Деление тяжелых атомных ядер является источником энергии в ядерных реакторах и ядерном оружии. Оговорка вторая: для расщепления атомов элемента на части следует затратить меньше энергии, чем ее выделится.
Деление атомных ядер: История Лизы Мейтнер и Отто Ганна
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. В качестве реакторов-размножителей более предпочтительны реакторы на быстрых нейтронах с жидкометаллическим охлаждением, поскольку в этом случае отсутствуют потери нейтронов, связанные с замедлением. Газоохлаждаемый реактор. В таком реакторе теплота, выделяющаяся в процессе деления, переносится в парогенератор газом — диоксидом углерода или гелием. 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.
Эти открытия могут помочь разгадать загадку происхождения тяжелых элементов во Вселенной. Природа способна создавать сверхтяжелые атомные ядра, превосходящие самые тяжелые элементы в периодической таблице. Однако срок их службы очень короткий. Изображение из открытых источников Тяжелые элементы также могут быть созданы путем ядерного синтеза. Самым «тяжелым» из них является железо с 26 протонами и 30 нейтронами. Ранее предполагалось, что более тяжелые элементы образовывались в редких сверхновых или при слиянии двух нейтронных звезд. Нейтронные звезды образуются, когда у массивных звезд заканчиваются запасы топлива, необходимого для ядерного синтеза.
Эти нейтроны могут в свою очередь вызвать деление других ядер, создавая цепную реакцию. Последствия деления Ядра, образовавшиеся в результате деления, являются изотопами различных элементов и обычно радиоактивны. Они продолжают распадаться, выделяя дополнительную энергию. Значение ядерного деления Ядерное деление имеет огромное значение в различных областях. Это основа для работы ядерных реакторов и атомных бомб, а также используется в медицинских и научных целях.
Давайте погрузимся в детали этого удивительного явления. Этот процесс сопровождается выделением большого количества энергии. Его противоположностью является ядерный синтез, когда два легких атома объединяются, образуя более тяжелый атом. В процессе деления выделяются нейтроны. Этот процесс сопровождается выделением огромного количества энергии.
Два атома заставили двигаться синхронно на расстоянии 33 км
Но конкретный тип урана, используемый для производства ядерной энергии называется U-235 и встречается редко. Распадаясь внутри ядерного реактора атомы урана выделяют крошечные частицы — так называемые продукты деления. Именно они запускают цепную ядерную реакцию, в конечном итоге создавая тепло. Однако добыча и последующая переработка урана приводят к образованию радиоактивных отходов. Больше по теме: Как добывается радиоактивный уран и для чего он используется? Ядерные отходы С момента зарождения атомной энергетики ядерные отходы не причиняли вреда людям. Распространенное заблуждение заключается в том, что, поскольку определенные части ядерных отходов остаются радиоактивными в течение миллиардов лет, угроза должна сохраняться на протяжении всего периода. Но это не так. Радиация является неизбежной частью жизни на нашей планете.
Ключевой фактор в понимании того, почему хранилища ядерных отходов не представляют угрозы для здоровья, связан с количеством материалов, которые были бы обнаружены в окружающей среде в случае утечки. Читайте также: Эффект Вавилова-Черенкова: что нужно знать? Учитывая, что радиоактивные отходы долговечны, зараженная одежда и инструменты могут оставаться радиоактивными на протяжении тысяч лет. Первая атомная электростанция была запущена в 1954 году в районе города Обнинск Московской области. Всего исследователи выделяют три типа ядерных отходов, классифицируемых в соответствии с их радиоактивностью: низкий, средний и высокий уровни.
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.
Другой нейтрон просто теряется и ни с чем не сталкивается, также не продолжая реакцию. Однако один нейтрон действительно сталкивается с атомом урана-235, который затем делится и высвобождает два нейтрона и некоторую энергию связи. Оба этих нейтрона сталкиваются с атомами урана-235, каждый из которых делится и высвобождает от одного до трех нейтронов, которые затем могут продолжить реакцию. Основная статья: Ядерная цепная реакция Некоторые тяжелые элементы, такие как уран , торий и плутоний , подвергаются как самопроизвольному делению - форме радиоактивного распада, так и индуцированному делению - форме ядерной реакции. Элементарные изотопы, которые подвергаются вынужденному делению при ударе свободным нейтроном , называются делящимися ; изотопы, которые подвергаются делению при ударе медленным тепловым нейтроном , также называются делящимися. Несколько особенно делящихся и легко доступных изотопов в частности, 233 U, 235 U и 239 Pu называют ядерным топливом, потому что они могут поддерживать цепную реакцию и могут быть получены в достаточно больших количествах, чтобы быть полезными. Все делящиеся и делящиеся изотопы подвергаются небольшому спонтанному делению, которое высвобождает несколько свободных нейтронов в любой образец ядерного топлива. Такие нейтроны быстро вырвутся из топлива и станут свободными нейтронами со средним временем жизни около 15 минут, прежде чем они распадутся на протоны и бета-частицы. Некоторые нейтроны будут воздействовать на ядра топлива и вызывать дальнейшие деления, высвобождая еще больше нейтронов. Если в одном месте собрано достаточно ядерного топлива или если нейтроны улетучиваются, то количество этих только что испускаемых нейтронов превышает количество нейтронов, выходящих из сборки, и будет иметь место устойчивая цепная ядерная реакция.
На станции, которая снабжает электричеством не только Санкт-Петербург , но и соседние регионы, начался запуск нового энергоблока. Сложнейшая техническая операция включает загрузку топлива и тщательное тестирование систем безопасности. Она продлится несколько месяцев. Все должно закончиться тем, что сами ядерщики называют «биением атомного сердца». Так называемый физический пуск символизирует его рождение нового реактора.
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. Другой нейтрон просто теряется и ни с чем не сталкивается, также не продолжая реакцию. Однако один нейтрон действительно сталкивается с атомом урана-235, который затем делится и высвобождает два нейтрона и некоторую энергию связи.
Оба этих нейтрона сталкиваются с атомами урана-235, каждый из которых делится и высвобождает от одного до трех нейтронов, которые затем могут продолжить реакцию. Основная статья: Ядерная цепная реакция Некоторые тяжелые элементы, такие как уран , торий и плутоний , подвергаются как самопроизвольному делению - форме радиоактивного распада, так и индуцированному делению - форме ядерной реакции. Элементарные изотопы, которые подвергаются вынужденному делению при ударе свободным нейтроном , называются делящимися ; изотопы, которые подвергаются делению при ударе медленным тепловым нейтроном , также называются делящимися. Несколько особенно делящихся и легко доступных изотопов в частности, 233 U, 235 U и 239 Pu называют ядерным топливом, потому что они могут поддерживать цепную реакцию и могут быть получены в достаточно больших количествах, чтобы быть полезными. Все делящиеся и делящиеся изотопы подвергаются небольшому спонтанному делению, которое высвобождает несколько свободных нейтронов в любой образец ядерного топлива. Такие нейтроны быстро вырвутся из топлива и станут свободными нейтронами со средним временем жизни около 15 минут, прежде чем они распадутся на протоны и бета-частицы. Некоторые нейтроны будут воздействовать на ядра топлива и вызывать дальнейшие деления, высвобождая еще больше нейтронов. Если в одном месте собрано достаточно ядерного топлива или если нейтроны улетучиваются, то количество этих только что испускаемых нейтронов превышает количество нейтронов, выходящих из сборки, и будет иметь место устойчивая цепная ядерная реакция. Сборка, которая поддерживает устойчивую цепную ядерную реакцию, называется критической сборкой или, если сборка почти полностью сделана из ядерного топлива, критической массой. Слово «критический» относится к пику в поведении дифференциального уравнения, которое определяет количество свободных нейтронов, присутствующих в топливе: если присутствует меньше критической массы, то количество нейтронов определяется радиоактивным распадом , но если если присутствует критическая масса или больше, то количество нейтронов контролируется физикой цепной реакции.
Фактическая масса из критической массы ядерного топлива сильно зависит от геометрии и окружающих материалов. Не все делящиеся изотопы могут поддерживать цепную реакцию. Например, 238 U, самая распространенная форма урана, расщепляется, но не расщепляется: он подвергается вынужденному делению при столкновении с энергичным нейтроном с кинетической энергией более 1 МэВ. Однако слишком мало нейтронов, образующихся при делении 238 U, достаточно энергичны, чтобы вызвать дальнейшее деление 238 U, поэтому цепная реакция с этим изотопом невозможна. Вместо этого бомбардировка 238 U медленными нейтронами заставляет его поглощать их превращаясь в 239 U и распадаться за счет бета-излучения до 239 Np, который затем снова распадается тем же процессом до 239 Pu; этот процесс используется для производства 239 Pu в реакторах-размножителях. Производство плутония на месте также способствует нейтронной цепной реакции в других типах реакторов после того, как было произведено достаточное количество плутония-239, поскольку плутоний-239 также является делящимся элементом, который служит топливом. Подсчитано, что до половины энергии, производимой стандартным реактором "без размножителя", производится за счет деления плутония-239, производимого на месте, в течение всего жизненного цикла топливной загрузки. Делящиеся, неделящиеся изотопы могут использоваться в качестве источника энергии деления даже без цепной реакции. Бомбардировка 238 U быстрыми нейтронами вызывает деление с высвобождением энергии, пока присутствует внешний источник нейтронов. Это важный эффект во всех реакторах, где быстрые нейтроны делящегося изотопа могут вызывать деление близлежащих ядер 238 U, что означает, что некоторая небольшая часть 238 U «сгорает» во всех ядерных топливах, особенно в реакторах на быстрых нейтронах.
Открытие ядерного деления
## $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. В критическом реакторе деления нейтроны, образующиеся при делении атомов топлива, используются, чтобы вызвать еще большее количество делений. 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. В 1939 г физиками О. Фришем и Л. Мейтнером была предложена капельная модель ядра, в рамках которой был описан процесс деления ядра атома урана. атом стоковые видео и кадры b-roll. 1 Деление атомов как источник энергии.
КАК РАБОТАЕТ ЯДЕРНОЕ ОРУЖИЕ?
Новости, полученные от Гана, были равносильны атомному взрыву в мозгу Лизы Мейтнер. МЦОУ - это единственный реализованный проект в мире, который гарантирует любой стране, встающей на путь развития атомной энергетики. входящие в G7, договорились объединиться с целью вытеснить Россию с международного рынка а Смотрите видео онлайн «Деление атома: перспективы международного рынка. Тот же принцип цепной реакции деления, только без особенного контроля, работает и в атомной бомбе. На Солнце атомы водорода сливаются, образуя гелий, высвобождая энергию и делая возможной жизнь на Земле.
Дирижер атомного взрыва: тело и жизнь самой тайной части ядерного заряда
И такой процесс будет продолжаться, пока есть необходимая среда. Для наглядности вот вам картинка. Только вот есть проблема. Делений в течении времени всё больше и больше, а мощность все выше и выше. Как же не взлететь на воздух? Так вот лишние нейтроны нужно убирать из активной зоны. Для этого есть как раз стержни и борная кислота, которые имеют свойство поглощать нейтроны. Необходимо, чтобы сколько новых нейтронов появилось, только старых поглотилось или по другому, в течении времени количество нейтронов должно быть неизменно. В таком случае реактор будет находится в состоянии, которое называется критика. Его мощность будет постоянна и все будет хорошо. Кстати, еще вопрос на подумать.
Какая теоретическая мощность может быть у реактора? Напишите в комментарии, что думаете. Лично для меня ответ удивителен, но вполне логичен. Теперь вроде все хорошо, только вот нейтрон необязательно может поделить ядро урана, рядом с которым он находится, есть только некая вероятность. И эта вероятность может быть слишком низкая, что не позволит работать реактору. Есть два способа это исправить. Первый способ - увеличить концентрацию урана 235 до предела, чтобы у нейтронов выбора не было куда им попадать и что делать. Дорого, не всегда эффективно но есть реактора, которые так работают. Второй способ - использовать замедлитель. Дело в том, что нейтрон рождается очень быстрым, а нейтроны и ядра не твердые камушки, которые разламываются от сильного столкновения.
Тут совсем другие процессы. Чем дольше нейтрон находится рядом с ядром урана, тем больше вероятность, что он его поделит, а не пролетит мимо. Грубо говоря, нужно уменьшить скорость нейтронов, чтобы сделать деление боле эффективным. Чтобы уменьшить скорость нейтронов и нужен замедлитель - вещество, через которое пролетает нейтрон и передаёт ему свою кинетическую энергию, замедляясь до нужно скорости. А потом медленный тепловой нейтрон уже спокойной подлетает к ядру делит его. В реакторе ВВЭР замедлитель является водой.
Поэтому спектры бывают атомными, молекулярными, а также бывают спектры газов твердых тел. Атомные спектры являются дискретными спектрами, молекулярные спектры полосатыми, а спектры нагретых твердых тел сплошными.
Приборы для получения и исследования спектров называются спектральными приборами. 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.
Удельная энергия связи ядра. Мотивация учебной деятельности учеников Структурные элементы урока 1. Деление ядер урана при облучении нейтронами Атомные ядра, содержащие большое число нуклонов, неустойчивы и могут распадаться. В 1938 г.
Однако правильное истолкование этого факта, именно как деление ядра урана захватившего, нейтрон, было дано в начале 1939 г. Фришем совместно с австрийским физиком Л. Делением ядра называется ядерная реакция деления тяжелого ядра, поглотившего нейтрон, на две приблизительно равные части осколками деления. График зависимости удельной энергии связи от массового числа Рис.
Система после деления переходит в состояние с минимальной внутренней энергией. Ведь чем больше энергия связи ядра, тем большая энергия должна выделяться при образовании ядра и, следовательно, тем меньше внутренняя энергия образовавшейся вновь системы. При делении ядра энергия связи, приходящаяся на каждый нуклон, увеличивается на 1 МэВ и общая выделяющаяся энергия должна быть огромной — порядка 200 МэВ на ядро. Не при какой другой ядерной реакции не связанной с делением столь больших энергий не выделяется.
Сопоставим эту энергию с энергией, выделяемой при сгорании топлива. При делении 1 кг урана-235 выделится, энергия, равная. Этот расчет хорошо иллюстрирует преимущество ядерной энергетики. Непосредственные измерения энергии, выделяющейся при делении ядра урана U, подтвердили приведенные соображения и дали величину 200 МэВ.
Нейтронные звезды образуются, когда у массивных звезд заканчиваются запасы топлива, необходимого для ядерного синтеза. Их собственная гравитация заставляет их разрушаться. Звезды, масса которых в два раза превышает массу Солнца, сжимаются до размеров сферы диаметром около 20 километров. Этот коллапс происходит так быстро, что электроны и протоны сбиваются вместе настолько плотно, что образуются нейтроны, что и дало название новой звезде. Столовая ложка этой массы весила бы на Земле более 1 миллиарда тонн.
Если две нейтронные звезды сталкиваются друг с другом, высвобождается огромное количество нейтронов. Эти свободные нейтроны захватываются другими атомными ядрами в окружающей среде и образуют сверхтяжелые, но нестабильные элементы.
Деление атомного ядра
Однако интенсивные исследования в этом направлении ведутся в СССР и в других странах. Применение термоядерной реакции для получения энергии представляет огромный интерес, так как запасы сырья для этой реакции огромны дейтерий в составе воды в океанах! Движение медленной заряженной частицы в однородном магнитном поле а и в магнитном поле прямолинейного провода с током б. Тонкие линии — линии магнитного поля, спирали — траектории частицы Для возбуждения термоядерной реакции ядерное «горючее» должно быть нагрето до температуры порядка десяти миллионов градусов. При таких температурах вещество переходит в состояние сильно ионизованного газа — плазмы.
Чтобы реакция не затухала, плазму нужно удерживать от расширения, то есть надо ограничить свободу движения частиц плазмы — ионов и электронов. Этого нельзя достигнуть простым заключением плазмы в замкнутый сосуд, так как никакие стенки не могут противостоять температуре, в тысячи раз превышающей температуру испарения самых жаростойких материалов изоляция плазмы от стенок нужна еще и потому, что интенсивная передача тепла стенкам затруднила бы нагрев плазмы. В начале 50-х годов советские физики А. Сахаров и И.
Тамм, а также некоторые зарубежные ученые предложили использовать для удержания плазмы сильные магнитные поля. Если начальная скорость параллельна магнитному полю, частица движется свободно по инерции вдоль линии магнитного поля, так как в этом случае сила Лоренца равна нулю. В общем случае, когда начальная скорость направлена произвольно, имеет место сложение прямолинейного и кругового движений — частица описывает винтовую траекторию, навивающуюся на линию магнитного поля рис. Такой характер движения сохраняется в неоднородном магнитном поле, если на расстоянии порядка шага «винта» направление магнитной индукции поля изменяется незначительно рис.
Частица оказывается как бы привязанной к линии поля — она удерживается на постоянном расстоянии от нее, равном радиусу спирали.
Когда дело доходит до поиска экономически эффективных альтернатив ископаемым видам топлива с низким уровнем выбросов, мы можем добиться большего, чем ядерная энергия. Важно отметить, что мы могли бы также добиться большего успеха с технологиями возобновляемых источников энергии, такими как солнечная и ветровая энергия, которые с каждым годом становятся все дешевле. Проблемы ядерной энергетики можно разделить на три категории: отходы, риск и стоимость. Вот несколько примеров каждой из них. Напрасные затраты Одно из самых больших общественных опасений по поводу ядерной энергетики в последние десятилетия было о том, что делать с урановым топливом, когда оно настолько забито расщепляющимися продуктами, что больше не может эффективно производить энергию.
Эти высокоактивные отходы содержат изотопы, для снижения радиоактивности которых до уровня, примерно соответствующего уровню радиоактивности руды, из которой они были получены, могут потребоваться тысячи лет. В настоящее время в мире хранится более четверти миллиона тонн высокорадиоактивных отходов, ожидающих захоронения или переработки. Это плохо? Хотя хранящиеся ядерные отходы не обязательно представляют непосредственную угрозу, если они хорошо локализованы, вопросы долгосрочного обращения и возможности неправильного обращения и несчастных случаев делают хранение растущей кучи ядерных отходов спорным вопросом. Углерод также является одним из видов отходов. Хотя процесс деления и преобразования ядерной энергии в электричество относительно свободен от выбросов углерода, общий бюджет углерода, связанный с добычей и переработкой руды, необходимой для деления, и строительством конкретной электростанции, не равен нулю.
В течение всего срока службы новая атомная электростанция может выбрасывать в атмосферу примерно 4 г CO2 на каждый киловатт-час произведенной электроэнергии. По некоторым оценкам, этот показатель значительно выше - от 10 до 130 граммов CO2 в отдельных случаях. Таким образом, замена угольных электростанций на атомные позволит ежегодно экономить миллионы тонн СО2, не говоря уже о твердых частицах и других загрязняющих веществах. По тем же причинам экологически чистые возобновляемые источники энергии, такие как ветряные турбины и солнечные батареи, также не имеют нулевых выбросов в силу их производства и установки. Углеродный след солнечных и ветряных электростанций более или менее сопоставим с нижним пределом для атомной энергетики. В целом, атомная энергетика в лучшем случае не содержит столько же углерода, сколько солнечная и ветровая, хотя и связана с непопулярной проблемой отходов.
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. Согласно Бору комбинационный принцип является своеобразным выражением квантовых законов, управляющих внутриатомными процессами.
Тишина, наступившая вслед за грохотом, ни с чем не сравнимой, дотоле неслыханной силы, нарушается треском разгорающегося огня. Под обломками рухнувшего дома лежат оглушенные люди, в пламени гибнут женщины, гибнут в огненном кольце очнувшиеся и пытающиеся спастись люди… Миг — и с людей свалилась вспыхнувшая одежда, вздулись руки, лицо, грудь: лопаются багровые волдыри, и лохмотьями сползают на землю… Оглушенные и обожженные люди, обезумев, сбились ревущей толпой… …Ни с чем не сравнимая, трагическая картина: люди утратили последние признаки человеческого разума… …На искалеченных людей хлынули черные потоки дождя, потом ветер принес удушающий смрад…» Что это? Очередной фильм ужасов! Нет, это свидетельства очевидцев страшного преступления американской военщины, совершенного в августе 1945 года над японским городом Нагасаки. В результате бомбардировки японских городов Хиросима и Нагасаки погибли около 100 тыс. Вот так впервые человек распорядился ядерной энергией. Открытие деления ядер урана А история эта началась еще в 30-х годы XX века. Немецкие ученые О.
Ган и Ф. Штрассман в 1938 г. На фотографии треки осколков, образовавшихся при делении ядра урана в камере Вильсона. Механизм деления ядра урана Эмигранты из нацисткой Германии Л. Мейтнер и О. Фриш в 1939 г.
Красноречивый гелий
- Деление атомных ядер: История Лизы Мейтнер и Отто Ганна
- Telegram: Contact @reshaysyaa
- Деление атомных ядер
- Открытие ядерного деления - Discovery of nuclear fission
- Термоядерные реакции
- Разница между ядерным делением и синтезом |
Деление атомного ядра
Деление тяжелых атомных ядер является источником энергии в ядерных реакторах и ядерном оружии. Ядерным (или атомным) реактором называется устройство, в котором осуществляется управляемая реакция деления ядер. Когда нейтрон сталкивается с атомным ядром, это вызывает деление атома, сопровождаясь высвобождением энергии и дополнительных нейтронов. Деление атомных ядер — их распад на 2-3 осколка с высвобождением энергии. И если Счётная палата хотела узнать, что творится в большом атомном хозяйстве Кириенко, последний немедленно жаловался на «притеснения» в президентские структуры.
Что такое цепная ядерная реакция и при чём здесь замедлители
В этом опыте взрывной характер деления атома урана следовал из того, что два продукта деления разлетались в противоположные стороны с очень большой скоростью. fission of an atom. Деление атома. Реакция деления атомных ядер под действием так называемых медленных нейтронов лежит в основе работы ядерных реакторов. На этой странице вы можете посмотреть видео «Деление атома: перспективы международного рынка атомной энергетики» с RuTube канала «РБК».