Тридцать третий выпуск посвящен делению атома. В этом видеоролике рассказывается о процессе деления атома, его последствиях и значении для науки и техники. Эти избыточные нейтроны, ударяясь о ядра других атомов урана-235, могут запустить цепную реакцию деления, что приводит к атомному взрыву. Тот же принцип цепной реакции деления, только без особенного контроля, работает и в атомной бомбе.
Ядерная энергетика: как утилизировать уран?
Ядерное деление-это реакция, при которой ядро атома распадается на два или более меньших ядра. 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. Ввиду этого взрыв атомной бомбы, если он происходит в подходящей среде, может вызвать вспышку термоядерной реакции (см. §226). Оговорка вторая: для расщепления атомов элемента на части следует затратить меньше энергии, чем ее выделится. В пересчете на один атом деление урана дает в 50–100 миллионов раз больше энергии, чем любая химическая реакция. Ядерным (или атомным) реактором называется устройство, в котором осуществляется управляемая реакция деления ядер.
§ 228. Применения незатухающей цепной реакции деления. Атомная и водородная бомбы
| Элементарно о частицах: физик Дмитрий Бузунов разложил на атомы вопросы школьников | Внутри Чернобыльской атомной электростанции в массах уранового топлива начались реакции деления. |
| Открытие ядерного деления - Discovery of nuclear fission | Делением атомных ядер называется процесс раскалывания ядра на две примерно равные части. |
| Атомы ядерного топлива выталкивают образующийся при его делении газ | Ученым впервые в истории удалось зафиксировать, как соединяются и разъединяются атомы. |
Физика деления атомных ядер : Сборник статей
Охлажденный атом затем удерживался в оптической ловушке луча света другого лазера. Известно, что ядро атома моет вращаться в одном из двух направлений, в зависимости от направления вращения свет лазера толкает ядро вправо или влево. Но, при этом, атом все еще является целым объектом" - рассказывает ученый-физик Андреас Штеффен. Таким образом, ядро атома, части которого вращаются в противоположных направлениях, может быть расколото лучом лазера на две части и эти части атома могут быть разнесены на значительное расстояние, что и удалось реализовать ученым в ходе своего эксперимента.
Ученые утверждают, что используя подобный метод, можно создавать так называемые "квантовые мосты", являющиеся проводниками квантовой информации. Атом вещества разделяется на половинки, которые разводятся в стороны, пока не войдут в соприкосновение со смежными атомами.
Делящиеся ядра сближаются, сокращая время нейтронного цикла и увеличивая К. Для ровного обжатия взрывом при малейшем перекосе ударной волны она раздробит сборку нужна высокая точность запуска детонации. Инициирующие импульсы тока должны прийти на все взрыватели синхронно. Вторую задачу решает специальное устройство, дающее большой импульс нейтронов для запуска цепной реакции сразу в большом масштабе. Оно так и называется — импульсный нейтронный источник, или импульсный нейтронный инициатор. Для ядерного заряда это синонимы, ведь нейтронный импульс инициирует взрыв.
Первые нейтронные источники были несовершенны, хотя и запускали ядерный взрыв. Позже они стали ускорителями, создающими ядерную реакцию слияния ядер дейтерия и трития с выходом большого количества нейтронов. Да, мы привыкли, что для взрыва водородной бомбы используется «ядерный запал». И, как это ни парадоксально, для «запала» ядерного заряда используют реакцию водородного синтеза. Блок автоматики — дирижер и исполнитель взрыва Без очень точно отмеренных и быстро проведенных действий не достичь энерговыделения уровня десятков килотонн. Единым дирижером и исполнителем каскада событий выступает блок автоматики заряда. И описанное выше — лишь часть его большой работы. Блок автоматики — это отдельная конструкция, плотно насыщенная механическими, электрическими и электронными устройствами, соединенными между собой.
Устройства объединяются в модули, это упрощает сборку и контроль отдельных подсистем. Блок автоматики расположен всегда вплотную к ядерной сборке, связан с нею кабельной сетью и объединен в ядерное взрывное устройство. Это не всегда ядерный боеприпас, например в СССР использовалось много ядерных взрывных устройств в интересах народного хозяйства. Первый блок автоматики БА4 с импульсным нейтронным инициированием, серийное производство 1955 год. Духова Внешне блок автоматики выглядел небольшой бочкой в ранних конструкциях, позже как большая кастрюля или коробка, и может иметь разный вид, размеры и массу. Первые блоки автоматики весили почти центнер; позже вес снизился до 30 килограммов и продолжил уменьшаться вместе с габаритами. Применяются и унифицированные блоки автоматики, и специально созданные под конкретный заряд. Работа любого блока автоматики строится на двух базовых принципах: надежность движения к взрыву и контроль над процессом Эти два принципа реализуются в виде действий, этапов и алгоритмов, выполняемых подсистемами блока автоматики.
Они поддерживают много уровней предохранения, переводят заряд в состояния все большей готовности к взрыву, вырабатывают главную команду на подрыв и производят сложный взрыв заряда. Система подрыва и нейтронного инициирования Как мы говорили, подрыв заряда начинается с перевода ядерной сборки в сверхкритическое состояние. Оно достигается ростом компактности ядерного материала: совмещением разделенных частей делящегося вещества в один блок, либо переводом тонкого полого эллипсоида переменной толщины в компактное тело, как в боеголовке W-88. Или сближением атомов ядерного материала с ростом его плотности, через обжатие взрывом имплозией , с подрывом наружных блоков взрывчатки. Их детонация запускается сразу в нескольких местах от 2 до 32 в разных схемах взрывателями, срабатывающими в высокой степени синхронно. Для запуска детонаторов подается высоковольтный импульс тока через систему кабелей. Почему высоковольтный? Детонаторы не должны реагировать на статическое электричество и наводки в кабелях.
Поэтому у специальных детонаторов имплозионной системы нет чувствительного инициирующего взрывчатого вещества азида свинца , запускающего детонацию вторичного взрывчатого вещества, для выхода ее фронта из взрывателя в блок основной взрывчатки. Отсутствие инициирующего вещества делает спецдетонатор намного безопаснее, но требует для срабатывания на порядок большей энергии. Она и доставляется мощным высоковольтным импульсом тока, равномерно распределяемого между детонаторами.
Нуклоны состоят из трёх кварков, кварк-антикварка и глюонов. Три кварка - это основа ядра, у каждого кварка свои характеристики заряда, отсюда и следует заряд протона. В сумме заряд протона получается равным единице. Нейтрон имеет два d и один u-кварк в сумме 0. Фокус в том, что протон с нейтроном могут обмениваются друг с другом характеристиками.
Для этого они испускают пи-мезоном кварк-антикварк. Нейтрон становится протоном, а протон - нейтроном. Что нам могут дать элементарные частицы? Главной целью для вкладывания денег в столь масштабную идею - это экспериментально рассмотреть стандартную модель , а в последствии найти её отклонения. Стандартная модель описывает три из четырёх фундаментальных взаимодействия: сильное, слабое и электромагнетизм.
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
Изотопы 17 и 18 менее стабильны, чем изотоп 16, а в таблице указаны лишь самые стабильные химические элементы. Изотопы углерода часто используют в медицине. Их часто используют в медицине для диагностики и лечения заболеваний небольшими дозами радиоактивного излучения, которое не приносит вреда. Активно применяют в онкологии.
Гамма-лучи оказывают разрушающее действие на клетки злокачественных опухолей. Лучевое лечение безболезненно и удобно для больного. С помощью искусственных радиоактивных веществ можно не только лечить, но и диагностировать ранние признаки некоторых болезней, например опухоли мозга.
Для этого пациенту вводят в организм раствор радиоактивного йода, который накапливается в пораженном участке. В месте нахождения опухоли специальный аппарат отметит наибольшую интенсивность излучения. Какой элемент чаще всего используется в атомной энергетике?
Это основное топливо для атомных реакторов. То есть к 92 протонам урана добавляется разное количество нейтронов. Такой большой атом нестабилен и может развалиться.
Это называется радиоактивным распадом. Как работает АЭС? В основе этой реакции лежит деление атомов нейтронами.
После расщепления одного атома появляются новые нейтроны, которые и дальше разбивают атомы.
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. Наряду с большими силами электростатического отталкивания между протонами, стремящимися разорвать ядро на части, действуют еще большие ядерные силы притяжения.
Эти силы удерживают ядро от распада. Ядро урана-235 имеет форму шара. Ядро растягивается до тех пор, пока силы электрического отталкивания между половинками вытянутого ядра не начинают преобладать над силами ядерного притяжения, действующими в перешейке. После этого ядро разрывается на две части. В результате число делящихся ядер очень быстро увеличивается. Возникает цепная реакция. Цепной ядерной реакцией называется реакция, в которой нейтроны образуются как продукты этой реакции, способные вызывать деление других ядер.
Следовательно, число нейтронов, рождающихся в каждом поколении, нарастает в геометрической прогрессии. В целом процесс носит лавинообразный характер, протекает весьма быстро и сопровождается выделением огромного количества энергии. Скорость цепной реакции деления ядер характеризуют коэффициентом размножения нейтронов.
Пытаясь понять, почему фрагменты начинают вращаться, физики больше узнали о процессе расщепления. После того, как расщепление было обнаружено, физики начали теоретизировать, почему образуется шейка и приводит к расщеплению ядра. Кроме того, они начали задаваться вопросом: началось ли вращение фрагментов до или после разрыва. В рамках этой новой попытки исследователи провели эксперименты, показавшие, что вращение начинается после разрыва. Работа включала изучение осколков, образовавшихся в результате деления нескольких типов нестабильных элементов, таких как уран-238 и торий-232.
В рамках своего исследования они внимательно изучили гамма-лучи, выделяющиеся после деления.
Эти свободные нейтроны захватываются другими атомными ядрами в окружающей среде и образуют сверхтяжелые, но нестабильные элементы. Эти сверхтяжелые элементы затем могут распадаться на более легкие и стабильные элементы, такие как золото, в результате ядерного деления. Образуются более легкие металлы, такие как рутений, родий, палладий и серебро, а также редкоземельные ядра, такие как европий, гадолиний, диспрозий и гольмий. По крайней мере, так до сих пор говорила теория. Теперь исследователи изучили 42 звезды и обнаружили эти элементы именно в тех пропорциях, которые предполагают деление ядра. Каждый раз, когда природа производит атом серебра, она также производит более тяжелые редкоземельные ядра в той же пропорции. Ученые выяснили, что за это может быть ответственен только один механизм — деление ядра.
Видео-стенд "Магия Деления ядра урана" в парке "Патриот"
Они смогли смоделировать перемещение нанопузырей ксенона различной концентрации в диоксиде урана на протяжении огромного по атомным масштабам времени — до трех микросекунд три миллиарда шагов интегрирования. Это стало возможно благодаря оптимальному использованию суперкомпьютерных мощностей и современных программных кодов. В результате подобных рекордных молекулярно-динамических расчетов удалось непосредственно пронаблюдать броуновское движение пузыря и обнаружить принципиально новый механизм диффузии. Ранее физики полагали, что чем выше концентрация газа, тем медленнее диффузия, так как газ мешает движению диоксида на поверхности пузыря. Исследователи из МФТИ показали, что при достижении некоторой концентрации газ, благодаря высокому давлению, выталкивает атомы кристаллической решетки в междоузельные положения.
Скапливаясь там, эти атомы образуют кластеры, быстро перемещающиеся вокруг пузыря. Пузырь и кластер атомов, периодически подталкивая друг друга, двигаются существенно быстрее, чем пузырь сам по себе.
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. Москва, Большой Саввинский пер. II; Адрес редакции: 119435, г.
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. В системе защиты обычно предусматривается автоматическая блокировка, предотвращающая поступление холодной воды. При снижении расхода теплоносителя реактор перегревается, даже если его мощность не увеличивается. В таких случаях необходим автоматический останов. Кроме того, насосы теплоносителя должны быть рассчитаны на подачу охлаждающего теплоносителя, необходимую для остановки реактора.
Аварийная ситуация может возникнуть при пуске реактора со слишком высокой реактивностью. Из-за низкого уровня мощности реактор не успевает нагреться настолько, чтобы сработала защита по температуре, пока не оказывается слишком поздно. Единственная надежная мера в таких случаях — осторожный пуск реактора.
Протекают только в тяжёлых химических элементах, инициируется появившимися при прошлом делении ядер. Вследствие протекания самоподдерживающихся реакций продукт предыдущего взаимодействия вступает в реакцию с образовавшимся тогда же ядром. Чаще всего провоцируются нейтроны. В результате появляется пара более лёгких в сумме элементов осколков деления , чем исходные. На очередном этапе взаимодействия число вовлекаемых в процесс ядер может превышать их численность на прежнем этапе, тогда их количество растёт лавинообразно. Если их численность на каждом этапе удерживается на одном уровне, цепная ядерная реакция называется управляемой.
Лавинообразное появление новых ядер в уране возможно только для изотопа 235U. Впервые о явлении заговорили в 1934 благодаря работам Жолио-Кюри.
Проблемы при протекании ЦЯРД
- ЯДЕР ДЕЛЕНИЕ | Энциклопедия Кругосвет
- Атомы ядерного топлива выталкивают образующийся при его делении газ | Наука и жизнь
- История науки: поленница для мирного атома
- Открытие ядерного деления - Discovery of nuclear fission
Части атома
- Красноречивый гелий
- Ответы : правда, что если расщепить атом то будет взрыв, почему? он ведь маленький
- Деление атома
- Дирижер атомного взрыва: тело и жизнь самой тайной части ядерного заряда
- Ядерное деление - Образование - 2024
- Основы строения атома для чайников. Схемы, теории современного представления об атоме
Деление атомного ядра
fission of an atom. Деление атома. Ученые из Германии продемонстрировали квантовую запутанность двух атомов, разделенных 33 км оптоволоконного кабеля. входящие в G7, договорились объединиться с целью вытеснить Россию с международного рынка а Смотрите видео онлайн «Деление атома: перспективы международного рынка.
ГЛАВА 4 Открытие деления
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. 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 критическом реакторе деления нейтроны, образующиеся при делении атомов топлива, используются для того, чтобы вызвать еще большее количество делений. В этом опыте взрывной характер деления атома урана следовал из того, что два продукта деления разлетались в противоположные стороны с очень большой скоростью. В 1939 г физиками О. Фришем и Л. Мейтнером была предложена капельная модель ядра, в рамках которой был описан процесс деления ядра атома урана.
Что такое цепная ядерная реакция и при чём здесь замедлители
| Разделяя неразделимое | В критическом реакторе деления нейтроны, образующиеся при делении атомов топлива, используются, чтобы вызвать еще большее количество делений. |
| Открытие ядерного деления - Discovery of nuclear fission | В ядерном реакторе число нейтронов, участвующих в делении ядер, остается неизменным (k=1), реакция протекает стационарно и имеет управляемый характер. |