2. Anong enerhiya ang tinatawag na energy yield ng reaksyon? Paano tantiyahin ang ani ng enerhiya para sa isang reaksyon ng fission?
Ang kabuuang energy yield ng isang fission reaction ay ang enerhiya na inilabas sa panahon ng fission ng isang uranium nucleus. Ang tiyak na nagbubuklod na enerhiya ng isang nucleon sa nucleus ng uranium 235 ay humigit-kumulang katumbas ng 7.6 MeV, ng mga fragment ng reaksyon - humigit-kumulang 8.5 MeV. Bilang resulta ng fission, (8.5 - 7.6) MeV = 0.9 MeV (bawat nucleon) ay inilabas. Mayroong 235 nucleon sa kabuuan, kung gayon ang kabuuang enerhiya na ani ng reaksyon ng fission ay
3. Anong halaga ang nagpapakilala sa bilis ng isang chain reaction? Isulat ang kinakailangang kondisyon para sa pagbuo ng isang chain reaction.
Ang neutron multiplication factor k ay nagpapakilala sa rate ng chain reaction. Isang kinakailangang kondisyon para sa pagbuo ng isang chain reaction4. Anong fission reaction ang tinatawag na self-sustaining? Kailan ito nangyayari?
Ang isang self-sustaining nuclear fission reaction ay nangyayari kung ang isang bagong neutron ay may oras na mabuo bilang resulta ng fission reaction sa panahong ang neutron ay naglalakbay sa isang medium na may linear na dimensyon l.5. Suriin ang kritikal na sukat ng core at kritikal na masa.
Ang dami ng silindro ay
Ang N ay ang konsentrasyon ng nuclei. Ang bilang ng mga banggaan ng isang neutron na may nuclei sa bawat yunit ng oras n.
Ang nuclear fission ay ang paghahati ng isang mabigat na atom sa dalawang fragment ng humigit-kumulang pantay na masa, na sinamahan ng paglabas ng isang malaking halaga ng enerhiya.
Ang pagtuklas ng nuclear fission ay nagsimula ng isang bagong panahon - ang "atomic age". Ang potensyal ng posibleng paggamit nito at ang ratio ng panganib upang makinabang mula sa paggamit nito ay hindi lamang nakabuo ng maraming sosyolohikal, pampulitika, pang-ekonomiya at pang-agham na mga tagumpay, kundi pati na rin ang mga seryosong problema. Kahit na mula sa isang purong pang-agham na pananaw, ang proseso ng nuclear fission ay lumikha ng isang malaking bilang ng mga palaisipan at komplikasyon, at ang buong teoretikal na paliwanag nito ay isang bagay sa hinaharap.
Ang pagbabahagi ay kumikita
Ang mga nagbubuklod na enerhiya (bawat nucleon) ay naiiba para sa iba't ibang nuclei. Ang mga mas mabibigat ay may mas mababang binding energies kaysa sa mga nasa gitna ng periodic table.
Nangangahulugan ito na para sa mabibigat na nuclei na may atomic number na higit sa 100, ito ay kapaki-pakinabang na hatiin sa dalawang mas maliit na mga fragment, sa gayon ay naglalabas ng enerhiya, na na-convert sa kinetic energy ng mga fragment. Ang prosesong ito ay tinatawag na paghahati
Ayon sa curve ng katatagan, na nagpapakita ng pag-asa ng bilang ng mga proton sa bilang ng mga neutron para sa mga matatag na nuclides, mas gusto ng mas mabibigat na nuclei ang mas maraming neutron (kumpara sa bilang ng mga proton) kaysa sa mas magaan. Iminumungkahi nito na kasama ang proseso ng paghahati, ang ilang "mga ekstrang" neutron ay ilalabas. Bilang karagdagan, kukuha din sila ng ilan sa inilabas na enerhiya. Ang pag-aaral ng nuclear fission ng uranium atom ay nagpakita na 3-4 na neutron ang pinakawalan: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.
Ang atomic number (at atomic mass) ng fragment ay hindi katumbas ng kalahati ng atomic mass ng magulang. Ang pagkakaiba sa pagitan ng mga masa ng mga atomo na nabuo bilang resulta ng paghahati ay karaniwang mga 50. Totoo, ang dahilan para dito ay hindi pa ganap na malinaw.
Ang mga nagbubuklod na enerhiya ng 238 U, 145 La, at 90 Br ay 1803, 1198, at 763 MeV, ayon sa pagkakabanggit. Nangangahulugan ito na bilang resulta ng reaksyong ito, ang enerhiya ng fission ng uranium nucleus ay inilabas, katumbas ng 1198 + 763-1803 = 158 MeV.
Kusang paghahati
Ang mga proseso ng kusang paghahati ay kilala sa kalikasan, ngunit ang mga ito ay napakabihirang. Ang average na buhay ng prosesong ito ay humigit-kumulang 10 17 taon, at, halimbawa, ang average na buhay ng alpha decay ng parehong radionuclide ay humigit-kumulang 10 11 taon.
Ang dahilan para dito ay upang mahati sa dalawang bahagi, ang nucleus ay dapat munang ma-deform (naunat) sa isang ellipsoidal na hugis, at pagkatapos, bago tuluyang mahati sa dalawang fragment, bumuo ng isang "leeg" sa gitna.
Potensyal na Harang
Sa deformed state, dalawang pwersa ang kumikilos sa core. Ang isa ay ang tumaas na enerhiya sa ibabaw (ang pag-igting sa ibabaw ng isang likidong patak ay nagpapaliwanag ng spherical na hugis nito), at ang isa ay ang Coulomb repulsion sa pagitan ng mga fission fragment. Magkasama silang gumagawa ng isang potensyal na hadlang.
Tulad ng kaso ng alpha decay, para mangyari ang kusang fission ng uranium atom nucleus, dapat malampasan ng mga fragment ang hadlang na ito gamit ang quantum tunneling. Ang hadlang ay humigit-kumulang 6 MeV, tulad ng sa kaso ng alpha decay, ngunit ang posibilidad ng pag-tunnel ng isang alpha particle ay mas malaki kaysa sa mas mabigat na atom fission na produkto.
sapilitang paghahati
Mas malamang ay ang sapilitan na fission ng uranium nucleus. Sa kasong ito, ang parent nucleus ay na-irradiated sa mga neutron. Kung ang magulang ay sumisipsip nito, sila ay nagbibigkis, na naglalabas ng nagbubuklod na enerhiya sa anyo ng vibrational energy na maaaring lumampas sa 6 MeV na kinakailangan upang madaig ang potensyal na hadlang.
Kung ang enerhiya ng karagdagang neutron ay hindi sapat upang mapagtagumpayan ang potensyal na hadlang, ang insidente na neutron ay dapat magkaroon ng pinakamababang kinetic energy upang magawa ang paghahati ng isang atom. Sa kaso ng 238 U, ang nagbubuklod na enerhiya ng karagdagang mga neutron ay halos 1 MeV na maikli. Nangangahulugan ito na ang fission ng uranium nucleus ay naiimpluwensyahan lamang ng isang neutron na may kinetic energy na higit sa 1 MeV. Sa kabilang banda, ang 235 U isotope ay may isang hindi pares na neutron. Kapag ang nucleus ay sumisipsip ng karagdagang isa, ito ay bumubuo ng isang pares kasama nito, at bilang resulta ng pagpapares na ito, ang karagdagang nagbubuklod na enerhiya ay lilitaw. Ito ay sapat na upang palabasin ang dami ng enerhiya na kinakailangan para sa nucleus upang madaig ang potensyal na hadlang at ang isotope fission ay nangyayari sa pagbangga sa anumang neutron.
pagkabulok ng beta
Kahit na ang reaksyon ng fission ay naglalabas ng tatlo o apat na neutron, ang mga fragment ay naglalaman pa rin ng mas maraming neutron kaysa sa kanilang mga matatag na isobar. Nangangahulugan ito na ang mga cleavage fragment ay karaniwang hindi matatag laban sa beta decay.
Halimbawa, kapag nangyari ang uranium 238U fission, ang stable isobar na may A = 145 ay neodymium 145Nd, na nangangahulugan na ang lanthanum 145La fragment ay nabubulok sa tatlong hakbang, sa bawat oras na naglalabas ng isang electron at isang antineutrino, hanggang sa mabuo ang isang stable na nuclide. Ang matatag na isobar na may A = 90 ay zirconium 90 Zr; samakatuwid, ang bromine 90 Br splitting fragment ay nabubulok sa limang yugto ng β-decay chain.
Ang mga β-decay chain na ito ay naglalabas ng karagdagang enerhiya, na halos lahat ay dinadala ng mga electron at antineutrino.
Mga reaksyong nuklear: fission ng uranium nuclei
Direktang paglabas ng isang neutron mula sa isang nuclide na may napakaraming mga ito upang matiyak na ang katatagan ng nucleus ay hindi malamang. Ang punto dito ay walang Coulomb repulsion, at sa gayon ang enerhiya sa ibabaw ay may posibilidad na panatilihin ang neutron sa bono sa magulang. Gayunpaman, kung minsan ito ay nangyayari. Halimbawa, ang isang 90 Br fission fragment sa unang yugto ng beta decay ay gumagawa ng krypton-90, na maaaring nasa isang excited na estado na may sapat na enerhiya upang madaig ang enerhiya sa ibabaw. Sa kasong ito, ang paglabas ng mga neutron ay maaaring mangyari nang direkta sa pagbuo ng krypton-89. hindi pa rin matatag na may kinalaman sa β decay hanggang sa ma-convert sa stable na yttrium-89, kaya ang krypton-89 ay nabubulok sa tatlong hakbang.
Fission ng uranium nuclei: isang chain reaction
Ang mga neutron na ibinubuga sa reaksyon ng fission ay maaaring masipsip ng isa pang parent nucleus, na pagkatapos ay sumasailalim sa sapilitan na fission. Sa kaso ng uranium-238, ang tatlong neutron na ginawa ay lumalabas na may enerhiya na mas mababa sa 1 MeV (ang enerhiya na inilabas sa panahon ng fission ng uranium nucleus - 158 MeV - ay pangunahing na-convert sa kinetic energy ng mga fragment ng fission. ), kaya hindi sila maaaring maging sanhi ng karagdagang fission ng nuclide na ito. Gayunpaman, sa isang makabuluhang konsentrasyon ng bihirang isotope 235 U, ang mga libreng neutron na ito ay maaaring makuha ng 235 U nuclei, na talagang maaaring maging sanhi ng fission, dahil sa kasong ito ay walang energy threshold sa ibaba kung saan ang fission ay hindi naiimpluwensyahan.
Ito ang prinsipyo ng isang chain reaction.
Mga uri ng reaksyong nuklear
Hayaang k ang bilang ng mga neutron na ginawa sa isang sample ng fissile na materyal sa yugto n ng chain na ito, na hinati sa bilang ng mga neutron na ginawa sa stage n - 1. Ang bilang na ito ay depende sa kung gaano karaming mga neutron na ginawa sa stage n - 1 ang nasisipsip sa pamamagitan ng nucleus, na maaaring piliting hatiin.
Kung ang 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.
Kung k > 1, lalago ang chain reaction hanggang sa magamit ang lahat ng fissile material.Nakamit ito sa pamamagitan ng pagpapayaman ng natural na ore upang makakuha ng sapat na malaking konsentrasyon ng uranium-235. Para sa isang spherical sample, ang halaga ng k ay tumataas na may pagtaas sa posibilidad ng pagsipsip ng neutron, na nakasalalay sa radius ng globo. Samakatuwid, ang mass U ay dapat lumampas sa isang tiyak na halaga upang mangyari ang fission ng uranium nuclei (chain reaction).
Kung k = 1, pagkatapos ay isang kinokontrol na reaksyon ang magaganap. Ginagamit ito sa mga nuclear reactor. Ang proseso ay kinokontrol sa pamamagitan ng pamamahagi ng cadmium o boron rods sa pagitan ng uranium, na sumisipsip ng karamihan sa mga neutron (ang mga elementong ito ay may kakayahang kumuha ng mga neutron). Ang fission ng uranium nucleus ay awtomatikong kinokontrol sa pamamagitan ng paggalaw ng mga rod sa paraang ang halaga ng k ay nananatiling katumbas ng isa.
Nuclear fission- ang proseso ng paghahati ng atomic nucleus sa dalawa (bihirang tatlo) nuclei na may magkatulad na masa, na tinatawag na fission fragment. Bilang resulta ng fission, maaari ding lumitaw ang iba pang mga produkto ng reaksyon: light nuclei (pangunahin ang mga alpha particle), neutron at gamma quanta. Ang fission ay maaaring kusang-loob (kusang) at sapilitang (bilang resulta ng pakikipag-ugnayan sa iba pang mga particle, lalo na sa mga neutron). Ang fission ng mabibigat na nuclei ay isang exothermic na proseso, bilang isang resulta kung saan ang isang malaking halaga ng enerhiya ay inilabas sa anyo ng kinetic energy ng mga produkto ng reaksyon, pati na rin ang radiation. Ang nuclear fission ay nagsisilbing pinagmumulan ng enerhiya sa mga nuclear reactor at nuclear weapons. Ang proseso ng fission ay maaaring magpatuloy lamang kapag ang potensyal na enerhiya ng paunang estado ng fissioning nucleus ay lumampas sa kabuuan ng mga masa ng mga fragment ng fission. Dahil ang tiyak na nagbubuklod na enerhiya ng mabigat na nuclei ay bumababa sa pagtaas ng masa, ang kundisyong ito ay nasiyahan para sa halos lahat ng nuclei na may mass number .
Gayunpaman, tulad ng ipinapakita ng karanasan, kahit na ang pinakamabigat na nuclei ay kusang nahahati na may napakababang posibilidad. Nangangahulugan ito na mayroong isang hadlang sa enerhiya ( hadlang sa fission) upang maiwasan ang pagkakahati. Maraming mga modelo ang ginagamit upang ilarawan ang proseso ng nuclear fission, kabilang ang pagkalkula ng fission barrier, ngunit wala sa kanila ang maaaring ganap na ipaliwanag ang proseso.
Ang katotohanan na ang enerhiya ay inilabas sa panahon ng fission ng mabigat na nuclei ay sumusunod nang direkta mula sa pag-asa ng tiyak na nagbubuklod na enerhiya ε = E St (A, Z) / A mula sa mass number A. Sa panahon ng fission ng isang mabigat na nucleus, ang mas magaan na nuclei ay nabuo, kung saan ang mga nucleon ay nakagapos nang mas malakas, at ang bahagi ng enerhiya ay inilabas sa panahon ng fission. Bilang isang patakaran, ang nuclear fission ay sinamahan ng paglabas ng 1-4 neutrons. Ipahayag natin ang enerhiya ng mga bahagi ng fission Q sa mga tuntunin ng mga nagbubuklod na enerhiya ng una at huling nuclei. Ang enerhiya ng paunang nucleus, na binubuo ng Z protons at N neutrons, at pagkakaroon ng mass M (A, Z) at isang nagbubuklod na enerhiya E St (A, Z), isinusulat namin sa sumusunod na anyo:
M(A,Z)c 2 = (Zm p + Nm n)c 2 - E St (A,Z).
Ang paghahati ng nucleus (A, Z) sa 2 fragment (A 1, Z 1) at (A 2, Z 2) ay sinamahan ng pagbuo ng N n = A – A 1 – A 2 prompt neutrons. Kung ang nucleus (A,Z) ay nahahati sa mga fragment na may masa M 1 (A 1 ,Z 1), M 2 (A 2 ,Z 2) at binding energies E st1 (A 1 ,Z 1), E st2 (A 2 , Z 2), pagkatapos para sa enerhiya ng fission mayroon kaming expression:
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. Elementarya na teorya ng fission.
Noong 1939 N. Bor at J. Wheeler, pati na rin ang Oo. Frenkel bago pa man komprehensibong pinag-aralan ang fission sa eksperimentong paraan, iminungkahi ang isang teorya ng prosesong ito, batay sa konsepto ng nucleus bilang isang patak ng sisingilin na likido.
Ang enerhiya na inilabas sa panahon ng fission ay maaaring makuha nang direkta mula sa Mga formula ng Weizsäcker.
Kalkulahin natin ang dami ng enerhiya na inilabas sa panahon ng fission ng isang mabigat na nucleus. Palitan sa (f.2) ang mga expression para sa mga nagbubuklod na energies ng nuclei (f.1), sa pag-aakalang A 1 =240 at Z 1 = 90. Pagpapabaya sa huling termino sa (f.1) dahil sa liit nito at pinapalitan ang mga halaga ng mga parameter a 2 at a 3 , nakukuha namin
Mula dito nakuha namin na ang fission ay masigasig na pabor kapag Z 2 /A > 17. Ang halaga ng Z 2 /A ay tinatawag na parameter ng divisibility. Ang enerhiya E, na inilabas sa panahon ng fission, ay lumalaki na may pagtaas sa Z 2 /A; Z 2 /A = 17 para sa nuclei sa rehiyon ng yttrium at zirconium. Makikita mula sa mga nakuhang pagtatantya na ang fission ay masigasig na pabor para sa lahat ng nuclei na may A > 90. Bakit ang karamihan ng nuclei ay matatag na may kinalaman sa spontaneous fission? Upang masagot ang tanong na ito, tingnan natin kung paano nagbabago ang hugis ng nucleus sa panahon ng fission.
Sa proseso ng fission, ang nucleus ay sunud-sunod na dumadaan sa mga sumusunod na yugto (Larawan 2): isang bola, isang ellipsoid, isang dumbbell, dalawang mga fragment na hugis peras, dalawang spherical na mga fragment. Paano nagbabago ang potensyal na enerhiya ng nucleus sa iba't ibang yugto ng fission? Matapos maganap ang fission, at ang mga fragment ay nahiwalay sa isa't isa sa isang distansya na mas malaki kaysa sa kanilang radius, ang potensyal na enerhiya ng mga fragment, na tinutukoy ng pakikipag-ugnayan ng Coulomb sa pagitan nila, ay maaaring ituring na katumbas ng zero.Isaalang-alang natin ang unang yugto ng fission, kapag ang nucleus ay nag-anyong isang lalong pinahabang ellipsoid ng rebolusyon na may pagtaas ng r. Sa yugtong ito ng fission, ang r ay isang sukatan ng paglihis ng nucleus mula sa isang spherical na hugis (Larawan 3). Dahil sa ebolusyon ng hugis ng nucleus, ang pagbabago sa potensyal na enerhiya nito ay tinutukoy ng pagbabago sa kabuuan ng ibabaw at Coulomb energies E"n + E"k. Ipinapalagay na ang volume ng nucleus ay nananatiling hindi nagbabago. sa panahon ng pagpapapangit. Sa kasong ito, ang enerhiya sa ibabaw na E "p ay tumataas, dahil ang ibabaw na lugar ng nucleus ay tumataas. Ang enerhiya ng Coulomb E" k ay bumababa, dahil ang average na distansya sa pagitan ng mga nucleon ay tumataas. Hayaan ang spherical core, bilang isang resulta ng isang bahagyang pagpapapangit na nailalarawan sa pamamagitan ng isang maliit na parameter, kumuha ng anyo ng isang axially symmetric ellipsoid. Maaari itong ipakita na ang enerhiya sa ibabaw E "p at ang enerhiya ng Coulomb E" k depende sa pagbabago tulad ng sumusunod:
Sa kaso ng mga maliliit na ellipsoidal deformation, ang pagtaas ng enerhiya sa ibabaw ay nangyayari nang mas mabilis kaysa sa pagbaba sa enerhiya ng Coulomb. Sa rehiyon ng mabibigat na nuclei 2En > Ek, ang kabuuan ng surface at Coulomb energies ay tumataas sa pagtaas ng . Ito ay sumusunod mula sa (f.4) at (f.5) na sa maliliit na ellipsoidal deformation, ang pagtaas ng enerhiya sa ibabaw ay pumipigil sa karagdagang pagbabago sa hugis ng nucleus, at, dahil dito, ang fission. Ang expression (f.5) ay may bisa para sa maliliit na halaga (maliit na deformation). Kung ang pagpapapangit ay napakalaki na ang nucleus ay nasa anyo ng isang dumbbell, kung gayon ang mga puwersa ng pag-igting sa ibabaw, tulad ng mga puwersa ng Coulomb, ay may posibilidad na paghiwalayin ang nucleus at bigyan ang mga fragment ng isang spherical na hugis. Sa yugtong ito ng fission, ang pagtaas ng strain ay sinamahan ng pagbaba sa parehong Coulomb at surface energies. Yung. na may unti-unting pagtaas sa pagpapapangit ng nucleus, ang potensyal na enerhiya nito ay dumadaan sa isang maximum. Ngayon r ay may kahulugan ng distansya sa pagitan ng mga sentro ng hinaharap na mga fragment. Kapag ang mga fragment ay lumayo sa isa't isa, ang potensyal na enerhiya ng kanilang pakikipag-ugnayan ay bababa, dahil ang enerhiya ng Coulomb repulsion Ek ay bumababa. Ang pag-asa ng potensyal na enerhiya sa distansya sa pagitan ng mga fragment ay ipinapakita sa Fig. 4. Ang zero na antas ng potensyal na enerhiya ay tumutugma sa kabuuan ng ibabaw at mga enerhiya ng Coulomb ng dalawang hindi nakikipag-ugnayan na mga fragment. Ang pagkakaroon ng isang potensyal na hadlang ay pumipigil sa biglaang kusang nuclear fission. Upang agad na mahati ang nucleus, kailangan itong bigyan ng enerhiya Q na lumampas sa taas ng hadlang H. Ang pinakamataas na potensyal na enerhiya ng isang fissile nucleus ay humigit-kumulang katumbas ng e 2 Z 2 /(R 1 + R 2), kung saan ang R Ang 1 at R 2 ay ang fragment radii. Halimbawa, kapag ang isang gintong nucleus ay nahahati sa dalawang magkatulad na mga fragment, e 2 Z 2 / (R 1 + R 2) \u003d 173 MeV, at ang enerhiya na inilabas sa panahon ng fission ( tingnan ang formula (f.2)) ay katumbas ng 132 MeV. Kaya, sa fission ng isang gintong nucleus, kinakailangan upang mapagtagumpayan ang isang potensyal na hadlang na may taas na humigit-kumulang 40 MeV. Ang taas ng hadlang H ay mas malaki, mas maliit ang ratio ng Coulomb at mga energies sa ibabaw E sa /E p sa paunang nucleus. Ang ratio na ito, sa turn, ay tumataas nang may pagtaas sa divisibility parameter Z 2 /A ( tingnan ang (f.4)). Kung mas mabigat ang core, mas mababa ang taas ng hadlang H , dahil ang divisibility parameter ay tumataas sa pagtaas ng mass number:
|
|
Yung. Ayon sa drop model, ang nuclei na may Z 2 /A > 49 ay dapat na wala sa kalikasan, dahil sila ay kusang nag-fission halos agad-agad (sa isang katangian ng nuclear time ng pagkakasunud-sunod ng 10 -22 s). Ang pagkakaroon ng atomic nuclei na may Z 2 /A > 49 ("isla ng katatagan") ay ipinaliwanag ng istraktura ng shell. Ang pag-asa ng hugis, ang taas ng potensyal na hadlang H, at ang enerhiya ng fission E sa halaga ng parameter ng divisibility Z 2 /А ay ipinapakita sa Fig. 5.
Spontaneous fission ng nuclei na may 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 taon para sa 232 Th hanggang 0.3 s para sa 260 Ku. Sapilitang nuclear fission na may 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.
Chain nuclear reaction. Bilang resulta ng mga eksperimento sa neutron irradiation ng uranium, natagpuan na sa ilalim ng pagkilos ng mga neutron, ang uranium nuclei ay nahahati sa dalawang nuclei (mga fragment) ng humigit-kumulang kalahati ng masa at singil; ang prosesong ito ay sinamahan ng paglabas ng ilang (dalawa o tatlong) neutron (Larawan 402). Bilang karagdagan sa uranium, ang ilan pang mga elemento mula sa mga huling elemento ng periodic system ng Mendeleev ay may kakayahang fission. Ang mga elementong ito, tulad ng uranium, fission hindi lamang sa ilalim ng impluwensya ng mga neutron, kundi pati na rin nang walang mga panlabas na impluwensya (kusang). Ang spontaneous fission ay itinatag sa eksperimentong paraan ng mga physicist ng Sobyet na sina K. A. Petrzhak at Georgy Nikolaevich Flerov (b. 1913) noong 1940. Ito ay isang napakabihirang proseso. Kaya, sa 1 g ng uranium, halos 20 kusang fission lamang ang nangyayari bawat oras.
kanin. 402. Fission ng isang uranium nucleus sa ilalim ng impluwensya ng mga neutron: a) ang nucleus ay kumukuha ng isang neutron; b) ang epekto ng isang neutron sa nucleus ay nagiging sanhi ng pag-oscillate ng huli; c) ang nucleus ay nahahati sa dalawang fragment; mas maraming neutron ang ibinubuga.
Dahil sa mutual electrostatic repulsion, nagkakalat ang mga fission fragment sa magkasalungat na direksyon, na nakakakuha ng malaking kinetic energy (tungkol sa ). Ang reaksyon ng fission ay nangyayari sa isang makabuluhang pagpapalabas ng enerhiya. Ang mabilis na gumagalaw na mga fragment ay matinding nag-ionize sa mga atomo ng medium. Ang pag-aari na ito ng mga fragment ay ginagamit upang makita ang mga proseso ng fission gamit ang isang ionization chamber o cloud chamber. Ang isang larawan ng mga bakas ng fission fragment sa isang cloud chamber ay ipinapakita sa fig. 403. Napakahalaga na ang mga neutron na ibinubuga sa panahon ng fission ng uranium nucleus (ang tinatawag na secondary fission neutrons) ay may kakayahang magdulot ng fission ng bagong uranium nuclei. Dahil dito, posible na magsagawa ng isang reaksyon ng kadena ng fission: sa sandaling lumitaw, ang reaksyon, sa prinsipyo, ay maaaring magpatuloy nang mag-isa, na sumasaklaw sa isang pagtaas ng bilang ng mga nuclei. Ang scheme ng pag-unlad ng naturang lumalagong reaksyon ng cellon ay ipinapakita sa Fig. 404.
kanin. 403. Larawan ng mga bakas ng uranium fission fragment sa isang cloud chamber: ang mga fragment () ay nakakalat sa magkasalungat na direksyon mula sa isang manipis na layer ng uranium na idineposito sa isang plate na nakaharang sa chamber. Ang imahe ay nagpapakita rin ng maraming mas manipis na bakas na kabilang sa mga proton na pinatumba ng mga neutron mula sa mga molekula ng water car na nasa loob ng silid.
Ang pagsasagawa ng fission chain reaction ay hindi madali sa pagsasanay; Ipinapakita ng karanasan na sa masa ng natural na uranium ay hindi nangyayari ang isang chain reaction. Ang dahilan para dito ay namamalagi sa pagkawala ng mga pangalawang neutron; sa natural na uranium karamihan sa mga neutron ay wala sa laro nang hindi nagiging sanhi ng fission. Tulad ng ipinahayag ng mga pag-aaral, ang pagkawala ng mga neutron ay nangyayari sa pinakakaraniwang isotope ng uranium - uranium - 238 (). Ang isotope na ito ay madaling sumisipsip ng mga neutron sa isang reaksyong katulad ng reaksyon ng pilak sa mga neutron (tingnan ang § 222); ito ay gumagawa ng isang artificially radioactive isotope. Ito ay nahahati nang may kahirapan at sa ilalim lamang ng pagkilos ng mga mabilis na neutron.
Ang isang isotope na nakapaloob sa natural na uranium sa isang halaga ay may mas matagumpay na mga katangian para sa isang chain reaction. Ito ay nahahati sa ilalim ng pagkilos ng mga neutron ng anumang enerhiya - mabilis at mabagal, at mas mabuti, mas mababa ang enerhiya ng neutron. Ang proseso na nakikipagkumpitensya sa fission - ang simpleng pagsipsip ng mga neutron - ay malamang na hindi kabaligtaran sa. Samakatuwid, sa purong uranium-235, ang isang fission chain reaction ay posible, sa kondisyon, gayunpaman, na ang masa ng uranium-235 ay sapat na malaki. Sa mababang-mass uranium, ang reaksyon ng fission ay tinapos dahil sa paglabas ng mga pangalawang neutron sa labas ng bagay nito.
kanin. 404. Pagbuo ng isang Mahalagang Reaksyon ng Fission: Ito ay may kondisyong tinatanggap na ang dalawang neutron ay ibinubuga sa panahon ng nuclear fission at walang mga pagkawala ng neutron, i.e. bawat neutron ay nagdudulot ng bagong fission; bilog - fission fragment, arrow - fission neutrons
Sa katunayan, dahil sa maliit na sukat ng atomic nuclei, ang isang neutron ay naglalakbay ng mahabang distansya sa bagay (sinusukat sa sentimetro) bago aksidenteng natamaan ang isang nucleus. Kung ang mga sukat ng katawan ay maliit, kung gayon ang posibilidad ng isang banggaan sa daan patungo sa labasan ay maliit. Halos lahat ng pangalawang fission neutron ay lumilipad palabas sa ibabaw ng katawan nang hindi nagiging sanhi ng mga bagong fission, ibig sabihin, nang hindi nagpapatuloy ang reaksyon.
Mula sa isang katawan na may malalaking sukat, ito ay pangunahing mga neutron na nabuo sa ibabaw na layer na lumilipad palabas. Ang mga neutron na nabuo sa loob ng katawan ay may sapat na kapal ng uranium sa harap nila at sa karamihan ay nagiging sanhi ng mga bagong fission, na nagpatuloy sa reaksyon (Fig. 405). Kung mas malaki ang masa ng uranium, mas maliit ang bahagi ng volume ay ang ibabaw na layer, kung saan maraming mga neutron ang nawala, at mas kanais-nais ang mga kondisyon para sa pagbuo ng isang chain reaction.
kanin. 405. Pagbuo ng fission chain reaction sa . a) Sa isang maliit na masa, ang karamihan sa mga fission neutron ay lumilipad palabas. b) Sa isang malaking masa ng uranium, maraming fission neutron ang sanhi ng fission ng bagong nuclei; ang bilang ng mga dibisyon ay tumataas mula sa henerasyon hanggang sa henerasyon. Mga bilog - fission fragment, arrow - fission neutrons
Sa pamamagitan ng unti-unting pagtaas ng halaga, maaabot natin ang kritikal na masa, ibig sabihin, ang pinakamaliit na masa, simula kung saan posible ang isang sustained fission chain reaction. Sa karagdagang pagtaas ng masa, ang reaksyon ay magsisimulang bumuo ng mabilis (ito ay sisimulan sa pamamagitan ng kusang fission). Kapag ang masa ay bumaba sa ibaba ng kritikal na halaga, ang reaksyon ay nabubulok.
Kaya, maaari kang magsagawa ng chain reaction ng fission. Kung mayroon kang sapat na dalisay, hiwalay sa .
Tulad ng nakita natin sa §202, ang paghihiwalay ng isotope ay isang kumplikado at mahal na operasyon, ngunit posible pa rin ito. Sa katunayan, ang pagkuha mula sa natural na uranium ay isa sa mga paraan kung saan isinabuhay ang fission chain reaction.
Kasama nito, ang chain reaction ay nakamit sa ibang paraan, na hindi nangangailangan ng paghihiwalay ng uranium isotopes. Ang pamamaraang ito ay medyo mas kumplikado sa prinsipyo, ngunit mas madaling ipatupad. Ginagamit nito ang pagbagal ng mabilis na pangalawang fission neutron sa bilis ng thermal motion. Nakita natin na sa natural na uranium ang mga agarang pangalawang neutron ay pangunahing hinihigop ng isotope. Dahil ang pagsipsip sa ay hindi humahantong sa fission, ang reaksyon ay nagtatapos. Ipinapakita ng mga sukat na kapag ang mga neutron ay pinabagal sa mga thermal velocities, ang absorbing power ay tumataas nang higit kaysa sa absorbing power . Ang pagsipsip ng mga neutron ng isotope, na humahantong sa fission, ay nakakakuha ng mataas na kamay. Samakatuwid, kung ang mga fission neutron ay pinabagal, na pinipigilan ang mga ito na masipsip sa , ang isang chain reaction ay magiging posible sa natural na uranium.
kanin. 406. Isang sistema ng natural na uranium at isang moderator kung saan maaaring magkaroon ng fission chain reaction
Sa pagsasagawa, ang resultang ito ay nakakamit sa pamamagitan ng paglalagay ng mga flue rod ng natural na uranium sa anyo ng isang bihirang sala-sala sa moderator (Larawan 406). Ang mga sangkap na may mababang atomic mass at mahinang sumisipsip ng mga neutron ay ginagamit bilang mga moderator. Ang mga mahusay na moderator ay grapayt, mabigat na tubig, beryllium.
Hayaang maganap ang fission ng uranium nucleus sa isa sa mga rod. Dahil ang baras ay medyo manipis, ang mabilis na pangalawang neutron ay lilipad halos lahat sa moderator. Ang mga tungkod ay matatagpuan sa sala-sala medyo bihira. Bago tumama sa bagong baras, ang ibinubuga na neutron ay nakakaranas ng maraming banggaan sa nuclei ng moderator at bumabagal sa bilis ng thermal motion (Fig. 407). Ang pagkakaroon pagkatapos ay pindutin ang uranium rod, ang neutron ay malamang na masisipsip at magdulot ng isang bagong fission, at sa gayon ay magpapatuloy sa reaksyon. Ang fission chain reaction ay unang isinagawa sa Estados Unidos noong 1942. isang pangkat ng mga siyentipiko na pinamumunuan ng Italyano na pisiko na si Enrico Fermi (1901-1954) sa isang sistemang may natural na uranium. Ang prosesong ito ay nakapag-iisa na ipinatupad sa USSR noong 1946. Ang akademya na si Igor Vasilievich Kurchatov (1903-1960) kasama ang mga empleyado.
kanin. 407. Pagbuo ng isang mahalagang reaksyon ng fission sa isang sistema ng natural na uranium at isang moderator. Ang isang mabilis na neutron, na lumilipad mula sa isang manipis na baras, ay tumama sa moderator at bumagal. Muli sa uranium, ang pinabagal na neutron ay malamang na masipsip sa , na nagiging sanhi ng fission (simbolo: dalawang puting bilog). Ang ilang mga neutron ay nasisipsip nang hindi nagiging sanhi ng fission (simbolo: itim na bilog)
Mga reaksyong nuklear. Ang pakikipag-ugnayan ng isang particle na may atomic nucleus, na humahantong sa pagbabago ng nucleus na ito sa isang bagong nucleus na may paglabas ng pangalawang particle o gamma quanta, ay tinatawag na nuclear reaction.
Ang unang reaksyong nuklear ay isinagawa ni Rutherford noong 1919. Natuklasan niya na kapag ang mga particle ng alpha ay bumangga sa nuclei ng mga atomo ng nitrogen, ang mga mabilis na gumagalaw na proton ay nabuo. Nangangahulugan ito na ang nucleus ng nitrogen isotope, bilang isang resulta ng isang banggaan sa isang alpha particle, ay naging nucleus ng isang oxygen isotope:
.
Ang mga reaksyong nuklear ay maaaring magpatuloy sa pagpapalabas o pagsipsip ng enerhiya. Gamit ang batas ng relasyon sa pagitan ng masa at enerhiya, ang enerhiya na ani ng isang reaksyong nukleyar ay maaaring matukoy sa pamamagitan ng paghahanap ng pagkakaiba sa pagitan ng mga masa ng mga particle na pumapasok sa reaksyon at ang mga produkto ng reaksyon:
Chain reaction ng fission ng uranium nuclei. Kabilang sa iba't ibang reaksyong nuklear, ang mga chain reaction ng fission ng ilang heavy nuclei ay partikular na kahalagahan sa buhay ng modernong lipunan ng tao.
Ang reaksyon ng fission ng uranium nuclei sa panahon ng kanilang pambobomba sa mga neutron ay natuklasan noong 1939. Bilang resulta ng eksperimental at teoretikal na pag-aaral na isinagawa ni E. Fermi, I. Joliot-Curie, O. Hahn, F. Strassmann, L. Meitner, O Frisch, F. Joliot-Curie, natagpuan na kapag ang isang neutron ay pumasok sa uranium nucleus, ang nucleus ay nahahati sa dalawa o tatlong bahagi.
Ang fission ng isang uranium nucleus ay naglalabas ng humigit-kumulang 200 MeV ng enerhiya. Ang kinetic energy ng paggalaw ng fragment nuclei ay nagkakahalaga ng humigit-kumulang 165 MeV, ang natitirang enerhiya ay dinadala ng gamma quanta.
Alam ang enerhiya na inilabas sa panahon ng fission ng isang uranium nucleus, maaari nating kalkulahin na ang enerhiya na ani mula sa fission ng lahat ng nuclei ng 1 kg ng uranium ay 80 thousand billion joules. Ito ay ilang milyong beses na mas mataas kaysa sa kung ano ang pinakawalan kapag nagsusunog ng 1 kg ng karbon o langis. Samakatuwid, ang mga paghahanap ay ginawa para sa mga paraan upang mailabas ang nuclear energy sa makabuluhang dami para sa paggamit nito para sa mga praktikal na layunin.
Si F. Joliot-Curie ang unang nagmungkahi ng posibilidad ng mga nuclear chain reaction noong 1934. Noong 1939, kasama sina H. Halban at L. Kovarsky, natuklasan niya na sa panahon ng fission ng uranium nucleus, bilang karagdagan sa mga fragment-nuclei , 2 -3 libreng neutron. Sa ilalim ng kanais-nais na mga kondisyon, ang mga neutron na ito ay maaaring tumama sa iba pang uranium nuclei at maging sanhi ng mga ito sa fission. Sa panahon ng fission ng tatlong uranium nuclei, 6-9 na bagong neutron ang dapat ilabas, mahuhulog sila sa bagong uranium nuclei, atbp. Ang pamamaraan para sa pagbuo ng isang chain reaction ng fission ng uranium nuclei ay ipinapakita sa Figure 316.
kanin. 316
Ang praktikal na pagpapatupad ng mga chain reaction ay hindi kasing simple ng isang gawain tulad ng nakikita sa diagram. Ang mga neutron na inilabas sa panahon ng fission ng uranium nuclei ay may kakayahang magdulot ng fission lamang ng nuclei ng uranium isotope na may mass number na 235, habang ang kanilang enerhiya ay hindi sapat upang sirain ang nuclei ng uranium isotope na may mass number na 238. Sa natural na uranium, ang uranium na may mass number na 238 ay nagkakahalaga ng 99.8%, habang ang uranium na may mass number na 235 ay 0.7% lamang. Samakatuwid, ang unang posibleng paraan upang magsagawa ng isang reaksyon ng kadena ng fission ay nauugnay sa paghihiwalay ng mga isotopes ng uranium at ang paggawa ng isang purong isotope sa sapat na malalaking dami. Ang isang kinakailangang kondisyon para sa pagpapatupad ng isang chain reaction ay ang pagkakaroon ng isang sapat na malaking halaga ng uranium, dahil sa isang maliit na sample, ang karamihan sa mga neutron ay lumilipad sa sample nang hindi tumatama sa anumang nucleus. Ang pinakamababang masa ng uranium kung saan maaaring mangyari ang isang chain reaction ay tinatawag na critical mass. Ang kritikal na masa para sa uranium-235 ay ilang sampu-sampung kilo.
Ang pinakasimpleng paraan upang magsagawa ng chain reaction sa uranium-235 ay ang mga sumusunod: dalawang piraso ng uranium metal ang ginawa, bawat isa ay may mass na bahagyang mas mababa kaysa sa kritikal. Ang isang chain reaction sa bawat isa sa kanila nang hiwalay ay hindi maaaring pumunta. Sa mabilis na koneksyon ng mga piraso, isang chain reaction ang bubuo at napakalaking enerhiya ang pinakawalan. Ang temperatura ng uranium ay umabot sa milyun-milyong degree, ang uranium mismo at anumang iba pang mga sangkap na malapit ay nagiging singaw. Ang mainit na gas na bola ay mabilis na lumalawak, nasusunog at sinisira ang lahat ng bagay sa landas nito. Ito ay kung paano nangyayari ang isang nuclear explosion.
Napakahirap gamitin ang enerhiya ng isang pagsabog ng nuklear para sa mapayapang layunin, dahil ang pagpapakawala ng enerhiya sa kasong ito ay hindi makokontrol. Ang kinokontrol na mga reaksyon ng kadena ng fission ng uranium nuclei ay isinasagawa sa mga nuclear reactor.
Nuclear reactor. Ang mga unang nuclear reactor ay mabagal na neutron reactor (Larawan 317). Karamihan sa mga neutron na inilabas sa panahon ng fission ng uranium nuclei ay may enerhiya na 1-2 MeV. Kasabay nito, ang kanilang mga bilis ay katumbas ng humigit-kumulang 107 m / s, samakatuwid sila ay tinatawag na mabilis na mga neutron. Sa ganitong mga enerhiya, ang mga neutron ay nakikipag-ugnayan sa nuclei ng uranium at uranium na may humigit-kumulang sa parehong kahusayan. At dahil mayroong 140 beses na mas maraming uranium nuclei sa natural na uranium kaysa sa uranium nuclei, karamihan sa mga neutron na ito ay nasisipsip ng uranium nuclei at ang chain reaction ay hindi nabubuo. Ang mga neutron na gumagalaw sa bilis na malapit sa bilis ng thermal motion (mga 2·10 3 m/s) ay tinatawag na mabagal o thermal. Ang mga mabagal na neutron ay nakikipag-ugnayan nang mabuti sa uranium-235 nuclei at sinisipsip ng mga ito ng 500 beses na mas mahusay kaysa sa mga mabilis. Samakatuwid, kapag ang natural na uranium ay na-irradiated na may mabagal na neutrons, karamihan sa kanila ay nasisipsip hindi sa uranium-238 nuclei, ngunit sa uranium-235 nuclei at nagiging sanhi ng kanilang fission. Dahil dito, para sa pagbuo ng isang chain reaction sa natural na uranium, ang neutron velocities ay dapat bawasan sa thermal.
kanin. 317
Ang mga neutron ay pinabagal bilang resulta ng mga banggaan sa atomic nuclei ng medium kung saan sila gumagalaw. Upang pabagalin ang mga neutron sa isang reaktor, ginagamit ang isang espesyal na sangkap na tinatawag na moderator. Ang atomic nuclei ng moderator substance ay dapat magkaroon ng medyo maliit na masa, dahil sa isang banggaan sa isang light nucleus, ang isang neutron ay nawawalan ng mas maraming enerhiya kaysa sa isang banggaan sa isang mabigat. Ang pinakakaraniwang mga moderator ay ordinaryong tubig at grapayt.
Ang espasyo kung saan nagaganap ang chain reaction ay tinatawag na reactor core. Upang mabawasan ang pagtagas ng mga neutron, ang reactor core ay napapalibutan ng isang neutron reflector, na nagtatapon ng malaking bahagi ng emitted neutrons sa core. Ang reflector ay karaniwang ang parehong sangkap na nagsisilbing moderator.
Ang enerhiya na inilabas sa panahon ng pagpapatakbo ng reaktor ay tinanggal gamit ang isang coolant. Ang mga likido at gas lamang na walang kakayahang sumipsip ng mga neutron ang maaaring gamitin bilang isang coolant. Ang ordinaryong tubig ay malawakang ginagamit bilang isang coolant, kung minsan ang carbon dioxide at maging ang likidong metal na sodium ay ginagamit.
Ang reaktor ay kinokontrol sa pamamagitan ng mga espesyal na control (o control) rod na ipinapasok sa reactor core. Ang mga control rod ay ginawa mula sa mga boron o cadmium compound, na sumisipsip ng mga thermal neutron na may napakataas na kahusayan. Bago simulan ang operasyon ng reaktor, sila ay ganap na ipinakilala sa core nito. Ang pagsipsip ng isang makabuluhang bahagi ng mga neutron, ginagawa nilang imposibleng bumuo ng isang chain reaction. Upang simulan ang reaktor, ang mga control rod ay unti-unting binawi mula sa core hanggang ang paglabas ng enerhiya ay umabot sa isang paunang natukoy na antas. Kapag ang kapangyarihan ay tumaas sa itaas ng itinakdang antas, ang automata ay inililipat, na inilulubog ang mga control rod sa lalim ng aktibong zone.
Nuclear energy. Ang enerhiyang nuklear para sa serbisyo ng kapayapaan ay inilagay sa unang pagkakataon sa ating bansa. Ang akademya na si Igor Vasilievich Kurchatov (1903-1960) ay ang unang tagapag-ayos at pinuno ng trabaho sa atomic science at teknolohiya sa USSR.
Sa kasalukuyan, ang pinakamalaking sa USSR at sa Europa, ang Leningrad NPP. SA AT. Ang Lenin ay may kapasidad na 4000 MW, i.e. 800 beses ang lakas ng unang nuclear power plant.
Ang halaga ng kuryente na nabuo sa malalaking nuclear power plant ay mas mababa kaysa sa halaga ng kuryente na nabuo sa mga thermal power plant. Samakatuwid, ang enerhiyang nuklear ay umuunlad sa isang pinabilis na bilis.
Ang mga nuclear reactor ay ginagamit bilang mga power plant sa mga barkong pandagat. Ang unang mapayapang barko sa mundo na may planta ng nuclear power, ang nuclear-powered icebreaker na Lenin, ay itinayo sa Unyong Sobyet noong 1959.
Ang Soviet nuclear-powered icebreaker na Arktika, na itinayo noong 1975, ang naging unang surface ship sa mundo na nakarating sa North Pole.
thermonuclear reaksyon. Ang enerhiya ng nuklear ay inilabas hindi lamang sa mga reaksyon ng nuclear fission ng mabibigat na nuclei, kundi pati na rin sa mga reaksyon ng kumbinasyon ng light atomic nuclei.
Upang ikonekta ang mga tulad-sisingilin na mga proton, kinakailangan upang mapagtagumpayan ang mga puwersa ng Coulomb na salungat, na posible sa sapat na mataas na bilis ng mga nagbabanggaang particle. Ang mga kinakailangang kondisyon para sa synthesis ng helium nuclei mula sa mga proton ay matatagpuan sa mga interior ng mga bituin. Sa Earth, ang thermonuclear fusion reaction ay isinagawa sa mga eksperimentong thermonuclear na pagsabog.
Ang synthesis ng helium mula sa light isotope ng hydrogen ay nangyayari sa isang temperatura na humigit-kumulang 108 K, at para sa synthesis ng helium mula sa mabibigat na isotopes ng hydrogen - deuterium at tritium - ayon sa scheme
kailangan ang pag-init hanggang sa humigit-kumulang 5 10 7 K.
Sa panahon ng synthesis ng 1 g ng helium mula sa deuterium at tritium, ang enerhiya na 4.2·10 11 J ay inilabas. Ang nasabing enerhiya ay inilalabas kapag 10 tonelada ng diesel fuel ang sinunog.
Ang mga reserba ng hydrogen sa Earth ay halos hindi mauubos, kaya ang paggamit ng enerhiya ng thermonuclear fusion para sa mapayapang layunin ay isa sa pinakamahalagang gawain ng modernong agham at teknolohiya.
Ang kinokontrol na thermonuclear na reaksyon ng helium synthesis mula sa mabibigat na hydrogen isotopes sa pamamagitan ng pag-init ay dapat isagawa sa pamamagitan ng pagpasa ng electric current sa plasma. Ang isang magnetic field ay ginagamit upang panatilihin ang pinainit na plasma mula sa pagpindot sa mga dingding ng silid. Sa pasilidad ng eksperimentong Tokamak-10, nagtagumpay ang mga physicist ng Sobyet sa pag-init ng plasma sa temperatura na 13 milyong degrees. Ang hydrogen ay maaaring pinainit sa mas mataas na temperatura gamit ang laser radiation. Upang gawin ito, ang mga light beam mula sa ilang mga laser ay dapat na nakatutok sa isang glass ball, sa loob kung saan ay isang halo ng mabibigat na isotopes ng deuterium at tritium. Sa mga eksperimento sa mga pag-install ng laser, ang plasma na may temperatura na ilang sampu-sampung milyong degree ay nakuha na.
