Реакции деления начались из-за попавшей на нижние уровни воды. Исследователи уверены, что высыхание радиоактивной воды каким-то образом делает нейтроны более, а не менее эффективными при расщеплении ядер урана. В 1938 г. был открыт процесс деления атомных ядер урана нейтронами. Многим ученым из Колумбийского университета было ясно, что они должны попытаться обнаружить энергию, выделяющуюся при делении ядра урана в результате нейтронной бомбардировки. Деление ядра урана-235 Деление ядер урана сопровождается выделением энергии около 200 МэВ, или 1 МэВ на нуклон. Период полураспада урана-241, который образовался в результате взаимодействия урана-238 с платиной-198, составляет около 40 минут.
1. Механизм деления ядра урана:
Нильс Бор на знаменитой конференции по теоретической физике в Вашингтоне 26 января 1939 года сообщил об открытии деления урана. Японские исследователи синтезировали уран-241, запустив образец урана-238 на ядрах платины-198 с помощью ускорительной системы RIKEN. Выделение энергии в ядерных реакторах происходит за счёт деления ядер урана и плутония.
Распадается за 40 минут: открыт новый изотоп урана
Многим ученым из Колумбийского университета было ясно, что они должны попытаться обнаружить энергию, выделяющуюся при делении ядра урана в результате нейтронной бомбардировки. Вызвать же деление урана при попадании в него нейтрона можно только у изотопов с массовым числом 235, так как ядро урана-238 поглощает нейтрон, а деление не происходит. Для деления ядра урана-235 энергия примерно равна 200МэВ. При делении одного ядра урана образовавшиеся нейтроны могут вызвать деления других ядер урана, при этом число нейтронов нарастает лавинообразно. Чтобы повысить вероятность деления природного урана, необходимо увеличить содержащееся в нем количество урана-235 с помощью процесса, называемого обогащением урана.
Деление ядер урана
Таким образом, реакция деления ядер урана идёт с выделением энергии в окружающую среду. Расследование показало, что концентрация урана-235 в руднике такая же, как в отработанной атомной станции, но деление ядер произошло 1,8 миллиарда лет назад. Поскольку вода замедляет нейтроны, ее попадание ускоряло деление ядер урана в расплаве. Поскольку вода замедляет нейтроны, ее попадание ускоряло деление ядер урана в расплаве. Быстрые нейтроны, появляющиеся после деления ядер изотопа урана-235, замедлялись графитом до тепловых энергий, а затем вызывали новые деления. Полное энерговыделение на один акт деления ядра урана-235 равно примерно 200 МэВ.
Видео-стенд "Магия Деления ядра урана" в парке "Патриот"
На самом деле, физики начали фиксировать нарушение постулата Лавуазье задолго до открытия деления ядра урана. такие жуткие последствия ждут население после применения снарядов с обедненным ураном, которые Британия собирается поставить украинской армии. На Уральском электрохимическом комбинате произошла разгерметизация баллона с обедненным гексафторидом урана.
52. Ядерные реакции. Деление ядер урана
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. В атомных бомбах цепная неуправляемая ядерная реакция возникает при быстром соединении двух кусков , каждый из которых имеет массу несколько ниже критической. Ядерный или атомный реактор - устройство, в котором поддерживается управляемая реакция деления ядер. В активную зону вводятся регулирующие стержни, содержащие кадмий или бор, которые интенсивно поглощают нейтроны. Введение стержней в активную зону позволяет управлять скоростью цепной реакции. В парогенераторе теплоноситель передает тепловую энергию воде, превращая ее в пар высокого давления.
Пар направляется в турбину, соединенную с электрогенератором. Из турбины пар поступает в конденсатор. Во избежание утечки радиации контуры теплоносителя I и парогенератора II работают по замкнутым циклам. Турбина атомной электростанции является тепловой машиной, определяющей в соответствии со вторым законом термодинамики общую эффективность станции. Это приводит к локальному перегреву естественных водоемов и последующему возникновению экологических проблем. Однако, главная проблема состоит в обеспечении полной радиационной безопасности людей, работающих на атомных электростанциях, и предотвращении случайных выбросов радиоактивных веществ, которые в большом количестве накапливаются в активной зоне реактора.
Экономические критерии , которые раньше определяли выгодность эксплуатации урановых руд, потеряли свое значение, и месторождения урана , которые раньн1е не эксплуатировались, стали интенсивно разрабатываться. Авторы не имеют возможности описать современный процесс добычи, сообщить количества добываемой руды, оценить запасы сырья или дать результаты изысканий, которые проводились начиная с 1940 г. Ядерная энергетика. За рубежом в 1939 г.
Одновременно наблюдается образование нескольких нейтронов. Этот новый тип ядерных превращений получил название деления. В этом же году советские ученые Петржак и Флеров доказали, что деление урана осуществляется не только при облучении нейтронами , но и самопроизвольно. Таким образом , для урана распад может идти одновременно по двум схемам, по типу а-распада и по типу деления. Последний процесс характеризуется большим периодом полураспада 10 лет и поэтому в природном уране он осуществляется очень редко. Положение здесь аналогично химическим экзотермическим реакциям , которые могут протекать самопроизвольно , но с измеримой скоростью протекают лишь тогда, когда система получает необходимую энергию активации, позволяющую реагирующим частицам преодолеть потенциальный барьер. Для осуществления деления требуется также активация , например, за счет поглощения тяжелым ядром нейтрона. Было установлено, что уран не образует при этом новых изотопов, как это бывает при простейших ядерных реакциях , а вместо этого возникают ядра, обладающие приблизительно вдвое меньшей массой по сравнению с массой исходного ядра урана например, Ва илиКг. Вскоре обнаружилось, что ядерное деление является источником огромной энергии. Исследования Энрико Ферми , Отто Гана и Лизы Мейтнер, а также многих других ученых позволили разобраться в природе ядерного деления.
Об этом написано много увлекательных книг, и можно порекомендовать прочесть о подробностях этих важных открытий в литературе, цитированной в конце данной главы. Таким образом , альфа-излучающие элементы — уран и торий — являются источниками нейтронов в природе. Нейтроны в природе выделяются также в результате спонтанного деления ядер урана-235, открытого в 1940 г. Флеровым и Петражаком. Период полураспада при спонтанном делении урана-235 равен Ю лет. В солнечной системе за планетой Уран следует Нептун.
Внезапная «переполненность» ядра делает сгусток протонов и нейтронов неустойчивым и склонным к разрыву, в результате которого не только образуются ядра меньшего размера, или делящиеся продукты, но и выбрасывается ещё больше свободных нейтронов, а также происходит всплеск высокоэнергетических фотонов в виде гамма-излучения. Энергия, выделяемая при разделении ядерных частиц, используется в качестве источника энергии с середины XX века. Хотя при производстве энергии не выделяются такие же опасные парниковые газы, как при сжигании ископаемого топлива, опасения по поводу риска расплавления , опасных отходов долговременного хранения и стоимости строительства означают, что атомное будущее, о котором многие мечтали в прошлом, может оказаться недостижимым. Как деление ядер используется для получения атомной энергии?
Проведённые в 1930-х годах эксперименты по бомбардировке атомов ядерными частицами привели к созданию моделей деления, которые обещали, что из нужных изотопов тяжёлых элементов, таких как уран, может высвобождаться значительное количество энергии. Теория предсказывала, что уран-235 с гораздо большей вероятностью подвергнется делению, чем другие изотопы, особенно если нейтроны, ударяющие в его ядро, движутся с относительно низкой скоростью. Выделение дополнительных нейтронов в процессе деления может привести к тому, что другие близлежащие атомы урана-235 также начнут распадаться. 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.
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. Такое топливо не то чтобы трогать нельзя, на него даже смотреть опасно.
Ну, если только оно находится не под слоем воды, или не за специальным просвинцованным стеклом. После извлечения из реактора, топливо выдерживается в специальном приреакторном хранилище. Дело в том, что радиоактивный распад, ко всем проблемам, еще и сильно греет топливо - это называется "остаточное тепловыделение". А выдержка топлива позволяет довольно сильно уменьшить его радиоактивность за счет распада короткоживущих нуклидов.
Ядерные реакции. Деление ядер урана
- 15 интригующих фактов об уране - Слабый радиоактивный металл
- Деление ядра урана. Цепная реакция. Описание процесса
- Поделиться
- Глава пятая ОТКРЫТИЕ СПОНТАННОГО ДЕЛЕНИЯ УРАНА . Курчатов
Ядерные реакции
Штрассман открыли реакцию деления ядра , поскольку им удалось доказать, что наивысшая до тех пор концентрация массы вещества в неделимую массу атома урана, будучи увеличена на одну атомную единицу , приходит в неустойчивое, возбужденное состояние и раскалывается на две части. В 1940 г. Флеров и К. Петржак открыли явление спонтанного деления урана. Конечно, Менделеев пе предвидел, да и не мог предвидеть того, к каким именно конкретно многим новым открытиям поведет исследование урана, тем более что к концу жизни оп выступал как противник идеи превращаемости элементов друг в друга тем не менее его призыв к молодым ученым, ишущим предметов для новых исследований , заниматься ураном звучит сегодня как замечательный прогноз, продиктованный опять же периодическим законом.
Следовательно, деление ядра урана является новым типо превращения элементов. В этом процессе в идеальном виде осуще ствляется и другая цель атомщиков высвобождение атомной энер гни. Открытие Ганом и Штрассманом [11 в 1939 г. Развитие ядерных реакторов и других ядерных устройств находилось преимущественно в руках физиков, однако дальнейшее, изучение ядерного деления означало широкое привлечение к работам спе-циалистов-химиков.
Ко времени написания этих строк успешно синтезированы десять новых трансурановых элементов и некоторые из них получены в промышленных масштабах. Получение и выделение этих новых элементов , а также изучение свойств их соединений дали для неорганической химии много новых данных. Среди этих новых членов периодической системы имеются элементы с различными химическими свойствами , что наглядно проявляется при образовании необычных соединений и в некоторых случаях значительно усложняет химию этих элементов в растворах. Из-за радиоактивных свойств , присупщх новым элементам , разработаны новые экспериментальные приемы, ставшие необходимыми для гарантии безопасности при изучении этих элементов.
Большое значение для химиков приобретают проблемы, возникающие при попытке интерпретировать взаимосвязь новых элементов между- собой и отношение к элементам периодической системы. Во многих случаях необходимо было вновь исследовать и переоценить некоторые давно известные разделы периодической системы в результате этого выполнен большой объем новых исследований , например по изучению редкоземельных элементов и таких давно известных элементов, как торий и уран. Задача данного труда—представить в сжатой форме экспериментальные и теоретические положения химии самых тяжелых элементов , подчеркнув пробелы наших современных знаний в этой области, а также обеспечить основу для будущего развития неорганической химии , которое должно неизбежно проистекать из факта появления значительного количества новых элементов в периодической системе. Уран является основным материалом для выполнения программы по атомной энергии в США и других странах.
Только используя этот элемент, можно получить значительное количество делящегося вещества. Уран был известен за 150 лет до того, как человек освоил деление ядра. Открытие урана приписывается Клапроту [1].
Крайне существенным является то обстоятельство, что нейтроны, испущенные при делении уранового ядра так называемые вторичные нейтроны деления , способны вызывать деление новых ядер урана.
Благодаря этому можно осуществить цепную реакцию деления: однажды возникнув, реакция в принципе может продолжаться сама собой, охватывая все большее число ядер. Схема развития такой нарастающей целлон реакции изображена на рис. Фотография следов осколков деления урана в камере Вильсона: осколки разлетаются в противоположные стороны из тонкого слоя урана, нанесенного на пластинке, перегораживающей камеру. На снимке видно также множество более тонких следов, принадлежащих протонам, выбитым нейтронами из молекул водяного кара, содержащегося в камере Осуществление цепной реакции деления на практике не просто; опыт показывает, что в массе природного урана цепная реакция не возникает.
Причина этого кроется в потере вторичных нейтронов; в природном уране большая часть нейтронов выходит из игры, не вызывая делений. Как выявили исследования, потеря нейтронов происходит в наиболее распространенном изотопе урана — уране — 238. Этот изотоп легко поглощает нейтроны по реакции, подобно реакции серебра с нейтронами см. Делится же с трудом и только под действием быстрых нейтронов.
Более удачными для цепной реакции свойствами обладает изотоп , который содержится в природном уране в количестве. Он делится под действием нейтронов любой энергии — быстрых и медленных и тем лучше, чем меньше энергия нейтронов. Конкурирующий с делением процесс — простое поглощение нейтронов — мало вероятен в в отличие от. Поэтому в чистом уране — 235 возможна цепная реакция деления при условии, однако, что масса урана-235 достаточно велика.
В уране малой массы реакция деления обрывается из-за вылета вторичных нейтронов за пределы его вещества. Развитие ценной реакции деления: условно принято, что при делении ядра испускается два нейтрона и потерь нейтронов нет, то есть каждый нейтрон вызывает новое деление; кружочки — осколки деления, стрелки — нейтроны деления В самом деле, ввиду крошечных размеров атомных ядер нейтрон проходит в веществе значительный путь измеряемый сантиметрами , прежде чем случайно натолкнется на ядро. Если размеры тела малы, то вероятность столкновения на пути до выхода наружу мала.
Студенты физико-механического факультета, на котором я учился, совмещали учебу с работой в физтехе.
Студентом четвертого курса и я вошел в творческий коллектив этого института. Вскоре я познакомился со своим будущим руководителем, Игорем Васильевичем Курчатовым — человеком, оказавшим громадное влияние на весь мой жизненный путь, и не только в выборе направлений научных исследований. На меня произвели глубокое впечатление логичность его мышления, быстрота реакции, высокая организованность и, главное, стиль его научной работы. Курчатовский подход к проблеме и в молодые годы, и сегодня, спустя много лет, мне всегда представлялся совершенным.
Курчатова отличали богатое воображение и фантазия, умение поставить простыми средствами изящный эксперимент, вскрывающий сердцевину проблемы. Он подходил к новому явлению с разных сторон, быстро очерчивал круг возможных вариантов трактовки экспериментальных данных, затем постепенно сужал этот круг. И, как правило, достигал верного объяснения. Игорь Васильевич всегда стремился быть на главном направлении науки и умел осуществлять свое стремление.
Именно в это время, точнее с 1932 г. Курчатов начал заниматься ядерной физикой. Он решительно прерывает успешно протекавшие исследования сегнетоэлектричества. Им уже тогда был создан серьезный раздел науки.
Можно было спокойно развивать успех, плодотворно трудиться над проблемой сегнетоэлектриков годы и годы. Но интуиция подсказала: сегодня магистральное направление — ядерные исследования. Были для такого заключения какие-то видимые причины? Тогда многие помнили слова Резерфорда о том, что внутриядерная энергия найдет практическое применение в XXI веке.
Игорь Васильевич не сразу определил направление своих работ: некоторое время работал на ускорителях в Харькове, занимался реакциями на легких ядрах. В начале 1933 г. Ферми он понял значение нейтронной физики. Главным его увлечением стала физика медленных нейтронов.
Примерно в 1936 г. Курчатовым и сыгравший в развитии советской науки выдающуюся роль. На нем анализировались и разрабатывались экспериментальные и теоретические идеи нейтронной физики. В нем активно участвовали сотрудники И.
Курчатова по физтеху: Г. Щепкин, М. Еремеев, А. Вибе, А.
Юзефович, И. Панасюк и я, из Радиевого института: М. Мещеряков, К. Петржак и И.
Гуревич, теоретики Я. Хургин и А. Не часто, но бывали на семинарах Я. Френкель, Л.
Уже после открытия деления урана в семинаре стали постоянно участвовать Я. Зельдович и Ю. Харитон — сотрудники Института химической физики, яркие ученые-энциклопедисты. Само рождение нейтронного семинара стало признаком того, что период ученичества прошел, и наша ядерная физика нащупала свой собственный почерк.
Если на первых порах мы повторяли эксперименты Ферми, то довольно скоро, логически их развивая, начали ставить оригинальные опыты. В очередных журналах находили описание таких же опытов, выполненных одновременно или почти одновременно в Риме группой Э.
Однако в первую очередь, человечество использует его в атомной энергетике. Следует понимать, что в природе смотреть как добывают уран U235 не приходится. Поэтому для нужд энергетики и армии, полученный уран обогащают или обедняют. Изотоп урана U235 устроен таким образом, что однажды запущенная реакция ядерного распада будет протекать самопроизвольно, без дополнительного влияния извне. Поэтому уран добывают в основном как основу для извлечения из руды подобных изотопов.
Благодаря такой реакции он крайне эффективен как источник энергии для ядерного реактора. Несмотря на свою эффективность, подобное производство отличается повышенной опасностью, как для персонала, так и для всего человечества. Взрывы АЭС по всему миру заслуженно считаются одними из самых страшных техногенных катастроф за всю нашу историю. Чаще всего начинкой ядерных боеголовок служит плутоний-239, который получают при облучении урана-238 мощными потоками нейтронов. После того, как уран добыли и облучили данным способом, ядро такого изотопа увеличивает успешность деления, из-за которого испускается больше нейтронов. Это приводит к тому, что сфере из плутония сердце любой атомной бомбы требуется втрое меньшая масса и радиус, чтобы достичь критического состояния. Так что с его помощью «ядерная начинка» бомбы становится еще разрушительнее, но при этом компактнее.
Изотопы этих металлов нашли свое применение в медицине — препараты на их основе представляют собой удобные маркеры, которые просто отследить внутри организма по следам слабого, безопасного для пациента излучения. Кроме того, уран позволяет геологам отслеживать возраст минералов и горных пород. Так как добывают уран достаточно давно,мы точно знаем время периода его полураспада. Так что, оценивая разницу между его концентрацией на сегодняшний день и постоянной распада, можно вычислить возраст того или иного геологического объекта. Более неграмотного утверждения найти невозможно. В наименьшей степени загрязняют шахты. Во- первых, там почти напрочь отсутствуют выбросы метана, взрывоопасного элемента.
2. Цепная ядерная реакции:
- Механизм деления ядра
- Распадается за 40 минут: открыт новый изотоп урана - Hi-Tech
- «Тревожный звоночек»: физик прокомментировал возобновление ядерных реакций в Чернобыле
- Делиться – выгодно
Что там происходит
- Ядерная топка Земли
- Видео-стенд "Магия Деления ядра урана" в парке "Патриот"
- Что происходит с радиоактивной лавой под реактором в Чернобыле
- Распадается за 40 минут: открыт новый изотоп урана