneutronen verlangsamt werden, wodurch verhindert wird, dass sie in absorbiert werden, wird eine Kettenreaktion mit natürlichem Uran möglich.

Reis. 406. Ein System aus natürlichem Uran und einem Moderator, in dem sich eine Spaltungskettenreaktion entwickeln kann

In der Praxis wird dieses Ergebnis dadurch erreicht, dass Rauchstäbe aus natürlichem Uran in Form eines seltenen Gitters in den Moderator eingebracht werden (Abb. 406). Als Moderatoren werden Substanzen mit niedriger Atommasse und schwach absorbierenden Neutronen verwendet. Gute Moderatoren sind Graphit, schweres Wasser, Beryllium.

Lassen Sie die Spaltung des Urankerns in einem der Stäbe stattfinden. Da der Stab relativ dünn ist, fliegen die schnellen Sekundärneutronen fast vollständig in den Moderator. Die Stäbchen befinden sich recht selten im Gitter. Bevor das emittierte Neutron auf den neuen Stab trifft, erfährt es viele Kollisionen mit den Kernen des Moderators und verlangsamt sich auf die Geschwindigkeit der thermischen Bewegung (Abb. 407). Wenn das Neutron dann auf den Uranstab trifft, wird es höchstwahrscheinlich absorbiert und verursacht eine neue Spaltung, wodurch die Reaktion fortgesetzt wird. Die Spaltkettenreaktion wurde erstmals 1942 in den Vereinigten Staaten durchgeführt. eine Gruppe von Wissenschaftlern unter der Leitung des italienischen Physikers Enrico Fermi (1901-1954) in einem System mit natürlichem Uran. Dieser Prozess wurde 1946 in der UdSSR unabhängig implementiert. Akademiker Igor Vasilievich Kurchatov (1903-1960) mit Mitarbeitern.

Reis. 407. Entwicklung einer wertvollen Spaltreaktion in einem System aus natürlichem Uran und einem Moderator. Ein schnelles Neutron, das aus einem dünnen Stab herausfliegt, trifft auf den Moderator und wird langsamer. Auch im Uran wird das verlangsamte Neutron wahrscheinlich in absorbiert und verursacht eine Spaltung (Symbol: zwei weiße Kreise). Einige Neutronen werden absorbiert, ohne eine Spaltung zu verursachen (Symbol: schwarzer Kreis)

Kernreaktionen. Die Wechselwirkung eines Teilchens mit einem Atomkern, die zur Umwandlung dieses Kerns in einen neuen Kern unter Freisetzung von Sekundärteilchen oder Gammaquanten führt, wird als Kernreaktion bezeichnet.

Die erste Kernreaktion wurde 1919 von Rutherford durchgeführt. Er entdeckte, dass beim Zusammenstoß von Alpha-Teilchen mit den Kernen von Stickstoffatomen sich schnell bewegende Protonen gebildet werden. Das bedeutete, dass der Kern des Stickstoffisotops infolge einer Kollision mit einem Alphateilchen zum Kern eines Sauerstoffisotops wurde:

.

Kernreaktionen können unter Freisetzung oder Aufnahme von Energie ablaufen. Mit Hilfe des Masse-Energie-Beziehungsgesetzes lässt sich die Energieausbeute einer Kernreaktion bestimmen, indem man die Differenz zwischen den Massen der in die Reaktion eintretenden Teilchen und den Reaktionsprodukten ermittelt:

Kettenreaktion der Spaltung von Urankernen. Unter den verschiedenen Kernreaktionen sind Kettenreaktionen der Spaltung einiger schwerer Kerne von besonderer Bedeutung im Leben der modernen menschlichen Gesellschaft.

Die Spaltreaktion von Urankernen bei ihrem Beschuss mit Neutronen wurde 1939 entdeckt. Als Ergebnis experimenteller und theoretischer Untersuchungen von E. Fermi, I. Joliot-Curie, O. Hahn, F. Strassmann, L. Meitner, O Frisch, F. Joliot-Curie wurde festgestellt, dass beim Eintritt eines Neutrons in den Urankern der Kern in zwei oder drei Teile geteilt wird.

Die Spaltung eines Urankerns setzt etwa 200 MeV Energie frei. Die kinetische Energie der Bewegung von Bruchstückkernen beträgt etwa 165 MeV, der Rest der Energie wird von Gamma-Quanten abgeführt.

Wenn wir die Energie kennen, die bei der Spaltung eines Urankerns freigesetzt wird, können wir berechnen, dass die Energieausbeute aus der Spaltung aller Kerne von 1 kg Uran 80 Milliarden Joule beträgt. Das ist mehrere Millionen Mal mehr als bei der Verbrennung von 1 kg Kohle oder Öl freigesetzt wird. Daher wurde nach Möglichkeiten gesucht, Kernenergie in erheblichen Mengen für ihre praktische Nutzung freizusetzen.

F. Joliot-Curie schlug erstmals 1934 die Möglichkeit vor, nukleare Kettenreaktionen durchzuführen. 1939 entdeckte er zusammen mit H. Halban und L. Kovarsky experimentell, dass bei der Spaltung eines Urankerns zusätzlich zu Fragmente-Kerne, 2 -3 freie Neutronen. Unter günstigen Bedingungen können diese Neutronen auf andere Urankerne treffen und diese zur Spaltung bringen. Während der Spaltung von drei Urankernen sollten 6-9 neue Neutronen freigesetzt werden, sie fallen in neue Urankerne usw. Das Schema für die Entwicklung einer Kettenreaktion der Spaltung von Urankernen ist in Abbildung 316 dargestellt.

Reis. 316

Die praktische Umsetzung von Kettenreaktionen ist nicht so einfach, wie es in der Grafik aussieht. Die bei der Spaltung von Urankernen freigesetzten Neutronen können nur die Kerne des Uranisotops mit der Massenzahl 235 spalten, während ihre Energie nicht ausreicht, um die Kerne des Uranisotops mit der Massenzahl 238 zu zerstören. Beim Natururan macht Uran mit der Massenzahl 238 99,8 % aus, während Uran mit der Massenzahl 235 nur 0,7 % ausmacht. Daher ist die erste Möglichkeit zur Durchführung einer Spaltkettenreaktion mit der Trennung von Uranisotopen und der Herstellung eines reinen Isotops in ausreichend großen Mengen verbunden. Eine notwendige Bedingung für die Durchführung einer Kettenreaktion ist das Vorhandensein einer ausreichend großen Menge Uran, da in einer kleinen Probe die meisten Neutronen durch die Probe fliegen, ohne auf einen Kern zu treffen. Die Mindestmasse von Uran, bei der eine Kettenreaktion ablaufen kann, wird als kritische Masse bezeichnet. Die kritische Masse für Uran-235 beträgt mehrere zehn Kilogramm.

Der einfachste Weg, eine Kettenreaktion in Uran-235 durchzuführen, ist wie folgt: Zwei Stücke Uranmetall werden hergestellt, jedes mit einer Masse, die etwas unter der kritischen liegt. Eine Kettenreaktion in jedem von ihnen getrennt kann nicht ablaufen. Bei der schnellen Verbindung dieser Teile entwickelt sich eine Kettenreaktion und es wird enorme Energie freigesetzt. Die Temperatur von Uran erreicht Millionen Grad, das Uran selbst und alle anderen Substanzen in der Nähe verwandeln sich in Dampf. Der heiße gasförmige Ball dehnt sich schnell aus, verbrennt und zerstört alles auf seinem Weg. So kommt es zu einer nuklearen Explosion.

Es ist sehr schwierig, die Energie einer nuklearen Explosion für friedliche Zwecke zu nutzen, da die Energiefreisetzung in diesem Fall nicht kontrolliert werden kann. In Kernreaktoren werden kontrollierte Kettenreaktionen der Spaltung von Urankernen durchgeführt.

Kernreaktor. Die ersten Kernreaktoren waren langsame Neutronenreaktoren (Abb. 317). Die meisten Neutronen, die bei der Spaltung von Urankernen freigesetzt werden, haben eine Energie von 1-2 MeV. Gleichzeitig betragen ihre Geschwindigkeiten ungefähr 107 m / s, daher werden sie als schnelle Neutronen bezeichnet. Bei solchen Energien interagieren Neutronen mit den Kernen von Uran und Uran mit ungefähr der gleichen Effizienz. Und da es in natürlichem Uran 140-mal mehr Urankerne als Urankerne gibt, werden die meisten dieser Neutronen von Urankernen absorbiert und die Kettenreaktion entwickelt sich nicht. Neutronen, die sich mit Geschwindigkeiten nahe der thermischen Geschwindigkeit (etwa 2·10 3 m/s) bewegen, werden als langsam oder thermisch bezeichnet. Langsame Neutronen interagieren gut mit Uran-235-Kernen und werden von ihnen 500-mal effizienter absorbiert als schnelle. Wenn daher natürliches Uran mit langsamen Neutronen bestrahlt wird, werden die meisten von ihnen nicht in Uran-238-Kernen, sondern in Uran-235-Kernen absorbiert und verursachen deren Spaltung. Folglich müssen für die Entwicklung einer Kettenreaktion in natürlichem Uran die Neutronengeschwindigkeiten auf thermische reduziert werden.

Reis. 317

Neutronen werden durch Stöße mit den Atomkernen des Mediums, in dem sie sich bewegen, abgebremst. Um Neutronen in einem Reaktor zu verlangsamen, wird eine spezielle Substanz namens Moderator verwendet. Die Atomkerne der Moderatorsubstanz sollten eine relativ geringe Masse haben, da ein Neutron bei einer Kollision mit einem leichten Kern mehr Energie verliert als bei einer Kollision mit einem schweren. Die gebräuchlichsten Moderatoren sind reines Wasser und Graphit.

Der Raum, in dem die Kettenreaktion stattfindet, wird als Reaktorkern bezeichnet. Um das Austreten von Neutronen zu verringern, ist der Reaktorkern von einem Neutronenreflektor umgeben, der einen erheblichen Teil der emittierten Neutronen in den Kern wirft. Der Reflektor ist normalerweise die gleiche Substanz, die als Moderator dient.

Die beim Betrieb des Reaktors freigesetzte Energie wird mit einem Kühlmittel abgeführt. Als Kühlmittel können nur Flüssigkeiten und Gase verwendet werden, die keine Fähigkeit zur Absorption von Neutronen besitzen. Als Kühlmittel wird häufig gewöhnliches Wasser verwendet, manchmal werden Kohlendioxid und sogar flüssiges metallisches Natrium verwendet.

Der Reaktor wird mittels spezieller Steuerstäbe (oder Steuerstäbe) gesteuert, die in den Reaktorkern eingeführt werden. Steuerstäbe bestehen aus Bor- oder Cadmiumverbindungen, die thermische Neutronen mit sehr hoher Effizienz absorbieren. Vor Inbetriebnahme des Reaktors werden sie vollständig in dessen Kern eingebracht. Sie absorbieren einen erheblichen Teil der Neutronen und machen es unmöglich, eine Kettenreaktion zu entwickeln. Um den Reaktor zu starten, werden die Steuerstäbe allmählich aus dem Kern herausgezogen, bis die Energiefreisetzung ein vorbestimmtes Niveau erreicht. Wenn die Leistung über das eingestellte Niveau steigt, werden Automaten eingeschaltet und tauchen die Steuerstäbe in die Tiefe der aktiven Zone ein.

Kernenergie. In unserem Land wurde erstmals Kernenergie in den Dienst des Friedens gestellt. Der Akademiker Igor Vasilievich Kurchatov (1903-1960) war der erste Organisator und Leiter von Arbeiten zur Atomwissenschaft und -technologie in der UdSSR.

Derzeit das größte in der UdSSR und in Europa, das KKW Leningrad. IN UND. Lenin hat eine Kapazität von 4000 MW, d.h. 800-fache Leistung des ersten Kernkraftwerks.

Die Kosten des in großen Kernkraftwerken erzeugten Stroms sind niedriger als die Kosten des in thermischen Kraftwerken erzeugten Stroms. Daher entwickelt sich die Kernenergie in einem beschleunigten Tempo.

Kernreaktoren werden als Kraftwerke auf Seeschiffen eingesetzt. Das weltweit erste friedliche Schiff mit Kernkraftwerk, der Atomeisbrecher Lenin, wurde 1959 in der Sowjetunion gebaut.

Der 1975 gebaute sowjetische Atomeisbrecher Arktika erreichte als erstes Überwasserschiff der Welt den Nordpol.

thermonukleare Reaktion. Kernenergie wird nicht nur bei den Kernspaltungsreaktionen schwerer Kerne freigesetzt, sondern auch bei den Reaktionen des Zusammenschlusses leichter Atomkerne.

Um gleich geladene Protonen zu verbinden, müssen die Coulomb-Abstoßungskräfte überwunden werden, was bei ausreichend hohen Geschwindigkeiten kollidierender Teilchen möglich ist. Die notwendigen Bedingungen für die Synthese von Heliumkernen aus Protonen finden sich im Inneren von Sternen. Auf der Erde wurde eine thermonukleare Fusionsreaktion in experimentellen thermonuklearen Explosionen durchgeführt.

Die Synthese von Helium aus dem leichten Wasserstoffisotop erfolgt bei einer Temperatur von etwa 108 K und für die Synthese von Helium aus den schweren Wasserstoffisotopen - Deuterium und Tritium - gemäß dem Schema

Aufheizen auf etwa 5 10 7 K ist erforderlich.

Bei der Synthese von 1 g Helium aus Deuterium und Tritium wird eine Energie von 4,2·10 11 J freigesetzt, die beim Verbrennen von 10 Tonnen Dieselkraftstoff freigesetzt wird.

Die Wasserstoffreserven auf der Erde sind praktisch unerschöpflich, daher ist die friedliche Nutzung der thermonuklearen Fusionsenergie eine der wichtigsten Aufgaben moderner Wissenschaft und Technik.

Die kontrollierte thermonukleare Reaktion der Heliumsynthese aus schweren Wasserstoffisotopen durch Erhitzen soll durch Durchleiten eines elektrischen Stroms durch das Plasma erfolgen. Ein Magnetfeld wird verwendet, um zu verhindern, dass das erhitzte Plasma die Kammerwände berührt. In der Versuchsanlage Tokamak-10 gelang es sowjetischen Physikern, das Plasma auf eine Temperatur von 13 Millionen Grad zu erhitzen. Wasserstoff lässt sich mit Laserstrahlung auf höhere Temperaturen erhitzen. Dazu müssen Lichtstrahlen mehrerer Laser auf eine Glaskugel fokussiert werden, in deren Inneren sich ein Gemisch aus schweren Isotopen von Deuterium und Tritium befindet. In Experimenten an Laseranlagen wurde bereits Plasma mit einer Temperatur von mehreren zehn Millionen Grad erhalten.