A fissão dos núcleos de urânio ocorre Da seguinte maneira: primeiro, um nêutron atinge o núcleo, como uma bala em uma maçã. No caso de uma maçã, uma bala teria feito um buraco nela, ou a teria feito em pedaços. Quando um nêutron entra no núcleo, ele é capturado por forças nucleares. O nêutron é conhecido por ser neutro, por isso não é repelido por forças eletrostáticas.

Como ocorre a fissão do urânio?

Então, tendo entrado na composição do núcleo, o nêutron quebra o equilíbrio e o núcleo é excitado. Ele se estende para os lados como um haltere ou um sinal de infinito: ∞ . As forças nucleares, como se sabe, atuam a uma distância proporcional ao tamanho das partículas. Quando o núcleo é esticado, a ação das forças nucleares torna-se insignificante para as partículas extremas do "haltere", enquanto as forças elétricas atuam muito poderosamente a essa distância, e o núcleo simplesmente se divide em duas partes. Nesse caso, dois ou três nêutrons também são emitidos.

Fragmentos do núcleo e os nêutrons liberados se espalham em grande velocidade em diferentes direções. Os fragmentos são rapidamente desacelerados pelo ambiente, mas sua energia cinética é enorme. Ela é convertida em energia interna do meio, que aquece. Neste caso, a quantidade de energia liberada é enorme. A energia obtida da fissão completa de um grama de urânio é aproximadamente igual à energia obtida da queima de 2,5 toneladas de petróleo.

Reação em cadeia de fissão de vários núcleos

Consideramos a fissão de um núcleo de urânio. Durante a fissão, vários nêutrons (na maioria das vezes dois ou três) foram liberados. Eles se espalham para os lados em grande velocidade e podem cair facilmente nos núcleos de outros átomos, causando uma reação de fissão neles. Esta é a reação em cadeia.

Ou seja, os nêutrons obtidos como resultado da fissão nuclear excitam e forçam outros núcleos à fissão, que por sua vez emitem nêutrons que continuam a estimular mais fissões. E assim sucessivamente até que ocorra a fissão de todos os núcleos de urânio nas imediações.

Neste caso, uma reação em cadeia pode ocorrer como uma avalanche, por exemplo, em caso de explosão de uma bomba atômica. O número de fissão nuclear aumenta exponencialmente em um curto período de tempo. No entanto, uma reação em cadeia pode ocorrer com amortecimento.

O fato é que nem todos os nêutrons encontram núcleos em seu caminho, que induzem à fissão. Como lembramos, dentro da substância o volume principal é ocupado pelo vazio entre as partículas. Portanto, alguns nêutrons voam por toda a matéria sem colidir com nada ao longo do caminho. E se o número de fissão nuclear diminui com o tempo, a reação desaparece gradualmente.

Reações nucleares e a massa crítica do urânio

O que determina o tipo de reação? Da massa de urânio. Quanto maior a massa, mais partículas o nêutron voador encontrará em seu caminho e terá mais chances de entrar no núcleo. Portanto, uma "massa crítica" de urânio é distinguida - essa é uma massa mínima na qual uma reação em cadeia é possível.

O número de nêutrons formados será igual ao número de nêutrons que saíram. E a reação prosseguirá aproximadamente na mesma velocidade até que todo o volume da substância seja produzido. Isso é usado na prática em usinas nucleares e é chamado de reação nuclear controlada.

É bem conhecido que a energia de fissão dos núcleos pesados, que é usada para fins práticos, é a energia cinética dos fragmentos dos núcleos originais. Mas qual é a origem dessa energia, ou seja. que energia é convertida em energia cinética dos fragmentos?

As opiniões oficiais sobre esta questão são extremamente inconsistentes. Assim, Mukhin escreve que a grande energia liberada durante a fissão de um núcleo pesado é devido à diferença de defeitos de massa no núcleo original e fragmentos - e, com base nessa lógica, ele obtém uma estimativa do rendimento de energia durante a fissão do núcleo núcleo de urânio: "200 MeV. Mas então ele escreve que a energia de sua repulsão de Coulomb é convertida na energia cinética dos fragmentos - que, quando os fragmentos estão próximos um do outro, é a mesma »200 MeV. A proximidade de ambas as estimativas com o valor experimental é, obviamente, impressionante, mas a questão é pertinente: a diferença nos defeitos de massa ou a energia de repulsão de Coulomb ainda se transforma na energia cinética dos fragmentos? Você já decide sobre o que está nos contando - sobre o ancião no ou sobre um tio em Kyiv!

Os próprios teóricos criaram esse dilema sem saída: de acordo com sua lógica, eles certamente exigem tanto a diferença nos defeitos de massa quanto a repulsão de Coulomb. Recuse um ou outro, e a inutilidade das suposições iniciais tradicionais da física nuclear se torna bastante óbvia. Por exemplo, por que eles falam sobre a diferença de defeitos de massa? Então, para de alguma forma explicar a própria possibilidade do fenômeno de fissão de núcleos pesados. Eles tentam nos convencer de que a fissão de núcleos pesados ​​ocorre porque é energeticamente favorável. O que são milagres? Durante a fissão de um núcleo pesado, algumas das ligações nucleares são destruídas - e as energias das ligações nucleares são calculadas em MeV! Os núcleos em um núcleo são ordens de magnitude mais fortes que os elétrons atômicos. E a experiência nos ensina que o sistema é estável justamente na área de rentabilidade energética - e se fosse energeticamente lucrativo que ele se desintegrasse, se desintegraria imediatamente. Mas depósitos de minérios de urânio existem na natureza! De que tipo de “rentabilidade energética” da fissão nuclear de urânio podemos falar?

Para que o absurdo da suposição de que a fissão de um núcleo pesado é vantajosa não seja muito surpreendente, os teóricos embarcaram em uma manobra diversionista: eles falam sobre essa "vantagem" em termos da energia de ligação média atribuível a por núcleon. De fato, com um aumento no número atômico, o tamanho do defeito de massa no núcleo também aumenta, mas o número de nucleons no núcleo aumenta mais rapidamente - devido ao excesso de nêutrons. Portanto, para núcleos pesados, a energia de ligação total, recalculada por nucleon, diminui com o aumento do número atômico. Parece que o compartilhamento é realmente benéfico para núcleos pesados? Infelizmente, essa lógica é baseada em ideias tradicionais de que os laços nucleares são cobertos por tudo núcleons no núcleo. Com esta suposição, a energia de ligação média por nucleon E 1 é o quociente da divisão de energia de ligação nuclear D E para o número de nucleons:

E 1=D E/UMA, D E=(Zm p +( A-Z)m n)c 2 -(M no - Zme)c 2 , (4.13.1)

Onde Z- número atômico, ou seja, número de prótons UMA- número de núcleons, m p, m n e Eu são as massas do próton, nêutron e elétron, respectivamente, M at é a massa do átomo. No entanto, já ilustramos a inadequação das ideias tradicionais sobre o núcleo acima ( 4.11 ). E se, de acordo com a lógica do modelo proposto ( 4.12 ), ao calcular a energia de ligação por nucleon, não leve em consideração aqueles nucleons no núcleo que estão temporariamente não cobertos por ligações nucleares, então obteremos uma fórmula diferente de (4.13.1). Se assumirmos que o número atual de nucleons ligados é 2 Z (4.12 ), e que cada um deles esteja conectado apenas metade do tempo da conexão ( 4.12 ), então para a energia de ligação média por nucleon obtemos a fórmula

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

que difere de (4.13.1) apenas no denominador. Recursos suavizados E 1 (Z) e E 1 * (Z) são dados em Fig.4.13. Ao contrário do horário normal E 1 (Z), colocado em muitos livros didáticos, gráfico E 1 * (Z) tem uma característica marcante: demonstra, para núcleos pesados, independência energia de ligação por nucleon sobre o número de nucleons. Então, do nosso modelo ( 4.12 ) segue-se que não pode haver nenhuma "vantagem energética" da fissão de núcleos pesados ​​- de acordo com o senso comum. Ou seja, a energia cinética dos fragmentos não pode ser devida à diferença nos defeitos de massa do núcleo inicial e dos fragmentos.

Fig.4.13

De acordo com o mesmo senso comum, a energia de sua repulsão coulombiana não pode ser convertida na energia cinética dos fragmentos: apresentamos como argumentos teóricos ( 4.7 , 4.12 ) e evidências experimentais ( 4.12 ) que não há repulsão de Coulomb para as partículas que compõem o núcleo.

Então qual é a origem da energia cinética dos fragmentos de um núcleo pesado? Primeiro, vamos tentar responder à pergunta: por que, em uma reação nuclear em cadeia, a fissão nuclear é efetivamente causada por nêutrons emitidos durante a fissão anterior - além disso, por nêutrons térmicos, ou seja, com energias desprezíveis em escala nuclear. Com o fato de que nêutrons térmicos têm a capacidade de quebrar núcleos pesados, parece difícil conciliar nossa conclusão de que nêutrons "excessivos" - no momento - em núcleos pesados ​​​​são livres ( 4.12 ). Um núcleo pesado é literalmente preenchido com nêutrons térmicos, mas não decai - embora sua fissão imediata faça com que um único nêutron térmico emitido na fissão anterior o atinja.

É lógico supor que nêutrons térmicos temporariamente livres em núcleos pesados ​​e nêutrons térmicos emitidos durante a fissão de núcleos pesados ​​ainda diferem um do outro. Como ambos não possuem interrupções nucleares, o grau de liberdade em que podem diferir deve ter um processo que proporcione acoplamento interno no nêutron - através de transformações cíclicas de seus pares constituintes ( 4.10 ). E o único grau de liberdade que vemos aqui é a possibilidade enfraquecendo esta conexão interna "no ganho de massa" ( 4.10 ), devido a uma diminuição na frequência de transformações cíclicas no nêutron - com a emissão dos g-quanta correspondentes. Trazer nêutrons para um estado tão enfraquecido - por exemplo, durante o decaimento de núcleos pesados, quando transformações extremas de energia de uma forma para outra - não nos parece algo incomum. O estado enfraquecido do nêutron é aparentemente devido à operação anormal do programa que forma o nêutron no mundo físico - e ao mesmo tempo é mais fácil para o nêutron decair em um próton e um elétron. Parece que o tempo de vida médio de 17 minutos medido para nêutrons emitidos por reatores nucleares é típico de nêutrons atenuados. Um nêutron não atenuado é capaz de viver, em nossa opinião, desde que o algoritmo que o conecta funcione ( 4.10 ), ou seja, indefinidamente.

Como um nêutron enfraquecido destrói um núcleo pesado? Comparado aos nêutrons não enfraquecidos, o período de interrupção das pulsações do núcleon é aumentado para nêutrons enfraquecidos. Se tal nêutron, que entrou no núcleo, tiver interrupções nucleares "ligadas", de modo que seja associado a algum próton, então o sincronismo descrito acima de ligações de comutação no triplo n 0 -p + -n 0 (4.12 ) será impossível. Como resultado, o sincronismo de ligação no complexo a correspondente será interrompido, o que causará uma sequência de falhas de comutação de ligação que remodelam de forma otimizada os complexos a e garantem a estrutura dinâmica do núcleo. 4.12 ). Figurativamente falando, uma rachadura passará pelo núcleo, gerada não pela força de quebra de ligações nucleares, mas por violações do sincronismo de sua comutação. Observe que o momento chave para o cenário descrito é o "ligamento" da ligação nuclear no nêutron enfraquecido - e para que esse "ligamento" ocorra, o nêutron deve ter uma energia cinética suficientemente pequena. É assim que explicamos por que nêutrons com energia cinética de várias centenas de keV apenas excitam um núcleo pesado, enquanto nêutrons térmicos com energias de apenas alguns centésimos de eV podem efetivamente separá-lo.

O que vemos? Quando o núcleo é dividido em dois fragmentos, essas ligações nucleares “acidentalmente” desmoronam, que, no modo normal de sua comutação ( 4.12 ), ligou esses dois fragmentos no núcleo original. Surge uma situação anormal em que as energias próprias de alguns núcleons são reduzidas pela energia das ligações nucleares, mas essas ligações não existem mais. Essa contingência, de acordo com a lógica do princípio das transformações autônomas de energia ( 4.4 ), a situação é imediatamente corrigida da seguinte forma: as energias próprias dos nucleons permanecem como estão, e as energias anteriores das ligações quebradas são convertidas na energia cinética dos nucleons - e, finalmente, na energia cinética dos núcleos fragmentos. Assim, a energia de fissão de um núcleo pesado não se deve à diferença entre os defeitos de massa do núcleo inicial e dos fragmentos, e não à energia de repulsão coulombiana dos fragmentos. A energia cinética dos fragmentos é a energia anterior das ligações nucleares que mantinham esses fragmentos no núcleo original. Essa conclusão é sustentada pelo fato marcante e pouco conhecido da constância da energia cinética dos fragmentos, independentemente da força do impacto que inicia a fissão do núcleo. Assim, quando a fissão de núcleos de urânio foi iniciada por prótons com energia de 450 MeV, a energia cinética dos fragmentos foi de 163 ± 8 MeV, ou seja, tanto quanto quando a fissão é iniciada por nêutrons térmicos, com energias em centésimos de eV!

Com base no modelo proposto, façamos uma estimativa aproximada da energia de fissão do núcleo de urânio de acordo com a variante mais provável, 92 U 235 ® 36 Kr 94 + 56 Ba 139 , na qual os fragmentos incluem 18 e 28 a-complexos . Assumindo que esses complexos de 18 e 28 a estavam ligados no núcleo original por 8-10 ligações comutáveis, cada uma com uma energia média de 20 MeV (veja a Fig. Fig.4.13), então a energia dos fragmentos deve ser de 160-200 MeV, ou seja, valor próximo ao valor real.

O conteúdo do artigo

FICÃO NUCLEAR, uma reação nuclear na qual um núcleo atômico, quando bombardeado por nêutrons, se divide em dois ou mais fragmentos. A massa total dos fragmentos é geralmente menor que a soma das massas do núcleo inicial e do nêutron de bombardeio. "A Missa Perdida" m se transforma em energia E pela formula de Einstein E = mc 2, onde cé a velocidade da luz. Como a velocidade da luz é muito alta (299.792.458 m/s), uma pequena massa corresponde a uma enorme quantidade de energia. Essa energia pode ser convertida em eletricidade.

A energia liberada durante a fissão nuclear é convertida em calor quando os fragmentos de fissão desaceleram. A taxa de liberação de calor depende do número de núcleos em fissão por unidade de tempo. Quando a fissão de um grande número de núcleos ocorre em um pequeno volume em um curto espaço de tempo, a reação tem o caráter de uma explosão. Este é o princípio da bomba atômica. Se, por outro lado, um número relativamente pequeno de núcleos fissionar em um grande volume por mais tempo, então o resultado será uma liberação de calor que pode ser aproveitada. É nisso que se baseiam as usinas nucleares. Nas usinas nucleares, o calor liberado em reatores nucleares como resultado da fissão nuclear é usado para produzir vapor, que é alimentado a turbinas que giram geradores elétricos.

Para o uso prático dos processos de fissão, o urânio e o plutônio são os mais adequados. Eles têm isótopos (átomos de um determinado elemento com diferentes números de massa) que se fisgam quando absorvem nêutrons, mesmo em energias muito baixas.

A chave para o uso prático da energia de fissão foi o fato de que alguns elementos emitem nêutrons no processo de fissão. Embora um nêutron seja absorvido durante a fissão nuclear, essa perda é compensada pela produção de novos nêutrons durante a fissão. Se o dispositivo no qual ocorre a fissão tiver uma massa suficientemente grande (“crítica”), uma “reação em cadeia” pode ser mantida devido a novos nêutrons. Uma reação em cadeia pode ser controlada ajustando o número de nêutrons que podem causar fissão. Se for maior que um, a intensidade da divisão aumenta e, se for menor que um, diminui.

HISTÓRICO DE REFERÊNCIA

A história da descoberta da fissão nuclear tem origem no trabalho de A. Becquerel (1852-1908). Investigando a fosforescência de vários materiais em 1896, ele descobriu que minerais contendo urânio emitem espontaneamente radiação que causa o escurecimento de uma chapa fotográfica, mesmo que um sólido opaco seja colocado entre o mineral e a chapa. Vários experimentadores estabeleceram que esta radiação consiste em partículas alfa (núcleos de hélio), partículas beta (elétrons) e raios gama (radiação eletromagnética dura).

A primeira transformação de núcleos, induzida artificialmente pelo homem, foi realizada em 1919 por E. Rutherford, que converteu nitrogênio em oxigênio irradiando nitrogênio com partículas alfa de urânio. Essa reação foi acompanhada pela absorção de energia, pois a massa de seus produtos - oxigênio e hidrogênio - excede a massa das partículas que entram na reação - nitrogênio e partículas alfa. A liberação de energia nuclear foi alcançada pela primeira vez em 1932 por J. Cockcroft e E. Walton, que bombardearam o lítio com prótons. Nesta reação, a massa dos núcleos que entram na reação era um pouco maior do que a massa dos produtos, resultando na liberação de energia.

Em 1932, J. Chadwick descobriu o nêutron - uma partícula neutra com massa aproximadamente igual à massa do núcleo de um átomo de hidrogênio. Físicos de todo o mundo começaram a estudar as propriedades dessa partícula. Supunha-se que um nêutron desprovido de carga elétrica e não repelido por um núcleo carregado positivamente teria maior probabilidade de causar reações nucleares. Resultados mais recentes confirmaram essa conjectura. Em Roma, E. Fermi e seus colaboradores submeteram quase todos os elementos do sistema periódico à irradiação de nêutrons e observaram reações nucleares com a formação de novos isótopos. A prova da formação de novos isótopos foi a radioatividade "artificial" na forma de radiação gama e beta.

As primeiras indicações da possibilidade de fissão nuclear.

Fermi é creditado com a descoberta de muitas das reações de nêutrons conhecidas hoje. Em particular, ele tentou obter um elemento com número atômico 93 (neptúnio) bombardeando urânio (elemento com número atômico 92) com nêutrons. Ao mesmo tempo, ele registrou os elétrons emitidos como resultado da captura de nêutrons na reação proposta

238 U + 1 n ® 239 Np + b–,

onde 238 U é um isótopo de urânio-238, 1 n é um nêutron, 239 Np é neptúnio e b- - elétron. No entanto, os resultados foram mistos. Para descartar a possibilidade de que a radioatividade registrada pertença a isótopos de urânio ou outros elementos localizados no sistema periódico anterior ao urânio, foi necessário realizar uma análise química dos elementos radioativos.

Os resultados da análise mostraram que os elementos desconhecidos correspondem aos números de série 93, 94, 95 e 96. Portanto, Fermi concluiu que havia obtido elementos transurânicos. No entanto, O. Hahn e F. Strassman na Alemanha, tendo realizado uma análise química completa, descobriram que o bário radioativo está presente entre os elementos resultantes da irradiação de urânio com nêutrons. Isso significa que, provavelmente, parte dos núcleos de urânio está dividido em dois grandes fragmentos.

Confirmação da divisão.

Depois disso, Fermi, J. Dunning e J. Pegram, da Universidade de Columbia, realizaram experimentos que mostraram que a fissão nuclear ocorre. A fissão do urânio por nêutrons foi confirmada pelos métodos de contadores proporcionais, câmara de nuvens e acúmulo de fragmentos de fissão. O primeiro método mostrou que pulsos de alta energia são emitidos quando uma fonte de nêutrons se aproxima de uma amostra de urânio. Na câmara de nuvens, viu-se que o núcleo de urânio, bombardeado por nêutrons, é dividido em dois fragmentos. Este último método permitiu estabelecer que, como previsto pela teoria, os fragmentos são radioativos. Tudo isso em conjunto provou de forma convincente que a fissão realmente ocorre e tornou possível julgar com confiança a energia liberada durante a fissão.

Como a razão permitida do número de nêutrons para o número de prótons em núcleos estáveis ​​diminui com a diminuição do tamanho do núcleo, a fração de nêutrons nos fragmentos deve ser menor do que no núcleo de urânio original. Assim, havia todas as razões para acreditar que o processo de fissão é acompanhado pela emissão de nêutrons. Isso foi logo confirmado experimentalmente por F. Joliot-Curie e seus colaboradores: o número de nêutrons emitidos no processo de fissão era maior que o número de nêutrons absorvidos. Descobriu-se que para um nêutron absorvido existem aproximadamente dois nêutrons e meio novos. A possibilidade de uma reação em cadeia e as perspectivas de criar uma fonte de energia excepcionalmente poderosa e usá-la para fins militares imediatamente se tornaram óbvias. Depois disso, em vários países (especialmente na Alemanha e nos EUA), começaram os trabalhos para a criação de uma bomba atômica em condições de profundo sigilo.

Desenvolvimentos durante a Segunda Guerra Mundial.

De 1940 a 1945, a direção do desenvolvimento foi determinada por considerações militares. Em 1941, pequenas quantidades de plutônio foram obtidas e vários parâmetros nucleares de urânio e plutônio foram estabelecidos. Nos Estados Unidos, as empresas de produção e pesquisa mais importantes necessárias para isso estavam sob a jurisdição do "Distrito de Engenharia Militar de Manhattan", para o qual o "Projeto Urânio" foi transferido em 13 de agosto de 1942. Na Universidade de Columbia (Nova York), um grupo de funcionários liderados por E. Fermi e V. Zinn realizou os primeiros experimentos em que se estudou a multiplicação de nêutrons em uma rede de blocos de dióxido de urânio e grafite - uma "caldeira" atômica. Em janeiro de 1942, esse trabalho foi transferido para a Universidade de Chicago, onde em julho de 1942 foram obtidos resultados mostrando a possibilidade de uma reação em cadeia autossustentável. Inicialmente, o reator operava com potência de 0,5 W, mas após 10 dias a potência foi aumentada para 200 W. A possibilidade de obter grandes quantidades de energia nuclear foi demonstrada pela primeira vez em 16 de julho de 1945, quando a primeira bomba atômica foi detonada no local de testes de Alamogordo (Novo México).

REATORES NUCLEARES

Um reator nuclear é uma instalação na qual é possível realizar uma reação em cadeia autossustentável controlada de fissão nuclear. Os reatores podem ser classificados pelo combustível utilizado (isótopos físseis e brutos), pelo tipo de moderador, pelo tipo de elementos combustíveis e pelo tipo de refrigerante.

isótopos físseis.

Existem três isótopos físseis - urânio-235, plutônio-239 e urânio-233. O urânio-235 é produzido por separação de isótopos; plutônio-239 - em reatores nos quais o urânio-238 é convertido em plutônio, 238 U ® 239 U ® 239 Np ® 239 Pu; urânio-233 - em reatores nos quais o tório-232 é processado em urânio. O combustível nuclear para um reator de energia é selecionado com base em suas propriedades nucleares e químicas, bem como no custo.

A tabela abaixo mostra os principais parâmetros dos isótopos físseis. A seção transversal total caracteriza a probabilidade de interação de qualquer tipo entre um nêutron e um determinado núcleo. A seção transversal de fissão caracteriza a probabilidade de fissão nuclear por um nêutron. O rendimento de energia por nêutron absorvido depende de qual fração dos núcleos não participa do processo de fissão. O número de nêutrons emitidos em um evento de fissão é importante do ponto de vista da manutenção da reação em cadeia. O número de novos nêutrons por nêutron absorvido é importante porque caracteriza a intensidade da fissão. A fração de nêutrons atrasados ​​emitidos após a fissão está relacionada à energia armazenada no material.

CARACTERÍSTICAS DOS ISOTOPOS FÍSSEIS

CARACTERÍSTICAS DOS ISOTOPOS FÍSSEIS
Isótopo	Urânio-235		Urânio-233		Plutônio-239
Energia de nêutrons	1 MeV	0,025 eV	1 MeV	0,025 eV	1 MeV	0,025 eV
Seção completa	6,6±0,1	695±10	6,2±0,3	600±10	7,3±0,2	1005±5
Seção transversal de divisão	1,25±0,05	581 ± 6	1,85±0,10	526±4	1,8±0,1	751±10
Fração de núcleos que não participam da fissão	0,077 ± 0,002	0,174 ± 0,01	0,057 ± 0,003	0,098 ± 0,004	0,08 ± 0,1	0,37 ± 0,03
Número de nêutrons emitidos em um evento de fissão	2,6±0,1	2,43 ± 0,03	2,65±0,1	2,50±0,03	3,03±0,1	2,84±0,06
Número de nêutrons por nêutron absorvido	2,41±0,1	2,07 ± 0,02	2,51±0,1	2,28 ± 0,02		2,07±0,04
Fração de nêutrons atrasados, %	(0,64±0,03)	(0,65±0,02)	(0,26±0,02)	(0,26±0,01)	(0,21±0,01)	(0,22±0,01)
Energia de fissão, MeV
Todas as seções são dadas em galpões (10 -28 m 2).

Os dados da tabela mostram que cada isótopo físsil tem suas próprias vantagens. Por exemplo, no caso do isótopo com a maior seção transversal para nêutrons térmicos (com uma energia de 0,025 eV), é necessário menos combustível para atingir a massa crítica ao usar um moderador de nêutrons. Como o maior número de nêutrons por nêutron absorvido ocorre em um reator de plutônio rápido (1 MeV), no modo de reprodução é melhor usar plutônio em um reator rápido ou urânio-233 em um reator térmico do que urânio-235 em um reator térmico. O urânio-235 é mais preferível em termos de facilidade de controle, pois possui uma proporção maior de nêutrons atrasados.

Isótopos brutos.

Existem dois isótopos brutos: tório-232 e urânio-238, dos quais são obtidos os isótopos físseis urânio-233 e plutônio-239. A tecnologia de utilização de isótopos brutos depende de vários fatores, como a necessidade de enriquecimento. O minério de urânio contém 0,7% de urânio-235, enquanto o minério de tório não contém isótopos físseis. Portanto, um isótopo físsil enriquecido deve ser adicionado ao tório. O número de novos nêutrons por nêutron absorvido também é importante. Levando em conta esse fator, é necessário dar preferência ao urânio-233 no caso de nêutrons térmicos (desacelerados para uma energia de 0,025 eV), pois nessas condições o número de nêutrons emitidos é maior e, consequentemente, a conversão fator é o número de novos núcleos físseis por um núcleo físsil “gasto”.

Retardadores.

O moderador serve para reduzir a energia dos nêutrons emitidos no processo de fissão de cerca de 1 MeV para energias térmicas de cerca de 0,025 eV. Como a moderação ocorre principalmente como resultado do espalhamento elástico pelos núcleos de átomos não físseis, a massa dos átomos moderadores deve ser a menor possível para que o nêutron possa transferir o máximo de energia para eles. Além disso, os átomos moderadores devem ter uma pequena (em comparação com a seção transversal de espalhamento) de captura, uma vez que o nêutron tem que colidir repetidamente com os átomos moderadores antes de ser desacelerado para energia térmica.

O melhor moderador é o hidrogênio, pois sua massa é quase igual à massa do nêutron e, portanto, o nêutron perde a maior quantidade de energia ao colidir com o hidrogênio. Mas o hidrogênio comum (leve) absorve nêutrons com muita força e, portanto, o deutério (hidrogênio pesado) e a água pesada acabam sendo moderadores mais adequados, apesar de sua massa ligeiramente maior, pois absorvem menos nêutrons. O berílio pode ser considerado um bom moderador. O carbono tem uma seção transversal de absorção de nêutrons tão pequena que efetivamente modera os nêutrons, embora exija muito mais colisões para desacelerar do que o hidrogênio.

Média N As colisões elásticas necessárias para desacelerar um nêutron de 1 MeV para 0,025 eV usando hidrogênio, deutério, berílio e carbono são aproximadamente 18, 27, 36 e 135, respectivamente. A natureza aproximada desses valores se deve ao fato de que, devido à presença de energia química, as ligações no moderador de colisão em energias abaixo de 0,3 eV dificilmente podem ser elásticas. Em baixas energias, a rede atômica pode transferir energia para nêutrons ou alterar a massa efetiva em uma colisão, violando assim o processo de desaceleração.

Portadores de calor.

Os refrigerantes usados ​​em reatores nucleares são água, água pesada, sódio líquido, sódio-potássio líquido (NaK), hélio, dióxido de carbono e líquidos orgânicos, como terfenil. Essas substâncias são boas transportadoras de calor e têm baixa seção de choque de absorção de nêutrons.

A água é um excelente moderador e refrigerante, mas absorve nêutrons com muita força e tem uma pressão de vapor muito alta (14 MPa) a uma temperatura de operação de 336 ° C. O moderador mais conhecido é a água pesada. Suas características são próximas às da água comum, e a seção de choque de absorção de nêutrons é menor. O sódio é um excelente refrigerante, mas não é eficaz como moderador de nêutrons. Portanto, é usado em reatores de nêutrons rápidos, onde mais nêutrons são emitidos durante a fissão. É verdade que o sódio tem várias desvantagens: induz radioatividade, tem baixa capacidade calorífica, é quimicamente ativo e solidifica à temperatura ambiente. Uma liga de sódio e potássio é semelhante em propriedades ao sódio, mas permanece líquida à temperatura ambiente. O hélio é um excelente refrigerante, mas tem uma baixa capacidade de calor específico. O dióxido de carbono é um bom refrigerante e tem sido amplamente utilizado em reatores moderados a grafite. O terfenil tem a vantagem sobre a água de ter uma baixa pressão de vapor à temperatura de operação, mas se decompõe e polimeriza sob as altas temperaturas e fluxos de radiação característicos dos reatores.

Elementos geradores de calor.

Um elemento combustível (FE) é um núcleo de combustível com uma bainha hermética. O revestimento evita o vazamento de produtos de fissão e a interação do combustível com o refrigerante. O material da casca deve absorver nêutrons fracamente e ter características mecânicas, hidráulicas e condutoras de calor aceitáveis. Os elementos combustíveis são geralmente pellets de óxido de urânio sinterizado em tubos de alumínio, zircônio ou aço inoxidável; pellets de ligas de urânio com zircônio, molibdênio e alumínio revestidos com zircônio ou alumínio (no caso de liga de alumínio); comprimidos de grafite com carboneto de urânio disperso revestidos com grafite impermeável.

Todos esses elementos combustíveis são usados, mas para reatores de água pressurizada, os pellets de óxido de urânio em tubos de aço inoxidável são os mais preferidos. O dióxido de urânio não reage com a água, tem alta resistência à radiação e é caracterizado por um alto ponto de fusão.

As células de combustível de grafite parecem ser muito adequadas para reatores refrigerados a gás de alta temperatura, mas têm uma séria desvantagem - os produtos de fissão gasosa podem penetrar através de seu revestimento devido à difusão ou defeitos no grafite.

Os refrigerantes orgânicos são incompatíveis com as barras de combustível de zircônio e, portanto, exigem o uso de ligas de alumínio. As perspectivas para reatores com refrigerantes orgânicos dependem se são criadas ligas de alumínio ou produtos de metalurgia do pó que tenham a resistência (em temperaturas de operação) e condutividade térmica necessárias para o uso de aletas que aumentam a transferência de calor para o refrigerante. Uma vez que a transferência de calor entre o combustível e o refrigerante orgânico devido à condução térmica é pequena, é desejável usar a ebulição superficial para aumentar a transferência de calor. Novos problemas serão associados à ebulição superficial, mas eles devem ser resolvidos se o uso de fluidos orgânicos de transferência de calor provar ser benéfico.

TIPOS DE REATORES

Teoricamente, mais de 100 tipos diferentes de reatores são possíveis, diferindo em combustível, moderador e refrigerantes. A maioria dos reatores convencionais usa água como refrigerante, seja sob pressão ou água fervente.

Reator de água pressurizada.

Em tais reatores, a água serve como moderador e refrigerante. A água aquecida é bombeada sob pressão para um trocador de calor, onde o calor é transferido para a água do circuito secundário, no qual é gerado o vapor que gira a turbina.

Reator de ebulição.

Nesse reator, a água ferve diretamente no núcleo do reator e o vapor resultante entra na turbina. A maioria dos reatores de água fervente também usa água como moderador, mas às vezes um moderador de grafite é usado.

Reator com resfriamento de metal líquido.

Em tal reator, o metal líquido circulando através de tubos é usado para transferir o calor liberado durante a fissão no reator. Quase todos os reatores deste tipo usam sódio como refrigerante. O vapor gerado no outro lado das tubulações do circuito primário é alimentado a uma turbina convencional. Em um reator resfriado a metal líquido, nêutrons de energia relativamente alta (reator de nêutrons rápidos) ou nêutrons moderados em grafite ou óxido de berílio podem ser usados. Como reatores reprodutores, os reatores de nêutrons rápidos refrigerados a metal líquido são mais preferíveis, pois neste caso não há perdas de nêutrons associadas à moderação.

reator refrigerado a gás.

Nesse reator, o calor liberado durante o processo de fissão é transferido para o gerador de vapor por gás - dióxido de carbono ou hélio. O moderador de nêutrons geralmente é grafite. Um reator resfriado a gás pode operar em temperaturas muito mais altas do que um reator resfriado a líquido e, portanto, é adequado para sistemas de aquecimento industrial e usinas de energia de alta eficiência. Pequenos reatores refrigerados a gás são caracterizados por maior segurança na operação, em particular, pela ausência do risco de fusão do reator.

reatores homogêneos.

No núcleo de reatores homogêneos, é utilizado um líquido homogêneo contendo um isótopo físsil de urânio. O líquido é geralmente um composto de urânio fundido. É bombeado para um grande vaso esférico pressurizado onde ocorre uma reação em cadeia de fissão em uma massa crítica. O líquido é então alimentado no gerador de vapor. Os reatores homogêneos não ganharam popularidade devido ao projeto e às dificuldades tecnológicas.

REATIVIDADE E CONTROLE

A possibilidade de uma reação em cadeia autossustentável em um reator nuclear depende de quanto nêutrons estão vazando do reator. Os nêutrons produzidos durante a fissão desaparecem como resultado da absorção. Além disso, o vazamento de nêutrons é possível devido à difusão através da matéria, semelhante à difusão de um gás através de outro.

Para controlar um reator nuclear, você precisa ser capaz de controlar o fator de multiplicação de nêutrons k, definido como a razão entre o número de nêutrons em uma geração e o número de nêutrons na geração anterior. No k= 1 (reator crítico) há uma reação em cadeia estacionária com intensidade constante. No k> 1 (reator supercrítico), a intensidade do processo aumenta, e em k r = 1 – (1/ k) é chamado de reatividade.)

Devido ao fenômeno dos nêutrons atrasados, o tempo de "nascimento" dos nêutrons aumenta de 0,001 s para 0,1 s. Este tempo de reação característico permite controlá-lo com a ajuda de atuadores mecânicos - hastes de controle feitas de um material que absorve nêutrons (B, Cd, Hf, In, Eu, Gd, etc.). A constante de tempo de controle deve ser da ordem de 0,1 s ou mais. Para garantir a segurança, esse modo de operação do reator é escolhido no qual nêutrons atrasados ​​são necessários em cada geração para manter uma reação em cadeia estacionária.

Para garantir um determinado nível de potência, são utilizadas hastes de controle e refletores de nêutrons, mas a tarefa de controle pode ser bastante simplificada pelo cálculo correto do reator. Por exemplo, se o reator for projetado para que, à medida que a potência ou a temperatura aumente, a reatividade diminua, ele será mais estável. Por exemplo, se o retardo for insuficiente, a água no reator se expande devido ao aumento da temperatura, ou seja, a densidade do moderador diminui. Como resultado, a absorção de nêutrons no urânio-238 é aumentada, pois eles não têm tempo para desacelerar efetivamente. Em alguns reatores, um fator é usado para aumentar o vazamento de nêutrons do reator devido a uma diminuição na densidade da água. Outra maneira de estabilizar o reator é aquecer um "absorvedor de nêutrons ressonante", como o urânio-238, que então absorve os nêutrons com mais força.

Sistemas de segurança.

A segurança do reator é garantida por um ou outro mecanismo para desligá-lo em caso de aumento acentuado da potência. Isso pode ser um mecanismo de um processo físico, ou uma operação de um sistema de controle e proteção, ou ambos. Ao projetar reatores refrigerados a água, são previstas situações de emergência associadas à entrada de água fria no reator, queda na vazão do refrigerante e reatividade muito alta durante a partida. Como a intensidade da reação aumenta com a diminuição da temperatura, com um influxo acentuado de água fria no reator, a reatividade e a potência aumentam. O sistema de proteção geralmente prevê um bloqueio automático para evitar a entrada de água fria. Com uma diminuição no fluxo de refrigerante, o reator superaquece, mesmo que sua potência não aumente. Nesses casos, é necessária uma parada automática. Além disso, as bombas de refrigerante devem ser dimensionadas para fornecer o refrigerante necessário para desligar o reator. Uma situação de emergência pode surgir ao iniciar um reator com reatividade muito alta. Devido ao baixo nível de potência, o reator não tem tempo para aquecer o suficiente para que a proteção de temperatura funcione até que seja tarde demais. A única medida confiável nesses casos é uma partida cuidadosa do reator.

Evitar essas emergências é bastante simples se você seguir a seguinte regra: todas as ações que possam aumentar a reatividade do sistema devem ser realizadas com cuidado e lentamente. A coisa mais importante na questão da segurança do reator é a necessidade absoluta de resfriamento a longo prazo do núcleo do reator após o término da reação de fissão nele. O fato é que os produtos radioativos da fissão que permanecem nos cartuchos de combustível emitem calor. É muito menos do que o calor liberado no modo de potência máxima, mas é suficiente para derreter os elementos combustíveis na ausência do resfriamento necessário. Uma breve interrupção no fornecimento de água de resfriamento levou a danos significativos ao núcleo e ao acidente do reator em Three Mile Island (EUA). A destruição do núcleo do reator é o dano mínimo em caso de tal acidente. Pior ainda, se houver um vazamento de isótopos radioativos perigosos. A maioria dos reatores industriais está equipada com invólucros de segurança hermeticamente fechados, o que deve impedir a liberação de isótopos no meio ambiente em caso de acidente.

Em conclusão, observamos que a possibilidade de destruição do reator depende em grande parte de seu esquema e design. Os reatores podem ser projetados de tal forma que a redução da vazão do refrigerante não leve a grandes problemas. Estes são os vários tipos de reatores refrigerados a gás.

O fato de que a energia é liberada durante a fissão de núcleos pesados ​​decorre diretamente da dependência da energia de ligação específica ε = E St (A,Z)/A no número de massa A (Fig. 2). Durante a fissão de um núcleo pesado, são formados núcleos mais leves, nos quais os nucleons se ligam mais fortemente, e parte da energia é liberada durante a fissão.
Como regra, a fissão nuclear é acompanhada pela emissão de 1-4 nêutrons.
Vamos expressar a energia das partes de fissão Q em termos das energias de ligação dos núcleos inicial e final. A energia do núcleo inicial, consistindo em Z prótons e N nêutrons, e tendo uma massa M (A, Z) e uma energia de ligação E St (A, Z), escrevemos na seguinte forma:

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

A divisão do núcleo (A, Z) em 2 fragmentos (A 1, Z 1) e (A 2, Z 2) é acompanhada pela formação de N n = A - A 1 - A 2 nêutrons imediatos. Se o núcleo (A,Z) é dividido em fragmentos com massas M 1 (A 1 ,Z 1), M 2 (A 2 ,Z 2) e energias de ligação E st1 (A 1 ,Z 1), E st2 (A 2 , Z 2), então para a energia de fissão temos a expressão:

Q div \u003d (M (A, Z) -) c 2 \u003d E sv1 (A 1, Z 1) + E sv (A 2, Z 2) - E sv (A, Z),

E

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

Na Fig. 26 mostra o formulário de pesquisa da calculadora de Fissão Nuclear com um exemplo da formação de uma prescrição de pesquisa para determinar o limiar de energia e energia de reação de fissão espontânea do núcleo 235 U com a formação de um fragmento 139 Xe e a emissão de um nêutron .

A formação da instrução de solicitação é realizada da seguinte forma:

• « O núcleo é o alvo» – 235 U (são escolhidos os valores Z = 92, A= 235);
• « partícula incidente» – sem partículas incidentes – fissão espontânea (selecionada no menu suspenso « Sem partículas voadoras»);
• « Fragmento selecionável (usuário)» – núcleo do fragmento, por exemplo, 95 Sr (valores Z = 38, A = 95 são escolhidos);
• « fragmento (definido pelo programa)» – Núcleo do fragmento de 140 Xe (Z = 92 – 38 = 54,
  A = 235 - 95 = 140);
• « Partícula instantânea 1 que acompanha a fissão» é um nêutron (os valores Z = 0,
  A = 1, " Número de partículas" - 1); ao mesmo tempo, as leituras do fragmento determinado pelo programa - 139 Xe (Z = 54, A = 140 - 1 = 149) mudam.

Na Fig. A Figura 27 mostra a forma de saída desta consulta: pode-se ver que não há limite de energia para a fissão do núcleo de 235 U. O núcleo de 235 U tem um modo de decaimento – “emissão de nêutrons”).

>> fissão de urânio

§ 107 FISSÃO DE NÚCLEO DE URÂNIO

Apenas os núcleos de alguns elementos pesados ​​podem ser divididos em partes. Durante a fissão dos núcleos, dois ou três nêutrons e raios - são emitidos. Ao mesmo tempo, muita energia é liberada.

Descoberta da fissão do urânio. A fissão de núcleos de urânio foi descoberta em 1938 pelos cientistas alemães O. Hahn e F. Strassmann. Eles estabeleceram que quando o urânio é bombardeado com nêutrons, surgem elementos da parte média do sistema periódico: bário, criptônio, etc. início de 1939 pelo físico inglês O. Frisch junto com o físico austríaco L. Meitner.

A captura de um nêutron destrói a estabilidade do núcleo. O núcleo é excitado e se torna instável, o que leva à sua divisão em fragmentos. A fissão nuclear é possível porque a massa de repouso de um núcleo pesado é maior que a soma das massas de repouso dos fragmentos que surgem durante a fissão. Portanto, há uma liberação de energia equivalente a uma diminuição da massa de repouso que acompanha a fissão.

A possibilidade de fissão de núcleos pesados ​​também pode ser explicada usando um gráfico da dependência da energia de ligação específica do número de massa A (ver Fig. 13.11). A energia de ligação específica dos núcleos de átomos de elementos que ocupam os últimos lugares no sistema periódico (A 200) é aproximadamente 1 MeV menor que a energia de ligação específica nos núcleos de elementos localizados no meio do sistema periódico (A 100) . Portanto, o processo de fissão de núcleos pesados ​​em núcleos de elementos na parte média do sistema periódico é energeticamente favorável. Após a fissão, o sistema entra em um estado com energia interna mínima. Afinal, quanto maior a energia de ligação do núcleo, maior a energia deve ser liberada quando o núcleo surge e, consequentemente, menor a energia interna do sistema recém-formado.

Durante a fissão nuclear, a energia de ligação por nucleon aumenta em 1 MeV, e a energia total liberada deve ser enorme - cerca de 200 MeV. Nenhuma outra reação nuclear (não relacionada à fissão) libera energias tão grandes.

Medições diretas da energia liberada durante a fissão do núcleo de urânio confirmaram as considerações acima e deram um valor de 200 MeV. Além disso, a maior parte dessa energia (168 MeV) recai sobre a energia cinética dos fragmentos. Na Figura 13.13 você vê os rastros de fragmentos de urânio físsil em uma câmara de nuvens.

A energia liberada durante a fissão nuclear é de origem eletrostática e não nuclear. A grande energia cinética que os fragmentos possuem surge devido à sua repulsão de Coulomb.

mecanismo de fissão nuclear. O processo de fissão nuclear pode ser explicado com base no modelo de gota do núcleo. De acordo com este modelo, um monte de nucleons se assemelha a uma gota de um líquido carregado (Fig. 13.14, a). As forças nucleares entre nucleons são de curto alcance, como as forças que atuam entre moléculas líquidas. Junto com as fortes forças de repulsão eletrostática entre os prótons, que tendem a separar o núcleo, ainda existem grandes forças nucleares de atração. Essas forças impedem a desintegração do núcleo.

O núcleo de urânio-235 é esférico. Tendo absorvido um nêutron extra, ele é excitado e começa a se deformar, adquirindo uma forma alongada (Fig. 13.14, b). O núcleo se alongará até que as forças repulsivas entre as metades do núcleo alongado comecem a prevalecer sobre as forças atrativas que atuam no istmo (Fig. 13.14, c). Depois disso, é rasgado em duas partes (Fig. 13.14, d).

Sob a ação das forças repulsivas de Coulomb, esses fragmentos se separam a uma velocidade igual a 1/30 da velocidade da luz.

Emissão de nêutrons durante a fissão. O fato fundamental da fissão nuclear é a emissão de dois ou três nêutrons durante a fissão. Foi graças a isso que o uso prático da energia intranuclear se tornou possível.

É possível entender por que os nêutrons livres são emitidos a partir das seguintes considerações. Sabe-se que a razão entre o número de nêutrons e o número de prótons em núcleos estáveis ​​aumenta com o aumento do número atômico. Portanto, nos fragmentos que surgem durante a fissão, o número relativo de nêutrons acaba sendo maior do que o permitido para os núcleos de átomos localizados no meio da tabela periódica. Como resultado, vários nêutrons são liberados no processo de fissão. Sua energia tem valores diferentes - de vários milhões de elétron-volts a muito pequenos, próximos de zero.

A fissão geralmente ocorre em fragmentos, cujas massas diferem cerca de 1,5 vezes. Esses fragmentos são altamente radioativos, pois contêm uma quantidade excessiva de nêutrons. Como resultado de uma série de decaimentos sucessivos, isótopos estáveis ​​são eventualmente obtidos.

Em conclusão, notamos que também há fissão espontânea de núcleos de urânio. Foi descoberto pelos físicos soviéticos G. N. Flerov e K. A. Petrzhak em 1940. A meia-vida da fissão espontânea é de 10 a 16 anos. Isso é dois milhões de vezes mais do que a meia-vida do decaimento do urânio.

A reação de fissão nuclear é acompanhada pela liberação de energia.

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