न्यूट्रॉन की विद्युत तटस्थता के कारण।

2. किस ऊर्जा को प्रतिक्रिया की ऊर्जा उपज कहा जाता है? विखंडन प्रतिक्रिया के लिए ऊर्जा उपज का अनुमान कैसे लगाएं?

एक विखंडन प्रतिक्रिया की कुल ऊर्जा उपज वह ऊर्जा है जो एक यूरेनियम नाभिक के विखंडन के दौरान जारी की जाती है। यूरेनियम 235 के नाभिक में एक न्यूक्लियॉन की विशिष्ट बाध्यकारी ऊर्जा लगभग 7.6 MeV, प्रतिक्रिया अंशों के बराबर होती है - लगभग 8.5 MeV। विखंडन के परिणामस्वरूप, (8.5 - 7.6) MeV = 0.9 MeV (प्रति न्यूक्लियॉन) निकलता है। कुल 235 न्यूक्लियॉन हैं, तो विखंडन प्रतिक्रिया की कुल ऊर्जा उपज है

3. चेन रिएक्शन की गति को कौन सा मान दर्शाता है? एक श्रृंखला अभिक्रिया के विकास के लिए आवश्यक शर्त लिखिए।

न्यूट्रॉन गुणन कारक k श्रृंखला प्रतिक्रिया की दर को दर्शाता है। एक श्रृंखला प्रतिक्रिया के विकास के लिए एक आवश्यक शर्त

4. किस विखंडन अभिक्रिया को आत्मनिर्भर कहा जाता है? यह कब होता है?

एक आत्मनिर्भर परमाणु विखंडन प्रतिक्रिया तब होती है जब न्यूट्रॉन एक रैखिक आयाम के साथ एक माध्यम के माध्यम से यात्रा के दौरान विखंडन प्रतिक्रिया के परिणामस्वरूप एक नया न्यूट्रॉन बनने का समय होता है।

5. महत्वपूर्ण कोर आकार और महत्वपूर्ण द्रव्यमान का मूल्यांकन करें।

बेलन का आयतन है

N नाभिक की सांद्रता है। प्रति इकाई समय में एक न्यूट्रॉन के नाभिक के साथ टकराव की संख्या n।

परमाणु विखंडन एक भारी परमाणु का लगभग बराबर द्रव्यमान के दो टुकड़ों में विभाजित होता है, साथ ही बड़ी मात्रा में ऊर्जा की रिहाई होती है।

परमाणु विखंडन की खोज ने एक नए युग की शुरुआत की - "परमाणु युग"। इसके संभावित उपयोग की संभावना और इसके उपयोग से लाभ के जोखिम के अनुपात ने न केवल कई सामाजिक, राजनीतिक, आर्थिक और वैज्ञानिक उपलब्धियां पैदा की हैं, बल्कि गंभीर समस्याएं भी पैदा की हैं। विशुद्ध रूप से वैज्ञानिक दृष्टिकोण से भी, परमाणु विखंडन की प्रक्रिया ने बड़ी संख्या में पहेलियाँ और जटिलताएँ पैदा की हैं, और इसकी पूर्ण सैद्धांतिक व्याख्या भविष्य की बात है।

साझा करना लाभदायक है

विभिन्न नाभिकों के लिए बाध्यकारी ऊर्जा (प्रति न्यूक्लियॉन) भिन्न होती है। आवर्त सारणी के मध्य में स्थित लोगों की तुलना में भारी लोगों में बाध्यकारी ऊर्जा कम होती है।

इसका मतलब है कि 100 से अधिक परमाणु संख्या वाले भारी नाभिक के लिए, दो छोटे टुकड़ों में विभाजित करना फायदेमंद होता है, जिससे ऊर्जा निकलती है, जो टुकड़ों की गतिज ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है। इस प्रक्रिया को विभाजन कहते हैं

स्थिरता वक्र के अनुसार, जो स्थिर न्यूक्लाइड के लिए न्यूट्रॉन की संख्या पर प्रोटॉन की संख्या की निर्भरता को दर्शाता है, भारी नाभिक हल्के वाले की तुलना में अधिक न्यूट्रॉन (प्रोटॉन की संख्या की तुलना में) को पसंद करते हैं। इससे पता चलता है कि विभाजन प्रक्रिया के साथ कुछ "अतिरिक्त" न्यूट्रॉन उत्सर्जित होंगे। इसके अलावा, वे कुछ जारी ऊर्जा भी लेंगे। यूरेनियम परमाणु के परमाणु विखंडन के अध्ययन से पता चला है कि 3-4 न्यूट्रॉन निकलते हैं: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n।

टुकड़े की परमाणु संख्या (और परमाणु द्रव्यमान) माता-पिता के आधे परमाणु द्रव्यमान के बराबर नहीं है। विभाजन के परिणामस्वरूप बनने वाले परमाणुओं के द्रव्यमान के बीच का अंतर आमतौर पर लगभग 50 होता है। हालांकि, इसका कारण अभी तक पूरी तरह से स्पष्ट नहीं है।

238 U, 145 La, और 90 Br की बाध्यकारी ऊर्जा क्रमशः 1803, 1198 और 763 MeV हैं। इसका मतलब है कि इस प्रतिक्रिया के परिणामस्वरूप, यूरेनियम नाभिक की विखंडन ऊर्जा 1198 + 763-1803 = 158 MeV के बराबर निकलती है।

सहज विभाजन

सहज विभाजन की प्रक्रिया प्रकृति में जानी जाती है, लेकिन वे बहुत दुर्लभ हैं। इस प्रक्रिया का औसत जीवनकाल लगभग 10 17 वर्ष है, और, उदाहरण के लिए, उसी रेडियोन्यूक्लाइड के अल्फा क्षय का औसत जीवनकाल लगभग 10 11 वर्ष है।

इसका कारण यह है कि दो भागों में विभाजित होने के लिए, नाभिक को पहले एक दीर्घवृत्ताकार आकार में विकृत (विस्तारित) किया जाना चाहिए, और फिर, अंत में दो टुकड़ों में विभाजित होने से पहले, बीच में एक "गर्दन" बनाना चाहिए।

संभावित बाधा

विकृत अवस्था में, दो बल कोर पर कार्य करते हैं। एक बढ़ी हुई सतह ऊर्जा है (एक तरल बूंद का सतह तनाव इसके गोलाकार आकार की व्याख्या करता है), और दूसरा विखंडन के टुकड़ों के बीच कूलम्ब प्रतिकर्षण है। साथ में वे एक संभावित बाधा उत्पन्न करते हैं।

अल्फा क्षय के मामले में, यूरेनियम परमाणु नाभिक के सहज विखंडन के लिए, क्वांटम टनलिंग का उपयोग करके टुकड़ों को इस बाधा को दूर करना होगा। अवरोध लगभग 6 MeV है, जैसा कि अल्फा क्षय के मामले में होता है, लेकिन एक अल्फा कण के सुरंग बनने की संभावना बहुत भारी परमाणु विखंडन उत्पाद की तुलना में बहुत अधिक होती है।

जबरन बंटवारा

यूरेनियम नाभिक के प्रेरित विखंडन की बहुत अधिक संभावना है। इस मामले में, मूल नाभिक न्यूट्रॉन से विकिरणित होता है। यदि माता-पिता इसे अवशोषित करते हैं, तो वे बाध्यकारी ऊर्जा को कंपन ऊर्जा के रूप में मुक्त करते हैं, जो संभावित अवरोध को दूर करने के लिए आवश्यक 6 MeV से अधिक हो सकती है।

जहां अतिरिक्त न्यूट्रॉन की ऊर्जा संभावित बाधा को दूर करने के लिए अपर्याप्त है, परमाणु के विभाजन को प्रेरित करने में सक्षम होने के लिए घटना न्यूट्रॉन में न्यूनतम गतिज ऊर्जा होनी चाहिए। 238 U के मामले में, अतिरिक्त न्यूट्रॉन की बाध्यकारी ऊर्जा लगभग 1 MeV कम है। इसका मतलब है कि यूरेनियम नाभिक का विखंडन केवल एक न्यूट्रॉन द्वारा प्रेरित होता है जिसकी गतिज ऊर्जा 1 MeV से अधिक होती है। दूसरी ओर, 235 U समस्थानिक में एक अयुग्मित न्यूट्रॉन होता है। जब नाभिक एक अतिरिक्त को अवशोषित करता है, तो यह इसके साथ एक जोड़ी बनाता है, और इस युग्मन के परिणामस्वरूप, अतिरिक्त बाध्यकारी ऊर्जा प्रकट होती है। यह संभावित अवरोध को दूर करने के लिए नाभिक के लिए आवश्यक ऊर्जा की मात्रा को मुक्त करने के लिए पर्याप्त है और किसी भी न्यूट्रॉन के साथ टकराव पर आइसोटोप विखंडन होता है।

बीटा क्षय

भले ही विखंडन प्रतिक्रिया तीन या चार न्यूट्रॉन का उत्सर्जन करती है, फिर भी टुकड़ों में उनके स्थिर आइसोबार की तुलना में अधिक न्यूट्रॉन होते हैं। इसका मतलब है कि दरार के टुकड़े आमतौर पर बीटा क्षय के खिलाफ अस्थिर होते हैं।

उदाहरण के लिए, जब यूरेनियम 238U विखंडन होता है, तो A = 145 के साथ स्थिर आइसोबार नियोडिमियम 145Nd होता है, जिसका अर्थ है कि लैंथेनम 145La टुकड़ा तीन चरणों में क्षय होता है, हर बार एक इलेक्ट्रॉन और एक एंटीन्यूट्रिनो उत्सर्जित करता है, जब तक कि एक स्थिर न्यूक्लाइड नहीं बनता है। ए = 90 के साथ स्थिर आइसोबार ज़िरकोनियम 90 जेडआर है; इसलिए, ब्रोमीन 90 बीआर विभाजन खंड β-क्षय श्रृंखला के पांच चरणों में विघटित हो जाता है।

ये β-क्षय श्रृंखलाएं अतिरिक्त ऊर्जा छोड़ती हैं, जो लगभग सभी इलेक्ट्रॉनों और एंटीन्यूट्रिनो द्वारा दूर की जाती हैं।

परमाणु प्रतिक्रियाएं: यूरेनियम नाभिक का विखंडन

नाभिक की स्थिरता सुनिश्चित करने के लिए उनमें से बहुत से न्यूक्लाइड से न्यूट्रॉन का प्रत्यक्ष उत्सर्जन असंभव है। यहाँ बात यह है कि कोई कूलम्ब प्रतिकर्षण नहीं है और इसलिए सतह ऊर्जा न्यूट्रॉन को जनक के साथ बंधन में रखने की प्रवृत्ति रखती है। हालाँकि, ऐसा कभी-कभी होता है। उदाहरण के लिए, पहले बीटा क्षय चरण में 90 Br विखंडन टुकड़ा क्रिप्टन -90 का उत्पादन करता है, जो सतह ऊर्जा को दूर करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा के साथ उत्तेजित अवस्था में हो सकता है। ऐसे में क्रिप्टन-89 के बनने से न्यूट्रॉनों का उत्सर्जन सीधे हो सकता है। अभी भी β क्षय के लिए अस्थिर है जब तक कि यह स्थिर yttrium-89 में परिवर्तित न हो जाए, ताकि क्रिप्टन-89 तीन चरणों में क्षय हो जाए।

यूरेनियम नाभिक का विखंडन: एक श्रृंखला प्रतिक्रिया

विखंडन प्रतिक्रिया में उत्सर्जित न्यूट्रॉन को एक अन्य मूल नाभिक द्वारा अवशोषित किया जा सकता है, जो तब स्वयं प्रेरित विखंडन से गुजरता है। यूरेनियम-238 के मामले में, उत्पन्न होने वाले तीन न्यूट्रॉन 1 MeV से कम की ऊर्जा के साथ निकलते हैं (यूरेनियम नाभिक के विखंडन के दौरान जारी ऊर्जा - 158 MeV - मुख्य रूप से विखंडन के टुकड़ों की गतिज ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है) ), इसलिए वे इस न्यूक्लाइड के और अधिक विखंडन का कारण नहीं बन सकते। फिर भी, दुर्लभ आइसोटोप 235 यू की एक महत्वपूर्ण एकाग्रता पर, इन मुक्त न्यूट्रॉन को 235 यू नाभिक द्वारा कब्जा कर लिया जा सकता है, जो वास्तव में विखंडन का कारण बन सकता है, क्योंकि इस मामले में कोई ऊर्जा सीमा नहीं है जिसके नीचे विखंडन प्रेरित नहीं होता है।

यह एक श्रृंखला प्रतिक्रिया का सिद्धांत है।

परमाणु प्रतिक्रियाओं के प्रकार

मान लीजिए k इस श्रृंखला के चरण n में विखंडनीय सामग्री के एक नमूने में उत्पादित न्यूट्रॉन की संख्या है, जो चरण n - 1 में उत्पादित न्यूट्रॉन की संख्या से विभाजित है। यह संख्या इस बात पर निर्भर करेगी कि चरण n-1 में उत्पादित कितने न्यूट्रॉन अवशोषित होते हैं। नाभिक द्वारा, जिसे विभाजित करने के लिए मजबूर किया जा सकता है।

अगर के< 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.

यदि k> 1, तो श्रृंखला प्रतिक्रिया तब तक बढ़ेगी जब तक कि सभी विखंडनीय सामग्री का उपयोग नहीं किया जाता है। यह यूरेनियम -235 की पर्याप्त बड़ी सांद्रता प्राप्त करने के लिए प्राकृतिक अयस्क को समृद्ध करके प्राप्त किया जाता है। एक गोलाकार नमूने के लिए, k का मान न्यूट्रॉन अवशोषण संभावना में वृद्धि के साथ बढ़ता है, जो गोले की त्रिज्या पर निर्भर करता है। इसलिए, यूरेनियम नाभिक (श्रृंखला प्रतिक्रिया) के विखंडन के लिए द्रव्यमान यू को एक निश्चित मात्रा से अधिक होना चाहिए।

यदि k=1 है, तो एक नियंत्रित अभिक्रिया होती है। इसका उपयोग परमाणु रिएक्टरों में किया जाता है। इस प्रक्रिया को यूरेनियम के बीच कैडमियम या बोरॉन छड़ों को वितरित करके नियंत्रित किया जाता है, जो अधिकांश न्यूट्रॉन को अवशोषित करते हैं (इन तत्वों में न्यूट्रॉन को पकड़ने की क्षमता होती है)। यूरेनियम के नाभिक का विखंडन छड़ों को इस प्रकार घुमाने पर स्वतः नियंत्रित हो जाता है कि k का मान एक के बराबर रहता है।

परमाणु विखंडन- एक परमाणु नाभिक को समान द्रव्यमान वाले दो (शायद ही कभी तीन) नाभिकों में विभाजित करने की प्रक्रिया, विखंडन टुकड़े कहलाती है। विखंडन के परिणामस्वरूप, अन्य प्रतिक्रिया उत्पाद भी हो सकते हैं: प्रकाश नाभिक (मुख्य रूप से अल्फा कण), न्यूट्रॉन और गामा क्वांटा। विखंडन सहज (सहज) और मजबूर (अन्य कणों के साथ बातचीत के परिणामस्वरूप, मुख्य रूप से न्यूट्रॉन के साथ) हो सकता है। भारी नाभिक का विखंडन एक ऊष्माक्षेपी प्रक्रिया है, जिसके परिणामस्वरूप प्रतिक्रिया उत्पादों की गतिज ऊर्जा के साथ-साथ विकिरण के रूप में बड़ी मात्रा में ऊर्जा निकलती है। परमाणु विखंडन परमाणु रिएक्टरों और परमाणु हथियारों में ऊर्जा के स्रोत के रूप में कार्य करता है। विखंडन प्रक्रिया तभी आगे बढ़ सकती है जब विखंडनीय नाभिक की प्रारंभिक अवस्था की स्थितिज ऊर्जा विखंडन के टुकड़ों के द्रव्यमान के योग से अधिक हो। चूंकि भारी नाभिक की विशिष्ट बंधन ऊर्जा बढ़ते हुए द्रव्यमान के साथ घट जाती है, यह स्थिति द्रव्यमान संख्या वाले लगभग सभी नाभिकों के लिए संतुष्ट होती है।

हालांकि, जैसा कि अनुभव से पता चलता है, यहां तक ​​​​कि सबसे भारी नाभिक भी बहुत कम संभावना के साथ अनायास विभाजित हो जाते हैं। इसका मतलब है कि एक ऊर्जा अवरोध है ( विखंडन बाधा) विभाजन को रोकने के लिए। परमाणु विखंडन की प्रक्रिया का वर्णन करने के लिए कई मॉडलों का उपयोग किया जाता है, जिसमें विखंडन अवरोध की गणना भी शामिल है, लेकिन उनमें से कोई भी पूरी तरह से प्रक्रिया की व्याख्या नहीं कर सकता है।

तथ्य यह है कि भारी नाभिक के विखंडन के दौरान ऊर्जा जारी होती है, विशिष्ट बाध्यकारी ऊर्जा की निर्भरता से सीधे होती है = द्रव्यमान संख्या ए से ई सेंट (ए, जेड) / ए। भारी नाभिक के विखंडन के दौरान, हल्के नाभिक बनते हैं, जिसमें नाभिक अधिक मजबूती से बंधे होते हैं, और ऊर्जा का हिस्सा विखंडन के दौरान जारी होता है। एक नियम के रूप में, परमाणु विखंडन 1-4 न्यूट्रॉन के उत्सर्जन के साथ होता है। आइए हम प्रारंभिक और अंतिम नाभिक की बाध्यकारी ऊर्जा के रूप में विखंडन Q भागों की ऊर्जा को व्यक्त करें। प्रारंभिक नाभिक की ऊर्जा, जिसमें Z प्रोटॉन और N न्यूट्रॉन होते हैं, और एक द्रव्यमान M (A, Z) और एक बाध्यकारी ऊर्जा E St (A, Z) होने पर, हम निम्नलिखित रूप में लिखते हैं:

एम (ए, जेड) सी 2 = (जेडएम पी + एनएम एन)सी 2 - ई सेंट (ए, जेड)।

नाभिक (ए, जेड) का 2 टुकड़ों (ए 1, जेड 1) और (ए 2, जेड 2) में विभाजन एन एन के गठन के साथ होता है = ए - ए 1 - ए 2 शीघ्र न्यूट्रॉन। यदि नाभिक (A,Z) को द्रव्यमान M 1 (A 1, Z 1), M 2 (A 2, Z 2) और बाध्यकारी ऊर्जा E st1 (A 1, Z 1), E st2 (A) के साथ टुकड़ों में विभाजित किया जाता है 2, Z 2), तो विखंडन ऊर्जा के लिए हमारे पास व्यंजक है:

क्यू डिव \u003d (एम (ए, जेड) -) सी 2 \u003d ई सेंट 1 (ए 1, जेड 1) + ई सेंट (ए 2, जेड 2) - ई सेंट (ए, जेड),

ए \u003d ए 1 + ए 2 + एन एन, जेड \u003d जेड 1 + जेड 2।

23. विखंडन का प्राथमिक सिद्धांत।

1939 में एन बोरोऔर जे. व्हीलर, साथ ही हां. फ़्रेंकेलीविखंडन का व्यापक रूप से प्रयोगात्मक रूप से अध्ययन किए जाने से बहुत पहले, इस प्रक्रिया का एक सिद्धांत प्रस्तावित किया गया था, जो कि आवेशित तरल की एक बूंद के रूप में नाभिक की अवधारणा पर आधारित था।

विखंडन के दौरान निकलने वाली ऊर्जा को सीधे प्राप्त किया जा सकता है Weizsäcker सूत्र।

आइए हम एक भारी नाभिक के विखंडन के दौरान निकलने वाली ऊर्जा की मात्रा की गणना करें। A 1 = 240 और Z 1 = 90 मानकर नाभिक (f.1) की बाध्यकारी ऊर्जाओं के लिए व्यंजक (f.2) में रखें। (f.1) में अंतिम पद की उपेक्षा करने और इसे प्रतिस्थापित करने के कारण पैरामीटर ए 2 और ए 3 के मान, हम प्राप्त करते हैं

इससे हम पाते हैं कि Z2 /A>17 होने पर विखंडन ऊर्जावान रूप से अनुकूल होता है। Z 2 /A के मान को विभाज्यता पैरामीटर कहा जाता है। विखंडन के दौरान जारी ऊर्जा E, Z 2 /A में वृद्धि के साथ बढ़ती है; Z2 /A = 17 yttrium और zirconium के क्षेत्र में नाभिक के लिए। प्राप्त अनुमानों से यह देखा जा सकता है कि ए> 90 वाले सभी नाभिकों के लिए विखंडन ऊर्जावान रूप से अनुकूल है। सहज विखंडन के संबंध में अधिकांश नाभिक स्थिर क्यों है? इस प्रश्न का उत्तर देने के लिए, आइए देखें कि विखंडन के दौरान नाभिक का आकार कैसे बदलता है।

विखंडन की प्रक्रिया में, नाभिक क्रमिक रूप से निम्नलिखित चरणों से गुजरता है (चित्र 2): एक गेंद, एक दीर्घवृत्त, एक डम्बल, दो नाशपाती के आकार के टुकड़े, दो गोलाकार टुकड़े। नाभिक की स्थितिज ऊर्जा विखंडन के विभिन्न चरणों में कैसे बदलती है? विखंडन होने के बाद, और टुकड़े एक दूसरे से उनकी त्रिज्या से बहुत अधिक दूरी से अलग हो जाते हैं, उनके बीच कूलम्ब बातचीत द्वारा निर्धारित टुकड़ों की संभावित ऊर्जा को शून्य के बराबर माना जा सकता है।

आइए हम विखंडन के प्रारंभिक चरण पर विचार करें, जब नाभिक बढ़ते हुए r के साथ क्रांति के तेजी से बढ़े हुए दीर्घवृत्त का रूप ले लेता है। विखंडन की इस अवस्था में, r एक गोलाकार आकृति से नाभिक के विचलन का माप है (चित्र 3)। नाभिक के आकार के विकास के कारण, इसकी संभावित ऊर्जा में परिवर्तन सतह और कूलम्ब ऊर्जा E"n + E"k के योग में परिवर्तन से निर्धारित होता है। यह माना जाता है कि नाभिक का आयतन अपरिवर्तित रहता है विरूपण के दौरान। इस मामले में, सतह ऊर्जा ई "पी बढ़ जाती है, क्योंकि नाभिक के सतह क्षेत्र में वृद्धि होती है। कूलम्ब ऊर्जा ई" के घट जाती है, क्योंकि न्यूक्लियंस के बीच औसत दूरी बढ़ जाती है। चलो गोलाकार कोर, एक छोटे से पैरामीटर द्वारा विशेषता एक मामूली विरूपण के परिणामस्वरूप, एक अक्षीय रूप से सममित दीर्घवृत्त का रूप लेते हैं। यह दिखाया जा सकता है कि सतह ऊर्जा ई "पी और कूलम्ब ऊर्जा ई" के परिवर्तन के आधार पर निम्नानुसार है:

छोटे दीर्घवृत्ताकार विकृति के मामले में, सतह ऊर्जा में वृद्धि कूलम्ब ऊर्जा में कमी की तुलना में तेजी से होती है। भारी नाभिक 2En> Ek के क्षेत्र में, सतह और कूलम्ब ऊर्जा का योग बढ़ने के साथ बढ़ता है। यह (f.4) और (f.5) से पता चलता है कि छोटे दीर्घवृत्तीय विकृतियों में, सतह ऊर्जा में वृद्धि नाभिक के आकार में और परिवर्तन को रोकती है, और, परिणामस्वरूप, विखंडन। अभिव्यक्ति (f.5) छोटे मूल्यों (छोटे विकृति) के लिए मान्य है। यदि विरूपण इतना अधिक है कि नाभिक एक डम्बल का रूप ले लेता है, तो सतह तनाव बल, कूलम्ब बलों की तरह, नाभिक को अलग करने और टुकड़ों को एक गोलाकार आकार देने की प्रवृत्ति रखते हैं। इस विखंडन स्तर पर, कूलम्ब और सतह ऊर्जा दोनों में कमी के साथ तनाव में वृद्धि होती है। वे। नाभिक के विरूपण में क्रमिक वृद्धि के साथ, इसकी स्थितिज ऊर्जा अधिकतम से गुजरती है। अब r भविष्य के टुकड़ों के केंद्रों के बीच की दूरी का अर्थ है। जब टुकड़े एक दूसरे से दूर चले जाते हैं, तो उनकी बातचीत की संभावित ऊर्जा कम हो जाएगी, क्योंकि कूलम्ब प्रतिकर्षण एक की ऊर्जा कम हो जाती है। टुकड़ों के बीच की दूरी पर संभावित ऊर्जा की निर्भरता अंजीर में दिखाई गई है। 4. स्थितिज ऊर्जा का शून्य स्तर दो गैर-अंतःक्रियात्मक टुकड़ों की सतह और कूलम्ब ऊर्जाओं के योग से मेल खाता है। एक संभावित अवरोध की उपस्थिति तात्कालिक स्वतःस्फूर्त परमाणु विखंडन को रोकती है। नाभिक को तुरंत विभाजित करने के लिए, इसे ऊर्जा क्यू देने की आवश्यकता है जो बाधा ऊंचाई एच से अधिक है। एक विखंडनीय नाभिक की अधिकतम संभावित ऊर्जा लगभग ई 2 जेड 2 / (आर 1 + आर 2) के बराबर है, जहां आर 1 और R 2 खंड त्रिज्या हैं। उदाहरण के लिए, जब एक सोने के नाभिक को दो समान टुकड़ों में विभाजित किया जाता है, e 2 Z 2 / (R 1 + R 2) \u003d 173 MeV, और ऊर्जा E विखंडन के दौरान जारी होती है ( सूत्र देखें (f.2)) 132 MeV के बराबर है। इस प्रकार, एक सोने के नाभिक के विखंडन में, लगभग 40 MeV की ऊंचाई के साथ एक संभावित अवरोध को दूर करना आवश्यक है। बैरियर की ऊँचाई H जितनी अधिक होगी, प्रारंभिक नाभिक में कूलम्ब और सतह ऊर्जा E से /E p का अनुपात उतना ही छोटा होगा। यह अनुपात, बदले में, विभाज्यता पैरामीटर Z 2 /A में वृद्धि के साथ बढ़ता है ( देखें (एफ.4)) कोर जितना भारी होगा, बैरियर की ऊंचाई उतनी ही कम होगी H , चूंकि विभाज्यता पैरामीटर बढ़ती द्रव्यमान संख्या के साथ बढ़ता है:

वे। ड्रॉप मॉडल के अनुसार, Z 2 /A> 49 के साथ नाभिक प्रकृति में अनुपस्थित होना चाहिए, क्योंकि वे अनायास लगभग तुरंत (10 -22 s के क्रम के एक विशिष्ट परमाणु समय के लिए) विखंडन करते हैं। Z 2 /A> 49 ("स्थिरता का द्वीप") के साथ परमाणु नाभिक के अस्तित्व को शेल संरचना द्वारा समझाया गया है। विभाज्यता पैरामीटर Z 2 /А के मान पर आकार की निर्भरता, संभावित बाधा H की ऊंचाई और विखंडन ऊर्जा E को अंजीर में दिखाया गया है। 5.

Z 2 /A . के साथ नाभिक का स्वतःस्फूर्त विखंडन< 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 > 260 के लिए 232 थ से 0.3 सेकेंड के लिए 10 21 साल। Z 2 /A . के साथ जबरन परमाणु विखंडन < 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.

श्रृंखला परमाणु प्रतिक्रिया। यूरेनियम के न्यूट्रॉन विकिरण पर प्रयोगों के परिणामस्वरूप, यह पाया गया कि न्यूट्रॉन की क्रिया के तहत, यूरेनियम नाभिक लगभग आधे द्रव्यमान और आवेश के दो नाभिक (टुकड़ों) में विभाजित होते हैं; यह प्रक्रिया कई (दो या तीन) न्यूट्रॉन (चित्र। 402) के उत्सर्जन के साथ होती है। यूरेनियम के अलावा, मेंडेलीव की आवर्त प्रणाली के अंतिम तत्वों में से कुछ और तत्व विखंडन में सक्षम हैं। ये तत्व, जैसे यूरेनियम, न केवल न्यूट्रॉन के प्रभाव में, बल्कि बाहरी प्रभावों के बिना भी (अनायास) विखंडन करते हैं। 1940 में सोवियत भौतिकविदों केए पेट्रज़क और जॉर्जी निकोलाइविच फ्लेरोव (बी। 1913) द्वारा प्रायोगिक रूप से विखंडन की स्थापना की गई थी। यह एक बहुत ही दुर्लभ प्रक्रिया है। तो, 1 ग्राम यूरेनियम में, प्रति घंटे लगभग 20 सहज विखंडन होते हैं।

चावल। 402. न्यूट्रॉन के प्रभाव में एक यूरेनियम नाभिक का विखंडन: a) नाभिक एक न्यूट्रॉन को पकड़ लेता है; बी) नाभिक पर न्यूट्रॉन के प्रभाव के कारण नाभिक दोलन करता है; ग) केंद्रक दो टुकड़ों में विभाजित है; अधिक न्यूट्रॉन उत्सर्जित होते हैं।

परस्पर इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रतिकर्षण के कारण, विखंडन के टुकड़े विपरीत दिशाओं में बिखर जाते हैं, जिससे विशाल गतिज ऊर्जा (लगभग) प्राप्त होती है। विखंडन प्रतिक्रिया इस प्रकार ऊर्जा की एक महत्वपूर्ण रिहाई के साथ होती है। तेजी से चलने वाले टुकड़े माध्यम के परमाणुओं को तीव्रता से आयनित करते हैं। टुकड़ों की इस संपत्ति का उपयोग आयनीकरण कक्ष या क्लाउड कक्ष का उपयोग करके विखंडन प्रक्रियाओं का पता लगाने के लिए किया जाता है। एक बादल कक्ष में विखंडन के टुकड़ों के निशान की एक तस्वीर अंजीर में दिखाई गई है। 403. यह अत्यंत महत्वपूर्ण है कि यूरेनियम नाभिक (तथाकथित द्वितीयक विखंडन न्यूट्रॉन) के विखंडन के दौरान उत्सर्जित न्यूट्रॉन नए यूरेनियम नाभिक के विखंडन का कारण बनने में सक्षम हैं। इसके लिए धन्यवाद, एक विखंडन श्रृंखला प्रतिक्रिया करना संभव है: एक बार उत्पन्न होने के बाद, प्रतिक्रिया, सिद्धांत रूप में, नाभिक की बढ़ती संख्या को कवर करते हुए, अपने आप जारी रह सकती है। इस तरह की बढ़ती हुई सेलोन प्रतिक्रिया की विकास योजना अंजीर में दिखाई गई है। 404.

चावल। 403. एक बादल कक्ष में यूरेनियम विखंडन के टुकड़ों के निशान की तस्वीर: खंड () कक्ष को अवरुद्ध करने वाली प्लेट पर जमा यूरेनियम की एक पतली परत से विपरीत दिशाओं में बिखरा हुआ है। छवि कक्ष में निहित पानी कार अणुओं से न्यूट्रॉन द्वारा खटखटाए गए प्रोटॉन से संबंधित कई पतले निशान भी दिखाती है।

विखंडन श्रृंखला अभिक्रिया करना व्यवहार में आसान नहीं है; अनुभव से पता चलता है कि प्राकृतिक यूरेनियम के द्रव्यमान में एक श्रृंखला प्रतिक्रिया नहीं होती है। इसका कारण द्वितीयक न्यूट्रॉनों की हानि है; प्राकृतिक यूरेनियम में अधिकांश न्यूट्रॉन बिना विखंडन के खेल से बाहर हो जाते हैं। जैसा कि अध्ययनों से पता चला है, यूरेनियम के सबसे आम समस्थानिक - यूरेनियम - 238 () में न्यूट्रॉन का नुकसान होता है। यह आइसोटोप न्यूट्रॉन के साथ चांदी की प्रतिक्रिया के समान प्रतिक्रिया में न्यूट्रॉन को आसानी से अवशोषित कर लेता है (देखें 222); यह कृत्रिम रूप से रेडियोधर्मी आइसोटोप पैदा करता है। यह कठिनाई से और केवल तेज न्यूट्रॉन की क्रिया के तहत विभाजित होता है।

एक समस्थानिक जो एक मात्रा में प्राकृतिक यूरेनियम में निहित होता है, में एक श्रृंखला प्रतिक्रिया के लिए अधिक सफल गुण होते हैं। यह किसी भी ऊर्जा के न्यूट्रॉन की कार्रवाई के तहत विभाजित है - तेज और धीमा, और बेहतर, कम न्यूट्रॉन ऊर्जा। विखंडन के साथ प्रतिस्पर्धा करने वाली प्रक्रिया - न्यूट्रॉन का सरल अवशोषण - इसके विपरीत होने की संभावना नहीं है। इसलिए, शुद्ध यूरेनियम -235 में, एक विखंडन श्रृंखला प्रतिक्रिया संभव है, बशर्ते, यूरेनियम -235 का द्रव्यमान काफी बड़ा हो। कम द्रव्यमान वाले यूरेनियम में, इसके पदार्थ के बाहर द्वितीयक न्यूट्रॉन के उत्सर्जन के कारण विखंडन प्रतिक्रिया समाप्त हो जाती है।

चावल। 404. एक मूल्यवान विखंडन प्रतिक्रिया का विकास: यह सशर्त रूप से स्वीकार किया जाता है कि परमाणु विखंडन के दौरान दो न्यूट्रॉन उत्सर्जित होते हैं और कोई न्यूट्रॉन नुकसान नहीं होता है, अर्थात। प्रत्येक न्यूट्रॉन एक नए विखंडन का कारण बनता है; वृत्त - विखंडन के टुकड़े, तीर - विखंडन न्यूट्रॉन

दरअसल, परमाणु नाभिक के छोटे आकार के कारण, एक न्यूट्रॉन गलती से एक नाभिक से टकराने से पहले पदार्थ (सेंटीमीटर में मापा जाता है) में लंबी दूरी तय करता है। यदि शरीर के आयाम छोटे हैं, तो बाहर निकलने के रास्ते में टक्कर की संभावना कम है। लगभग सभी द्वितीयक विखंडन न्यूट्रॉन नए विखंडन पैदा किए बिना, यानी प्रतिक्रिया जारी रखे बिना शरीर की सतह से बाहर निकल जाते हैं।

बड़े आयामों के शरीर से, यह मुख्य रूप से न्यूट्रॉन होते हैं जो सतह की परत में बनते हैं जो बाहर निकलते हैं। शरीर के अंदर बने न्यूट्रॉन के सामने यूरेनियम की पर्याप्त मोटाई होती है और अधिकांश भाग के लिए प्रतिक्रिया जारी रखते हुए नए विखंडन का कारण बनते हैं (चित्र 405)। यूरेनियम का द्रव्यमान जितना अधिक होता है, आयतन का अंश उतना ही छोटा होता है, जिसकी सतह परत होती है, जिससे कई न्यूट्रॉन खो जाते हैं, और एक श्रृंखला प्रतिक्रिया के विकास के लिए अधिक अनुकूल परिस्थितियां होती हैं।

चावल। 405. में एक विखंडन श्रृंखला प्रतिक्रिया का विकास। a) एक छोटे द्रव्यमान में, अधिकांश विखंडन न्यूट्रॉन उड़ जाते हैं। बी) यूरेनियम के एक बड़े द्रव्यमान में, कई विखंडन न्यूट्रॉन नए नाभिक के विखंडन का कारण बनते हैं; पीढ़ी दर पीढ़ी विभाजनों की संख्या बढ़ती जाती है। वृत्त - विखंडन के टुकड़े, तीर - विखंडन न्यूट्रॉन

धीरे-धीरे मात्रा बढ़ाकर, हम महत्वपूर्ण द्रव्यमान तक पहुंच जाएंगे, यानी, सबसे छोटा द्रव्यमान, जिससे शुरू होकर एक निरंतर विखंडन श्रृंखला प्रतिक्रिया संभव है। द्रव्यमान में और वृद्धि के साथ, प्रतिक्रिया तेजी से विकसित होने लगेगी (यह स्वतःस्फूर्त विखंडन द्वारा शुरू की जाएगी)। जब द्रव्यमान क्रांतिक मान से कम हो जाता है, तो प्रतिक्रिया कम हो जाती है।

तो, आप विखंडन की एक श्रृंखला प्रतिक्रिया कर सकते हैं। यदि आपके पास पर्याप्त शुद्ध है, तो से अलग करें।

जैसा कि हमने §202 में देखा, आइसोटोप पृथक्करण एक जटिल और महंगा ऑपरेशन है, लेकिन यह अभी भी संभव है। वास्तव में, प्राकृतिक यूरेनियम से निष्कर्षण उन तरीकों में से एक था जिसमें विखंडन श्रृंखला प्रतिक्रिया को व्यवहार में लाया गया था।

इसके साथ ही चेन रिएक्शन दूसरे तरीके से हासिल किया गया, जिसमें यूरेनियम आइसोटोप को अलग करने की जरूरत नहीं पड़ी। यह विधि सिद्धांत रूप में कुछ अधिक जटिल है, लेकिन इसे लागू करना आसान है। यह थर्मल गति की गति के लिए तेजी से माध्यमिक विखंडन न्यूट्रॉन को धीमा करने का उपयोग करता है। हमने देखा है कि प्राकृतिक यूरेनियम में तत्काल द्वितीयक न्यूट्रॉन मुख्य रूप से आइसोटोप द्वारा अवशोषित होते हैं। चूंकि अवशोषण में विखंडन नहीं होता है, प्रतिक्रिया समाप्त हो जाती है। मापन से पता चलता है कि जब न्यूट्रॉन को थर्मल वेग से धीमा कर दिया जाता है, तो अवशोषित करने की शक्ति अवशोषित शक्ति से अधिक बढ़ जाती है। आइसोटोप द्वारा न्यूट्रॉन का अवशोषण, विखंडन की ओर जाता है, ऊपरी हाथ प्राप्त करता है। इसलिए, यदि विखंडन न्यूट्रॉन को धीमा कर दिया जाता है, तो उन्हें अवशोषित होने से रोक दिया जाता है, प्राकृतिक यूरेनियम के साथ एक श्रृंखला प्रतिक्रिया संभव हो जाएगी।

चावल। 406. प्राकृतिक यूरेनियम की एक प्रणाली और एक मॉडरेटर जिसमें एक विखंडन श्रृंखला प्रतिक्रिया विकसित हो सकती है

व्यवहार में, यह परिणाम प्राकृतिक यूरेनियम की ग्रिप रॉड को मॉडरेटर में एक दुर्लभ जाली के रूप में रखकर प्राप्त किया जाता है (चित्र। 406)। कम परमाणु द्रव्यमान वाले और कमजोर रूप से अवशोषित न्यूट्रॉन वाले पदार्थों को मॉडरेटर के रूप में उपयोग किया जाता है। ग्रेफाइट, भारी पानी, बेरिलियम अच्छे मध्यस्थ हैं।

बता दें कि यूरेनियम के नाभिक का विखंडन किसी एक छड़ में होता है। चूंकि रॉड अपेक्षाकृत पतली है, इसलिए तेज़ सेकेंडरी न्यूट्रॉन लगभग सभी मॉडरेटर में उड़ जाएंगे। छड़ें बहुत कम ही जाली में स्थित होती हैं। नई छड़ से टकराने से पहले, उत्सर्जित न्यूट्रॉन मॉडरेटर के नाभिक के साथ कई टकरावों का अनुभव करता है और थर्मल गति की गति को धीमा कर देता है (चित्र 407)। यूरेनियम की छड़ से टकराने के बाद, न्यूट्रॉन सबसे अधिक अवशोषित हो जाएगा और एक नया विखंडन पैदा करेगा, जिससे प्रतिक्रिया जारी रहेगी। विखंडन श्रृंखला प्रतिक्रिया पहली बार संयुक्त राज्य अमेरिका में 1942 में की गई थी। प्राकृतिक यूरेनियम के साथ एक प्रणाली में इतालवी भौतिक विज्ञानी एनरिको फर्मी (1901-1954) के नेतृत्व में वैज्ञानिकों का एक समूह। इस प्रक्रिया को 1946 में यूएसएसआर में स्वतंत्र रूप से लागू किया गया था। कर्मचारियों के साथ शिक्षाविद इगोर वासिलिविच कुरचटोव (1903-1960)।

चावल। 407. प्राकृतिक यूरेनियम और एक मॉडरेटर की एक प्रणाली में एक मूल्यवान विखंडन प्रतिक्रिया का विकास। एक तेज़ न्यूट्रॉन, एक पतली छड़ से उड़ता हुआ, मॉडरेटर से टकराता है और धीमा हो जाता है। एक बार फिर यूरेनियम में, धीमा न्यूट्रॉन में अवशोषित होने की संभावना है, जिससे विखंडन (प्रतीक: दो सफेद वृत्त) हो सकते हैं। कुछ न्यूट्रॉन बिना विखंडन के अवशोषित हो जाते हैं (प्रतीक: काला वृत्त)

परमाणु प्रतिक्रियाएं।एक परमाणु नाभिक के साथ एक कण की बातचीत, जिससे इस नाभिक को द्वितीयक कणों या गामा क्वांटा की रिहाई के साथ एक नए नाभिक में परिवर्तित किया जाता है, एक परमाणु प्रतिक्रिया कहलाती है।

पहली परमाणु प्रतिक्रिया 1919 में रदरफोर्ड द्वारा की गई थी। उन्होंने पाया कि जब अल्फा कण नाइट्रोजन परमाणुओं के नाभिक से टकराते हैं, तो तेजी से चलने वाले प्रोटॉन बनते हैं। इसका मतलब था कि नाइट्रोजन समस्थानिक का नाभिक, एक अल्फा कण के साथ टकराव के परिणामस्वरूप, ऑक्सीजन समस्थानिक के नाभिक में बदल गया:

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परमाणु प्रतिक्रियाएं ऊर्जा की रिहाई या अवशोषण के साथ आगे बढ़ सकती हैं। द्रव्यमान और ऊर्जा के बीच संबंध के नियम का उपयोग करते हुए, परमाणु प्रतिक्रिया की ऊर्जा उपज को प्रतिक्रिया में प्रवेश करने वाले कणों के द्रव्यमान और प्रतिक्रिया उत्पादों के बीच अंतर का पता लगाकर निर्धारित किया जा सकता है:

यूरेनियम नाभिक के विखंडन की श्रृंखला प्रतिक्रिया।विभिन्न नाभिकीय अभिक्रियाओं में कुछ भारी नाभिकों के विखंडन की श्रृंखला अभिक्रियाओं का आधुनिक मानव समाज के जीवन में विशेष महत्व है।

1939 में न्यूट्रॉन के साथ बमबारी के दौरान यूरेनियम नाभिक की विखंडन प्रतिक्रिया की खोज की गई थी। ई। फर्मी, आई। जूलियट-क्यूरी, ओ। हैन, एफ। स्ट्रैसमैन, एल। मीटनर, ओ द्वारा किए गए प्रयोगात्मक और सैद्धांतिक अध्ययनों के परिणामस्वरूप। फ्रिस्क, एफ. जूलियट-क्यूरी, यह पाया गया कि जब एक न्यूट्रॉन यूरेनियम नाभिक में प्रवेश करता है, तो नाभिक दो या तीन भागों में विभाजित हो जाता है।

एक यूरेनियम नाभिक के विखंडन से लगभग 200 MeV ऊर्जा निकलती है। खंड नाभिक की गति की गतिज ऊर्जा लगभग 165 MeV है, शेष ऊर्जा गामा क्वांटा द्वारा दूर ले जाती है।

एक यूरेनियम नाभिक के विखंडन के दौरान निकलने वाली ऊर्जा को जानकर हम गणना कर सकते हैं कि 1 किलो यूरेनियम के सभी नाभिकों के विखंडन से ऊर्जा की उपज 80 हजार अरब जूल है। यह 1 किलो कोयला या तेल जलाने पर निकलने वाली मात्रा से कई मिलियन गुना अधिक है। इसलिए, व्यावहारिक उद्देश्यों के लिए इसके उपयोग के लिए महत्वपूर्ण मात्रा में परमाणु ऊर्जा को मुक्त करने के तरीकों की खोज की गई।

एफ। जूलियट-क्यूरी ने 1934 में परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रियाओं की संभावना का सुझाव देने वाले पहले व्यक्ति थे। 1939 में, एच। हलबन और एल। कोवार्स्की के साथ, उन्होंने प्रयोगात्मक रूप से पता लगाया कि एक यूरेनियम नाभिक के विखंडन के दौरान, टुकड़ों-नाभिक के अलावा , 2 -3 मुक्त न्यूट्रॉन। अनुकूल परिस्थितियों में, ये न्यूट्रॉन अन्य यूरेनियम नाभिकों से टकरा सकते हैं और उनके विखंडन का कारण बन सकते हैं। तीन यूरेनियम नाभिकों के विखंडन के दौरान, 6-9 नए न्यूट्रॉन निकलते हैं, वे नए यूरेनियम नाभिक आदि में गिरेंगे। यूरेनियम नाभिक के विखंडन की एक श्रृंखला प्रतिक्रिया के विकास की योजना चित्र 316 में दिखाई गई है।

चावल। 316

श्रृंखला प्रतिक्रियाओं का व्यावहारिक कार्यान्वयन उतना सरल कार्य नहीं है जितना कि चित्र में दिखता है। यूरेनियम नाभिक के विखंडन के दौरान जारी न्यूट्रॉन केवल 235 की द्रव्यमान संख्या के साथ यूरेनियम समस्थानिक के नाभिक का विखंडन करने में सक्षम हैं, जबकि उनकी ऊर्जा 238 की द्रव्यमान संख्या के साथ यूरेनियम समस्थानिक के नाभिक को नष्ट करने के लिए अपर्याप्त है। प्राकृतिक यूरेनियम में, 238 की बड़ी संख्या के साथ यूरेनियम 99.8% है, जबकि यूरेनियम 235 की एक बड़ी संख्या के साथ केवल 0.7% है। इसलिए, विखंडन श्रृंखला प्रतिक्रिया को अंजाम देने का पहला संभव तरीका यूरेनियम समस्थानिकों के पृथक्करण और पर्याप्त मात्रा में शुद्ध समस्थानिक के उत्पादन से जुड़ा है। एक श्रृंखला प्रतिक्रिया के कार्यान्वयन के लिए एक आवश्यक शर्त पर्याप्त मात्रा में यूरेनियम की उपस्थिति है, क्योंकि एक छोटे से नमूने में, अधिकांश न्यूट्रॉन किसी भी नाभिक को मारने के बिना नमूने के माध्यम से उड़ते हैं। यूरेनियम का न्यूनतम द्रव्यमान जिसमें एक श्रृंखला प्रतिक्रिया हो सकती है, क्रांतिक द्रव्यमान कहलाता है। यूरेनियम -235 के लिए महत्वपूर्ण द्रव्यमान कई दसियों किलोग्राम है।

यूरेनियम -235 में एक श्रृंखला प्रतिक्रिया करने का सबसे सरल तरीका इस प्रकार है: यूरेनियम धातु के दो टुकड़े बनाए जाते हैं, जिनमें से प्रत्येक का द्रव्यमान महत्वपूर्ण से थोड़ा कम होता है। उनमें से प्रत्येक में एक श्रृंखला प्रतिक्रिया अलग से नहीं जा सकती है। इन टुकड़ों के तेजी से जुड़ने से एक श्रृंखला प्रतिक्रिया विकसित होती है और जबरदस्त ऊर्जा निकलती है। यूरेनियम का तापमान लाखों डिग्री तक पहुंच जाता है, यूरेनियम स्वयं और आसपास के अन्य पदार्थ भाप में बदल जाते हैं। गर्म गैसीय गेंद तेजी से फैलती है, जलती है और अपने रास्ते में आने वाली हर चीज को नष्ट कर देती है। इस तरह परमाणु विस्फोट होता है।

शांतिपूर्ण उद्देश्यों के लिए परमाणु विस्फोट की ऊर्जा का उपयोग करना बहुत मुश्किल है, क्योंकि इस मामले में ऊर्जा की रिहाई को नियंत्रित नहीं किया जा सकता है। परमाणु रिएक्टरों में यूरेनियम नाभिक के विखंडन की नियंत्रित श्रृंखला प्रतिक्रियाएं की जाती हैं।

परमाणु भट्टी।पहले परमाणु रिएक्टर धीमे न्यूट्रॉन रिएक्टर थे (चित्र 317)। यूरेनियम नाभिक के विखंडन के दौरान जारी अधिकांश न्यूट्रॉन में 1-2 MeV की ऊर्जा होती है। वहीं इनकी गति लगभग 107 m/s के बराबर होती है, इसलिए इन्हें तेज न्यूट्रॉन कहा जाता है। ऐसी ऊर्जा पर, न्यूट्रॉन लगभग समान दक्षता के साथ यूरेनियम और यूरेनियम के नाभिक के साथ बातचीत करते हैं। और चूंकि यूरेनियम नाभिक की तुलना में प्राकृतिक यूरेनियम में 140 गुना अधिक यूरेनियम नाभिक होते हैं, इनमें से अधिकांश न्यूट्रॉन यूरेनियम नाभिक द्वारा अवशोषित होते हैं और श्रृंखला प्रतिक्रिया विकसित नहीं होती है। ऊष्मीय गति (लगभग 2·10 3 m/s) की गति के करीब गति से चलने वाले न्यूट्रॉन को धीमा या थर्मल कहा जाता है। धीमे न्यूट्रॉन यूरेनियम -235 नाभिक के साथ अच्छी तरह से बातचीत करते हैं और उनके द्वारा तेजी से 500 गुना अधिक कुशलता से अवशोषित होते हैं। इसलिए, जब प्राकृतिक यूरेनियम धीमी न्यूट्रॉन से विकिरणित होता है, तो उनमें से अधिकांश यूरेनियम -238 नाभिक में नहीं, बल्कि यूरेनियम -235 नाभिक में अवशोषित होते हैं और उनके विखंडन का कारण बनते हैं। नतीजतन, प्राकृतिक यूरेनियम में एक श्रृंखला प्रतिक्रिया के विकास के लिए, न्यूट्रॉन वेगों को थर्मल में कम किया जाना चाहिए।

चावल। 317

जिस माध्यम में वे चलते हैं, उसके परमाणु नाभिक के साथ टकराव के परिणामस्वरूप न्यूट्रॉन धीमा हो जाता है। एक रिएक्टर में न्यूट्रॉन को धीमा करने के लिए, मॉडरेटर नामक एक विशेष पदार्थ का उपयोग किया जाता है। मॉडरेटर पदार्थ के परमाणु नाभिक में अपेक्षाकृत छोटा द्रव्यमान होना चाहिए, क्योंकि एक हल्के नाभिक के साथ टकराव में, एक भारी के साथ टकराव की तुलना में एक न्यूट्रॉन अधिक ऊर्जा खो देता है। सबसे आम मॉडरेटर साधारण पानी और ग्रेफाइट हैं।

जिस स्थान पर श्रृंखला अभिक्रिया होती है उसे रिएक्टर कोर कहते हैं। न्यूट्रॉन के रिसाव को कम करने के लिए, रिएक्टर कोर एक न्यूट्रॉन परावर्तक से घिरा हुआ है, जो उत्सर्जित न्यूट्रॉन के एक महत्वपूर्ण हिस्से को कोर में फेंकता है। परावर्तक आमतौर पर वही पदार्थ होता है जो मॉडरेटर के रूप में कार्य करता है।

रिएक्टर के संचालन के दौरान जारी ऊर्जा को शीतलक का उपयोग करके हटा दिया जाता है। केवल तरल पदार्थ और गैसें जिनमें न्यूट्रॉन को अवशोषित करने की क्षमता नहीं होती है, शीतलक के रूप में उपयोग की जा सकती हैं। साधारण पानी का व्यापक रूप से शीतलक के रूप में उपयोग किया जाता है, कभी-कभी कार्बन डाइऑक्साइड और यहां तक ​​कि तरल धातु सोडियम का भी उपयोग किया जाता है।

रिएक्टर को रिएक्टर कोर में पेश किए गए विशेष नियंत्रण (या नियंत्रण) छड़ के माध्यम से नियंत्रित किया जाता है। नियंत्रण छड़ें बोरॉन या कैडमियम यौगिकों से बनाई जाती हैं, जो बहुत अधिक दक्षता के साथ थर्मल न्यूट्रॉन को अवशोषित करती हैं। रिएक्टर का संचालन शुरू करने से पहले, उन्हें पूरी तरह से इसके मूल में पेश किया जाता है। न्यूट्रॉन के एक महत्वपूर्ण हिस्से को अवशोषित करके, वे एक श्रृंखला प्रतिक्रिया विकसित करना असंभव बनाते हैं। रिएक्टर को शुरू करने के लिए, नियंत्रण छड़ को धीरे-धीरे कोर से हटा लिया जाता है जब तक कि ऊर्जा रिलीज एक पूर्व निर्धारित स्तर तक नहीं पहुंच जाती। जब बिजली सेट स्तर से ऊपर बढ़ जाती है, तो ऑटोमेटा चालू हो जाता है, नियंत्रण छड़ को सक्रिय क्षेत्र की गहराई में डुबो देता है।

परमाणु ऊर्जा।शांति की सेवा के लिए परमाणु ऊर्जा हमारे देश में पहली बार लगाई गई थी। शिक्षाविद इगोर वासिलिविच कुरचटोव (1903-1960) यूएसएसआर में परमाणु विज्ञान और प्रौद्योगिकी पर काम करने वाले पहले आयोजक और नेता थे।

वर्तमान में, यूएसएसआर और यूरोप में सबसे बड़ा, लेनिनग्राद एनपीपी। में और। लेनिन की क्षमता 4000 मेगावाट है, यानी। पहले परमाणु ऊर्जा संयंत्र की शक्ति का 800 गुना।

बड़े परमाणु ऊर्जा संयंत्रों में उत्पन्न बिजली की लागत ताप विद्युत संयंत्रों में उत्पन्न बिजली की लागत से कम है। इसलिए, परमाणु ऊर्जा तीव्र गति से विकसित हो रही है।

समुद्री जहाजों पर बिजली संयंत्रों के रूप में परमाणु रिएक्टरों का उपयोग किया जाता है। परमाणु ऊर्जा संयंत्र के साथ दुनिया का पहला शांतिपूर्ण जहाज, परमाणु ऊर्जा से चलने वाला आइसब्रेकर लेनिन, 1959 में सोवियत संघ में बनाया गया था।

1975 में बनाया गया सोवियत परमाणु ऊर्जा से चलने वाला आइसब्रेकर आर्कटिका, उत्तरी ध्रुव पर पहुंचने वाला दुनिया का पहला सतही जहाज बन गया।

थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया।नाभिकीय ऊर्जा न केवल भारी नाभिकों की नाभिकीय विखंडन अभिक्रियाओं में, बल्कि हल्के परमाणु नाभिकों के संयोजन की अभिक्रियाओं में भी मुक्त होती है।

समान-आवेशित प्रोटॉन को जोड़ने के लिए, कूलम्ब प्रतिकर्षण बलों को दूर करना आवश्यक है, जो कि टकराने वाले कणों के पर्याप्त उच्च वेगों पर संभव है। प्रोटॉन से हीलियम नाभिक के संश्लेषण के लिए आवश्यक शर्तें सितारों के अंदरूनी हिस्सों में पाई जाती हैं। पृथ्वी पर, प्रायोगिक थर्मोन्यूक्लियर विस्फोटों में थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन रिएक्शन किया गया है।

हाइड्रोजन के प्रकाश समस्थानिक से हीलियम का संश्लेषण लगभग 108 K के तापमान पर होता है, और हाइड्रोजन के भारी समस्थानिकों से हीलियम के संश्लेषण के लिए - ड्यूटेरियम और ट्रिटियम - योजना के अनुसार

लगभग 5 10 7 K तक गर्म करने की आवश्यकता है।

ड्यूटेरियम और ट्रिटियम से 1 ग्राम हीलियम के संश्लेषण के दौरान, 4.2·10 11 J की ऊर्जा निकलती है। ऐसी ऊर्जा तब निकलती है जब 10 टन डीजल ईंधन जलाया जाता है।

पृथ्वी पर हाइड्रोजन के भंडार व्यावहारिक रूप से अटूट हैं, इसलिए शांतिपूर्ण उद्देश्यों के लिए थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन ऊर्जा का उपयोग आधुनिक विज्ञान और प्रौद्योगिकी के सबसे महत्वपूर्ण कार्यों में से एक है।

गर्म करके भारी हाइड्रोजन समस्थानिकों से हीलियम संश्लेषण की नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया को प्लाज्मा के माध्यम से विद्युत प्रवाह पारित करके किया जाना चाहिए। गर्म प्लाज्मा को कक्ष की दीवारों को छूने से रोकने के लिए एक चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग किया जाता है। टोकामक -10 प्रायोगिक सुविधा में, सोवियत भौतिक विज्ञानी प्लाज्मा को 13 मिलियन डिग्री के तापमान तक गर्म करने में सफल रहे। लेजर विकिरण का उपयोग करके हाइड्रोजन को उच्च तापमान तक गर्म किया जा सकता है। ऐसा करने के लिए, कई लेज़रों से प्रकाश पुंजों को एक कांच की गेंद पर केंद्रित किया जाना चाहिए, जिसके अंदर ड्यूटेरियम और ट्रिटियम के भारी समस्थानिकों का मिश्रण होता है। लेजर प्रतिष्ठानों पर प्रयोगों में, कई दसियों लाख डिग्री के तापमान वाला प्लाज्मा पहले ही प्राप्त किया जा चुका है।