Ang fission ng uranium nuclei ay nangyayari sa sumusunod na paraan: una, ang isang neutron ay tumama sa nucleus, tulad ng isang bala sa isang mansanas. Sa kaso ng isang mansanas, ang isang bala ay gumawa ng isang butas sa loob nito, o maaaring hinipan ito sa mga piraso. Kapag ang isang neutron ay pumasok sa nucleus, ito ay nakuha ng mga puwersang nuklear. Ang neutron ay kilala bilang neutral, kaya hindi ito tinataboy ng electrostatic forces.

Paano nangyayari ang uranium fission?

Kaya, nang makapasok sa komposisyon ng nucleus, sinira ng neutron ang balanse, at ang nucleus ay nasasabik. Ito ay umaabot sa mga gilid tulad ng isang dumbbell o isang infinity sign: ∞ . Ang mga puwersang nuklear, gaya ng nalalaman, ay kumikilos sa layo na katumbas ng laki ng mga particle. Kapag ang nucleus ay nakaunat, ang pagkilos ng mga puwersang nuklear ay nagiging hindi gaanong mahalaga para sa matinding mga particle ng "dumbbell", habang ang mga puwersang elektrikal ay kumikilos nang napakalakas sa ganoong distansya, at ang nucleus ay nasira lamang sa dalawang bahagi. Sa kasong ito, dalawa o tatlong neutron ang ibinubuga din.

Ang mga fragment ng nucleus at ang inilabas na mga neutron ay nakakalat sa napakabilis na bilis sa iba't ibang direksyon. Ang mga fragment ay sa halip ay mabilis na pinababa ng kapaligiran, ngunit ang kanilang kinetic energy ay napakalaki. Ito ay na-convert sa panloob na enerhiya ng daluyan, na nagpapainit. Sa kasong ito, ang dami ng enerhiya na inilabas ay napakalaki. Ang enerhiya na nakuha mula sa kumpletong fission ng isang gramo ng uranium ay humigit-kumulang katumbas ng enerhiya na nakuha mula sa pagsunog ng 2.5 tonelada ng langis.

Chain reaction ng fission ng ilang nuclei

Isinaalang-alang namin ang fission ng isang uranium nucleus. Sa panahon ng fission, ilang (kadalasan dalawa o tatlong) neutron ang pinakawalan. Nakakalat sila sa mga gilid sa napakabilis at madaling mahulog sa nuclei ng iba pang mga atomo, na nagiging sanhi ng reaksyon ng fission sa kanila. Ito ang chain reaction.

Iyon ay, ang mga neutron na nakuha bilang resulta ng nuclear fission ay nagpapasigla at pinipilit ang iba pang nuclei na mag-fission, na sila naman ay naglalabas ng mga neutron na patuloy na nagpapasigla sa karagdagang fission. At iba pa hanggang sa ang fission ng lahat ng uranium nuclei sa agarang paligid ay mangyari.

Sa kasong ito, maaaring mangyari ang isang chain reaction parang avalanche, halimbawa, sa kaganapan ng pagsabog ng bomba atomika. Ang bilang ng nuclear fission ay tumataas nang husto sa loob ng maikling panahon. Gayunpaman, maaaring mangyari ang isang chain reaction may pamamasa.

Ang katotohanan ay hindi lahat ng mga neutron ay nakakatugon sa nuclei sa kanilang paraan, na kanilang hinihimok sa fission. Tulad ng naaalala natin, sa loob ng sangkap ang pangunahing dami ay inookupahan ng walang bisa sa pagitan ng mga particle. Samakatuwid, ang ilang mga neutron ay lumilipad sa lahat ng bagay nang hindi bumabangga sa anumang bagay sa daan. At kung ang bilang ng nuclear fission ay bumababa sa paglipas ng panahon, ang reaksyon ay unti-unting nawawala.

Mga reaksyong nuklear at ang kritikal na masa ng uranium

Ano ang tumutukoy sa uri ng reaksyon? Mula sa masa ng uranium. Kung mas malaki ang masa, mas maraming particle ang makakasalubong ng lumilipad na neutron sa daan nito at mas marami itong pagkakataong makapasok sa nucleus. Samakatuwid, ang isang "kritikal na masa" ng uranium ay nakikilala - ito ay isang minimum na masa kung saan posible ang isang chain reaction.

Ang bilang ng mga neutron na nabuo ay magiging katumbas ng bilang ng mga neutron na lumipad palabas. At ang reaksyon ay magpapatuloy sa humigit-kumulang sa parehong rate hanggang sa ang buong dami ng sangkap ay ginawa. Ito ay ginagamit sa pagsasanay sa mga nuclear power plant at tinatawag na controlled nuclear reaction.

Kilalang-kilala na ang fission energy ng heavy nuclei, na ginagamit para sa mga praktikal na layunin, ay ang kinetic energy ng mga fragment ng orihinal na nuclei. Ngunit ano ang pinagmulan ng enerhiya na ito, ibig sabihin. anong enerhiya ang na-convert sa kinetic energy ng mga fragment?

Ang mga opisyal na pananaw sa isyung ito ay lubhang hindi naaayon. Kaya, isinulat ni Mukhin na ang malaking enerhiya na inilabas sa panahon ng fission ng isang mabigat na nucleus ay dahil sa pagkakaiba sa mga mass defect sa orihinal na nucleus at mga fragment - at batay sa lohika na ito, nakakuha siya ng isang pagtatantya ng ani ng enerhiya sa panahon ng fission ng uranium. nucleus: "200 MeV. Ngunit pagkatapos ay isinulat niya na ang enerhiya ng kanilang Coulomb repulsion ay na-convert sa kinetic energy ng mga fragment - na, kapag ang mga fragment ay malapit sa isa't isa, ay pareho »200 MeV. Siyempre, kahanga-hanga ang pagkakalapit ng parehong mga pagtatantya na ito sa pang-eksperimentong halaga, ngunit ang tanong ay may kinalaman: ang pagkakaiba ba sa mga mass defect o ang enerhiya ng Coulomb repulsion ay nagiging kinetic energy ng mga fragment? Nagpasya ka na kung ano ang sinasabi mo sa amin - tungkol sa matanda sa o tungkol sa isang tiyuhin sa Kyiv!

Ang mga theorist ang lumikha ng dead-end dilemma na ito sa kanilang sarili: ayon sa kanilang lohika, tiyak na nangangailangan sila ng parehong pagkakaiba sa mass defects at ang Coulomb repulsion. Tanggihan ang alinman sa isa o ang isa, at ang kawalang-halaga ng mga tradisyonal na paunang pagpapalagay sa nuclear physics ay nagiging lubos na halata. Halimbawa, bakit nila pinag-uusapan ang pagkakaiba sa mga mass defect? Pagkatapos, upang kahit papaano ay ipaliwanag ang mismong posibilidad ng hindi pangkaraniwang bagay ng fission ng mabigat na nuclei. Sinisikap nilang kumbinsihin tayo na ang fission ng heavy nuclei ay nangyayari dahil ito ay energetically paborable. Ano ang mga himala? Sa panahon ng fission ng isang mabigat na nucleus, ang ilan sa mga nuclear bond ay nawasak - at ang enerhiya ng mga nuclear bond ay kinakalkula sa MeV! Ang mga nucleon sa isang nucleus ay nakatali na mga order ng magnitude na mas malakas kaysa sa mga atomic na electron. At ang karanasan ay nagtuturo sa amin na ang sistema ay tiyak na matatag sa lugar ng kakayahang kumita ng enerhiya - at kung ito ay masiglang kumikita para ito ay magwatak-watak, ito ay agad na magwawakas. Ngunit ang mga deposito ng uranium ores ay umiiral sa kalikasan! Anong uri ng "energy profitability" ng uranium nuclear fission ang maaari nating pag-usapan?

Baka hindi masyadong kapansin-pansin ang kahangalan ng pagpapalagay na ang fission ng isang mabigat na nucleus ay kapaki-pakinabang, ang mga teorista ay nagsimula sa isang pulang herring: pinag-uusapan nila ang "kalamangan" na ito sa mga tuntunin ng average na nagbubuklod na enerhiya na maiuugnay sa bawat nucleon. Sa katunayan, sa pagtaas ng atomic number, ang laki ng mass defect sa nucleus ay tumataas din, ngunit ang bilang ng mga nucleon sa nucleus ay tumataas nang mas mabilis - dahil sa labis na mga neutron. Samakatuwid, para sa mabibigat na nuclei, ang kabuuang nagbubuklod na enerhiya, na muling kinakalkula sa bawat nucleon, ay bumababa sa pagtaas ng atomic number. Mukhang ang pagbabahagi ay talagang kapaki-pakinabang para sa mabigat na nuclei? Sa kasamaang palad, ang lohika na ito ay batay sa mga tradisyonal na ideya na sinasaklaw ng mga ugnayang nuklear lahat mga nucleon sa nucleus. Sa pagpapalagay na ito, ang average na nagbubuklod na enerhiya sa bawat nucleon E Ang 1 ay ang quotient ng nuclear binding energy division D E para sa bilang ng mga nucleon:

E 1=D E/A, D E=(Zm p +( A-Z)m n)c 2 -(M sa - Zme)c 2 , (4.13.1)

saan Z- atomic number, i.e. bilang ng mga proton A- bilang ng mga nucleon, m p , m n at ako ay ang mga masa ng proton, neutron at electron, ayon sa pagkakabanggit, M at ay ang masa ng atom. Gayunpaman, nailarawan na namin ang kakulangan ng mga tradisyonal na ideya tungkol sa nucleus sa itaas ( 4.11 ). At kung, ayon sa lohika ng iminungkahing modelo ( 4.12 ), kapag kinakalkula ang nagbubuklod na enerhiya sa bawat nucleon, huwag isaalang-alang ang mga nucleon sa nucleus na pansamantalang hindi sakop ng mga nukleyar na bono, pagkatapos ay makakakuha tayo ng formula na naiiba sa (4.13.1). Kung ipagpalagay natin na ang kasalukuyang bilang ng mga nakatali na nucleon ay 2 Z (4.12 ), at ang bawat isa sa kanila ay konektado lamang sa kalahati ng oras ng koneksyon ( 4.12 ), pagkatapos ay para sa average na nagbubuklod na enerhiya sa bawat nucleon makuha namin ang formula

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

na naiiba sa (4.13.1) lamang sa denominator. Pinakinis na Mga Tampok E 1 (Z) at E 1 * (Z) ay ibinibigay sa Fig.4.13. Hindi tulad ng karaniwang schedule E 1 (Z), inilagay sa maraming aklat-aralin, graph E 1 * (Z) ay may kapansin-pansing katangian: ito ay nagpapakita, para sa mabigat na nuclei, pagsasarili nagbubuklod na enerhiya sa bawat nucleon sa bilang ng mga nucleon. Kaya mula sa aming modelo ( 4.12 ) ito ay sumusunod na walang tanong ng anumang "energetic na kalamangan" ng fission ng mabigat na nuclei - alinsunod sa sentido komun. Iyon ay, ang kinetic energy ng mga fragment ay hindi maaaring dahil sa pagkakaiba sa mga mass defect ng paunang nucleus at ng mga fragment.

Fig.4.13

Alinsunod sa parehong sentido komun, ang enerhiya ng kanilang Coulomb repulsion ay hindi maaaring ma-convert sa kinetic energy ng mga fragment: ibinigay namin bilang theoretical arguments ( 4.7 , 4.12 ) at pang-eksperimentong ebidensya ( 4.12 ) na walang Coulomb repulsion para sa mga particle na bumubuo sa nucleus.

Kung gayon ano ang pinagmulan ng kinetic energy ng mga fragment ng isang mabigat na nucleus? Una, subukan nating sagutin ang tanong: bakit, sa isang nuclear chain reaction, ang nuclear fission ay epektibong sanhi ng mga neutron na ibinubuga noong nakaraang fission - bukod dito, sa pamamagitan ng mga thermal neutron, i.e. pagkakaroon ng mga enerhiya na bale-wala sa isang nuclear scale. Sa katotohanan na ang mga thermal neutron ay may kakayahang magwasak ng mabibigat na nuclei, mukhang mahirap ipagkasundo ang aming konklusyon na ang "labis" - sa ngayon - ang mga neutron sa mabibigat na nuclei ay libre ( 4.12 ). Ang isang mabigat na nucleus ay literal na pinalamanan ng mga thermal neutron, ngunit hindi ito nabubulok - kahit na ang agarang fission nito ay nagiging sanhi ng isang solong thermal neutron na ibinubuga sa nakaraang fission na tumama dito.

Lohikal na ipagpalagay na ang pansamantalang libreng thermal neutron sa mabigat na nuclei at thermal neutron na ibinubuga sa panahon ng fission ng heavy nuclei ay magkaiba pa rin sa isa't isa. Dahil ang dalawa ay walang nuclear interruptions, ang antas ng kalayaan kung saan maaari silang mag-iba ay dapat magkaroon ng isang proseso na nagbibigay ng panloob na pagkabit sa neutron - sa pamamagitan ng paikot na pagbabago ng mga pares ng bumubuo nito ( 4.10 ). At ang tanging antas ng kalayaan na nakikita natin dito ay ang posibilidad nanghihina ang panloob na koneksyon na ito "sa mass gain" ( 4.10 ), dahil sa isang pagbaba sa dalas ng cyclic transformations sa neutron - na may paglabas ng kaukulang g-quanta. Ang pagdadala ng mga neutron sa isang mahinang estado - halimbawa, sa panahon ng pagkabulok ng mabibigat na nuclei, kapag ang matinding pagbabago ng enerhiya mula sa isang anyo patungo sa isa pa - ay tila hindi kakaiba sa atin. Ang humina na estado ng neutron ay tila dahil sa abnormal na operasyon ng programa na bumubuo ng neutron sa pisikal na mundo - at sa parehong oras ay mas madali para sa neutron na mabulok sa isang proton at isang elektron. Tila ang average na haba ng buhay na 17 minuto na sinusukat para sa mga neutron na ibinubuga mula sa mga nuclear reactor ay tipikal ng mga attenuated na neutron. Ang isang unattenuated neutron ay may kakayahang mabuhay, sa aming opinyon, hangga't gumagana ang algorithm sa pagkonekta nito ( 4.10 ), ibig sabihin, walang katiyakan.

Paano sinisira ng isang mahinang neutron ang isang mabigat na nucleus? Kung ikukumpara sa mga unweakened neutrons, ang panahon ng mga pagkagambala ng nucleon pulsations ay nadagdagan para sa weakened neutrons. Kung ang naturang neutron, na pumasok sa nucleus, ay magkakaroon ng mga nuclear interruptions na "naka-on", upang ito ay maiugnay sa ilang proton, kung gayon ang inilarawan sa itaas na pag-synchronize ng paglipat ng mga bono sa triple n 0 -p + -n 0 (4.12 ) ay magiging imposible. Bilang resulta, ang pag-synchronize ng bono sa kaukulang a-complex ay maaabala, na magsasanhi ng pagkakasunod-sunod ng mga pagkabigo sa paglipat ng bono na mahusay na humuhubog sa mga a-complex at tinitiyak ang dynamic na istraktura ng nucleus ( 4.12 ). Sa makasagisag na pagsasalita, ang isang crack ay dadaan sa nucleus, na nabuo hindi sa pamamagitan ng puwersang pagkasira ng mga nuclear bond, ngunit sa pamamagitan ng mga paglabag sa synchronism ng kanilang paglipat. Tandaan na ang pangunahing sandali para sa inilarawang sitwasyon ay ang "pagbukas" ng nuclear bond sa humina na neutron - at para mangyari ang "pagbukas" na ito, ang neutron ay dapat magkaroon ng sapat na maliit na kinetic energy. Ito ay kung paano namin ipaliwanag kung bakit ang mga neutron na may kinetic energy na ilang daang keV ay nakaka-excite lang sa isang mabigat na nucleus, habang ang mga thermal neutron na may enerhiya na ilang hundredth lang ng isang eV ay maaaring epektibong masira ito.

Ano ang nakikita natin? Kapag ang nucleus ay nahahati sa dalawang fragment, ang mga nuclear bond na iyon ay "aksidenteng" gumuho, na, sa normal na mode ng kanilang paglipat ( 4.12 ), iniugnay ang dalawang fragment na ito sa orihinal na nucleus. Ang isang abnormal na sitwasyon ay lumitaw kung saan ang mga self-energy ng ilang mga nucleon ay nababawasan ng enerhiya ng mga nuclear bond, ngunit ang mga bono mismo ay hindi na umiiral. Ang contingency na ito, ayon sa lohika ng prinsipyo ng autonomous energy transformations ( 4.4 ), ang sitwasyon ay agad na naitama tulad ng sumusunod: ang mga self-energy ng mga nucleon ay nananatiling tulad ng mga ito, at ang mga dating enerhiya ng mga nasirang bono ay na-convert sa kinetic energy ng mga nucleon - at, sa huli, sa kinetic energy ng mga fragment. Kaya, ang enerhiya ng fission ng isang mabigat na nucleus ay dahil hindi sa pagkakaiba sa pagitan ng mga mass defect ng paunang nucleus at ng mga fragment, at hindi sa enerhiya ng Coulomb repulsion ng mga fragment. Ang kinetic energy ng mga fragment ay ang dating enerhiya ng mga nuclear bond na humawak sa mga fragment na ito sa orihinal na nucleus. Ang konklusyon na ito ay sinusuportahan ng kapansin-pansin at hindi gaanong kilalang katotohanan ng patuloy na kinetic energy ng mga fragment, anuman ang lakas ng epekto na nagpapasimula ng fission ng nucleus. Kaya, kapag ang fission ng uranium nuclei ay pinasimulan ng mga proton na may enerhiya na 450 MeV, ang kinetic energy ng mga fragment ay 163 ± 8 MeV, i.e. kasing dami kapag ang fission ay pinasimulan ng mga thermal neutron, na may mga enerhiya sa sandaang bahagi ng isang eV!

Batay sa iminungkahing modelo, gumawa tayo ng tinatayang pagtatantya ng enerhiya ng fission ng uranium nucleus ayon sa pinaka-malamang na variant, 92 U 235 ® 36 Kr 94 + 56 Ba 139 , kung saan ang mga fragment ay kinabibilangan ng 18 at 28 a-complexes . Ipagpalagay na ang 18 at 28 a-complex na ito ay naka-link sa orihinal na nucleus ng 8-10 switchable bond, bawat isa ay may average na enerhiya na 20 MeV (tingnan ang Fig. Fig.4.13), kung gayon ang enerhiya ng mga fragment ay dapat na 160–200 MeV, i.e. halaga na malapit sa aktwal na halaga.

Ang nilalaman ng artikulo

NUCLEAR FISSION, isang nuclear reaction kung saan ang isang atomic nucleus, kapag binomba ng mga neutron, ay nahahati sa dalawa o higit pang mga fragment. Ang kabuuang masa ng mga fragment ay karaniwang mas mababa kaysa sa kabuuan ng mga masa ng paunang nucleus at ang bombarding neutron. "Ang Nawawalang Misa" m nagiging enerhiya E ayon sa pormula ni Einstein E = mc 2, kung saan c ay ang bilis ng liwanag. Dahil ang bilis ng liwanag ay napakataas (299,792,458 m/s), ang isang maliit na masa ay tumutugma sa isang malaking halaga ng enerhiya. Ang enerhiya na ito ay maaaring ma-convert sa kuryente.

Ang enerhiya na inilabas sa panahon ng nuclear fission ay na-convert sa init kapag ang mga fragment ng fission ay bumababa. Ang rate ng paglabas ng init ay depende sa bilang ng nuclei fissioning bawat yunit ng oras. Kapag ang fission ng isang malaking bilang ng nuclei ay nangyayari sa isang maliit na volume sa isang maikling panahon, ang reaksyon ay may katangian ng isang pagsabog. Ito ang prinsipyo ng atomic bomb. Kung, sa kabilang banda, ang isang medyo maliit na bilang ng nuclei fission sa isang malaking volume para sa isang mas mahabang panahon, pagkatapos ay ang resulta ay isang release ng init na maaaring magamit. Ito ang batayan ng mga nuclear power plant. Sa mga nuclear power plant, ang init na inilabas sa mga nuclear reactor bilang resulta ng nuclear fission ay ginagamit upang makabuo ng singaw, na pinapakain sa mga turbine na umiikot sa mga electric generator.

Para sa praktikal na paggamit ng mga proseso ng fission, ang uranium at plutonium ay pinakaangkop. Mayroon silang mga isotopes (mga atom ng isang partikular na elemento na may iba't ibang mga numero ng masa) na nag-fission kapag sumisipsip sila ng mga neutron, kahit na sa napakababang enerhiya.

Ang susi sa praktikal na paggamit ng enerhiya ng fission ay ang katotohanan na ang ilang mga elemento ay naglalabas ng mga neutron sa proseso ng fission. Bagama't ang isang neutron ay nasisipsip sa panahon ng nuclear fission, ang pagkawala na ito ay binubuo ng paggawa ng mga bagong neutron sa panahon ng fission. Kung ang aparato kung saan nagaganap ang fission ay may sapat na malaki ("kritikal") na masa, kung gayon ang isang "chain reaction" ay maaaring mapanatili dahil sa mga bagong neutron. Ang isang chain reaction ay maaaring kontrolin sa pamamagitan ng pagsasaayos ng bilang ng mga neutron na maaaring magdulot ng fission. Kung ito ay mas malaki kaysa sa isa, ang intensity ng paghahati ay tumataas, at kung ito ay mas mababa sa isa, ito ay bumababa.

SANGGUNIAN SA KASAYSAYAN

Ang kasaysayan ng pagtuklas ng nuclear fission ay nagmula sa gawain ni A. Becquerel (1852–1908). Sa pagsisiyasat sa phosphorescence ng iba't ibang materyales noong 1896, natuklasan niya na ang mga mineral na naglalaman ng uranium ay kusang naglalabas ng radiation na nagiging sanhi ng pag-itim ng isang photographic plate, kahit na ang isang malabo na solid ay inilagay sa pagitan ng mineral at ng plato. Napagtibay ng iba't ibang mga eksperimento na ang radiation na ito ay binubuo ng mga alpha particle (helium nuclei), beta particle (electrons) at gamma ray (hard electromagnetic radiation).

Ang unang pagbabago ng nuclei, artipisyal na sapilitan ng tao, ay isinagawa noong 1919 ni E. Rutherford, na nag-convert ng nitrogen sa oxygen sa pamamagitan ng pag-irradiate ng nitrogen na may mga particle ng uranium alpha. Ang reaksyong ito ay sinamahan ng pagsipsip ng enerhiya, dahil ang masa ng mga produkto nito - oxygen at hydrogen - ay lumampas sa masa ng mga particle na pumapasok sa reaksyon - nitrogen at alpha particle. Ang pagpapakawala ng enerhiyang nuklear ay unang nakamit noong 1932 nina J. Cockcroft at E. Walton, na binomba ang lithium ng mga proton. Sa reaksyong ito, ang masa ng nuclei na pumapasok sa reaksyon ay medyo mas malaki kaysa sa masa ng mga produkto, bilang isang resulta kung saan ang enerhiya ay pinakawalan.

Noong 1932, natuklasan ni J. Chadwick ang neutron - isang neutral na particle na may mass na humigit-kumulang katumbas ng masa ng nucleus ng isang hydrogen atom. Sinimulang pag-aralan ng mga physicist sa buong mundo ang mga katangian ng particle na ito. Ipinapalagay na ang isang neutron na walang singil sa kuryente at hindi tinataboy ng isang positibong sisingilin na nucleus ay mas malamang na magdulot ng mga reaksyong nuklear. Kinumpirma ng mas kamakailang mga resulta ang haka-haka na ito. Sa Roma, pinailalim ni E. Fermi at ng kanyang mga katuwang ang halos lahat ng elemento ng periodic system sa neutron irradiation at naobserbahan ang mga reaksyong nuklear sa pagbuo ng mga bagong isotopes. Ang patunay ng pagbuo ng mga bagong isotopes ay "artipisyal" na radyaktibidad sa anyo ng gamma at beta radiation.

Ang mga unang indikasyon ng posibilidad ng nuclear fission.

Si Fermi ay kredito sa pagtuklas ng marami sa mga reaksyon ng neutron na kilala ngayon. Sa partikular, sinubukan niyang kumuha ng elementong may atomic number na 93 (neptunium) sa pamamagitan ng pagbomba sa uranium (elemento na may atomic number 92) ng mga neutron. Kasabay nito, nagrehistro siya ng mga electron na ibinubuga bilang resulta ng pagkuha ng neutron sa iminungkahing reaksyon

238 U + 1 n ® 239 Np + b–,

kung saan ang 238 U ay isang isotope ng uranium-238, 1 n ay isang neutron, 239 Np ay neptunium, at b- - elektron. Gayunpaman, ang mga resulta ay halo-halong. Upang mamuno ang posibilidad na ang rehistradong radioactivity ay kabilang sa uranium isotopes o iba pang mga elemento na matatagpuan sa periodic system bago ang uranium, kinakailangan na magsagawa ng pagsusuri ng kemikal ng mga radioactive na elemento.

Ang mga resulta ng pagsusuri ay nagpakita na ang mga hindi kilalang elemento ay tumutugma sa mga serial number na 93, 94, 95 at 96. Samakatuwid, napagpasyahan ni Fermi na nakakuha siya ng mga elemento ng transuranium. Gayunpaman, sina O. Hahn at F. Strassman sa Germany, na nagsagawa ng masusing pagsusuri sa kemikal, ay natagpuan na ang radioactive barium ay naroroon sa mga elemento na nagreresulta mula sa pag-iilaw ng uranium na may mga neutron. Nangangahulugan ito na, marahil, ang bahagi ng uranium nuclei ay nahahati sa dalawang malalaking fragment.

Pagkumpirma ng dibisyon.

Pagkatapos nito, sina Fermi, J. Dunning at J. Pegram mula sa Columbia University ay nagsagawa ng mga eksperimento na nagpakita na ang nuclear fission ay nagaganap. Ang fission ng uranium ng mga neutron ay nakumpirma ng mga pamamaraan ng proportional counter, isang cloud chamber, at ang akumulasyon ng mga fragment ng fission. Ang unang paraan ay nagpakita na ang mga high-energy pulse ay ibinubuga kapag ang isang neutron source ay lumalapit sa isang uranium sample. Sa silid ng ulap, nakita na ang uranium nucleus, na binomba ng mga neutron, ay nahati sa dalawang fragment. Ang huling paraan ay naging posible upang maitatag na, tulad ng hinulaang ng teorya, ang mga fragment ay radioactive. Ang lahat ng pinagsama-samang ito ay nakakumbinsi na pinatunayan na ang fission ay talagang nangyayari, at naging posible na kumpiyansa na hatulan ang enerhiya na inilabas sa panahon ng fission.

Dahil ang tinatanggap na ratio ng bilang ng mga neutron sa bilang ng mga proton sa stable na nuclei ay bumababa sa pagpapababa ng laki ng nucleus, ang fraction ng mga neutron sa mga fragment ay dapat na mas mababa kaysa sa orihinal na uranium nucleus. Kaya, mayroong bawat dahilan upang maniwala na ang proseso ng fission ay sinamahan ng paglabas ng mga neutron. Sa lalong madaling panahon, ito ay nakumpirma ng eksperimento ni F. Joliot-Curie at ng kanyang mga katuwang: ang bilang ng mga neutron na ibinubuga sa proseso ng fission ay mas malaki kaysa sa bilang ng mga nasipsip na neutron. Ito ay lumabas na para sa isang hinihigop na neutron mayroong humigit-kumulang dalawa at kalahating bagong neutron. Ang posibilidad ng isang chain reaction at ang mga prospect para sa paglikha ng isang napakalakas na mapagkukunan ng enerhiya at paggamit nito para sa mga layuning militar ay agad na naging malinaw. Pagkatapos nito, sa isang bilang ng mga bansa (lalo na sa Germany at USA), nagsimula ang trabaho sa paglikha ng isang atomic bomb sa mga kondisyon ng malalim na lihim.

Mga Pag-unlad noong Ikalawang Digmaang Pandaigdig.

Mula 1940 hanggang 1945 ang direksyon ng pag-unlad ay tinutukoy ng mga pagsasaalang-alang ng militar. Noong 1941, ang maliit na dami ng plutonium ay nakuha at ang isang bilang ng mga nuclear parameter ng uranium at plutonium ay itinatag. Sa Estados Unidos, ang pinakamahalagang negosyo sa produksyon at pananaliksik na kinakailangan para dito ay nasa ilalim ng hurisdiksyon ng "Manhattan Military Engineering District", kung saan inilipat ang "Uranium Project" noong Agosto 13, 1942. Sa Columbia University (New York), isang grupo ng mga empleyado na pinamumunuan nina E. Fermi at V. Zinn ang nagsagawa ng mga unang eksperimento kung saan ang pagpaparami ng neutron ay pinag-aralan sa isang sala-sala ng mga bloke ng uranium dioxide at grapayt - isang atomic na "boiler". Noong Enero 1942, ang gawaing ito ay inilipat sa Unibersidad ng Chicago, kung saan noong Hulyo 1942 ay nakuha ang mga resulta na nagpapakita ng posibilidad ng isang self-sustaining chain reaction. Sa una, ang reactor ay nagpapatakbo sa lakas na 0.5 W, ngunit pagkatapos ng 10 araw ang kapangyarihan ay nadagdagan sa 200 W. Ang posibilidad na makakuha ng malaking halaga ng enerhiyang nuklear ay unang ipinakita noong Hulyo 16, 1945, nang ang unang bomba ng atom ay pinasabog sa lugar ng pagsubok sa Alamogordo (New Mexico).

NUCLEAR REACTORS

Ang nuclear reactor ay isang pag-install kung saan posibleng magsagawa ng kinokontrol na self-sustaining chain reaction ng nuclear fission. Maaaring uriin ang mga reaktor ayon sa ginamit na gasolina (fissile at raw isotopes), ayon sa uri ng moderator, ayon sa uri ng mga elemento ng gasolina at sa uri ng coolant.

fissile isotopes.

Mayroong tatlong fissile isotopes - uranium-235, plutonium-239 at uranium-233. Ang Uranium-235 ay ginawa sa pamamagitan ng paghihiwalay ng isotope; plutonium-239 - sa mga reactor kung saan ang uranium-238 ay binago sa plutonium, 238 U ® 239 U ® 239 Np ® 239 Pu; uranium-233 - sa mga reactor kung saan ang thorium-232 ay pinoproseso sa uranium. Ang nuclear fuel para sa isang power reactor ay pinili batay sa mga nuclear at chemical properties nito, pati na rin ang gastos.

Ipinapakita ng talahanayan sa ibaba ang mga pangunahing parameter ng fissile isotopes. Ang kabuuang cross section ay nagpapakilala sa posibilidad ng pakikipag-ugnayan ng anumang uri sa pagitan ng isang neutron at isang naibigay na nucleus. Ang fission cross section ay nagpapakilala sa posibilidad ng nuclear fission ng isang neutron. Ang ani ng enerhiya sa bawat hinihigop na neutron ay depende sa kung anong bahagi ng nuclei ang hindi nakikilahok sa proseso ng fission. Ang bilang ng mga neutron na ibinubuga sa isang kaganapan ng fission ay mahalaga mula sa punto ng view ng pagpapanatili ng chain reaction. Ang bilang ng mga bagong neutron sa bawat hinihigop na neutron ay mahalaga dahil ito ay nagpapakilala sa intensity ng fission. Ang fraction ng mga naantalang neutron na ibinubuga pagkatapos maganap ang fission ay nauugnay sa enerhiya na nakaimbak sa materyal.

MGA KATANGIAN NG FISSILE ISOTOPES

MGA KATANGIAN NG FISSILE ISOTOPES
Isotope	Uranium-235		Uranium-233		Plutonium-239
Enerhiya ng neutron	1 MeV	0.025 eV	1 MeV	0.025 eV	1 MeV	0.025 eV
Buong seksyon	6.6±0.1	695±10	6.2±0.3	600±10	7.3±0.2	1005±5
Dibisyon cross section	1.25±0.05	581 ± 6	1.85±0.10	526±4	1.8±0.1	751±10
Fraction ng nuclei na hindi nakikilahok sa fission	0.077 ± 0.002	0.174 ± 0.01	0.057 ± 0.003	0.098 ± 0.004	0.08 ± 0.1	0.37 ± 0.03
Bilang ng mga neutron na ibinubuga sa isang kaganapan ng fission	2.6±0.1	2.43 ± 0.03	2.65±0.1	2.50±0.03	3.03±0.1	2.84±0.06
Bilang ng mga neutron bawat hinihigop na neutron	2.41±0.1	2.07 ± 0.02	2.51±0.1	2.28 ± 0.02		2.07±0.04
Fraction ng mga naantalang neutron, %	(0.64±0.03)	(0.65±0.02)	(0.26±0.02)	(0.26±0.01)	(0.21±0.01)	(0.22±0.01)
Fission energy, MeV
Ang lahat ng mga seksyon ay ibinibigay sa mga kamalig (10 -28 m 2).

Ang data ng talahanayan ay nagpapakita na ang bawat fissile isotope ay may sariling mga pakinabang. Halimbawa, sa kaso ng isotope na may pinakamalaking cross section para sa mga thermal neutron (na may enerhiya na 0.025 eV), mas kaunting gasolina ang kailangan upang makamit ang kritikal na masa kapag gumagamit ng neutron moderator. Dahil ang pinakamataas na bilang ng mga neutron sa bawat hinihigop na neutron ay nangyayari sa isang mabilis na plutonium reactor (1 MeV), sa breeding mode mas mainam na gumamit ng plutonium sa isang mabilis na reaktor o uranium-233 sa isang thermal reactor kaysa sa uranium-235 sa isang thermal reactor. Ang Uranium-235 ay mas pinipili sa mga tuntunin ng kadalian ng kontrol, dahil mayroon itong mas malaking proporsyon ng mga naantalang neutron.

Mga hilaw na isotopes.

Mayroong dalawang hilaw na isotopes: thorium-232 at uranium-238, kung saan nakuha ang fissile isotopes na uranium-233 at plutonium-239. Ang teknolohiya para sa paggamit ng mga hilaw na isotopes ay nakasalalay sa iba't ibang mga kadahilanan, tulad ng pangangailangan para sa pagpapayaman. Ang uranium ore ay naglalaman ng 0.7% uranium-235, habang ang thorium ore ay hindi naglalaman ng fissile isotopes. Samakatuwid, ang isang enriched fissile isotope ay dapat idagdag sa thorium. Ang bilang ng mga bagong neutron sa bawat hinihigop na neutron ay mahalaga din. Isinasaalang-alang ang salik na ito, kinakailangang bigyan ng kagustuhan ang uranium-233 sa kaso ng mga thermal neutron (moderate sa isang enerhiya na 0.025 eV), dahil sa ilalim ng gayong mga kondisyon ang bilang ng mga emitted neutrons ay mas malaki, at, dahil dito, ang conversion Ang factor ay ang bilang ng bagong fissile nuclei sa bawat isang "ginugol" na fissile nucleus.

Mga retarder.

Nagsisilbi ang moderator upang bawasan ang enerhiya ng mga neutron na ibinubuga sa proseso ng fission mula sa humigit-kumulang 1 MeV hanggang sa mga thermal energies na humigit-kumulang 0.025 eV. Dahil ang pagmo-moderate ay pangunahing nangyayari bilang resulta ng nababanat na pagkalat ng nuclei ng mga non-fissile atoms, ang masa ng mga atomo ng moderator ay dapat kasing liit hangga't maaari upang ang neutron ay makapaglipat ng pinakamataas na enerhiya sa kanila. Bilang karagdagan, ang mga atomo ng moderator ay dapat magkaroon ng isang maliit na (kumpara sa scattering cross section) na capture cross section, dahil ang neutron ay kailangang paulit-ulit na bumangga sa mga atomo ng moderator bago ito bumagal sa thermal energy.

Ang pinakamahusay na moderator ay hydrogen, dahil ang masa nito ay halos katumbas ng masa ng neutron at, samakatuwid, ang neutron ay nawawalan ng pinakamalaking halaga ng enerhiya kapag bumabangga sa hydrogen. Ngunit ang ordinaryong (magaan) na hydrogen ay sumisipsip ng mga neutron nang masyadong malakas, at samakatuwid ang deuterium (mabigat na hydrogen) at mabigat na tubig ay nagiging mas angkop na mga moderator, sa kabila ng kanilang bahagyang mas malaking masa, dahil mas mababa ang kanilang pagsipsip ng mga neutron. Ang Beryllium ay maaaring ituring na isang mahusay na moderator. Ang carbon ay may napakaliit na neutron absorption cross section na epektibo nitong pinapadali ang mga neutron, bagama't nangangailangan ito ng mas maraming banggaan para bumagal kaysa sa hydrogen.

Average na numero N Ang mga elastic na banggaan na kinakailangan upang mapabagal ang isang neutron mula 1 MeV hanggang 0.025 eV gamit ang hydrogen, deuterium, beryllium, at carbon ay humigit-kumulang 18, 27, 36, at 135, ayon sa pagkakabanggit. Ang tinatayang likas na katangian ng mga halagang ito ay dahil sa ang katunayan na, dahil sa pagkakaroon ng enerhiya ng kemikal, ang mga bono sa moderator ng banggaan sa mga enerhiya na mas mababa sa 0.3 eV ay halos hindi nababanat. Sa mababang enerhiya, ang atomic na sala-sala ay maaaring maglipat ng enerhiya sa mga neutron o baguhin ang epektibong masa sa isang banggaan, sa gayon ay lumalabag sa proseso ng pagbabawas ng bilis.

Mga tagadala ng init.

Ang mga coolant na ginagamit sa mga nuclear reactor ay tubig, mabigat na tubig, likidong sodium, likidong sodium-potassium alloy (NaK), helium, carbon dioxide, at mga organikong likido tulad ng terphenyl. Ang mga sangkap na ito ay mahusay na nagdadala ng init at may mababang mga seksyon ng pagsipsip ng neutron.

Ang tubig ay isang mahusay na moderator at coolant, ngunit sumisipsip ng mga neutron nang masyadong malakas at may napakataas na presyon ng singaw (14 MPa) sa operating temperature na 336 ° C. Ang pinakakilalang moderator ay mabigat na tubig. Ang mga katangian nito ay malapit sa mga ordinaryong tubig, at ang neutron absorption cross section ay mas maliit. Ang sodium ay isang mahusay na coolant, ngunit hindi epektibo bilang isang neutron moderator. Samakatuwid, ito ay ginagamit sa mabilis na neutron reactor, kung saan mas maraming neutron ang ibinubuga sa panahon ng fission. Totoo, ang sodium ay may isang bilang ng mga disadvantages: ito ay nagpapahiwatig ng radyaktibidad, mayroon itong mababang kapasidad ng init, ito ay chemically active at solidifies sa temperatura ng silid. Ang isang haluang metal ng sodium at potassium ay katulad sa mga katangian ng sodium, ngunit nananatiling likido sa temperatura ng silid. Ang helium ay isang mahusay na coolant, ngunit mayroon itong mababang tiyak na kapasidad ng init. Ang carbon dioxide ay isang magandang coolant at malawakang ginagamit sa mga graphite-moderated reactor. Ang Terphenyl ay may kalamangan sa tubig na ito ay may mababang presyon ng singaw sa operating temperatura, ngunit ito ay nabubulok at nag-polymerize sa ilalim ng mataas na temperatura at radiation flux na katangian ng mga reactor.

Mga elementong bumubuo ng init.

Ang fuel element (FE) ay isang fuel core na may hermetic sheath. Pinipigilan ng cladding ang pagtagas ng mga produkto ng fission at ang pakikipag-ugnayan ng gasolina sa coolant. Ang materyal ng shell ay dapat mahinang sumisipsip ng mga neutron at may katanggap-tanggap na mekanikal, haydroliko, at mga katangiang nagdadala ng init. Ang mga elemento ng gasolina ay karaniwang mga pellet ng sintered uranium oxide sa aluminum, zirconium, o stainless steel tubes; mga pellets ng uranium alloy na may zirconium, molibdenum at aluminyo na pinahiran ng zirconium o aluminyo (sa kaso ng aluminyo haluang metal); mga graphite tablet na may dispersed uranium carbide na pinahiran ng impermeable graphite.

Ang lahat ng mga elementong panggatong na ito ay ginagamit, ngunit para sa mga reactor na may presyon ng tubig, ang mga uranium oxide pellet sa mga hindi kinakalawang na tubo na bakal ay pinaka-ginustong. Ang uranium dioxide ay hindi tumutugon sa tubig, may mataas na paglaban sa radiation at nailalarawan sa pamamagitan ng isang mataas na punto ng pagkatunaw.

Ang mga graphite fuel cell ay tila napaka-angkop para sa mga reactor na may mataas na temperatura na pinalamig ng gas, ngunit mayroon silang malubhang disbentaha - ang mga produktong gaseous fission ay maaaring tumagos sa pamamagitan ng kanilang cladding dahil sa diffusion o mga depekto sa graphite.

Ang mga organikong coolant ay hindi tugma sa zirconium fuel rods at samakatuwid ay nangangailangan ng paggamit ng aluminum alloys. Ang mga prospect para sa mga reactor na may mga organic na coolant ay nakasalalay sa kung ang mga aluminum alloy o powder metallurgy na produkto ay nilikha na magkakaroon ng lakas (sa mga temperatura ng operating) at thermal conductivity na kinakailangan para sa paggamit ng mga palikpik na nagpapataas ng paglipat ng init sa coolant. Dahil ang paglipat ng init sa pagitan ng gasolina at ng organikong coolant dahil sa thermal conduction ay maliit, ito ay kanais-nais na gumamit ng ibabaw na kumukulo upang madagdagan ang paglipat ng init. Ang mga bagong problema ay maiuugnay sa pagkulo sa ibabaw, ngunit dapat itong malutas kung ang paggamit ng mga organikong likido sa paglilipat ng init ay napatunayang kapaki-pakinabang.

MGA URI NG REACTORS

Sa teorya, higit sa 100 iba't ibang uri ng mga reactor ang posible, na naiiba sa gasolina, moderator, at mga coolant. Karamihan sa mga maginoo na reactor ay gumagamit ng tubig bilang coolant, alinman sa ilalim ng presyon o tubig na kumukulo.

May presyon na reaktor ng tubig.

Sa ganitong mga reactor, ang tubig ay nagsisilbing moderator at coolant. Ang pinainit na tubig ay pumped sa ilalim ng presyon sa isang heat exchanger, kung saan ang init ay inililipat sa tubig ng pangalawang circuit, kung saan ang singaw ay nabuo na umiikot sa turbine.

Kumukulong reaktor.

Sa naturang reaktor, ang tubig ay direktang kumukulo sa reactor core at ang nagresultang singaw ay pumapasok sa turbine. Karamihan sa mga boiling water reactor ay gumagamit din ng tubig bilang isang moderator, ngunit kung minsan ay isang graphite moderator ang ginagamit.

Reactor na may likidong metal na paglamig.

Sa naturang reaktor, ang likidong metal na umiikot sa pamamagitan ng mga tubo ay ginagamit upang ilipat ang init na inilabas sa panahon ng fission sa reaktor. Halos lahat ng mga reactor ng ganitong uri ay gumagamit ng sodium bilang coolant. Ang singaw na nabuo sa kabilang panig ng mga pangunahing circuit pipe ay pinapakain sa isang maginoo na turbine. Ang isang liquid-metal cooled reactor ay maaaring gumamit ng medyo mataas na enerhiya na mga neutron (fast neutron reactor) o mga neutron na na-moderate sa graphite o beryllium oxide. Bilang mga reactor ng breeder, ang mga likidong metal na pinalamig ng mabilis na neutron reactor ay mas kanais-nais, dahil sa kasong ito walang mga pagkalugi ng mga neutron na nauugnay sa pag-moderate.

gas cooled reactor.

Sa naturang reaktor, ang init na inilabas sa panahon ng proseso ng fission ay inililipat sa steam generator sa pamamagitan ng gas - carbon dioxide o helium. Ang neutron moderator ay karaniwang grapayt. Ang isang gas cooled reactor ay maaaring gumana sa mas mataas na temperatura kaysa sa isang liquid cooled reactor at samakatuwid ay angkop para sa industriyal heating system at high efficiency power plants. Ang mga maliliit na reactor na pinalamig ng gas ay nailalarawan sa pamamagitan ng mas mataas na kaligtasan sa pagpapatakbo, lalo na, ang kawalan ng panganib ng pagkatunaw ng reaktor.

homogenous na mga reaktor.

Sa core ng homogenous reactors, isang homogenous na likido na naglalaman ng fissile isotope ng uranium ay ginagamit. Ang likido ay karaniwang isang molten uranium compound. Ito ay ibinobomba sa isang malaking spherical pressurized na sisidlan kung saan ang isang fission chain reaction ay nangyayari sa isang kritikal na masa. Ang likido ay pagkatapos ay pinapakain sa generator ng singaw. Ang mga homogenous na reactor ay hindi nakakuha ng katanyagan dahil sa disenyo at mga teknolohikal na paghihirap.

REACTIVITY AT KONTROL

Ang posibilidad ng isang self-sustaining chain reaction sa isang nuclear reactor ay depende sa kung gaano karaming neutron ang tumutulo mula sa reactor. Ang mga neutron na ginawa sa panahon ng fission ay nawawala bilang resulta ng pagsipsip. Bilang karagdagan, ang pagtagas ng neutron ay posible dahil sa pagsasabog sa pamamagitan ng bagay, katulad ng pagsasabog ng isang gas sa isa pa.

Upang makontrol ang isang nuclear reactor, kailangan mong makontrol ang neutron multiplication factor k, na tinukoy bilang ratio ng bilang ng mga neutron sa isang henerasyon sa bilang ng mga neutron sa nakaraang henerasyon. Sa k= 1 (kritikal na reaktor) mayroong nakatigil na chain reaction na may pare-parehong intensity. Sa k> 1 (supercritical reactor), tumataas ang intensity ng proseso, at sa k r = 1 – (1/ k) ay tinatawag na reaktibiti.)

Dahil sa hindi pangkaraniwang bagay ng mga naantalang neutron, ang oras ng "kapanganakan" ng mga neutron ay tumataas mula 0.001 s hanggang 0.1 s. Ang katangiang oras ng reaksyon na ito ay ginagawang posible na kontrolin ito sa tulong ng mga mekanikal na actuator - mga control rod na gawa sa isang materyal na sumisipsip ng mga neutron (B, Cd, Hf, In, Eu, Gd, atbp.). Ang control time constant ay dapat na nasa pagkakasunud-sunod ng 0.1 s o higit pa. Upang matiyak ang kaligtasan, ang naturang reactor operation mode ay pinili kung saan ang mga naantalang neutron ay kailangan sa bawat henerasyon upang mapanatili ang isang nakatigil na chain reaction.

Upang matiyak ang isang naibigay na antas ng kapangyarihan, ginagamit ang mga control rod at neutron reflector, ngunit ang problema sa pagkontrol ay maaaring lubos na pasimplehin sa pamamagitan ng tamang pagkalkula ng reaktor. Halimbawa, kung ang reactor ay idinisenyo upang habang tumataas ang kapangyarihan o temperatura, bumababa ang reaktibiti, kung gayon ito ay magiging mas matatag. Halimbawa, kung ang retardation ay hindi sapat, ang tubig sa reactor ay lumalawak dahil sa pagtaas ng temperatura, i.e. bumababa ang density ng moderator. Bilang isang resulta, ang pagsipsip ng mga neutron sa uranium-238 ay pinahusay, dahil wala silang oras upang epektibong bumagal. Sa ilang mga reactor, ginagamit ang isang salik upang mapataas ang pagtagas ng mga neutron mula sa reaktor dahil sa pagbaba ng density ng tubig. Ang isa pang paraan upang patatagin ang reaktor ay ang pag-init ng "resonant neutron absorber", tulad ng uranium-238, na pagkatapos ay sumisipsip ng mga neutron nang mas malakas.

Mga sistema ng seguridad.

Ang kaligtasan ng reaktor ay sinisiguro ng isa o ibang mekanismo para sa pag-shut down nito sa kaganapan ng isang matalim na pagtaas sa kapangyarihan. Ito ay maaaring isang mekanismo ng isang pisikal na proseso, o isang operasyon ng isang kontrol at sistema ng proteksyon, o pareho. Kapag nagdidisenyo ng mga reactor na may presyon ng tubig, ang mga emerhensiya ay ibinibigay kapag ang malamig na tubig ay pumasok sa reaktor, isang pagbaba sa rate ng daloy ng coolant, at masyadong mataas na reaktibidad sa panahon ng pagsisimula. Dahil ang intensity ng reaksyon ay tumataas sa pagbaba ng temperatura, na may isang matalim na pag-agos ng malamig na tubig sa reactor, reaktibiti at pagtaas ng kapangyarihan. Ang sistema ng proteksyon ay karaniwang nagbibigay ng isang awtomatikong lock upang maiwasan ang pagpasok ng malamig na tubig. Sa pagbaba ng daloy ng coolant, ang reactor ay nag-overheat, kahit na ang kapangyarihan nito ay hindi tumaas. Sa ganitong mga kaso, kinakailangan ang awtomatikong paghinto. Bilang karagdagan, ang mga coolant pump ay dapat na may sukat upang matustusan ang coolant na kailangan upang isara ang reaktor. Ang isang sitwasyong pang-emerhensiya ay maaaring lumitaw kapag sinimulan ang isang reaktor na may masyadong mataas na reaktibiti. Dahil sa mababang antas ng kapangyarihan, ang reaktor ay walang oras upang magpainit ng sapat para sa proteksyon sa temperatura na gumana hanggang sa huli na. Ang tanging maaasahang panukala sa mga ganitong kaso ay ang maingat na pagsisimula ng reaktor.

Ang pag-iwas sa mga emerhensiyang ito ay medyo simple kung susundin mo ang sumusunod na panuntunan: lahat ng mga aksyon na maaaring magpapataas ng reaktibiti ng system ay dapat na maingat at mabagal. Ang pinakamahalagang bagay sa isyu ng kaligtasan ng reaktor ay ang ganap na pangangailangan para sa pangmatagalang paglamig ng core ng reaktor pagkatapos ng pagwawakas ng reaksyon ng fission sa loob nito. Ang katotohanan ay ang mga radioactive fission na produkto na natitira sa mga cartridge ng gasolina ay naglalabas ng init. Ito ay mas mababa kaysa sa init na inilabas sa buong power mode, ngunit ito ay sapat na upang matunaw ang mga elemento ng gasolina sa kawalan ng kinakailangang paglamig. Ang isang maikling pagkagambala sa supply ng cooling water ay humantong sa malaking pinsala sa core at ang aksidente ng reactor sa Three Mile Island (USA). Ang pagkasira ng reactor core ay ang pinakamababang pinsala sa kaganapan ng naturang aksidente. Mas masahol pa, kung mayroong pagtagas ng mga mapanganib na radioactive isotopes. Karamihan sa mga pang-industriyang reactor ay nilagyan ng hermetically sealed na mga shell ng kaligtasan, na dapat na pigilan ang paglabas ng mga isotopes sa kapaligiran sa kaganapan ng isang aksidente.

Sa konklusyon, tandaan namin na ang posibilidad ng pagkasira ng reaktor ay higit sa lahat ay nakasalalay sa pamamaraan at disenyo nito. Ang mga reactor ay maaaring idisenyo sa paraang ang pagbabawas ng daloy ng rate ng coolant ay hindi hahantong sa malalaking problema. Ito ang iba't ibang uri ng mga gas cooled reactor.

Ang katotohanan na ang enerhiya ay inilabas sa panahon ng fission ng mabibigat na nuclei ay sumusunod nang direkta mula sa pag-asa ng tiyak na nagbubuklod na enerhiya ε = E St (A,Z)/A sa mass number A (Fig. 2). 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 inisyal at panghuling nuclei. Ang enerhiya ng paunang nucleus, na binubuo ng mga Z proton at N neutron, 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 agarang mga neutron. 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 ay para sa enerhiya ng fission mayroon kaming expression:

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

At

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

Sa Fig. Ipinapakita ng 26 ang form ng paghahanap ng calculator ng Nuclear Fission na may isang halimbawa ng pagbuo ng isang reseta sa paghahanap upang matukoy ang threshold ng enerhiya at enerhiya ng reaksyon ng spontaneous fission ng 235 U nucleus na may pagbuo ng isang 139 Xe fragment at ang paglabas ng isang neutron .

Ang pagbuo ng pagtuturo ng kahilingan ay isinasagawa tulad ng sumusunod:

• « Ang nucleus ang target» – 235 U (mga value na Z = 92, A= 235 ang napili);
• « particle ng insidente» – walang mga particle ng insidente – kusang fission (pinili sa drop-down na menu « Walang lumilipad na particle»);
• « Mapipili (user) shard» – fragment nucleus, halimbawa, 95 Sr (mga halaga ng Z = 38, A = 95 ang napili);
• « (tinukoy ng programa) shard» – 140 Xe fragment nucleus (Z = 92 – 38 = 54,
  A = 235 - 95 = 140);
• « Instant particle 1 na kasama ng fission»ay isang neutron (ang mga halaga Z = 0,
  A = 1," Bilang ng mga particle"- isa); sa parehong oras, ang mga pagbabasa ng fragment na tinutukoy ng programa - 139 Xe (Z = 54, A = 140 - 1 = 149) ay nagbabago.

Sa Fig. Ipinapakita ng Figure 27 ang output form ng query na ito: makikita na walang energy threshold para sa fission ng 235 U nucleus. Ang 235 U nucleus ay may decay mode – “Neutron emission”).

>> uranium fission

§ 107 FISSION NG URANIUS NUCLEI

Tanging ang nuclei ng ilang mabibigat na elemento ay maaaring hatiin sa mga bahagi. Sa panahon ng fission ng nuclei, dalawa o tatlong neutron at -ray ang ibinubuga. Kasabay nito, maraming enerhiya ang inilabas.

Pagtuklas ng uranium fission. Ang fission ng uranium nuclei ay natuklasan noong 1938 ng mga German scientist na sina O. Hahn at F. Strassmann. Itinatag nila na kapag ang uranium ay binomba ng mga neutron, ang mga elemento ng gitnang bahagi ng periodic system ay bumangon: barium, krypton, atbp. simula ng 1939 ng English physicist na si O. Frisch kasama ang Austrian physicist na si L. Meitner.

Ang pagkuha ng isang neutron ay sumisira sa katatagan ng nucleus. Ang nucleus ay nasasabik at nagiging hindi matatag, na humahantong sa paghahati nito sa mga fragment. Posible ang nuclear fission dahil ang natitirang masa ng isang mabigat na nucleus ay mas malaki kaysa sa kabuuan ng natitirang masa ng mga fragment na lumabas sa panahon ng fission. Samakatuwid, mayroong isang paglabas ng enerhiya na katumbas ng pagbawas sa natitirang masa na kasama ng fission.

Ang posibilidad ng fission ng mabigat na nuclei ay maaari ding ipaliwanag gamit ang isang graph ng dependence ng tiyak na nagbubuklod na enerhiya sa mass number A (tingnan ang Fig. 13.11). Ang tiyak na nagbubuklod na enerhiya ng nuclei ng mga atomo ng mga elemento na sumasakop sa mga huling lugar sa periodic system (A 200) ay humigit-kumulang 1 MeV na mas mababa kaysa sa tiyak na nagbubuklod na enerhiya sa nuclei ng mga elemento na matatagpuan sa gitna ng periodic system (A 100) . Samakatuwid, ang proseso ng fission ng mabibigat na nuclei sa nuclei ng mga elemento sa gitnang bahagi ng periodic system ay energetically paborable. Pagkatapos ng fission, ang sistema ay napupunta sa isang estado na may kaunting panloob na enerhiya. Pagkatapos ng lahat, mas malaki ang nagbubuklod na enerhiya ng nucleus, mas malaki ang enerhiya na dapat ilabas kapag lumitaw ang nucleus at, dahil dito, mas mababa ang panloob na enerhiya ng bagong nabuo na sistema.

Sa panahon ng nuclear fission, ang nagbubuklod na enerhiya sa bawat nucleon ay tumataas ng 1 MeV, at ang kabuuang enerhiya na inilabas ay dapat na malaki - mga 200 MeV. Walang ibang reaksyong nuklear (hindi nauugnay sa fission) ang naglalabas ng gayong malalaking enerhiya.

Ang mga direktang sukat ng enerhiya na inilabas sa panahon ng fission ng uranium nucleus ay nakumpirma ang mga pagsasaalang-alang sa itaas at nagbigay ng halaga na 200 MeV. Bukod dito, ang karamihan sa enerhiya na ito (168 MeV) ay nahuhulog sa kinetic energy ng mga fragment. Sa Figure 13.13 makikita mo ang mga track ng fissile uranium fragment sa isang cloud chamber.

Ang enerhiya na inilabas sa panahon ng nuclear fission ay electrostatic kaysa sa nuclear na pinagmulan. Ang malaking kinetic energy na fragment ay lumitaw dahil sa kanilang Coulomb repulsion.

mekanismo ng nuclear fission. Ang proseso ng nuclear fission ay maaaring ipaliwanag sa batayan ng drop model ng nucleus. Ayon sa modelong ito, ang isang bungkos ng mga nucleon ay kahawig ng isang patak ng isang sisingilin na likido (Larawan 13.14, a). Ang mga puwersang nuklear sa pagitan ng mga nucleon ay maikli, tulad ng mga puwersang kumikilos sa pagitan ng mga likidong molekula. Kasama ng malalakas na puwersa ng electrostatic repulsion sa pagitan ng mga proton, na may posibilidad na mapunit ang nucleus, mayroon pang mas malalaking nuclear forces of attraction. Pinipigilan ng mga puwersang ito ang nucleus mula sa pagkawatak-watak.

Ang uranium-235 nucleus ay spherical. Ang pagkakaroon ng hinihigop ng isang dagdag na neutron, ito ay nasasabik at nagsisimulang mag-deform, nakakakuha ng isang pinahabang hugis (Larawan 13.14, b). Ang core ay iuunat hanggang sa ang mga salungat na pwersa sa pagitan ng mga halves ng pinahabang core ay magsimulang mangibabaw sa mga kaakit-akit na pwersa na kumikilos sa isthmus (Larawan 13.14, c). Pagkatapos nito, ito ay napunit sa dalawang bahagi (Larawan 13.14, d).

Sa ilalim ng pagkilos ng Coulomb repulsive forces, ang mga fragment na ito ay lumilipad sa bilis na katumbas ng 1/30 ng bilis ng liwanag.

Paglabas ng mga neutron sa panahon ng fission. Ang pangunahing katotohanan ng nuclear fission ay ang paglabas ng dalawa o tatlong neutron sa panahon ng fission. Ito ay salamat sa ito na ang praktikal na paggamit ng intranuclear energy ay naging posible.

Posibleng maunawaan kung bakit ang mga libreng neutron ay ibinubuga mula sa mga sumusunod na pagsasaalang-alang. Ito ay kilala na ang ratio ng bilang ng mga neutron sa bilang ng mga proton sa stable nuclei ay tumataas sa pagtaas ng atomic number. Samakatuwid, sa mga fragment na nagmumula sa fission, ang kamag-anak na bilang ng mga neutron ay lumalabas na mas malaki kaysa sa pinahihintulutan para sa nuclei ng mga atomo na matatagpuan sa gitna ng periodic table. Bilang resulta, maraming neutron ang inilabas sa proseso ng fission. Ang kanilang enerhiya ay may iba't ibang halaga - mula sa ilang milyong electron volts hanggang sa napakaliit, malapit sa zero.

Ang fission ay kadalasang nangyayari sa mga fragment, na ang mga masa ay nag-iiba ng halos 1.5 beses. Ang mga fragment na ito ay lubhang radioactive, dahil naglalaman ang mga ito ng labis na dami ng mga neutron. Bilang resulta ng sunud-sunod na pagkabulok, ang mga matatag na isotopes ay nakuha sa kalaunan.

Sa konklusyon, tandaan namin na mayroon ding kusang fission ng uranium nuclei. Natuklasan ito ng mga physicist ng Sobyet na sina G. N. Flerov at K. A. Petrzhak noong 1940. Ang kalahating buhay para sa spontaneous fission ay 10 16 taon. Ito ay dalawang milyong beses na mas mahaba kaysa sa kalahating buhay ng pagkabulok ng uranium.

Ang reaksyon ng nuclear fission ay sinamahan ng pagpapalabas ng enerhiya.

Nilalaman ng aralin buod ng aralin suporta frame lesson presentation accelerative methods interactive na mga teknolohiya Magsanay mga gawain at pagsasanay mga workshop sa pagsusuri sa sarili, mga pagsasanay, mga kaso, mga quests mga tanong sa talakayan sa araling-bahay, mga tanong na retorika mula sa mga mag-aaral Mga Ilustrasyon audio, mga video clip at multimedia mga larawan, mga larawang graphics, mga talahanayan, mga scheme ng katatawanan, mga anekdota, mga biro, mga parabula sa komiks, mga kasabihan, mga crossword puzzle, mga quote Mga add-on mga abstract articles chips for inquisitive crib textbooks basic at karagdagang glossary ng terms other Pagpapabuti ng mga aklat-aralin at mga aralinpagwawasto ng mga pagkakamali sa aklat-aralin pag-update ng isang fragment sa aklat-aralin na mga elemento ng pagbabago sa aralin na pinapalitan ng mga bago ang hindi na ginagamit na kaalaman Para lamang sa mga guro perpektong mga aralin plano sa kalendaryo para sa taon na mga rekomendasyong pamamaraan ng programa ng talakayan Pinagsanib na Aralin