Karena netralitas listrik neutron.

2. Energi apa yang disebut energi hasil reaksi? Bagaimana cara memperkirakan hasil energi untuk reaksi fisi?

Hasil energi total dari reaksi fisi adalah energi yang dilepaskan selama fisi satu inti uranium. Energi ikat spesifik nukleon dalam inti uranium 235 kira-kira sama dengan 7,6 MeV, dari fragmen reaksi - sekitar 8,5 MeV. Sebagai hasil dari fisi, (8,5 - 7,6) MeV = 0,9 MeV (per nukleon) dilepaskan. Ada 235 nukleon total, maka total energi yang dihasilkan dari reaksi fisi adalah

3. Nilai apa yang mencirikan kecepatan reaksi berantai? Tuliskan kondisi yang diperlukan untuk pengembangan reaksi berantai.

Faktor perkalian neutron k mencirikan laju reaksi berantai. Kondisi yang diperlukan untuk pengembangan reaksi berantai

4. Reaksi fisi apa yang disebut mandiri? Kapan itu terjadi?

Reaksi fisi nuklir mandiri terjadi jika neutron baru memiliki waktu untuk terbentuk sebagai hasil dari reaksi fisi selama neutron bergerak melalui media dengan dimensi linier l.

5. Evaluasi ukuran inti kritis dan massa kritis.

Volume silinder adalah

N adalah konsentrasi inti. Jumlah tumbukan neutron dengan inti per satuan waktu n.

Fisi nuklir adalah pemecahan atom berat menjadi dua fragmen dengan massa yang kira-kira sama, disertai dengan pelepasan sejumlah besar energi.

Penemuan fisi nuklir memulai era baru - "zaman atom". Potensi penggunaan yang mungkin dan rasio risiko untuk mendapatkan keuntungan dari penggunaannya tidak hanya menghasilkan banyak pencapaian sosiologis, politik, ekonomi dan ilmiah, tetapi juga masalah serius. Bahkan dari sudut pandang ilmiah murni, proses fisi nuklir telah menciptakan banyak teka-teki dan komplikasi, dan penjelasan teoretis lengkapnya adalah masalah masa depan.

Berbagi itu menguntungkan

Energi ikat (per nukleon) berbeda untuk nukleus yang berbeda. Yang lebih berat memiliki energi ikat yang lebih rendah daripada yang terletak di tengah tabel periodik.

Ini berarti bahwa untuk inti berat dengan nomor atom lebih besar dari 100, adalah menguntungkan untuk membagi menjadi dua fragmen yang lebih kecil, sehingga melepaskan energi, yang diubah menjadi energi kinetik fragmen. Proses ini disebut membelah

Menurut kurva stabilitas, yang menunjukkan ketergantungan jumlah proton pada jumlah neutron untuk nuklida stabil, inti yang lebih berat lebih menyukai lebih banyak neutron (dibandingkan dengan jumlah proton) daripada yang lebih ringan. Ini menunjukkan bahwa seiring dengan proses pemisahan, beberapa neutron "cadangan" akan dipancarkan. Selain itu, mereka juga akan mengambil sebagian dari energi yang dilepaskan. Studi tentang fisi nuklir atom uranium menunjukkan bahwa 3-4 neutron dilepaskan: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

Nomor atom (dan massa atom) fragmen tidak sama dengan setengah massa atom induknya. Perbedaan antara massa atom yang terbentuk sebagai hasil pemecahan biasanya sekitar 50. Benar, alasannya belum sepenuhnya jelas.

Energi ikat 238 U, 145 La, dan 90 Br berturut-turut adalah 1803, 1198, dan 763 MeV. Artinya, sebagai hasil dari reaksi ini, energi fisi inti uranium yang dilepaskan adalah sebesar 1198 + 763-1803 = 158 MeV.

Pembagian spontan

Proses pemisahan spontan diketahui di alam, tetapi sangat jarang. Masa hidup rata-rata dari proses ini adalah sekitar 10 17 tahun, dan, misalnya, masa hidup rata-rata peluruhan alfa dari radionuklida yang sama adalah sekitar 10 11 tahun.

Pasalnya, untuk membelah menjadi dua bagian, nukleus harus terlebih dahulu dideformasi (diregangkan) menjadi bentuk ellipsoidal, dan kemudian, sebelum akhirnya membelah menjadi dua bagian, membentuk “leher” di tengahnya.

Potensi Hambatan

Dalam keadaan terdeformasi, dua gaya bekerja pada inti. Salah satunya adalah peningkatan energi permukaan (tegangan permukaan setetes cairan menjelaskan bentuk bolanya), dan yang lainnya adalah gaya tolak Coulomb antara fragmen fisi. Bersama-sama mereka menghasilkan penghalang potensial.

Seperti dalam kasus peluruhan alfa, agar fisi spontan inti atom uranium terjadi, fragmen harus mengatasi penghalang ini menggunakan terowongan kuantum. Penghalangnya sekitar 6 MeV, seperti dalam kasus peluruhan alfa, tetapi kemungkinan penerowongan partikel alfa jauh lebih besar daripada produk fisi atom yang jauh lebih berat.

pemisahan paksa

Jauh lebih mungkin adalah fisi yang diinduksi dari inti uranium. Dalam hal ini, inti induk disinari dengan neutron. Jika induk menyerapnya, mereka mengikat, melepaskan energi ikat dalam bentuk energi vibrasi yang dapat melebihi 6 MeV yang dibutuhkan untuk mengatasi penghalang potensial.

Jika energi neutron tambahan tidak cukup untuk mengatasi penghalang potensial, neutron datang harus memiliki energi kinetik minimum agar dapat menginduksi pemecahan atom. Dalam kasus 238 U, energi ikat neutron tambahan adalah sekitar 1 MeV pendek. Ini berarti bahwa pembelahan inti uranium hanya diinduksi oleh neutron dengan energi kinetik lebih besar dari 1 MeV. Di sisi lain, isotop 235 U memiliki satu neutron yang tidak berpasangan. Ketika nukleus menyerap satu tambahan, ia membentuk pasangan dengannya, dan sebagai hasil dari pasangan ini, energi ikat tambahan muncul. Ini cukup untuk melepaskan jumlah energi yang diperlukan inti untuk mengatasi penghalang potensial dan fisi isotop terjadi pada tumbukan dengan neutron apa pun.

peluruhan beta

Meskipun reaksi fisi memancarkan tiga atau empat neutron, fragmen masih mengandung lebih banyak neutron daripada isobar stabilnya. Ini berarti bahwa fragmen pembelahan umumnya tidak stabil terhadap peluruhan beta.

Misalnya, ketika fisi uranium 238U terjadi, isobar stabil dengan A = 145 adalah neodymium 145Nd, yang berarti bahwa fragmen lantanum 145La meluruh dalam tiga langkah, setiap kali memancarkan elektron dan antineutrino, hingga nuklida stabil terbentuk. Isobar stabil dengan A = 90 adalah zirkonium 90 Zr; oleh karena itu, fragmen pemecahan brom 90 Br terurai dalam lima tahap rantai peluruhan .

Rantai peluruhan ini melepaskan energi tambahan, yang hampir semuanya terbawa oleh elektron dan antineutrino.

Reaksi nuklir: pembelahan inti uranium

Emisi langsung neutron dari nuklida dengan terlalu banyak dari mereka untuk memastikan stabilitas nukleus tidak mungkin. Intinya di sini adalah bahwa tidak ada tolakan Coulomb, sehingga energi permukaan cenderung menjaga neutron tetap terikat dengan induknya. Namun, ini terkadang terjadi. Misalnya, fragmen fisi 90 Br pada tahap peluruhan beta pertama menghasilkan kripton-90, yang dapat berada dalam keadaan tereksitasi dengan energi yang cukup untuk mengatasi energi permukaan. Dalam hal ini, emisi neutron dapat terjadi secara langsung dengan pembentukan kripton-89. masih tidak stabil terhadap peluruhan sampai diubah menjadi yttrium-89 yang stabil, sehingga kripton-89 meluruh dalam tiga langkah.

Fisi inti uranium: reaksi berantai

Neutron yang dipancarkan dalam reaksi fisi dapat diserap oleh inti induk lain, yang kemudian dengan sendirinya mengalami fisi terinduksi. Dalam kasus uranium-238, tiga neutron yang dihasilkan keluar dengan energi kurang dari 1 MeV (energi yang dilepaskan selama fisi inti uranium - 158 MeV - sebagian besar diubah menjadi energi kinetik dari fragmen fisi ), sehingga mereka tidak dapat menyebabkan fisi lebih lanjut dari nuklida ini. Namun demikian, pada konsentrasi signifikan dari isotop langka 235 U, neutron bebas ini dapat ditangkap oleh inti 235 U, yang memang dapat menyebabkan fisi, karena dalam kasus ini tidak ada ambang energi di bawahnya yang tidak menyebabkan fisi.

Ini adalah prinsip reaksi berantai.

Jenis-jenis reaksi nuklir

Misalkan k adalah jumlah neutron yang dihasilkan dalam sampel bahan fisil pada tahap n dari rantai ini, dibagi dengan jumlah neutron yang dihasilkan pada tahap n - 1. Jumlah ini akan tergantung pada berapa banyak neutron yang dihasilkan pada tahap n - 1 yang diserap oleh nukleus, yang mungkin dipaksa untuk membelah.

jika k< 1, то цепная реакция просто выдохнется и процесс остановится очень быстро. Именно это и происходит в природной в которой концентрация 235 U настолько мала, что вероятность поглощения одного из нейтронов этим изотопом крайне ничтожна.

Jika k > 1, maka reaksi berantai akan berkembang sampai semua bahan fisil telah digunakan, hal ini dicapai dengan pengayaan bijih alam untuk mendapatkan konsentrasi uranium-235 yang cukup besar. Untuk sampel bola, nilai k meningkat dengan peningkatan probabilitas penyerapan neutron, yang tergantung pada jari-jari bola. Oleh karena itu, massa U harus melebihi jumlah tertentu agar pembelahan inti uranium (reaksi berantai) dapat terjadi.

Jika k = 1, maka reaksi terkontrol berlangsung. Ini digunakan dalam reaktor nuklir. Prosesnya dikendalikan dengan mendistribusikan batang kadmium atau boron di antara uranium, yang menyerap sebagian besar neutron (elemen ini memiliki kemampuan untuk menangkap neutron). Fisi inti uranium dikendalikan secara otomatis dengan menggerakkan batang sedemikian rupa sehingga nilai k tetap sama dengan satu.

Fisi nuklir- proses pemecahan inti atom menjadi dua (jarang tiga) inti dengan massa yang sama, yang disebut fragmen fisi. Sebagai hasil dari fisi, produk reaksi lain juga dapat muncul: inti ringan (terutama partikel alfa), neutron dan gamma kuanta. Fisi bisa spontan (spontan) dan paksa (sebagai akibat interaksi dengan partikel lain, terutama dengan neutron). Fisi inti berat adalah proses eksotermik, sebagai akibatnya sejumlah besar energi dilepaskan dalam bentuk energi kinetik dari produk reaksi, serta radiasi. Fisi nuklir berfungsi sebagai sumber energi dalam reaktor nuklir dan senjata nuklir. Proses fisi hanya dapat berlangsung jika energi potensial dari keadaan awal inti fisi melebihi jumlah massa fragmen fisi. Karena energi ikat spesifik inti berat berkurang dengan bertambahnya massa, kondisi ini dipenuhi untuk hampir semua inti dengan nomor massa .

Namun, seperti yang ditunjukkan oleh pengalaman, bahkan inti terberat pun secara spontan terbagi dengan probabilitas yang sangat rendah. Ini berarti bahwa ada penghalang energi ( penghalang fisi) untuk mencegah perpecahan. Beberapa model digunakan untuk menggambarkan proses fisi nuklir, termasuk perhitungan penghalang fisi, tetapi tidak satupun dari model tersebut yang dapat menjelaskan proses tersebut secara lengkap.

Fakta bahwa energi dilepaskan selama fisi inti berat mengikuti langsung dari ketergantungan energi ikat spesifik = E St (A, Z) / A dari nomor massa A. Selama pembelahan inti berat, inti yang lebih ringan terbentuk, di mana nukleon terikat lebih kuat, dan sebagian energi dilepaskan selama pembelahan. Sebagai aturan, fisi nuklir disertai dengan emisi 1-4 neutron. Mari kita nyatakan energi fisi bagian Q dalam bentuk energi ikat inti awal dan akhir. Energi inti awal, yang terdiri dari proton Z dan neutron N, dan memiliki massa M (A, Z) dan energi ikat E St (A, Z), kita tulis dalam bentuk berikut:

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

Pembelahan inti (A, Z) menjadi 2 fragmen (A 1, Z 1) dan (A 2, Z 2) disertai dengan pembentukan N n = A – A 1 – A 2 neutron cepat. Jika inti (A,Z) dibagi menjadi fragmen dengan massa M 1 (A 1 ,Z 1), M 2 (A 2 ,Z 2) dan energi ikat E st1 (A 1 ,Z 1), E st2 (A 2 , Z 2), maka untuk energi fisi kita memiliki ekspresi:

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

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

23. Teori dasar fisi.

Pada tahun 1939 N. Bor dan J. Wheeler, sebaik Ya. Frenkel jauh sebelum fisi dipelajari secara komprehensif secara eksperimental, sebuah teori tentang proses ini diajukan, berdasarkan konsep inti sebagai setetes cairan bermuatan.

Energi yang dilepaskan selama fisi dapat diperoleh langsung dari rumus Weizsäcker.

Mari kita hitung jumlah energi yang dilepaskan selama pembelahan inti berat. Substitusi ke (f.2) ekspresi untuk energi ikat inti (f.1), dengan asumsi A 1 =240 dan Z 1 = 90. Mengabaikan suku terakhir dalam (f.1) karena kecilnya dan mengganti nilai parameter a 2 dan a 3 , kita dapatkan

Dari sini kita peroleh bahwa fisi menguntungkan secara energetik ketika Z 2 /A > 17. Nilai Z 2 /A disebut parameter keterbagian. Energi E, yang dilepaskan selama fisi, tumbuh dengan peningkatan Z 2 /A; Z 2 /A = 17 untuk inti di wilayah yttrium dan zirkonium. Dapat dilihat dari perkiraan yang diperoleh bahwa fisi secara energetik menguntungkan untuk semua inti dengan A > 90. Mengapa sebagian besar inti stabil terhadap fisi spontan? Untuk menjawab pertanyaan ini, mari kita lihat bagaimana bentuk inti berubah selama fisi.

Dalam proses fisi, nukleus secara berurutan melewati tahap-tahap berikut (Gbr. 2): bola, ellipsoid, halter, dua fragmen berbentuk buah pir, dua fragmen bulat. Bagaimana energi potensial inti berubah pada berbagai tahap fisi? Setelah fisi terjadi, dan fragmen dipisahkan satu sama lain pada jarak yang jauh lebih besar dari jari-jarinya, energi potensial fragmen, yang ditentukan oleh interaksi Coulomb di antara mereka, dapat dianggap sama dengan nol.

Mari kita perhatikan tahap awal fisi, ketika nukleus mengambil bentuk elipsoid revolusi yang semakin memanjang dengan meningkatnya r. Pada tahap pembelahan ini, r adalah ukuran deviasi inti dari bentuk bola (Gbr. 3). Karena evolusi bentuk inti, perubahan energi potensialnya ditentukan oleh perubahan jumlah permukaan dan energi Coulomb E"n + E"k. Diasumsikan bahwa volume inti tetap tidak berubah selama deformasi. Dalam hal ini, energi permukaan E "p meningkat, karena luas permukaan inti meningkat. Energi Coulomb E" k berkurang, karena jarak rata-rata antara nukleon meningkat. Biarkan inti bola, sebagai akibat dari sedikit deformasi yang dicirikan oleh parameter kecil, berbentuk ellipsoid simetris aksial. Dapat ditunjukkan bahwa energi permukaan E "p dan energi Coulomb E" k tergantung pada perubahan sebagai berikut:

Dalam kasus deformasi ellipsoidal kecil, peningkatan energi permukaan terjadi lebih cepat daripada penurunan energi Coulomb. Di daerah inti berat 2En > Ek, jumlah energi permukaan dan energi Coulomb meningkat dengan bertambahnya . Dari (f.4) dan (f.5) dapat disimpulkan bahwa pada deformasi ellipsoidal kecil, peningkatan energi permukaan mencegah perubahan lebih lanjut dalam bentuk nukleus, dan, akibatnya, fisi. Ekspresi (f.5) berlaku untuk nilai kecil (deformasi kecil). Jika deformasi begitu besar sehingga inti berbentuk halter, maka gaya tegangan permukaan, seperti gaya Coulomb, cenderung memisahkan inti dan membuat pecahan berbentuk bola. Pada tahap fisi ini, peningkatan regangan disertai dengan penurunan energi Coulomb dan permukaan. Itu. dengan peningkatan bertahap dalam deformasi nukleus, energi potensialnya melewati maksimum. Sekarang r memiliki arti jarak antara pusat fragmen masa depan. Ketika fragmen saling menjauh, energi potensial interaksinya akan berkurang, karena energi tolakan Coulomb Ek berkurang.Ketergantungan energi potensial pada jarak antar fragmen ditunjukkan pada Gambar. 4. Tingkat energi potensial nol sesuai dengan jumlah energi permukaan dan energi Coulomb dari dua fragmen yang tidak berinteraksi. Kehadiran penghalang potensial mencegah fisi nuklir spontan seketika. Agar inti dapat membelah seketika, perlu diberikan energi Q yang melebihi tinggi penghalang H. Energi potensial maksimum suatu inti fisil kira-kira sama dengan e 2 Z 2 /(R 1 + R 2), dimana R 1 dan R 2 adalah jari-jari fragmen. Misalnya, ketika inti emas dibagi menjadi dua fragmen identik, e 2 Z 2 / (R 1 + R 2) \u003d 173 MeV, dan energi E yang dilepaskan selama fisi ( lihat rumus (f.2)) sama dengan 132 MeV. Jadi, dalam pembelahan inti emas, perlu untuk mengatasi penghalang potensial dengan ketinggian sekitar 40 MeV. Tinggi penghalang H semakin besar, semakin kecil rasio Coulomb dan energi permukaan E terhadap /E p pada inti awal. Rasio ini, pada gilirannya, meningkat dengan peningkatan parameter dapat dibagi Z 2 /A ( lihat (f.4)). Semakin berat inti, semakin rendah tinggi penghalang H , karena parameter dapat dibagi meningkat dengan meningkatnya nomor massa:

Itu. menurut model drop, inti dengan Z 2 /A > 49 seharusnya tidak ada di alam, karena mereka membelah secara spontan hampir seketika (untuk waktu nuklir karakteristik orde 10 -22 detik). Keberadaan inti atom dengan Z 2 /A > 49 ("pulau stabilitas") dijelaskan oleh struktur kulitnya. Ketergantungan bentuk, tinggi penghalang potensial H, dan energi fisi E pada nilai parameter dapat dibagi Z 2 /А ditunjukkan pada Gambar. 5.

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

Reaksi nuklir berantai. Sebagai hasil dari percobaan iradiasi neutron uranium, ditemukan bahwa di bawah aksi neutron, inti uranium dibagi menjadi dua inti (fragmen) sekitar setengah massa dan muatan; proses ini disertai dengan emisi beberapa (dua atau tiga) neutron (Gbr. 402). Selain uranium, beberapa elemen lagi dari antara elemen terakhir dari sistem periodik Mendeleev mampu fisi. Unsur-unsur ini, seperti uranium, fisi tidak hanya di bawah pengaruh neutron, tetapi juga tanpa pengaruh eksternal (spontan). Fisi spontan dibuat secara eksperimental oleh fisikawan Soviet K. A. Petrzhak dan Georgy Nikolaevich Flerov (lahir 1913) pada tahun 1940. Ini adalah proses yang sangat langka. Jadi, dalam 1 g uranium, hanya sekitar 20 fisi spontan yang terjadi per jam.

Beras. 402. Fisi inti uranium di bawah pengaruh neutron: a) inti menangkap neutron; b) dampak neutron pada nukleus menyebabkan nukleus berosilasi; c) nukleus terbagi menjadi dua bagian; lebih banyak neutron yang dipancarkan.

Karena tolakan elektrostatik timbal balik, fragmen fisi menyebar ke arah yang berlawanan, memperoleh energi kinetik yang sangat besar (sekitar ). Dengan demikian, reaksi fisi terjadi dengan pelepasan energi yang signifikan. Fragmen yang bergerak cepat mengionisasi atom medium secara intens. Properti fragmen ini digunakan untuk mendeteksi proses fisi menggunakan ruang ionisasi atau ruang awan. Sebuah foto jejak fragmen fisi di ruang awan ditunjukkan pada gambar. 403. Sangat signifikan bahwa neutron yang dipancarkan selama fisi inti uranium (yang disebut neutron fisi sekunder) mampu menyebabkan fisi inti uranium baru. Berkat ini, dimungkinkan untuk melakukan reaksi berantai fisi: setelah muncul, reaksi, pada prinsipnya, dapat berlanjut dengan sendirinya, mencakup peningkatan jumlah inti. Skema pengembangan reaksi cellon yang tumbuh seperti itu ditunjukkan pada Gambar. 404.

Beras. 403. Foto jejak fragmen fisi uranium di ruang awan: fragmen () menyebar ke arah yang berlawanan dari lapisan tipis uranium yang disimpan di piring yang menghalangi ruang. Gambar itu juga menunjukkan banyak jejak tipis milik proton yang tersingkir oleh neutron dari molekul mobil air yang terkandung di dalam ruangan.

Melakukan reaksi fisi berantai dalam praktiknya tidak mudah; Pengalaman menunjukkan bahwa dalam massa uranium alam tidak terjadi reaksi berantai. Alasan untuk ini terletak pada hilangnya neutron sekunder; di uranium alam sebagian besar neutron keluar dari permainan tanpa menyebabkan fisi. Seperti yang telah diungkapkan oleh penelitian, hilangnya neutron terjadi pada isotop uranium yang paling umum - uranium - 238 (). Isotop ini dengan mudah menyerap neutron dalam reaksi yang mirip dengan reaksi perak dengan neutron (lihat 222); ini menghasilkan isotop radioaktif artifisial. Ia membelah dengan susah payah dan hanya di bawah aksi neutron cepat.

Isotop yang terkandung dalam uranium alam dalam jumlah tertentu memiliki sifat yang lebih berhasil untuk reaksi berantai. Itu dibagi di bawah aksi neutron dari energi apa pun - cepat dan lambat, dan semakin baik, semakin rendah energi neutron. Proses bersaing dengan fisi - penyerapan sederhana neutron - tidak mungkin berbeda dengan. Oleh karena itu, dalam uranium-235 murni, reaksi berantai fisi dimungkinkan, asalkan massa uranium-235 cukup besar. Dalam uranium bermassa rendah, reaksi fisi dihentikan karena emisi neutron sekunder di luar materinya.

Beras. 404. Perkembangan Reaksi Fisi yang Berharga: Dapat diterima dengan syarat bahwa dua neutron dipancarkan selama fisi nuklir dan tidak ada kehilangan neutron, mis. setiap neutron menyebabkan fisi baru; lingkaran - fragmen fisi, panah - neutron fisi

Memang, karena ukuran inti atom yang kecil, sebuah neutron menempuh jarak yang jauh dalam materi (diukur dalam sentimeter) sebelum secara tidak sengaja menabrak inti. Jika dimensi tubuh kecil, maka kemungkinan tabrakan dalam perjalanan menuju pintu keluar kecil. Hampir semua neutron fisi sekunder terbang keluar melalui permukaan tubuh tanpa menyebabkan fisi baru, yaitu, tanpa melanjutkan reaksi.

Dari benda berdimensi besar, terutama neutron yang terbentuk di lapisan permukaan yang terbang keluar. Neutron yang terbentuk di dalam tubuh memiliki ketebalan uranium yang cukup di depannya dan sebagian besar menyebabkan fisi baru, melanjutkan reaksi (Gbr. 405). Semakin besar massa uranium, semakin kecil fraksi volume lapisan permukaan, dari mana banyak neutron hilang, dan semakin menguntungkan kondisi untuk pengembangan reaksi berantai.

Beras. 405. Pengembangan reaksi fisi berantai di . a) Dalam massa kecil, sebagian besar neutron fisi terbang keluar. b) Dalam massa uranium yang besar, banyak neutron fisi menyebabkan pembelahan inti baru; jumlah divisi meningkat dari generasi ke generasi. Lingkaran - fragmen fisi, panah - neutron fisi

Dengan meningkatkan jumlah secara bertahap, kita akan mencapai massa kritis, yaitu massa terkecil, mulai dari mana reaksi berantai fisi berkelanjutan dimungkinkan. Dengan peningkatan massa lebih lanjut, reaksi akan mulai berkembang pesat (ini akan dimulai dengan pembelahan spontan). Ketika massa berkurang di bawah nilai kritis, reaksi meluruh.

Jadi, Anda dapat melakukan reaksi fisi berantai. Jika sudah cukup murni, pisahkan dari.

Seperti yang kita lihat di 202, pemisahan isotop adalah operasi yang kompleks dan mahal, tetapi masih mungkin. Memang, ekstraksi dari uranium alam adalah salah satu cara di mana reaksi berantai fisi dipraktekkan.

Bersamaan dengan ini, reaksi berantai dicapai dengan cara lain, yang tidak memerlukan pemisahan isotop uranium. Metode ini pada prinsipnya agak lebih rumit, tetapi lebih mudah untuk diterapkan. Ini menggunakan perlambatan neutron fisi sekunder yang cepat ke kecepatan gerakan termal. Kita telah melihat bahwa dalam uranium alam, neutron sekunder langsung sebagian besar diserap oleh isotop. Karena penyerapan dalam tidak menyebabkan fisi, reaksi berakhir. Pengukuran menunjukkan bahwa ketika neutron diperlambat ke kecepatan termal, daya serap meningkat lebih dari daya serap. Penyerapan neutron oleh isotop , yang mengarah ke fisi, berada di atas angin. Oleh karena itu, jika neutron fisi diperlambat, mencegahnya diserap ke dalam , reaksi berantai akan mungkin terjadi dengan uranium alam.

Beras. 406. Sistem uranium alam dan moderator di mana reaksi berantai fisi dapat berkembang

Dalam praktiknya, hasil ini dicapai dengan menempatkan batang cerobong uranium alam dalam bentuk kisi langka di moderator (Gbr. 406). Zat yang memiliki massa atom rendah dan neutron yang menyerap lemah digunakan sebagai moderator. Moderator yang baik adalah grafit, air berat, berilium.

Biarkan pembelahan inti uranium terjadi di salah satu batang. Karena batangnya relatif tipis, neutron sekunder cepat akan terbang hampir seluruhnya ke moderator. Batang terletak di kisi sangat jarang. Sebelum mengenai batang baru, neutron yang dipancarkan mengalami banyak tumbukan dengan inti moderator dan melambat hingga kecepatan gerak termal (Gbr. 407). Setelah kemudian mengenai batang uranium, neutron kemungkinan besar akan diserap dan menyebabkan fisi baru, sehingga melanjutkan reaksi. Reaksi fisi berantai pertama kali dilakukan di Amerika Serikat pada tahun 1942. sekelompok ilmuwan yang dipimpin oleh fisikawan Italia Enrico Fermi (1901-1954) dalam sistem dengan uranium alam. Proses ini diterapkan secara independen di Uni Soviet pada tahun 1946. Akademisi Igor Vasilievich Kurchatov (1903-1960) dengan karyawan.

Beras. 407. Pengembangan reaksi fisi yang berharga dalam sistem uranium alam dan moderator. Sebuah neutron cepat, terbang keluar dari batang tipis, mengenai moderator dan melambat. Sekali lagi dalam uranium, neutron yang diperlambat kemungkinan akan diserap ke dalam , menyebabkan fisi (simbol: dua lingkaran putih). Beberapa neutron diserap pada tanpa menyebabkan pembelahan (simbol: lingkaran hitam)

Reaksi nuklir. Interaksi partikel dengan inti atom, yang mengarah pada transformasi inti ini menjadi inti baru dengan pelepasan partikel sekunder atau kuanta gamma, disebut reaksi nuklir.

Reaksi nuklir pertama dilakukan oleh Rutherford pada tahun 1919. Ia menemukan bahwa ketika partikel alfa bertabrakan dengan inti atom nitrogen, proton yang bergerak cepat akan terbentuk. Ini berarti bahwa inti isotop nitrogen, sebagai akibat dari tumbukan dengan partikel alfa, berubah menjadi inti isotop oksigen:

.

Reaksi nuklir dapat berlangsung dengan pelepasan atau penyerapan energi. Menggunakan hukum hubungan antara massa dan energi, hasil energi dari reaksi nuklir dapat ditentukan dengan menemukan perbedaan antara massa partikel yang masuk ke dalam reaksi dan produk reaksi:

Reaksi berantai pembelahan inti uranium. Di antara berbagai reaksi nuklir, reaksi berantai dari pembelahan beberapa inti berat sangat penting dalam kehidupan masyarakat manusia modern.

Reaksi fisi inti uranium selama pemboman mereka dengan neutron ditemukan pada tahun 1939. Sebagai hasil dari studi eksperimental dan teoritis yang dilakukan oleh E. Fermi, I. Joliot-Curie, O. Hahn, F. Strassmann, L. Meitner, O Frisch, F. Joliot-Curie, ditemukan bahwa ketika satu neutron memasuki inti uranium, inti dibagi menjadi dua atau tiga bagian.

Fisi satu inti uranium melepaskan energi sekitar 200 MeV. Energi kinetik dari pergerakan inti fragmen menyumbang sekitar 165 MeV, sisa energi dibawa pergi oleh gamma kuanta.

Mengetahui energi yang dilepaskan selama fisi satu inti uranium, kita dapat menghitung bahwa hasil energi dari fisi semua inti 1 kg uranium adalah 80 ribu miliar joule. Ini beberapa juta kali lebih banyak daripada yang dilepaskan saat membakar 1 kg batu bara atau minyak. Oleh karena itu, dilakukan pencarian cara untuk melepaskan energi nuklir dalam jumlah yang signifikan untuk digunakan untuk tujuan praktis.

F. Joliot-Curie adalah orang pertama yang menyarankan kemungkinan reaksi berantai nuklir pada tahun 1934. Pada tahun 1939, bersama dengan H. Halban dan L. Kovarsky, ia secara eksperimental menemukan bahwa selama fisi inti uranium, selain fragmen-inti , 2 -3 neutron bebas. Dalam kondisi yang menguntungkan, neutron ini dapat menabrak inti uranium lainnya dan menyebabkan mereka fisi. Selama fisi tiga inti uranium, 6-9 neutron baru harus dilepaskan, mereka akan jatuh ke inti uranium baru, dll. Skema untuk pengembangan reaksi berantai fisi inti uranium ditunjukkan pada Gambar 316.

Beras. 316

Implementasi praktis dari reaksi berantai bukanlah tugas yang sederhana seperti yang terlihat pada diagram. Neutron yang dilepaskan selama pembelahan inti uranium hanya mampu menyebabkan pembelahan inti isotop uranium dengan nomor massa 235, sedangkan energinya tidak cukup untuk menghancurkan inti isotop uranium dengan nomor massa 238. Dalam uranium alam, uranium dengan nomor massa 238 menyumbang 99,8%, sedangkan uranium dengan nomor massa 235 hanya menyumbang 0,7%. Oleh karena itu, cara pertama yang mungkin untuk melakukan reaksi berantai fisi dikaitkan dengan pemisahan isotop uranium dan produksi isotop murni dalam jumlah yang cukup besar. Kondisi yang diperlukan untuk pelaksanaan reaksi berantai adalah adanya uranium dalam jumlah yang cukup besar, karena dalam sampel kecil, sebagian besar neutron terbang melalui sampel tanpa menabrak nukleus apa pun. Massa minimum uranium di mana reaksi berantai dapat terjadi disebut massa kritis. Massa kritis untuk uranium-235 adalah beberapa puluh kilogram.

Cara paling sederhana untuk melakukan reaksi berantai dalam uranium-235 adalah sebagai berikut: dua potong logam uranium dibuat, masing-masing dengan massa sedikit lebih kecil dari yang kritis. Reaksi berantai di masing-masing secara terpisah tidak bisa berjalan. Dengan koneksi cepat dari potongan-potongan ini, reaksi berantai berkembang dan energi yang luar biasa dilepaskan. Suhu uranium mencapai jutaan derajat, uranium itu sendiri dan zat lain yang ada di dekatnya berubah menjadi uap. Bola gas panas mengembang dengan cepat, membakar dan menghancurkan segala sesuatu yang dilaluinya. Ini adalah bagaimana ledakan nuklir terjadi.

Sangat sulit untuk menggunakan energi ledakan nuklir untuk tujuan damai, karena pelepasan energi dalam hal ini tidak dapat dikendalikan. Reaksi berantai terkendali dari fisi inti uranium dilakukan dalam reaktor nuklir.

Reaktor nuklir. Reaktor nuklir pertama adalah reaktor neutron lambat (Gbr. 317). Sebagian besar neutron yang dilepaskan selama fisi inti uranium memiliki energi 1-2 MeV. Pada saat yang sama, kecepatan mereka sama dengan sekitar 107 m / s, oleh karena itu mereka disebut neutron cepat. Pada energi seperti itu, neutron berinteraksi dengan inti uranium dan uranium dengan efisiensi yang kira-kira sama. Dan karena ada 140 kali lebih banyak inti uranium dalam uranium alami daripada inti uranium, sebagian besar neutron ini diserap oleh inti uranium dan reaksi berantai tidak berkembang. Neutron yang bergerak dengan kecepatan mendekati kecepatan gerak termal (sekitar 2·10 3 m/s) disebut lambat atau termal. Neutron lambat berinteraksi dengan baik dengan inti uranium-235 dan diserap oleh mereka 500 kali lebih efisien daripada yang cepat. Oleh karena itu, ketika uranium alam disinari dengan neutron lambat, kebanyakan dari mereka diserap bukan di inti uranium-238, tetapi di inti uranium-235 dan menyebabkan fisi mereka. Akibatnya, untuk pengembangan reaksi berantai dalam uranium alam, kecepatan neutron harus dikurangi menjadi termal.

Beras. 317

Neutron diperlambat sebagai akibat tumbukan dengan inti atom medium tempat mereka bergerak. Untuk memperlambat neutron dalam reaktor, zat khusus yang disebut moderator digunakan. Inti atom zat moderator harus memiliki massa yang relatif kecil, karena dalam tumbukan dengan inti ringan, neutron kehilangan lebih banyak energi daripada dalam tumbukan dengan inti yang berat. Moderator yang paling umum adalah air biasa dan grafit.

Ruang di mana reaksi berantai berlangsung disebut teras reaktor. Untuk mengurangi kebocoran neutron, teras reaktor dikelilingi oleh reflektor neutron, yang melemparkan sebagian besar neutron yang dipancarkan ke dalam teras. Reflektor biasanya bahan yang sama yang berfungsi sebagai moderator.

Energi yang dilepaskan selama pengoperasian reaktor dihilangkan menggunakan pendingin. Hanya cairan dan gas yang tidak memiliki kemampuan menyerap neutron yang dapat digunakan sebagai pendingin. Air biasa banyak digunakan sebagai pendingin, terkadang karbon dioksida dan bahkan natrium logam cair digunakan.

Reaktor dikendalikan dengan menggunakan batang kendali (atau kendali) khusus yang dimasukkan ke dalam teras reaktor. Batang kendali terbuat dari senyawa boron atau kadmium, yang menyerap neutron termal dengan efisiensi yang sangat tinggi. Sebelum memulai pengoperasian reaktor, mereka sepenuhnya dimasukkan ke dalam intinya. Menyerap sebagian besar neutron, mereka membuat tidak mungkin untuk mengembangkan reaksi berantai. Untuk memulai reaktor, batang kendali secara bertahap ditarik dari teras sampai pelepasan energi mencapai tingkat yang telah ditentukan. Ketika daya meningkat di atas level yang ditetapkan, automata dinyalakan, membenamkan batang kendali ke kedalaman zona aktif.

Energi nuklir. Energi nuklir untuk layanan perdamaian ditempatkan untuk pertama kalinya di negara kita. Akademisi Igor Vasilievich Kurchatov (1903-1960) adalah penyelenggara dan pemimpin pertama pekerjaan pada ilmu dan teknologi atom di Uni Soviet.

Saat ini, yang terbesar di Uni Soviet dan di Eropa, PLTN Leningrad. DI DAN. Lenin memiliki kapasitas 4000 MW, yaitu. 800 kali kekuatan pembangkit listrik tenaga nuklir pertama.

Biaya listrik yang dihasilkan di pembangkit listrik tenaga nuklir besar lebih rendah daripada biaya listrik yang dihasilkan di pembangkit listrik termal. Oleh karena itu, energi nuklir berkembang dengan kecepatan yang dipercepat.

Reaktor nuklir digunakan sebagai pembangkit listrik di kapal laut. Kapal damai pertama di dunia dengan pembangkit listrik tenaga nuklir, kapal pemecah es bertenaga nuklir Lenin, dibangun di Uni Soviet pada tahun 1959.

Kapal pemecah es bertenaga nuklir Soviet Arktika, yang dibangun pada tahun 1975, menjadi kapal permukaan pertama di dunia yang mencapai Kutub Utara.

reaksi termonuklir. Energi nuklir dilepaskan tidak hanya dalam reaksi fisi nuklir inti berat, tetapi juga dalam reaksi kombinasi inti atom ringan.

Untuk menghubungkan proton yang bermuatan serupa, perlu untuk mengatasi gaya tolak Coulomb, yang mungkin terjadi pada partikel yang bertabrakan dengan kecepatan yang cukup tinggi. Kondisi yang diperlukan untuk sintesis inti helium dari proton ditemukan di bagian dalam bintang. Di Bumi, reaksi fusi termonuklir telah dilakukan dalam eksperimen ledakan termonuklir.

Sintesis helium dari isotop ringan hidrogen terjadi pada suhu sekitar 108 K, dan untuk sintesis helium dari isotop berat hidrogen - deuterium dan tritium - sesuai dengan skema

pemanasan hingga sekitar 5 10 7 K diperlukan.

Selama sintesis 1 g helium dari deuterium dan tritium, energi 4,2·10 11 J dilepaskan ketika 10 ton solar dibakar.

Cadangan hidrogen di Bumi praktis tidak ada habisnya, sehingga penggunaan energi fusi termonuklir untuk tujuan damai adalah salah satu tugas terpenting sains dan teknologi modern.

Reaksi termonuklir terkendali dari sintesis helium dari isotop hidrogen berat dengan pemanasan seharusnya dilakukan dengan melewatkan arus listrik melalui plasma. Medan magnet digunakan untuk menjaga plasma yang dipanaskan agar tidak menyentuh dinding ruang. Di fasilitas eksperimental Tokamak-10, fisikawan Soviet berhasil memanaskan plasma hingga suhu 13 juta derajat. Hidrogen dapat dipanaskan ke suhu yang lebih tinggi menggunakan radiasi laser. Untuk melakukan ini, berkas cahaya dari beberapa laser harus difokuskan pada bola kaca, yang di dalamnya merupakan campuran isotop berat deuterium dan tritium. Dalam percobaan pada instalasi laser, plasma dengan suhu beberapa puluh juta derajat telah diperoleh.