Datorită neutralității electrice a neutronilor.

2. Ce energie se numește randamentul energetic al reacției? Cum se estimează randamentul energetic pentru o reacție de fisiune?

Randamentul total de energie al unei reacții de fisiune este energia care este eliberată în timpul fisiunii unui nucleu de uraniu. Energia specifică de legare a unui nucleon din nucleul uraniului 235 este aproximativ egală cu 7,6 MeV, a fragmentelor de reacție - aproximativ 8,5 MeV. Ca rezultat al fisiunii, este eliberat (8,5 - 7,6) MeV = 0,9 MeV (per nucleon). Sunt 235 de nucleoni în total, atunci randamentul total de energie al reacției de fisiune este

3. Ce valoare caracterizează viteza unei reacții în lanț? Notați condiția necesară pentru dezvoltarea unei reacții în lanț.

Factorul de multiplicare a neutronilor k caracterizează viteza reacției în lanț. O condiție necesară pentru dezvoltarea unei reacții în lanț

4. Ce reacție de fisiune se numește auto-susținere? Când apare?

O reacție de fisiune nucleară auto-susținută are loc dacă un nou neutron are timp să se formeze ca urmare a reacției de fisiune în timpul în care neutronul călătorește printr-un mediu cu dimensiunea liniară l.

5. Evaluați dimensiunea miezului critic și masa critică.

Volumul cilindrului este

N este concentrația nucleelor. Numărul de ciocniri ale unui neutron cu nuclee pe unitatea de timp n.

Fisiunea nucleară este divizarea unui atom greu în două fragmente de masă aproximativ egală, însoțită de eliberarea unei cantități mari de energie.

Descoperirea fisiunii nucleare a început o nouă eră - „era atomică”. Potențialul posibilei sale utilizări și raportul de risc de a beneficia de pe urma utilizării sale au generat nu numai multe realizări sociologice, politice, economice și științifice, ci și probleme serioase. Chiar și din punct de vedere pur științific, procesul de fisiune nucleară a creat un număr mare de puzzle-uri și complicații, iar explicația sa teoretică completă este o chestiune de viitor.

Împărțirea este profitabilă

Energiile de legare (pe nucleon) diferă pentru diferite nuclee. Cele mai grele au energii de legare mai mici decât cele situate la mijlocul tabelului periodic.

Aceasta înseamnă că pentru nucleele grele cu un număr atomic mai mare de 100, este avantajos să se împartă în două fragmente mai mici, eliberând astfel energie, care este convertită în energia cinetică a fragmentelor. Acest proces se numește divizare

Conform curbei de stabilitate, care arată dependența numărului de protoni de numărul de neutroni pentru nuclizii stabili, nucleele mai grele preferă mai mulți neutroni (comparativ cu numărul de protoni) decât pe cele mai ușoare. Acest lucru sugerează că, odată cu procesul de scindare, vor fi emiși niște neutroni „de rezervă”. În plus, vor prelua și o parte din energia eliberată. Studiul fisiunii nucleare a atomului de uraniu a arătat că sunt eliberați 3-4 neutroni: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

Numărul atomic (și masa atomică) al fragmentului nu este egal cu jumătate din masa atomică a părintelui. Diferența dintre masele de atomi formate ca urmare a divizării este de obicei de aproximativ 50. Adevărat, motivul pentru aceasta nu este încă pe deplin clar.

Energiile de legare ale 238 U, 145 La și 90 Br sunt 1803, 1198 și, respectiv, 763 MeV. Aceasta înseamnă că, în urma acestei reacții, se eliberează energia de fisiune a nucleului de uraniu, egală cu 1198 + 763-1803 = 158 MeV.

Diviziunea spontană

Procesele de scindare spontană sunt cunoscute în natură, dar sunt foarte rare. Durata medie de viață a acestui proces este de aproximativ 10 17 ani și, de exemplu, durata medie de viață a descompunerii alfa a aceluiași radionuclid este de aproximativ 10 11 ani.

Motivul pentru aceasta este că, pentru a se împărți în două părți, nucleul trebuie mai întâi deformat (întins) într-o formă elipsoidală și apoi, înainte de a se împărți în cele din urmă în două fragmente, să formeze un „gât” în mijloc.

Bariera potențială

În starea deformată, două forțe acționează asupra miezului. Una este energia de suprafață crescută (tensiunea superficială a unei picături de lichid explică forma sa sferică), iar cealaltă este repulsia Coulomb între fragmentele de fisiune. Împreună produc o barieră potențială.

Ca și în cazul dezintegrarii alfa, pentru ca fisiunea spontană a nucleului atomului de uraniu să aibă loc, fragmentele trebuie să depășească această barieră folosind tunelul cuantic. Bariera este de aproximativ 6 MeV, ca în cazul dezintegrarii alfa, dar probabilitatea de a tuneliza o particulă alfa este mult mai mare decât cea a unui produs de fisiune atomică mult mai greu.

despicare forțată

Mult mai probabil este fisiunea indusă a nucleului de uraniu. În acest caz, nucleul părinte este iradiat cu neutroni. Dacă părintele o absoarbe, se leagă, eliberând energie de legare sub formă de energie vibrațională care poate depăși cei 6 MeV necesari pentru a depăși bariera potențială.

Acolo unde energia neutronului suplimentar este insuficientă pentru a depăși bariera de potențial, neutronul incident trebuie să aibă o energie cinetică minimă pentru a putea induce scindarea unui atom. În cazul 238 U, energia de legare a neutronilor suplimentari este de aproximativ 1 MeV. Aceasta înseamnă că fisiunea nucleului de uraniu este indusă doar de un neutron cu o energie cinetică mai mare de 1 MeV. Pe de altă parte, izotopul 235 U are un neutron nepereche. Când nucleul absoarbe unul suplimentar, formează o pereche cu acesta și, ca urmare a acestei împerecheri, apare o energie suplimentară de legare. Acest lucru este suficient pentru a elibera cantitatea de energie necesară nucleului pentru a depăși bariera potențială și fisiunea izotopului are loc la coliziunea cu orice neutron.

dezintegrare beta

Chiar dacă reacția de fisiune emite trei sau patru neutroni, fragmentele conțin încă mai mulți neutroni decât izobarele lor stabile. Aceasta înseamnă că fragmentele de clivaj sunt în general instabile împotriva degradarii beta.

De exemplu, când are loc fisiunea uraniului 238U, izobara stabilă cu A = 145 este neodim 145Nd, ceea ce înseamnă că fragmentul de lantan 145La se descompune în trei etape, emițând de fiecare dată un electron și un antineutrin, până când se formează un nuclid stabil. Izobara stabilă cu A = 90 este zirconiu 90 Zr; prin urmare, fragmentul de scindare a bromului 90 Br se descompune în cinci etape ale lanțului de descompunere β.

Aceste lanțuri de dezintegrare β eliberează energie suplimentară, care este aproape în totalitate transportată de electroni și antineutrini.

Reacții nucleare: fisiunea nucleelor ​​de uraniu

Emisia directă a unui neutron dintr-un nuclid cu prea multe dintre ele pentru a asigura stabilitatea nucleului este puțin probabilă. Ideea aici este că nu există repulsie coulombiană și, prin urmare, energia de suprafață tinde să mențină neutronul în legătură cu părintele. Cu toate acestea, asta se întâmplă uneori. De exemplu, un fragment de fisiune de 90 Br în prima etapă de dezintegrare beta produce krypton-90, care poate fi într-o stare excitată cu suficientă energie pentru a depăși energia de suprafață. În acest caz, emisia de neutroni poate avea loc direct odată cu formarea criptonului-89. încă instabil în ceea ce privește dezintegrarea β până când este convertit în ytriu-89 stabil, astfel încât criptonul-89 se descompune în trei pași.

Fisiunea nucleelor ​​de uraniu: o reacție în lanț

Neutronii emiși în reacția de fisiune pot fi absorbiți de un alt nucleu părinte, care apoi suferă o fisiune indusă. În cazul uraniului-238, cei trei neutroni care sunt produși ies cu energii mai mici de 1 MeV (energia eliberată în timpul fisiunii nucleului de uraniu - 158 MeV - este convertită în principal în energia cinetică a fragmentelor de fisiune), deci nu pot provoca fisiunea ulterioară a acestui nuclid. Cu toate acestea, la o concentrație semnificativă a izotopului rar 235 U, acești neutroni liberi pot fi capturați de nuclee de 235 U, ceea ce poate provoca într-adevăr fisiunea, deoarece în acest caz nu există un prag de energie sub care fisiunea să nu fie indusă.

Acesta este principiul unei reacții în lanț.

Tipuri de reacții nucleare

Fie k numărul de neutroni produși într-o probă de material fisionabil în etapa n a acestui lanț, împărțit la numărul de neutroni produși în etapa n - 1. Acest număr va depinde de câți neutroni produși în etapa n - 1 sunt absorbiți de nucleu, care poate fi forțat să se divizeze.

Dacă 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.

Dacă k > 1, atunci reacția în lanț va crește până când tot materialul fisionabil a fost folosit.Acest lucru se realizează prin îmbogățirea minereului natural pentru a obține o concentrație suficient de mare de uraniu-235. Pentru o probă sferică, valoarea lui k crește odată cu creșterea probabilității de absorbție a neutronilor, care depinde de raza sferei. Prin urmare, masa U trebuie să depășească o anumită cantitate pentru ca fisiunea nucleelor ​​de uraniu să aibă loc (reacție în lanț).

Dacă k = 1, atunci are loc o reacție controlată. Acesta este folosit în reactoare nucleare. Procesul este controlat prin distribuirea baghetelor de cadmiu sau bor între uraniu, care absorb majoritatea neutronilor (aceste elemente au capacitatea de a capta neutroni). Fisiunea nucleului de uraniu este controlată automat prin deplasarea tijelor în așa fel încât valoarea lui k să rămână egală cu unu.

Fisiune nucleara- procesul de scindare a unui nucleu atomic în două (rar trei) nuclee cu mase similare, numite fragmente de fisiune. Ca urmare a fisiunii, pot apărea și alți produși de reacție: nuclee ușoare (în principal particule alfa), neutroni și cuante gamma. Fisiunea poate fi spontană (spontană) și forțată (ca rezultat al interacțiunii cu alte particule, în primul rând cu neutronii). Fisiunea nucleelor ​​grele este un proces exotermic, în urma căruia se eliberează o cantitate mare de energie sub formă de energie cinetică a produselor de reacție, precum și radiație. Fisiunea nucleară servește ca sursă de energie în reactoarele nucleare și în armele nucleare. Procesul de fisiune poate decurge numai atunci când energia potențială a stării inițiale a nucleului de fisiune depășește suma maselor fragmentelor de fisiune. Deoarece energia de legare specifică a nucleelor ​​grele scade odată cu creșterea masei, această condiție este îndeplinită pentru aproape toate nucleele cu număr de masă .

Cu toate acestea, după cum arată experiența, chiar și cele mai grele nuclee sunt divizate spontan, cu o probabilitate foarte mică. Aceasta înseamnă că există o barieră energetică ( barieră de fisiune) pentru a preveni diviziunea. Mai multe modele sunt folosite pentru a descrie procesul de fisiune nucleară, inclusiv calculul barierei de fisiune, dar niciunul dintre ele nu poate explica pe deplin procesul.

Faptul că energia este eliberată în timpul fisiunii nucleelor ​​grele rezultă direct din dependența energiei specifice de legare ε = E St (A, Z) / A din numărul de masă A. În timpul fisiunii unui nucleu greu se formează nuclee mai ușoare, în care nucleonii sunt legați mai puternic, iar o parte din energie este eliberată în timpul fisiunii. De regulă, fisiunea nucleară este însoțită de emisia a 1-4 neutroni. Să exprimăm energia Q părților de fisiune în termenii energiilor de legare ale nucleelor ​​inițiale și finale. Energia nucleului inițial, format din Z protoni și N neutroni, și având o masă M (A, Z) și o energie de legătură E St (A, Z), scriem sub următoarea formă:

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

Împărțirea nucleului (A, Z) în 2 fragmente (A 1, Z 1) și (A 2, Z 2) este însoțită de formarea de N n = A – A 1 – A 2 neutroni prompti. Dacă nucleul (A,Z) este împărțit în fragmente cu mase M 1 (A 1 ,Z 1), M 2 (A 2 ,Z 2) și energii de legare E st1 (A 1 ,Z 1), E st2 (A). 2 , Z 2), atunci pentru energia de fisiune avem expresia:

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. Teoria elementară a fisiunii.

În 1939 N. Borși J. Wheeler, precum și Da. Frenkel cu mult înainte ca fisiunea să fie studiată experimental, a fost propusă o teorie a acestui proces, bazată pe conceptul nucleului ca picătură de lichid încărcat.

Energia eliberată în timpul fisiunii poate fi obținută direct din formule Weizsäcker.

Să calculăm cantitatea de energie eliberată în timpul fisiunii unui nucleu greu. Înlocuiți în (f.2) expresiile pentru energiile de legare ale nucleelor ​​(f.1), presupunând A 1 =240 și Z 1 = 90. Neglijând ultimul termen din (f.1) din cauza micii sale și înlocuind valorile parametrilor a 2 și a 3, obținem

De aici rezultă că fisiunea este favorabilă energetic când Z 2 /A > 17. Valoarea lui Z 2 /A se numește parametru de divizibilitate. Energia E, eliberată în timpul fisiunii, crește odată cu creșterea Z 2 /A; Z 2 /A = 17 pentru nucleele din regiunea ytriului și zirconiului. Din estimările obținute se poate observa că fisiunea este favorabilă din punct de vedere energetic pentru toate nucleele cu A > 90. De ce majoritatea nucleelor ​​este stabilă în raport cu fisiunea spontană? Pentru a răspunde la această întrebare, să vedem cum se modifică forma nucleului în timpul fisiunii.

În procesul de fisiune, nucleul trece secvenţial prin următoarele etape (Fig. 2): o minge, un elipsoid, o ganteră, două fragmente în formă de para, două fragmente sferice. Cum se modifică energia potențială a nucleului în diferite stadii de fisiune? După ce fisiunea a avut loc, iar fragmentele sunt separate unele de altele cu o distanță mult mai mare decât raza lor, energia potențială a fragmentelor, determinată de interacțiunea Coulomb dintre ele, poate fi considerată egală cu zero.

Să luăm în considerare stadiul inițial al fisiunii, când nucleul ia forma unui elipsoid de revoluție din ce în ce mai alungit cu creșterea lui r. În acest stadiu al fisiunii, r este o măsură a abaterii nucleului de la o formă sferică (Fig. 3). Datorită evoluției formei nucleului, modificarea energiei potențiale a acestuia este determinată de modificarea sumei energiilor de suprafață și coulomb E"n + E"k. Se presupune că volumul nucleului rămâne neschimbat. în timpul deformării. În acest caz, energia de suprafață E "p crește, deoarece aria suprafeței nucleului crește. Energia Coulomb E" k scade, deoarece distanța medie dintre nucleoni crește. Fie ca miezul sferic, ca urmare a unei ușoare deformații caracterizată de un parametru mic, să ia forma unui elipsoid simetric axial. Se poate arăta că energia de suprafață E „p și energia coulombiană E” k în funcție de se modifică după cum urmează:

În cazul deformațiilor elipsoidale mici, creșterea energiei de suprafață are loc mai rapid decât scăderea energiei Coulomb. În regiunea nucleelor ​​grele 2En > Ek, suma energiilor de suprafață și Coulomb crește odată cu creșterea . Din (f.4) și (f.5) rezultă că la mici deformații elipsoidale, creșterea energiei de suprafață împiedică modificări ulterioare ale formei nucleului și, în consecință, fisiunea. Expresia (f.5) este valabilă pentru valori mici (deformații mici). Dacă deformarea este atât de mare încât nucleul ia forma unei gantere, atunci forțele de tensiune superficială, ca și forțele Coulomb, tind să separe nucleul și să dea fragmentelor o formă sferică. În această etapă de fisiune, o creștere a tensiunii este însoțită de o scădere atât a energiei Coulomb, cât și a energiei de suprafață. Acestea. cu o creștere treptată a deformării nucleului, energia sa potențială trece printr-un maxim. Acum r are sensul distanței dintre centrele fragmentelor viitoare. Când fragmentele se îndepărtează unul de celălalt, energia potențială a interacțiunii lor va scădea, deoarece energia repulsiei coulombiene Ek scade. Dependența energiei potențiale de distanța dintre fragmente este prezentată în Fig. 4. Nivelul zero al energiei potențiale corespunde sumei energiilor de suprafață și Coulomb a două fragmente care nu interacționează. Prezența unei bariere potențiale împiedică fisiunea nucleară spontană instantanee. Pentru ca nucleul să se despartă instantaneu, trebuie să i se acorde energie Q care depășește înălțimea barierei H. Energia potențială maximă a unui nucleu fisionabil este aproximativ egală cu e 2 Z 2 /(R 1 + R 2), unde R 1 și R2 sunt razele fragmentului. De exemplu, atunci când un nucleu de aur este împărțit în două fragmente identice, e 2 Z 2 / (R 1 + R 2) \u003d 173 MeV și energia E eliberată în timpul fisiunii ( vezi formula (f.2)) este egal cu 132 MeV. Astfel, în fisiunea unui nucleu de aur, este necesară depășirea unei bariere de potențial cu o înălțime de aproximativ 40 MeV. Înălțimea barierei H este cu atât mai mare, cu atât este mai mic raportul dintre energiile Coulomb și de suprafață E și /E p în nucleul inițial. Acest raport, la rândul său, crește odată cu creșterea parametrului de divizibilitate Z 2 /A ( vezi (f.4)). Cu cât miezul este mai greu, cu atât înălțimea barierei H este mai mică , deoarece parametrul de divizibilitate crește odată cu creșterea numărului de masă:

Acestea. Conform modelului de picătură, nucleele cu Z 2 /A > 49 ar trebui să fie absente în natură, deoarece se fisiunea spontan aproape instantaneu (într-un timp nuclear caracteristic de ordinul a 10 -22 s). Existența nucleelor ​​atomice cu Z 2 /A > 49 („insula stabilității”) se explică prin structura învelișului. Dependența formei, a înălțimii barierei de potențial H și a energiei de fisiune E de valoarea parametrului de divizibilitate Z 2 /А este prezentată în Fig. 5.

Fisiunea spontană a nucleelor ​​cu 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 ani pentru 232 Th la 0,3 s pentru 260 Ku. Fisiunea nucleară forțată cu 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.

Reacție nucleară în lanț. În urma experimentelor privind iradierea cu neutroni a uraniului, s-a constatat că sub acțiunea neutronilor, nucleele de uraniu sunt împărțite în două nuclee (fragmente) de aproximativ jumătate din masă și sarcină; acest proces este însoțit de emisia mai multor (doi sau trei) neutroni (Fig. 402). Pe lângă uraniu, mai multe elemente dintre ultimele elemente ale sistemului periodic al lui Mendeleev sunt capabile de fisiune. Aceste elemente, precum uraniul, fisiunea nu numai sub influența neutronilor, ci și fără influențe externe (spontan). Fisiunea spontană a fost stabilită experimental de către fizicienii sovietici K. A. Petrzhak și Georgy Nikolaevich Flerov (n. 1913) în 1940. Este un proces foarte rar. Deci, în 1 g de uraniu, au loc doar aproximativ 20 de fisiuni spontane pe oră.

Orez. 402. Fisiunea unui nucleu de uraniu sub influența neutronilor: a) nucleul captează un neutron; b) impactul unui neutron asupra nucleului face ca acesta din urmă să oscileze; c) nucleul este împărțit în două fragmente; sunt emiși mai mulți neutroni.

Datorită repulsiei electrostatice reciproce, fragmentele de fisiune se împrăștie în direcții opuse, dobândind o energie cinetică uriașă (aproximativ). Reacția de fisiune are loc astfel cu o eliberare semnificativă de energie. Fragmentele cu mișcare rapidă ionizează intens atomii mediului. Această proprietate a fragmentelor este utilizată pentru a detecta procesele de fisiune folosind o cameră de ionizare sau o cameră cu nor. În fig. 403. Este extrem de semnificativ faptul că neutronii emiși în timpul fisiunii unui nucleu de uraniu (așa-numiții neutroni de fisiune secundară) sunt capabili să provoace fisiunea de noi nuclee de uraniu. Datorită acestui fapt, este posibil să se efectueze o reacție în lanț de fisiune: odată ce a apărut, reacția, în principiu, poate continua de la sine, acoperind un număr tot mai mare de nuclee. Schema de dezvoltare a unei astfel de reacții cellon în creștere este prezentată în Fig. 404.

Orez. 403. Fotografie cu urme de fragmente de fisiune de uraniu într-o cameră cu nori: fragmentele () se împrăștie în direcții opuse dintr-un strat subțire de uraniu depus pe o placă care blochează camera. Imaginea arată, de asemenea, multe urme mai subțiri aparținând protonilor eliminați de neutroni din moleculele de mașini de apă conținute în cameră.

Realizarea unei reacții de fisiune în lanț nu este ușoară în practică; Experiența arată că în masa de uraniu natural nu are loc o reacție în lanț. Motivul pentru aceasta constă în pierderea neutronilor secundari; în uraniul natural majoritatea neutronilor sunt în afara jocului fără a provoca fisiune. După cum au arătat studiile, pierderea neutronilor are loc în cel mai comun izotop al uraniului - uraniu - 238 (). Acest izotop absoarbe cu ușurință neutronii într-o reacție similară cu reacția argintului cu neutronii (vezi § 222); aceasta produce un izotop radioactiv artificial. Se împarte greu și numai sub acțiunea neutronilor rapizi.

Un izotop care este conținut în uraniu natural într-o cantitate are proprietăți mai de succes pentru o reacție în lanț. Este împărțit sub acțiunea neutronilor de orice energie - rapid și lent, și cu atât mai bine, cu atât energia neutronilor este mai mică. Procesul care concurează cu fisiunea - simpla absorbție a neutronilor - este puțin probabil în contrast cu. Prin urmare, în uraniul-235 pur, este posibilă o reacție în lanț de fisiune, cu condiția, totuși, ca masa de uraniu-235 să fie suficient de mare. În uraniul de masă mică, reacția de fisiune este încheiată din cauza emisiei de neutroni secundari în afara materiei sale.

Orez. 404. Dezvoltarea unei reacții de fisiune valoroasă: Se acceptă condiționat că doi neutroni sunt emiși în timpul fisiunii nucleare și nu există pierderi de neutroni, i.e. fiecare neutron provoacă o nouă fisiune; cercuri - fragmente de fisiune, săgeți - neutroni de fisiune

Într-adevăr, datorită dimensiunii mici a nucleelor ​​atomice, un neutron parcurge o distanță lungă în materie (măsurată în centimetri) înainte de a lovi accidental un nucleu. Dacă dimensiunile corpului sunt mici, atunci probabilitatea unei coliziuni în drumul spre ieșire este mică. Aproape toți neutronii de fisiune secundară zboară prin suprafața corpului fără a provoca noi fisiuni, adică fără a continua reacția.

Dintr-un corp de dimensiuni mari, sunt în principal neutronii care se formează în stratul de suprafață care zboară. Neutronii formați în interiorul corpului au o grosime suficientă de uraniu în fața lor și în cea mai mare parte provoacă o nouă fisiune, continuând reacția (Fig. 405). Cu cât masa de uraniu este mai mare, cu atât fracțiunea de volum este mai mică stratul de suprafață, din care se pierd mulți neutroni, și condițiile pentru desfășurarea unei reacții în lanț sunt mai favorabile.

Orez. 405. Dezvoltarea unei reacţii în lanţ de fisiune în . a) Într-o masă mică, majoritatea neutronilor de fisiune zboară. b) Într-o masă mare de uraniu, mulți neutroni de fisiune provoacă fisiunea de noi nuclee; numărul diviziilor crește de la o generație la alta. Cercuri - fragmente de fisiune, săgeți - neutroni de fisiune

Prin creșterea treptată a cantității, vom ajunge la masa critică, adică cea mai mică masă, pornind de la care este posibilă o reacție susținută în lanț de fisiune. Odată cu o creștere suplimentară a masei, reacția va începe să se dezvolte rapid (va fi inițiată prin fisiune spontană). Când masa scade sub valoarea critică, reacția scade.

Deci, puteți efectua o reacție în lanț de fisiune. Dacă ai suficient de pur, separat de .

După cum am văzut în §202, separarea izotopilor este o operație complexă și costisitoare, dar este încă posibilă. Într-adevăr, extracția din uraniu natural a fost una dintre modalitățile prin care a fost pusă în practică reacția de fisiune în lanț.

Odată cu aceasta, reacția în lanț a fost realizată într-un alt mod, care nu a necesitat separarea izotopilor de uraniu. Această metodă este ceva mai complicată în principiu, dar mai ușor de implementat. Utilizează încetinirea neutronilor de fisiune secundară rapidă la vitezele mișcării termice. Am văzut că în uraniul natural neutronii secundari imediati sunt absorbiți în principal de izotop. Deoarece absorbția nu duce la fisiune, reacția se termină. Măsurătorile arată că atunci când neutronii sunt încetiniți la viteze termice, puterea de absorbție crește mai mult decât puterea de absorbție. Absorbția neutronilor de către izotop, care duce la fisiune, primește. Prin urmare, dacă neutronii de fisiune sunt încetiniți, împiedicându-i să fie absorbiți în , o reacție în lanț va deveni posibilă cu uraniul natural.

Orez. 406. Un sistem de uraniu natural și un moderator în care se poate dezvolta o reacție în lanț de fisiune

În practică, acest rezultat se obține prin plasarea în moderator a tijelor de fum de uraniu natural sub formă de rețele rare (Fig. 406). Substanțe cu o masă atomică scăzută și neutroni slab absorbanți sunt utilizate ca moderatori. Moderatorii buni sunt grafitul, apa grea, beriliul.

Lasă fisiunea nucleului de uraniu să aibă loc într-una dintre tije. Deoarece tija este relativ subțire, neutronii secundari rapidi vor zbura aproape toți în moderator. Tijele sunt situate în zăbrele destul de rar. Înainte de a lovi noua tijă, neutronul emis suferă multe ciocniri cu nucleele moderatorului și încetinește la viteza mișcării termice (Fig. 407). După ce a lovit tija de uraniu, neutronul va fi cel mai probabil absorbit și va provoca o nouă fisiune, continuând astfel reacția. Reacția de fisiune în lanț a fost efectuată pentru prima dată în Statele Unite în 1942. un grup de oameni de știință condus de fizicianul italian Enrico Fermi (1901-1954) într-un sistem cu uraniu natural. Acest proces a fost implementat independent în URSS în 1946. Academicianul Igor Vasilievici Kurchatov (1903-1960) cu angajați.

Orez. 407. Dezvoltarea unei reacții de fisiune valoroase într-un sistem de uraniu natural și un moderator. Un neutron rapid, care zboară dintr-o tijă subțire, lovește moderatorul și încetinește. Din nou, în uraniu, neutronul încetinit este probabil să fie absorbit în , provocând fisiunea (simbol: două cercuri albe). Unii neutroni sunt absorbiți fără a provoca fisiune (simbol: cerc negru)

Reacții nucleare. Interacțiunea unei particule cu un nucleu atomic, care duce la transformarea acestui nucleu într-un nucleu nou cu eliberarea de particule secundare sau cuante gamma, se numește reacție nucleară.

Prima reacție nucleară a fost efectuată de Rutherford în 1919. El a descoperit că atunci când particulele alfa se ciocnesc cu nucleele atomilor de azot, se formează protoni cu mișcare rapidă. Aceasta a însemnat că nucleul izotopului de azot, ca urmare a unei coliziuni cu o particulă alfa, s-a transformat în nucleul unui izotop de oxigen:

.

Reacțiile nucleare pot continua cu eliberarea sau absorbția de energie. Folosind legea relației dintre masă și energie, randamentul energetic al unei reacții nucleare poate fi determinat prin găsirea diferenței dintre masele particulelor care intră în reacție și produsele de reacție:

Reacția în lanț de fisiune a nucleelor ​​de uraniu. Dintre diferitele reacții nucleare, reacțiile în lanț de fisiune ale unor nuclee grele au o importanță deosebită în viața societății umane moderne.

Reacția de fisiune a nucleelor ​​de uraniu în timpul bombardării lor cu neutroni a fost descoperită în 1939. Ca urmare a studiilor experimentale și teoretice efectuate de E. Fermi, I. Joliot-Curie, O. Hahn, F. Strassmann, L. Meitner, O. Frisch, F. Joliot-Curie, s-a descoperit că atunci când un neutron intră în nucleul de uraniu, nucleul este împărțit în două sau trei părți.

Fisiunea unui nucleu de uraniu eliberează aproximativ 200 MeV de energie. Energia cinetică a mișcării nucleelor ​​fragmentelor reprezintă aproximativ 165 MeV, restul energiei este transportată de cuante gamma.

Cunoscând energia eliberată în timpul fisiunii unui nucleu de uraniu, putem calcula că randamentul energetic din fisiunea tuturor nucleelor ​​a 1 kg de uraniu este de 80 de mii de miliarde de jouli. Aceasta este de câteva milioane de ori mai mult decât ceea ce se eliberează la arderea a 1 kg de cărbune sau ulei. Prin urmare, s-au căutat modalități de eliberare a energiei nucleare în cantități semnificative pentru utilizarea acesteia în scopuri practice.

Pentru prima dată, F. Joliot-Curie a sugerat posibilitatea desfășurării reacțiilor nucleare în lanț în 1934. În 1939, împreună cu H. Halban și L. Kovarsky, a descoperit experimental că în timpul fisiunii unui nucleu de uraniu, pe lângă fragmente-nuclee, 2 -3 neutroni liberi. În condiții favorabile, acești neutroni pot lovi alte nuclee de uraniu și pot provoca fisiunea acestora. În timpul fisiunii a trei nuclee de uraniu, ar trebui eliberați 6-9 neutroni noi, ei vor cădea în nuclee noi de uraniu etc. Schema de dezvoltare a unei reacții în lanț de fisiune a nucleelor ​​de uraniu este prezentată în Figura 316.

Orez. 316

Implementarea practică a reacțiilor în lanț nu este o sarcină atât de simplă precum arată în diagramă. Neutronii eliberați în timpul fisiunii nucleelor ​​de uraniu sunt capabili să provoace fisiunea numai a nucleelor ​​izotopului de uraniu cu un număr de masă de 235, în timp ce energia lor este insuficientă pentru a distruge nucleele izotopului de uraniu cu un număr de masă de 238. În uraniul natural, uraniul cu un număr de masă de 238 reprezintă 99,8%, în timp ce uraniul cu un număr de masă de 235 reprezintă doar 0,7%. Prin urmare, prima modalitate posibilă de a efectua o reacție în lanț de fisiune este asociată cu separarea izotopilor de uraniu și producerea unui izotop pur în cantități suficient de mari. O condiție necesară pentru implementarea unei reacții în lanț este prezența unei cantități suficient de mari de uraniu, deoarece într-o probă mică, majoritatea neutronilor zboară prin eșantion fără să lovească niciun nucleu. Masa minimă de uraniu în care poate avea loc o reacție în lanț se numește masă critică. Masa critică pentru uraniu-235 este de câteva zeci de kilograme.

Cea mai simplă modalitate de a efectua o reacție în lanț în uraniu-235 este următoarea: se fac două bucăți de uraniu metalic, fiecare cu o masă puțin mai mică decât cea critică. O reacție în lanț în fiecare dintre ele separat nu poate avea loc. Odată cu conectarea rapidă a acestor piese, se dezvoltă o reacție în lanț și se eliberează o energie enormă. Temperatura uraniului atinge milioane de grade, uraniul însuși și orice alte substanțe care se află în apropiere se transformă în abur. Bila gazoasă fierbinte se extinde rapid, ardând și distrugând totul în cale. Așa se întâmplă o explozie nucleară.

Este foarte dificil să folosiți energia unei explozii nucleare în scopuri pașnice, deoarece eliberarea de energie în acest caz nu poate fi controlată. Reacțiile controlate în lanț de fisiune a nucleelor ​​de uraniu sunt efectuate în reactoare nucleare.

Reactor nuclear. Primele reactoare nucleare au fost reactoare lente cu neutroni (Fig. 317). Majoritatea neutronilor eliberați în timpul fisiunii nucleelor ​​de uraniu au o energie de 1-2 MeV. În același timp, vitezele lor sunt egale cu aproximativ 107 m/s, de aceea se numesc neutroni rapizi. La astfel de energii, neutronii interacționează cu nucleele de uraniu și uraniu cu aproximativ aceeași eficiență. Și deoarece există de 140 de ori mai multe nuclee de uraniu în uraniul natural decât nuclee de uraniu, majoritatea acestor neutroni sunt absorbiți de nucleele de uraniu și reacția în lanț nu se dezvoltă. Neutronii care se deplasează cu viteze apropiate de viteza mișcării termice (aproximativ 2·10 3 m/s) se numesc lenți sau termici. Neutronii lenți interacționează bine cu nucleele de uraniu-235 și sunt absorbiți de ei de 500 de ori mai eficient decât cei rapidi. Prin urmare, atunci când uraniul natural este iradiat cu neutroni lenți, majoritatea sunt absorbiți nu în nucleele de uraniu-238, ci în nucleele de uraniu-235 și provoacă fisiunea lor. În consecință, pentru dezvoltarea unei reacții în lanț în uraniul natural, vitezele neutronilor trebuie reduse la termică.

Orez. 317

Neutronii sunt încetiniți ca urmare a ciocnirilor cu nucleele atomice ale mediului în care se mișcă. Pentru a încetini neutronii dintr-un reactor, se folosește o substanță specială numită moderator. Nucleele atomice ale substanței moderatoare ar trebui să aibă o masă relativ mică, deoarece la o coliziune cu un nucleu ușor, un neutron pierde mai multă energie decât la o coliziune cu unul greu. Cei mai des întâlniți moderatori sunt apa simplă și grafitul.

Spațiul în care are loc reacția în lanț se numește miezul reactorului. Pentru a reduce scurgerea de neutroni, miezul reactorului este înconjurat de un reflector de neutroni, care aruncă o parte semnificativă a neutronilor emiși în miez. Reflectorul este de obicei aceeași substanță care servește ca moderator.

Energia eliberată în timpul funcționării reactorului este îndepărtată folosind un lichid de răcire. Numai lichidele și gazele care nu au capacitatea de a absorbi neutroni pot fi folosite ca lichid de răcire. Apa obișnuită este utilizată pe scară largă ca agent de răcire, uneori se folosește dioxid de carbon și chiar sodiu metalic lichid.

Reactorul este controlat prin intermediul unor tije speciale de control (sau control) introduse în miezul reactorului. Tijele de control sunt fabricate din compuși de bor sau cadmiu, care absorb neutronii termici cu o eficiență foarte mare. Înainte de a începe funcționarea reactorului, acestea sunt introduse complet în miezul acestuia. Absorbind o parte semnificativă a neutronilor, ei fac imposibilă dezvoltarea unei reacții în lanț. Pentru a porni reactorul, tijele de control sunt retrase treptat din miez până când eliberarea de energie atinge un nivel prestabilit. Când puterea crește peste nivelul setat, automatele sunt pornite, scufundând tijele de control în adâncimea zonei active.

Energie nucleară. Energia nucleară în slujba păcii a fost pusă pentru prima dată în țara noastră. Academicianul Igor Vasilievici Kurchatov (1903-1960) a fost primul organizator și lider al lucrărilor privind știința și tehnologia atomică în URSS.

În prezent, cea mai mare din URSS și din Europa, CNE Leningrad. IN SI. Lenin are o capacitate de 4000 MW, i.e. Puterea de 800 de ori mai mare a primei centrale nucleare.

Costul energiei electrice generate la centralele nucleare mari este mai mic decât costul energiei electrice generate la centralele termice. Prin urmare, energia nucleară se dezvoltă într-un ritm accelerat.

Reactoarele nucleare sunt folosite ca centrale electrice pe navele maritime. Prima navă civilă din lume cu o centrală nucleară, spărgătorul de gheață nuclear Lenin, a fost construită în Uniunea Sovietică în 1959.

Spărgătorul de gheață sovietic cu propulsie nucleară Arktika, construit în 1975, a devenit prima navă de suprafață din lume care a ajuns la Polul Nord.

reactie termonucleara. Energia nucleară este eliberată nu numai în reacțiile de fisiune nucleară ale nucleelor ​​grele, ci și în reacțiile combinației de nuclee atomice ușoare.

Pentru a conecta protoni cu încărcare similară, este necesar să depășim forțele de respingere Coulomb, ceea ce este posibil la viteze suficient de mari ale particulelor care se ciocnesc. Condițiile necesare pentru sinteza nucleelor ​​de heliu din protoni se găsesc în interiorul stelelor. Pe Pământ, o reacție de fuziune termonucleară a fost efectuată în explozii termonucleare experimentale.

Sinteza heliului din izotopul ușor al hidrogenului are loc la o temperatură de aproximativ 108 K, iar pentru sinteza heliului din izotopii grei ai hidrogenului - deuteriu și tritiu - conform schemei

este necesară încălzirea până la aproximativ 5 10 7 K.

În timpul sintezei a 1 g de heliu din deuteriu și tritiu, se eliberează energie de 4,2·10 11 J. O astfel de energie este eliberată atunci când se ard 10 tone de motorină.

Rezervele de hidrogen de pe Pământ sunt practic inepuizabile, astfel încât utilizarea energiei de fuziune termonucleară în scopuri pașnice este una dintre cele mai importante sarcini ale științei și tehnologiei moderne.

Reacția termonucleară controlată a sintezei heliului din izotopii de hidrogen grei prin încălzire se presupune a fi realizată prin trecerea unui curent electric prin plasmă. Un câmp magnetic este folosit pentru a împiedica plasma încălzită să atingă pereții camerei. La instalația experimentală Tokamak-10, fizicienii sovietici au reușit să încălzească plasma la o temperatură de 13 milioane de grade. Hidrogenul poate fi încălzit la temperaturi mai ridicate folosind radiația laser. Pentru a face acest lucru, fasciculele de lumină de la mai multe lasere trebuie să fie focalizate pe o minge de sticlă, în interiorul căreia se află un amestec de izotopi grei de deuteriu și tritiu. În experimentele pe instalații cu laser s-a obținut deja plasmă cu o temperatură de câteva zeci de milioane de grade.