विखंडन के दौरान जारी ऊर्जा E, Z 2/A बढ़ने के साथ बढ़ती है। 89 Y (yttrium) के लिए Z 2 /A = 17 का मान। वे। विखंडन yttrium से भारी सभी नाभिकों के लिए ऊर्जावान रूप से अनुकूल है। अधिकांश नाभिक स्वतःस्फूर्त विखंडन के प्रतिरोधी क्यों होते हैं? इस प्रश्न का उत्तर देने के लिए, विभाजन के तंत्र पर विचार करना आवश्यक है।

विखंडन के दौरान, नाभिक का आकार बदल जाता है। नाभिक क्रमिक रूप से निम्नलिखित चरणों से गुजरता है (चित्र। 7.1): 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?
आवर्धन के साथ प्रारंभिक कोर आरक्रांति के तेजी से बढ़े हुए दीर्घवृत्त का रूप ले लेता है। इस मामले में, नाभिक के आकार के विकास के कारण, इसकी संभावित ऊर्जा में परिवर्तन सतह और कूलम्ब ऊर्जा ई पी + ई के के योग में परिवर्तन से निर्धारित होता है। इस मामले में, सतह ऊर्जा बढ़ जाती है, चूंकि नाभिक का पृष्ठीय क्षेत्रफल बढ़ता है। जैसे-जैसे प्रोटॉनों के बीच औसत दूरी बढ़ती है, कूलम्ब ऊर्जा घटती जाती है। यदि, एक छोटे से पैरामीटर द्वारा विशेषता एक मामूली विरूपण के साथ, प्रारंभिक कोर एक अक्षीय रूप से सममित दीर्घवृत्त का रूप लेता है, सतह ऊर्जा ई "पी और कूलम्ब ऊर्जा ई" के रूप में विरूपण पैरामीटर परिवर्तन के कार्य निम्नानुसार हैं:

अनुपात में (7.4-7.5) इएन और इ k प्रारंभिक गोलाकार सममित नाभिक की सतह और कूलम्ब ऊर्जाएँ हैं।
भारी नाभिक के क्षेत्र में, 2E n > Ek, और सतह और कूलम्ब ऊर्जाओं का योग बढ़ने के साथ बढ़ता है। यह (7.4) और (7.5) से इस प्रकार है कि छोटे विकृतियों पर, सतह ऊर्जा में वृद्धि नाभिक के आकार में और परिवर्तन को रोकती है और, परिणामस्वरूप, विखंडन।
संबंध (7.5) छोटे उपभेदों के लिए मान्य है। यदि विरूपण इतना अधिक है कि नाभिक एक डम्बल का रूप ले लेता है, तो सतह और कूलम्ब बल नाभिक को अलग करते हैं और टुकड़ों को एक गोलाकार आकार देते हैं। इस प्रकार, नाभिक के विरूपण में क्रमिक वृद्धि के साथ, इसकी स्थितिज ऊर्जा अधिकतम से गुजरती है। r के कार्य के रूप में नाभिक की सतह और कूलम्ब ऊर्जाओं का प्लॉट अंजीर में दिखाया गया है। 7.2.

एक संभावित अवरोध की उपस्थिति तात्कालिक स्वतःस्फूर्त परमाणु विखंडन को रोकती है। नाभिक को विभाजित करने के लिए, इसे ऊर्जा क्यू देने की आवश्यकता है जो विखंडन बाधा एच की ऊंचाई से अधिक है। विखंडनीय नाभिक ई + एच (उदाहरण के लिए, सोना) की अधिकतम संभावित ऊर्जा दो समान टुकड़ों में है ≈ 173 MeV , और विखंडन के दौरान जारी ऊर्जा E 132 MeV है। इस प्रकार, सोने के नाभिक के विखंडन के दौरान, लगभग 40 MeV की ऊंचाई के साथ एक संभावित अवरोध को दूर करना आवश्यक है।
विखंडन अवरोध H की ऊँचाई जितनी अधिक होगी, प्रारंभिक नाभिक में कूलम्ब और सतह ऊर्जा E से /E p का अनुपात उतना ही छोटा होगा। यह अनुपात, बदले में, विभाजन पैरामीटर Z 2 /A (7.3) में वृद्धि के साथ बढ़ता है। नाभिक जितना भारी होगा, विखंडन बाधा H की ऊंचाई उतनी ही कम होगी, क्योंकि विखंडन पैरामीटर, इस धारणा के तहत कि Z, A के समानुपाती है, बढ़ती द्रव्यमान संख्या के साथ बढ़ता है:

ई के / ई पी \u003d (ए 3 जेड 2) / (ए 2 ए) ~ ए।

(7.6)

इसलिए, नाभिकीय विखंडन का कारण बनने के लिए भारी नाभिकों को आम तौर पर कम ऊर्जा की आपूर्ति करने की आवश्यकता होती है।
विखंडन अवरोध की ऊंचाई 2E p - Ec = 0 (7.5) पर गायब हो जाती है। इस मामले में

2ई पी / ई के \u003d 2 (ए 2 ए) / (ए 3 जेड 2),

जेड 2 / ए \u003d 2 ए 2 / (ए 3 जेड 2) 49।

इस प्रकार, ड्रॉप मॉडल के अनुसार, Z 2 /A> 49 वाले नाभिक प्रकृति में मौजूद नहीं हो सकते हैं, क्योंकि उन्हें 10–22 s के क्रम के एक विशिष्ट परमाणु समय में लगभग तुरंत ही दो टुकड़ों में विभाजित होना चाहिए। संभावित बाधा एच के आकार और ऊंचाई की निर्भरता, साथ ही विखंडन ऊर्जा, पैरामीटर जेड 2 / ए के मूल्य पर अंजीर में दिखाए गए हैं। 7.3.

चावल। 7.3. पैरामीटर Z 2 /A के विभिन्न मूल्यों पर संभावित अवरोध और विखंडन ऊर्जा E के आकार और ऊंचाई की रेडियल निर्भरता। E p + E k का मान ऊर्ध्वाधर अक्ष पर आलेखित किया जाता है।

Z 2 /A . के साथ सहज परमाणु विखंडन< 49, для которых высота барьера H не равна нулю, с точки зрения классической физики невозможно. Однако в квантовой механике такое деление возможно за счет туннельного эффекта – прохождения осколков деления через потенциальный барьер. Оно носит название спонтанного деления. Вероятность спонтанного деления растет с увеличением параметра деления Z 2 /A, т. е. с уменьшением высоты барьера деления. В целом период спонтанного деления уменьшается при переходе от менее тяжелых ядер к более тяжелым от T 1/2 >260 आरएफ के लिए 232 वें से 0.3 एस के लिए 10 21 साल।
Z 2 /A . के साथ जबरन परमाणु विखंडन< 49 может быть вызвано их возбуждением фотонами, нейтронами, протонами, дейтронами, a частицами и другими частицами, если вносимая в ядро энергия достаточна для преодоления барьера деления.
एक न्यूट्रॉन को पकड़ने के दौरान बनने वाले यौगिक नाभिक E* की उत्तेजना ऊर्जा का न्यूनतम मान इस नाभिक में न्यूट्रॉन की बाध्यकारी ऊर्जा के बराबर होता है n । तालिका 7.1 न्यूट्रॉन कैप्चर के बाद बने Th, U, Pu समस्थानिकों के लिए बाधा ऊंचाई H और न्यूट्रॉन बाध्यकारी ऊर्जा ε n की तुलना करती है। न्यूट्रॉन की बाध्यकारी ऊर्जा नाभिक में न्यूट्रॉन की संख्या पर निर्भर करती है। युग्मन ऊर्जा के कारण सम न्यूट्रॉन की बंधन ऊर्जा विषम न्यूट्रॉन की बंधन ऊर्जा से अधिक होती है।

तालिका 7.1

विखंडन बाधा ऊंचाई एच, न्यूट्रॉन बाध्यकारी ऊर्जा n

आइसोटोप	विखंडन बाधा ऊंचाई एच, मेवी	आइसोटोप	न्यूट्रॉन बाध्यकारी ऊर्जा n
232Th	5.9	233थ	4.79
233 यू	5.5	234 यू	6.84
235 यू	5.75	236 यू	6.55
238 यू	5.85	239 यू	4.80
239 पु	5.5	240 पु	6.53

विखंडन की एक विशिष्ट विशेषता यह है कि टुकड़ों में, एक नियम के रूप में, अलग-अलग द्रव्यमान होते हैं। 235 यू के सबसे संभावित विखंडन के मामले में, टुकड़ा द्रव्यमान अनुपात औसतन ~ 1.5 है। थर्मल न्यूट्रॉन द्वारा 235 यू विखंडन अंशों का द्रव्यमान वितरण अंजीर में दिखाया गया है। 7.4. सबसे संभावित विखंडन के लिए, एक भारी टुकड़े की द्रव्यमान संख्या 139 है, एक हल्का - 95। विखंडन उत्पादों में ए = 72 - 161 और जेड = 30 - 65 के साथ टुकड़े होते हैं। दो टुकड़ों में विखंडन की संभावना बराबर द्रव्यमान शून्य के बराबर नहीं है। थर्मल न्यूट्रॉन द्वारा 235 यू के विखंडन में, सममित विखंडन की संभावना ए = 139 और 95 के साथ टुकड़ों में सबसे संभावित विखंडन के मामले में परिमाण के लगभग तीन क्रम कम है।
असममित विखंडन को नाभिक की खोल संरचना द्वारा समझाया गया है। नाभिक इस तरह विभाजित होता है कि प्रत्येक टुकड़े के नाभिक का मुख्य भाग सबसे स्थिर जादुई कोर बनाता है।
235 U नाभिक N/Z = 1.55 में न्यूट्रॉनों की संख्या और प्रोटॉनों की संख्या का अनुपात, जबकि स्थिर समस्थानिकों के लिए द्रव्यमान संख्या के करीब द्रव्यमान संख्या के साथ, यह अनुपात 1.25 - 1.45 है। नतीजतन, विखंडन के टुकड़े न्यूट्रॉन के साथ अत्यधिक अतिभारित हो जाते हैं और होना चाहिए
β - रेडियोधर्मी। इसलिए, विखंडन के टुकड़े क्रमिक β - क्षय का अनुभव करते हैं, और प्राथमिक टुकड़े का आवेश 4 - 6 इकाइयों तक बदल सकता है। नीचे 97 Kr के रेडियोधर्मी क्षय की एक विशिष्ट श्रृंखला है - 235 U के विखंडन के दौरान बनने वाले टुकड़ों में से एक:

प्रोटॉन और न्यूट्रॉन की संख्या के अनुपात के उल्लंघन के कारण टुकड़ों की उत्तेजना, जो स्थिर नाभिक की विशेषता है, शीघ्र विखंडन न्यूट्रॉन के उत्सर्जन के कारण भी हटा दी जाती है। ये न्यूट्रॉन ~ 10 -14 s से कम समय में टुकड़ों को हिलाने से उत्सर्जित होते हैं। प्रत्येक विखंडन घटना में औसतन 2 - 3 शीघ्र न्यूट्रॉन उत्सर्जित होते हैं। उनका ऊर्जा स्पेक्ट्रम अधिकतम 1 MeV के साथ निरंतर है। एक त्वरित न्यूट्रॉन की औसत ऊर्जा 2 MeV के करीब होती है। प्रत्येक विखंडन घटना में एक से अधिक न्यूट्रॉन का उत्सर्जन परमाणु विखंडन श्रृंखला प्रतिक्रिया के माध्यम से ऊर्जा प्राप्त करना संभव बनाता है।
थर्मल न्यूट्रॉन द्वारा 235 U के सबसे संभावित विखंडन में, एक प्रकाश टुकड़ा (A = 95) 100 MeV की गतिज ऊर्जा प्राप्त करता है, और एक भारी (A = 139) लगभग 67 MeV प्राप्त करता है। इस प्रकार, टुकड़ों की कुल गतिज ऊर्जा 167 MeV है। इस मामले में कुल विखंडन ऊर्जा 200 MeV है। इस प्रकार, शेष ऊर्जा (33 MeV) अन्य विखंडन उत्पादों (बीटा के न्यूट्रॉन, इलेक्ट्रॉनों और एंटीन्यूट्रिनो - टुकड़ों के क्षय, टुकड़ों के γ-विकिरण और उनके क्षय उत्पादों) के बीच वितरित की जाती है। थर्मल न्यूट्रॉन द्वारा 235 U के विखंडन के दौरान विभिन्न उत्पादों के बीच विखंडन ऊर्जा का वितरण तालिका 7.2 में दिया गया है।

तालिका 7.2

विखंडन ऊर्जा वितरण 235 यू थर्मल न्यूट्रॉन

परमाणु विखंडन उत्पाद (एनएफ) 36 तत्वों (जस्ता से गैडोलीनियम तक) के 200 से अधिक रेडियोधर्मी समस्थानिकों का एक जटिल मिश्रण है। अधिकांश गतिविधि अल्पकालिक रेडियोन्यूक्लाइड से बनी होती है। इस प्रकार, विस्फोट के 7, 49 और 343 दिनों के बाद, पीएनडी की गतिविधि विस्फोट के एक घंटे बाद की गतिविधि की तुलना में क्रमशः 10, 100 और 1000 गुना कम हो जाती है। सबसे जैविक रूप से महत्वपूर्ण रेडियोन्यूक्लाइड की उपज तालिका 7.3 में दी गई है। पीएनडी के अलावा, रेडियोधर्मी संदूषण प्रेरित गतिविधि के रेडियोन्यूक्लाइड (3 एच, 14 सी, 28 एएल, 24 ना, 56 एमएन, 59 फे, 60 सह, आदि) और यूरेनियम और प्लूटोनियम के अविभाजित हिस्से के कारण होता है। थर्मोन्यूक्लियर विस्फोटों में प्रेरित गतिविधि की भूमिका विशेष रूप से महान है।

तालिका 7.3

परमाणु विस्फोट में कुछ विखंडन उत्पादों का विमोचन

रेडियोन्यूक्लाइड	हाफ लाइफ	प्रति डिवीजन आउटपुट,%	गतिविधि प्रति 1 एमटी, 10 15 बीक्यू
89श्री	50.5 दिन	2.56	590
90श्री	29.12 साल पुराना	3.5	3.9
95 Zr	65 दिन	5.07	920
103 रु	41 दिन	5.2	1500
106 रु	365 दिन	2.44	78
131 मैं	8.05 दिन	2.9	4200
136Cs	13.2 दिन	0.036	32
137Cs	30 साल	5.57	5.9
140 बा	12.8 दिन	5.18	4700
141सी	32.5 दिन	4.58	1600
144सी	288 दिन	4.69	190
3 ज	12.3 साल पुराना	0.01	2.6 10 -2

वायुमंडल में परमाणु विस्फोटों के दौरान, वर्षा का एक महत्वपूर्ण हिस्सा (जमीन विस्फोटों में 50% तक) परीक्षण क्षेत्र के पास पड़ता है। रेडियोधर्मी पदार्थों का एक हिस्सा वायुमंडल के निचले हिस्से में बना रहता है और हवा के प्रभाव में लंबी दूरी तक चलता है, लगभग एक ही अक्षांश पर रहता है। लगभग एक महीने तक हवा में रहने के कारण इस गति के दौरान रेडियोधर्मी पदार्थ धीरे-धीरे पृथ्वी पर गिरते हैं। अधिकांश रेडियोन्यूक्लाइड समताप मंडल (10÷15 किमी की ऊंचाई तक) में छोड़े जाते हैं, जहां वे विश्व स्तर पर फैले हुए हैं और बड़े पैमाने पर क्षय हो जाते हैं।
परमाणु रिएक्टरों के डिजाइन के विभिन्न तत्वों में दशकों से उच्च गतिविधि है (तालिका 7.4)

तालिका 7.4

तीन साल के ऑपरेशन के बाद रिएक्टर से हटाए गए ईंधन तत्वों में मुख्य विखंडन उत्पादों के विशिष्ट गतिविधि मूल्य (बीक्यू / टी यूरेनियम)

रेडियोन्यूक्लाइड	0	एक दिन	120 दिन	1 वर्ष		10 वर्ष
85 किलो	5. 78· 10 14	5. 78· 10 14	5. 66· 10 14	5. 42· 10 14	4. 7· 10 14	3. 03· 10 14
89श्री	4. 04· 10 16	3. 98· 10 16	5. 78· 10 15	2. 7· 10 14	1. 2· 10 10
90श्री	3. 51· 10 15	3. 51· 10 15	3. 48· 10 15	3. 43· 10 15	3. 26· 10 15	2. 75· 10 15
95 Zr	7. 29· 10 16	7. 21· 10 16	1. 99· 10 16	1. 4· 10 15	5. 14· 10 11
95Nb	7. 23· 10 16	7. 23· 10 16	3. 57· 10 16	3. 03· 10 15	1. 14· 10 12
103 रु	7. 08· 10 16	6. 95· 10 16	8. 55· 10 15	1. 14· 10 14	2. 97· 10 8
106 रु	2. 37· 10 16	2. 37· 10 16	1. 89· 10 16	1. 19· 10 16	3. 02· 10 15	2. 46· 10 13
131 मैं	4. 49· 10 16	4. 19· 10 16	1. 5· 10 12	1. 01· 10 3
134Cs	7. 50· 10 15	7. 50· 10 15	6. 71· 10 15	5. 36· 10 15	2. 73· 10 15	2. 6· 10 14
137Cs	4. 69· 10 15	4. 69· 10 15	4. 65· 10 15	4. 58· 10 15	4. 38· 10 15	3. 73· 10 15
140 बा	7. 93· 10 16	7. 51· 10 16	1. 19· 10 14	2. 03· 10 8
140ला	8. 19· 10 16	8. 05· 10 16	1. 37· 10 14	2. 34· 10 8
141 सीई	7. 36· 10 16	7. 25· 10 16	5. 73· 10 15	3. 08· 10 13	5. 33· 10 6
144 सीई	5. 44· 10 16	5. 44· 10 16	4. 06· 10 16	2. 24· 10 16	3. 77· 10 15	7. 43· 10 12
143 अपराह्न	6. 77· 10 16	6. 70· 10 16	1. 65· 10 14	6. 11· 10 8
147 अपराह्न	7. 05 10 15	7. 05· 10 15	6. 78· 10 15	5. 68· 10 15	3. 35· 10 14

परमाणु विखंडन प्रतिक्रियाएं- विखंडन प्रतिक्रियाएं, जो इस तथ्य में शामिल हैं कि न्यूट्रॉन के प्रभाव में एक भारी नाभिक, और जैसा कि बाद में निकला, अन्य कण, कई हल्के नाभिक (टुकड़ों) में विभाजित होते हैं, जो अक्सर दो नाभिक में होते हैं जो द्रव्यमान में करीब होते हैं।

परमाणु विखंडन की एक विशेषता यह है कि इसके साथ दो या तीन माध्यमिक न्यूट्रॉन का उत्सर्जन होता है, जिसे कहा जाता है विखंडन न्यूट्रॉन।चूंकि मध्यम नाभिक के लिए न्यूट्रॉन की संख्या लगभग प्रोटॉन की संख्या के बराबर होती है ( एन / जेड 1), और भारी नाभिक के लिए, न्यूट्रॉन की संख्या प्रोटॉन की संख्या से काफी अधिक है ( एन / जेड 1.6), फिर परिणामी विखंडन के टुकड़े न्यूट्रॉन के साथ अतिभारित होते हैं, जिसके परिणामस्वरूप वे विखंडन न्यूट्रॉन छोड़ते हैं। हालांकि, विखंडन न्यूट्रॉन का उत्सर्जन न्यूट्रॉन द्वारा खंड नाभिक के अधिभार को पूरी तरह से समाप्त नहीं करता है। यह इस तथ्य की ओर जाता है कि टुकड़े रेडियोधर्मी हैं। वे -क्वांटा के उत्सर्जन के साथ-साथ β--ट्रांसफॉर्मेशन की एक श्रृंखला से गुजर सकते हैं। चूंकि β--डेके न्यूट्रॉन के प्रोटॉन में परिवर्तन के साथ होता है, तो β--ट्रांसफॉर्मेशन की एक श्रृंखला के बाद, टुकड़े में न्यूट्रॉन और प्रोटॉन के बीच का अनुपात एक स्थिर आइसोटोप के अनुरूप मूल्य तक पहुंच जाएगा। उदाहरण के लिए, यूरेनियम नाभिक के विखंडन के दौरान U

यू+ एन →एक्सई + सीनियर +2 एन(265.1)

विखंडन शार्ड β-क्षय के तीन कार्यों के परिणामस्वरूप, Xe लैंथेनम ला के एक स्थिर समस्थानिक में बदल जाता है:

हेह → सी → बी ० ए → ला.

विखंडन के टुकड़े विविध हो सकते हैं, इसलिए प्रतिक्रिया (265.1) केवल यू विखंडन के लिए अग्रणी नहीं है।

विखंडन के दौरान अधिकांश न्यूट्रॉन लगभग तुरंत उत्सर्जित होते हैं ( टी 10-14 सेकेंड), और एक हिस्सा (लगभग 0.7%) विखंडन के कुछ समय बाद विखंडन के टुकड़ों द्वारा उत्सर्जित होता है (0.05 सेकंड ) टी≤ 60 एस)। इनमें से पहला कहा जाता है तुरंत,द्वितीय - देर से।प्रत्येक विखंडन घटना के लिए औसतन 2.5 न्यूट्रॉन उत्सर्जित होते हैं। उनके पास अपेक्षाकृत व्यापक ऊर्जा स्पेक्ट्रम है जो 0 से 7 MeV तक है, औसत ऊर्जा लगभग 2 MeV प्रति न्यूट्रॉन है।

गणना से पता चलता है कि बड़ी मात्रा में ऊर्जा की रिहाई के साथ परमाणु विखंडन भी होना चाहिए। दरअसल, मध्यम-द्रव्यमान नाभिक के लिए विशिष्ट बाध्यकारी ऊर्जा लगभग 8.7 MeV है, जबकि भारी नाभिक के लिए यह 7.6 MeV है। नतीजतन, एक भारी नाभिक के दो टुकड़ों में विखंडन से लगभग 1.1 MeV प्रति न्यूक्लियॉन के बराबर ऊर्जा निकलनी चाहिए।

परमाणु नाभिक के विखंडन का सिद्धांत (N. Bohr, Ya. I. Frenkel) नाभिक के ड्रॉप मॉडल पर आधारित था। नाभिक को विद्युत आवेशित असंपीड्य द्रव की एक बूंद के रूप में माना जाता है (एक घनत्व के साथ एक परमाणु के बराबर और क्वांटम यांत्रिकी के नियमों के अधीन), जिसके कण, जब एक न्यूट्रॉन नाभिक में प्रवेश करता है, तो एक के रूप में दोलन करना शुरू कर देता है। जिसके परिणामस्वरूप नाभिक दो भागों में टूट जाता है, भारी ऊर्जा के साथ अलग हो जाता है।

परमाणु विखंडन की संभावना न्यूट्रॉन ऊर्जा द्वारा निर्धारित की जाती है। उदाहरण के लिए, यदि उच्च-ऊर्जा न्यूट्रॉन लगभग सभी नाभिकों के विखंडन का कारण बनते हैं, तो कई मेगा-इलेक्ट्रॉन-वोल्ट की ऊर्जा वाले न्यूट्रॉन - केवल भारी नाभिक ( लेकिन>210), न्यूट्रॉन के साथ सक्रियण ऊर्जा(परमाणु विखंडन प्रतिक्रिया के कार्यान्वयन के लिए आवश्यक न्यूनतम ऊर्जा) 1 MeV के क्रम के, यूरेनियम यू, थोरियम थ, प्रोटैक्टीनियम पा, प्लूटोनियम पु के नाभिक के विखंडन का कारण बनता है। नाभिक U, Pu, और U, Th को थर्मल न्यूट्रॉन द्वारा विभाजित किया जाता है (अंतिम दो समस्थानिक प्रकृति में नहीं होते हैं, वे कृत्रिम रूप से प्राप्त होते हैं)।

नाभिकीय विखंडन के दौरान उत्सर्जित द्वितीयक न्यूट्रॉन नए विखंडन की घटनाओं का कारण बन सकते हैं, जिससे यह संभव हो जाता है विखंडन श्रृंखला प्रतिक्रिया- एक परमाणु प्रतिक्रिया जिसमें प्रतिक्रिया करने वाले कण इस प्रतिक्रिया के उत्पाद के रूप में बनते हैं। विखंडन श्रृंखला प्रतिक्रिया की विशेषता है गुणन कारक कन्यूट्रॉन, जो किसी पीढ़ी में न्यूट्रॉन की संख्या के अनुपात के बराबर है, पिछली पीढ़ी में उनकी संख्या के अनुपात के बराबर है। आवश्यक शर्तएक विखंडन श्रृंखला प्रतिक्रिया के विकास के लिए है आवश्यकता कश्मीर 1.

यह पता चला है कि सभी परिणामी माध्यमिक न्यूट्रॉन बाद के परमाणु विखंडन का कारण नहीं बनते हैं, जिससे गुणन कारक में कमी आती है। सबसे पहले, परिमित आयामों के कारण सार(वह स्थान जहां एक मूल्यवान प्रतिक्रिया होती है) और न्यूट्रॉन की उच्च मर्मज्ञ शक्ति, उनमें से कुछ किसी भी नाभिक द्वारा कब्जा किए जाने से पहले कोर छोड़ देंगे। दूसरे, न्यूट्रॉन का हिस्सा गैर-विखंडन अशुद्धियों के नाभिक द्वारा कब्जा कर लिया जाता है, जो हमेशा कोर में मौजूद होते हैं। इसके अलावा, विखंडन के साथ, विकिरण कैप्चर और इनलेस्टिक बिखरने की प्रतिस्पर्धी प्रक्रियाएं हो सकती हैं।

गुणन कारक विखंडनीय सामग्री की प्रकृति पर निर्भर करता है, और किसी दिए गए आइसोटोप के लिए, इसकी मात्रा पर, साथ ही साथ सक्रिय क्षेत्र के आकार और आकार पर निर्भर करता है। सक्रिय क्षेत्र के न्यूनतम आयाम जिस पर एक श्रृंखला प्रतिक्रिया संभव है, कहलाती है महत्वपूर्ण आयाम।कार्यान्वयन के लिए आवश्यक महत्वपूर्ण आकारों की प्रणाली में स्थित विखंडनीय सामग्री का न्यूनतम द्रव्यमान श्रृंखला अभिक्रिया,बुलाया क्रांतिक द्रव्यमान।

श्रृंखला प्रतिक्रियाओं के विकास की दर अलग है। रहने दो टी -औसत समय

एक पीढ़ी का जीवन, और एनकिसी दी गई पीढ़ी में न्यूट्रॉन की संख्या है। अगली पीढ़ी में इनकी संख्या होती है के.एन.,टी। ई. प्रति पीढ़ी न्यूट्रॉन की संख्या में वृद्धि डीएन = केएन - एन = एन(क-एक)। समय की प्रति इकाई न्यूट्रॉन की संख्या में वृद्धि, यानी श्रृंखला प्रतिक्रिया की वृद्धि दर,

. (266.1)

समाकलन (266.1), हम प्राप्त करते हैं

,

कहाँ पे एन0समय के प्रारंभिक क्षण में न्यूट्रॉन की संख्या है, और एन- एक बार में उनकी संख्या टी. एनसंकेत द्वारा परिभाषित किया गया है ( क- एक)। पर क> 1 जाता है विकासशील प्रतिक्रिया।विभाजनों की संख्या लगातार बढ़ती जाती है और प्रतिक्रिया विस्फोटक हो सकती है। पर क=1 जाता है आत्मनिर्भर प्रतिक्रियाजिस पर समय के साथ न्यूट्रॉनों की संख्या में परिवर्तन नहीं होता है। पर क <1 идет लुप्त होती प्रतिक्रिया,

श्रृंखला प्रतिक्रियाओं को नियंत्रित और अनियंत्रित में विभाजित किया गया है। उदाहरण के लिए, परमाणु बम का विस्फोट एक अनियंत्रित प्रतिक्रिया है। भंडारण के दौरान एक परमाणु बम को फटने से बचाने के लिए, इसमें यू (या पु) को दो भागों में विभाजित किया जाता है, जो एक दूसरे से दूर होते हैं, जिनका द्रव्यमान क्रिटिकल से कम होता है। फिर, एक साधारण विस्फोट की मदद से, ये द्रव्यमान एक-दूसरे के पास पहुंचते हैं, विखंडनीय सामग्री का कुल द्रव्यमान अधिक महत्वपूर्ण हो जाता है, और एक विस्फोटक श्रृंखला प्रतिक्रिया होती है, जिसमें बड़ी मात्रा में ऊर्जा और महान विनाश की तात्कालिक रिहाई होती है। विस्फोटक प्रतिक्रिया उपलब्ध स्वतःस्फूर्त विखंडन न्यूट्रॉन या ब्रह्मांडीय विकिरण न्यूट्रॉन के कारण शुरू होती है। परमाणु रिएक्टरों में नियंत्रित श्रृंखला प्रतिक्रियाएं की जाती हैं।

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:

.

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 परमाणुओं के 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 सादा 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 प्रकाश 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।

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 का उत्पादन करता है। यह मुश्किल 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 तेज न्यूट्रॉन, एक पतली छड़ से उड़ता हुआ, मॉडरेटर से टकराता है और धीमा हो जाता है। यूरेनियम में एक बार फिर, 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)