Energia E uvoľnená pri štiepení sa zvyšuje so zvyšujúcim sa Z 2 /A. Hodnota Z2/A = 17 pre 89Y (ytrium). Tie. štiepenie je energeticky priaznivé pre všetky jadrá ťažšie ako ytrium. Prečo je väčšina jadier odolná voči spontánnemu štiepeniu? Na zodpovedanie tejto otázky je potrebné zvážiť mechanizmus delenia.
Počas štiepenia sa mení tvar jadra. Jadro postupne prechádza týmito štádiami (obr. 7.1): gulička, elipsoid, činka, dva úlomky hruškovitého tvaru, dva guľovité úlomky. Ako sa mení potenciálna energia jadra v rôznych štádiách štiepenia?
Počiatočné jadro so zväčšením r má podobu čoraz predĺženejšieho elipsoidu revolúcie. V tomto prípade je v dôsledku vývoja tvaru jadra zmena jeho potenciálnej energie určená zmenou súčtu povrchových a Coulombových energií Ep + E k. V tomto prípade sa povrchová energia zvyšuje, pretože sa zväčšuje povrch jadra. Coulombova energia klesá so zvyšujúcou sa priemernou vzdialenosťou medzi protónmi. Ak pri miernej deformácii, charakterizovanej malým parametrom, počiatočné jadro nadobudne tvar osovo symetrického elipsoidu, povrchová energia E" p a Coulombova energia E" k ako funkcie deformačného parametra sa menia takto:
V pomeroch (7,4 – 7,5) E n a E k sú povrchové a Coulombove energie počiatočného sféricky symetrického jadra.
V oblasti ťažkých jadier 2E n > Ek a súčet povrchových a Coulombových energií rastie so zvyšujúcou sa . Z (7.4) a (7.5) vyplýva, že pri malých deformáciách bráni nárast povrchovej energie ďalšej zmene tvaru jadra a tým aj štiepeniu.
Vzťah (7.5) platí pre malé kmene. Ak je deformácia taká veľká, že jadro nadobudne podobu činky, potom povrchové a Coulombove sily majú tendenciu jadro oddeliť a dať úlomkom guľovitý tvar. S postupným zvyšovaním deformácie jadra teda jeho potenciálna energia prechádza maximom. Graf povrchových a Coulombových energií jadra ako funkcie r je znázornený na obr. 7.2.
Prítomnosť potenciálnej bariéry zabraňuje okamžitému spontánnemu jadrovému štiepeniu. Aby sa jadro rozdelilo, je potrebné mu dodať energiu Q, ktorá presahuje výšku štiepnej bariéry H. Maximálna potenciálna energia štiepneho jadra E + H (napríklad zlata) na dva rovnaké fragmenty je ≈ 173 MeV a energia E uvoľnená pri štiepení je 132 MeV. Pri štiepení zlatého jadra je teda potrebné prekonať potenciálnu bariéru s výškou okolo 40 MeV.
Výška štiepnej bariéry H je tým väčšia, čím menší je pomer Coulombovej a povrchovej energie E k /E p v počiatočnom jadre. Tento pomer sa naopak zvyšuje so zvyšovaním deliaceho parametra Z2/A (7.3). Čím ťažšie je jadro, tým nižšia je výška štiepnej bariéry H, pretože parameter štiepenia za predpokladu, že Z je úmerné A, sa zvyšuje so zvyšujúcim sa hmotnostným číslom:
| E k / E p \u003d (a 3 Z 2) / (a 2 A) ~ A. | (7.6) |
Ťažšie jadrá preto vo všeobecnosti potrebujú dodávať menej energie, aby spôsobili jadrové štiepenie.
Výška štiepnej bariéry zaniká pri 2E p – Ec = 0 (7,5). V tomto prípade
2E p / E k \u003d 2 (a 2 A) / (a 3 Z 2),
Z 2 /A \u003d 2a 2 / (a 3 Z 2) ≈ 49.
Podľa kapkového modelu teda jadrá so Z 2 /A > 49 nemôžu v prírode existovať, pretože by sa mali spontánne rozdeliť na dva fragmenty takmer okamžite v charakteristickom jadrovom čase rádovo 10–22 s. Závislosti tvaru a výšky potenciálovej bariéry H, ako aj štiepnej energie od hodnoty parametra Z 2 /A sú znázornené na obr. 7.3.
Ryža. 7.3. Radiálna závislosť tvaru a výšky potenciálovej bariéry a štiepnej energie E pri rôznych hodnotách parametra Z 2 /A. Hodnota E p + E k je vynesená na zvislej osi.
Spontánne jadrové štiepenie so Z 2 /A< 49,
для которых высота барьера H
не равна нулю, с точки зрения классической физики невозможно. Однако в квантовой
механике такое деление возможно за счет туннельного эффекта – прохождения
осколков деления через потенциальный барьер. Оно носит название спонтанного
деления. Вероятность спонтанного деления растет с увеличением параметра деления
Z 2 /A,
т. е. с уменьшением высоты барьера деления. В целом период спонтанного деления
уменьшается при переходе от менее тяжелых ядер к более тяжелым от
T 1/2 >10 21 rokov pre 232 Th až 0,3 s pre 260 Rf.
Nútené jadrové štiepenie so Z 2 /A< 49
может быть вызвано их возбуждением фотонами, нейтронами, протонами, дейтронами,
a частицами и другими частицами, если вносимая в
ядро энергия достаточна для преодоления барьера деления.
Minimálna hodnota excitačnej energie zloženého jadra E* vzniknutého pri záchyte neutrónu sa rovná väzbovej energii neutrónu v tomto jadre ε n . Tabuľka 7.1 porovnáva výšku bariéry H a energiu väzby neutrónov ε n pre izotopy Th, U, Pu vytvorené po záchyte neutrónov. Väzbová energia neutrónu závisí od počtu neutrónov v jadre. V dôsledku párovej energie je väzbová energia párneho neutrónu väčšia ako väzbová energia nepárneho neutrónu.
Tabuľka 7.1
Výška štiepnej bariéry H, väzbová energia neutrónov ε n
| izotop | Výška štiepnej bariéry H, MeV | izotop | Energia väzby neutrónov ε n |
|---|---|---|---|
| 232 | 5.9 | 233 tis | 4.79 |
| 233 U | 5.5 | 234 U | 6.84 |
| 235 U | 5.75 | 236 U | 6.55 |
| 238 U | 5.85 | 239 U | 4.80 |
| 239 Pu | 5.5 | 240 Pu | 6.53 |
Charakteristickým znakom štiepenia je, že fragmenty majú spravidla rôzne hmotnosti. V prípade najpravdepodobnejšieho štiepenia 235 U je hmotnostný pomer fragmentov v priemere ~1,5. Rozloženie hmotnosti štiepnych fragmentov 235 U tepelnými neutrónmi je znázornené na obr. 7.4. Pre najpravdepodobnejšie štiepenie má ťažký úlomok hmotnostné číslo 139, ľahký - 95. Medzi štiepnymi produktmi sú úlomky s A = 72 - 161 a Z = 30 - 65. Pravdepodobnosť štiepenia na dva úlomky rovnakej hmotnosti sa nerovná nule. Pri štiepení 235 U tepelnými neutrónmi je pravdepodobnosť symetrického štiepenia približne o tri rády nižšia ako v prípade najpravdepodobnejšieho štiepenia na fragmenty s A = 139 a 95.
Asymetrické štiepenie sa vysvetľuje štruktúrou obalu jadra. Jadro má tendenciu sa štiepiť takým spôsobom, že hlavná časť nukleónov každého fragmentu tvorí najstabilnejšie magické jadro.
Pomer počtu neutrónov k počtu protónov v jadre 235 U N/Z = 1,55, pričom pre stabilné izotopy s hmotnostným číslom blízkym hmotnostnému počtu fragmentov je tento pomer 1,25 − 1,45. Následne sa ukáže, že štiepne fragmenty sú silne preťažené neutrónmi a musia byť
β - rádioaktívne. Preto dochádza u štiepnych fragmentov k postupným β - rozpadom a náboj primárneho fragmentu sa môže zmeniť o 4 - 6 jednotiek. Nižšie je charakteristický reťazec rádioaktívnych rozpadov 97 Kr - jeden z fragmentov vytvorených počas štiepenia 235 U:
Excitácia fragmentov, spôsobená porušením pomeru počtu protónov a neutrónov, ktorý je charakteristický pre stabilné jadrá, je tiež odstránený v dôsledku emisie rýchlych štiepnych neutrónov. Tieto neutróny sú emitované pohyblivými fragmentmi v čase kratšom ako ~ 10 -14 s. Pri každom štiepnom prípade sú emitované v priemere 2 − 3 rýchle neutróny. Ich energetické spektrum je spojité s maximom okolo 1 MeV. Priemerná energia rýchleho neutrónu je blízka 2 MeV. Emisia viac ako jedného neutrónu pri každom štiepnom prípade umožňuje získať energiu prostredníctvom reťazovej reakcie jadrového štiepenia.
Pri najpravdepodobnejšom štiepení 235 U tepelnými neutrónmi získa ľahký fragment (A = 95) kinetickú energiu ≈ 100 MeV a ťažký (A = 139) asi 67 MeV. Celková kinetická energia fragmentov je teda ≈ 167 MeV. Celková energia štiepenia je v tomto prípade 200 MeV. Zvyšná energia (33 MeV) je teda rozdelená medzi ostatné štiepne produkty (neutróny, elektróny a antineutrína β - rozpad fragmentov, γ-žiarenie fragmentov a produkty ich rozpadu). Rozdelenie štiepnej energie medzi rôzne produkty počas štiepenia 235 U tepelnými neutrónmi je uvedené v tabuľke 7.2.
Tabuľka 7.2
Distribúcia štiepnej energie 235 U tepelných neutrónov
Produkty jadrového štiepenia (NF) sú komplexnou zmesou viac ako 200 rádioaktívnych izotopov 36 prvkov (od zinku po gadolínium). Väčšinu aktivity tvoria rádionuklidy s krátkou životnosťou. Po 7, 49 a 343 dňoch po výbuchu sa teda aktivita PND zníži 10, 100 a 1000-krát v porovnaní s aktivitou jednu hodinu po výbuchu. Výťažnosť biologicky najvýznamnejších rádionuklidov je uvedená v tabuľke 7.3. Rádioaktívnu kontamináciu spôsobujú okrem PND aj rádionuklidy indukovanej aktivity (3 H, 14 C, 28 Al, 24 Na, 56 Mn, 59 Fe, 60 Co atď.) a nerozdelená časť uránu a plutónia. Úloha indukovanej aktivity pri termonukleárnych výbuchoch je obzvlášť veľká.
Tabuľka 7.3
Uvoľnenie niektorých štiepnych produktov pri jadrovom výbuchu
| Rádionuklid | Polovičný život | Výstup na divíziu, % | Aktivita na 1 Mt, 10 15 Bq |
|---|---|---|---|
| 89Sr | 50,5 dňa | 2.56 | 590 |
| 90Sr | 29,12 rokov | 3.5 | 3.9 |
| 95 Zr | 65 dní | 5.07 | 920 |
| 103 Ru | 41 dní | 5.2 | 1500 |
| 106 Ru | 365 dní | 2.44 | 78 |
| 131 I | 8,05 dňa | 2.9 | 4200 |
| 136Cs | 13,2 dňa | 0.036 | 32 |
| 137Cs | 30 rokov | 5.57 | 5.9 |
| 140 Ba | 12,8 dňa | 5.18 | 4700 |
| 141Cs | 32,5 dňa | 4.58 | 1600 |
| 144Cs | 288 dní | 4.69 | 190 |
| 3H | 12,3 rokov | 0.01 | 2,6 10 -2 |
Pri jadrových výbuchoch v atmosfére značná časť zrážok (až 50 % pri pozemných výbuchoch) spadne v blízkosti testovacej oblasti. Časť rádioaktívnych látok sa zadržiava v spodnej časti atmosféry a pod vplyvom vetra sa pohybuje na veľké vzdialenosti, pričom zostáva približne na rovnakej zemepisnej šírke. Rádioaktívne látky, ktoré sú vo vzduchu asi mesiac, počas tohto pohybu postupne padajú na Zem. Väčšina rádionuklidov sa uvoľňuje do stratosféry (do výšky 10÷15 km), kde sú globálne rozptýlené a z veľkej časti sa rozpadávajú.
Rôzne prvky konštrukcie jadrových reaktorov majú vysokú aktivitu po celé desaťročia (tabuľka 7.4)
Tabuľka 7.4
Hodnoty špecifickej aktivity (Bq/t uránu) hlavných štiepnych produktov v palivových článkoch odstránených z reaktora po troch rokoch prevádzky
| Rádionuklid | 0 | 1 deň | 120 dní | 1 rok | 10 rokov | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 85 kr | 5. 78· 10 14 | 5. 78· 10 14 | 5. 66· 10 14 | 5. 42· 10 14 |
4. 7· 10 14 |
3. 03· 10 14 |
| 89Sr | 4. 04· 10 16 | 3. 98· 10 16 | 5. 78· 10 15 | 2. 7· 10 14 |
1. 2· 10 10 |
|
| 90Sr | 3. 51· 10 15 | 3. 51· 10 15 | 3. 48· 10 15 | 3. 43· 10 15 |
3. 26· 10 15 |
2. 75· 10 15 |
| 95 Zr | 7. 29· 10 16 | 7. 21· 10 16 | 1. 99· 10 16 | 1. 4· 10 15 | 5. 14· 10 11 | |
| 95 Nb | 7. 23· 10 16 | 7. 23· 10 16 | 3. 57· 10 16 | 3. 03· 10 15 | 1. 14· 10 12 | |
| 103 Ru | 7. 08· 10 16 | 6. 95· 10 16 | 8. 55· 10 15 | 1. 14· 10 14 | 2. 97· 10 8 | |
| 106 Ru | 2. 37· 10 16 | 2. 37· 10 16 | 1. 89· 10 16 | 1. 19· 10 16 | 3. 02· 10 15 | 2. 46· 10 13 |
| 131 I | 4. 49· 10 16 | 4. 19· 10 16 | 1. 5· 10 12 | 1. 01· 10 3 | ||
| 134Cs | 7. 50· 10 15 | 7. 50· 10 15 | 6. 71· 10 15 | 5. 36· 10 15 | 2. 73· 10 15 | 2. 6· 10 14 |
| 137Cs | 4. 69· 10 15 | 4. 69· 10 15 | 4. 65· 10 15 | 4. 58· 10 15 | 4. 38· 10 15 | 3. 73· 10 15 |
| 140 Ba | 7. 93· 10 16 | 7. 51· 10 16 | 1. 19· 10 14 | 2. 03· 10 8 | ||
| 140 la | 8. 19· 10 16 | 8. 05· 10 16 | 1. 37· 10 14 | 2. 34· 10 8 | ||
| 141 Ce | 7. 36· 10 16 | 7. 25· 10 16 | 5. 73· 10 15 | 3. 08· 10 13 | 5. 33· 10 6 | |
| 144 Ce | 5. 44· 10 16 | 5. 44· 10 16 | 4. 06· 10 16 | 2. 24· 10 16 | 3. 77· 10 15 | 7. 43· 10 12 |
| 143 hod | 6. 77· 10 16 | 6. 70· 10 16 | 1. 65· 10 14 | 6. 11· 10 8 | ||
| 147 hod | 7. 05 10 15 | 7. 05· 10 15 | 6. 78· 10 15 | 5. 68· 10 15 |
3. 35· 10 14 |
Jadrové štiepne reakcie- štiepne reakcie, ktoré spočívajú v tom, že sa ťažké jadro vplyvom neutrónov, a ako sa neskôr ukázalo, aj ďalších častíc, rozdelí na niekoľko ľahších jadier (úlomkov), najčastejšie na dve jadrá, ktoré sú si hmotovo blízke.
Znakom jadrového štiepenia je, že je sprevádzané emisiou dvoch alebo troch sekundárnych neutrónov, tzv štiepne neutróny. Keďže pre stredné jadrá je počet neutrónov približne rovnaký ako počet protónov ( N/Z ≈ 1) a pre ťažké jadrá počet neutrónov výrazne prevyšuje počet protónov ( N/Z ≈ 1.6), potom sú výsledné štiepne fragmenty preťažené neutrónmi, v dôsledku čoho uvoľňujú štiepne neutróny. Emisia štiepnych neutrónov však úplne neodstráni preťaženie jadier fragmentov neutrónmi. To vedie k tomu, že fragmenty sú rádioaktívne. Môžu podstúpiť sériu β - -transformácií sprevádzaných emisiou γ-kván. Keďže β - -rozpad je sprevádzaný premenou neutrónu na protón, potom po reťazci β - -transformácií pomer medzi neutrónmi a protónmi vo fragmente dosiahne hodnotu zodpovedajúcu stabilnému izotopu. Napríklad pri štiepení jadra uránu U
U+ n → Xe + Sr +2 n(265.1)
štiepny črep V dôsledku troch aktov β - rozpadu sa Xe mení na stabilný izotop lantánu La:
Heh → Čs → Ba → La.
Fragmenty štiepenia môžu byť rôznorodé, takže reakcia (265.1) nie je jediná, ktorá vedie k štiepeniu U.
Väčšina neutrónov je emitovaných takmer okamžite počas štiepenia ( t≤ 10 –14 s) a časť (približne 0,7 %) je emitovaná štiepnymi fragmentmi nejaký čas po štiepení (0,05 s ≤ t≤ 60 s). Prvé z nich sú tzv okamžité, druhy - oneskorené. Pri každej štiepnej udalosti je v priemere emitovaných 2,5 neutrónu. Majú relatívne široké energetické spektrum v rozsahu od 0 do 7 MeV, s priemernou energiou okolo 2 MeV na neutrón.
Výpočty ukazujú, že jadrové štiepenie musí sprevádzať aj uvoľnenie veľkého množstva energie. V skutočnosti je špecifická väzbová energia pre stredne hmotné jadrá približne 8,7 MeV, zatiaľ čo pre ťažké jadrá je to 7,6 MeV. V dôsledku toho by štiepenie ťažkého jadra na dva fragmenty malo uvoľniť energiu rovnajúcu sa približne 1,1 MeV na nukleón.
Teória štiepenia atómových jadier (N. Bohr, Ya. I. Frenkel) bola založená na kvapkovom modeli jadra. Jadro sa považuje za kvapku elektricky nabitej nestlačiteľnej kvapaliny (s hustotou rovnajúcou sa jadrovej a dodržiavajúc zákony kvantovej mechaniky), ktorej častice, keď neutrón vstúpi do jadra, začnú oscilovať, v dôsledku čoho sa jadro roztrhne na dve časti a rozletí sa s obrovskou energiou.
Pravdepodobnosť jadrového štiepenia je určená energiou neutrónov. Napríklad, ak vysokoenergetické neutróny spôsobujú štiepenie takmer všetkých jadier, potom neutróny s energiou niekoľkých megaelektrónvoltov - iba ťažké jadrá ( A>210), neutróny s aktivačnej energie(minimálna energia potrebná na realizáciu jadrovej štiepnej reakcie) rádovo 1 MeV, spôsobujú štiepenie jadier uránu U, tória Th, protaktínia Pa, plutónia Pu. Jadrá U, Pu, a U, Th sú rozdelené tepelnými neutrónmi (posledné dva izotopy sa v prírode nevyskytujú, získavajú sa umelo).
Sekundárne neutróny emitované počas jadrového štiepenia môžu spôsobiť nové štiepne udalosti, čo umožňuje uskutočniť štiepna reťazová reakcia- jadrová reakcia, pri ktorej vznikajú častice spôsobujúce reakciu ako produkty tejto reakcie. Reťazová štiepna reakcia sa vyznačuje multiplikačný faktor k neutrónov, čo sa rovná pomeru počtu neutrónov v danej generácii k ich počtu v predchádzajúcej generácii. Nevyhnutná podmienka pre rozvoj štiepnej reťazovej reakcie je požiadavka k ≥ 1.
Ukazuje sa, že nie všetky vzniknuté sekundárne neutróny spôsobujú následné jadrové štiepenie, čo vedie k zníženiu multiplikačného faktora. Po prvé, kvôli konečným rozmerom jadro(priestor, kde prebieha hodnotná reakcia) a vysoká penetračná sila neutrónov, niektoré z nich opustia jadro skôr, než ich zachytí akékoľvek jadro. Po druhé, časť neutrónov je zachytená jadrami neštiepiteľných nečistôt, ktoré sú vždy prítomné v jadre.Okrem toho spolu so štiepením môžu prebiehať konkurenčné procesy radiačného zachytávania a neelastického rozptylu.
Multiplikačný faktor závisí od povahy štiepneho materiálu a pre daný izotop od jeho množstva, ako aj od veľkosti a tvaru aktívnej zóny. Nazývajú sa minimálne rozmery aktívnej zóny, pri ktorej je možná reťazová reakcia kritické rozmery. Minimálne množstvo štiepneho materiálu umiestneného v systéme kritických veľkostí, potrebné na realizáciu reťazová reakcia, volal kritické množstvo.
Rýchlosť vývoja reťazových reakcií je rôzna. Nechaj T - priemerný čas
život jednej generácie a N je počet neutrónov v danej generácii. V ďalšej generácii je ich počet kN,T. e) zvýšenie počtu neutrónov za generáciu dN = kN – N = N(k- 1). Nárast počtu neutrónov za jednotku času, t.j. rýchlosť rastu reťazovej reakcie,
. (266.1)
Integráciou (266.1) získame
,
Kde N0 je počet neutrónov v počiatočnom časovom okamihu a N- ich počet naraz t. N je definovaný znakom ( k- 1). O k>1 ide rozvíjanie odozvy. počet delení neustále rastie a reakcia sa môže stať výbušnou. O k=1 ide sebestačná reakcia pri ktorej sa počet neutrónov s časom nemení. O k <1 идет slabnúca reakcia,
Reťazové reakcie sa delia na riadené a neriadené. Nekontrolovanou reakciou je napríklad výbuch atómovej bomby. Aby sa zabránilo výbuchu atómovej bomby počas skladovania, U (alebo Pu) v nej je rozdelený na dve časti vzdialené od seba s hmotnosťou pod kritickou hodnotou. Potom sa pomocou obyčajnej explózie tieto masy priblížia k sebe, celková hmotnosť štiepneho materiálu sa stane kritickejšou a dôjde k výbušnej reťazovej reakcii sprevádzanej okamžitým uvoľnením obrovského množstva energie a veľkou deštrukciou. Výbušná reakcia začína v dôsledku dostupných spontánnych štiepnych neutrónov alebo neutrónov kozmického žiarenia. Riadené reťazové reakcie sa uskutočňujú v jadrových reaktoroch.
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 sú v živote modernej ľudskej spoločnosti mimoriadne dôležité reťazové reakcie štiepenia niektorých ťažkých jadier.
Štiepna reakcia jadier uránu pri ich bombardovaní neutrónmi bola objavená v roku 1939. Experimentálnymi a teoretickými štúdiami E. Fermiho, I. Joliot-Curieho, O. Hahna, F. Strassmanna, L. Meitnera, O. Frischa, F. Joliota-Curieho sa zistilo, že jadro uránu sa rozdelí na 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.
Možnosť jadrových reťazových reakcií ako prvý navrhol F. Joliot-Curie v roku 1934. V roku 1939 spolu s X. Halbanom a L. Kovarským experimentálne zistil, že pri štiepení jadra uránu vyletujú okrem fragmentov-jadier aj 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 dôjsť k reťazovej reakcii, 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 ako je kritická. Reťazová reakcia v každom z nich samostatne nemôže ísť. Pri rýchlom spojení týchto kúskov vzniká reťazová reakcia a uvoľňuje 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. Jadrá atómov 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 len kvapaliny a plyny, ktoré nemajú schopnosť absorbovať 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 energia 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.
Predpokladá sa, že riadená termonukleárna reakcia syntézy hélia z izotopov ťažkého vodíka zahrievaním prebieha 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.
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. Dôvod spočíva v strate sekundárnych neutrónov; v prírodnom uráne je väčšina neutrónov mimo hry bez toho, aby spôsobila 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 žiadnym stratám neutrónov, t.j. každý neutrón spôsobí nové štiepenie; kruhy - štiepne úlomky, šípky - štiepne neutróny
V skutočnosti kvôli malej veľkosti atómových jadier prejde neutrón 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 z 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 jednoduchšia na implementáciu. 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.
Nech v jednej z tyčí prebehne 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, vyletujúci 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)
