РУВИКИ: Интернет-энциклопедия — Деление ядра — процесс расщепления атомного ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, называемых осколками деления. Ядро атома, если это не водород, состоит из набора протонов и нейтронов.
Деление атомного ядра
Лекция из курса: Физика атомного ядра и частиц. ## $a: Физика деления атомных ядер $h: [Текст]: $b: Сборник статей $c: Под ред. д-ра физ.-мат. наук Н. А. Перфилова и канд. физ.-мат. наук В. П. Эйсмонта. МЦОУ - это единственный реализованный проект в мире, который гарантирует любой стране, встающей на путь развития атомной энергетики. Внутри Чернобыльской атомной электростанции в массах уранового топлива начались реакции деления. Внутри Чернобыльской атомной электростанции в массах уранового топлива начались реакции деления. Целью данного урока является изучение деления ядра атома урана и объяснение движения двух ядер, образовавшихся при его делении по готовой фотографии треков.
Физика деления атомных ядер : Сборник статей
РУВИКИ: Интернет-энциклопедия — Деление ядра — процесс расщепления атомного ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, называемых осколками деления. Деление тяжелых атомных ядер является источником энергии в ядерных реакторах и ядерном оружии. При расщеплении (делении) урана высвобождается три нейтрона, которые сталкиваются с другими атомами урана, в результате чего возникает цепная реакция.
Спустя 80 лет ученые поняли, как атомные ядра начинают вращаться после деления
| Открытие ядерного деления | Эти избыточные нейтроны, ударяясь о ядра других атомов урана-235, могут запустить цепную реакцию деления, что приводит к атомному взрыву. |
| Деление ядра атома урана | Оговорка вторая: для расщепления атомов элемента на части следует затратить меньше энергии, чем ее выделится. |
| Физика деления атомных ядер : Сборник статей | Процесс деления атомного ядра можно объяснить на основе капельной модели ядра. |
| Ядерные реакции | Деление атомных ядер тяжелых элементов возможно благодаря тому, что удельная энергия связи этих ядер меньше удельной энергии связи ядер элементов. |
Деление тяжелых ядер
- Определение ядерного деления
- Ядерное деление
- 1.2.2. Деление атомных ядер
- Деление ядра — Википедия
- Комментарии
Физика деления атомных ядер : Сборник статей
Хотя перегрев реактора может привести и привел к расплавлению и паровым взрывам , гораздо меньшее обогащение урана делает невозможным взрыв ядерного реактора с такой же разрушительной силой, как у ядерного оружия. Также трудно извлечь полезную мощность из ядерной бомбы, хотя, по крайней мере, одна ракетная двигательная установка, Проект Орион , была предназначена для работы путем взрыва бомб деления за массивно защищенным и защищенным космическим кораблем. Стратегическое значение ядерного оружия является одной из основных причин , почему технология ядерного деления является политически чувствительным. Жизнеспособные конструкции бомб деления, возможно, под силу многим, будучи относительно простыми с инженерной точки зрения. Однако сложность получения расщепляющегося ядерного материала для реализации проектов является ключом к относительной недоступности ядерного оружия для всех, кроме современных промышленно развитых правительств, имеющих специальные программы по производству расщепляющихся материалов см.
Обогащение урана и ядерный топливный цикл. История Основная статья: Открытие ядерного деления Хан и Мейтнер в 1912 году Открытие ядерного деления произошло в 1938 году в зданиях Химического общества кайзера Вильгельма , ныне являющегося частью Свободного университета Берлина , после более чем четырех десятилетий работы в области науки о радиоактивности и разработки новой ядерной физики , описывающей компоненты атомы. В 1911 годе Эрнест Резерфорд предложил модель атома , в которой очень маленькие, плотные и положительно заряженные ядра из протонов были окружены орбитой, отрицательно заряженные электроны на модели Резерфорда. Нильс Бор улучшил это в 1913 году, согласовав квантовое поведение электронов модель Бора.
В работах Анри Беккереля , Марии Кюри , Пьера Кюри и Резерфорда было уточнено, что ядро, хотя и тесно связано, может подвергаться различным формам радиоактивного распада и тем самым превращаться в другие элементы. Например, при альфа-распаде : испускание альфа-частицы - двух протонов и двух нейтронов, связанных вместе в частицу, идентичную ядру гелия. Была проделана некоторая работа по ядерной трансмутации. Это было первое наблюдение ядерной реакции , то есть реакции, в которой частицы одного распада используются для преобразования другого атомного ядра.
Этот подвиг был широко известен как «расщепление атома» и принес им Нобелевскую премию по физике 1951 года за «Трансмутацию атомных ядер искусственно ускоренными атомными частицами» , хотя это не была реакция ядерного деления, позже обнаруженная в тяжелых элементах. После того, как английский физик Джеймс Чедвик открыл нейтрон в 1932 году, Энрико Ферми и его коллеги в Риме изучили результаты бомбардировки урана нейтронами в 1934 году. Ферми пришел к выводу, что в его экспериментах были созданы новые элементы с протонами 93 и 94, которые группа назвала аузонием и геспериум. Однако не всех убедил анализ Ферми его результатов, хотя он выиграл Нобелевскую премию 1938 года по физике за свои «демонстрации существования новых радиоактивных элементов, образующихся при нейтронном облучении, а также за связанное с ним открытие ядерных реакций, вызванных воздействием нейтронного излучения.
Однако в то время к выводу Ноддака не пришли. Экспериментальный прибор, подобный тому, с помощью которого Отто Хан и Фриц Штрассманн открыли ядерное деление в 1938 году. Аппарат не находился бы на том же столе или в одной комнате. Мейтнер, австрийская еврейка, потеряла австрийское гражданство в результате аншлюса , союза Австрии с Германией в марте 1938 года, но в июле 1938 года бежала в Швецию и начала переписку по почте с Ханом в Берлине.
По совпадению, ее племянник Отто Роберт Фриш , тоже беженец, также был в Швеции, когда Мейтнер получила письмо от Хана от 19 декабря, в котором описывалось его химическое доказательство того, что одним из продуктов бомбардировки урана нейтронами был барий. Hahn предложил разрывать ядра, но он не был уверен , что была физическая основа для результатов. Фриш был настроен скептически, но Мейтнер доверяла способностям Хана как химика. Мария Кюри много лет отделяла барий от радия, и эти методы были хорошо известны.
Фриш предложил назвать этот процесс «ядерным делением» по аналогии с процессом деления живой клетки на две клетки, которое затем было названо бинарным делением. Как термин ядерная «цепная реакция» позже был заимствован из химии, так и термин «деление» был заимствован из биологии. Новости быстро распространились о новом открытии, которое было правильно расценено как совершенно новый физический эффект с большими научными - и потенциально практическими - возможностями. Интерпретация Мейтнер и Фриш открытия Гана и Штрассмана пересекла Атлантический океан вместе с Нильсом Бором , который должен был читать лекции в Принстонском университете.
Раби и Уиллис Лэмб , два физика из Колумбийского университета, работающие в Принстоне, услышали эту новость и отнесли ее в Колумбию. Лави сказал, что сказал Энрико Ферми ; Ферми отдал должное Лэмбу. Вскоре после этого Бор отправился из Принстона в Колумбию, чтобы увидеть Ферми. Не найдя Ферми в его офисе, Бор спустился в зону циклотрона и нашел Герберта Л.
Бор схватил его за плечо и сказал: «Молодой человек, позвольте мне объяснить вам кое-что новое и захватывающее в физике». Некоторым ученым из Колумбии было ясно, что они должны попытаться обнаружить энергию, выделяющуюся при ядерном делении урана при бомбардировке нейтронами. Эксперимент включал помещение оксида урана внутрь ионизационной камеры и облучение нейтронами, а также измерение выделяемой таким образом энергии. Результаты подтвердили, что происходит деление, и убедительно намекали на то, что делится, в частности, изотоп уран-235.
На следующий день в Вашингтоне, округ Колумбия , началась Пятая Вашингтонская конференция по теоретической физике под совместной эгидой Университета Джорджа Вашингтона и Вашингтонского института Карнеги. Там новости о ядерном делении распространились еще дальше, что способствовало большему количеству экспериментальных демонстраций. Реализована цепная реакция деления В этот период венгерский физик Лео Сцилард понял, что нейтронное деление тяжелых атомов можно использовать для создания цепной ядерной реакции. Такая реакция с использованием нейтронов была идеей, которую он впервые сформулировал в 1933 году, после прочтения уничижительных замечаний Резерфорда о выработке энергии в эксперименте 1932 года его команды с использованием протонов для расщепления лития.
Однако Сциларду не удалось добиться цепной реакции, управляемой нейтронами, с легкими атомами, богатыми нейтронами. Теоретически, если в цепной реакции, управляемой нейтронами, количество образовавшихся вторичных нейтронов было больше одного, то каждая такая реакция могла бы запускать несколько дополнительных реакций, вызывая экспоненциально увеличивающееся количество реакций. Таким образом, существует вероятность того, что деление урана может дать огромное количество энергии для гражданских или военных целей например, для производства электроэнергии или атомных бомб. Сциллард теперь убеждал Ферми в Нью-Йорке и Фредерика Жолио-Кюри в Париже воздержаться от публикаций о возможности цепной реакции, чтобы нацистское правительство не узнало о возможностях накануне того, что позже будет известно как Всемирный банк.
Вторая война. С некоторыми колебаниями Ферми согласился на самоцензуру. Но Жолио-Кюри этого не сделал, и в апреле 1939 года его команда в Париже, включая Ханса фон Хальбана и Лью Коварски , сообщила в журнале Nature, что количество нейтронов, испускаемых при делении ядер урана, было тогда заявлено как 3,5 на деление. Позже они исправили это до 2,6 на деление.
Одновременная работа Сцилларда и Уолтера Зинна подтвердила эти результаты. Результаты предполагали возможность строительства ядерных реакторов впервые названных Сциллардом и Ферми «нейтронными реакторами» и даже ядерных бомб. Однако о системах деления и цепных реакций еще многое было неизвестно. Чертеж первого искусственного реактора Chicago Pile-1.
Цепные реакции в то время были известным явлением в химии , но аналогичный процесс в ядерной физике с использованием нейтронов был предвиден еще в 1933 году Сцилардом, хотя Сцилард в то время не имел представления, с помощью каких материалов этот процесс может быть инициирован. Сцилард считал, что нейтроны были бы идеальными для такой ситуации, поскольку у них отсутствовал электростатический заряд. Узнав о нейтронах деления от деления урана, Силард сразу понял возможность ядерной цепной реакции с использованием урана. Летом Ферми и Сцилард предложили идею ядерного реактора котла для посредничества в этом процессе.
В качестве топлива котел будет использовать природный уран. Ферми намного раньше показал, что нейтроны гораздо более эффективно захватываются атомами, если они имеют низкую энергию так называемые «медленные» или «тепловые» нейтроны , потому что по квантовым причинам атомы выглядят для нейтронов гораздо более крупными мишенями. Таким образом, чтобы замедлить вторичные нейтроны, высвобождаемые делящимися ядрами урана, Ферми и Сциллард предложили графитовый «замедлитель», с которым будут сталкиваться быстрые вторичные нейтроны высокой энергии, эффективно замедляя их. Имея достаточное количество урана и достаточно чистый графит, их «куча» теоретически могла бы выдержать цепную реакцию с медленными нейтронами.
Это приведет к выделению тепла, а также к образованию радиоактивных продуктов деления. В августе 1939 года Сциллард и его коллеги из венгерских физиков-беженцев Теллер и Вигнер подумали, что немцы могут использовать цепную реакцию деления, и были побуждены попытаться привлечь внимание правительства Соединенных Штатов к этой проблеме. С этой целью они убедили немецко-еврейского беженца Альберта Эйнштейна присвоить свое имя письму, адресованному президенту Франклину Рузвельту. В письме Эйнштейна-Сциларда высказывалась мысль о возможности доставки урановой бомбы на корабле, которая разрушила бы «всю гавань и большую часть окружающей сельской местности».
Тройной процесс менее распространен, но все же приводит к значительному накоплению газообразных гелия-4 и трития в топливных стержнях современных ядерных реакторов. Энергетика Вход Стадии бинарного деления в модели жидкой капли. В модели жидкой капли предсказывается, что два осколка деления будут одного размера. Модель ядерной оболочки позволяет им различаться по размеру, что обычно наблюдается экспериментально.
После того, как доли ядра были отодвинуты на критическое расстояние, за пределами которого сильная сила ближнего действия больше не может удерживать их вместе, процесс их разделения происходит за счет энергии дальнего действия электромагнитного отталкивания между фрагментами. В результате два осколка деления удаляются друг от друга с высокой энергией. Около 6 МэВ энергии деления поступает за счет простого связывания дополнительного нейтрона с тяжелым ядром посредством сильного взаимодействия; однако во многих делящихся изотопах этого количества энергии недостаточно для деления. Например, уран-238 имеет близкое к нулю сечение деления нейтронов с энергией менее одного МэВ.
Нейтроны такой высокой энергии способны делить U-238 напрямую см. Термоядерное оружие для применения, где быстрые нейтроны поставляются с помощью ядерного синтеза. Однако этот процесс не может происходить в значительной степени в ядерном реакторе, так как слишком малая часть нейтронов деления, произведенных любым типом деления, имеет достаточно энергии для эффективного деления U-238 нейтроны деления имеют модовую энергию 2 МэВ, но медиана составляет всего 0,75 МэВ, что означает, что половина из них имеет меньше этой недостаточной энергии. Однако среди тяжелых актинидных элементов те изотопы, которые имеют нечетное число нейтронов например, U-235 со 143 нейтронами , связывают дополнительный нейтрон с дополнительной энергией 1-2 МэВ по сравнению с изотопом того же элемента с четным количество нейтронов например, U-238 с 146 нейтронами.
Эта дополнительная энергия связи становится доступной в результате механизма эффектов спаривания нейтронов. Эта дополнительная энергия является результатом принципа исключения Паули, позволяющего дополнительному нейтрону занимать ту же ядерную орбиталь, что и последний нейтрон в ядре, так что они образуют пару. Таким образом, в таких изотопах кинетическая энергия нейтронов не требуется, поскольку вся необходимая энергия поступает за счет поглощения любого нейтрона, медленного или быстрого первые используются в ядерных реакторах с замедлителем, а вторые - в быстрых. Как отмечалось выше, подгруппа делящихся элементов, которые могут эффективно делиться с их собственными нейтронами деления таким образом, потенциально вызывая ядерную цепную реакцию в относительно небольших количествах чистого материала , называется « делящимися ».
Примерами делящихся изотопов являются уран-235 и плутоний-239. Точный изотоп, который расщепляется, независимо от того, является ли он расщепляющимся или расщепляющимся, оказывает лишь небольшое влияние на количество выделяемой энергии. Это можно легко увидеть, изучив кривую энергии связи изображение ниже и отметив, что средняя энергия связи нуклидов актинидов, начиная с урана, составляет около 7,6 МэВ на нуклон. Если посмотреть дальше влево на кривой энергии связи, где образуются кластеры продуктов деления , легко заметить, что энергия связи продуктов деления стремится к центру около 8,5 МэВ на нуклон.
Таким образом, в любом случае деления изотопа в диапазоне масс актинида примерно 0,9 МэВ выделяется на нуклон исходного элемента. Этот профиль высвобождения энергии справедлив также для тория и различных второстепенных актинидов. Напротив, большинство химических реакций окисления таких как сжигание угля или тротила выделяют не более нескольких эВ за одно событие. Таким образом, ядерное топливо содержит как минимум в десять миллионов раз больше полезной энергии на единицу массы, чем химическое топливо.
Энергия ядерного деления выделяется в виде кинетической энергии продуктов деления и осколков, а также в виде электромагнитного излучения в форме гамма-лучей ; в ядерном реакторе энергия преобразуется в тепло, когда частицы и гамма-лучи сталкиваются с атомами, которые составляют реактор и его рабочую жидкость , обычно воду или иногда тяжелую воду или расплавленные соли. Анимация кулоновского взрыва в случае кластера положительно заряженных ядер, сродни кластеру осколков деления. Уровень оттенка цвета пропорционален большему заряду ядра. Электроны меньшего размера на этой шкале времени видны только стробоскопически, а уровень оттенка - это их кинетическая энергия.
В атомной бомбе это тепло может способствовать повышению температуры ядра бомбы до 100 миллионов кельвинов и вызывать вторичное излучение мягких рентгеновских лучей, которые преобразуют часть этой энергии в ионизирующее излучение. Однако в ядерных реакторах кинетическая энергия осколков деления остается низкотемпературной теплотой, которая сама по себе вызывает небольшую ионизацию или ее отсутствие. Были сконструированы так называемые нейтронные бомбы улучшенное радиационное оружие , которые выделяют большую часть своей энергии в виде ионизирующего излучения в частности, нейтронов , но все это термоядерные устройства, которые зависят от стадии ядерного синтеза для получения дополнительного излучения. Например, в уране-235 эта запаздывающая энергия делится на примерно 6,5 МэВ в бета, 8,8 МэВ в антинейтрино высвобождаемых одновременно с бета и, наконец, на дополнительные 6,3 МэВ в задержанном гамма-излучении возбужденного бета-излучения.
В реакторе, который работает в течение некоторого времени, радиоактивные продукты деления будут накапливаться до устойчивых концентраций, так что их скорость распада равна скорости их образования, так что их относительный общий вклад в тепло реактора через бета-распад совпадает с этими радиоизотопными дробными вкладами в энергию деления. Именно эта выходная доля остается, когда реактор внезапно останавливается подвергается аварийному останову. Однако в течение нескольких часов из-за распада этих изотопов выходная мощность распада намного меньше. Подробнее см.
Остаточное тепло. Причина в том, что энергия, выделяемая в виде антинейтрино, не улавливается материалом реактора в виде тепла, а уходит прямо через все материалы включая Землю почти со скоростью света в межпланетное пространство поглощенное количество мизерно. Нейтринное излучение обычно не классифицируется как ионизирующее излучение, потому что оно почти полностью не поглощается и, следовательно, не вызывает эффектов хотя очень редкое нейтринное событие является ионизирующим. Некоторые процессы с участием нейтронов примечательны тем, что поглощают или, наконец, выделяют энергию - например, кинетическая энергия нейтронов не дает тепла сразу, если нейтрон захватывается атомом урана-238 для образования плутония-239, но эта энергия выделяется, если плутоний-239 позже расщепляется.
С другой стороны, так называемые запаздывающие нейтроны, испускаемые как продукты радиоактивного распада с периодом полураспада до нескольких минут от дочерних элементов деления, очень важны для управления реактором , поскольку они дают характерное время «реакции» для полной ядерной реакции. Без их существования ядерная цепная реакция стала бы критической и увеличивалась бы в размерах быстрее, чем ее можно было бы контролировать с помощью вмешательства человека. В этом случае первые экспериментальные атомные реакторы убежали бы в опасную и беспорядочную «быструю критическую реакцию», прежде чем их операторы смогли бы отключить их вручную по этой причине конструктор Энрико Ферми включил управляющие стержни с радиационным противодействием, подвешенные электромагнитами, которые могли автоматически упасть в центр Чикаго Пайл-1. Если эти запаздывающие нейтроны захватываются без деления, они также выделяют тепло.
Ядра-продукты и энергия связи Основные статьи: продукты деления и выход продуктов деления При делении предпочтительно получать осколки с четным числом протонов, что называется нечетно-четным эффектом распределения заряда осколков. Однако нечетно-четного эффекта на распределение массового числа фрагментов не наблюдается. Этот результат объясняется разрывом нуклонных пар. Происхождение активной энергии и кривая энергии связи «Кривая энергии связи»: график энергии связи на нуклон обычных изотопов.
Ядерное деление тяжелых элементов производит полезную энергию, потому что удельная энергия связи энергия связи на массу ядер промежуточной массы с атомными номерами и атомными массами, близкими к 62 Ni и 56 Fe , больше, чем удельная энергия связи нуклонов очень тяжелых ядер. Полная масса покоя продуктов деления Mp от одиночной реакции меньше, чем масса исходного ядра топлива M. Изменение удельной энергии связи в зависимости от атомного номера происходит из-за взаимодействия двух фундаментальных сил, действующих на составляющие нуклоны протоны и нейтроны , составляющие ядро. Ядра связаны ядерной силой притяжения между нуклонами, которая преодолевает электростатическое отталкивание между протонами.
Однако ядерное взаимодействие действует только на относительно коротких расстояниях несколько диаметров нуклона , поскольку оно следует за экспоненциально убывающим потенциалом Юкавы, что делает его несущественным на больших расстояниях. Электростатическое отталкивание имеет больший диапазон, поскольку оно затухает по правилу обратных квадратов, так что ядра размером более 12 нуклонов в диаметре достигают точки, в которой полное электростатическое отталкивание преодолевает ядерную силу и делает их спонтанно нестабильными. По той же причине более крупные ядра более восьми нуклонов в диаметре менее тесно связаны на единицу массы, чем более мелкие ядра; разбиение большого ядра на два или более ядер среднего размера высвобождает энергию. Также из-за малого радиуса действия сильной связывающей силы большие стабильные ядра должны содержать пропорционально больше нейтронов, чем самые легкие элементы, которые наиболее стабильны при соотношении протонов и нейтронов 1: 1.
Ядра, содержащие более 20 протонов, не могут быть стабильными, если у них нет более равного количества нейтронов. Дополнительные нейтроны стабилизируют тяжелые элементы, потому что они усиливают сильную связь которая действует между всеми нуклонами , не увеличивая протон-протонное отталкивание. В продуктах деления в среднем примерно такое же соотношение нейтронов и протонов, что и в их родительском ядре, и поэтому они обычно нестабильны к бета-распаду который превращает нейтроны в протоны , потому что они имеют пропорционально слишком много нейтронов по сравнению со стабильными изотопами аналогичной массы. Эта тенденция ядер продуктов деления к бета-распаду является фундаментальной причиной проблемы радиоактивных высокоактивных отходов ядерных реакторов.
Продукты деления, как правило, являются бета-излучателями , испускающими быстро движущиеся электроны для сохранения электрического заряда , поскольку избыточные нейтроны превращаются в протоны в атомах продуктов деления. Раздел « Продукты деления по элементам » для описания продуктов деления, отсортированных по элементам. Цепные реакции Схема цепной реакции ядерного деления. Атом урана-235 поглощает нейтрон и делится на два новых атома осколки деления , высвобождая три новых нейтрона и некоторую энергию связи.
Один из этих нейтронов поглощается атомом урана-238 и не продолжает реакцию.
Историческая справка Деление атомного ядра обнаружено в 1939 г. Ган и Ф. В том же году Л. Майтнер и О. Вскоре Ф. Жолио-Кюри с сотрудниками и одновременно Э. Ферми с сотрудниками обнаружили, что при делении испускается несколько нейтронов т.
Наука и обучение Автор u2ssa «Мнение автора может не совпадать с мнением редакции». Особенно если это кликбейт. Вы можете написать жалобу. Все главные новости.
Деление атомных ядер: История Лизы Мейтнер и Отто Ганна
Замедлителем нейтронов обычно служит графит. Газоохлаждаемый реактор может работать при гораздо более высоких температурах, нежели реактор с жидким теплоносителем, а потому пригоден для системы промышленного теплоснабжения и для электростанций с высоким кпд. Небольшие газоохлаждаемые реакторы отличаются повышенной безопасностью в работе, в частности отсутствием риска расплавления реактора. Гомогенные реакторы.
В активной зоне гомогенных реакторов используется однородная жидкость, содержащая делящийся изотоп урана. Жидкость обычно представляет собой расплавленное соединение урана. Она закачивается в большой сферический сосуд, работающий под давлением, где в критической массе происходит цепная реакция деления.
Затем жидкость подается в парогенератор. Гомогенные реакторы не получили распространения из-за конструктивных и технологических трудностей. Нейтроны, возникающие в процессе деления, исчезают в результате поглощения.
Кроме того, возможна утечка нейтронов вследствие диффузии через вещество, аналогичной диффузии одного газа сквозь другой. Чтобы управлять ядерным реактором, нужно иметь возможность регулировать коэффициент размножения нейтронов k, определяемый как отношение числа нейтронов в одном поколении к числу нейтронов в предыдущем поколении. Благодаря явлению запаздывающих нейтронов время «рождения» нейтронов увеличивается от 0,001 с до 0,1 с.
Это характерное время реакции позволяет управлять ею с помощью механических исполнительных органов — управляющих стержней из материала, поглощающего нейтроны B, Cd, Hf, In, Eu, Gd и др. Постоянная времени регулирования должна быть порядка 0,1 с или больше. Для обеспечения безопасности выбирают такой режим работы реактора, в котором для поддержания стационарной цепной реакции необходимы запаздывающие нейтроны в каждом поколении.
Для обеспечения заданного уровня мощности используются управляющие стержни и отражатели нейтронов, но задачу управления можно значительно упростить правильным расчетом реактора. Например, если реактор спроектировать так, чтобы при увеличении мощности или температуры реактивность уменьшалась, то он будет более устойчивым. Например, при недостаточном замедлении из-за повышения температуры расширяется вода в реакторе, то есть уменьшается плотность замедлителя.
В результате усиливается поглощение нейтронов в уране-238, поскольку они не успевают эффективно замедлиться. В некоторых реакторах используется фактор увеличения утечки нейтронов из реактора вследствие уменьшения плотности воды. Еще один способ стабилизации реактора основан на нагревании «резонансного поглотителя нейтронов», такого, как уран-238, который тогда сильнее поглощает нейтроны.
Системы безопасности. Безопасность реактора обеспечивается тем или иным механизмом его остановки в случае резкого увеличения мощности. Это может быть механизм физического процесса или действие системы управления и защиты, либо то и другое.
При проектировании водо-водяных реакторов предусматриваются аварийные ситуации, связанные с поступлением холодной воды в реактор, падением расхода теплоносителя и слишком большой реактивностью при пуске. Поскольку интенсивность реакции возрастает с понижением температуры, при резком поступлении в реактор холодной воды повышаются реактивность и мощность.
Для визуального наблюдения спектром используются спектроскопами, для фотографирования - спектрографами. Основным элементом таких устройств является диспергирующая среда в виде трехгранных призм или дифракционных решеток. Спектр атома водорода. В видимой области спектральные линии атомного водорода в своей последовательности обнаруживает простые закономерности. Первая линия серии называется головной. Поскольку в конце серии происходит наложение линий друг на друга, нельзя определить последнюю линию серии.
Ее определяют как границу серии - линию с номером, равной бесконечности. Можно формулу 4 переписать следующим образом 6 Обычно квантовое число m называют номером серии, а число n - номер линий в данной серии с номером m. В еще более универсальном виде формула примет вид 7 Здесь T m или T n называются спектральными термами. Это и есть основной закон излучения атома, называется комбинационным принципом Ридберга-Ритца.
Имеются два сырьевых изотопа: торий-232 и уран-238, из которых получаются делящиеся изотопы уран-233 и плутоний-239.
Технология использования сырьевых изотопов зависит от разных факторов, например от необходимости обогащения. Поэтому к торию необходимо добавлять обогащенный делящийся изотоп. Важное значение имеет и число новых нейтронов, приходящееся на один поглощенный нейтрон. С учетом этого фактора приходится отдать предпочтение урану-233 в случае тепловых нейтронов замедленных до энергии 0,025 эВ , поскольку при таких условиях больше число испускаемых нейтронов, а следовательно, и коэффициент преобразования — число новых делящихся ядер на одно «затраченное» делящееся ядро. Замедлитель служит для уменьшения энергии нейтронов, испускаемых в процессе деления, примерно от 1 МэВ до тепловых энергий около 0,025 эВ.
Поскольку замедление происходит главным образом в результате упругого рассеяния на ядрах неделящихся атомов, масса атомов замедлителя должна быть как можно меньше, чтобы нейтрон мог передавать им максимальную энергию. Кроме того, у атомов замедлителя должно быть мало по сравнению с сечением рассеяния сечение захвата, так как нейтрону приходится многократно сталкиваться с атомами замедлителя, прежде чем он замедляется до тепловой энергии. Наилучшим замедлителем является водород, поскольку его масса почти равна массе нейтрона и, следовательно, нейтрон при соударении с водородом теряет наибольшее количество энергии. Но обычный легкий водород слишком сильно поглощает нейтроны, а потому более подходящими замедлителями, несмотря на несколько большую массу, оказываются дейтерий тяжелый водород и тяжелая вода, так как они меньше поглощают нейтроны. Хорошим замедлителем можно считать бериллий.
У углерода столь малое сечение поглощения нейтронов, что он эффективно замедляет нейтроны, хотя для замедления в нем требуется гораздо больше столкновений, чем в водороде. Среднее число N упругих столкновений, необходимое для замедления нейтрона от 1 МэВ до 0,025 эВ, при использовании водорода, дейтерия, беррилия и углерода составляет приблизительно 18, 27, 36 и 135 соответственно. Приближенный характер этих значений обусловлен тем, что из-за наличия химической энергии связи в замедлителе столкновения при энергиях ниже 0,3 эВ вряд ли могут быть упругими. При низких энергиях атомная решетка может передавать энергию нейтронам или изменять эффективную массу в столкновении, нарушая этим процесс замедления. В качестве теплоносителей в ядерных реакторах используются вода, тяжелая вода, жидкий натрий, жидкий сплав натрия с калием NaK , гелий, диоксид углерода и такие органические жидкости, как терфенил.
Эти вещества являются хорошими теплоносителями и имеют малые сечения поглощения нейтронов. Лучший из известных замедлителей — тяжелая вода. Ее характеристики близки к характеристикам обычной воды, а сечение поглощения нейтронов — меньше. Натрий является прекрасным теплоносителем, но не эффективен как замедлитель нейтронов. Поэтому его используют в реакторах на быстрых нейтронах, где при делении испускается больше нейтронов.
Правда, натрий имеет ряд недостатков: в нем наводится радиоактивность, у него низкая теплоемкость, он химически активен и затвердевает при комнатной температуре. Сплав натрия с калием сходен по свойствам с натрием, но остается жидким при комнатной температуре. Гелий — прекрасный теплоноситель, но у него мала удельная теплоемкость. Диоксид углерода представляет собой хороший теплоноситель, и он широко применялся в реакторах с графитовым замедлителем. Терфенил имеет то преимущество перед водой, что у него низкое давление паров при рабочей температуре, но он разлагается и полимеризуется под действием высоких температур и радиационных потоков, характерных для реакторов.
Тепловыделяющие элементы.
Частица оказывается как бы привязанной к линии поля — она удерживается на постоянном расстоянии от нее, равном радиусу спирали. Радиус спирали прямо пропорционален скорости частицы и обратно пропорционален магнитной индукции см. В реальной плазме на движение частиц влияют соударения между ними Ии внутренние электрические и магнитные пол плазмы они всегда имеются, так как плазма состоит из заряженных частиц. Ввиду этого рассмотрение действия внешнего магнитного поля на движение частиц плазмы оказывается очень сложным. Основная особенность, однако, остается— магнитное поле, искривляя траектории частиц, очень сильно затрудняет их движение в направлении, перпендикулярной к линиям внешнего магнитного поля. Эта особенность и используется для удержания изоляции плазмы. Магнитное поле используется также и для нагрева плазмы: при изменении магнитной индукции возникает э.
К настоящему времени физики научились нагревать плазму, правда весьма разреженную, до температуры сто миллионов градусов и удерживать ее в таком состоянии в течение сотых долей секунды. Эти успехи позволяют надеяться, что на описанном пути удастся в конечном счете осуществить управляемую, а не взрывную, как в водородной бомбе, термоядерную реакцию. При взрыве атомной и водородной бомбы в добавление к эффектам, характерным для любого мощного взрыва, испускается еще много нейтронов и -излучение, а также образуется большое количество радиоактивных веществ. Излучения этих веществ делают район взрыва опасным для жизни еще в течение некоторого времени после взрыва. Радиоактивные продукты взрыва разносятся потоками воздуха на тысячи километров от места взрыва. Отметив с помощью счетчика излучений повышенную против обычного радиоактивность воздуха, можно с достоверностью установить факт взрыва атомной или водородной бомбы.
Деление ядер урана. Цепная ядерная реакция
| Открытие ядерного деления | Это возможно благодаря тому, что разделенный таким образом атом продолжает оставаться единым целым на квантовом уровне из-за того, что части атома запутаны на квантовом уровне. |
| Деление атомных ядер: История Лизы Мейтнер и Отто Ганна | Цепная ядерная реакция – это процесс деления тяжелых ядер, при котором деление воспроизводится снова и снова. |
| Ядерное деление | 1. История открытия деления атомного ядра 2. Капельная модель ядра 3. Цепная реакция деления 4. Использование энергии деления ядер 5. Настоящее и будущее атомной энергетики. |
| Закон деления атома - Обзор прессы - Энергетика и промышленность России | Ученым впервые в истории удалось зафиксировать, как соединяются и разъединяются атомы. |
Деление ядра атома урана
Мы знали, что существуют сильные силы, которые будут сопротивляться такому процессу, так же как поверхностное натяжение обычной жидкой капли имеет тенденцию сопротивляться ее разделению на две меньшие. Но ядра отличались от обычных капель в одном важном отношении: они были электрически заряжены, а это, как известно, противодействовало поверхностному натяжению. Но возникла другая проблема. После разделения две капли разошлись бы друг от друга за счет их взаимного электрического отталкивания и приобрели бы высокую скорость и, следовательно, очень большую энергию, всего около 200 МэВ; откуда могла взяться эта энергия? Итак, вот источник этой энергии; все подошло! Основное открытие и химическое доказательство Отто Гана и Фрица Штрассмана того, что изотоп бария был получен нейтронной бомбардировкой урана, было опубликовано в статье в Германии в Journal. Naturwissenschaften, 6 января 1939 г.
Фундаментальную идею этого эксперимента предложил Фришу Джордж Плачек. Первая газета появилась 11 февраля, вторая - 28 февраля. Присуждение Нобелевской премии по химии 1944 года одному только Хану - давняя полемика. Четыре года спустя Бор должен был бежать в Швецию из оккупированной нацистами Дании на маленькой лодке вместе с тысячами других датских евреев в ходе крупномасштабной операции. Незадолго до отъезда Бора из Дании Фриш и Мейтнер предоставили ему свои расчеты. Розенфельд сразу же по прибытии рассказал всем в Принстонском университете, и от них новость устно распространилась среди соседних физиков, включая Энрико Ферми из Колумбийского университета.
Ферми во время путешествия, чтобы получить Нобелевскую премию за свою более раннюю работу. В результате бесед между Ферми, Джоном Р. Даннингом и Дж. Пеграмом в Колумбии были предприняты поиски мощных импульсов ионизации, которые можно было бы ожидать от летающих фрагментов ядра урана. Перед завершением встречи в Вашингтоне было начато несколько других экспериментов для подтверждения деления, и было сообщено о положительном экспериментальном подтверждении. Группа Фредерика Жолио-Кюри в Париже обнаружила, что вторичные нейтроны высвобождаются при делении урана, что делает возможной цепную реакцию.
Лео Сциллард и Уолтер Зинн независимо друг от друга подтвердили, что при делении ядер урана испускаются два нейтрона. Сцилард, еврей по происхождению из Венгрии, также бежал из континентальной Европы после прихода Гитлера и в конечном итоге оказался в США. Летом Ферми и Сцилард предложили идею ядерного реактора котла с природным ураном в качестве топлива и графитом в качестве замедлителя энергии нейтронов. В августе венгерско-еврейские беженцы Сциллард, Теллер и Вигнер убедили австрийско-еврейского беженца Эйнштейна предупредить президента Рузвельта об угрозе со стороны Германии. В письме говорилось о возможности доставки урановой бомбы по морю. Президент получил его 11 октября 1939 года, вскоре после начала Второй мировой войны.
В Англии Джеймс Чедвик на основе статьи Рудольфа Пайерлса предложил атомную бомбу, использующую природный уран, с массой, необходимой для критического состояния, 30-40 тонн. В декабре Гейзенберг представил военному министерству Германии отчет о возможности урановой бомбы. В Бирмингеме, Англия, Отто Роберт Фриш объединился с Рудольфом Пайерлсом, который также бежал от немецких антиеврейских расовых законов. Они придумали идею использования очищенного изотопа урана, урана-235, и выяснили, что бомба из обогащенного урана может иметь критическую массу всего 600 г вместо тонн, и что полученный в результате взрыв будет огромным на самом деле количество оказалось 15 кг. В феврале 1940 года они доставили меморандум Фриша-Пайерлса, однако в то время официально считались «вражескими пришельцами». Уран-235 был выделен Ниером, а деление с медленными нейтронами было подтверждено Даннингом.
Немецко-еврейский беженец Фрэнсис Саймон в Оксфорде определил количественно газодиффузионное разделение U-235. В 1941 году американский физик Эрнест О. Лоуренс предложил электромагнитное разделение. Лоуренс снизил зарплату Сегре наполовину, когда узнал, что оказался в ловушке в США из-за расовых законов Муссолини. В сентябре Ферми собрал свою первую ядерную установку, пытаясь создать цепную реакцию в уране, вызванную медленными нейтронами, но эксперимент провалился.
Для этого необходимо иметь определенное минимальное количество делящегося изотопа, который будет поддерживать реакцию. Это количество называют критической массой. Чтобы достичь критической массы и повысить вероятность распада, требуется достаточное количество исходного материала. Поскольку в свободном виде субатомные частицы встречаются довольно редко, часто необходимо отделить их от атомов, содержащих эти частицы. Один из способов сделать это заключается в том, чтобы выстрелить одним атомом изотопа по другому такому же атому. Похожее на пушку орудие с урановым сердечником выстреливало атомы 235U в мишень из таких же атомов 235U. Атомы летели достаточно быстро, чтобы выделявшиеся из них нейтроны проникали в ядра других атомов 235U и расщепляли их.
Двугорбый барьер деления [ править править код ] Описание на основе капельной модели не в состоянии объяснить некоторые существенные особенности процесса деления, в частности, асимметрию масс осколков [14]. Кроме того, параметры спонтанно делящихся ядерных изомеров и характер зависимости сечения реакции деления от энергии вызывающих её нейтронов свидетельствуют о том, что барьер деления тяжёлых ядер имеет не один, а два максимума двугорбый барьер деления , между которыми находится вторая потенциальная яма. Упомянутые изомеры первым из которых был открыт 242mAm соответствуют наиболее низкому энергетическому уровню ядра во второй потенциальной яме [15]. Эти особенности деления получают своё объяснение при учёте оболочечных поправок к энергии, вычисляемой с помощью капельной модели. Соответствующий метод был предложен Струтинским в 1966 году [16]. Оболочечные эффекты выражаются в увеличении или уменьшении плотности уровней энергии ядра; они присущи как сферически симметричным, так и деформированным состояниям ядер [17]. Учёт этих эффектов усложняет зависимость энергии от параметра деформации по сравнению с капельной моделью. Для большинства ядер актиноидов в этой зависимости появляется вторая потенциальная яма, соответствующая сильной деформации ядра. Глубина этой ямы меньше глубины первой ямы соответствующей основному состоянию ядра на 2—4 МэВ [18].
Гелий — прекрасный теплоноситель, но у него мала удельная теплоемкость. Диоксид углерода представляет собой хороший теплоноситель, и он широко применялся в реакторах с графитовым замедлителем. Терфенил имеет то преимущество перед водой, что у него низкое давление паров при рабочей температуре, но он разлагается и полимеризуется под действием высоких температур и радиационных потоков, характерных для реакторов. Тепловыделяющие элементы. Тепловыделяющий элемент твэл представляет собой топливный сердечник с герметичной оболочкой. Оболочка предотвращает утечку продуктов деления и взаимодействие топлива с теплоносителем. Материал оболочки должен слабо поглощать нейтроны и обладать приемлемыми механическими, гидравлическими и теплопроводящими характеристиками. Тепловыделяющие элементы — это обычно таблетки спеченного оксида урана в трубках из алюминия, циркония или нержавеющей стали; таблетки сплавов урана с цирконием, молибденом и алюминием, покрытые цирконием или алюминием в случае алюминиевого сплава ; таблетки графита с диспергированным карбидом урана, покрытые непроницаемым графитом. Все эти твэлы находят свое применение, но для водо-водяных реакторов наиболее предпочтительны таблетки оксида урана в трубках из нержавеющей стали. Диоксид урана не вступает в реакцию с водой, отличается высокой радиационной стойкостью и характеризуется высокой температурой плавления. Для высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов, по-видимому, весьма подходят графитовые топливные элементы, но у них имеется серьезный недостаток — за счет диффузии или из-за дефектов в графите через их оболочку могут проникать газообразные продукты деления. Органические теплоносители несовместимы с циркониевыми твэлами и поэтому требуют применения алюминиевых сплавов. Перспективы реакторов с органическими теплоносителями зависят от того, будут ли созданы алюминиевые сплавы или изделия порошковой металлургии, которые обладали бы прочностью при рабочих температурах и теплопроводностью, необходимыми для применения ребер, повышающих перенос тепла к теплоносителю. Поскольку теплообмен между топливом и органическим теплоносителем за счет теплопроводности мал, желательно использовать поверхностное кипение для увеличения теплопередачи. С поверхностным кипением будут связаны новые проблемы, но они должны быть решены, если использование органических теплоносителей окажется выгодным. В большинстве обычных реакторов в качестве теплоносителя используется вода, либо под давлением, либо кипящая. Реактор с водой под давлением. В таких реакторах замедлителем и теплоносителем служит вода. Нагретая вода перекачивается под давлением в теплообменник, где тепло передается воде второго контура, в котором вырабатывается пар, вращающий турбину. Кипящий реактор. В таком реакторе кипение воды происходит непосредственно в активной зоне реактора и образующийся пар поступает в турбину. В большинстве кипящих реакторов вода используется и как замедлитель, но иногда применяется графитовый замедлитель. Реактор с жидкометаллическим охлаждением. В таком реакторе для переноса теплоты, выделяющейся в процессе деления в реакторе, используется жидкий металл, циркулирующий по трубам. Почти во всех реакторах этого типа теплоносителем служит натрий. Пар, образующийся на другой стороны труб первого контура, подается на обычную турбину. В реакторе с жидкометаллическим охлаждением могут использоваться нейтроны со сравнительно высокой энергией реактор на быстрых нейтронах либо нейтроны, замедленные в графите или оксиде бериллия.
ГЛАВА 4 Открытие деления
Передавая при столкновениях с атомами среды топливной композиции свою кинетическую энергию, осколки деления тем самым повышают температуру в ней. Приборы впервые зафиксируют деление ядер урана, а реактор из сложной металлической конструкции превратится в полноценную атомную установку, чтобы обеспечить половину. РУВИКИ: Интернет-энциклопедия — Деление ядра — процесс расщепления атомного ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, называемых осколками деления. Судите сами: когда-то советские ученые пришли, условно, к Сталину, и доложили, что из западных научных журналов исчезли статьи по делению ядра атома – реально перспективную. Тридцать третий выпуск посвящен делению атома. В этом видеоролике рассказывается о процессе деления атома, его последствиях и значении для науки и техники.
Понятие радиоактивности. Виды распада
Заряд радиоактивного излучения Резерфорд много сделал для изучения строения атома и внес вклад и в исследование того, как происходит деление ядра атома. Ученый поместил излучение, выделяющееся радиоактивным элементом, в магнитное поле и получил потрясающий результат. Оказалось, что радиация состоит из трех компонентов: одна была нейтральной, а две другие — положительно и отрицательно заряженными. Изучение деления ядра началось с определения его составляющих. Было доказано, что ядро может делиться, отдавать часть своего положительного заряда. Строение ядра Позже выяснилось, что атомное ядро состоит не только из положительно заряженных частиц протонов, но и нейтральных частиц нейтронов. Все вместе они называются нуклонами от английского «nucleus», ядро. Однако, ученые вновь натолкнулись на проблему: масса ядра то есть количество нуклонов не всегда соответствовала его заряду. Более сложные элементы могут иметь гораздо большее количество разных масс при одном и том же заряде.
Такие вариации атомов называются изотопами. Причем некоторые изотопы оказались вполне устойчивыми, другие же быстро распадались, так как для них было характерно деление ядер. Какому принципу отвечало количество нуклонов устойчивости ядер? Почему добавление всего лишь одного нейтрона к тяжелому и вполне стабильному ядру приводило к его расколу, к выделению радиоактивности? Как ни странно, ответ на этот важный вопрос до сих пор не найден. Опытным путем выяснилось, что определенным количествам протонов и нейтронов соответствуют устойчивые конфигурации атомных ядер. Эти числа даже называют магическими и назвали их так взрослые ученые, ядерные физики. Таким образом, деление ядер зависит от их массы, то есть от количества входящих в них нуклонов.
Капля, оболочка, кристалл Определить фактор, который отвечает за устойчивость ядра, на данный момент не удалось. Существует множество теорий модели строения атома. Три самые знаменитые и разработанные зачастую противоречат друг другу в разных вопросах. Согласно первой, ядро — это капля специальной ядерной жидкости. Как и для воды, для него характерны текучесть, поверхностное натяжение, слияние и распад. В оболочечной модели в ядре тоже существуют некие уровни энергии, которые заполняются нуклонами. Третья утверждает, что ядро — среда, которая способна преломлять особые волны дебройлевские , при этом коэффициент преломления — это потенциальная энергия. Однако ни одна модель пока не смогла в полной мере описать, почему при определенной критической массе именно этого химического элемента, начинается расщепление ядра.
Каким бывает распад Радиоактивность, как уже было сказано выше, была обнаружена в веществах, которые можно найти в природе: уране, полонии, радии. Например, только что добытый, чистый уран радиоактивен. Процесс расщепления в данном случае будет спонтанным. Без каких-либо внешних воздействий определенное количество атомов урана испустит альфа-частицы, самопроизвольно преобразуясь в торий. Есть показатель, который называется периодом полураспада. Он показывает, за какой промежуток времени от начального числа части останется примерно половина. Для каждого радиоактивного элемента период полураспада свой — от долей секунды для калифорния до сотен тысяч лет для урана и цезия. Но существует и вынужденная радиоактивность.
Если ядра атомов бомбардировать протонами или альфа-частицами ядрами гелия с высокой кинетической энергией, то они могут «расколоться».
Правда, натрий имеет ряд недостатков: в нем наводится радиоактивность, у него низкая теплоемкость, он химически активен и затвердевает при комнатной температуре. Сплав натрия с калием сходен по свойствам с натрием, но остается жидким при комнатной температуре. Гелий — прекрасный теплоноситель, но у него мала удельная теплоемкость. Диоксид углерода представляет собой хороший теплоноситель, и он широко применялся в реакторах с графитовым замедлителем. Терфенил имеет то преимущество перед водой, что у него низкое давление паров при рабочей температуре, но он разлагается и полимеризуется под действием высоких температур и радиационных потоков, характерных для реакторов.
Тепловыделяющие элементы. Тепловыделяющий элемент твэл представляет собой топливный сердечник с герметичной оболочкой. Оболочка предотвращает утечку продуктов деления и взаимодействие топлива с теплоносителем. Материал оболочки должен слабо поглощать нейтроны и обладать приемлемыми механическими, гидравлическими и теплопроводящими характеристиками. Тепловыделяющие элементы — это обычно таблетки спеченного оксида урана в трубках из алюминия, циркония или нержавеющей стали; таблетки сплавов урана с цирконием, молибденом и алюминием, покрытые цирконием или алюминием в случае алюминиевого сплава ; таблетки графита с диспергированным карбидом урана, покрытые непроницаемым графитом. Все эти твэлы находят свое применение, но для водо-водяных реакторов наиболее предпочтительны таблетки оксида урана в трубках из нержавеющей стали.
Диоксид урана не вступает в реакцию с водой, отличается высокой радиационной стойкостью и характеризуется высокой температурой плавления. Для высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов, по-видимому, весьма подходят графитовые топливные элементы, но у них имеется серьезный недостаток — за счет диффузии или из-за дефектов в графите через их оболочку могут проникать газообразные продукты деления. Органические теплоносители несовместимы с циркониевыми твэлами и поэтому требуют применения алюминиевых сплавов. Перспективы реакторов с органическими теплоносителями зависят от того, будут ли созданы алюминиевые сплавы или изделия порошковой металлургии, которые обладали бы прочностью при рабочих температурах и теплопроводностью, необходимыми для применения ребер, повышающих перенос тепла к теплоносителю. Поскольку теплообмен между топливом и органическим теплоносителем за счет теплопроводности мал, желательно использовать поверхностное кипение для увеличения теплопередачи. С поверхностным кипением будут связаны новые проблемы, но они должны быть решены, если использование органических теплоносителей окажется выгодным.
В большинстве обычных реакторов в качестве теплоносителя используется вода, либо под давлением, либо кипящая. Реактор с водой под давлением. В таких реакторах замедлителем и теплоносителем служит вода. Нагретая вода перекачивается под давлением в теплообменник, где тепло передается воде второго контура, в котором вырабатывается пар, вращающий турбину. Кипящий реактор. В таком реакторе кипение воды происходит непосредственно в активной зоне реактора и образующийся пар поступает в турбину.
В большинстве кипящих реакторов вода используется и как замедлитель, но иногда применяется графитовый замедлитель. Реактор с жидкометаллическим охлаждением. В таком реакторе для переноса теплоты, выделяющейся в процессе деления в реакторе, используется жидкий металл, циркулирующий по трубам. Почти во всех реакторах этого типа теплоносителем служит натрий.
Малогабаритный блок автоматики БА40 массой 12,6 кг. Духова Его выдает генератор подрывного импульса тока — сложное устройство из многих элементов.
Это специальные высоковольтные конденсаторы очень большой емкости, коммутирующие импульсные разрядники, мощный транзистор и высоковольтный выпрямительный столб, дополняемые высоковольтными соединительными элементами. Помимо компактности, в силу быстроты и большой мощности импульса возникает требование малоиндуктивности к генератору и его элементам, выполняемое специальными конструктивными и техническими решениями. После выдачи подрывного импульса тока включается электрическая линия задержки. Она откладывает выдачу импульса нейтронов до нужного момента времени, когда ядерный материал в ходе имплозии перейдет в сверхкритическое состояние с заданной величиной эффективного коэффициента размножения нейтронов. Самые первые импульсные нейтронные источники были неуправляемыми и представляли собой маленький шарик в центре ядерной сборки. Он содержал разделенные преградой полоний и бериллий.
Их ядерная реакция для выхода нейтронов запускалась механическим смешением при имплозии, без выбора момента срабатывания. Применение внешних импульсных нейтронных источников упростило ядерную часть заряда, но главное — ощутимо повысило эффективность деления ядерного материала. Уже первые внешние импульсные нейтронные источники были управляемыми и создавали импульс нужной интенсивности и длительности в оптимальный момент времени. Это увеличило выделение энергии взрыва более чем в полтора раза, что наглядно характеризует роль блока автоматики и его возможности. Первые поколения внешних импульсных нейтронных источников были однокаскадным линейным ускорителем. Он разгонял ионы ядра дейтерия электромагнитным полем до энергии 120 килоэлектронвольт, с запасом обеспечивая преодоление кулоновского отталкивания и энергию начала реакции 100 килоэлектронвольт.
Так создается мощный нейтронный поток — нейтронный импульс из десятков триллионов нейтронов и больше, поступающих в сверхкритическую ядерную сборку за короткое время. Технически это вакуумная трубка, где источником ядер дейтерия служит взрывающаяся от нагрева проволочка, содержащая дейтерий. Поэтому устройство назвали нейтронной трубкой. Она является самой сложной и важной частью блока автоматики. Для работы импульсного нейтронного источника нужны высоковольтные устройства: импульсный трансформатор, конденсаторы с большой емкостью, высоковольтные коммутирующие устройства. Можно повысить энерговыделение взрыва, формируя нейтронный импульс специальной формы.
Она задается специальными элементами в блоке нейтронной трубки. Поздние поколения нейтронных источников имеют свои особенности конструкции, но их работа строится на тех же принципах: выдача нейтронного потока нужной интенсивности, длительности и формы, с точной привязкой во времени. Система предохранения и взведения Даже обычный снаряд допустим, автоматической авиационной пушки не готов к взрыву ни на складе, ни в ленте на борту, ни в стволе пушки, ни сразу после выхода из ствола. В процессе выстрела и полета во взрывателе снаряда снимается целый ряд предохранений, последнее уже через пару сотен метров от дула. Это называется дальним взведением, и исключает взрыв снаряда на борту, в стволе и вблизи самолета. Для ядерного боеприпаса это тем более важно.
Он не готов к взрыву ни при эксплуатации, ни сразу после отделения от носителя. Ядерный заряд не даст атомного взрыва в любой нештатной ситуации. Даже если его уронить с высоты на скалы, сунуть в доменную печь, обстрелять из любого оружия, обложить взрывчаткой и взорвать, или близко сработает другой ядерный заряд. Карпенко Взрывобезопасность заряда обеспечивает система предохранения и взведения. Она исключает случайный или преждевременный подрыв заряда, взрыв из-за ложных данных, несанкционированных действий и любых нештатных причин. Она же переводит заряд в стадии все большей готовности к взрыву перед его срабатыванием.
И эта система также входит в состав блока автоматики.
Большая кинетическая энергия, которую имеют осколки, возникает вследствие их кулоновского отталкивания. Использование именно нейтронов для деления ядер обусловлено их электро нейтральностью. Отсутствие кулоновского отталкивания протонами ядра позволяет нейтронам беспрепятственно проникать в атомное ядро. Временный захват нейтрона нарушает хрупкую стабильность ядра, обусловленную тонким балансом сил кулоновского отталкивания и ядерного притяжения. Избыток нейтронов в центре ядра означает избыток протонов на периферии. Причем наиболее вероятным оказывается деление на осколки, массы которых относятся примерно как 2:3.
Большинство крупных осколков имеют массовое число А в пределах 135—145, а мелкие от 90 до 100. В результате реакции деления ядра урана U образуются два или три нейтрона. Одна из возможных реакций деления ядра урана протекает по схеме: Эта реакция протекает с образованием трех нейтронов. Возможна реакция с образованием двух нейтронов: 1. Задание ученикам: восстановить реакцию. Задание ученикам: подпишите элементы рисунка. При полном делении всех ядер, имеющихся в 1 г урана, выделяется столько энергии, сколько выделяется при сгорании 2,5 т нефти.
Процесс деления атомного ядра можно объяснить на основе капельной модели ядра. Согласно этой модели сгусток нуклонов напоминает капельку заряженной жидкости. Ядерные силы между нуклонами являются короткодействующими подобно силам, действующим между молекулами жидкости.
Разница между ядерным делением и синтезом
Но в чем же разница между реакциями деления и синтеза? Расщепление атомов: деление ядер Деление ядер — это процесс, который используется в ядерных реакторах. В ходе этого процесса происходит выделение большого количества энергии за счет расщепления более тяжелых нестабильных атомов на два атома меньшего размера, что приводит к началу цепной ядерной реакции деления. Когда нейтрон попадает в ядро делящегося атома, например, урана-235, атом урана расщепляется на два более мелких атома в дополнение к увеличению количества нейтронов и энергии.
Эти избыточные нейтроны, ударяясь о ядра других атомов урана-235, могут запустить цепную реакцию деления, что приводит к атомному взрыву. Атомные бомбы основаны на реакции деления ядер, однако важно отметить, что для цепной реакции деления требуется определенное количество делящегося материала, такого как уран-235, известное как сверхкритическая масса. Слияние атомов: ядерный синтез В водородных бомбах используется комбинация деления и синтеза, причем ядерный синтез усиливает реакцию деления и позволяет получить гораздо более мощный взрыв по сравнению с атомными бомбами.
Процесс ядерного синтеза, по сути, противоположен процессу деления: вместо того чтобы расщеплять более тяжелые атомы на более мелкие, он происходит путем объединения двух атомов с образованием третьего нестабильного атома. Именно этот процесс является источником энергии Солнца. При ядерном синтезе в основном используются изотопы более легких элементов, например, два изотопа водорода - дейтерий и тритий.
По мере быстрого роста города Шевченко двух турбин, работавших на паре из реактора, перед тем как он поступал на испарение морской воды, стало не хватать, их остановили. А взамен построили две ТЭЦ, вырабатывающие электроэнергию и тепло на природном газе. От атомного прошлого на нем осталась только обязанность хранить-охранять ту часть отходов, которую еще не придумали куда девать. Семипалатинский полигон. От него мы имеем Национальный ядерный центр в Курчатове, появившийся в начале 1990-х и нашедший себе применение на международном уровне в области радиационной экологии, поддержки режима нераспространения, технологий термоядерного синтеза и, обратите внимание, развития атомной энергетики в Казахстане.
А еще в южной столице был, есть и, надеюсь, будет! Институт ядерной физики, располагающий ядерным реактором 1967 года рождения и другими мудреными штуками типа изохронного циклотрона, еще на два года старше и омоложенного аж в 1972-м. В свое время это была компания почти полного, хотя и с разрывами, топливно-энергетического цикла. Благо наши месторождения позволяют применять метод скважинного выщелачивания, замечательно отработанный и самый низкий по стоимости. Что же осталось от этого сейчас?
Раскрывается его применение в качестве источника энергии и ядерного оружия. То и дело в газетных заголовках мелькают сообщения о возможности радиоактивного загрязнения почвы, океанов, льдов Антарктики. Однако обыкновенный человек часто не очень хорошо себе представляет, что это за область науки и как она помогает в повседневной жизни. Начать стоит, пожалуй, с истории. С самого первого вопроса, который задавал сытый и одетый человек, его интересовало, как устроен мир. Как видит глаз, почему слышит ухо, чем вода отличается от камня — вот что исстари волновало мудрецов. Еще в древней Индии и Греции некоторые пытливые умы предположили, что существует минимальная частица её еще называли «неделимой» , обладающая свойствами материала.
Средневековые химики подтвердили догадку мудрецов, и современное определение атома следующее: атом — это наименьшая частица вещества, которая является носителем его свойств. Части атома Однако развитие технологии в частности, фотографии привело к тому, что атом перестал считаться наименьшей возможной частицей вещества. И хотя отдельно взятый атом электронейтрален, ученые достаточно быстро поняли: он состоит из двух частей с разными зарядами. Количество положительно заряженных частей компенсирует количество отрицательных, таким образом, атом остается нейтральным. Но однозначной модели атома не существовало. Так как в тот период все еще господствовала классическая физика, то высказывались различные предположения. Модели атома Поначалу была предложена модель «булка с изюмом».
Положительный заряд как бы заполнял собой все пространство атома, и в нем, как изюм в булке, распределялись отрицательные заряды. Знаменитый опыт Резерфорда определил следующее: в центре атома расположен очень тяжелый элемент с положительным зарядом ядро , а вокруг располагаются значительно более легкие электроны. Масса ядра в сотни раз тяжелее суммы всех электронов оно составляет 99,9 процентов от массы всего атома. Таким образом, родилась планетарная модель атома Бора. Однако некоторые из её элементов противоречили принятой на тот момент классической физике. Поэтому была разработана новая, квантовая механика. С ее появлением начался неклассический период науки.
Атом и радиоактивность Из всего сказанного выше становится понятно, что ядро — это тяжелая, положительно заряженная часть атома, которая составляет его основную массу. Когда квантование энергии и положений электронов на орбите атома были хорошо изучены, пришло время понять природу атомного ядра. На помощь пришла гениальная и неожиданно открытая радиоактивность. Она помогла раскрыть сущность тяжелой центральной части атома, так как источник радиоактивности — деление ядер. На рубеже девятнадцатого и двадцатого столетия, открытия сыпались одно за другим. Теоретическое решение одной задачи вызывало необходимость ставить новые опыты. Результаты экспериментов порождали теории и гипотезы, которые требовалось подтвердить или опровергнуть.
Зачастую величайшие открытия появлялись просто потому, что именно таким образом формула становилась удобной для вычислений как, например, квант Макса Планка. Еще в начале эры фотографии ученые знали: урановые соли засвечивают светочувствительную пленку, но они не подозревали, что в основе этого явления лежит деление ядер. Поэтому радиоактивность изучали, чтобы понять природу распада ядра. Очевидно, что излучение порождались квантовыми переходами, но было не до конца ясно, какими именно. Чета Кюри добывала чистые радий и полоний, обрабатывая практически вручную урановую руду, чтобы получить ответ на этот вопрос. Заряд радиоактивного излучения Резерфорд много сделал для изучения строения атома и внес вклад и в исследование того, как происходит деление ядра атома.
Механизм деления ядра В 1939 г физиками О.
Фришем и Л. Мейтнером была предложена капельная модель ядра, в рамках которой был описан процесс деления ядра атома урана. В покое ядро урана можно представить в виде капли, состоящей из нуклонов протонов и нейтронов. Протоны имеют одинаковый заряд и стремятся разлететься, однако, ядерные силы имеют большую мощность, и препятствуют этому. В тяжелых элементах протонов очень много, и энергия ядерных сил лишь немного превышает энергию кулоновского отталкивания в сфере их действия напомним, ядерные силы, в отличие от кулоновских — короткодействующие. Если в ядро попадает нейтрон, обладающий некоторой энергией, он передает ее ядру, в ядре, точно так же, как в реальной капле, возникают деформации, оно теряет сферическую форму, и часть ядра может оказаться в зоне, где ядерные силы резко убывают. Капельная модель деления ядра урана.
Поскольку доля нейтронов в устойчивых ядрах для легких элементов меньше, получается, что при делении ядра урана один или несколько нейтронов оказываются «лишними», они покидают зону распада, и могут попасть в другие ядра урана, являясь инициаторами цепной реакции деления.
Ученые 80 лет выясняли, как вращаются атомные ядра после деления
Так получим ли мы новые мощные атомные ледоколы, новые энергоблоки, плавучую атомную станцию «Академик Ломоносов», космический ядерный двигатель при таком циничном. В этом выпуске поговорим о том, с чего началось освоение ядерной энергии: о механизме ядерных реакций, об открытии цепных реакций деления атомных ядер и возможности. РУВИКИ: Интернет-энциклопедия — Деление ядра — процесс расщепления атомного ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, называемых осколками деления. Деление атомных ядер — их распад на 2-3 осколка с высвобождением энергии.
Физика. 9 класс
Предыдущие исследования показали, что атомные ядра с большим количеством протонов и нейтронов нестабильны. В этом опыте взрывной характер деления атома урана следовал из того, что два продукта деления разлетались в противоположные стороны с очень большой скоростью. Ядро атома, если это не водород, состоит из набора протонов и нейтронов. Исследователи обнаружили, что молекула дирхения проводит большую часть своего времени с четырехкратной связью, разделяя четыре электрона между двумя атомами. В конце 1938 года из Старого света пришла новость о том, что два немецких ученых, Отто Ган и Фриц Штрассман, открыли реакцию деления атомного ядра.