Jadrové štiepenie- proces štiepenia atómového jadra na dve (menej často tri) jadrá s podobnou hmotnosťou, nazývané štiepne fragmenty. V dôsledku štiepenia môžu vzniknúť aj ďalšie produkty reakcie: ľahké jadrá (hlavne častice alfa), neutróny a gama lúče. Štiepenie môže byť spontánne (spontánne) a vynútené (ako výsledok interakcie s inými časticami, predovšetkým s neutrónmi). Štiepenie ťažkých jadier je exotermický proces, v dôsledku ktorého sa uvoľňuje veľké množstvo energie vo forme kinetickej energie produktov reakcie, ako aj žiarenia. Jadrové štiepenie slúži ako zdroj energie v jadrových reaktoroch a jadrových zbraniach. Proces štiepenia môže nastať iba vtedy, keď potenciálna energia počiatočného stavu štiepneho jadra prekročí súčet hmotností štiepnych fragmentov. Keďže špecifická väzbová energia ťažkých jadier klesá so zvyšujúcou sa ich hmotnosťou, táto podmienka je splnená takmer pre všetky jadrá s hmotnostným číslom .

Ako však ukazujú skúsenosti, aj tie najťažšie jadrá sa štiepia spontánne s veľmi nízkou pravdepodobnosťou. To znamená, že existuje energetická bariéra ( štiepna bariéra), ktoré bránia rozdeleniu. Na popis procesu jadrového štiepenia, vrátane výpočtu štiepnej bariéry, sa používa niekoľko modelov, ale žiadny z nich nedokáže tento proces úplne vysvetliť.

To, že sa energia uvoľňuje pri štiepení ťažkých jadier priamo vyplýva zo závislosti špecifickej väzbovej energie ε = E ľahké (A,Z)/A z hmotnostného čísla A. Pri štiepení ťažkého jadra vznikajú ľahšie jadrá, v ktorých sú nukleóny pevnejšie viazané a časť energie sa pri štiepení uvoľňuje. Jadrové štiepenie je spravidla sprevádzané emisiou 1–4 neutrónov. Vyjadrime energiu štiepenia Q pomocou väzbových energií počiatočného a konečného jadra. Energiu počiatočného jadra pozostávajúceho z protónov Z a N neutrónov s hmotnosťou M(A,Z) a väzbovou energiou E st (A,Z) zapíšeme v nasledujúcom tvare:

M(A,Z)c2 = (Zmp + Nmn)c2 - E St (A,Z).

Rozdelenie jadra (A,Z) na 2 fragmenty (A 1,Z 1) a (A 2,Z 2) je sprevádzané tvorbou N n = A – A 1 – A 2 vyvolávajú neutróny. Ak sa jadro (A,Z) rozdelí na fragmenty s hmotnosťou M 1 (A 1 ,Z 1), M 2 (A 2 ,Z 2) a väzbovými energiami E св1 (A 1,Z 1), E св2 (A 2 , Z 2), potom pre energiu štiepenia máme výraz:

Q div = (M(A,Z) – )c 2 = E St 1 (A 1 ,Z 1) + E St (A 2 ,Z 2) – E St (A,Z),

A = Ai + A2 + Nn, Z = Zi + Z2.

23. Elementárna teória štiepenia.

V roku 1939 N. Bor A J. Wheeler, a tiež Áno, Frenkel Dávno predtým, ako bolo štiepenie komplexne experimentálne študované, bola navrhnutá teória tohto procesu založená na myšlienke jadra ako kvapky nabitej kvapaliny.

Energiu uvoľnenú pri štiepení možno získať priamo z Weizsäckerove vzorce.

Vypočítajme množstvo energie uvoľnenej pri štiepení ťažkého jadra. Dosadme do (f.2) výrazy pre väzbové energie jadier (f.1), za predpokladu, že A 1 = 240 a Z 1 = 90. Zanedbanie posledného člena v (f.1) pre jeho maličkosť a dosadenie dostaneme hodnoty parametrov a 2 a a 3

Z toho dostaneme, že štiepenie je energeticky priaznivé, keď Z 2 /A > 17. Hodnota Z 2 /A sa nazýva parameter štiepiteľnosti. Energia E uvoľnená pri štiepení rastie so zvyšujúcim sa Z 2 /A; Z2/A = 17 pre jadrá v oblasti ytria a zirkónu. Zo získaných odhadov je zrejmé, že štiepenie je energeticky priaznivé pre všetky jadrá s A > 90. Prečo je väčšina jadier stabilných vzhľadom na spontánne štiepenie? Aby sme odpovedali na túto otázku, pozrime sa, ako sa mení tvar jadra počas štiepenia.

Pri štiepnom procese jadro postupne prechádza nasledujúcimi štádiami (obr. 2): gulička, elipsoid, činka, dva úlomky hruškovitého tvaru, dva guľovité úlomky. Ako sa mení potenciálna energia jadra počas rôznych štádií štiepenia? Potom, čo došlo k štiepeniu a fragmenty sú umiestnené vo vzájomnej vzdialenosti oveľa väčšej ako je ich polomer, možno potenciálnu energiu fragmentov, určenú coulombovskou interakciou medzi nimi, považovať za rovnú nule.

Uvažujme o počiatočnom štádiu štiepenia, keď jadro s rastúcim r nadobudne podobu čoraz predĺženejšieho rotačného elipsoidu. V tomto štádiu delenia je r mierou odchýlky jadra od guľovitého tvaru (obr. 3). V dôsledku vývoja tvaru jadra je zmena jeho potenciálnej energie určená zmenou súčtu povrchových a Coulombových energií E" n + E" k. Predpokladá sa, že objem jadra zostáva nezmenený počas procesu deformácie. V tomto prípade sa povrchová energia E"n zvyšuje so zväčšujúcim sa povrchom jadra. Coulombova energia E"k klesá so zvyšujúcou sa priemernou vzdialenosťou medzi nukleónmi. Nechajte sférické jadro v dôsledku miernej deformácie charakterizovanej malým parametrom získať tvar osovo symetrického elipsoidu. Je možné ukázať, že povrchová energia E" n a Coulombova energia E" k sa líšia v závislosti od:

V prípade malých elipsoidných deformácií nastáva nárast povrchovej energie rýchlejšie ako pokles Coulombovej energie. V oblasti ťažkých jadier 2E n > E k sa súčet povrchových a Coulombových energií zväčšuje. Z (f.4) a (f.5) vyplýva, že pri malých elipsoidných deformáciách bráni nárast povrchovej energie ďalším zmenám tvaru jadra a tým aj štiepeniu. Výraz (f.5) platí pre malé hodnoty (malé deformácie). Ak je deformácia taká veľká, že jadro nadobudne tvar činky, potom sily povrchového napätia, podobne ako Coulombove sily, majú tendenciu jadro oddeliť a dať úlomkom guľový tvar. V tomto štádiu štiepenia je zvýšenie napätia sprevádzané poklesom Coulombovej aj povrchovej energie. Tie. s postupným zvyšovaním deformácie jadra prechádza jeho potenciálna energia cez maximum. Teraz r znamená vzdialenosť medzi stredmi budúcich fragmentov. Ako sa fragmenty od seba vzďaľujú, potenciálna energia ich interakcie sa znižuje, pretože Coulombova odpudzovacia energia E k klesá Závislosť potenciálnej energie od vzdialenosti medzi fragmentmi je znázornená na obr. 4. Nulová úroveň potenciálnej energie zodpovedá súčtu povrchových a Coulombových energií dvoch neinteragujúcich fragmentov. Prítomnosť potenciálnej bariéry bráni okamžitému spontánnemu štiepeniu jadier. Aby sa jadro mohlo okamžite rozdeliť, potrebuje dodať energiu Q, ktorá presahuje výšku bariéry H. Maximálna potenciálna energia štiepneho jadra je približne rovná e 2 Z 2 /(R 1 + R 2), kde R1 a R2 sú polomery fragmentov. Napríklad, keď je jadro zlata rozdelené na dva identické fragmenty, e 2 Z 2 /(R 1 + R 2) = 173 MeV a množstvo energie E uvoľnenej počas štiepenia ( pozri vzorec (f.2)), rovná 132 MeV. Pri štiepení zlatého jadra je teda potrebné prekonať potenciálnu bariéru s výškou okolo 40 MeV. , Čím vyššia je výška bariéry H, tým nižší je pomer Coulombovej a povrchovej energie E k /Ep v počiatočnom jadre. Tento pomer sa naopak zvyšuje so zvyšujúcim sa parametrom deliteľnosti Z 2 /A (

Tie. Podľa kvapôčkového modelu by v prírode nemali existovať žiadne jadrá so Z 2 /A > 49, pretože sa spontánne štiepia takmer okamžite (v rámci charakteristického jadrového času rádovo 10 -22 s). Existencia atómových jadier so Z 2 /A > 49 („ostrov stability“) sa vysvetľuje štruktúrou obalu. Závislosť tvaru, výšky potenciálovej bariéry H a štiepnej energie E od hodnoty štiepneho parametra Z 2 /A je znázornená na obr. 5.

Spontánne štiepenie jadier so Z 2 /A< 49, для которых высота барьера Н не равна нулю, с точки зрения классической физики невозможно. С точки зрения квантовой механики такое деление возможно в результате прохождения через потенциальный барьер и носит название спонтанного деления. Вероятность спонтанного деления растет с увеличением параметра делимости Z 2 /А, т.е. с уменьшением высоты барьера. В целом период полураспада относительно спонтанного деления уменьшается при переходе от менее тяжелых ядер к более тяжелым от Т 1/2 > 10 21 rokov pre 232 Th až 0,3 s pre 260 Ku. Nútené štiepenie jadier so Z 2 /A < 49 может быть вызвано любыми частицами: фотонами, нейтронами, протонами, дейтронами, -частицами и т.д., если энергия, которую они вносят в ядро достаточна для преодоления барьера деления.

>> Štiepenie jadier uránu

§ 107 ŠTEPENIE JADIER URÁNU

Na časti možno rozdeliť iba jadrá niektorých ťažkých prvkov. Pri štiepení jadier sú emitované dva alebo tri neutróny a -lúče. Zároveň sa uvoľňuje veľa energie.

Objav štiepenia uránu.Štiepenie jadier uránu objavil v roku 1938 nemeckí vedci O. Hahn iF. Strassmann. Zistili, že pri bombardovaní uránu neutrónmi vznikajú prvky strednej časti periodickej tabuľky: bárium, kryptón atď. začiatkom roku 1939 anglický fyzik O. Frisch spolu s rakúskym fyzikom L. Meitnerom.

Záchyt neutrónov narúša stabilitu jadra. Jadro sa vzruší a stane sa nestabilným, čo vedie k jeho rozdeleniu na fragmenty. Jadrové štiepenie je možné, pretože pokojová hmotnosť ťažkého jadra je väčšia ako súčet pokojových hmotností úlomkov vznikajúcich pri štiepení. Preto dochádza k uvoľňovaniu energie ekvivalentnej poklesu pokojovej hmoty, ktorý sprevádza štiepenie.

Možnosť štiepenia ťažkých jadier možno vysvetliť aj pomocou grafu špecifickej väzbovej energie oproti hmotnostnému číslu A (pozri obr. 13.11). Špecifická väzbová energia jadier atómov prvkov obsadzujúcich posledné miesta v periodickej tabuľke (A 200) je približne o 1 MeV menšia ako špecifická väzbová energia v jadrách prvkov nachádzajúcich sa v strede periodickej sústavy (A 100) . Preto je proces štiepenia ťažkých jadier na jadrá prvkov v strednej časti periodickej tabuľky energeticky priaznivý. Po štiepení sa systém dostane do stavu s minimálnou vnútornou energiou. Koniec koncov, čím väčšia je väzbová energia jadra, tým väčšia je energia, ktorá by sa mala uvoľniť pri vzniku jadra a následne tým menšia vnútorná energia novovzniknutého systému.

Počas jadrového štiepenia sa väzbová energia na nukleón zvýši o 1 MeV a celková uvoľnená energia musí byť obrovská – rádovo 200 MeV. Žiadna iná jadrová reakcia (nesúvisiaca so štiepením) neuvoľňuje také veľké energie.

Priame merania energie uvoľnenej pri štiepení jadra uránu potvrdili vyššie uvedené úvahy a poskytli hodnotu 200 MeV. Navyše väčšina tejto energie (168 MeV) pripadá na kinetickú energiu fragmentov. Na obrázku 13.13 vidíte stopy štiepnych úlomkov uránu v oblačnej komore.

Energia uvoľnená počas jadrového štiepenia je skôr elektrostatického než jadrového pôvodu. Veľká kinetická energia, ktorú fragmenty majú, vzniká v dôsledku ich Coulombovho odpudzovania.

Mechanizmus jadrového štiepenia. Proces štiepenia atómového jadra možno vysvetliť na základe kvapôčkového modelu jadra. Podľa tohto modelu sa zväzok nukleónov podobá kvapke nabitej kvapaliny (obr. 13.14, a). Jadrové sily medzi nukleónmi sú krátkeho dosahu, podobne ako sily pôsobiace medzi molekulami kvapaliny. Spolu s veľkými silami elektrostatického odpudzovania medzi protónmi, ktoré majú tendenciu roztrhať jadro na kúsky, existujú ešte väčšie jadrové príťažlivé sily. Tieto sily bránia rozpadu jadra.

Jadro uránu-235 má guľovitý tvar. Po absorpcii ďalšieho neutrónu sa excituje a začína sa deformovať, pričom nadobúda predĺžený tvar (obr. 13.14, b). Jadro sa bude naťahovať, kým odpudivé sily medzi polovicami predĺženého jadra nezačnú prevládať nad príťažlivými silami pôsobiacimi v isthme (obr. 13.14, c). Potom sa rozpadne na dve časti (obr. 13.14, d).

Pod vplyvom Coulombových odpudivých síl tieto úlomky odlietajú rýchlosťou rovnajúcou sa 1/30 rýchlosti svetla.

Emisia neutrónov počas štiepenia. Základným faktom jadrového štiepenia je emisia dvoch až troch neutrónov počas procesu štiepenia. Práve vďaka tomu bolo možné praktické využitie vnútrojadrovej energie.

Je možné pochopiť, prečo sú emitované voľné neutróny na základe nasledujúcich úvah. Je známe, že pomer počtu neutrónov k počtu protónov v stabilných jadrách rastie so zvyšujúcim sa atómovým číslom. Preto je relatívny počet neutrónov vo fragmentoch vznikajúcich pri štiepení väčší, ako je prípustné pre jadrá atómov nachádzajúcich sa v strede periodickej tabuľky. V dôsledku toho sa počas procesu štiepenia uvoľní niekoľko neutrónov. Ich energia má rôzne hodnoty - od niekoľkých miliónov elektrónvoltov až po veľmi malé, takmer nulové.

Štiepenie sa zvyčajne vyskytuje na fragmenty, ktorých hmotnosti sa líšia približne 1,5-krát. Tieto fragmenty sú vysoko rádioaktívne, pretože obsahujú nadmerné množstvo neutrónov. V dôsledku série po sebe nasledujúcich rozpadov sa nakoniec získajú stabilné izotopy.

Na záver poznamenávame, že dochádza aj k samovoľnému štiepeniu jadier uránu. Objavili ho sovietski fyzici G.N Flerov a K.A Petržak v roku 1940. Polčas rozpadu pre spontánne štiepenie je 10 16 rokov. To je dva milióny krát dlhšie ako polčas rozpadu uránu.

Reakcia jadrového štiepenia je sprevádzaná uvoľňovaním energie.

Obsah lekcie poznámky k lekcii podporná rámcová lekcia prezentácia akceleračné metódy interaktívne technológie Prax úlohy a cvičenia autotest workshopy, školenia, prípady, questy domáce úlohy diskusia otázky rečnícke otázky študentov Ilustrácie audio, videoklipy a multimédiá fotografie, obrázky, grafika, tabuľky, diagramy, humor, anekdoty, vtipy, komiksy, podobenstvá, výroky, krížovky, citáty Doplnky abstraktyčlánky triky pre zvedavcov jasličky učebnice základný a doplnkový slovník pojmov iné Zdokonaľovanie učebníc a vyučovacích hodínoprava chýb v učebnici aktualizácia fragmentu v učebnici, prvky inovácie v lekcii, nahradenie zastaraných vedomostí novými Len pre učiteľov perfektné lekcie kalendárny plán na rok; Integrované lekcie

Jadrové štiepne reakcie.

Transformácia jadier pri interakcii s elementárnymi časticami alebo medzi sebou navzájom sa nazýva jadrové reakcie. Jadrové reakcie sú hlavnou metódou štúdia štruktúry jadier a ich vlastností. Jadrové reakcie sa riadia zákonmi ochrany: elektrický náboj, baryónový náboj, leptónový náboj, energia, hybnosť atď. Napríklad zákon zachovania baryónového náboja sa scvrkáva na skutočnosť, že celkový počet nukleónov sa nemení v dôsledku jadrovej reakcie.

Jadrové reakcie sa môžu vyskytnúť pri uvoľnení alebo absorpcii energie Q, ktorá je 10 6-krát vyššia ako energia chemických reakcií. Ak Q Uvoľní sa > 0 energie (exotermická reakcia). napr.

O Q < 0 – поглощение энергии (endotermická reakcia). napr.

Charakteristické sú jadrové reakcie účinný reakčný prierez(ak je polomer jadra väčší ako de Broglieho vlnová dĺžka častice).

Výstup jadrovej reakcie W– pomer počtu udalostí jadrovej reakcie D N na počet častíc N, padanie 1 cm 2 terčov, t.j.

,

Kde n– koncentrácia jadier.

Mnohé jadrové reakcie pri nízkych energiách prechádzajú fázou formovania zložené jadro. Takže na to, aby neutrón preletel jadrom rýchlosťou 10 7 m/s, je potrebný čas rádovo t = 10 – 22 s. Reakčný čas je 10 - 16 -10 - 12 s alebo (10 6 -10 10)t. To znamená, že medzi nukleónmi v jadre dôjde k veľkému množstvu zrážok a vznikne medzistav - zložené jadro. Charakteristický čas t sa používa pri analýze procesov prebiehajúcich v jadre.

S klesajúcou rýchlosťou neutrónu sa zvyšuje čas jeho interakcie s jadrom a pravdepodobnosť jeho zachytenia jadrom, pretože efektívny prierez je nepriamo úmerný rýchlosti častice (). Ak celková energia neutrónu a počiatočného jadra leží v oblasti, kde sa nachádzajú energetické pásy zloženého jadra, potom je pravdepodobnosť vzniku kvázistacionárnej energetickej hladiny zloženého jadra obzvlášť vysoká. Prierez pre jadrové reakcie pri takýchto energiách častíc sa prudko zväčšuje a vytvára rezonančné maximá. V takýchto prípadoch sa nazývajú jadrové reakcie rezonančný. Rezonančný prierez pre tepelné (pomalé) zachytávanie neutrónov ( kT» 0,025 eV) môže byť ~ 10 6-krát väčší ako geometrický prierez jadra

Po zachytení častice je jadro zlúčeniny v excitovanom stave po dobu ~ 10 - 14 s, potom emituje časticu. Existuje niekoľko kanálov rádioaktívneho rozpadu jadra zlúčeniny. Je možný aj konkurenčný proces – radiačné zachytenie, keď častica, ktorá je zachytená jadrom, prejde do excitovaného stavu, potom po vyžiarení g-kvanta prejde do základného stavu. To môže tiež tvoriť zložené jadro.

Coulombovské odpudzujúce sily medzi kladne nabitými časticami jadra (protónmi) nepodporujú, ale skôr bránia výstupu týchto častíc z jadra. Je to spôsobené vplyvom odstredivá bariéra. Vysvetľuje to skutočnosť, že odpudivé sily zodpovedajú pozitívnej energii. Zväčšuje výšku a šírku potenciálovej bariéry Coulomb. Výstup kladne nabitej častice z jadra je subbariérový proces. Čím vyššia a širšia je potenciálna bariéra, tým je menej pravdepodobná. To je dôležité najmä pre stredné a ťažké jadrá.

Napríklad jadro izotopu uránu po zachytení neutrónu vytvorí zložené jadro, ktoré sa potom rozdelí na dve časti. Pod vplyvom Coulombových odpudivých síl sa tieto časti rozletia s vysokou kinetickou energiou ~200 MeV, pretože v tomto prípade elektrické sily prevyšujú jadrové sily príťažlivosti. V tomto prípade sú fragmenty rádioaktívne a sú v excitovanom stave. Pri prechode do základného stavu emitujú rýchle a oneskorené neutróny, ako aj g-kvantá a iné častice. Emitované neutróny sa nazývajú sekundárne.

Zo všetkých jadier uvoľnených počas štiepenia sa ~99% neutrónov uvoľní okamžite a podiel oneskorených neutrónov je ~0,75%. Napriek tomu sa v jadrovej energetike využívajú oneskorené neutróny, ako to umožňujú riadené jadrové reakcie. S najväčšou pravdepodobnosťou sa urán rozštiepi na fragmenty, z ktorých jeden je približne jeden a pol krát ťažší ako druhý. Vysvetľuje sa to vplyvom jadrových neutrónových obalov, keďže pre jadro je energeticky výhodnejšie rozdeliť sa tak, aby počet neutrónov v každom fragmente bol blízky jednému z magických čísel – 50 alebo 82. Takéto fragmenty môžu byť napr. napríklad jadrá a.

Rozdiel medzi maximálnou potenciálnou energetickou hodnotou E r(r) a jeho hodnota at pre stabilné jadrá sa nazýva aktivačnej energie. Preto je pre jadrové štiepenie potrebné dodať energiu nie menšiu ako je aktivačná energia. Túto energiu prinášajú neutróny, pri absorpcii ktorých vznikajú excitované zložené jadrá.

Výskum ukázal, že izotopové jadrá podliehajú štiepeniu po zachytení akýchkoľvek neutrónov, vrátane tepelných. Na štiepenie izotopu uránu sú potrebné rýchle neutróny s energiou vyššou ako 1 MeV. Tento rozdiel v správaní jadier je spojený s účinkom párovania nukleónov.

Spontánne štiepenie rádioaktívnych jadier je možné aj bez vonkajšieho budenia, čo bolo pozorované v roku 1940. V tomto prípade môže dôjsť k štiepeniu jadra únikom štiepnych produktov cez potenciálnu bariéru v dôsledku tunelového efektu. Ďalšou charakteristickou črtou jadrových reakcií prebiehajúcich cez zložené jadro za určitých podmienok je symetria v systéme ťažiska uhlového rozloženia rozptylových častíc, ktoré vznikajú pri rozpade zloženého jadra.

Možné sú aj priame jadrové reakcie, napr.

ktorý sa používa na výrobu neutrónov.

Pri štiepení ťažkých jadier sa uvoľňuje energia rovnajúca sa priemeru ~200 MeV na každé štiepne jadro, ktoré sa nazýva jadrová alebo atómová energia. Táto energia sa vyrába v jadrových reaktoroch.

Prírodný urán obsahuje 99,3 % izotopu a 0,7 % izotopu, čo je jadrové palivo. Izotopy uránu a tória sú suroviny, z ktorých sa umelo vyrábajú izotopy a izotopy, ktoré sú zároveň jadrovým palivom a v prirodzenom stave sa v prírode nenachádzajú. Reakciou sa získa napríklad izotop plutónia

Reakciou sa získa napríklad izotop uránu

Kde znamená reakciu

.
Jadrové izotopy sú štiepené iba rýchlymi neutrónmi s energiami > 1 MeV.

Dôležitou veličinou charakterizujúcou štiepne jadro je priemerný počet sekundárnych neutrónov, ktorý pre implementácia reťazovej reakcie jadrového štiepenia Musí existovať aspoň 1 atómové jadrá Pri takýchto reakciách atómových jadier vznikajú neutróny.

Reťazová reakcia sa prakticky uskutočňuje na obohatenom uráne jadrové reaktory. V obohatenom uráne sa obsah izotopov uránu separáciou izotopov zvýši na 2 až 5 %. Objem, ktorý zaberá štiepna látka, sa nazýva jadro reaktor. Pre prírodný urán je multiplikačný faktor tepelných neutrónov k= 1,32. Na zníženie rýchlosti rýchlych neutrónov na rýchlosť tepelných sa používajú moderátory (grafit, voda, berýlium atď.).

Existujú rôzne typy jadrových reaktorov v závislosti od ich účelu a výkonu. Napríklad experimentálne reaktory na výrobu nových transuránových prvkov atď.

V súčasnosti sa využíva jadrová energia množivé reaktory (množivé reaktory), v ktorom dochádza nielen k výrobe energie, ale aj k rozšírenej reprodukcii štiepnych látok. Používajú obohatený urán s dosť vysokým obsahom (až 30 %) izotopu uránu.

Takéto reaktory sú chovateľov používané na výrobu energie v jadrových elektrárňach. Hlavnou nevýhodou jadrových elektrární je hromadenie rádioaktívneho odpadu. V porovnaní s uhoľnými elektrárňami sú však jadrové elektrárne ekologickejšie.

Jadrové reakcie. Interakcia častice s atómovým jadrom, ktorá vedie k premene tohto jadra na nové jadro s uvoľnením sekundárnych častíc alebo gama lúčov, sa nazýva jadrová reakcia.

Prvú jadrovú reakciu uskutočnil Rutherford v roku 1919. Zistil, že zrážkou alfa častíc s jadrami atómov dusíka vznikajú rýchlo sa pohybujúce protóny. To znamenalo, že jadro izotopu dusíka sa v dôsledku zrážky s časticou alfa premenilo na jadro izotopu kyslíka:

.

Jadrové reakcie sa môžu vyskytnúť pri uvoľnení alebo absorpcii energie. Pomocou zákona o vzťahu medzi hmotnosťou a energiou možno určiť energetický výstup jadrovej reakcie nájdením rozdielu v hmotnosti častíc vstupujúcich do reakcie a v produktoch reakcie:

Reťazová reakcia štiepenia jadier uránu. Spomedzi rôznych jadrových reakcií majú v živote modernej ľudskej spoločnosti mimoriadny význam reťazové reakcie štiepenia niektorých ťažkých jadier.

Štiepna reakcia jadier uránu pri bombardovaní neutrónmi bola objavená v roku 1939. Výsledkom experimentálnych a teoretických štúdií, ktoré vykonali E. Fermi, I. Joliot-Curie, O. Hahn, F. Strassmann, L. Meitner, O. Frisch, F. Joliot-Curie, sa zistilo, že keď jeden neutrón zasiahne jadro uránu, jadro sa rozdelí na dve alebo tri časti.

Pri štiepení jedného jadra uránu sa uvoľní asi 200 MeV energie. Kinetická energia pohybu jadier fragmentov predstavuje približne 165 MeV, zvyšok energie odnášajú gama kvantá.

Keď poznáme energiu uvoľnenú pri štiepení jedného jadra uránu, možno vypočítať, že energetický výstup zo štiepenia všetkých jadier 1 kg uránu je 80 tisíc miliárd joulov. To je niekoľko miliónov krát viac, ako sa uvoľní pri spaľovaní 1 kg uhlia alebo ropy. Preto sa hľadali spôsoby, ako uvoľniť jadrovú energiu vo významných množstvách na praktické účely.

F. Joliot-Curie ako prvý navrhol možnosť reťazových jadrových reakcií v roku 1934. V roku 1939 spolu s H. Halbanom a L. Kowarskim experimentálne zistili, že pri štiepení jadra uránu sa okrem úlomkov jadra , 2 -3 voľné neutróny. Za priaznivých podmienok môžu tieto neutróny zasiahnuť iné jadrá uránu a spôsobiť ich štiepenie. Keď sa štiepia tri jadrá uránu, malo by sa uvoľniť 6-9 nových neutrónov, spadnú do nových jadier uránu atď. Diagram vývoja reťazovej reakcie štiepenia jadier uránu je uvedený na obrázku 316.

Ryža. 316

Praktická implementácia reťazových reakcií nie je taká jednoduchá úloha, ako vyzerá na obrázku. Neutróny uvoľnené pri štiepení jadier uránu sú schopné spôsobiť štiepenie iba jadier izotopu uránu s hmotnostným číslom 235, ale ich energia nestačí na zničenie jadier izotopu uránu s hmotnostným číslom 238. V prírodnom uráne je podiel uránu s hmotnostným číslom 238 99,8 % a uránu s hmotnostným číslom 235 len 0,7 %. Preto je prvý možný spôsob uskutočnenia štiepnej reťazovej reakcie spojený so separáciou izotopov uránu a produkciou izotopu v jeho čistej forme v dostatočne veľkých množstvách. Nevyhnutnou podmienkou pre vznik reťazovej reakcie je prítomnosť dostatočne veľkého množstva uránu, keďže v malej vzorke väčšina neutrónov preletí vzorkou bez toho, aby zasiahli akékoľvek jadro. Minimálna hmotnosť uránu, v ktorej môže dôjsť k reťazovej reakcii, sa nazýva kritická hmotnosť. Kritická hmotnosť pre urán-235 je niekoľko desiatok kilogramov.

Najjednoduchší spôsob, ako uskutočniť reťazovú reakciu v uráne-235, je nasledujúci: vyrobia sa dva kusy kovového uránu, každý s hmotnosťou o niečo menšou ako je kritická hmotnosť. Reťazová reakcia nemôže nastať v každom z nich samostatne. Keď sa tieto kúsky rýchlo spoja, rozvinie sa reťazová reakcia a uvoľní sa kolosálna energia. Teplota uránu dosahuje milióny stupňov, samotný urán a akékoľvek ďalšie látky v okolí sa menia na paru. Horúca plynná guľa sa rýchlo rozpína, horí a ničí všetko, čo jej stojí v ceste. Takto dochádza k jadrovému výbuchu.

Je veľmi ťažké využiť energiu jadrového výbuchu na mierové účely, pretože uvoľňovanie energie je nekontrolovateľné. Riadené reťazové reakcie štiepenia jadier uránu sa uskutočňujú v jadrových reaktoroch.

Jadrový reaktor. Prvými jadrovými reaktormi boli pomalé neutrónové reaktory (obr. 317). Väčšina neutrónov uvoľnených pri štiepení jadier uránu má energiu 1-2 MeV. Ich rýchlosti sú približne 107 m/s, preto sa nazývajú rýchle neutróny. Pri takýchto energiách neutróny interagujú s uránom a jadrami uránu s približne rovnakou účinnosťou. A keďže v prírodnom uráne je 140-krát viac jadier uránu ako jadier uránu, väčšina týchto neutrónov je absorbovaná jadrami uránu a reťazová reakcia sa nerozvinie. Neutróny pohybujúce sa rýchlosťou blízkou rýchlosti tepelného pohybu (asi 2·10 3 m/s) sa nazývajú pomalé alebo tepelné. Pomalé neutróny dobre interagujú s jadrami uránu 235 a sú nimi absorbované 500-krát efektívnejšie ako rýchle neutróny. Preto, keď sa prírodný urán ožaruje pomalými neutrónmi, väčšina z nich sa absorbuje nie v jadrách uránu-238, ale v jadrách uránu-235 a spôsobí ich štiepenie. V dôsledku toho, aby sa reťazová reakcia v prírodnom uráne rozvinula, musia sa rýchlosti neutrónov znížiť na tepelné.

Ryža. 317

Neutróny sa spomaľujú v dôsledku zrážok s atómovými jadrami prostredia, v ktorom sa pohybujú. Na spomalenie neutrónov v reaktore sa používa špeciálna látka nazývaná moderátor. Jadrá atómov moderátorskej látky musia mať relatívne malú hmotnosť, keďže pri zrážke s ľahkým jadrom stráca neutrón viac energie ako pri zrážke s ťažkým. Najbežnejšími moderátormi sú obyčajná voda a grafit.

Priestor, v ktorom prebieha reťazová reakcia, sa nazýva jadro reaktora. Na zníženie úniku neutrónov je jadro reaktora obklopené neutrónovým reflektorom, ktorý značnú časť unikajúcich neutrónov odvádza do aktívnej zóny. Rovnaká látka, ktorá slúži ako moderátor, sa zvyčajne používa ako reflektor.

Energia uvoľnená počas prevádzky reaktora sa odstraňuje pomocou chladiacej kvapaliny. Ako chladivo možno použiť iba kvapaliny a plyny, ktoré nemajú schopnosť absorbovať neutróny. Ako chladivo sa široko používa obyčajná voda a niekedy sa používa aj tekutý kovový sodík.

Reaktor je riadený pomocou špeciálnych riadiacich (alebo regulačných) tyčí vložených do aktívnej zóny reaktora. Regulačné tyče sú vyrobené zo zlúčenín bóru alebo kadmia, ktoré absorbujú tepelné neutróny s veľmi vysokou účinnosťou. Pred spustením reaktora do prevádzky sú úplne zavedené do jeho aktívnej zóny. Tým, že pohlcujú značnú časť neutrónov, znemožňujú rozvoj reťazovej reakcie. Na spustenie reaktora sa riadiace tyče postupne odstraňujú z aktívnej zóny, kým uvoľnenie energie nedosiahne vopred stanovenú úroveň. Keď výkon stúpne nad nastavenú úroveň, zapnú sa automatické stroje, ktoré ponoria riadiace tyče hlboko do jadra.

Jadrová energia. Jadrová energia bola u nás po prvý raz uvedená do služieb mieru. Prvým organizátorom a vedúcim prác na atómovej vede a technike v ZSSR bol akademik Igor Vasiljevič Kurčatov (1903-1960).

V súčasnosti najväčšia v ZSSR a v Európe, Leningradská JE pomenovaná po. V.I. Lenin má výkon 4000 MW, t.j. 800-násobok výkonu prvej jadrovej elektrárne.

Náklady na elektrinu vyrobenú vo veľkých jadrových elektrárňach sú nižšie ako náklady na elektrinu vyrobenú v tepelných elektrárňach. Preto sa jadrová energia rozvíja zrýchleným tempom.

Jadrové reaktory sa používajú ako elektrárne na námorných lodiach. Prvá mierová loď na svete s jadrovou elektrárňou, ľadoborec Lenin s jadrovým pohonom, bola postavená v Sovietskom zväze v roku 1959.

Sovietsky jadrový ľadoborec Arktika postavený v roku 1975 sa stal prvou hladinovou loďou na svete, ktorá dosiahla severný pól.

Termonukleárna reakcia. Jadrová energia sa uvoľňuje nielen pri jadrových reakciách štiepenia ťažkých jadier, ale aj pri reakciách kombinácie ľahkých atómových jadier.

Na spojenie podobne nabitých protónov je potrebné prekonať Coulombove odpudivé sily, čo je možné pri dostatočne vysokých rýchlostiach zrážania častíc. Vo vnútri hviezd existujú nevyhnutné podmienky na syntézu jadier hélia z protónov. Na Zemi sa termonukleárna fúzna reakcia uskutočnila počas experimentálnych termonukleárnych výbuchov.

Syntéza hélia z ľahkého izotopu vodíka prebieha pri teplote asi 108 K a pre syntézu hélia z ťažkých izotopov vodíka - deutéria a trícia - podľa schémy

vyžaduje zahriatie na približne 5 10 7 K.

Keď sa syntetizuje 1 g hélia z deutéria a trícia, uvoľní sa energia 4,2·10 11 J. Táto energia sa uvoľní pri spálení 10 ton motorovej nafty.

Zásoby vodíka na Zemi sú prakticky nevyčerpateľné, preto je využitie energie termonukleárnej fúzie na mierové účely jednou z najdôležitejších úloh modernej vedy a techniky.

Riadená termonukleárna reakcia syntézy hélia z ťažkých izotopov vodíka zahrievaním má prebiehať prechodom elektrického prúdu cez plazmu. Aby sa zohriata plazma nedostala do kontaktu so stenami komory, používa sa magnetické pole. V experimentálnom zariadení Tokamak-10 sa sovietskym fyzikom podarilo zohriať plazmu na teplotu 13 miliónov stupňov. Vodík je možné zohriať na vyššie teploty pomocou laserového žiarenia. Aby to bolo možné, svetelné lúče z niekoľkých laserov sa musia zamerať na sklenenú guľu obsahujúcu zmes ťažkých izotopov deutéria a trícia. Pri pokusoch na laserových inštaláciách sa už podarilo získať plazmu s teplotou niekoľkých desiatok miliónov stupňov.

Jadrové štiepne reakcie- štiepne reakcie, ktoré spočívajú v tom, že sa ťažké jadro vplyvom neutrónov, a ako sa neskôr ukázalo, aj iných častíc, rozdelí na niekoľko ľahších jadier (úlomkov), najčastejšie na dve jadrá podobnej hmotnosti.

Znakom jadrového štiepenia je, že je sprevádzané emisiou dvoch alebo troch sekundárnych neutrónov, tzv štiepne neutróny. Keďže pre stredné jadrá je počet neutrónov približne rovnaký ako počet protónov ( N/Z ≈ 1) a pre ťažké jadrá počet neutrónov výrazne prevyšuje počet protónov ( N/Z ≈ 1.6), potom sú výsledné štiepne fragmenty preťažené neutrónmi, v dôsledku čoho uvoľňujú štiepne neutróny. Emisia štiepnych neutrónov však úplne neodstráni preťaženie jadier fragmentov neutrónmi. To spôsobí, že sa fragmenty stanú rádioaktívnymi. Môžu podstúpiť sériu β - -transformácií sprevádzaných emisiou γ kvant. Keďže β - rozpad je sprevádzaný premenou neutrónu na protón, potom po reťazci β - transformácií pomer medzi neutrónmi a protónmi vo fragmente dosiahne hodnotu zodpovedajúcu stabilnému izotopu. Napríklad pri štiepení jadra uránu U

U+ n → Xe + Sr +2 n(265.1)

štiepny fragment Xe sa v dôsledku troch aktov β - rozpadu mení na stabilný izotop lantánu La:

Heh → Čs → Ba → La.

Fragmenty štiepenia môžu byť rôznorodé, takže reakcia (265.1) nie je jediná, ktorá vedie k štiepeniu U.

Väčšina štiepnych neutrónov je emitovaná takmer okamžite ( t≤ 10 – 14 s) a časť (približne 0,7 %) je emitovaná štiepnymi fragmentmi nejaký čas po štiepení (0,05 s ≤ t≤ 60 s). Prvé z nich sú tzv okamžité, druhý - zaostávanie. V priemere každá štiepna udalosť vyprodukuje 2,5 neutrónu. Majú relatívne široké energetické spektrum v rozsahu od 0 do 7 MeV, s priemernou energiou okolo 2 MeV na neutrón.

Výpočty ukazujú, že jadrové štiepenie musí sprevádzať aj uvoľnenie veľkého množstva energie. V skutočnosti je špecifická väzbová energia pre stredne hmotné jadrá približne 8,7 MeV, zatiaľ čo pre ťažké jadrá je to 7,6 MeV. V dôsledku toho, keď sa ťažké jadro rozdelí na dva fragmenty, mala by sa uvoľniť energia rovnajúca sa približne 1,1 MeV na nukleón.

Teória štiepenia atómových jadier (N. Bohr, Ya. I. Frenkel) je založená na kvapôčkovom modeli jadra. Jadro sa považuje za kvapku elektricky nabitej nestlačiteľnej kvapaliny (s hustotou rovnajúcou sa jadru a dodržiavajúc zákony kvantovej mechaniky), ktorej častice, keď neutrón zasiahne jadro, vstúpia do oscilačného pohybu, v dôsledku čoho jadro sa roztrhne na dve časti, rozptýli sa obrovskou energiou.

Pravdepodobnosť jadrového štiepenia je určená energiou neutrónov. Napríklad, ak vysokoenergetické neutróny spôsobujú štiepenie takmer všetkých jadier, potom neutróny s energiou niekoľkých megaelektrónvoltov spôsobujú štiepenie iba ťažkých jadier ( A>210), neutróny s aktivačnej energie(minimálna energia potrebná na uskutočnenie jadrovej štiepnej reakcie) rádovo 1 MeV, spôsobuje štiepenie jadier uránu U, tória Th, protaktínia Pa, plutónia Pu. Tepelné neutróny štiepia jadrá U, Pu a U, Th (posledné dva izotopy sa v prírode nevyskytujú, získavajú sa umelo).

Sekundárne neutróny emitované počas jadrového štiepenia môžu spôsobiť nové štiepne udalosti, čo umožňuje štiepna reťazová reakcia- jadrová reakcia, pri ktorej vznikajú častice spôsobujúce reakciu ako produkty tejto reakcie. Reťazová štiepna reakcia sa vyznačuje multiplikačný faktor k neutrónov, čo sa rovná pomeru počtu neutrónov v danej generácii k ich počtu v predchádzajúcej generácii. Nevyhnutná podmienka pre rozvoj štiepnej reťazovej reakcie je požiadavka k ≥ 1.

Ukazuje sa, že nie všetky produkované sekundárne neutróny spôsobujú následné jadrové štiepenie, čo vedie k zníženiu multiplikačného faktora. Po prvé, kvôli konečným rozmerom jadro(priestor, kde prebieha hodnotná reakcia) a vysoká penetračná schopnosť neutrónov, niektoré z nich opustia aktívnu zónu skôr, než ich zachytí akékoľvek jadro. Po druhé, niektoré neutróny sú zachytené jadrami neštiepiteľných nečistôt, ktoré sú vždy prítomné v jadre. Okrem toho spolu so štiepením môžu prebiehať konkurenčné procesy radiačného zachytávania a nepružného rozptylu.

Multiplikačný koeficient závisí od povahy štiepnej látky a pre daný izotop od jej množstva, ako aj od veľkosti a tvaru aktívnej zóny. Minimálne rozmery jadra, pri ktorých je možná reťazová reakcia, sa nazývajú kritické veľkosti. Minimálna hmotnosť štiepneho materiálu nachádzajúceho sa v systéme kritických rozmerov potrebných na realizáciu reťazová reakcia, volal kritické množstvo.

Rýchlosť vývoja reťazových reakcií je rôzna. Nechaj T - priemerný čas

život jednej generácie a N- počet neutrónov v danej generácii. V ďalšej generácii je ich počet rovnaký kN,T. e. zvýšenie počtu neutrónov za generáciu dN = kN – N = N(k – 1). Nárast počtu neutrónov za jednotku času, t.j. rýchlosť rastu reťazovej reakcie,

. (266.1)

Integráciou (266.1) získame

,

Kde N 0 je počet neutrónov v počiatočnom časovom okamihu a N- ich počet naraz t. N určuje znamenie ( k– 1). O k>1 prichádza rozvíjajúca sa reakcia, počet štiepení sa neustále zvyšuje a reakcia sa môže stať výbušnou. O k=1 ide samoudržiavacia reakcia v ktorých sa počet neutrónov v čase nemení. O k <1 идет slabnúca reakcia

Reťazové reakcie zahŕňajú riadené a nekontrolovateľné. Nekontrolovanou reakciou je napríklad výbuch atómovej bomby. Aby sa zabránilo výbuchu atómovej bomby počas skladovania, U (alebo Pu) v nej je rozdelený na dve časti vzdialené od seba s hmotnosťou pod kritickou hodnotou. Potom sa pomocou obyčajnej explózie tieto hmoty priblížia k sebe, celková hmotnosť štiepnej látky bude väčšia ako kritická a dôjde k výbušnej reťazovej reakcii sprevádzanej okamžitým uvoľnením obrovského množstva energie a veľkou deštrukciou. . Výbušná reakcia začína v dôsledku dostupných neutrónov zo spontánneho štiepenia alebo neutrónov z kozmického žiarenia. V jadrových reaktoroch prebiehajú riadené reťazové reakcie.