Оно важно, потому что ядро урана-235 или плутония-239 примерно в 1000 раз охотнее поглотит замедленный нейтрон, чем быстрый, только появившийся в реакции. это наличие вещества, которое могло бы замедлить высвобождение нейтронов во время деления ядра урана, чтобы одновременно вызвать распад других ядер. Поскольку вода замедляет нейтроны, ее попадание ускоряло деление ядер урана в расплаве. Расследование показало, что концентрация урана-235 в руднике такая же, как в отработанной атомной станции, но деление ядер произошло 1,8 миллиарда лет назад.
Деление ядра урана. Цепная реакция. Описание процесса
Что происходит? Science приводит слова сотрудников украинского Института проблем безопасности АЭС, Анатолия Дорошенко и Максима Савельева, о том, что поток нейтронов в остатках реактора медленно растет и нельзя исключить «риск инцидентов». Эти их слова отчасти повторяют выводы публикации в журнале «Вопросы атомной науки и техники» 2020 года, один из авторов которой как раз Дорошенко. Действительно, несколько измерительных приборов системы контроля ядерной безопасности, установленной в объекте «Укрытие» так официально называется саркофаг показывают, что с 2016 по 2019 год плотность нейтронного потока увеличилась — в самом значительном случае на 60 процентов. Откуда взялись нейтроны в давно «остывшем» месте катастрофы и почему они так важны? Нейтроны вызывают деление ядер урана-235 или плутония-239 которые поэтому называются делящимися материалами , при этом распад ядер сопровождается выходом новых нейтронов и в случае правильной геометрии материалов выстраивается самоподдерживающаяся цепочка реакций. Это можно увидеть в ядерном взрыве или работе атомного реактора, и самопроизвольная авария с образованием цепной реакции весьма опасна.
В ходе развития аварии на 4 блоке Чернобыльской АЭС чуть меньше половины загруженного в реактор топлива 80-90 из 200 тонн осталась в здании в виде лаваподобных топливосодержащих материалов ЛТСМ, подробнее об этом читайте в материале «Китайский синдром Чернобыля». Уран, плутоний, америций и нептуний в этой застывшей лаве продолжают распадаться, порождая в некоторых вариантах распада нейтроны. В конце 90-х общее количество нейтронов в «Укрытии» оценивалось величиной примерно 109 штук в секунду, что примерно в триллион раз меньше, чем поток нейтронов в работающем гигаваттном реакторе. За счет распада радиоактивных веществ мы должны были бы наблюдать постепенное снижение нейтронного потока, однако измерения кое-где показывают, что происходит не совсем это. После аварии это помещение оказалось недоступным. И радиационные те, что связаны с опасностью облучения , и ядерные те, что связаны с риском возникновения самоподдерживающийся цепной реакции измерения по нему косвенные.
Цепная реакция деления. В ядрах урана возможно и спонтанное деление, без возбуждения нейтроном. Удельная энергии связи у более легких элементов выше, а значит, ядру урана энергетически «выгодно» распасться на более легкие ядра. Этому препятствуют ядерные силы, нужен внешний возбуждающий импульс, но существует ненулевая вероятность, что в ядре начнется распад и без такого импульса. Что мы узнали? Ядра урана при бомбардировке нейтронами способны делиться на более легкие части. Механизм деления описывается в рамках капельной модели ядра. Тест по теме.
Наиболее изучен радиоактивный ит-трий-91, образующийся, в частности, при взрывах атомного оружия. Наряду со стронцием-90 этот изотоп считается одним из наиболее опасных продуктов распада. Опасен и дочерний продукт строн-ция-90 - иттрий-90. Нейтроны же доставляются в этот природный реактор тремя источниками: космическим излучением, реакцией спонтанного деления ядер урана и реакциями типа а, п между а - частицами, испускаемыми ураном и легкими ядрами, входящими в состав руд.
Обрабатывая их, система взведения реализует алгоритмы повышения готовности заряда к взрыву. Так, чековые или концевые выключатели находятся на поверхности носителя ядерного заряда. Размыкаются контакты, выдергиваются чеки, и в блок автоматики поступает сигнал об отделении носителя от стартового сооружения, самолета-носителя, самоходной установки или подлодки. Другие приборы связаны со средой, в которой движется носитель, и измеряют ее параметры. Если это крылатая или баллистическая ракета, используются манометрические, барометрические или аэродинамические датчики. Первые выдают сигнал при достижении заданной разности наружного статического давления и давления в специальной емкости в приборе, сообщая о достижении заданного перепада высоты. Вторые реагируют на значение наружного статического воздушного давления.
Третьи срабатывают при заданной разнице статического и полного давления, создаваемого напором встречного воздуха при заданной скорости носителя. Сигналы датчиков вызывают включения или отключения электрических цепей в блоке автоматики. Ядерная боевая часть крылатой противокорабельной ракеты. Вид со стороны блока автоматики. Но если ракета не достигла контрольной высоты или не развила контрольную скорость, то блок автоматики не отключит эту ступень предохранения. И заряд не взорвется, как бы дальше ни развивалась история нештатного полета и падения ракеты. Похоже действуют гидроприборы, если носителем ядерного заряда является торпеда. Гидростатические приборы реагируют на заданное статическое давление морской воды, гидродинамические датчики измеряют перепад полного и статического давлений воды при движении торпеды.
Есть и группы приборов, не связанных со средой, подобно скрытым в теле человека мышечным рецепторам. Это датчики линейных ускорений и инерционные включатели, которые включают или выключают электрические цепи блока автоматики при контрольных значениях перегрузки по трем осям. Есть временные приборы, переключающие электрические цепи по истечении заданного времени. Только по мере верного прохождения этих последовательностей система предохранения и взведения постепенно повышает взрывоготовность заряда. И сразу обнуляет ее при значимых отклонениях фактических событий от планового сценария работы носителя. Кто нажмет на спусковой крючок Но вот все этапы движения носителем пройдены, он уже в непосредственной близости к цели. Все ступени предохранения сняты, и заряд готов взорваться в любое мгновение. Кто примет решение и даст главную команду на подрыв?
Пусковая система, или исполнительная система подрыва. Ее задача — выработка главной команды на подрыв заряда, которую выполнит блок автоматики и его система подрыва заряда. Главная команда запустит процесс подрыва, поэтому система называется пусковой. Исполнительная она потому, что при выполнении главного условия подрыва — достижения цели — следует только исполнение подрыва, больше ничего Пусковая система частично находится в блоке автоматики — ее логические блоки, формирующие главную команду. Снаружи блока автоматики размещены подсистемы исполнительных датчиков — и на поверхности носителя, и внутри него. Подсистемы исполнительных датчиков имеют свою иерархию и работают на разных физических принципах. В этом они схожи с датчиками системы предохранения и взведения. Схем и воплощений пусковых систем так же много, как и конструкций, несущих ядерный заряд.
Возьмем как условный пример боеголовку баллистической ракеты. Ее цель обычно точка в пространстве на высоте 500—800 метров над земной поверхностью.
Деление ядер урана и цепная реакция
Поскольку вода замедляет нейтроны, ее попадание ускоряло деление ядер урана в расплаве. Природный уран получает обогащение, т. е. в нем увеличивают количество изотопа U-235, который стимулирует процесс ядерного деления. Ядро урана-238 захватывает нейтрон, превращается в нептуний-239, а затем, путём испускания электрона, превращается в плутоний-239. На самом деле, физики начали фиксировать нарушение постулата Лавуазье задолго до открытия деления ядра урана.
Деление ядра урана. Цепная реакция. Описание процесса
Работы относятся к ядерной химии, ядерному делению. Дал химическое доказательство процессу деления Рассмотрим механизм этого явления. На рисунке 162, а условно изображено ядро атома урана. Поглотив лишний нейтрон, ядро возбуждается и деформируется, приобретая вытянутую форму рис. Процесс деления ядра урана под воздействием попавшего в него нейтрона Вы уже знаете, что в ядре действует два вида сил: электростатические силы отталкивания между протонами, стремящиеся разорвать ядро, и ядерные силы притяжения между всеми нуклонами, благодаря которым ядро не распадается. Но ядерные силы — короткодействующие, поэтому в вытянутом ядре они уже не могут удержать сильно удалённые друг от друга части ядра. Под действием электростатических сил отталкивания ядро разрывается на две части рис. Получается, что часть внутренней энергии ядра переходит в кинетическую энергию разлетающихся осколков и частиц. Осколки быстро тормозятся в окружающей среде, в результате чего их кинетическая энергия преобразуется во внутреннюю энергию среды т. При одновременном делении большого количества ядер урана внутренняя энергия окружающей уран среды и соответственно её температура заметно возрастают т. Таким образом, реакция деления ядер урана идёт с выделением энергии в окружающую среду.
Энергия, заключённая в ядрах атомов, колоссальна. Например, при полном делении всех ядер, имеющихся в 1 г урана, выделилось бы столько же энергии, сколько выделяется при сгорании 2,5 т нефти. Для преобразования внутренней энергии атомных ядер в электрическую на атомных электростанциях используют так называемые цепные реакции деления ядер. Рассмотрим механизм протекания цепной реакции деления ядра изотопа урана. Ядро атома урана рис.
У урана-241 есть 92 протона — как и у всех изотопов урана. Однако новый изотоп содержит 149 нейтронов, что делает его первым богатым нейтронами подвидом урана, открытым с 1979 года. Разные изотопы урана могут содержать разное количество нейтронов в своих ядрах. Изотопы могут быть стабильными, когда они сохраняют свою атомную конфигурацию, или нестабильными, когда они распадаются на другие элементы, приобретая или теряя протоны.
Так как нейтроны лишены заряда, то они беспрепятственно проникают в атомные ядра и вызывают ядерные реакции, причем ядерные превращения вызываются не только быстрыми нейтронами, но и медленными, иногда даже эффективнее. В 1938 г. Для проведения данной реакции использовались изотопы урана 235. Для проведения цепной реакции чистый изотоп урана 238 непригоден. На самом деле ядро 235 урана распадается по реакции:. Где осколки А и В варьируются от 72 до 161 элемента наиболее вероятен распад на элементы 95 и 139.
Отсутствовало огромное количество урана-235. Забили тревогу, пропажи хватило бы для изготовления нескольких атомных бомб. Расследование показало, что концентрация урана-235 в руднике такая же, как в отработанной атомной станции, но деление ядер произошло 1,8 миллиарда лет назад.
Распадается всего за 40 минут: открыт новый изотоп урана
Если масса и соответственно размеры куска урана слишком мала, то многие нейтроны вылетят за его пределы, не успев встретить на своём пути ядро, вызвать его деление и породить таким образом новое поколение нейтронов, необходимых для продолжения реакции. В этом случае цепная реакция прекратится. Чтобы реакция не прекращалась, нужно увеличить массу урана до определённого значения, называемого критическим. Почему при увеличении массы цепная реакция становится возможной?
Чем больше масса куска, тем больше его размеры и тем длиннее путь, который проходят в нём нейтроны. При этом вероятность встречи нейтронов с ядрами возрастает. Соответственно увеличивается число делений ядер и число излучаемых нейтронов.
При критической массе урана число нейтронов, появившихся при делении ядер, становится равным числу потерянных нейтронов т. Поэтому их общее число остаётся неизменным. При этом цепная реакция может идти длительное время, не прекращаясь и не приобретая взрывного характера.
Наименьшая масса урана, при которой возможно протекание цепной реакции, называется критической массой Если масса урана больше критической, то в результате резкого увеличения числа свободных нейтронов цепная реакция приводит к взрыву, а если меньше критической, то реакция не протекает из-за недостатка свободных нейтронов. Уменьшить потерю нейтронов которые вылетают из урана, не прореагировав с ядрами можно не только за счет увеличения массы урана, но и с помощью специальной отражающей оболочки. Для этого кусок урана помещают в оболочку, сделанную из вещества, хорошо отражающего нейтроны например, из бериллия.
Отражаясь от этой оболочки, нейтроны возвращаются в уран и могут принять участие в делении ядер. Существует ещё несколько факторов, от которых зависит возможность протекания цепной реакции. Например, если кусок урана содержит слишком много примесей других химических элементов, то они поглощают большую часть нейтронов и реакция прекращается.
Редакция выясняет Мнение редакции может не совпадать с мнением автора Четвертый энергоблок Чернобыльской АЭС, взорвавшийся больше 35 лет назад, сегодня укрыт уже двумя саркофагами: объектом «Укрытие», который строили еще первые ликвидаторы, и Новым безопасным конфайнментом НБК , достроенным три года назад. Что происходит с остатками ядерного топлива в руинах реактора мы можем судить только по данным с датчиков радиации. В начале мая журнал Science опубликовал заметку о том, что в четвертом реакторном зале ЧАЭС вновь активизировались реакции распада. Через неделю Институт проблем безопасности атомных электростанций НАН Украины подтвердил , что в одном из подреакторных помещений четвертого реактора ЧАЭС «наблюдается рост плотности потока нейтронов», но тот «не превышает установленных пределов безопасности».
Что происходит? Science приводит слова сотрудников украинского Института проблем безопасности АЭС, Анатолия Дорошенко и Максима Савельева, о том, что поток нейтронов в остатках реактора медленно растет и нельзя исключить «риск инцидентов». Эти их слова отчасти повторяют выводы публикации в журнале «Вопросы атомной науки и техники» 2020 года, один из авторов которой как раз Дорошенко. Действительно, несколько измерительных приборов системы контроля ядерной безопасности, установленной в объекте «Укрытие» так официально называется саркофаг показывают, что с 2016 по 2019 год плотность нейтронного потока увеличилась — в самом значительном случае на 60 процентов.
Откуда взялись нейтроны в давно «остывшем» месте катастрофы и почему они так важны? Нейтроны вызывают деление ядер урана-235 или плутония-239 которые поэтому называются делящимися материалами , при этом распад ядер сопровождается выходом новых нейтронов и в случае правильной геометрии материалов выстраивается самоподдерживающаяся цепочка реакций. Это можно увидеть в ядерном взрыве или работе атомного реактора, и самопроизвольная авария с образованием цепной реакции весьма опасна. В ходе развития аварии на 4 блоке Чернобыльской АЭС чуть меньше половины загруженного в реактор топлива 80-90 из 200 тонн осталась в здании в виде лаваподобных топливосодержащих материалов ЛТСМ, подробнее об этом читайте в материале «Китайский синдром Чернобыля».
Уран, плутоний, америций и нептуний в этой застывшей лаве продолжают распадаться, порождая в некоторых вариантах распада нейтроны.
Внешний вид, геометрия твэлов и топливных кассет соответствуют проектным критериям, замечания отсутствуют. Опытно-промышленная эксплуатация продлится еще два топливных цикла. Все это время на станции будут контролировать нейтронно-физические и ресурсные характеристики нового топлива.
Единственное что мы знаем - это вероятность появления осколка с той или иной массой. Есть даже красивый график, показывающий эту вероятность. Называется он "двугорбая кривая зависимости выхода продуктов деления от массового числа". Приведу его тут: По оси Х у нас возможная масса получившегося осколка, по оси Y - вероятность его появления, в процентах. Кроме реакции деления есть еще много других реакций, которые в меньшей мере, но тоже способствуют образованию новых ядер в топливе.
Как пример одной из них - реакция образования плутония-239 из урана-238. Ядро урана-238 захватывает нейтрон, превращается в нептуний-239, а затем, путём испускания электрона, превращается в плутоний-239. А последний, кстати, тоже делится нейтронами. За все годы работы топлива в реакторе, в нём образуется чуть ли не вся таблица Менделеева. Этот ядерный зоопарк дико фонит, причем испускает практически все виды излучения - альфа, бета, гамма, нейтронное, нейтринное и т.
Ядерные реакции
Схема цепной реакции деления урана-235 нейтронами при эффективном коэффициенте размножения нейтронов больше единицы. Прежде всего, была экспериментально доказана справедливость гипотезы о делении ядра урана и непосредственно измерена энергия деления. Период полураспада урана-241, который образовался в результате взаимодействия урана-238 с платиной-198, составляет около 40 минут. Британия с ЕС в разводе, у нее своя заготовка для Зеленского — снаряды с обедненным ураном. Чтобы повысить вероятность деления природного урана, необходимо увеличить содержащееся в нем количество урана-235 с помощью процесса, называемого обогащением урана. Крайне существенным является то обстоятельство, что нейтроны, испущенные при делении уранового ядра (так называемые вторичные нейтроны деления), способны вызывать деление новых ядер урана.
Как было открыто спонтанное деление
В этом случае неизменным будет количество энергии, которая выделяется за единицу времени при делении ядер урана. процессе деления путем Вывод Делиться на части могут только ядра некоторых тяжелых Цепные ядерные реакции При делении ядра урана освобождаются 2-3 нейтрона. Они показали, что при небольшом обогащении естественной смеси изотопов урана легким изотопом (ураном-235) и использовании обыкновенной воды в качестве замедлителя можно создать условия для непрерывной реакции деления атомных ядер, т.е. процессе деления путем Вывод Делиться на части могут только ядра некоторых тяжелых Цепные ядерные реакции При делении ядра урана освобождаются 2-3 нейтрона.
Опасная работа: как добывают уран
Мы видели, что в природном уране незамедленные вторичные нейтроны поглощаются главным образом изотопом. Так как поглощение в не приводит к делению, то реакция обрывается. Как показывают измерения, при замедлении нейтронов до тепловых скоростей поглощающая способность возрастает сильнее поглощающей способности , ведущее к делению, получает перевес. Поэтому, если замедлить нейтроны деления, не дав им поглотится в , цепная реакция станет возможной и с природным ураном. Система из природного урана и замедлителя, в которой может развиваться цепная реакция деления На практике такого результата добиваются, помещая топкие стержни из природного урана в виде редкой решетки в замедлитель рис. В качестве замедлителей используют вещества, обладающие малой атомной массой и слабо поглощающие нейтроны. Хорошими замедлителями являются графит, тяжелая вода, бериллий. Пусть в одном из стержней произошло деление ядра урана. Так как стержень сравнительно тонкий, то быстрые вторичные нейтроны вылетят почти все в замедлитель. Стержни расположены в решетке довольно редко.
Вылетевший нейтрон до попадания в новый стержень испытывает много соударений с ядрами замедлителя и замедляется до скорости теплового движения рис. Попав затем в урановый стержень, нейтрон поглотится скорее всего в и вызовет новое деление, продолжая тем самым реакцию. Цепная реакция деления была впервые осуществлена в США в 1942г. Независимо этот процесс был реализован в СССР в 1946г. Развитие ценной реакции деления в системе из природного урана и замедлителя. Быстрый нейтрон, вылетев из тонкого стержня, попадет в замедлитель и замедляется.
Неустойчивость тяжелых ядер обусловлена взаимным отталкиванием большого числа протонов, находящихся в ядрах. Деление тяжелого ядра на два осколка сопровождается выделением энергии порядка 1 МэВ на каждый нуклон. Это следует из того, что удельная энергия связи для ядер средней массы составляет примерно 8,7 МэВ, в то время как для тяжелых ядер она равна 7,6 МэВ. Например, при делении ядра урана выделяется энергия порядка 200 МэВ. При благоприятных условиях эти нейтроны могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. На этом этапе появятся уже от 4 до 9 нейтронов, способных вызвать новые распады ядер урана и т. Такой лавинообразный процесс называется цепной реакцией. Условием возникновения цепной реакции является наличие размножающихся нейтронов. Коэффициентом размножения нейтронов k называется Коэффициент размножения зависит от природы отношение числа нейтронов, возникающих в некотором звене делящегося вещества, а для данного изотопа — от его реакции, к числу таких нейтронов в предшествующем звене. Такая реакция называется развивающаяся реакция. Минимальная масса делящегося вещества, находящегося в системе критических размеров, необходимая для осуществления цепной реакции, называется критической массой. Цепная реакция в уране с повышенным содержанием урана235 может развиваться только тогда, когда масса урана превосходит критическую массу. В небольших кусках урана большинство нейтронов, не попав ни в одно ядро, вылетают наружу. Для чистого урана-235 критическая масса составляет около 50 кг. Применение замедлителей нейтронов и специальной оболочки из вобериллия, котораяесли Критическую массу урана можно много раз уменьшить, отражает так нейтроны, позволяет снизить использовать называемые замедлители нейтронов. Дело в том, что нейтроны, рождающиеся критическую массу до 250при г. Наилучшим замедлителем нейтронов является тяжелая вода D2O. Обычная вода при взаимодействии с нейтронами сама превращается в тяжелую воду.
Образование плутония Плутоний Pu — серебристо-белый радиоактивный металл группы актиноидов, теплый на ощупь из-за своей радиоактивности. В природе встречается в очень малых количествах в уранитовой смолке и других рудах урана и церия, в значительном количестве получают искусственно. Поэтому встал вопрос, как использовать в ядерной энергетике уран-238. В процессе радиоактивных превращений образуется изотоп нептуния, а затем плутония, который в дальнейшем используется в качестве ядерного топлива. При этом при делении 1 кг урана получается 1,5 кг плутония. Ядерная энергетика Для осуществления управляемой цепной реакции используют ядерный реактор, который является источником энергии на АЭС и морском флоте. Впервые управляемая цепная реакция деления ядер урана была осуществлена в 1942 г. Ферми в уран-графитовом реакторе. В нашей стране первый ядерный реактор был запущен 25 декабря 1946 г. Ядерный реактор — устройство, в котором осуществляется управляемая цепная реакция. Ядра урана, особенно ядра изотопа U-235, наиболее эффективно захватывают медленные нейтроны. Вероятность захвата медленных нейтронов с последующим делением ядер в сотни раз больше, чем быстрых. Поэтому в ядерных реакторах, работающих на естественном уране, используются замедлители нейтронов для повышения коэффициента размножения нейтронов. Основными элементами ядерного реактора являются: ядерное горючее U-235, Pu-239, замедлитель нейтронов тяжелая или обычная вода, графит и др.
Одно и то же количество данного вещества имеет разное значение К. К максимально, если вещество имеет шарообразную форму, поскольку в этом случае потеря мгновенных нейтронов через поверхность будет наименьшей. В небольших кусках урана большинство нейтронов, не попав ни в одно ядро, вылетают наружу. Значение критической массы определяется геометрией физической системы, ее структурой и внешним окружением. Критическую массу урана можно во много раз уменьшить, если использовать так называемые замедлители нейтронов. Дело в том, что нейтроны, рождающиеся при распаде ядер урана, имеют слишком большие скорости, а вероятность захвата медленных нейтронов ядрами урана-235 в сотни раз больше, чем быстрых. Наилучшим замедлителем нейтронов является тяжелая вода D2O. Обычная вода при взаимодействии с нейтронами сама превращается в тяжелую воду. Хорошим замедлителем является также графит, ядра которого не поглощают нейтронов. При упругом взаимодействии с ядрами дейтерия или углерода нейтроны замедляются до тепловых скоростей. Применение замедлителей нейтронов и специальной оболочки из бериллия, которая отражает нейтроны, позволяет снизить критическую массу до 250 г. Такой режим обеспечивается в ядерных реакторах. Цепная реакция лавинообразно нарастает и имеет характер взрыва, сопровождающегося огромным выделением энергии и повышением температуры окружающей среды до нескольких миллионов градусов.