Es kommt zur Spaltung von Urankernen auf die folgende Weise: Zuerst trifft ein Neutron auf den Kern, wie eine Kugel in einen Apfel. Im Falle eines Apfels hätte eine Kugel ein Loch hineingerissen oder ihn in Stücke gerissen. Wenn ein Neutron in den Kern eintritt, wird es von Kernkräften eingefangen. Das Neutron ist bekanntermaßen neutral, wird also nicht durch elektrostatische Kräfte abgestoßen.

Wie kommt es zur Uranspaltung?

Nachdem das Neutron in die Zusammensetzung des Kerns gelangt ist, bricht es das Gleichgewicht und der Kern wird angeregt. Es erstreckt sich wie eine Hantel oder ein Unendlichkeitszeichen zu den Seiten: ∞ . Kernkräfte wirken bekanntlich in einem Abstand, der der Größe der Teilchen entspricht. Wenn der Kern gedehnt wird, wird die Wirkung von Kernkräften für die extremen Teilchen der "Hantel" unbedeutend, während elektrische Kräfte in einer solchen Entfernung sehr stark wirken und der Kern einfach in zwei Teile zerbricht. Dabei werden auch zwei oder drei Neutronen emittiert.

Bruchstücke des Kerns und die freigesetzten Neutronen streuen mit großer Geschwindigkeit in verschiedene Richtungen. Die Bruchstücke werden durch die Umgebung ziemlich schnell abgebremst, aber ihre kinetische Energie ist enorm. Sie wird in die innere Energie des Mediums umgewandelt, das sich erwärmt. In diesem Fall ist die freigesetzte Energiemenge enorm. Die Energie, die aus der vollständigen Spaltung von einem Gramm Uran gewonnen wird, entspricht ungefähr der Energie, die aus der Verbrennung von 2,5 Tonnen Öl gewonnen wird.

Kettenreaktion der Spaltung mehrerer Kerne

Wir haben die Spaltung eines Urankerns betrachtet. Bei der Spaltung wurden mehrere (meistens zwei oder drei) Neutronen freigesetzt. Sie streuen mit großer Geschwindigkeit zu den Seiten und können leicht in die Kerne anderer Atome fallen, wodurch in ihnen eine Spaltungsreaktion ausgelöst wird. Das ist die Kettenreaktion.

Das heißt, die als Ergebnis der Kernspaltung erhaltenen Neutronen regen andere Kerne an und zwingen sie zur Spaltung, die ihrerseits wiederum Neutronen emittieren, die weiterhin eine weitere Spaltung anregen. Und so weiter, bis die Spaltung aller Urankerne in unmittelbarer Nähe eintritt.

In diesem Fall kann es zu einer Kettenreaktion kommen wie eine Lawine, zum Beispiel im Falle einer Atombombenexplosion. Die Zahl der Kernspaltungen steigt in kurzer Zeit exponentiell an. Es kann jedoch zu einer Kettenreaktion kommen mit Dämpfung.

Tatsache ist, dass nicht alle Neutronen auf ihrem Weg auf Kerne treffen, die sie zur Spaltung anregen. Wie wir uns erinnern, wird das Hauptvolumen innerhalb der Substanz durch den Hohlraum zwischen den Teilchen eingenommen. Daher fliegen einige Neutronen durch alle Materie, ohne mit irgendetwas auf dem Weg zu kollidieren. Und wenn die Anzahl der Kernspaltungen mit der Zeit abnimmt, lässt die Reaktion allmählich nach.

Kernreaktionen und die kritische Masse von Uran

Was bestimmt die Art der Reaktion? Aus der Uranmasse. Je größer die Masse, desto mehr Teilchen trifft das fliegende Neutron auf seinem Weg und es hat mehr Chancen, in den Kern zu gelangen. Daher wird eine „kritische Masse“ von Uran unterschieden – das ist eine solche Mindestmasse, bei der eine Kettenreaktion möglich ist.

Die Anzahl der gebildeten Neutronen entspricht der Anzahl der ausgeflogenen Neutronen. Und die Reaktion wird ungefähr mit der gleichen Geschwindigkeit ablaufen, bis das gesamte Volumen der Substanz produziert ist. Dies wird in der Praxis in Kernkraftwerken verwendet und wird als kontrollierte Kernreaktion bezeichnet.

Es ist bekannt, dass die Spaltenergie schwerer Kerne, die für praktische Zwecke verwendet wird, die kinetische Energie von Fragmenten der ursprünglichen Kerne ist. Aber was ist der Ursprung dieser Energie, dh. Welche Energie wird in kinetische Energie von Fragmenten umgewandelt?

Die offiziellen Ansichten zu diesem Thema sind äußerst widersprüchlich. Also schreibt Mukhin, dass die große Energie, die während der Spaltung eines schweren Kerns freigesetzt wird, auf den Unterschied der Massendefekte im ursprünglichen Kern und den Fragmenten zurückzuführen ist – und basierend auf dieser Logik erhält er eine Schätzung der Energieausbeute während der Spaltung des Kerns Urankern: "200 MeV. Aber dann schreibt er, dass die Energie ihrer Coulomb-Abstoßung in die kinetische Energie der Fragmente umgewandelt wird – die, wenn die Fragmente nahe beieinander liegen, dieselben »200 MeV sind. Die Nähe dieser beiden Schätzungen zum experimentellen Wert ist natürlich beeindruckend, aber die Frage ist relevant: Wird die Differenz der Massendefekte oder die Energie der Coulomb-Abstoßung immer noch zur kinetischen Energie der Fragmente? Sie entscheiden bereits, was Sie uns erzählen - über den Holunder beim oder über einen Onkel in Kiew!

Dieses Sackgassendilemma haben sich die Theoretiker selbst ausgedacht: Nach ihrer Logik benötigen sie sicherlich sowohl den Unterschied der Massendefekte als auch die Coulomb-Abstoßung. Weigern Sie sich entweder das eine oder das andere, und die Wertlosigkeit der traditionellen Anfangsannahmen in der Kernphysik wird ziemlich offensichtlich. Warum sprechen sie zum Beispiel über den Unterschied bei Massendefekten? Dann, um irgendwie die Möglichkeit des Phänomens der Spaltung schwerer Kerne zu erklären. Sie versuchen uns einzureden, dass die Spaltung schwerer Kerne stattfindet, weil sie energetisch günstig ist. Was sind Wunder? Bei der Spaltung eines schweren Kerns werden einige der Kernbindungen zerstört - und die Energien der Kernbindungen werden in MeV berechnet! Nukleonen in einem Atomkern sind um Größenordnungen stärker gebunden als Atomelektronen. Und die Erfahrung lehrt uns, dass das System gerade im Bereich der Energiewirtschaftlichkeit stabil ist – und wenn es energetisch rentabel wäre, es aufzulösen, würde es sofort auflösen. Aber Vorkommen von Uranerzen gibt es in der Natur! Von welcher Art von „Energierentabilität“ der Uran-Kernspaltung können wir sprechen?

Damit die Annahme, dass die Spaltung eines schweren Kerns vorteilhaft ist, nicht zu auffällig ist, haben Theoretiker einen Ablenkungsmanöver begangen: Sie sprechen von diesem "Vorteil" in Bezug auf die durchschnittliche Bindungsenergie, die darauf zurückzuführen ist pro Nukleon. Mit zunehmender Ordnungszahl nimmt zwar auch die Größe des Massendefekts im Kern zu, aber die Anzahl der Nukleonen im Kern nimmt schneller zu - aufgrund überschüssiger Neutronen. Daher nimmt für schwere Kerne die pro Nukleon umgerechnete Gesamtbindungsenergie mit zunehmender Ordnungszahl ab. Es scheint, dass das Teilen für schwere Kerne wirklich vorteilhaft ist? Leider basiert diese Logik auf traditionellen Vorstellungen, die nukleare Verbindungen abdecken alles Nukleonen im Kern. Mit dieser Annahme die durchschnittliche Bindungsenergie pro Nukleon E 1 ist der Quotient der Kernbindungsenergie Division D E für die Anzahl der Nukleonen:

E 1=D E/EIN, D E=(Zm p +( A-Z)m n)c 2 -(M beim - Zme)c 2 , (4.13.1)

wo Z- Ordnungszahl, d.h. Zahl der Protonen EIN- Anzahl der Nukleonen, m p , m n und mich sind die Massen von Proton, Neutron und Elektron, M at ist die Masse des Atoms. Wir haben jedoch bereits oben die Unzulänglichkeit traditioneller Vorstellungen über den Kern veranschaulicht ( 4.11 ). Und wenn nach der Logik des vorgeschlagenen Modells ( 4.12 ), bei der Berechnung der Bindungsenergie pro Nukleon diejenigen Nukleonen im Kern unberücksichtigt lassen, die vorübergehend nicht von Kernbindungen bedeckt sind, dann erhalten wir eine andere Formel als (4.13.1). Nehmen wir an, dass die aktuelle Anzahl der gebundenen Nukleonen 2 ist Z (4.12 ), und dass jeder von ihnen nur die halbe Zeit der Verbindung verbunden ist ( 4.12 ), dann erhalten wir für die durchschnittliche Bindungsenergie pro Nukleon die Formel

E 1*=D E/Z , (4.13.2)

die sich von (4.13.1) nur im Nenner unterscheidet. Geglättete Funktionen E 1 (Z) und E 1 * (Z) werden weiter gegeben Abb.4.13. Anders als der übliche Zeitplan E 1 (Z), platziert in vielen Lehrbüchern, Grafik E 1 * (Z) hat ein bemerkenswertes Merkmal: Es zeigt für schwere Kerne, Unabhängigkeit Bindungsenergie pro Nukleon auf die Anzahl der Nukleonen. Also von unserem Modell ( 4.12 ) folgt, dass von einer „energetischen Rentabilität“ der Spaltung schwerer Kerne – im Sinne des gesunden Menschenverstandes – keine Rede sein kann. Das heißt, die kinetische Energie der Fragmente kann nicht auf den Unterschied in den Massendefekten des ursprünglichen Kerns und der Fragmente zurückzuführen sein.

Abb.4.13

In Übereinstimmung mit demselben gesunden Menschenverstand kann die Energie ihrer Coulomb-Abstoßung nicht in die kinetische Energie von Bruchstücken umgewandelt werden: Wir haben als theoretische Argumente ( 4.7 , 4.12 ) und experimentelle Beweise ( 4.12 ), dass es keine Coulomb-Abstoßung für die Teilchen gibt, aus denen der Kern besteht.

Was ist dann der Ursprung der kinetischen Energie von Fragmenten eines schweren Kerns? Versuchen wir zunächst, die Frage zu beantworten: Warum wird bei einer nuklearen Kettenreaktion die Kernspaltung effektiv durch Neutronen verursacht, die während der vorherigen Spaltung emittiert wurden - außerdem durch thermische Neutronen, d.h. mit Energien, die im nuklearen Maßstab vernachlässigbar sind. Mit der Tatsache, dass thermische Neutronen die Fähigkeit haben, schwere Kerne aufzubrechen, scheint es schwierig, unsere Schlussfolgerung in Einklang zu bringen, dass "überschüssige" - ​​im Moment - Neutronen in schweren Kernen frei sind ( 4.12 ). Ein schwerer Kern ist buchstäblich mit thermischen Neutronen vollgestopft, aber er zerfällt überhaupt nicht - obwohl seine sofortige Spaltung dazu führt, dass ein einzelnes thermisches Neutron, das bei der vorherigen Spaltung emittiert wurde, ihn trifft.

Es ist logisch anzunehmen, dass sich vorübergehend freie thermische Neutronen in schweren Kernen und thermische Neutronen, die bei der Spaltung schwerer Kerne emittiert werden, noch voneinander unterscheiden. Da beide keine nuklearen Unterbrechungen haben, muss der Freiheitsgrad, in dem sie sich unterscheiden können, einen Prozess haben, der für eine interne Kopplung im Neutron sorgt - durch zyklische Umwandlungen seiner Konstituentenpaare ( 4.10 ). Und der einzige Freiheitsgrad, den wir hier sehen, ist die Möglichkeit Schwächung diese interne Verbindung "auf Massengewinn" ( 4.10 ), aufgrund einer Abnahme der Häufigkeit zyklischer Umwandlungen im Neutron - mit der Emission der entsprechenden g-Quanten. Neutronen in einen so geschwächten Zustand zu bringen - zum Beispiel beim Zerfall schwerer Kerne, bei extremen Energieumwandlungen von einer Form in eine andere - scheint uns nichts Ungewöhnliches zu sein. Der geschwächte Zustand des Neutrons ist offenbar auf den abnormalen Betrieb des Programms zurückzuführen, das das Neutron in der physischen Welt bildet - und gleichzeitig fällt es dem Neutron leichter, in ein Proton und ein Elektron zu zerfallen. Es scheint, dass die durchschnittliche Lebensdauer von 17 Minuten, die für von Kernreaktoren emittierte Neutronen gemessen wurde, typisch für abgeschwächte Neutronen ist. Ein ungedämpftes Neutron ist unserer Meinung nach lebensfähig, solange der Algorithmus, der es verbindet, funktioniert ( 4.10 ), also auf unbestimmte Zeit.

Wie zerstört ein geschwächtes Neutron einen schweren Kern? Im Vergleich zu ungeschwächten Neutronen ist die Unterbrechungsdauer der Nukleonenpulsationen für geschwächte Neutronen verlängert. Wenn ein solches Neutron, das in den Kern eingetreten ist, Kernunterbrechungen „angeschaltet“ hat, so dass es mit irgendeinem Proton assoziiert wird, dann entsteht der oben beschriebene Gleichlauf des Bindungswechsels im Tripel n 0 -p + -n 0 (4.12 ) wird unmöglich sein. Dadurch wird der Synchronismus der Bindungen im entsprechenden a-Komplex gestört, was zu einer Folge von Bindungswechselfehlern führt, die die a-Komplexe optimal umformen und die dynamische Struktur des Kerns sicherstellen ( 4.12 ). Bildlich gesprochen wird ein Riss durch den Kern gehen, der nicht durch das gewaltsame Brechen von Kernbindungen erzeugt wird, sondern durch Verletzungen des Synchronismus ihrer Umschaltung. Beachten Sie, dass der Schlüsselmoment für das beschriebene Szenario das "Einschalten" der Kernbindung im geschwächten Neutron ist - und damit dieses "Einschalten" stattfinden kann, muss das Neutron eine ausreichend kleine kinetische Energie haben. So erklären wir, warum Neutronen mit einer kinetischen Energie von mehreren hundert keV nur einen schweren Kern anregen, während thermische Neutronen mit Energien von nur wenigen hundertstel eV ihn effektiv auseinander brechen können.

Was sehen wir? Bei der Teilung des Kerns in zwei Fragmente zerbröseln „zufällig“ jene Kernbindungen, die im normalen Modus ihrer Umschaltung ( 4.12 ), verknüpfte diese beiden Fragmente im ursprünglichen Zellkern. Es entsteht eine abnormale Situation, in der die Eigenenergie einiger Nukleonen durch die Energie von Kernbindungen reduziert wird, diese Bindungen selbst jedoch nicht mehr existieren. Diese Kontingenz, nach der Logik des Prinzips autonomer Energieumwandlungen ( 4.4 ), wird die Situation sofort wie folgt korrigiert: Die Eigenenergien der Nukleonen bleiben wie sie sind, und die früheren Energien der gebrochenen Bindungen werden in die kinetische Energie der Nukleonen umgewandelt - und schließlich in die kinetische Energie der Fragmente. Somit ist die Spaltungsenergie eines schweren Kerns nicht auf den Unterschied zwischen den Massendefekten des ursprünglichen Kerns und der Fragmente und nicht auf die Energie der Coulomb-Abstoßung der Fragmente zurückzuführen. Die kinetische Energie der Bruchstücke ist die frühere Energie der Kernbindungen, die diese Bruchstücke im ursprünglichen Kern gehalten haben. Diese Schlussfolgerung wird durch die bemerkenswerte und wenig bekannte Tatsache der Konstanz der kinetischen Energie der Fragmente gestützt, unabhängig von der Stärke des Aufpralls, der die Spaltung des Kerns auslöst. Wenn also die Spaltung von Urankernen durch Protonen mit einer Energie von 450 MeV initiiert wurde, betrug die kinetische Energie der Fragmente 163 ± 8 MeV, d.h. so viel wie wenn die Spaltung durch thermische Neutronen mit Energien im Hundertstel eV initiiert wird!

Lassen Sie uns auf der Grundlage des vorgeschlagenen Modells eine ungefähre Schätzung der Spaltungsenergie des Urankerns gemäß der wahrscheinlichsten Variante vornehmen, 92 U 235 ® 36 Kr 94 + 56 Ba 139 , in der die Fragmente 18 und 28 a-Komplexe umfassen . Unter der Annahme, dass diese 18- und 28-a-Komplexe im ursprünglichen Kern durch 8-10 schaltbare Bindungen mit jeweils einer mittleren Energie von 20 MeV verknüpft waren (siehe Abb. Abb.4.13), dann sollte die Energie der Fragmente 160–200 MeV betragen, d.h. Wert nahe dem tatsächlichen Wert.

Der Inhalt des Artikels

KERNSPALTUNG, eine Kernreaktion, bei der ein Atomkern beim Beschuss mit Neutronen in zwei oder mehr Fragmente zerfällt. Die Gesamtmasse der Fragmente ist normalerweise kleiner als die Summe der Massen des ursprünglichen Kerns und des bombardierenden Neutrons. "Die fehlende Messe" m verwandelt sich in Energie E nach Einsteins Formel E = Mc 2, wo c ist die Lichtgeschwindigkeit. Da die Lichtgeschwindigkeit sehr hoch ist (299.792.458 m/s), entspricht eine kleine Masse einer riesigen Energiemenge. Diese Energie kann in Strom umgewandelt werden.

Die bei der Kernspaltung freigesetzte Energie wird beim Abbremsen der Spaltfragmente in Wärme umgewandelt. Die Geschwindigkeit der Wärmefreisetzung hängt von der Anzahl der Kerne ab, die pro Zeiteinheit gespalten werden. Wenn in einem kleinen Volumen in kurzer Zeit eine große Anzahl von Kernen gespalten wird, hat die Reaktion den Charakter einer Explosion. Das ist das Prinzip der Atombombe. Spaltt dagegen eine relativ kleine Zahl von Kernen in einem großen Volumen über längere Zeit, so entsteht eine Wärmefreisetzung, die genutzt werden kann. Darauf basieren Kernkraftwerke. In Kernkraftwerken wird die bei der Kernspaltung in Kernreaktoren freigesetzte Wärme zur Erzeugung von Dampf verwendet, der Turbinen zugeführt wird, die elektrische Generatoren drehen.

Für die praktische Anwendung von Spaltprozessen sind Uran und Plutonium am besten geeignet. Sie haben Isotope (Atome eines bestimmten Elements mit unterschiedlichen Massenzahlen), die spalten, wenn sie Neutronen absorbieren, selbst bei sehr niedrigen Energien.

Der Schlüssel zur praktischen Nutzung der Spaltenergie war die Tatsache, dass einige Elemente bei der Spaltung Neutronen emittieren. Obwohl während der Kernspaltung ein Neutron absorbiert wird, wird dieser Verlust durch die Produktion neuer Neutronen während der Spaltung ausgeglichen. Wenn das Gerät, in dem die Spaltung stattfindet, eine ausreichend große („kritische“) Masse hat, kann durch neue Neutronen eine „Kettenreaktion“ aufrechterhalten werden. Eine Kettenreaktion kann kontrolliert werden, indem die Anzahl der Neutronen angepasst wird, die eine Spaltung verursachen können. Wenn es größer als eins ist, nimmt die Teilungsintensität zu, und wenn es kleiner als eins ist, nimmt es ab.

GESCHICHTE REFERENZ

Die Geschichte der Entdeckung der Kernspaltung geht auf die Arbeiten von A. Becquerel (1852–1908) zurück. Als er 1896 die Phosphoreszenz verschiedener Materialien untersuchte, entdeckte er, dass uranhaltige Mineralien spontan Strahlung aussenden, die eine Schwärzung einer fotografischen Platte verursacht, selbst wenn ein undurchsichtiger Feststoff zwischen dem Mineral und der Platte platziert wird. Verschiedene Experimentatoren haben festgestellt, dass diese Strahlung aus Alphateilchen (Heliumkernen), Betateilchen (Elektronen) und Gammastrahlen (harte elektromagnetische Strahlung) besteht.

Die erste vom Menschen künstlich herbeigeführte Umwandlung von Kernen wurde 1919 von E. Rutherford durchgeführt, der Stickstoff in Sauerstoff umwandelte, indem er Stickstoff mit Uran-Alpha-Teilchen bestrahlte. Diese Reaktion ging mit einer Energieaufnahme einher, da die Masse ihrer Produkte - Sauerstoff und Wasserstoff - die Masse der in die Reaktion eintretenden Teilchen - Stickstoff und Alpha-Teilchen - übersteigt. Die Freisetzung von Kernenergie wurde erstmals 1932 von J. Cockcroft und E. Walton erreicht, die Lithium mit Protonen bombardierten. Bei dieser Reaktion war die Masse der in die Reaktion eintretenden Kerne etwas größer als die Masse der Produkte, wodurch Energie freigesetzt wurde.

1932 entdeckte J. Chadwick das Neutron - ein neutrales Teilchen mit einer Masse, die ungefähr der Masse des Kerns eines Wasserstoffatoms entspricht. Physiker auf der ganzen Welt begannen, die Eigenschaften dieses Teilchens zu untersuchen. Es wurde angenommen, dass ein Neutron, das keine elektrische Ladung hat und nicht von einem positiv geladenen Kern abgestoßen wird, eher Kernreaktionen hervorrufen würde. Neuere Ergebnisse haben diese Vermutung bestätigt. In Rom setzten E. Fermi und seine Mitarbeiter fast alle Elemente des Periodensystems einer Neutronenbestrahlung aus und beobachteten Kernreaktionen mit der Bildung neuer Isotope. Der Nachweis der Isotopenneubildung war die „künstliche“ Radioaktivität in Form von Gamma- und Betastrahlung.

Die ersten Hinweise auf die Möglichkeit der Kernspaltung.

Fermi wird die Entdeckung vieler heute bekannter Neutronenreaktionen zugeschrieben. Insbesondere versuchte er, ein Element mit der Ordnungszahl 93 (Neptunium) zu erhalten, indem er Uran (Element mit der Ordnungszahl 92) mit Neutronen beschoss. Gleichzeitig registrierte er Elektronen, die als Ergebnis des Neutroneneinfangs in der vorgeschlagenen Reaktion emittiert wurden

238 U + 1 n ® 239 Np + b–,

wobei 238 U ein Isotop von Uran-238 ist, 1 n ein Neutron ist, 239 Np Neptunium ist und b- - Elektron. Die Ergebnisse waren jedoch gemischt. Um auszuschließen, dass die registrierte Radioaktivität zu Uranisotopen oder anderen Elementen gehört, die sich im Periodensystem vor Uran befinden, war es notwendig, eine chemische Analyse radioaktiver Elemente durchzuführen.

Die Ergebnisse der Analyse zeigten, dass die unbekannten Elemente den Seriennummern 93, 94, 95 und 96 entsprechen. Daher schloss Fermi, dass er Transurane erhalten hatte. O. Hahn und F. Strassmann in Deutschland haben jedoch nach einer gründlichen chemischen Analyse festgestellt, dass radioaktives Barium unter den Elementen vorhanden ist, die aus der Bestrahlung von Uran mit Neutronen resultieren. Dies bedeutete, dass wahrscheinlich ein Teil der Urankerne in zwei große Fragmente geteilt wurde.

Teilungsbestätigung.

Danach führten Fermi, J. Dunning und J. Pegram von der Columbia University Experimente durch, die zeigten, dass Kernspaltung stattfindet. Die Spaltung von Uran durch Neutronen wurde durch die Methoden von Proportionalzählern, einer Nebelkammer und der Anhäufung von Spaltfragmenten bestätigt. Die erste Methode zeigte, dass hochenergetische Pulse ausgesendet werden, wenn sich eine Neutronenquelle einer Uranprobe nähert. In der Nebelkammer war zu sehen, dass der Urankern, der von Neutronen beschossen wird, in zwei Fragmente gespalten wird. Mit letzterer Methode konnte festgestellt werden, dass die Fragmente, wie von der Theorie vorhergesagt, radioaktiv sind. All dies zusammengenommen bewies überzeugend, dass Spaltung wirklich stattfindet, und ermöglichte es, die während der Spaltung freigesetzte Energie sicher zu beurteilen.

Da das zulässige Verhältnis der Zahl der Neutronen zur Zahl der Protonen in stabilen Kernen mit abnehmender Kerngröße abnimmt, muss der Anteil an Neutronen in den Bruchstücken geringer sein als im ursprünglichen Urankern. Es gab also allen Grund zu der Annahme, dass der Spaltungsprozess von der Emission von Neutronen begleitet wird. Dies wurde bald von F. Joliot-Curie und seinen Mitarbeitern experimentell bestätigt: Die Anzahl der bei der Spaltung emittierten Neutronen war größer als die Anzahl der absorbierten Neutronen. Es stellte sich heraus, dass auf ein absorbiertes Neutron etwa zweieinhalb neue Neutronen kommen. Die Möglichkeit einer Kettenreaktion und die Aussichten, eine außergewöhnlich starke Energiequelle zu schaffen und für militärische Zwecke zu nutzen, wurden sofort offensichtlich. Danach begannen in einer Reihe von Ländern (insbesondere in Deutschland und den USA) die Arbeiten zur Schaffung einer Atombombe unter strengen Geheimhaltungsbedingungen.

Entwicklungen während des Zweiten Weltkriegs.

Von 1940 bis 1945 wurde die Entwicklungsrichtung von militärischen Erwägungen bestimmt. 1941 wurden kleine Mengen Plutonium gewonnen und eine Reihe von Kernparametern für Uran und Plutonium festgelegt. In den USA unterstanden die wichtigsten dafür notwendigen Produktions- und Forschungsbetriebe dem „Manhattan Military Engineering District“, dem das „Uranium Project“ am 13.08.1942 übertragen wurde. An der Columbia University (New York) führte eine Gruppe von Mitarbeitern unter der Leitung von E. Fermi und V. Zinn die ersten Experimente durch, bei denen die Neutronenvervielfachung in einem Gitter aus Urandioxid- und Graphitblöcken - einem atomaren "Kessel" - untersucht wurde. Im Januar 1942 wurde diese Arbeit an die University of Chicago übertragen, wo im Juli 1942 Ergebnisse erzielt wurden, die die Möglichkeit einer sich selbst erhaltenden Kettenreaktion zeigten. Anfänglich arbeitete der Reaktor mit einer Leistung von 0,5 W, aber nach 10 Tagen wurde die Leistung auf 200 W erhöht. Die Möglichkeit, große Mengen Kernenergie zu gewinnen, wurde erstmals am 16. Juli 1945 demonstriert, als die erste Atombombe auf dem Testgelände in Alamogordo (New Mexico) gezündet wurde.

KERNREAKTOREN

Ein Kernreaktor ist eine Anlage, in der es möglich ist, eine kontrollierte, sich selbst erhaltende Kettenreaktion der Kernspaltung durchzuführen. Reaktoren können nach dem verwendeten Brennstoff (spaltbare und rohe Isotope), nach der Art des Moderators, nach der Art der Brennelemente und nach der Art des Kühlmittels eingeteilt werden.

spaltbare Isotope.

Es gibt drei spaltbare Isotope - Uran-235, Plutonium-239 und Uran-233. Uran-235 wird durch Isotopentrennung hergestellt; Plutonium-239 - in Reaktoren, in denen Uran-238 in Plutonium umgewandelt wird, 238 U ® 239 U ® 239 Np ® 239 Pu; Uran-233 - in Reaktoren, in denen Thorium-232 zu Uran verarbeitet wird. Der Kernbrennstoff für einen Leistungsreaktor wird auf der Grundlage seiner nuklearen und chemischen Eigenschaften sowie seiner Kosten ausgewählt.

Die folgende Tabelle zeigt die Hauptparameter der spaltbaren Isotope. Der Gesamtwirkungsquerschnitt charakterisiert die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung jeglicher Art zwischen einem Neutron und einem gegebenen Kern. Der Spaltquerschnitt charakterisiert die Wahrscheinlichkeit der Kernspaltung durch ein Neutron. Die Energieausbeute pro absorbiertem Neutron hängt davon ab, welcher Anteil der Kerne nicht am Spaltungsprozess teilnimmt. Die Anzahl der bei einem Spaltungsereignis emittierten Neutronen ist im Hinblick auf die Aufrechterhaltung der Kettenreaktion wichtig. Die Anzahl neuer Neutronen pro absorbiertem Neutron ist wichtig, weil sie die Intensität der Spaltung charakterisiert. Der Anteil verzögert emittierter Neutronen nach erfolgter Spaltung steht im Zusammenhang mit der im Material gespeicherten Energie.

MERKMALE DER SPALTBAREN ISOTOPE

MERKMALE DER SPALTBAREN ISOTOPE
Isotop	Uran-235		Uran-233		Plutonium-239
Neutronenenergie	1 MeV	0,025 eV	1 MeV	0,025 eV	1 MeV	0,025 eV
Vollständiger Abschnitt	6,6 ± 0,1	695±10	6,2 ± 0,3	600±10	7,3 ± 0,2	1005±5
Teilungsquerschnitt	1,25 ± 0,05	581 ± 6	1,85 ± 0,10	526±4	1,8 ± 0,1	751±10
Bruchteil der Kerne, die nicht an der Spaltung teilnehmen	0,077 ± 0,002	0,174 ± 0,01	0,057 ± 0,003	0,098 ± 0,004	0,08 ± 0,1	0,37 ± 0,03
Anzahl der Neutronen, die bei einem Spaltungsereignis emittiert werden	2,6 ± 0,1	2,43 ± 0,03	2,65 ± 0,1	2,50 ± 0,03	3,03 ± 0,1	2,84 ± 0,06
Anzahl der Neutronen pro absorbiertem Neutron	2,41 ± 0,1	2,07 ± 0,02	2,51 ± 0,1	2,28 ± 0,02		2,07 ± 0,04
Anteil verzögerter Neutronen, %	(0,64 ± 0,03)	(0,65 ± 0,02)	(0,26 ± 0,02)	(0,26 ± 0,01)	(0,21 ± 0,01)	(0,22 ± 0,01)
Spaltenergie, MeV
Alle Abschnitte werden in Scheunen (10 -28 m 2 ) gegeben.

Die Tabellendaten zeigen, dass jedes spaltbare Isotop seine eigenen Vorteile hat. Beispielsweise wird beim Isotop mit dem größten Querschnitt für thermische Neutronen (mit einer Energie von 0,025 eV) bei Verwendung eines Neutronenmoderators weniger Brennstoff benötigt, um die kritische Masse zu erreichen. Da die höchste Anzahl von Neutronen pro absorbiertem Neutron in einem schnellen Plutoniumreaktor auftritt (1 MeV), ist es im Brutmodus besser, Plutonium in einem schnellen Reaktor oder Uran-233 in einem thermischen Reaktor als Uran-235 in einem thermischen Reaktor zu verwenden. Uran-235 ist im Hinblick auf eine einfache Steuerung bevorzugter, da es einen größeren Anteil an verzögerten Neutronen aufweist.

Rohe Isotope.

Es gibt zwei Rohisotope: Thorium-232 und Uran-238, aus denen die spaltbaren Isotope Uran-233 und Plutonium-239 gewonnen werden. Die Technologie zur Verwendung von Rohisotopen hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie z. B. der Notwendigkeit einer Anreicherung. Uranerz enthält 0,7 % Uran-235, während Thoriumerz keine spaltbaren Isotope enthält. Daher muss dem Thorium ein angereichertes spaltbares Isotop zugesetzt werden. Auch die Anzahl neuer Neutronen pro absorbiertem Neutron ist wichtig. Unter Berücksichtigung dieses Faktors ist bei thermischen Neutronen (moderiert auf eine Energie von 0,025 eV) dem Uran-233 der Vorzug zu geben, da unter solchen Bedingungen die Zahl der emittierten Neutronen und damit der Umsatz größer ist Faktor ist die Anzahl neuer Spaltkerne pro „verbrauchtem“ Spaltkern.

Verzögerer.

Der Moderator dient dazu, die Energie der beim Spaltungsprozess emittierten Neutronen von etwa 1 MeV auf thermische Energien von etwa 0,025 eV zu reduzieren. Da die Moderation hauptsächlich durch elastische Streuung an den Kernen nicht spaltbarer Atome erfolgt, muss die Masse der Moderatoratome möglichst gering sein, damit das Neutron maximale Energie auf sie übertragen kann. Außerdem müssen die Moderatoratome einen (im Vergleich zum Streuquerschnitt) kleinen Einfangquerschnitt haben, da das Neutron immer wieder mit den Moderatoratomen kollidieren muss, bevor es auf thermische Energie abgebremst wird.

Der beste Moderator ist Wasserstoff, da seine Masse fast gleich der Masse des Neutrons ist und daher das Neutron beim Zusammenstoß mit Wasserstoff die größte Energiemenge verliert. Aber gewöhnlicher (leichter) Wasserstoff absorbiert Neutronen zu stark, und deshalb erweisen sich Deuterium (schwerer Wasserstoff) und schweres Wasser trotz ihrer etwas größeren Masse als geeignetere Moderatoren, da sie Neutronen weniger absorbieren. Beryllium kann als guter Moderator angesehen werden. Kohlenstoff hat einen so kleinen Neutronenabsorptionsquerschnitt, dass es Neutronen effektiv moderiert, obwohl es viel mehr Kollisionen erfordert, um es zu verlangsamen als Wasserstoff.

Durchschnittszahl N Die zum Abbremsen eines Neutrons von 1 MeV auf 0,025 eV erforderlichen elastischen Stöße unter Verwendung von Wasserstoff, Deuterium, Beryllium und Kohlenstoff betragen ungefähr 18, 27, 36 bzw. 135. Die ungefähre Natur dieser Werte ergibt sich aus der Tatsache, dass aufgrund des Vorhandenseins chemischer Energie die Bindungen im Stoßmoderator bei Energien unter 0,3 eV kaum elastisch sein können. Bei niedrigen Energien kann das Atomgitter bei einem Stoß Energie auf Neutronen übertragen oder die effektive Masse verändern und damit den Abbremsvorgang stören.

Wärmeträger.

Die in Kernreaktoren verwendeten Kühlmittel sind Wasser, schweres Wasser, flüssiges Natrium, flüssige Natrium-Kalium-Legierung (NaK), Helium, Kohlendioxid und organische Flüssigkeiten wie Terphenyl. Diese Substanzen sind gute Wärmeträger und haben niedrige Neutronenabsorptionsquerschnitte.

Wasser ist ein hervorragender Moderator und Kühlmittel, absorbiert aber Neutronen zu stark und hat bei einer Betriebstemperatur von 336 °C einen zu hohen Dampfdruck (14 MPa). Der bekannteste Moderator ist schweres Wasser. Seine Eigenschaften sind denen von gewöhnlichem Wasser ähnlich, und der Neutronenabsorptionsquerschnitt ist kleiner. Natrium ist ein ausgezeichnetes Kühlmittel, aber als Neutronenmoderator nicht wirksam. Daher wird es in schnellen Neutronenreaktoren verwendet, wo bei der Spaltung mehr Neutronen emittiert werden. Natrium hat zwar eine Reihe von Nachteilen: Es induziert Radioaktivität, es hat eine geringe Wärmekapazität, es ist chemisch aktiv und verfestigt sich bei Raumtemperatur. Eine Legierung aus Natrium und Kalium hat ähnliche Eigenschaften wie Natrium, bleibt aber bei Raumtemperatur flüssig. Helium ist ein ausgezeichnetes Kühlmittel, hat aber eine geringe spezifische Wärmekapazität. Kohlendioxid ist ein gutes Kühlmittel und wurde weithin in graphitmoderierten Reaktoren verwendet. Terphenyl hat gegenüber Wasser den Vorteil, dass es bei Betriebstemperatur einen niedrigen Dampfdruck hat, sich aber unter den für Reaktoren charakteristischen hohen Temperaturen und Strahlungsflüssen zersetzt und polymerisiert.

Wärmeerzeugende Elemente.

Ein Brennelement (FE) ist ein Brennstoffkern mit einer hermetischen Hülle. Die Ummantelung verhindert das Austreten von Spaltprodukten und die Wechselwirkung des Brennstoffs mit dem Kühlmittel. Das Schalenmaterial muss Neutronen schwach absorbieren und akzeptable mechanische, hydraulische und wärmeleitende Eigenschaften aufweisen. Brennelemente sind üblicherweise Pellets aus gesintertem Uranoxid in Aluminium-, Zirkonium- oder Edelstahlrohren; Pellets aus Uranlegierungen mit Zirkonium, Molybdän und Aluminium, beschichtet mit Zirkonium oder Aluminium (im Falle einer Aluminiumlegierung); Graphittabletten mit dispergiertem Urancarbid, beschichtet mit undurchlässigem Graphit.

Alle diese Brennelemente werden verwendet, aber für Druckwasserreaktoren werden Uranoxid-Pellets in Edelstahlrohren am meisten bevorzugt. Urandioxid reagiert nicht mit Wasser, hat eine hohe Strahlenbeständigkeit und zeichnet sich durch einen hohen Schmelzpunkt aus.

Graphitbrennstoffzellen scheinen für gasgekühlte Hochtemperaturreaktoren sehr gut geeignet zu sein, haben aber einen gravierenden Nachteil: Durch Diffusion oder Defekte im Graphit können gasförmige Spaltprodukte durch ihre Ummantelung dringen.

Organische Kühlmittel sind mit Zirkonium-Brennstäben unverträglich und erfordern daher die Verwendung von Aluminiumlegierungen. Die Aussichten für Reaktoren mit organischen Kühlmitteln hängen davon ab, ob Aluminiumlegierungen oder pulvermetallurgische Produkte hergestellt werden, die die Festigkeit (bei Betriebstemperatur) und Wärmeleitfähigkeit aufweisen, die für die Verwendung von Rippen erforderlich sind, die die Wärmeübertragung auf das Kühlmittel erhöhen. Da die Wärmeübertragung zwischen dem Kraftstoff und dem organischen Kühlmittel aufgrund von Wärmeleitung gering ist, ist es wünschenswert, Oberflächensieden zu verwenden, um die Wärmeübertragung zu erhöhen. Mit dem Oberflächensieden werden neue Probleme verbunden sein, die aber gelöst werden müssen, wenn sich der Einsatz von organischen Wärmeträgerflüssigkeiten als vorteilhaft erweist.

ARTEN VON REAKTOREN

Theoretisch sind mehr als 100 verschiedene Reaktortypen möglich, die sich in Brennstoff, Moderator und Kühlmittel unterscheiden. Die meisten konventionellen Reaktoren verwenden Wasser als Kühlmittel, entweder unter Druck oder kochendes Wasser.

Druckwasserreaktor.

In solchen Reaktoren dient Wasser als Moderator und Kühlmittel. Das erhitzte Wasser wird unter Druck zu einem Wärmetauscher gepumpt, wo die Wärme auf das Wasser des Sekundärkreislaufs übertragen wird, in dem Dampf erzeugt wird, der die Turbine dreht.

Siedender Reaktor.

In einem solchen Reaktor siedet Wasser direkt im Reaktorkern und der entstehende Dampf tritt in die Turbine ein. Die meisten Siedewasserreaktoren verwenden auch Wasser als Moderator, aber manchmal wird ein Graphitmoderator verwendet.

Reaktor mit Flüssigmetallkühlung.

In einem solchen Reaktor wird flüssiges Metall verwendet, das durch Rohre zirkuliert, um die während der Spaltung im Reaktor freigesetzte Wärme zu übertragen. Fast alle Reaktoren dieses Typs verwenden Natrium als Kühlmittel. Der auf der anderen Seite der Primärkreisrohre erzeugte Dampf wird einer konventionellen Turbine zugeführt. Ein flüssigmetallgekühlter Reaktor kann relativ hochenergetische Neutronen (schneller Neutronenreaktor) oder in Graphit oder Berylliumoxid moderierte Neutronen verwenden. Als Brutreaktoren sind flüssigmetallgekühlte schnelle Neutronenreaktoren vorzuziehen, da in diesem Fall keine mit der Moderation verbundenen Neutronenverluste auftreten.

Gasgekühlter Reaktor.

In einem solchen Reaktor wird die während des Spaltungsprozesses freigesetzte Wärme durch Gas - Kohlendioxid oder Helium - auf den Dampferzeuger übertragen. Der Neutronenmoderator ist üblicherweise Graphit. Ein gasgekühlter Reaktor kann bei viel höheren Temperaturen betrieben werden als ein flüssigkeitsgekühlter Reaktor und ist daher für industrielle Heizsysteme und hocheffiziente Kraftwerke geeignet. Gasgekühlte Kleinreaktoren zeichnen sich durch eine erhöhte Betriebssicherheit aus, insbesondere durch den Wegfall der Gefahr einer Reaktorschmelze.

homogene Reaktoren.

Im Kern von homogenen Reaktoren wird eine homogene Flüssigkeit verwendet, die ein spaltbares Uranisotop enthält. Die Flüssigkeit ist normalerweise eine geschmolzene Uranverbindung. Es wird in einen großen kugelförmigen Druckbehälter gepumpt, wo eine Spaltkettenreaktion in einer kritischen Masse stattfindet. Die Flüssigkeit wird dann in den Dampferzeuger geleitet. Homogene Reaktoren haben aufgrund von Konstruktions- und technologischen Schwierigkeiten keine Popularität erlangt.

REAKTIVITÄT UND KONTROLLE

Die Möglichkeit einer selbsterhaltenden Kettenreaktion in einem Kernreaktor hängt davon ab, wie viele Neutronen aus dem Reaktor austreten. Bei der Spaltung entstehende Neutronen verschwinden durch Absorption. Außerdem ist ein Neutronenaustritt aufgrund von Diffusion durch Materie möglich, ähnlich der Diffusion eines Gases durch ein anderes.

Um einen Kernreaktor zu steuern, müssen Sie in der Lage sein, den Neutronenmultiplikationsfaktor zu steuern k, definiert als das Verhältnis der Anzahl der Neutronen in einer Generation zur Anzahl der Neutronen in der vorherigen Generation. Beim k= 1 (kritischer Reaktor) findet eine stationäre Kettenreaktion mit konstanter Intensität statt. Beim k> 1 (überkritischer Reaktor) nimmt die Intensität des Prozesses zu und bei k r = 1 – (1/ k) wird Reaktivität genannt.)

Aufgrund des Phänomens verzögerter Neutronen erhöht sich die "Geburtszeit" von Neutronen von 0,001 s auf 0,1 s. Diese charakteristische Reaktionszeit ermöglicht die Steuerung mit Hilfe mechanischer Aktuatoren - Steuerstäbe aus einem Material, das Neutronen absorbiert (B, Cd, Hf, In, Eu, Gd usw.). Die Steuerzeitkonstante sollte in der Größenordnung von 0,1 s oder mehr liegen. Um die Sicherheit zu gewährleisten, wird eine solche Reaktorbetriebsart gewählt, bei der verzögerte Neutronen in jeder Generation benötigt werden, um eine stationäre Kettenreaktion aufrechtzuerhalten.

Um ein bestimmtes Leistungsniveau sicherzustellen, werden Steuerstäbe und Neutronenreflektoren verwendet, aber die Steueraufgabe kann durch die richtige Berechnung des Reaktors stark vereinfacht werden. Wenn der Reaktor beispielsweise so ausgelegt ist, dass mit zunehmender Leistung oder Temperatur die Reaktivität abnimmt, ist er stabiler. Reicht beispielsweise die Verzögerung nicht aus, dehnt sich das Wasser im Reaktor durch die Temperaturerhöhung aus, d.h. die Dichte des Moderators nimmt ab. Infolgedessen wird die Absorption von Neutronen in Uran-238 verstärkt, da sie keine Zeit haben, effektiv zu verlangsamen. In einigen Reaktoren wird ein Faktor verwendet, um das Austreten von Neutronen aus dem Reaktor aufgrund einer Abnahme der Wasserdichte zu erhöhen. Eine andere Möglichkeit, den Reaktor zu stabilisieren, besteht darin, einen "resonanten Neutronenabsorber" wie Uran-238 zu erhitzen, der dann Neutronen stärker absorbiert.

Sicherheitssysteme.

Die Sicherheit des Reaktors wird durch den einen oder anderen Mechanismus zum Abschalten im Falle eines starken Leistungsanstiegs gewährleistet. Dies kann ein Mechanismus eines physikalischen Prozesses oder ein Betrieb eines Kontroll- und Schutzsystems oder beides sein. Bei der Auslegung von Druckwasserreaktoren sind Notfälle bei Eintritt von kaltem Wasser in den Reaktor, Abfall des Kühlmitteldurchflusses und zu hohe Reaktivität beim Anfahren vorgesehen. Da die Intensität der Reaktion mit abnehmender Temperatur zunimmt, nehmen bei starkem Einströmen von kaltem Wasser in den Reaktor die Reaktivität und die Leistung zu. Das Schutzsystem sieht normalerweise eine automatische Sperre vor, um das Eindringen von kaltem Wasser zu verhindern. Bei einer Abnahme des Kühlmittelflusses überhitzt der Reaktor, auch wenn seine Leistung nicht zunimmt. In solchen Fällen ist ein automatischer Stopp erforderlich. Außerdem müssen die Kühlmittelpumpen so bemessen sein, dass sie das Kühlmittel liefern, das zum Abschalten des Reaktors benötigt wird. Beim Starten eines Reaktors mit zu hoher Reaktivität kann eine Notfallsituation entstehen. Aufgrund der niedrigen Leistungsstufe hat der Reaktor keine Zeit, sich ausreichend aufzuheizen, damit der Temperaturschutz funktioniert, bis es zu spät ist. Die einzige zuverlässige Maßnahme in solchen Fällen ist ein vorsichtiges Anfahren des Reaktors.

Diese Notfälle zu vermeiden ist ganz einfach, wenn Sie die folgende Regel beachten: Alle Aktionen, die die Reaktionsfähigkeit des Systems erhöhen können, müssen sorgfältig und langsam durchgeführt werden. Das Wichtigste in Bezug auf die Reaktorsicherheit ist die unbedingte Notwendigkeit einer langfristigen Kühlung des Reaktorkerns nach Beendigung der darin enthaltenen Spaltungsreaktion. Tatsache ist, dass die in den Tankpatronen verbleibenden radioaktiven Spaltprodukte Wärme abgeben. Sie ist viel geringer als die im Volllastbetrieb freigesetzte Wärme, reicht aber aus, um die Brennelemente ohne die notwendige Kühlung zu schmelzen. Eine kurzzeitige Unterbrechung der Kühlwasserversorgung führte zu erheblichen Schäden am Kern und zum Unfall des Reaktors in Three Mile Island (USA). Die Zerstörung des Reaktorkerns ist der Mindestschaden bei einem solchen Unfall. Schlimmer noch, wenn gefährliche radioaktive Isotope austreten. Die meisten Industriereaktoren sind mit hermetisch dichten Sicherheitshüllen ausgestattet, die im Havariefall die Freisetzung von Isotopen in die Umwelt verhindern sollen.

Abschließend stellen wir fest, dass die Möglichkeit der Reaktorzerstörung weitgehend von seinem Schema und Design abhängt. Reaktoren können so ausgelegt werden, dass eine Verringerung der Durchflussrate des Kühlmittels nicht zu großen Problemen führt. Dies sind die verschiedenen Arten von gasgekühlten Reaktoren.

Dass bei der Spaltung schwerer Kerne Energie freigesetzt wird, folgt direkt aus der Abhängigkeit der spezifischen Bindungsenergie ε = E St (A,Z)/A auf die Massenzahl A (Abb. 2). 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 schnelle 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 sv1 (A 1, Z 1) + E sv (A 2, Z 2) - E sv (A, Z),

Und

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

Auf Abb. 26 zeigt die Suchmaske des Kernspaltungsrechners mit einem Beispiel der Bildung einer Suchvorschrift zur Bestimmung der Energieschwelle und Reaktionsenergie der spontanen Spaltung des 235 U-Kerns mit der Bildung eines 139 Xe-Fragments und der Emission eines Neutrons .

Die Bildung der Anforderungsanweisung erfolgt wie folgt:

• « Der Kern ist das Ziel» – 235 U (Werte Z = 92, A = 235 werden gewählt);
• « einfallendes Teilchen» – keine einfallenden Teilchen – spontane Spaltung (ausgewählt im Dropdown-Menü « Keine fliegenden Partikel»);
• « Auswählbarer (Benutzer-)Shard» – Fragmentkern, zum Beispiel 95 Sr (es werden Werte Z = 38, A = 95 gewählt);
• « (programmdefinierter) Shard» – 140 Xe-Fragmentkern (Z = 92 – 38 = 54,
  A = 235 - 95 = 140);
• « Instant Partikel 1 begleitende Spaltung» ist ein Neutron (die Werte Z = 0,
  A = 1, " Anzahl der Partikel" - ein); gleichzeitig ändern sich die Messwerte des vom Programm ermittelten Fragments - 139 Xe (Z = 54, A = 140 - 1 = 149).

Auf Abb. Abbildung 27 zeigt die Ausgabeform dieser Abfrage: Es ist ersichtlich, dass es keine Energieschwelle für die Spaltung des 235 U-Kerns gibt. Der 235-U-Kern hat einen Zerfallsmodus – „Neutronenemission“).

>> Uranspaltung

§ 107 Spaltung von Uraniuskernen

Nur die Kerne einiger schwerer Elemente können in Teile zerlegt werden. Bei der Spaltung von Kernen werden zwei oder drei Neutronen und -strahlen emittiert. Gleichzeitig wird viel Energie freigesetzt.

Entdeckung der Uranspaltung. Die Spaltung von Urankernen wurde 1938 von den deutschen Wissenschaftlern O. Hahn und F. Straßmann. Sie stellten fest, dass beim Beschuss von Uran mit Neutronen Elemente des mittleren Teils des Periodensystems entstehen: Barium, Krypton usw. Die korrekte Interpretation dieser Tatsache wurde jedoch gerade als Spaltung des Urankerns gegeben, der das Neutron eingefangen hat Anfang 1939 durch den englischen Physiker O. Frisch zusammen mit dem österreichischen Physiker L. Meitner.

Der Einfang eines Neutrons zerstört die Stabilität des Kerns. Der Kern wird angeregt und instabil, was zu seiner Teilung in Fragmente führt. Kernspaltung ist möglich, weil die Ruhemasse eines schweren Kerns größer ist als die Summe der Ruhemassen der bei der Spaltung entstehenden Bruchstücke. Daher gibt es eine Energiefreisetzung, die einer Abnahme der Ruhemasse entspricht, die mit der Spaltung einhergeht.

Die Möglichkeit der Spaltung schwerer Kerne lässt sich auch anhand eines Diagramms der Abhängigkeit der spezifischen Bindungsenergie von der Massenzahl A erklären (siehe Abb. 13.11). Die spezifische Bindungsenergie der Atomkerne von Elementen auf den letzten Plätzen des Periodensystems (A 200) ist etwa 1 MeV geringer als die spezifische Bindungsenergie der Kerne von Elementen in der Mitte des Periodensystems (A 100) . Daher ist der Prozess der Spaltung schwerer Kerne in Kerne von Elementen im mittleren Teil des Periodensystems energetisch günstig. Nach der Spaltung geht das System in einen Zustand mit minimaler innerer Energie über. Denn je größer die Bindungsenergie des Kerns ist, desto mehr Energie muss beim Entstehen des Kerns freigesetzt werden und desto geringer ist folglich die innere Energie des neu gebildeten Systems.

Während der Kernspaltung steigt die Bindungsenergie pro Nukleon um 1 MeV, und die freigesetzte Gesamtenergie muss enorm sein - etwa 200 MeV. Keine andere Kernreaktion (die nicht mit der Kernspaltung verwandt ist) setzt so große Energien frei.

Direkte Messungen der bei der Spaltung des Urankerns freigesetzten Energie bestätigten obige Überlegungen und ergaben einen Wert von 200 MeV. Darüber hinaus fällt der größte Teil dieser Energie (168 MeV) auf die kinetische Energie der Fragmente. In Abbildung 13.13 sehen Sie die Spuren spaltbarer Uranfragmente in einer Nebelkammer.

Die bei der Kernspaltung freigesetzte Energie ist eher elektrostatischen als nuklearen Ursprungs. Die große kinetische Energie, die Fragmente haben, entsteht aufgrund ihrer Coulomb-Abstoßung.

Mechanismus der Kernspaltung. Der Vorgang der Kernspaltung lässt sich anhand des Tropfenmodells des Kerns erklären. Nach diesem Modell ähnelt ein Bündel von Nukleonen einem Tropfen einer geladenen Flüssigkeit (Abb. 13.14, a). Die Kernkräfte zwischen Nukleonen sind kurzreichweitig, wie die Kräfte, die zwischen flüssigen Molekülen wirken. Zusammen mit den starken elektrostatischen Abstoßungskräften zwischen den Protonen, die dazu neigen, den Kern auseinanderzureißen, gibt es immer noch große nukleare Anziehungskräfte. Diese Kräfte verhindern, dass der Kern zerfällt.

Der Uran-235-Kern ist kugelförmig. Nachdem es ein zusätzliches Neutron absorbiert hat, wird es angeregt und beginnt sich zu verformen, wobei es eine längliche Form annimmt (Abb. 13.14, b). Der Kern wird gedehnt, bis die Abstoßungskräfte zwischen den Hälften des länglichen Kerns die im Isthmus wirkenden Anziehungskräfte zu überwiegen beginnen (Abb. 13.14, c). Danach wird es in zwei Teile gerissen (Abb. 13.14, d).

Unter der Wirkung der Coulomb-Abstoßungskräfte fliegen diese Fragmente mit einer Geschwindigkeit von 1/30 der Lichtgeschwindigkeit auseinander.

Emission von Neutronen während der Spaltung. Die grundlegende Tatsache der Kernspaltung ist die Emission von zwei oder drei Neutronen während der Spaltung. Dadurch wurde die praktische Nutzung der intranuklearen Energie möglich.

Aus den folgenden Überlegungen kann man verstehen, warum freie Neutronen emittiert werden. Es ist bekannt, dass das Verhältnis der Zahl der Neutronen zur Zahl der Protonen in stabilen Kernen mit steigender Ordnungszahl zunimmt. Daher erweist sich in durch Spaltung entstandenen Fragmenten die relative Anzahl von Neutronen als größer als für die Kerne von Atomen in der Mitte des Periodensystems zulässig ist. Dadurch werden bei der Spaltung mehrere Neutronen freigesetzt. Ihre Energie hat unterschiedliche Werte - von mehreren Millionen Elektronenvolt bis zu sehr kleinen, nahe Null.

Die Spaltung erfolgt normalerweise in Fragmente, deren Massen sich um etwa das 1,5-fache unterscheiden. Diese Fragmente sind hochgradig radioaktiv, da sie einen Überschuss an Neutronen enthalten. Als Ergebnis einer Reihe aufeinanderfolgender -Zerfälle werden schließlich stabile Isotope erhalten.

Abschließend stellen wir fest, dass es auch eine spontane Spaltung von Urankernen gibt. Es wurde 1940 von den sowjetischen Physikern G. N. Flerov und K. A. Petrzhak entdeckt. Die Halbwertszeit der spontanen Spaltung beträgt 10 16 Jahre. Das ist zwei Millionen Mal länger als die Halbwertszeit des Uranzerfalls.

Die Kernspaltungsreaktion wird von der Freisetzung von Energie begleitet.

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