Делением атомных ядер называется процесс раскалывания ядра на две примерно равные части. 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. Эти избыточные нейтроны, ударяясь о ядра других атомов урана-235, могут запустить цепную реакцию деления, что приводит к атомному взрыву.
Деление атома
Но если ядро похоже на жидкую каплю и может дробиться и сливаться, то с чем был связан шок от новости о делении урана? Деление атомов. Атомная (ядерная) реакция — процесс превращения (деления) атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами и гамма-квантами. Деление атомных ядер тяжелых элементов возможно благодаря тому, что удельная энергия связи этих ядер меньше удельной энергии связи ядер элементов. В пересчете на один атом деление урана дает в 50–100 миллионов раз больше энергии, чем любая химическая реакция. Ядерное деление — это реакция, в ходе которой ядро атома расщепляется на два или более меньших ядра, при этом происходит высвобождение энергии.
Деление атомных ядер: История Лизы Мейтнер и Отто Ганна
Ученые из Германии продемонстрировали квантовую запутанность двух атомов, разделенных 33 км оптоволоконного кабеля. Таким образом, появляется возможность осуществления разветвляющейся, ускоряющейся цепной реакции деления ядер атомов с выделением огромного количества энергии. В этом опыте взрывной характер деления атома урана следовал из того, что два продукта деления разлетались в противоположные стороны с очень большой скоростью.
Два атома заставили двигаться синхронно на расстоянии 33 км
Для возникновения такой цепной реакции необходима относительно высокая плотность атомов урана-235, которую называют «критической массой» материала. К концу 1930-х годов физики разработали методы замедления нейтронов, достаточные для захвата и обогащения смесей изотопов урана из природных ресурсов с образованием критической массы урана-235. Они также придумали, как контролировать цепную реакцию, чтобы экспоненциальное производство нейтронов не вышло из-под контроля, в случае чего процесс мог бы стать взрывоопасным. В течение последующего десятилетия технологические достижения в области деления ядер использовались для создания новых классов супероружия. Только после Второй мировой войны инженеры вновь обратили внимание на возможность использования процесса деления ядер для устойчивого производства тепла, пригодного для выработки электроэнергии. Подобно тому, как пар, получаемый при сжигании ископаемого топлива в котле, вращает турбину, соединённую с электрогенератором, пар из «ядерного котла» также можно использовать для выработки электроэнергии. Градирни атомной электростанции во Франции С течением времени совершенствование технологий позволило повысить эффективность и безопасность, в некоторых случаях отказаться от замедления нейтронов, чтобы расщепляющийся материал мог захватывать более быстрые частицы. Сегодня в мире эксплуатируется около 440 атомных электростанций, из них только в США - около 100. Однако существуют издержки, которые могут ограничить возможности использования атомной энергии для спасения от климатического кризиса. В чём проблема ядерной энергетики?
Когда речь идёт о поиске экономически эффективных альтернатив ископаемому топливу с низким выбросом парниковых газов, есть варианты и похуже, чем атомная энергетика. Важно отметить, что есть варианты и получше - современные технологии возобновляемой энергетики, такие как солнечная и ветровая, которые с каждым годом становятся все дешевле. Проблемы атомной энергетики делятся на три категории - отходы, риск и стоимость. Приведём примеры каждой из них. Отходы Одна из самых больших озабоченностей общественности по поводу атомной энергетики в последние десятилетия связана с тем, что делать с урановым топливом после того, как оно настолько насытится делящимися продуктами, что перестанет быть эффективным для производства энергии. Высокоактивные отходы содержат изотопы, радиоактивность которых может снизиться за тысячи лет до уровня, примерно соответствующего уровню радиоактивности руды, из которой они были получены.
Когда делится уран-235, который используется в ядерных реакторах, образуются барий, криптон и несколько нейтронов. Схема деления урана-235 Это взаимодействие приводит к непрерывному делению или синтезу ядер. Когда атом разделяется на две и более части, это называется ядерным делением. Синтез — иной процесс, когда легкие атомы сливаются в один более тяжёлый при сверхвысокой температуре.
В обоих случаях освобождается энергия в виде тепла и света. Выделенные в процессе деления тепло и свет используются используют в ядерных реакторах для производства электричества. Атомный феникс для вечного двигателя Синтез обычно происходит в звёздах: Солнце и другие небесные тела питаются светом и теплом, чтобы поддержать свою жизнь. Для этого земляне создали термоядерные реакторы. В этих установках происходит синтез атомов при высокой температуре и давлении. Идея термоядерных реакторов простая — это перспективный источник энергии. Пока цели не достигли — термоядерные реакторы потребляют больше энергии, чем производят. Крупнейший проект в этой области — Международный экспериментальный термоядерный реактор, или ИТЭР, расположенный во Франции. Нейтроны — герои реактора Атом состоит из трёх основных элементов: электронов, протонов и нейтронов. Электроны — это маленькие частицы, которые вращаются вокруг ядра атома.
Они носят отрицательный электрический заряд и участвуют в создании электричества и химических реакциях. Протоны — такие же частицы, но с положительным зарядом. Они находятся в ядре атома. Их задача — удержать электроны внутри атома. Это возможно благодаря электрическому заряду. Положительный заряд протонов притягивает отрицательные электроны. Сила этого притяжения помогает удерживать электроны вокруг ядра, образуя атом и сохраняя его структуру.
В первые три минуты существования Вселенной, из-за понижения температуры и совпадения еще целой кучи факторов, запустился процесс первичного нуклеосинтеза, когда из элементарных частиц появились первые элементы: водород, гелий, литий и дейтерий тяжелый водород.
Именно из этих элементов образовались первые звезды, в недрах которых проходили термоядерные реакции, в результате которых водород и гелий «сгорали», образуя более тяжелые элементы. Если звезда была достаточно большой, то свою жизнь она заканчивала так называемым взрывом «сверхновой», в результате которого атомы выбрасывались в окружающее пространство. Так и получилась вся таблица Менделеева. Вселенная Так что, можно сказать, что все атомы, из которых мы состоим, когда-то были частью древних звезд. Почему ядро атома не распадается? В физике существует четыре типа фундаментальных взаимодействий между частицами и телами, которые они составляют. Это сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное взаимодействия. Именно благодаря сильному взаимодействию, которое проявляется в масштабах атомных ядер и отвечает за притяжение между нуклонами, атом и является таким «крепким орешком».
Очень похоже работает и система взведения. В блок автоматики, мозг ядерного заряда, стекаются данные от многих приборов и датчиков. 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.
Деление ядра атома урана
Однако, никто не знал в какой именно момент времени происходит данное явление. Сейчас же специалисты смогли объяснить данный процесс подробно. Понять детально данный принцип помогло расщепление ядер. Учёные взяли два радиоактивных элемента Торий-232 и Уран-238.
Учёные знали, что ядра элементов при расщеплении удлиняются и образуют «шейку», которая в свою очередь тоже удлиняется и расщепляется.
Лавинообразное появление новых ядер в уране возможно только для изотопа 235U. Впервые о явлении заговорили в 1934 благодаря работам Жолио-Кюри. Они, в 1939 году, вместе с Коварски провели бомбардировку урана и, кроме осколков деления, обнаружили высвобождение 2-3 нейтронов. При попадании в другие ядра последние снова делятся с выделением уже 6-9 элементарных частиц. В процессе исследований и экспериментов Ферми, супруги Кюри, Штрассман, Фриш, Ган установили: попавший в ядро 235U нейтрон делит его в два-три раза. Вследствие распада выделяется около 200 МэВ энергии, 165 МэВ уходит на перемещение так называемых осколков, остальную с собой уносят гамма-кванты. С середины XX века начали вести работы по освобождению и обузданию этого энергетического потенциала для получения электрической энергии. Проблемы их проведения следующие.
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. Это та же самая вода, что и теплоноситель, который нагревается за счет цепной реакции деления.
Два в одном. Очень удобно. Возможно многое вы уже знаете, а что вы знаете об уране-238 в реакторе?
Учёные знали, что ядра элементов при расщеплении удлиняются и образуют «шейку», которая в свою очередь тоже удлиняется и расщепляется. Специалистов волновал только один вопрос: вращение начинается до или после разрыва так называемой «шейки»? Проведя определённое опыты физики выяснили, что вращение атомных ядер начинается именно после разрыва «шейки». Наука и обучение Автор u2ssa «Мнение автора может не совпадать с мнением редакции». Особенно если это кликбейт.
Ядерная энергетика: как утилизировать уран?
Поэтому в ядерном реакторе, если копнуть чуть глубже есть и деления урана 8 быстрыми нейтронами, энергия которых может достигать 18МэВ. Сколько воды можно нагреть на 10 °С, если использовать всю энергию, которая выделяется при делении 10 15 атомов урана. Видео-стенд из светодиодных панелей для экспозиции "Магия деления ядра Урана" в павильоне "Атом на службе Родины" парка "Патриот".
§ 228. Применения незатухающей цепной реакции деления. Атомная и водородная бомбы
Деление атомных ядер тяжелых элементов возможно благодаря тому, что удельная энергия связи этих ядер меньше удельной энергии связи ядер элементов. Предыдущие исследования показали, что атомные ядра с большим количеством протонов и нейтронов нестабильны. Тот же принцип цепной реакции деления, только без особенного контроля, работает и в атомной бомбе. Деле́ние ядра́ — процесс расщепления атомного ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, называемых осколками деления. Деление атомного ядра, процесс, при котором из одного атомного ядра возникают несколько (чаще всего два) более лёгких ядер (осколков деления). 1 Деление атомов как источник энергии.