2. Aká energia sa nazýva energetický výťažok reakcie? Ako odhadnúť energetický výťažok štiepnej reakcie?
Celkový energetický výťažok štiepnej reakcie je energia, ktorá sa uvoľní pri štiepení jedného jadra uránu. Špecifická väzbová energia nukleónu v jadre uránu 235 je približne 7,6 MeV a energia reakčných fragmentov je približne 8,5 MeV. V dôsledku štiepenia sa uvoľní (8,5 - 7,6) MeV = 0,9 MeV (na nukleón). Celkovo je 235 nukleónov, potom je celkový energetický výťažok štiepnej reakcie
3. Aká hodnota charakterizuje rýchlosť reťazovej reakcie? Napíšte nevyhnutnú podmienku pre rozvoj reťazovej reakcie.
Neutrónový multiplikačný faktor k charakterizuje rýchlosť reťazovej reakcie. Nevyhnutná podmienka pre rozvoj reťazovej reakcie4. Aká štiepna reakcia sa nazýva samoudržiavacia? Kedy k tomu dôjde?
K samoudržiavacej reakcii jadrového štiepenia dochádza, ak má čas, aby sa v dôsledku štiepnej reakcie vytvoril nový neutrón v čase, keď neutrón prechádza prostredím s lineárnym rozmerom l.5. Vyhodnoťte kritickú veľkosť jadra a kritické množstvo.
Objem valca je
N je koncentrácia jadier. Počet zrážok neutrónu s jadrami za jednotku času n.
Jadrové štiepenie je rozdelenie ťažkého atómu na dva fragmenty približne rovnakej hmotnosti, sprevádzané uvoľnením veľkého množstva energie.
Objavom jadrového štiepenia sa začala nová éra – „atómový vek“. Potenciál jeho možného využitia a pomer rizika a prospechu z jeho používania priniesli nielen mnohé sociologické, politické, ekonomické a vedecké úspechy, ale aj vážne problémy. Aj z čisto vedeckého hľadiska proces jadrového štiepenia vytvoril veľké množstvo hádaniek a komplikácií a jeho úplné teoretické vysvetlenie je otázkou budúcnosti.
Zdieľanie je ziskové
Väzbové energie (na nukleón) sa líšia pre rôzne jadrá. Ťažšie majú nižšie väzbové energie ako tie, ktoré sa nachádzajú v strede periodickej tabuľky.
To znamená, že pre ťažké jadrá s atómovým číslom väčším ako 100 je výhodné rozdeliť sa na dva menšie fragmenty, čím sa uvoľní energia, ktorá sa premení na kinetickú energiu fragmentov. Tento proces sa nazýva štiepenie
Podľa krivky stability, ktorá ukazuje závislosť počtu protónov od počtu neutrónov pre stabilné nuklidy, ťažšie jadrá preferujú viac neutrónov (v porovnaní s počtom protónov) ako ľahšie. To naznačuje, že spolu s procesom štiepenia budú emitované nejaké "náhradné" neutróny. Okrem toho preberú aj časť uvoľnenej energie. Štúdium jadrového štiepenia atómu uránu ukázalo, že sa uvoľňujú 3-4 neutróny: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.
Atómové číslo (a atómová hmotnosť) fragmentu sa nerovná polovici atómovej hmotnosti rodiča. Rozdiel medzi hmotnosťami atómov vytvorených v dôsledku štiepenia je zvyčajne asi 50. Pravda, dôvod ešte nie je celkom jasný.
Väzbové energie 238 U, 145 La a 90 Br sú 1803, 1198 a 763 MeV. To znamená, že v dôsledku tejto reakcie sa uvoľní štiepna energia jadra uránu, ktorá sa rovná 1198 + 763-1803 = 158 MeV.
Spontánne rozdelenie
Procesy spontánneho štiepenia sú v prírode známe, ale sú veľmi zriedkavé. Priemerná životnosť tohto procesu je približne 10 17 rokov a napríklad priemerná životnosť alfa rozpadu toho istého rádionuklidu je približne 10 11 rokov.
Dôvodom je to, že na to, aby sa jadro rozdelilo na dve časti, musí sa najprv zdeformovať (roztiahnuť) do elipsoidného tvaru a potom, pred konečným rozdelením na dva fragmenty, vytvoriť v strede „krk“.
Potenciálna bariéra
V deformovanom stave pôsobia na jadro dve sily. Jedným je zvýšená povrchová energia (povrchové napätie kvapky kvapaliny vysvetľuje jej sférický tvar) a druhým je Coulombovo odpudzovanie medzi štiepnymi úlomkami. Spolu vytvárajú potenciálnu bariéru.
Podobne ako v prípade alfa rozpadu, aby došlo k samovoľnému štiepeniu jadra atómu uránu, musia fragmenty prekonať túto bariéru pomocou kvantového tunelovania. Bariéra je asi 6 MeV, ako v prípade rozpadu alfa, ale pravdepodobnosť tunelovania alfa častice je oveľa väčšia ako v prípade oveľa ťažšieho produktu štiepenia atómov.
nútené štiepenie
Oveľa pravdepodobnejšie je indukované štiepenie jadra uránu. V tomto prípade je materské jadro ožiarené neutrónmi. Ak ho rodič absorbuje, naviažu sa, čím sa uvoľní väzbová energia vo forme vibračnej energie, ktorá môže presiahnuť 6 MeV potrebných na prekonanie potenciálnej bariéry.
Ak je energia dodatočného neutrónu nedostatočná na prekonanie potenciálnej bariéry, dopadajúci neutrón musí mať minimálnu kinetickú energiu, aby mohol vyvolať štiepenie atómu. V prípade 238 U je väzbová energia ďalších neutrónov asi 1 MeV krátka. To znamená, že štiepenie jadra uránu je vyvolané iba neutrónom s kinetickou energiou väčšou ako 1 MeV. Na druhej strane izotop 235 U má jeden nepárový neutrón. Keď jadro pohltí ďalšie, vytvorí s ním pár a v dôsledku tohto párovania sa objaví dodatočná väzbová energia. To stačí na uvoľnenie množstva energie potrebnej na to, aby jadro prekonalo potenciálnu bariéru a štiepenie izotopov nastane pri zrážke s akýmkoľvek neutrónom.
beta rozpad
Aj keď štiepna reakcia emituje tri alebo štyri neutróny, fragmenty stále obsahujú viac neutrónov ako ich stabilné izobary. To znamená, že štiepne fragmenty sú vo všeobecnosti nestabilné voči beta rozpadu.
Napríklad, keď dôjde k štiepeniu uránu 238U, stabilná izobara s A = 145 je neodým 145Nd, čo znamená, že fragment lantánu 145La sa rozpadá v troch krokoch, pričom vždy emituje elektrón a antineutríno, kým sa nevytvorí stabilný nuklid. Stabilná izobara s A = 90 je zirkónium 90 Zr, preto sa štiepiaci fragment brómu 90 Br rozkladá v piatich štádiách β-rozpadového reťazca.
Tieto β-rozpadové reťazce uvoľňujú dodatočnú energiu, ktorá je takmer celá odnesená elektrónmi a antineutrínami.
Jadrové reakcie: štiepenie jadier uránu
Priama emisia neutrónu z nuklidu s príliš veľkým počtom na zabezpečenie stability jadra je nepravdepodobná. Ide o to, že nedochádza k Coulombovmu odpudzovaniu, takže povrchová energia má tendenciu udržiavať neutrón vo väzbe s rodičom. To sa však občas stáva. Napríklad štiepny fragment 90 Br v prvom štádiu beta rozpadu produkuje kryptón-90, ktorý môže byť v excitovanom stave s dostatočnou energiou na prekonanie povrchovej energie. V tomto prípade môže k emisii neutrónov dôjsť priamo pri tvorbe kryptónu-89. stále nestabilný vzhľadom na β rozpad, kým sa nepremení na stabilné ytrium-89, takže kryptón-89 sa rozpadá v troch krokoch.
Štiepenie jadier uránu: reťazová reakcia
Neutróny emitované pri štiepnej reakcii môžu byť absorbované iným materským jadrom, ktoré potom samo podlieha indukovanému štiepeniu. V prípade uránu-238 vychádzajú tri vyrobené neutróny s energiou menšou ako 1 MeV (energia uvoľnená pri štiepení jadra uránu - 158 MeV - sa premieňa hlavne na kinetickú energiu štiepnych fragmentov ), takže nemôžu spôsobiť ďalšie štiepenie tohto nuklidu. Napriek tomu pri významnej koncentrácii vzácneho izotopu 235 U môžu byť tieto voľné neutróny zachytené jadrami 235 U, čo skutočne môže spôsobiť štiepenie, keďže v tomto prípade neexistuje energetická hranica, pod ktorou by sa štiepenie neindukovalo.
Toto je princíp reťazovej reakcie.
Typy jadrových reakcií
Nech k je počet neutrónov produkovaných vo vzorke štiepneho materiálu v štádiu n tohto reťazca vydelený počtom neutrónov produkovaných v štádiu n - 1. Toto číslo bude závisieť od toho, koľko neutrónov produkovaných v štádiu n - 1 bude absorbovaných jadrom, ktoré môže byť nútené rozdeliť sa.
Ak 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.
Ak je k > 1, reťazová reakcia bude rásť, kým sa nepoužije všetok štiepny materiál.To sa dosiahne obohatením prírodnej rudy na získanie dostatočne vysokej koncentrácie uránu-235. Pre guľovú vzorku sa hodnota k zvyšuje so zvyšovaním pravdepodobnosti absorpcie neutrónov, ktorá závisí od polomeru gule. Preto hmotnosť U musí presiahnuť určité množstvo, aby došlo k štiepeniu jadier uránu (reťazová reakcia).
Ak k = 1, potom prebieha riadená reakcia. Používa sa v jadrových reaktoroch. Proces je riadený distribúciou kadmiových alebo bórových tyčiniek medzi urán, ktoré absorbujú väčšinu neutrónov (tieto prvky majú schopnosť zachytávať neutróny). Štiepenie jadra uránu je automaticky riadené pohybom tyčí tak, aby hodnota k zostala rovná jednej.
Jadrové štiepenie- proces štiepenia atómového jadra na dve (zriedkavo tri) jadrá s podobnou hmotnosťou, nazývané štiepne úlomky. V dôsledku štiepenia sa môžu objaviť aj ďalšie produkty reakcie: ľahké jadrá (hlavne častice alfa), neutróny a gama kvantá. Štiepenie môže byť spontánne (spontánne) a vynútené (ako výsledok interakcie s inými časticami, predovšetkým s neutrónmi). Štiepenie ťažkých jadier je exotermický proces, v dôsledku ktorého sa uvoľňuje veľké množstvo energie vo forme kinetickej energie produktov reakcie, ako aj žiarenia. Jadrové štiepenie slúži ako zdroj energie v jadrových reaktoroch a jadrových zbraniach. Proces štiepenia môže prebiehať iba vtedy, keď potenciálna energia počiatočného stavu štiepneho jadra presiahne súčet hmotností štiepnych fragmentov. Keďže špecifická väzbová energia ťažkých jadier klesá so zvyšujúcou sa hmotnosťou, táto podmienka je splnená takmer pre všetky jadrá s hmotnostným číslom .
Ako však ukazuje skúsenosť, aj tie najťažšie jadrá sa spontánne rozdelia s veľmi nízkou pravdepodobnosťou. To znamená, že existuje energetická bariéra ( štiepna bariéra), aby sa zabránilo rozdeleniu. Na popis procesu jadrového štiepenia, vrátane výpočtu štiepnej bariéry, sa používa niekoľko modelov, ale žiadny z nich nedokáže tento proces úplne vysvetliť.
To, že sa pri štiepení ťažkých jadier uvoľňuje energia, vyplýva priamo zo závislosti špecifickej väzbovej energie ε = E St (A, Z) / A z hmotnostného čísla A. Pri štiepení ťažkého jadra vznikajú ľahšie jadrá, v ktorých sú nukleóny pevnejšie viazané a časť energie sa uvoľňuje pri štiepení. Jadrové štiepenie je spravidla sprevádzané emisiou 1–4 neutrónov. Vyjadrime energiu štiepnych Q častí pomocou väzbových energií počiatočného a konečného jadra. Energiu počiatočného jadra pozostávajúceho z protónov Z a N neutrónov s hmotnosťou M (A, Z) a väzbovou energiou E St (A, Z) zapisujeme v nasledujúcom tvare:
M(A,Z)c2 = (Zmp + Nmn)c2 - E St (A,Z).
Rozdelenie jadra (A, Z) na 2 fragmenty (A 1, Z 1) a (A 2, Z 2) je sprevádzané tvorbou N n = A – A 1 – A 2 vyvolávajú neutróny. Ak je jadro (A,Z) rozdelené na fragmenty s hmotnosťami M 1 (A 1 ,Z 1), M 2 (A 2 ,Z 2) a väzbovými energiami E st1 (A 1 ,Z 1), E st2 (A 2 , Z 2), potom pre energiu štiepenia máme výraz:
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. Elementárna teória štiepenia.
V roku 1939 N. Bor a J. Wheeler, ako aj Áno, Frenkel dávno predtým, ako bolo štiepenie komplexne experimentálne študované, bola navrhnutá teória tohto procesu, založená na koncepte jadra ako kvapky nabitej kvapaliny.
Energiu uvoľnenú pri štiepení možno získať priamo z Weizsäckerove vzorce.
Vypočítajme množstvo energie uvoľnenej pri štiepení ťažkého jadra. Dosaďte v (f.2) výrazy pre väzbové energie jadier (f.1), za predpokladu, že A 1 = 240 a Z 1 = 90. Zanedbanie posledného člena v (f.1) z dôvodu jeho maličkosti a nahradenie dostaneme hodnoty parametrov a 2 a a 3
Z toho dostaneme, že štiepenie je energeticky priaznivé, keď Z 2 /A > 17. Hodnota Z 2 /A sa nazýva parameter deliteľnosti. Energia E uvoľnená pri štiepení rastie s nárastom Z 2 /A; Z2/A = 17 pre jadrá v oblasti ytria a zirkónu. Zo získaných odhadov je zrejmé, že štiepenie je energeticky priaznivé pre všetky jadrá s A > 90. Prečo je väčšina jadier stabilná vzhľadom na spontánne štiepenie? Aby sme odpovedali na túto otázku, pozrime sa, ako sa mení tvar jadra počas štiepenia.
V procese štiepenia jadro postupne prechádza nasledujúcimi štádiami (obr. 2): guľa, elipsoid, činka, dva úlomky hruškovitého tvaru, dva guľovité úlomky. Ako sa mení potenciálna energia jadra v rôznych štádiách štiepenia? Potom, čo došlo k štiepeniu a fragmenty sú od seba oddelené na vzdialenosť oveľa väčšiu, ako je ich polomer, možno potenciálnu energiu fragmentov, určenú coulombovskou interakciou medzi nimi, považovať za rovnú nule.Uvažujme o počiatočnom štádiu štiepenia, keď jadro nadobudne s rastúcim r podobu stále sa predlžujúceho rotačného elipsoidu. V tomto štádiu štiepenia je r mierou odchýlky jadra od guľovitého tvaru (obr. 3). V dôsledku vývoja tvaru jadra je zmena jeho potenciálnej energie určená zmenou súčtu povrchových a Coulombových energií E"n + E"k. Predpokladá sa, že objem jadra zostáva nezmenený. pri deformácii. V tomto prípade sa povrchová energia E "p zvyšuje, pretože povrch jadra sa zvyšuje. Coulombova energia E" k klesá, pretože priemerná vzdialenosť medzi nukleónmi sa zvyšuje. Nech má sférické jadro v dôsledku miernej deformácie charakterizovanej malým parametrom tvar osovo symetrického elipsoidu. Je možné ukázať, že povrchová energia E "p a Coulombova energia E" k závisí od zmeny takto:
V prípade malých elipsoidných deformácií nastáva nárast povrchovej energie rýchlejšie ako pokles Coulombovej energie. V oblasti ťažkých jadier 2En > Ek narastá súčet povrchových a Coulombových energií so zvyšujúcou sa . Z (f.4) a (f.5) vyplýva, že pri malých elipsoidných deformáciách bráni nárast povrchovej energie ďalším zmenám tvaru jadra a tým aj štiepeniu. Výraz (f.5) platí pre malé hodnoty (malé deformácie). Ak je deformácia taká veľká, že jadro nadobudne tvar činky, potom sily povrchového napätia, podobne ako Coulombove sily, majú tendenciu jadro oddeliť a dať úlomkom guľovitý tvar. V tomto štádiu štiepenia je zvýšenie napätia sprevádzané poklesom Coulombovej aj povrchovej energie. Tie. s postupným zvyšovaním deformácie jadra prechádza jeho potenciálna energia cez maximum. Teraz r znamená vzdialenosť medzi stredmi budúcich fragmentov. Keď sa fragmenty od seba vzdialia, potenciálna energia ich interakcie sa zníži, pretože sa zníži energia Coulombovho odpudzovania Ek Závislosť potenciálnej energie od vzdialenosti medzi fragmentmi je znázornená na obr. 4. Nulová úroveň potenciálnej energie zodpovedá súčtu povrchových a Coulombových energií dvoch neinteragujúcich fragmentov. Prítomnosť potenciálnej bariéry zabraňuje okamžitému spontánnemu jadrovému štiepeniu. Aby sa jadro okamžite rozdelilo, je potrebné mu dať energiu Q, ktorá presahuje výšku bariéry H. Maximálna potenciálna energia štiepneho jadra je približne rovná e 2 Z 2 /(R 1 + R 2), kde R 1 a R2 sú polomery fragmentov. Napríklad, keď je zlaté jadro rozdelené na dva identické fragmenty, e 2 Z 2 / (R 1 + R 2) \u003d 173 MeV a energia E uvoľnená počas štiepenia ( pozri vzorec (f.2)) sa rovná 132 MeV. Pri štiepení zlatého jadra je teda potrebné prekonať potenciálnu bariéru s výškou okolo 40 MeV. Výška bariéry H je tým väčšia, čím menší je pomer Coulombovej a povrchovej energie E k /Ep v počiatočnom jadre. Tento pomer sa naopak zvyšuje so zvyšovaním parametra deliteľnosti Z 2 /A ( pozri (f.4)). Čím ťažšie je jadro, tým nižšia je výška bariéry H , pretože parameter deliteľnosti sa zvyšuje so zvyšujúcim sa hmotnostným číslom:
|
|
Tie. Podľa kapkového modelu by jadrá so Z 2 /A > 49 v prírode nemali chýbať, pretože sa spontánne štiepia takmer okamžite (v charakteristickom jadrovom čase rádovo 10 -22 s). Existencia atómových jadier so Z 2 /A > 49 ("ostrov stability") sa vysvetľuje štruktúrou obalu. Závislosť tvaru, výšky potenciálovej bariéry H a štiepnej energie E od hodnoty parametra deliteľnosti Z 2 /А je znázornená na obr. 5.
Spontánne štiepenie jadier so 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 rokov pre 232 Th až 0,3 s pre 260 Ku. Nútené jadrové štiepenie so 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.
Reťazová jadrová reakcia. V dôsledku pokusov o neutrónovom ožarovaní uránu sa zistilo, že pôsobením neutrónov sa jadrá uránu rozdelia na dve jadrá (fragmenty) s približne polovičnou hmotnosťou a nábojom; tento proces je sprevádzaný emisiou niekoľkých (dvoch alebo troch) neutrónov (obr. 402). Okrem uránu sú schopné štiepenia aj niektoré ďalšie prvky z posledných prvkov periodického systému Mendelejeva. Tieto prvky, podobne ako urán, sa štiepia nielen pod vplyvom neutrónov, ale aj bez vonkajších vplyvov (spontánne). Spontánne štiepenie experimentálne zaviedli sovietski fyzici K. A. Petržak a Georgij Nikolajevič Flerov (nar. 1913) v roku 1940. Je to veľmi zriedkavý proces. Takže v 1 g uránu sa za hodinu vyskytne iba asi 20 spontánnych štiepení.
Ryža. 402. Štiepenie jadra uránu vplyvom neutrónov: a) jadro zachytí neutrón; b) dopad neutrónu na jadro spôsobí jeho osciláciu; c) jadro je rozdelené na dva fragmenty; emituje sa viac neutrónov.
V dôsledku vzájomného elektrostatického odpudzovania sa štiepne fragmenty rozptyľujú v opačných smeroch, pričom získavajú obrovskú kinetickú energiu (asi ). K štiepnej reakcii teda dochádza s výrazným uvoľnením energie. Rýchlo sa pohybujúce fragmenty intenzívne ionizujú atómy média. Táto vlastnosť fragmentov sa využíva na detekciu štiepnych procesov pomocou ionizačnej komory alebo oblačnej komory. Fotografia stôp štiepnych fragmentov v oblačnej komore je na obr. 403. Je mimoriadne dôležité, že neutróny emitované pri štiepení jadra uránu (tzv. sekundárne štiepne neutróny) sú schopné spôsobiť štiepenie nových jadier uránu. Vďaka tomu je možné uskutočniť štiepnu reťazovú reakciu: po vzniku môže reakcia v zásade pokračovať sama a pokrývať rastúci počet jadier. Schéma vývoja takejto rastúcej bunkovej reakcie je znázornená na obr. 404.
Ryža. 403. Fotografia stôp úlomkov štiepenia uránu v oblačnej komore: úlomky () sa rozptyľujú v opačných smeroch z tenkej vrstvy uránu nanesenej na platni blokujúcej komoru. Obrázok tiež ukazuje mnoho tenších stôp patriacich protónom vyrazeným neutrónmi z molekúl vodného auta obsiahnutých v komore.
Uskutočnenie štiepnej reťazovej reakcie nie je v praxi jednoduché; Skúsenosti ukazujú, že v hmote prírodného uránu nedochádza k reťazovej reakcii. Dôvodom je strata sekundárnych neutrónov; v prírodnom uráne je väčšina neutrónov mimo hry bez toho, aby spôsobili štiepenie. Ako ukázali štúdie, k strate neutrónov dochádza v najbežnejšom izotope uránu - uráne - 238 (). Tento izotop ľahko absorbuje neutróny pri reakcii podobnej reakcii striebra s neutrónmi (pozri § 222); tým vzniká umelo rádioaktívny izotop. Delí sa ťažko a len pôsobením rýchlych neutrónov.
Izotop, ktorý je obsiahnutý v prírodnom uráne v množstve, má úspešnejšie vlastnosti pre reťazovú reakciu. Rozdeľuje sa pôsobením neutrónov akejkoľvek energie - rýchle a pomalé, a čím lepšie, tým nižšia je energia neutrónov. Proces konkurujúci štiepeniu – jednoduchá absorpcia neutrónov – je nepravdepodobný na rozdiel od. Preto je v čistom uráne-235 možná štiepna reťazová reakcia, avšak za predpokladu, že hmotnosť uránu-235 je dostatočne veľká. V nízkohmotnom uráne je štiepna reakcia ukončená v dôsledku emisie sekundárnych neutrónov mimo jeho hmoty.
Ryža. 404. Vývoj hodnotnej štiepnej reakcie: Podmienečne sa akceptuje, že počas jadrového štiepenia sú emitované dva neutróny a nedochádza k stratám neutrónov, t.j. každý neutrón spôsobí nové štiepenie; kruhy - štiepne úlomky, šípky - štiepne neutróny
Vzhľadom na malú veľkosť atómových jadier skutočne neutrón prejde v hmote veľkú vzdialenosť (meranú v centimetroch), než náhodne zasiahne jadro. Ak sú rozmery tela malé, potom je pravdepodobnosť kolízie na ceste k východu malá. Takmer všetky sekundárne štiepne neutróny vyletia cez povrch tela bez toho, aby spôsobili nové štiepenie, t.j. bez pokračovania reakcie.
Z telesa veľkých rozmerov vylietavajú najmä neutróny, ktoré vznikajú v povrchovej vrstve. Neutróny vznikajúce vo vnútri telesa majú pred sebou dostatočnú hrúbku uránu a z väčšej časti spôsobujú nové štiepenie, pokračujúc v reakcii (obr. 405). Čím väčšia je hmotnosť uránu, tým menší podiel objemu tvorí povrchová vrstva, z ktorej sa stráca veľa neutrónov a tým sú priaznivejšie podmienky pre rozvoj reťazovej reakcie.
Ryža. 405. Vývoj štiepnej reťazovej reakcie v r. a) V malej hmote väčšina štiepnych neutrónov vyletí. b) Vo veľkej hmote uránu mnohé štiepne neutróny spôsobujú štiepenie nových jadier; počet divízií sa z generácie na generáciu zvyšuje. Kruhy - štiepne úlomky, šípky - štiepne neutróny
Postupným zvyšovaním množstva dosiahneme kritickú hmotnosť, teda najmenšiu hmotnosť, od ktorej je možná trvalá štiepna reťazová reakcia. S ďalším nárastom hmoty sa reakcia začne rýchlo rozvíjať (bude iniciovaná spontánnym štiepením). Keď hmotnosť klesne pod kritickú hodnotu, reakcia sa rozpadne.
Takže môžete vykonať reťazovú reakciu štiepenia. Ak máte dostatok čistého , oddeleného od .
Ako sme videli v § 202, separácia izotopov je zložitá a nákladná operácia, ale stále je možná. Extrakcia prírodného uránu bola skutočne jedným zo spôsobov, ako sa reťazová štiepna reakcia zaviedla do praxe.
Spolu s tým bola reťazová reakcia dosiahnutá iným spôsobom, ktorý nevyžadoval separáciu izotopov uránu. Táto metóda je v princípe o niečo zložitejšia, ale ľahšie realizovateľná. Využíva spomalenie rýchlych sekundárnych štiepnych neutrónov na rýchlosti tepelného pohybu. Videli sme, že v prírodnom uráne sú bezprostredné sekundárne neutróny absorbované hlavne izotopom. Keďže absorpcia nevedie k štiepeniu, reakcia sa ukončí. Merania ukazujú, že keď sa neutróny spomalia na tepelnú rýchlosť, absorpčná sila sa zvýši viac ako absorbčná sila. Absorpcia neutrónov izotopom vedie k štiepeniu. Preto, ak sa štiepne neutróny spomalia, čím sa zabráni ich absorpcii do , bude možná reťazová reakcia s prírodným uránom.
Ryža. 406. Systém prírodného uránu a moderátora, v ktorom sa môže vyvinúť reťazová štiepna reakcia
V praxi sa tento výsledok dosahuje umiestnením dymových tyčí prírodného uránu vo forme vzácnej mriežky do moderátora (obr. 406). Ako moderátory sa používajú látky s nízkou atómovou hmotnosťou a slabo absorbujúce neutróny. Dobrými moderátormi sú grafit, ťažká voda, berýlium.
V jednej z tyčí nech prebieha štiepenie jadra uránu. Pretože je tyč relatívne tenká, rýchle sekundárne neutróny vletia takmer všetky do moderátora. Tyče sa v mriežke nachádzajú pomerne zriedkavo. Pred dopadom na novú tyč zažije emitovaný neutrón veľa zrážok s jadrami moderátora a spomalí sa na rýchlosť tepelného pohybu (obr. 407). Po zasiahnutí uránovej tyče bude neutrón s najväčšou pravdepodobnosťou absorbovaný a spôsobí nové štiepenie, čím bude reakcia pokračovať. Reťazová štiepna reakcia sa prvýkrát uskutočnila v Spojených štátoch v roku 1942. skupina vedcov vedená talianskym fyzikom Enricom Fermim (1901-1954) v systéme s prírodným uránom. Tento proces bol nezávisle implementovaný v ZSSR v roku 1946. Akademik Igor Vasilievič Kurčatov (1903-1960) so zamestnancami.
Ryža. 407. Vývoj hodnotnej štiepnej reakcie v systéme prírodného uránu a moderátora. Rýchly neutrón, vylietajúci z tenkej tyče, zasiahne moderátor a spomalí. Opäť v uráne, spomalený neutrón bude pravdepodobne absorbovaný do , čo spôsobí štiepenie (symbol: dva biele kruhy). Niektoré neutróny sú absorbované bez toho, aby spôsobili štiepenie (symbol: čierny kruh)
Jadrové reakcie. Interakcia častice s atómovým jadrom, ktorá vedie k premene tohto jadra na nové jadro s uvoľnením sekundárnych častíc alebo gama kvánt, sa nazýva jadrová reakcia.
Prvú jadrovú reakciu uskutočnil Rutherford v roku 1919. Zistil, že pri zrážke častíc alfa s jadrami atómov dusíka vznikajú rýchlo sa pohybujúce protóny. To znamenalo, že jadro izotopu dusíka sa v dôsledku zrážky s časticou alfa zmenilo na jadro izotopu kyslíka:
.
Jadrové reakcie môžu prebiehať s uvoľňovaním alebo absorpciou energie. Pomocou zákona o vzťahu medzi hmotnosťou a energiou možno určiť energetický výťažok jadrovej reakcie nájdením rozdielu medzi hmotnosťou častíc vstupujúcich do reakcie a produktmi reakcie:
Reťazová reakcia štiepenia jadier uránu. Spomedzi rôznych jadrových reakcií majú v živote modernej ľudskej spoločnosti mimoriadny význam reťazové reakcie štiepenia niektorých ťažkých jadier.
Štiepna reakcia jadier uránu pri ich bombardovaní neutrónmi bola objavená v roku 1939. Výsledkom experimentálnych a teoretických štúdií, ktoré vykonali E. Fermi, I. Joliot-Curie, O. Hahn, F. Strassmann, L. Meitner, O. Frisch, F. Joliot-Curie, sa zistilo, že keď jeden neutrón vstúpi do jadra uránu, jadro sa rozdelí na dve alebo tri časti.
Štiepením jedného jadra uránu sa uvoľní asi 200 MeV energie. Kinetická energia pohybu jadier fragmentov predstavuje približne 165 MeV, zvyšok energie odnášajú gama kvantá.
Keď poznáme energiu uvoľnenú pri štiepení jedného jadra uránu, môžeme vypočítať, že energetický výťažok zo štiepenia všetkých jadier 1 kg uránu je 80 tisíc miliárd joulov. To je niekoľko miliónov krát viac, ako sa uvoľní pri spaľovaní 1 kg uhlia alebo ropy. Preto sa hľadali spôsoby, ako uvoľniť jadrovú energiu vo významných množstvách na jej praktické využitie.
F. Joliot-Curie ako prvý navrhol možnosť jadrových reťazových reakcií v roku 1934. V roku 1939 spolu s H. Halbanom a L. Kovarským experimentálne zistil, že pri štiepení jadra uránu sa okrem fragmentov-jadier , 2 -3 voľné neutróny. Za priaznivých podmienok môžu tieto neutróny zasiahnuť iné jadrá uránu a spôsobiť ich štiepenie. Pri štiepení troch jadier uránu by sa malo uvoľniť 6-9 nových neutrónov, tie padnú do nových jadier uránu atď. Schéma vývoja reťazovej reakcie štiepenia jadier uránu je znázornená na obrázku 316.
Ryža. 316
Praktická implementácia reťazových reakcií nie je taká jednoduchá úloha, ako vyzerá na obrázku. Neutróny uvoľnené pri štiepení jadier uránu sú schopné spôsobiť štiepenie iba jadier izotopu uránu s hmotnostným číslom 235, pričom ich energia nestačí na zničenie jadier izotopu uránu s hmotnostným číslom 238. V prírodnom uráne tvorí urán s hmotnostným číslom 238 99,8 %, urán s hmotnostným číslom 235 iba 0,7 %. Preto je prvý možný spôsob uskutočnenia štiepnej reťazovej reakcie spojený so separáciou izotopov uránu a produkciou čistého izotopu v dostatočne veľkých množstvách. Nevyhnutnou podmienkou pre realizáciu reťazovej reakcie je prítomnosť dostatočne veľkého množstva uránu, keďže v malej vzorke väčšina neutrónov preletí vzorkou bez toho, aby zasiahli nejaké jadro. Minimálna hmotnosť uránu, v ktorej môže prebehnúť reťazová reakcia, sa nazýva kritická hmotnosť. Kritická hmotnosť pre urán-235 je niekoľko desiatok kilogramov.
Najjednoduchší spôsob, ako uskutočniť reťazovú reakciu v uráne-235, je nasledujúci: vyrobia sa dva kusy kovového uránu, každý s hmotnosťou o niečo menšou, než je kritická. Reťazová reakcia v každom z nich samostatne nemôže ísť. Pri rýchlom spojení týchto kúskov sa rozvinie reťazová reakcia a uvoľní sa obrovská energia. Teplota uránu dosahuje milióny stupňov, samotný urán a akékoľvek ďalšie látky, ktoré sú v blízkosti, sa menia na paru. Horúca plynná guľa sa rýchlo rozpína, horí a ničí všetko, čo jej stojí v ceste. Takto dochádza k jadrovému výbuchu.
Je veľmi ťažké využiť energiu jadrového výbuchu na mierové účely, pretože uvoľnenie energie v tomto prípade nemožno kontrolovať. Riadené reťazové reakcie štiepenia jadier uránu sa uskutočňujú v jadrových reaktoroch.
Nukleárny reaktor. Prvými jadrovými reaktormi boli pomalé neutrónové reaktory (obr. 317). Väčšina neutrónov uvoľnených pri štiepení jadier uránu má energiu 1-2 MeV. Zároveň sa ich rýchlosti rovnajú približne 107 m / s, preto sa nazývajú rýchle neutróny. Pri takýchto energiách neutróny interagujú s jadrami uránu a uránu s približne rovnakou účinnosťou. A keďže v prírodnom uráne je 140-krát viac jadier uránu ako jadier uránu, väčšinu týchto neutrónov jadrá uránu pohltia a reťazová reakcia sa nerozvinie. Neutróny pohybujúce sa rýchlosťou blízkou rýchlosti tepelného pohybu (asi 2·10 3 m/s) sa nazývajú pomalé alebo tepelné. Pomalé neutróny dobre interagujú s jadrami uránu 235 a sú nimi absorbované 500-krát efektívnejšie ako rýchle neutróny. Preto, keď sa prírodný urán ožaruje pomalými neutrónmi, väčšina z nich sa absorbuje nie v jadrách uránu-238, ale v jadrách uránu-235 a spôsobí ich štiepenie. V dôsledku toho sa pre rozvoj reťazovej reakcie v prírodnom uráne musia rýchlosti neutrónov znížiť na tepelné.
Ryža. 317
Neutróny sú spomaľované v dôsledku zrážok s atómovými jadrami prostredia, v ktorom sa pohybujú. Na spomalenie neutrónov v reaktore sa používa špeciálna látka nazývaná moderátor. Atómové jadrá moderátorskej látky by mali mať relatívne malú hmotnosť, keďže pri zrážke s ľahkým jadrom stráca neutrón viac energie ako pri zrážke s ťažkým. Najbežnejšími moderátormi sú obyčajná voda a grafit.
Priestor, v ktorom prebieha reťazová reakcia, sa nazýva jadro reaktora. Pre zníženie úniku neutrónov je jadro reaktora obklopené neutrónovým reflektorom, ktorý do aktívnej zóny vrhá značnú časť emitovaných neutrónov. Reflektor je zvyčajne rovnaká látka, ktorá slúži ako moderátor.
Energia uvoľnená počas prevádzky reaktora sa odstraňuje pomocou chladiva. Ako chladivo možno použiť iba kvapaliny a plyny, ktoré nemajú schopnosť pohlcovať neutróny. Ako chladivo sa široko používa obyčajná voda, niekedy sa používa oxid uhličitý a dokonca aj tekutý kovový sodík.
Reaktor je riadený pomocou špeciálnych riadiacich (alebo regulačných) tyčí zavedených do aktívnej zóny reaktora. Regulačné tyče sú vyrobené zo zlúčenín bóru alebo kadmia, ktoré absorbujú tepelné neutróny s veľmi vysokou účinnosťou. Pred spustením prevádzky reaktora sú úplne zavedené do jeho aktívnej zóny. Absorbujú značnú časť neutrónov a znemožňujú rozvoj reťazovej reakcie. Na spustenie reaktora sa riadiace tyče postupne vyťahujú z aktívnej zóny, kým uvoľnenie energie nedosiahne vopred stanovenú úroveň. Pri zvýšení výkonu nad nastavenú úroveň sa zapnú automaty, ktoré ponoria riadiace tyče do hĺbky aktívnej zóny.
Jadrová energia. Jadrová energia pre službu mieru bola v našej krajine uvedená po prvý raz. Akademik Igor Vasilievič Kurčatov (1903-1960) bol prvým organizátorom a vedúcim prác na atómovej vede a technike v ZSSR.
V súčasnosti najväčšia v ZSSR a v Európe, JE Leningrad. IN AND. Lenin má výkon 4000 MW, t.j. 800-násobok výkonu prvej jadrovej elektrárne.
Náklady na elektrinu vyrobenú vo veľkých jadrových elektrárňach sú nižšie ako náklady na elektrinu vyrobenú v tepelných elektrárňach. Preto sa jadrová energetika rozvíja zrýchleným tempom.
Jadrové reaktory sa používajú ako elektrárne na námorných lodiach. Prvá mierová loď na svete s jadrovou elektrárňou, ľadoborec Lenin s jadrovým pohonom, bola postavená v Sovietskom zväze v roku 1959.
Sovietsky jadrový ľadoborec Arktika postavený v roku 1975 sa stal prvou hladinovou loďou na svete, ktorá dosiahla severný pól.
termonukleárna reakcia. Jadrová energia sa uvoľňuje nielen pri jadrových štiepnych reakciách ťažkých jadier, ale aj pri reakciách kombinácie ľahkých atómových jadier.
Na spojenie podobne nabitých protónov je potrebné prekonať Coulombove odpudivé sily, čo je možné pri dostatočne vysokých rýchlostiach zrážania častíc. Nevyhnutné podmienky pre syntézu jadier hélia z protónov sa nachádzajú vo vnútri hviezd. Na Zemi sa termonukleárna fúzna reakcia uskutočnila v experimentálnych termonukleárnych výbuchoch.
K syntéze hélia z ľahkého izotopu vodíka dochádza pri teplote asi 108 K a na syntézu hélia z ťažkých izotopov vodíka - deutéria a trícia - podľa schémy
je potrebný ohrev na cca 5 10 7 K.
Pri syntéze 1 g hélia z deutéria a trícia sa uvoľní energia 4,2·10 11 J. Takáto energia sa uvoľní pri spálení 10 ton motorovej nafty.
Zásoby vodíka na Zemi sú prakticky nevyčerpateľné, preto je využitie energie termonukleárnej fúzie na mierové účely jednou z najdôležitejších úloh modernej vedy a techniky.
Riadená termonukleárna reakcia syntézy hélia z izotopov ťažkého vodíka zahrievaním má prebiehať prechodom elektrického prúdu cez plazmu. Aby sa zohriata plazma nedotýkala stien komory, používa sa magnetické pole. V experimentálnom zariadení Tokamak-10 sa sovietskym fyzikom podarilo zohriať plazmu na teplotu 13 miliónov stupňov. Vodík je možné zohriať na vyššie teploty pomocou laserového žiarenia. Na to je potrebné zamerať svetelné lúče z niekoľkých laserov na sklenenú guľu, vo vnútri ktorej je zmes ťažkých izotopov deutéria a trícia. Pri pokusoch na laserových inštaláciách sa už podarilo získať plazmu s teplotou niekoľkých desiatok miliónov stupňov.
