ნეიტრონების ელექტრული ნეიტრალიტეტის გამო.

2. რა ენერგიას ეწოდება რეაქციის ენერგეტიკული გამოსავალი? როგორ შევაფასოთ ენერგიის გამოსავალი დაშლის რეაქციისთვის?

დაშლის რეაქციის მთლიანი ენერგიის გამოსავალი არის ენერგია, რომელიც გამოიყოფა ერთი ურანის ბირთვის დაშლის დროს. ურანის 235-ის ბირთვში ნუკლეონის სპეციფიკური შეკავშირების ენერგია დაახლოებით უდრის 7,6 მევ, რეაქციის ფრაგმენტებს - დაახლოებით 8,5 მევ. გაყოფის შედეგად გამოიყოფა (8,5 - 7,6) მევ = 0,9 მევ (ნუკლეონზე). სულ არის 235 ნუკლეონი, მაშინ დაშლის რეაქციის მთლიანი ენერგეტიკული გამოსავალი არის

3. რა მნიშვნელობა ახასიათებს ჯაჭვური რეაქციის სიჩქარეს? ჩამოწერეთ ჯაჭვური რეაქციის განვითარების აუცილებელი პირობა.

ნეიტრონის გამრავლების ფაქტორი k ახასიათებს ჯაჭვური რეაქციის სიჩქარეს. ჯაჭვური რეაქციის განვითარების აუცილებელი პირობა

4. რა დაშლის რეაქციას ეწოდება თვითშენარჩუნებული? როდის ჩნდება?

თვითშენარჩუნებული ბირთვული დაშლის რეაქცია წარმოიქმნება იმ შემთხვევაში, თუ ახალი ნეიტრონს აქვს დრო, რომ ჩამოყალიბდეს დაშლის რეაქციის შედეგად იმ დროის განმავლობაში, როდესაც ნეიტრონი მოგზაურობს l წრფივი განზომილების მქონე გარემოში.

5. შეაფასეთ ბირთვის კრიტიკული ზომა და კრიტიკული მასა.

ცილინდრის მოცულობა არის

N არის ბირთვების კონცენტრაცია. ნეიტრონის ბირთვებთან შეჯახების რაოდენობა დროის ერთეულში n.

ბირთვული დაშლა არის მძიმე ატომის დაყოფა დაახლოებით თანაბარი მასის ორ ფრაგმენტად, რასაც თან ახლავს დიდი რაოდენობით ენერგიის გამოყოფა.

ბირთვული დაშლის აღმოჩენამ დაიწყო ახალი ერა - "ატომური ხანა". მისი შესაძლო გამოყენების პოტენციალმა და რისკის თანაფარდობამ სარგებლობასთან დაკავშირებით არა მხოლოდ მრავალი სოციოლოგიური, პოლიტიკური, ეკონომიკური და სამეცნიერო მიღწევა, არამედ სერიოზული პრობლემები შექმნა. თუნდაც წმინდა მეცნიერული თვალსაზრისით, ბირთვული დაშლის პროცესმა უამრავი თავსატეხი და გართულება შექმნა და მისი სრული თეორიული ახსნა მომავლის საქმეა.

გაზიარება მომგებიანია

შემაკავშირებელი ენერგიები (თითო ნუკლეონზე) განსხვავდება სხვადასხვა ბირთვებისთვის. უფრო მძიმეებს აქვთ უფრო დაბალი შებოჭვის ენერგია, ვიდრე პერიოდული ცხრილის შუაში მდებარეებს.

ეს ნიშნავს, რომ მძიმე ბირთვებისთვის, რომელთა ატომური რიცხვი 100-ზე მეტია, მომგებიანია ორ პატარა ფრაგმენტად დაყოფა, რითაც გამოიყოფა ენერგია, რომელიც გარდაიქმნება ფრაგმენტების კინეტიკურ ენერგიად. ამ პროცესს გაყოფა ეწოდება

სტაბილურობის მრუდის მიხედვით, რომელიც გვიჩვენებს პროტონების რაოდენობის დამოკიდებულებას ნეიტრონების რაოდენობაზე სტაბილური ნუკლიდებისთვის, უფრო მძიმე ბირთვებს ურჩევნიათ მეტი ნეიტრონი (პროტონების რაოდენობასთან შედარებით), ვიდრე მსუბუქს. ეს იმაზე მეტყველებს, რომ გაყოფის პროცესთან ერთად, გარკვეული „სათადარიგო“ ნეიტრონები გამოიყოფა. გარდა ამისა, ისინი ასევე მიიღებენ გამოთავისუფლებულ ენერგიას. ურანის ატომის ბირთვული დაშლის შესწავლამ აჩვენა, რომ გამოიყოფა 3-4 ნეიტრონი: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

ფრაგმენტის ატომური ნომერი (და ატომური მასა) არ უდრის მშობლის ატომური მასის ნახევარს. გაყოფის შედეგად წარმოქმნილ ატომების მასებს შორის სხვაობა, როგორც წესი, დაახლოებით 50-ია. მართალია, ამის მიზეზი ჯერ ბოლომდე გასაგები არ არის.

238 U, 145 La და 90 Br შემაკავშირებელ ენერგიას შეადგენს 1803, 1198 და 763 მევ, შესაბამისად. ეს ნიშნავს, რომ ამ რეაქციის შედეგად გამოიყოფა ურანის ბირთვის დაშლის ენერგია, რომელიც უდრის 1198 + 763-1803 = 158 მევ.

სპონტანური გაყოფა

სპონტანური გაყოფის პროცესები ცნობილია ბუნებაში, მაგრამ ისინი ძალიან იშვიათია. ამ პროცესის საშუალო სიცოცხლე დაახლოებით 10 17 წელია და, მაგალითად, იგივე რადიონუკლიდის ალფა დაშლის საშუალო სიცოცხლის ხანგრძლივობა დაახლოებით 10 11 წელია.

ამის მიზეზი ის არის, რომ ორ ნაწილად გასაყოფად, ბირთვი ჯერ უნდა დეფორმირებული (გადაჭიმული) ელიფსოიდური ფორმით, შემდეგ კი, სანამ საბოლოოდ ორ ფრაგმენტად გაიყოფა, შუაში ჩამოყალიბდეს „კისერი“.

პოტენციური ბარიერი

დეფორმირებულ მდგომარეობაში ბირთვზე მოქმედებს ორი ძალა. ერთი არის გაზრდილი ზედაპირის ენერგია (თხევადი წვეთების ზედაპირული დაძაბულობა ხსნის მის სფერულ ფორმას) და მეორე არის კულონის მოგერიება დაშლის ფრაგმენტებს შორის. ისინი ერთად ქმნიან პოტენციურ ბარიერს.

როგორც ალფა დაშლის შემთხვევაში, იმისათვის, რომ მოხდეს ურანის ატომის ბირთვის სპონტანური დაშლა, ფრაგმენტებმა უნდა გადალახონ ეს ბარიერი კვანტური გვირაბის გამოყენებით. ბარიერი არის დაახლოებით 6 მევ, როგორც ალფა დაშლის შემთხვევაში, მაგრამ ალფა ნაწილაკების გვირაბის ალბათობა გაცილებით მეტია, ვიდრე გაცილებით მძიმე ატომის დაშლის პროდუქტის.

იძულებითი გაყოფა

ბევრად უფრო სავარაუდოა ურანის ბირთვის გამოწვეული დაშლა. ამ შემთხვევაში, მთავარი ბირთვი დასხივებულია ნეიტრონებით. თუ მშობელი შთანთქავს მას, ისინი აკავშირებენ, ათავისუფლებენ შემაკავშირებელ ენერგიას ვიბრაციული ენერგიის სახით, რომელიც შეიძლება აღემატებოდეს 6 მევ-ს, რომელიც საჭიროა პოტენციური ბარიერის დასაძლევად.

სადაც დამატებითი ნეიტრონის ენერგია არასაკმარისია პოტენციური ბარიერის დასაძლევად, შემხვედრ ნეიტრონს უნდა ჰქონდეს მინიმალური კინეტიკური ენერგია, რათა შეძლოს ატომის გაყოფის გამოწვევა. 238 U-ის შემთხვევაში, დამატებითი ნეიტრონების შებოჭვის ენერგია დაახლოებით 1 მევ მოკლეა. ეს ნიშნავს, რომ ურანის ბირთვის დაშლა გამოწვეულია მხოლოდ ნეიტრონით, რომლის კინეტიკური ენერგია 1 მევ-ზე მეტია. მეორეს მხრივ, 235 U იზოტოპს აქვს ერთი დაუწყვილებელი ნეიტრონი. როდესაც ბირთვი შთანთქავს დამატებითს, იგი აყალიბებს მასთან წყვილს და ამ დაწყვილების შედეგად ჩნდება დამატებითი შებოჭვის ენერგია. ეს საკმარისია იმისთვის, რომ გაათავისუფლოს ბირთვის მიერ პოტენციური ბარიერის დასაძლევად საჭირო ენერგიის რაოდენობა და იზოტოპის გაყოფა ხდება ნებისმიერ ნეიტრონთან შეჯახებისას.

ბეტა დაშლა

მიუხედავად იმისა, რომ დაშლის რეაქცია ასხივებს სამ ან ოთხ ნეიტრონს, ფრაგმენტები მაინც შეიცავს უფრო მეტ ნეიტრონს, ვიდრე მათი სტაბილური იზობარები. ეს ნიშნავს, რომ დაშლის ფრაგმენტები ზოგადად არასტაბილურია ბეტა დაშლის მიმართ.

მაგალითად, როდესაც ურანის 238U დაშლა ხდება, სტაბილური იზობარი A = 145 არის ნეოდიმი 145Nd, რაც ნიშნავს, რომ ლანთანუმის 145La ფრაგმენტი იშლება სამ საფეხურზე, ყოველ ჯერზე ასხივებს ელექტრონს და ანტინეიტრინოს, სანამ არ წარმოიქმნება სტაბილური ნუკლიდი. სტაბილური იზობარი A = 90-ით არის ცირკონიუმი 90 Zr; შესაბამისად, ბრომი 90 Br გამყოფი ფრაგმენტი იშლება β-დაშლის ჯაჭვის ხუთ ეტაპად.

ეს β-დაშლის ჯაჭვები ათავისუფლებს დამატებით ენერგიას, რომელსაც თითქმის ყველა ატარებს ელექტრონები და ანტინეიტრინოები.

ბირთვული რეაქციები: ურანის ბირთვების დაშლა

ბირთვის სტაბილურობის უზრუნველსაყოფად ნუკლიდიდან ნეიტრონის პირდაპირი ემისია ნაკლებად სავარაუდოა. აქ საქმე ისაა, რომ არ არსებობს კულონის მოგერიება და, შესაბამისად, ზედაპირის ენერგია მიდრეკილია ნეიტრონის მშობელთან კავშირში შეინარჩუნოს. თუმცა, ეს ზოგჯერ ხდება. მაგალითად, 90 Br დაშლის ფრაგმენტი პირველ ბეტა დაშლის ეტაპზე წარმოქმნის კრიპტონ-90-ს, რომელიც შეიძლება იყოს აღგზნებულ მდგომარეობაში, საკმარისი ენერგიით, რომ გადალახოს ზედაპირის ენერგია. ამ შემთხვევაში ნეიტრონების ემისია შეიძლება მოხდეს უშუალოდ კრიპტონ-89-ის წარმოქმნით. ჯერ კიდევ არასტაბილურია β დაშლის მიმართ, სანამ არ გარდაიქმნება სტაბილურ იტრიუმ-89-ად, ასე რომ, კრიპტონ-89 იშლება სამ საფეხურზე.

ურანის ბირთვების დაშლა: ჯაჭვური რეაქცია

დაშლის რეაქციაში გამოსხივებული ნეიტრონები შეიძლება შეიწოვოს სხვა მშობელი ბირთვით, რომელიც შემდეგ თავად განიცდის ინდუცირებულ დაშლას. ურანი-238-ის შემთხვევაში, სამი ნეიტრონი, რომელიც წარმოიქმნება, გამოდის 1 მევ-ზე ნაკლები ენერგიით (ურანის ბირთვის დაშლის დროს გამოთავისუფლებული ენერგია - 158 მევ - ძირითადად გარდაიქმნება დაშლის ფრაგმენტების კინეტიკურ ენერგიად. ), ამიტომ მათ არ შეუძლიათ გამოიწვიონ ამ ნუკლიდის შემდგომი დაშლა. მიუხედავად ამისა, იშვიათი იზოტოპის 235 U მნიშვნელოვანი კონცენტრაციით, ამ თავისუფალ ნეიტრონებს შეუძლიათ დაიჭირონ 235 U ბირთვი, რამაც შეიძლება მართლაც გამოიწვიოს გახლეჩა, რადგან ამ შემთხვევაში არ არსებობს ენერგეტიკული ბარიერი, რომლის ქვემოთ დაშლა არ არის გამოწვეული.

ეს არის ჯაჭვური რეაქციის პრინციპი.

ბირთვული რეაქციების სახეები

ვთქვათ k არის ამ ჯაჭვის n სტადიაზე დაშლილი მასალის ნიმუშში წარმოქმნილი ნეიტრონების რაოდენობა, გაყოფილი n - 1 სტადიაზე წარმოქმნილი ნეიტრონების რაოდენობაზე. ეს რიცხვი დამოკიდებული იქნება იმაზე, თუ რამდენი ნეიტრონი შეიწოვება n - 1 სტადიაზე ბირთვის მიერ, რომელიც შეიძლება იძულებული იყოს გაყოფა.

თუ კ< 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.

თუ k > 1, მაშინ ჯაჭვური რეაქცია გაიზრდება მანამ, სანამ არ გამოიყენებ ყველა დაშლილ მასალას, რაც მიიღწევა ბუნებრივი მადნის გამდიდრებით ურანი-235-ის საკმარისად დიდი კონცენტრაციის მისაღებად. სფერული ნიმუშისთვის k-ის მნიშვნელობა იზრდება ნეიტრონის შთანთქმის ალბათობის გაზრდით, რაც დამოკიდებულია სფეროს რადიუსზე. ამიტომ, U მასა უნდა აღემატებოდეს გარკვეულ რაოდენობას, რათა მოხდეს ურანის ბირთვების დაშლა (ჯაჭვური რეაქცია).

თუ k = 1, მაშინ ხდება კონტროლირებადი რეაქცია. ეს გამოიყენება ბირთვულ რეაქტორებში. პროცესი კონტროლდება ურანის შორის კადმიუმის ან ბორის ღეროების განაწილებით, რომლებიც შთანთქავენ ნეიტრონების უმეტეს ნაწილს (ამ ელემენტებს აქვთ ნეიტრონების დაჭერის უნარი). ურანის ბირთვის გაყოფა ავტომატურად კონტროლდება ღეროების ისე გადაადგილებით, რომ k-ის მნიშვნელობა დარჩეს ერთის ტოლი.

Ბირთვული დაშლა- ატომის ბირთვის გაყოფის პროცესი ორ (იშვიათად სამ) ბირთვად მსგავსი მასის მქონე, რომელსაც ეწოდება დაშლის ფრაგმენტები. დაშლის შედეგად შეიძლება გამოჩნდეს სხვა რეაქციის პროდუქტებიც: მსუბუქი ბირთვები (ძირითადად ალფა ნაწილაკები), ნეიტრონები და გამა კვანტები. დაშლა შეიძლება იყოს სპონტანური (სპონტანური) და იძულებითი (სხვა ნაწილაკებთან, პირველ რიგში ნეიტრონებთან ურთიერთქმედების შედეგად). მძიმე ბირთვების დაშლა ეგზოთერმული პროცესია, რის შედეგადაც დიდი რაოდენობით ენერგია გამოიყოფა რეაქციის პროდუქტების კინეტიკური ენერგიის, ასევე გამოსხივების სახით. ბირთვული დაშლა ემსახურება როგორც ენერგიის წყაროს ბირთვულ რეაქტორებში და ბირთვულ იარაღში. დაშლის პროცესი შეიძლება გაგრძელდეს მხოლოდ მაშინ, როდესაც დაშლის ბირთვის საწყისი მდგომარეობის პოტენციური ენერგია აღემატება დაშლის ფრაგმენტების მასების ჯამს. ვინაიდან მძიმე ბირთვების სპეციფიური შებოჭვის ენერგია მცირდება მასის მატებასთან ერთად, ეს პირობა დაკმაყოფილებულია მასის რაოდენობის მქონე თითქმის ყველა ბირთვისთვის.

თუმცა, როგორც გამოცდილება აჩვენებს, უმძიმესი ბირთვებიც კი სპონტანურად იყოფა ძალიან დაბალი ალბათობით. ეს ნიშნავს, რომ არსებობს ენერგეტიკული ბარიერი ( დაშლის ბარიერი) გაყოფის თავიდან ასაცილებლად. ბირთვული დაშლის პროცესის აღსაწერად გამოიყენება რამდენიმე მოდელი, მათ შორის დაშლის ბარიერის გამოთვლა, მაგრამ ვერც ერთ მათგანს არ შეუძლია სრულად ახსნას პროცესი.

ის ფაქტი, რომ ენერგია გამოიყოფა მძიმე ბირთვების დაშლის დროს, პირდაპირ გამომდინარეობს კონკრეტული შემაკავშირებელი ენერგიის ε დამოკიდებულებიდან. = E St (A, Z) / A მასობრივი რიცხვიდან A. მძიმე ბირთვის დაშლის დროს წარმოიქმნება უფრო მსუბუქი ბირთვები, რომლებშიც ნუკლეონები უფრო ძლიერად არის შეკრული და ენერგიის ნაწილი გამოიყოფა დაშლის დროს. როგორც წესი, ბირთვულ დაშლას თან ახლავს 1–4 ნეიტრონის ემისია. გამოვხატოთ Q ნაწილების დაშლის ენერგია საწყისი და საბოლოო ბირთვების შებოჭვის ენერგიების მიხედვით. საწყისი ბირთვის ენერგია, რომელიც შედგება Z პროტონებისა და N ნეიტრონებისაგან, აქვს M (A, Z) მასა და E St (A, Z) შემაკავშირებელ ენერგიას, ვწერთ შემდეგი სახით:

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

ბირთვის (A, Z) დაყოფას 2 ფრაგმენტად (A 1, Z 1) და (A 2, Z 2) თან ახლავს N n-ის წარმოქმნა. = A – A 1 – A 2 სწრაფი ნეიტრონები. თუ ბირთვი (A,Z) დაყოფილია ფრაგმენტებად M 1 (A 1 ,Z 1), M 2 (A 2 ,Z 2) მასებით და E st1 (A 1,Z 1), E st2 (A) ენერგიებით. 2, Z 2), შემდეგ დაშლის ენერგიისთვის გვაქვს გამოთქმა:

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. დაშლის ელემენტარული თეორია.

1939 წელს ნ.ბორიდა ჯ.უილერი, ისევე, როგორც ია ფრენკელიდიდი ხნით ადრე, სანამ დაშლა სრულყოფილად შეისწავლებოდა ექსპერიმენტულად, შემოთავაზებული იყო ამ პროცესის თეორია, რომელიც დაფუძნებული იყო ბირთვის, როგორც დამუხტული სითხის წვეთის კონცეფციაზე.

დაშლის დროს გამოთავისუფლებული ენერგიის მიღება შესაძლებელია პირდაპირ Weizsäcker ფორმულები.

მოდით გამოვთვალოთ მძიმე ბირთვის დაშლის დროს გამოთავისუფლებული ენერგიის რაოდენობა. ჩაანაცვლეთ (f.2) ბირთვების შებოჭვის ენერგიების გამონათქვამები (f.1), თუ ვივარაუდებთ A 1 =240 და Z 1 = 90. უგულებელყოფთ (f.1) ბოლო ტერმინს მისი სიმცირის გამო და ჩაანაცვლეთ პარამეტრების a 2 და a 3 მნიშვნელობებს ვიღებთ

აქედან ვიღებთ, რომ დაშლა ენერგიულად ხელსაყრელია, როდესაც Z 2 /A > 17. Z 2 /A მნიშვნელობას ეწოდება გაყოფის პარამეტრი. დაშლის დროს გამოთავისუფლებული ენერგია E, იზრდება Z 2 /A-ს მატებასთან ერთად; Z 2 /A = 17 ბირთვებისთვის იტრიუმის და ცირკონიუმის რეგიონში. მიღებული შეფასებებიდან ჩანს, რომ დაშლა ენერგიულად ხელსაყრელია A > 90-ის მქონე ყველა ბირთვისთვის. რატომ არის ბირთვების უმეტესობა სტაბილური სპონტანური გაყოფის მიმართ? ამ კითხვაზე პასუხის გასაცემად ვნახოთ, როგორ იცვლება ბირთვის ფორმა დაშლის დროს.

გაყოფის პროცესში ბირთვი თანმიმდევრულად გადის შემდეგ ეტაპებს (ნახ. 2): ბურთი, ელიფსოიდი, ჰანტელი, ორი მსხლის ფორმის ფრაგმენტი, ორი სფერული ფრაგმენტი. როგორ იცვლება ბირთვის პოტენციური ენერგია დაშლის სხვადასხვა სტადიაზე? მას შემდეგ, რაც განხეთქილება მოხდა და ფრაგმენტები ერთმანეთისგან დაშორდებიან მათ რადიუსზე ბევრად დიდი მანძილით, ფრაგმენტების პოტენციური ენერგია, რომელიც განისაზღვრება მათ შორის კულონის ურთიერთქმედებით, შეიძლება ჩაითვალოს ნულის ტოლი.

მოდით განვიხილოთ დაშლის საწყისი ეტაპი, როდესაც ბირთვი იღებს რევოლუციის სულ უფრო წაგრძელებული ელიფსოიდის ფორმას r-ს გაზრდით. დაშლის ამ ეტაპზე r არის ბირთვის სფერული ფორმისგან გადახრის საზომი (ნახ. 3). ბირთვის ფორმის ევოლუციის გამო, მისი პოტენციური ენერგიის ცვლილება განისაზღვრება ზედაპირის ჯამის და კულონის ენერგიების E"n + E"k ცვლილებით. ვარაუდობენ, რომ ბირთვის მოცულობა უცვლელი რჩება. დეფორმაციის დროს. ამ შემთხვევაში, ზედაპირის ენერგია E "p იზრდება, რადგან ბირთვის ზედაპირის ფართობი იზრდება. კულონის ენერგია E" k მცირდება, რადგან იზრდება საშუალო მანძილი ნუკლეონებს შორის. დაე, სფერულმა ბირთვმა, მცირე პარამეტრით დამახასიათებელი უმნიშვნელო დეფორმაციის შედეგად, მიიღოს ღერძულად სიმეტრიული ელიფსოიდის ფორმა. შეიძლება ნაჩვენები იყოს, რომ ზედაპირის ენერგია E "p და კულონის ენერგია E" k დამოკიდებულია შემდეგნაირად:

მცირე ელიფსოიდური დეფორმაციების შემთხვევაში, ზედაპირის ენერგიის ზრდა უფრო სწრაფად ხდება, ვიდრე კულონის ენერგიის შემცირება. მძიმე ბირთვების რეგიონში 2En > Ek, ზედაპირისა და კულონის ენერგიების ჯამი იზრდება მატებასთან ერთად. (f.4) და (f.5)-დან გამომდინარეობს, რომ მცირე ელიფსოიდური დეფორმაციების დროს, ზედაპირის ენერგიის ზრდა ხელს უშლის ბირთვის ფორმის შემდგომ ცვლილებებს და, შესაბამისად, დაშლას. გამოხატვა (f.5) მოქმედებს მცირე მნიშვნელობებისთვის (მცირე დეფორმაციები). თუ დეფორმაცია იმდენად დიდია, რომ ბირთვი ჰანტელის ფორმას იღებს, მაშინ ზედაპირული დაძაბულობის ძალები, კულონის ძალების მსგავსად, ბირთვის გამოყოფას და ფრაგმენტებს სფერულ ფორმას აძლევს. დაშლის ამ ეტაპზე, დაძაბულობის ზრდას თან ახლავს როგორც კულონის, ასევე ზედაპირის ენერგიის შემცირება. იმათ. ბირთვის დეფორმაციის თანდათანობითი მატებით, მისი პოტენციური ენერგია გადის მაქსიმუმს. ახლა r-ს აქვს მომავალი ფრაგმენტების ცენტრებს შორის მანძილის მნიშვნელობა. როდესაც ფრაგმენტები ერთმანეთს შორდებიან, მათი ურთიერთქმედების პოტენციური ენერგია შემცირდება, ვინაიდან კულონის მოგერიების ეკის ენერგია მცირდება.პოტენციური ენერგიის დამოკიდებულება ფრაგმენტებს შორის მანძილზე ნაჩვენებია ნახ. 4. პოტენციური ენერგიის ნულოვანი დონე შეესაბამება ორი არაურთიერთმოქმედი ფრაგმენტის ზედაპირისა და კულონის ენერგიის ჯამს. პოტენციური ბარიერის არსებობა ხელს უშლის მყისიერ სპონტანურ ბირთვულ დაშლას. იმისათვის, რომ ბირთვი მყისიერად გაიყოს, მას უნდა მივცეთ ენერგია Q, რომელიც აღემატება H-ს ბარიერის სიმაღლეს. გაფანტული ბირთვის მაქსიმალური პოტენციური ენერგია დაახლოებით უდრის e 2 Z 2 /(R 1 + R 2), სადაც R. 1 და R 2 არის ფრაგმენტის რადიუსი. მაგალითად, როდესაც ოქროს ბირთვი იყოფა ორ იდენტურ ფრაგმენტად, e 2 Z 2 / (R 1 + R 2) \u003d 173 MeV და დაშლის დროს გამოთავისუფლებული ენერგია E ( იხილეთ ფორმულა (f.2)) უდრის 132 მევ. ამრიგად, ოქროს ბირთვის დაშლისას აუცილებელია პოტენციური ბარიერის გადალახვა, რომლის სიმაღლეა დაახლოებით 40 მევ. ბარიერის სიმაღლე H რაც უფრო დიდია, მით უფრო მცირეა კულონისა და ზედაპირის ენერგიების შეფარდება E/E p საწყის ბირთვში. ეს თანაფარდობა, თავის მხრივ, იზრდება გაყოფის პარამეტრის Z 2 /A ( იხილეთ (f.4)). რაც უფრო მძიმეა ბირთვი, მით უფრო დაბალია ბარიერის სიმაღლე H , ვინაიდან გაყოფის პარამეტრი იზრდება მასის რიცხვის გაზრდით:

იმათ. წვეთოვანი მოდელის მიხედვით, ბირთვები Z 2 /A > 49 არ უნდა იყოს ბუნებაში, რადგან ისინი სპონტანურად იშლება თითქმის მყისიერად (10-22 წმ-ის რიგის დამახასიათებელ ბირთვულ დროში). ატომური ბირთვების არსებობა Z 2 /A > 49-ით („სტაბილურობის კუნძული“) აიხსნება გარსის სტრუქტურით. ფორმის, H პოტენციური ბარიერის სიმაღლისა და გაყოფის ენერგიის E დამოკიდებულება გაყოფის პარამეტრის Z 2 /А მნიშვნელობაზე ნაჩვენებია ნახ. 5.

ბირთვების სპონტანური გაყოფა Z 2 /A-სთან< 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 წელი 232 Th-დან 0.3 წმ-მდე 260 Ku. იძულებითი ბირთვული დაშლა Z 2 /A-ით < 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.

ჯაჭვური ბირთვული რეაქცია. ურანის ნეიტრონების დასხივებაზე ჩატარებული ექსპერიმენტების შედეგად დადგინდა, რომ ნეიტრონების მოქმედებით ურანის ბირთვები იყოფა ორ ბირთვად (ფრაგმენტებად), რომელთა მასა და მუხტი დაახლოებით ნახევარია; ამ პროცესს თან ახლავს რამდენიმე (ორი ან სამი) ნეიტრონის ემისია (სურ. 402). ურანის გარდა, მენდელეევის პერიოდული სისტემის ბოლო ელემენტებს შორის კიდევ რამდენიმე ელემენტს შეუძლია დაშლა. ეს ელემენტები, ისევე როგორც ურანი, იშლება არა მხოლოდ ნეიტრონების გავლენის ქვეშ, არამედ გარე ზემოქმედების გარეშე (სპონტანურად). სპონტანური გაყოფა ექსპერიმენტულად დაადგინეს საბჭოთა ფიზიკოსებმა კ.ა.პეტრჟაკმა და გეორგი ნიკოლაევიჩ ფლეროვმა (დ. 1913 წ.) 1940 წელს. ძალიან იშვიათი პროცესია. ასე რომ, 1 გ ურანში საათში მხოლოდ 20 სპონტანური გაყოფა ხდება.

ბრინჯი. 402. ურანის ბირთვის დაშლა ნეიტრონების გავლენით: ა) ბირთვი იჭერს ნეიტრონს; ბ) ნეიტრონის ზემოქმედება ბირთვზე იწვევს ამ უკანასკნელის რხევას; გ) ბირთვი იყოფა ორ ნაწილად; მეტი ნეიტრონი გამოიყოფა.

ორმხრივი ელექტროსტატიკური მოგერიების გამო, დაშლის ფრაგმენტები იფანტება საპირისპირო მიმართულებით, იძენს უზარმაზარ კინეტიკურ ენერგიას (დაახლოებით). ამრიგად, დაშლის რეაქცია ხდება ენერგიის მნიშვნელოვანი განთავისუფლებით. სწრაფად მოძრავი ფრაგმენტები ინტენსიურად იონიზებს გარემოს ატომებს. ფრაგმენტების ეს თვისება გამოიყენება იონიზაციის კამერის ან ღრუბლის კამერის გამოყენებით დაშლის პროცესების გამოსავლენად. ღრუბლის პალატაში დაშლის ფრაგმენტების კვალის ფოტო ნაჩვენებია ნახ. 403. უაღრესად მნიშვნელოვანია, რომ ურანის ბირთვის დაშლის დროს გამოსხივებულ ნეიტრონებს (ე.წ. მეორადი დაშლის ნეიტრონები) შეუძლიათ გამოიწვიონ ახალი ურანის ბირთვების დაშლა. ამის წყალობით, შესაძლებელია განხორციელდეს დაშლის ჯაჭვური რეაქცია: როგორც კი წარმოიქმნება, რეაქცია, პრინციპში, შეიძლება გაგრძელდეს თავისთავად, დაფარავს ბირთვების მზარდ რაოდენობას. ასეთი მზარდი უჯრედის რეაქციის განვითარების სქემა ნაჩვენებია ნახ. 404.

ბრინჯი. 403. ურანის დაშლის ფრაგმენტების კვალის ფოტო ღრუბელ კამერაში: ფრაგმენტები () იფანტება საპირისპირო მიმართულებით კამერის ბლოკირებად ფირფიტაზე დეპონირებული ურანის თხელი ფენისგან. სურათზე ასევე ჩანს ბევრი უფრო თხელი კვალი, რომლებიც მიეკუთვნება კამერაში შემავალი წყლის მანქანის მოლეკულებიდან ნეიტრონების მიერ ამოვარდნილ პროტონებს.

გაყოფის ჯაჭვური რეაქციის განხორციელება პრაქტიკაში ადვილი არ არის; გამოცდილება გვიჩვენებს, რომ ბუნებრივი ურანის მასაში ჯაჭვური რეაქცია არ ხდება. ამის მიზეზი მეორადი ნეიტრონების დაკარგვაშია; ბუნებრივ ურანში ნეიტრონების უმეტესობა თამაშს არ იწვევს დაშლის გამოწვევის გარეშე. როგორც კვლევებმა აჩვენა, ნეიტრონების დაკარგვა ხდება ურანის ყველაზე გავრცელებულ იზოტოპში - ურანი - 238 (). ეს იზოტოპი ადვილად შთანთქავს ნეიტრონებს ნეიტრონებთან ვერცხლის რეაქციის მსგავსი რეაქციაში (იხ. § 222); ეს წარმოქმნის ხელოვნურად რადიოაქტიურ იზოტოპს. ის ძნელად იყოფა და მხოლოდ სწრაფი ნეიტრონების მოქმედებით.

იზოტოპს, რომელიც შეიცავს ბუნებრივ ურანს, აქვს უფრო წარმატებული თვისებები ჯაჭვური რეაქციისთვის. იგი იყოფა ნებისმიერი ენერგიის ნეიტრონების მოქმედებით - სწრაფი და ნელი და რაც უკეთესია, მით უფრო დაბალია ნეიტრონის ენერგია. პროცესი, რომელიც კონკურენციას უწევს გაყოფას - ნეიტრონების მარტივი შთანთქმა - ნაკლებად სავარაუდოა განსხვავებით. ამიტომ, სუფთა ურანი-235-ში შესაძლებელია დაშლის ჯაჭვური რეაქცია, იმ პირობით, რომ ურანი-235-ის მასა საკმარისად დიდია. დაბალი მასის ურანში დაშლის რეაქცია წყდება მისი მატერიის გარეთ მეორადი ნეიტრონების ემისიის გამო.

ბრინჯი. 404. ღირებული დაშლის რეაქციის შემუშავება: პირობითად მიღებულია, რომ ბირთვული დაშლის დროს გამოიყოფა ორი ნეიტრონი და არ არის ნეიტრონის დანაკარგები, ე.ი. ყოველი ნეიტრონი იწვევს ახალ დაშლას; წრეები - დაშლის ფრაგმენტები, ისრები - დაშლის ნეიტრონები

მართლაც, ატომის ბირთვების მცირე ზომის გამო, ნეიტრონი გადის მატერიაში დიდ მანძილზე (იზომება სანტიმეტრებში), სანამ შემთხვევით არ მოხვდება ბირთვში. თუ სხეულის ზომები მცირეა, მაშინ გასასვლელის გზაზე შეჯახების ალბათობა მცირეა. თითქმის ყველა მეორადი დაშლის ნეიტრონი გაფრინდება სხეულის ზედაპირზე ახალი დაშლის გარეშე, ანუ რეაქციის გაგრძელების გარეშე.

დიდი ზომების სხეულიდან, ძირითადად, ნეიტრონები წარმოიქმნება ზედაპირულ ფენაში, რომლებიც გამოფრინდებიან. სხეულის შიგნით წარმოქმნილ ნეიტრონებს წინ აქვთ ურანის საკმარისი სისქე და უმეტესწილად იწვევს ახალ გაყოფას, რაც აგრძელებს რეაქციას (ნახ. 405). რაც უფრო დიდია ურანის მასა, მით უფრო მცირეა მოცულობის ფრაქცია ზედაპირული ფენა, საიდანაც ბევრი ნეიტრონი იკარგება და უფრო ხელსაყრელი პირობებია ჯაჭვური რეაქციის განვითარებისთვის.

ბრინჯი. 405. გაყოფის ჯაჭვური რეაქციის განვითარება . ა) მცირე მასაში, დაშლის ნეიტრონების უმეტესობა გაფრინდება. ბ) ურანის დიდ მასაში მრავალი დაშლის ნეიტრონი იწვევს ახალი ბირთვების დაშლას; განყოფილებების რაოდენობა თაობიდან თაობას იზრდება. წრეები - დაშლის ფრაგმენტები, ისრები - დაშლის ნეიტრონები

თანხის თანდათან გაზრდით მივაღწევთ კრიტიკულ მასას, ანუ უმცირეს მასას, საიდანაც შესაძლებელია მდგრადი დაშლის ჯაჭვური რეაქცია. მასის შემდგომი მატებასთან ერთად რეაქცია დაიწყებს სწრაფ განვითარებას (იგი დაიწყება სპონტანური დაშლით). როდესაც მასა მცირდება კრიტიკული მნიშვნელობის ქვემოთ, რეაქცია იშლება.

ასე რომ, თქვენ შეგიძლიათ განახორციელოთ დაშლის ჯაჭვური რეაქცია. თუ თქვენ გაქვთ საკმარისი სუფთა, გამოყოფილი.

როგორც §202-ში ვნახეთ, იზოტოპების გამოყოფა რთული და ძვირადღირებული ოპერაციაა, მაგრამ მაინც შესაძლებელია. მართლაც, ბუნებრივი ურანის მოპოვება იყო დაშლის ჯაჭვური რეაქციის პრაქტიკაში დანერგვის ერთ-ერთი გზა.

ამასთან, ჯაჭვური რეაქცია მიღწეული იქნა სხვა გზით, რაც არ მოითხოვდა ურანის იზოტოპების გამოყოფას. ეს მეთოდი პრინციპში გარკვეულწილად უფრო რთულია, მაგრამ უფრო ადვილია განხორციელება. ის იყენებს სწრაფი მეორადი დაშლის ნეიტრონების შენელებას თერმული მოძრაობის სიჩქარემდე. ჩვენ ვნახეთ, რომ ბუნებრივ ურანში უშუალო მეორადი ნეიტრონები ძირითადად შეიწოვება იზოტოპის მიერ. ვინაიდან შეწოვა არ იწვევს დაშლას, რეაქცია წყდება. გაზომვები აჩვენებს, რომ როდესაც ნეიტრონები შენელდება თერმულ სიჩქარემდე, შთამნთქმელი ძალა უფრო მეტად იზრდება, ვიდრე შთანთქმის ძალა. იზოტოპის მიერ ნეიტრონების შეწოვა, რაც იწვევს დაშლას, უპირატესობას იძენს. ამიტომ, თუ დაშლის ნეიტრონები შენელდება, რაც ხელს უშლის მათ აბსორბციას, ჯაჭვური რეაქცია შესაძლებელი გახდება ბუნებრივი ურანის საშუალებით.

ბრინჯი. 406. ბუნებრივი ურანის სისტემა და მოდერატორი, რომელშიც შეიძლება განვითარდეს დაშლის ჯაჭვური რეაქცია

პრაქტიკაში, ეს შედეგი მიიღწევა მოდერატორში იშვიათი გისოსის სახით ბუნებრივი ურანის გამწოვი ღეროების მოთავსებით (სურ. 406). ნივთიერებები, რომლებსაც აქვთ დაბალი ატომური მასა და სუსტად შთამნთქმელი ნეიტრონები, გამოიყენება მოდერატორებად. კარგი მოდერატორია გრაფიტი, მძიმე წყალი, ბერილიუმი.

დაე, ურანის ბირთვის გაყოფა მოხდეს ერთ-ერთ ღეროში. ვინაიდან ღერო შედარებით თხელია, სწრაფი მეორადი ნეიტრონები თითქმის ყველა შემოფრინდება მოდერატორში. ღეროები გისოსებში საკმაოდ იშვიათად მდებარეობს. ახალ ღეროზე დარტყმის წინ გამოსხივებული ნეიტრონი განიცდის მრავალ შეჯახებას მოდერატორის ბირთვებთან და ანელებს თერმული მოძრაობის სიჩქარეს (სურ. 407). ურანის ღეროზე დარტყმის შემდეგ ნეიტრონი დიდი ალბათობით შეიწოვება და გამოიწვევს ახალ გაყოფას, რითაც გააგრძელებს რეაქციას. დაშლის ჯაჭვური რეაქცია პირველად შეერთებულ შტატებში 1942 წელს განხორციელდა. მეცნიერთა ჯგუფი იტალიელი ფიზიკოსის ენრიკო ფერმის (1901-1954) ხელმძღვანელობით ბუნებრივი ურანის სისტემაში. ეს პროცესი დამოუკიდებლად განხორციელდა სსრკ-ში 1946 წელს. აკადემიკოსი იგორ ვასილიევიჩ კურჩატოვი (1903-1960) თანამშრომლებთან ერთად.

ბრინჯი. 407. ღირებული დაშლის რეაქციის შემუშავება ბუნებრივი ურანის და მოდერატორის სისტემაში. სწრაფი ნეიტრონი, რომელიც გამოფრინავს თხელი ღეროდან, ურტყამს მოდერატორს და ანელებს. ისევ ურანში, შენელებული ნეიტრონი, სავარაუდოდ, შეიწოვება ში, რაც იწვევს გაყოფას (სიმბოლო: ორი თეთრი წრე). ზოგიერთი ნეიტრონი შეიწოვება დაშლის გამოწვევის გარეშე (სიმბოლო: შავი წრე)

ბირთვული რეაქციები.ნაწილაკების ურთიერთქმედებას ატომის ბირთვთან, რომელიც იწვევს ამ ბირთვის ახალ ბირთვად გარდაქმნას მეორადი ნაწილაკების ან გამა კვანტების გამოთავისუფლებით, ეწოდება ბირთვული რეაქცია.

პირველი ბირთვული რეაქცია განხორციელდა რეზერფორდმა 1919 წელს. მან აღმოაჩინა, რომ როდესაც ალფა ნაწილაკები ეჯახება აზოტის ატომების ბირთვებს, წარმოიქმნება სწრაფად მოძრავი პროტონები. ეს ნიშნავს, რომ აზოტის იზოტოპის ბირთვი, ალფა ნაწილაკთან შეჯახების შედეგად, გადაიქცა ჟანგბადის იზოტოპის ბირთვად:

.

ბირთვული რეაქციები შეიძლება გაგრძელდეს ენერგიის გათავისუფლებით ან შთანთქმით. მასასა და ენერგიას შორის ურთიერთობის კანონის გამოყენებით, ბირთვული რეაქციის ენერგეტიკული გამოსავალი შეიძლება განისაზღვროს რეაქციაში შემავალი ნაწილაკების მასებსა და რეაქციის პროდუქტებს შორის განსხვავების პოვნის გზით:

ურანის ბირთვების დაშლის ჯაჭვური რეაქცია.სხვადასხვა ბირთვულ რეაქციებს შორის, ზოგიერთი მძიმე ბირთვის დაშლის ჯაჭვურ რეაქციებს განსაკუთრებული მნიშვნელობა აქვს თანამედროვე ადამიანის საზოგადოების ცხოვრებაში.

ურანის ბირთვების დაშლის რეაქცია ნეიტრონებით დაბომბვის დროს აღმოაჩინეს 1939 წელს. E. Fermi, I. Joliot-Curie, O. Hahn, F. Strassmann, L. Meitner, O. ექსპერიმენტული და თეორიული კვლევების შედეგად. ფრიში, ფ. ჯოლიო-კიური, აღმოჩნდა, რომ როდესაც ერთი ნეიტრონი შედის ურანის ბირთვში, ბირთვი იყოფა ორ ან სამ ნაწილად.

ურანის ერთი ბირთვის დაშლის შედეგად გამოიყოფა დაახლოებით 200 მევ ენერგია. ფრაგმენტების ბირთვების მოძრაობის კინეტიკური ენერგია შეადგენს დაახლოებით 165 მევ, დანარჩენ ენერგიას გამა კვანტები ატარებს.

ერთი ურანის ბირთვის დაშლის დროს გამოთავისუფლებული ენერგიის გაცნობით, შეგვიძლია გამოვთვალოთ, რომ 1 კგ ურანის ყველა ბირთვის დაშლის შედეგად ენერგიის გამოსავალი არის 80 ათასი მილიარდი ჯოული. ეს რამდენიმე მილიონჯერ მეტია, ვიდრე გამოიყოფა 1 კგ ქვანახშირის ან ნავთობის დაწვისას. აქედან გამომდინარე, ჩატარდა ძიება ბირთვული ენერგიის მნიშვნელოვანი რაოდენობით გამოყოფის გზების პრაქტიკული მიზნებისთვის გამოყენებისთვის.

პირველად ფ. ჯოლიო-კიურიმ 1934 წელს შემოგვთავაზა ბირთვული ჯაჭვური რეაქციების განხორციელების შესაძლებლობა. 1939 წელს ჰ. ჰალბანთან და ლ. კოვარსკთან ერთად მან ექსპერიმენტულად აღმოაჩინა, რომ ურანის ბირთვის დაშლის დროს, გარდა ფრაგმენტები-ბირთვები, 2 -3 თავისუფალი ნეიტრონი. ხელსაყრელ პირობებში, ამ ნეიტრონებს შეუძლიათ ურანის სხვა ბირთვებზე დარტყმა და მათი დაშლა გამოიწვიოს. სამი ურანის ბირთვის დაშლის დროს 6-9 ახალი ნეიტრონი უნდა გამოთავისუფლდეს, ისინი ჩავარდებიან ურანის ახალ ბირთვებში და ა.შ. ურანის ბირთვების დაშლის ჯაჭვური რეაქციის განვითარების სქემა ნაჩვენებია სურათზე 316.

ბრინჯი. 316

ჯაჭვური რეაქციების პრაქტიკული განხორციელება არც ისე მარტივი ამოცანაა, როგორც ეს დიაგრამაში ჩანს. ურანის ბირთვების დაშლის დროს გამოთავისუფლებულ ნეიტრონებს შეუძლიათ გამოიწვიონ მხოლოდ ურანის იზოტოპის ბირთვების დაშლა 235 მასით, ხოლო მათი ენერგია არასაკმარისია 238 მასის მქონე ურანის იზოტოპის ბირთვების განადგურებისთვის. ბუნებრივ ურანში ურანი 238 მასის შემცველობით შეადგენს 99,8%-ს, ხოლო ურანს 235 მასის რაოდენობით შეადგენს მხოლოდ 0,7%-ს. ამრიგად, დაშლის ჯაჭვური რეაქციის განხორციელების პირველი შესაძლო გზა ასოცირდება ურანის იზოტოპების განცალკევებასთან და საკმარისად დიდი რაოდენობით სუფთა იზოტოპის წარმოებასთან. ჯაჭვური რეაქციის განხორციელების აუცილებელი პირობაა საკმარისად დიდი რაოდენობით ურანის არსებობა, ვინაიდან მცირე ნიმუშში ნეიტრონების უმეტესობა ნიმუშში დაფრინავს რაიმე ბირთვზე დარტყმის გარეშე. ურანის მინიმალურ მასას, რომელშიც ჯაჭვური რეაქცია შეიძლება მოხდეს, კრიტიკულ მასას უწოდებენ. ურანი-235-ისთვის კრიტიკული მასა რამდენიმე ათეული კილოგრამია.

ურან-235-ში ჯაჭვური რეაქციის განხორციელების უმარტივესი გზა შემდეგია: მზადდება ურანის ლითონის ორი ცალი, თითოეული მასით ოდნავ ნაკლები კრიტიკულზე. ჯაჭვური რეაქცია თითოეულ მათგანში ცალ-ცალკე შეუძლებელია. ამ ნაწილების სწრაფი შეერთებით ვითარდება ჯაჭვური რეაქცია და გამოიყოფა უზარმაზარი ენერგია. ურანის ტემპერატურა მილიონობით გრადუსს აღწევს, თავად ურანი და ნებისმიერი სხვა ნივთიერება, რომელიც ახლოს არის, ორთქლად იქცევა. ცხელი აირისებრი ბურთი სწრაფად ფართოვდება, იწვის და ანადგურებს ყველაფერს თავის გზაზე. ასე ხდება ბირთვული აფეთქება.

ძალზე რთულია ატომური აფეთქების ენერგიის გამოყენება მშვიდობიანი მიზნებისთვის, ვინაიდან ენერგიის გამოყოფა ამ შემთხვევაში ვერ კონტროლდება. ურანის ბირთვების დაშლის კონტროლირებადი ჯაჭვური რეაქციები ტარდება ბირთვულ რეაქტორებში.

Ბირთვული რეაქტორი.პირველი ბირთვული რეაქტორები იყო ნელი ნეიტრონული რეაქტორები (სურ. 317). ურანის ბირთვების დაშლის დროს გამოთავისუფლებული ნეიტრონების უმეტესობას აქვს 1-2 მევ ენერგია. ამავე დროს, მათი სიჩქარე უდრის დაახლოებით 107 მ / წმ, ამიტომ მათ უწოდებენ სწრაფ ნეიტრონებს. ასეთ ენერგიებში ნეიტრონები ურთიერთქმედებენ ურანისა და ურანის ბირთვებთან დაახლოებით იგივე ეფექტურობით. და რადგან ბუნებრივ ურანში 140-ჯერ მეტი ურანის ბირთვია, ვიდრე ურანის ბირთვები, ამ ნეიტრონების უმეტესობა შეიწოვება ურანის ბირთვებით და ჯაჭვური რეაქცია არ ვითარდება. ნეიტრონებს, რომლებიც მოძრაობენ თერმული მოძრაობის სიჩქარესთან მიახლოებული სიჩქარით (დაახლოებით 2·10 3 მ/წმ) ეწოდება ნელი ან თერმული. ნელი ნეიტრონები კარგად ურთიერთქმედებენ ურანი-235 ბირთვებთან და მათ მიერ 500-ჯერ უფრო ეფექტურად შეიწოვება, ვიდრე სწრაფი. ამიტომ, როდესაც ბუნებრივი ურანი დასხივებულია ნელი ნეიტრონებით, მათი უმეტესობა შეიწოვება არა ურანი-238, არამედ ურანი-235 ბირთვებში და იწვევს მათ დაშლას. შესაბამისად, ბუნებრივ ურანში ჯაჭვური რეაქციის განვითარებისთვის ნეიტრონების სიჩქარე უნდა შემცირდეს თერმულამდე.

ბრინჯი. 317

ნეიტრონები შენელებულია იმ გარემოს ატომურ ბირთვებთან შეჯახების შედეგად, რომელშიც ისინი მოძრაობენ. რეაქტორში ნეიტრონების შენელებისთვის გამოიყენება სპეციალური ნივთიერება, რომელსაც ეწოდება მოდერატორი. მოდერატორი ნივთიერების ატომურ ბირთვებს უნდა ჰქონდეთ შედარებით მცირე მასა, ვინაიდან მსუბუქ ბირთვთან შეჯახებისას ნეიტრონი კარგავს უფრო მეტ ენერგიას, ვიდრე მძიმესთან შეჯახებისას. ყველაზე გავრცელებული მოდერატორებია ჩვეულებრივი წყალი და გრაფიტი.

სივრცეს, რომელშიც ჯაჭვური რეაქცია მიმდინარეობს, რეაქტორის ბირთვი ეწოდება. ნეიტრონების გაჟონვის შესამცირებლად რეაქტორის ბირთვს აკრავს ნეიტრონული რეფლექტორი, რომელიც გამოსხივებული ნეიტრონების მნიშვნელოვან ნაწილს ბირთვში აგდებს. რეფლექტორი, როგორც წესი, იგივე ნივთიერებაა, რომელიც მოდერატორს ემსახურება.

რეაქტორის მუშაობის დროს გამოთავისუფლებული ენერგია ამოღებულია გამაგრილებლის გამოყენებით. გამაგრილებლად შეიძლება გამოყენებულ იქნას მხოლოდ სითხეები და აირები, რომლებსაც არ აქვთ ნეიტრონების შთანთქმის უნარი. ჩვეულებრივი წყალი ფართოდ გამოიყენება როგორც გამაგრილებელი, ზოგჯერ ნახშირორჟანგი და თხევადი მეტალის ნატრიუმიც კი გამოიყენება.

რეაქტორი კონტროლდება რეაქტორის ბირთვში შეყვანილი სპეციალური საკონტროლო (ან საკონტროლო) ღეროების საშუალებით. საკონტროლო წნელები მზადდება ბორის ან კადმიუმის ნაერთებისგან, რომლებიც შთანთქავენ თერმულ ნეიტრონებს ძალიან მაღალი ეფექტურობით. რეაქტორის მუშაობის დაწყებამდე ისინი მთლიანად შეჰყავთ მის ბირთვში. ნეიტრონების მნიშვნელოვანი ნაწილის შთანთქმით ისინი შეუძლებელს ხდიან ჯაჭვური რეაქციის განვითარებას. რეაქტორის დასაწყებად, საკონტროლო ღეროები თანდათან იხსნება ბირთვიდან, სანამ ენერგიის გამოყოფა არ მიაღწევს წინასწარ განსაზღვრულ დონეს. როდესაც სიმძლავრე იზრდება დადგენილ დონეზე მაღლა, ავტომატები ჩართულია, საკონტროლო წნელები აქტიური ზონის სიღრმეში ჩაძირვით.

Ბირთვული ენერგია.ბირთვული ენერგია მშვიდობის სამსახურში პირველად ჩვენს ქვეყანაში დაიდო. აკადემიკოსი იგორ ვასილიევიჩ კურჩატოვი (1903-1960) იყო სსრკ-ში ატომურ მეცნიერებასა და ტექნოლოგიაზე მუშაობის პირველი ორგანიზატორი და ლიდერი.

ამჟამად ყველაზე დიდია სსრკ-სა და ევროპაში, ლენინგრადის ატომური ელექტროსადგური. და. ლენინს აქვს 4000 მეგავატი სიმძლავრე, ე.ი. 800-ჯერ აღემატება პირველ ატომურ ელექტროსადგურს.

დიდ ატომურ ელექტროსადგურებში გამომუშავებული ელექტროენერგიის ღირებულება უფრო დაბალია, ვიდრე თბოელექტროსადგურებში გამომუშავებული ელექტროენერგიის ღირებულება. ამიტომ ბირთვული ენერგია დაჩქარებული ტემპით ვითარდება.

ბირთვული რეაქტორები გამოიყენება როგორც ელექტროსადგურები ზღვის გემებზე. მსოფლიოში პირველი მშვიდობიანი გემი ატომური ელექტროსადგურით, ატომური ენერგიით მომუშავე ყინულმჭრელი Lenin, აშენდა საბჭოთა კავშირში 1959 წელს.

საბჭოთა ატომური ყინულმჭრელი Arktika, რომელიც აშენდა 1975 წელს, გახდა მსოფლიოში პირველი ზედაპირული ხომალდი, რომელმაც მიაღწია ჩრდილოეთ პოლუსს.

თერმობირთვული რეაქცია.ბირთვული ენერგია გამოიყოფა არა მხოლოდ მძიმე ბირთვების ბირთვული დაშლის რეაქციებში, არამედ მსუბუქი ატომური ბირთვების კომბინაციის რეაქციებშიც.

მსგავსი დამუხტული პროტონების დასაკავშირებლად აუცილებელია კულონის მოგერიების ძალების გადალახვა, რაც შესაძლებელია ნაწილაკების შეჯახების საკმარისად მაღალი სიჩქარით. პროტონებისგან ჰელიუმის ბირთვების სინთეზისთვის აუცილებელი პირობები გვხვდება ვარსკვლავების ინტერიერში. დედამიწაზე თერმობირთვული შერწყმის რეაქცია განხორციელდა ექსპერიმენტული თერმობირთვული აფეთქებების დროს.

წყალბადის მსუბუქი იზოტოპიდან ჰელიუმის სინთეზი ხდება დაახლოებით 108 K ტემპერატურაზე, ხოლო წყალბადის მძიმე იზოტოპებიდან ჰელიუმის სინთეზისთვის - დეიტერიუმი და ტრიტიუმი - სქემის მიხედვით.

საჭიროა გათბობა დაახლოებით 5 10 7 K-მდე.

დეიტერიუმიდან და ტრიტიუმიდან 1 გ ჰელიუმის სინთეზის დროს გამოიყოფა 4,2·10 11 J ენერგია.ასეთი ენერგია გამოიყოფა 10 ტონა დიზელის საწვავის დაწვისას.

დედამიწაზე წყალბადის მარაგი პრაქტიკულად ამოუწურავია, ამიტომ თერმობირთვული შერწყმის ენერგიის მშვიდობიანი მიზნებისთვის გამოყენება თანამედროვე მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი ამოცანაა.

გათბობით მძიმე წყალბადის იზოტოპებიდან ჰელიუმის სინთეზის კონტროლირებადი თერმობირთვული რეაქცია სავარაუდოდ განხორციელდება პლაზმაში ელექტრული დენის გავლის გზით. მაგნიტური ველი გამოიყენება გაცხელებული პლაზმის კამერის კედლებთან შეხების თავიდან ასაცილებლად. ტოკამაკ-10 ექსპერიმენტულ დაწესებულებაში საბჭოთა ფიზიკოსებმა მოახერხეს პლაზმის 13 მილიონი გრადუსამდე გაცხელება. წყალბადის გაცხელება შესაძლებელია მაღალ ტემპერატურაზე ლაზერული გამოსხივების გამოყენებით. ამისათვის რამდენიმე ლაზერის სინათლის სხივი უნდა იყოს ფოკუსირებული მინის ბურთზე, რომლის შიგნით არის დეიტერიუმის და ტრიტიუმის მძიმე იზოტოპების ნაზავი. ლაზერული დანადგარების ექსპერიმენტებში უკვე მიღებულია პლაზმა რამდენიმე ათეული მილიონი გრადუსი ტემპერატურით.