Продукты деления ядра урана нестабильны, так как в них содержится значительное избыточное число нейтронов.
Механизм деления ядра
- Эффект просушки: что происходит с радиоактивной лавой под реактором в Чернобыле
- Ядерные реакции. Деление ядер урана
- Ядерное топливо. Что же происходит с ним внутри реактора? | Пикабу
- Этому ядерному реактор 2 миллиарда лет
- Как добывается радиоактивный уран и для чего он используется?
52. Ядерные реакции. Деление ядер урана
Не можешь найти — моделируй! Когда речь идет о процессах на глубинах в тысячи километров, следует иметь в виду, что, с одной стороны, они недоступны непосредственному экспериментальному исследованию, с другой — их не всегда возможно изучать и в лабораторных установках, где трудно создать аналогичные физические условия. Но в современной науке существует еще один универсальный инструмент познания — компьютерное моделирование. В 2005 г. Задача была не из легких, поскольку методы теории реакторов традиционно применяются для расчета процессов длительностью максимум в годы, а здесь потребовалось просчитывать интервалы в миллиарды лет! Согласно их идее при кристаллизации магматического океана происходило «гравитационное разделение вещества по плотности», в результате которого силикаты, кристаллизуясь, всплывали, а соединения тяжелых актиноидов оседали на внутреннее ядро планеты. В дальнейшем сконцентрировавшаяся таким образом масса актиноидов, и в первую очередь соединения урана, играла роль ядерного реактора, генерирующего энергию, обусловленную цепными реакциями деления.
К сожалению, в самой основе этой занимательной гипотезы лежит недоразумение. Кристаллизация каких-либо соединений актиноидов в виде самостоятельных минеральных фаз, которые могли бы погружаться в недра планеты, в магматическом океане невозможна. Прежде всего, это обусловлено исключительно низкими концентрациями урана и других актиноидов в протопланетном веществе. При кристаллизации расплава, который возникает на основе такого вещества, весь уран распределяется в кристаллической решетке породообразующих минералов или на их границах в виде примеси, как и многие другие редкие и рассеянные элементы. Конечно, образование скоплений редких элементов в природе возможно вспомним, например, самородное золото , только это происходит в коре и не в результате кристаллизации магматических расплавов, а за счет разгрузки гидротермальных растворов, транспортирующих эти элементы и сбрасывающих их при изменении физических условий. В ходе геологических процессов зарождающиеся в недрах планеты магматические расплавы вследствие более низкой плотности по сравнению с твердым веществом перемещаются к поверхности.
В тех случаях, когда они прорываются на поверхность, возникает вулкан. Когда такой расплав застревает на глубине и кристаллизуется в магматической камере, образуется твердое магматическое тело, называемое интрузивом. Дифференциация вещества по плотности при формировании магматических тел принципиально ничем не отличается от такой дифференциации при затвердевании расплава в магматическом океане. Однако кристаллизующиеся силикаты магния и железа в этих расплавах вопреки предположению авторов обсуждаемой гипотезы не всплывают, а тонут, потому что их плотность всегда выше плотности жидкой фазы. Утверждая, что плотность магмы увеличится за счет железа, авторы упускают из виду, что в магматическом океане металл сразу образует самостоятельную жидкую фазу, не смешивающуюся с силикатной, которая опустится на дно задолго до начала кристаллизации силикатов. Возвращаясь к интрузивам, заметим, что никаких скоплений минералов, сложенных актиноидами, на дне соответствующих магматических камер нет, несмотря на то, что концентрация урана как в самих интрузивных телах, так и в исходных расплавах зачастую на два порядка превосходит его концентрацию в протопланетном веществе и магматическом океане.
Все происходит ровно наоборот: основная часть урана концентрируется в остаточной жидкости, которая, как правило, собирается в верхней части магматической камеры, после того как основной объем расплава уже затвердел. Поэтому, даже если бы в этих последних порциях расплава и возникли какие-то тяжелые урансодержащие минералы, опускаться им было бы некуда. Конечно, для объективной оценки обсуждаемой гипотезы необходимы исследования специалистов в различных областях науки. Что касается геологической составляющей, то я считаю, что предложенная концепция пока не подтверждается фактическим материалом. Пушкарев, д. Расчеты показали, что теоретически существуют разные сценарии работы реактора.
По некоторым из них его активность могла давно прекратиться, по другим — продолжаться до настоящего времени. Максимальная продолжительность возможна в режиме воспроизводства делящихся нуклидов. В результате содержание легко делящегося урана-235 поддерживается на достаточно высоком уровне, и получается реактор-размножитель на быстрых нейтронах. Ряд глобальных явлений на Земле носит циклический характер с периодом в сотни тысяч и миллионы лет. О причинах этих колебаний нет единого мнения. По обломочным окаменевшим моренам и ледниково-морским осадкам, обнаруженным на всех континентах, ученые восстановили ледниковую историю Земли за последние 2,5 млрд лет.
В течение этого времени Земля пережила четыре ледниковые эры, каждая эра состояла из ледниковых периодов, а период — из ледниковых эпох. Периодичность потеплений-похолоданий, соответствующая смене ледниковых эпох, составляет около 100 тыс. Подробнейшая информация о палеоклимате получена при бурении ледниковых щитов в Антарктиде. Каково значение этого факта? Дело в том, что изверженные породы, застывая, намагничиваются в соответствии с существующим на тот момент направлением магнитного поля. Таким образом, эта «законсервированная» в породе намагниченность наглядно продемонстрировала, что в прошлом поле было другим.
Замеры следов магнитного поля в горных породах различного возраста показали, что на протяжении геологической истории Земли оно меняло знак много-много раз. Инверсии происходили через интервалы времени от десятков тысяч до миллионов лет средний период — 250 тыс. Почему происходит смена магнитных полюсов? Магнитное поле планеты формируется благодаря циркуляции расплавленного железа во внешнем ядре. Движение электропроводящей жидкости в магнитном поле создает самоподдерживающуюся систему, своего рода геодинамо. Но для образования мощных переменных течений в ядре, приводящих к изменению магнитного поля, необходимы и мощные нестационарные источники тепла.
Вполне подходящими кандидатами на эту роль опять-таки являются природные ядерные реакторы Вполне естественно предположить, что при работе реактора из-за тепловыделения возникают конвективные потоки, вызывающие разрыхление активной зоны. В какой-то момент цепная реакция деления останавливается. Когда выделение тепла прекращается и конвективные потоки ослабевают, уран медленно оседает — цепная реакция возобновляется. Таким образом, геореактор может работать и в импульсном режиме.
Стрежни с кадмием или бором, поглощающие нейтроны, вводят в активную зону. Этот процесс позволяет контролировать скорость цепной реакции. Охлаждение активной зоны производится с помощью прокачиваемого теплоносителя в качестве воды или металла с низкой температурой плавления натрий.
Самые интересные проекты, открытия и исследования, а также информация о конкурсах и мероприятиях в вузах и научных центрах России в одном удобном формате. Будьте в курсе событий Десятилетия науки и технологий! Десятилетие науки и технологий в России Российская наука стремительно развивается.
При бомбардировке нейтронами ядра обоих изотопов могут расщепляться на два осколка. Рассмотренная выше схема цепной реакции представляет собой идеальный случай. В реальных условиях не все образующиеся при делении нейтроны участвуют в делении других ядер. Часть их захватывается неделящимися ядрами посторонних атомов, другие вылетают из урана наружу утечка нейтронов. Поэтому цепная реакция деления тяжелых ядер возникает не всегда и не при любой массе урана. Коэффициент размножения зависит от ряда факторов, в частности от природы и количества делящегося вещества, от геометрической формы занимаемого им объема. Одно и то же количество данного вещества имеет разное значение К. К максимально, если вещество имеет шарообразную форму, поскольку в этом случае потеря мгновенных нейтронов через поверхность будет наименьшей. В небольших кусках урана большинство нейтронов, не попав ни в одно ядро, вылетают наружу. Значение критической массы определяется геометрией физической системы, ее структурой и внешним окружением. Критическую массу урана можно во много раз уменьшить, если использовать так называемые замедлители нейтронов. Дело в том, что нейтроны, рождающиеся при распаде ядер урана, имеют слишком большие скорости, а вероятность захвата медленных нейтронов ядрами урана-235 в сотни раз больше, чем быстрых. Наилучшим замедлителем нейтронов является тяжелая вода D2O.
14. Первый в мире ядерный реактор
- Деление ядра атома урана – уравнение цепной реакции
- «Тревожный звоночек»: физик прокомментировал возобновление ядерных реакций в Чернобыле
- Деление ядра урана-235 (анимация) • MaximusLeon
- Эффект просушки: что происходит с радиоактивной лавой под реактором в Чернобыле
- «Тревожный звоночек»: физик прокомментировал возобновление ядерных реакций в Чернобыле
15 интригующих фактов об уране - Слабый радиоактивный металл
Польша готова разместить у себя заводы по производству снарядов с ураном. Новости. Деление ядра урана-235 Деление ядер урана сопровождается выделением энергии около 200 МэВ, или 1 МэВ на нуклон. При делении ядра урана, как видим, удельная энергия связи повышается примерно на 1 \ МэВ/нуклон; эта энергия как раз и выделяется в процессе деления.
Распадается всего за 40 минут: открыт новый изотоп урана
Изотопы могут быть стабильными, когда они сохраняют свою атомную конфигурацию, или нестабильными, когда они распадаются на другие элементы, приобретая или теряя протоны. Скорость распада измеряется периодом полураспада изотопа или временем, которое требуется половине материала для распада на другие элементы. Команда ученых еще не измерила период полураспада урана-241, но, по теоретическим оценкам, он составляет около 40 минут. Это крайне мало для периода полураспада.
Происходит это так: тепловыделяющие сборки ТВС разрезают, куски помещают в концентрированную азотную кислоту и получают раствор, содержащий уран, плутоний и многочисленные продукты деления. Авторы исследования Петр Матвеев и Светлана Гуторова Способ описан в науке довольно давно, но для его реализации не удавалось подобрать селективные экстракционные агенты с высокой емкостью, то есть способные захватывать большое количество химических элементов. Пока мы заняты теоретической частью проекта, продолжаем исследовать возможности этого механизма экстракции.
Но я мечтаю о том, что мы доведем проект до конца в теоретическом плане и сможем на практике внедрить его в ядерный топливный цикл».
Бронебойный снаряд - это вид боеприпасов, специально предназначенных для проникновения в бронированные стекла, автомобили, танки и даже военные корабли. Потребовалось бы более 3000 тонн угля для производства такого же количества энергии. Пенетраторы высокой плотности из обедненного урана военного класса 7. В 2017 году мировое производство урана составило 59 531 тонну , что несколько ниже уровня 2015 и 2016 годов. Казахстан является крупнейшим производителем урана в мире, за ним следуют Канада, Австралия, Нигер, Россия и Намибия. Шахта Olympic Dam в Южной Австралии является крупнейшим известным месторождением урана. Еще один значительный запас урана находится в Бакуме, суб-префектуре в Центральноафриканской Республике Центральная Африка. Запасы урана - это просто извлекаемый уран, независимо от его изотопа.
После добычи урановые руды, как правило, измельчаются на обычные куски и затем подвергаются химическому выщелачиванию для извлечения урана. Полученный продукт представляет собой сухой порошковый материал, известный как U 3 O 8. Шахтеры урана более склонны к развитию рака легких и других долговременных проблем со здоровьем, чем средний человек. Хорошо документированное исследование, проведенное в период с 1969 по 1993 годы, показало, что добыча урана была крупнейшим фактором, приводящим к раку легких среди людей племени навахо после того, как добыча урана была прекращена в народе Навахо. Проблемы со здоровьем, связанные с этим элементом, в основном связаны с его высокой токсичностью, а не радиоактивностью, поскольку уран слабо радиоактивен альфа-частицы, испускаемые ураном, не могут проникнуть в кожу человека. Однако прямое употребление этого вещества может привести к серьезным повреждениям многих органов, раку и длительным неврологическим расстройствам. Хотя потребление большого количества урана, безусловно, смертельно, почки могут справиться с низким уровнем воздействия урана.
Они содержат оптимальное количество графической и анимационной информации для сосредоточения внимания и удержания интереса ребят без отвлечения от сути занятия.
Каждый видеоурок озвучен профессиональным мужским голосом, четким и приятным для восприятия. Ученики ценят оригинальность подачи материала, родители радуются повышению отметок детей, а учителя в восторге от эффекта и экономии времени и денег при подготовке к урокам.
Как было открыто спонтанное деление
Нейтроны, излучаемые ядрами урана, вызывают деление других ядер урана с появлением новых нейтронов — так происходит самоподдерживающаяся цепная реакция, благодаря которой мы получаем большое количество энергии. Деление ядра урана происходит, когда оно захватывает нейтрон, что нарушает стабильность ядра. В 1938 г. был открыт процесс деления атомных ядер урана нейтронами. Следова-тельно, «трансураны» получаются при делении ядра урана, так как сам по себе захват нейтрона с испуска.
Как было открыто спонтанное деление
Открытие деления урана. Деление ядра урана-235 Деление ядер урана сопровождается выделением энергии около 200 МэВ, или 1 МэВ на нуклон. Продукты деления ядра урана нестабильны, так как в них содержится значительное избыточное число нейтронов. Прежде всего, была экспериментально доказана справедливость гипотезы о делении ядра урана и непосредственно измерена энергия деления. В результате каждого деления ядра урана вместо одного атома образуются два новых, суммарный объём которых примерно в два раза больше объёма разделившегося атома, поскольку все атомы химических элементов, в общем-то, имеют примерно одинаковые объёмы.
Деление ядер урана презентация
Благодаря разведывательной работе Теодора Холла, Дэвида Грингласса и особенно Клауса Фукса Советский Союз смог быстро догнать США в ядерных технологиях, а затем и опередить их благодаря усилиям советских ученых более подробно о роли разведки и Клауса Фукса в создании советского ядерного оружия см. При создании первой советской атомной бомбы в полной мере была использована исчерпывающая информация о конструкции американской плутониевой бомбы, переданная советскими разведчиками, действовавшими непосредственно в центре Манхэттенского проекта. Из-за предательства перебежчика Игоря Гузенко, работавшего шифровальщиком в советском посольстве в Оттаве, такие советские разведчики, как Алан Мэй, были раскрыты. В списке, представленном Гузенко, были служащие Госдепартамента США, оттавского отдела Верховного комиссариата Великобритании и британских разведывательных организаций. Информация о предательстве Гузенко была передана в Москву Кимом Филби.
Советский физик Юлий Харитон провозгласил девиз: «Мы должны знать в десять раз больше того, что мы делаем». Советская атомная индустрия строилась с нуля. Возводились реакторы, установки для получения плутония, специальные оружейные лаборатории для создания бомбы и подготовки к ее испытанию. Советские конструкторы не ограничились одним лишь копированием американской бомбы.
Весной 1948 года они под руководством Якова Зельдовича начали работы над собственной оригинальной моделью, размер которой получился вдвое меньше, а мощность вдвое больше, чем у американского прототипа. Вскоре приступили к разработке более мощной, водородной бомбы, взяв в качестве прототипа модель американской бомбы «Супер», разработанную Теллером. В конце 1948 года Стратегические силы ВВС США возглавил генерал Кертис Лемей, который в конце войны приказал сбросить на 63 японских города зажигательные бомбы, от которых погибли 2,5 млн гражданских лиц. В марте 1949 года он приготовил боевой план, в соответствии с которым в течение 30 дней предлагалось на 70 советских городов сбросить 133 атомные бомбы, уничтожив тем самым основные индустриальные центры, правительственные учреждения, нефтяную промышленность, транспортные сети и электростанции.
По предварительным оценкам, страна могла бы потерять примерно 3 млн мирных жителей, и 4 млн человек оказались бы ранеными. Собравшаяся вскоре американская Комиссия по атомной энергии была потрясена этой новостью, поскольку ожидалось, что на создание атомной бомбы в СССР уйдет еще несколько лет. Вернер Гейзенберг предпочел стать слугой нацистов. Фото Федерального архива Германии Потеряв монополию на технологию создания «классической» атомной бомбы, США сосредоточились на создании супербомбы.
Однако потенциально практически безграничная разрушительная сила такой водородной бомбы вызвала возражения морального толка у ряда американских физиков, включая Оппенгеймера, Ферми и Раби. Они полагали, что «по самой природе это оружие непригодно для решения боевых задач и эффект от его применения практически всегда будет сводиться к геноциду». Однако Трумэн санкционировал начало работ над созданием водородной бомбы после того, как ему подтвердили возможность ее создания в СССР. Первую водородную бомбу американцы испытали 1 ноября 1952 года на атолле Эниветок.
Тротиловый эквивалент составил 10,4 Мт — примерно в 1000 раз сильнее взрыва бомбы, сброшенной на Хиросиму. Америка снова восстановила свое лидерство в сфере ядерного оружия. Однако Советский Союз 22 ноября 1955 года испытал свою первую двуступенчатую литиево-дейтериевую мегатонную бомбу, а в октябре 1961 года — продемонстрировал взрыв трехступенчатой «Царь-бомбы», тротиловый эквивалент которой составил 50 Мт. Это было самое мощное из испытанного когда-либо оружия.
Академик Андрей Сахаров, руководивший разработкой первой советской термоядерной бомбы, впоследствии стал выдающимся борцом против распространения ядерного оружия. Осмысливая истоки ядерной гонки, Сахаров писал: «Советское правительство уже понимало потенциал нового оружия, и ничто не могло разубедить этих людей в необходимости его разработки. Любые шаги США к отказу от работ над термоядерным оружием или попытки приостановить этот процесс были бы восприняты либо как хитрость, либо как обманный маневр, либо как свидетельство глупости или слабости. Так или иначе, реакция СССР была бы одинаковой: чтобы не попасть в ловушку, нужно было воспользоваться недальновидностью соперника при первой возможности».
Ядерный потенциал России и США в настоящее время превышает миллиард тонн в тротиловом эквиваленте, что соответствует 100 тысячам Хиросим. Но распространение ядерного оружия продолжается. Так, к клубу мировых ядерных держав в октябре 2006 года присоединилась КНДР. Еще совсем недавно мир трясло от одной мысли о том, что возможен ядерный конфликт между США и Северной Кореей.
Однако ядерное сдерживание остановило Вашингтон от почти неминуемого нападения на Пхеньян. И когда писались эти строки, напряженность обратилась вспять — разум восторжествовал. Когда сотни миллионов людей увидели улыбающихся лидеров обеих некогда расчлененных частей страны, пожимающих друг другу руки, у них вырвался вздох облегчения. Оказывается, безумия можно избежать — было бы взаимное желание.
Организовать такое непросто, и для ЛТСМ в «Укрытии» расчеты показывают , что для запуска ускоряющейся цепной реакции необходимо было бы уменьшить поглощение нейтронов «нейтральными» материалами и их утечку за пределы застывшего расплава как минимум в 2,5 раза. Самостоятельно такие изменения в самой керамике происходить не могут, но в ней есть поры и трещины, так что кое-что меняться может. Основную роль в изменениях тут играет вода, которой в руинах четвертого энергоблока еще со времен аварии скопилось немало. После сооружения «Укрытия» оказалось, что дождевая и талая вода продолжает поступать внутрь, но к началу 1990 года установился некоторый баланс водного режима. Изменения нейтронной активности в помещениях под саркофагом, как пишут ученые в той же самой статье, были сезонными: сухие периоды сопровождались ростом плотности потока нейтронов, влажные наоборот.
Эта ситуация изменилась, когда поверх «Укрытия» возвели в середине 2010-х Новый безопасный конфайнмент — поступление воды в остатки энергоблока резко сократилось. Из вышеупомянутой публикации по нейтронной физике ЛТСМ также следует, что существует точка «оптимального увлажнения», при которой нарастание количества нейтронов в каждом поколении достигает максимума. Соответственно, при высыхании залитых водой ЛТСМ нейтронный поток будет сначала увеличиваться и только после прохождения «оптимального увлажнения» начнет сокращаться — это, возможно, мы и видим сейчас. Это происходит потому, что вода является одновременно сильным замедлителем и сильным поглотителем нейтронов. Замедление нейтронов — это снижение их энергии от миллионов электронвольт при рождении в ядерной реакции до сотых долей электронвольта — средней тепловой энергии атомов при комнатной температуре.
Оно важно, потому что ядро урана-235 или плутония-239 примерно в 1000 раз охотнее поглотит замедленный нейтрон, чем быстрый, только появившийся в реакции. Поэтому добавляя воду к урану, мы увеличиваем вероятность деления и как бы виртуально многократно увеличиваем концентрацию урана. Однако когда воды становится достаточно много, все нейтроны успевают в ней замедлиться, и дальнейшее ее добавление приводит только к росту поглощения ценных нейтронов.
Флеров ныне академик, лауреат Ленинской премии. Спонтанное деление ядер урана было открыто очень молодыми учеными. Чудом сохранился наш первый отчет об этой работе — обычный отчет, какие во всех лабораториях пишут в конце года. Обратите внимание на последнюю страницу: «Тот факт, что тяжелые ядра могут самопроизвольно делиться, приводит к крайне существенным следствиям не только в ядерной физике, но и в химии в вопросе о границе периодической системы элементов. Очередная задача исследования заключается, однако, в настоящий момент не столько в анализе этих следствий, сколько в накоплении экспериментальных фактов, начало которому, как мы надеемся, положено этой работой». Во всяком случае, так мы считали 30 лет назад. Читайте дальше: «Выражаем искреннюю благодарность нашему руководителю проф.
Курчатову, наметившему все основные контрольные опыты и принимавшему самое непосредственное участие в обсуждении результатов». Не сочтите эту фразу просто актом вежливости. Заслуга Игоря Васильевича не меньше нашей. Но руководитель, «наметивший все основные контрольные опыты и принимавший самое непосредственное участие в обсуждении результатов», наотрез отказался стать соавтором работы, сделанной руками его учеников. А мы действительно были его учениками — и я, и Георгий Николаевич — Г. В предвоенные годы ядерной физикой занимались сравнительно немногие. И еще меньше было людей, которые, как Курчатов, верили в прикладные возможности этой науки. Именно этим объясняю я тот, к примеру, факт, что почти все приборы для исследований — счетчики частиц, усилители импульсов — мы делали своими руками. Один из таких приборов стал темой моей дипломной работы, а руководителем ее был Игорь Васильевич. Бороды он еще не носил.
Спустя года два — я продолжал заниматься прибористикой — Курчатов прислал ко мне на консультацию студента Флерова, задиристого и самолюбивого. Тема его диплома была близка моей, оба мы были молоды и вскоре стали работать сообща, хотя формально были сотрудниками разных институтов. А спустя какое-то время, кажется, это было в самом конце тридцать восьмого года, о ядре заговорили всерьез. Умы взбудоражило сообщение, что Ган и Штрассман в Германии открыли деление ядер урана нейтронами. Они пытались получить новый элемент, а натолкнулись на новое явление. Явление, интересное прежде всего своим энерговыделением — огромным количеством энергии, высвобождавшейся при каждом элементарном акте. Курчатов поручил нам с Флеровым повторить эти опыты, воспроизвести их. Уран был в виде урановой смолки , радон-бериллиевый источник нейтронов — тоже, а на регистрирующих приборах мы оба к тому времени собаку съели. Результаты Гана и Штрассмана заинтересовали не только Курчатова, заинтересовали прежде всего энергетической стороной дела.
Флёровым и К. Петржаком в результате экспериментальных исследований распада урана. Поскольку космические лучи создают в порождённых ими атмосферных ливнях космических лучей измеримый поток нейтронов, при опытах на поверхности земли экспериментально трудно отделить события спонтанного деления от вынужденного.
Что происходит с радиоактивной лавой под реактором в Чернобыле
Бор передал эти сообщения, тоже по телефону, четырем американским лабораториям, имеющим циклотрон, и через десять дней эти лаборатории подтвердили гипотезу о делении урана. Уже к февралю 1939 года это явление было подтверждено работами ряда физических лабораторий мира. Изучение деления ядер урана превращалось из теоретической научной проблемы в технологическую. Все достижения, как зарубежные, так и собственные, горячо обсуждали на Курчатовском семинаре. Была проанализирована, в частности, только что выполненная работа Ю. Харитона и Я. Зельдовича, в которой авторы провели расчет цепной реакции деления урана и показали, что, обогащая природный уран его легким изотопом ураном-235 , можно получить взрывную реакцию. Они установили и условия решения этой задачи[226].
С целью изучения возможности цепной реакции на быстрых нейтронах Курчатов развернул свои первые исследования по проблеме деления тяжелых ядер. В тематическом плане НИР ЛФТИ на 1940 год по своей лаборатории он планировал детально изучить взаимодействие нейтронов с ядрами урана и тория и выяснить, возможна ли цепная ядерная реакция и каковы условия ее осуществления[227]. Проведение этого исследования с самого начала Курчатов взял под свою опеку: разработал план и методику проведения контрольных экспериментов, выделил в качестве лаборатории двум молодым физикам, своим дипломникам Г. Флерову и К. Петржаку, часть своего кабинета в Физтехе. Флеров и Петржак исследовали этот вопрос с помощью созданного ими под руководством своего научного руководителя детектора нейтронов — камеры деления с рекордной чувствительностью. Чувствительность их камеры деления была прямо пропорциональна площади ее электродов, на которые тонким слоем был нанесен уран, из которого выходили осколки деления.
Она была в тысячу раз выше, чем у Уилларда Либби, проводившего аналогичные опыты в Калифорнийском университете. Конструкцию своей камеры Флеров и Петржак построили наподобие образа конденсатора переменной емкости. В отличие от последнего все 25 пластин камеры были жестко закреплены. Их общая площадь равнялась тысяче квадратных сантиметров. Петржак, умея хорошо рисовать он освоил это ремесло в детстве, чтобы прокормиться и не пропасть среди беспризорников , нанес на электроды камеры чрезвычайно ровный слой окиси урана и покрыл его затем сусальным золотом. Такое покрытие являлось совершенно необходимым условием для того, чтобы в случае появления пылинки на поверхности электрода исключить на выходе камеры импульсы, возникающие в области пылинки, где происходит пробой газового промежутка между пластинами. При проведении длительного фонового опыта экспериментаторы обнаружили мощный импульс, характерный для осколков деления.
Курчатов, проанализировав результаты опыта как новое явление, потребовал «бросить все и заниматься… год, два, десять, сколько потребуется, чтобы уяснить его суть до конца». Наметил контрольные эксперименты, приказал повысить еще чувствительность камеры. В нее ввели эманацию радия — радон. Фон возрос, но скорость счета импульсов не изменилась. Курчатов приказал защитить камеру толстым слоем вещества, чтобы исключить влияние космических частиц. Для этого проверку следовало проводить под водой или под землей. Научный руководитель распорядился закончить эксперимент в ЛФТИ, а продолжить его в водах Финского залива, в процессе чего наблюдаемое новое явление самопроизвольного деления урана подтвердилось.
Тогда исследователи впервые назвали этот процесс «спонтанным делением». Для дополнительных экспериментов Курчатов добился разрешения использовать московскую станцию метро «Динамо». Около полугода Флеров и Петржак работали в Москве под шестидесятиметровым слоем земли. Эффект и здесь оказался прежним. Выяснилось, что спонтанное деление ядер урана не связано с космическим излучением[228]. Через месяц Курчатов пришел к уверенности, что совокупность экспериментальных данных служит бесспорным доказательством существования в природе нового вида радиоактивности. Он поручил своим сотрудникам подготовить сообщение.
Короткую заметку об открытии, подписанную Флеровым и Петржаком, А. Иоффе направил по трансатлантическому кабелю каблограммой в американский журнал «Physical Review», и в июне 1940 года она увидела свет. Сообщение об экспериментах Флерова и Петржака В. Хлопин сделал на майской сессии Академии наук[229]. Оба автора открытия, написав статью, предложили Курчатову подписать ее в качестве одного из соавторов, но он отказался. Тогда они завершили ее фразой: «Мы приносим искреннюю благодарность за руководство работой проф. Курчатову, наметившему все основные контрольные эксперименты и принимавшему самое непосредственное участие в обсуждении результатов исследования»[230].
Поскольку вода замедляет нейтроны, ее попадание ускоряло деление ядер урана в расплаве. Поэтому из-за сильных дождей в районе станции резко возрастал объем нейтронов. Проблема была настолько серьезной, что в 1990 году ученые обработали реакторный зал раствором нитрата гадолиния он поглощает нейтроны , а после установили и специальные разбрызгивающие устройства. Но до подвальных помещений нитрат гадолиния не доставал, поэтому эффекта от этого было немного. В 2106 году над объектом «Укрытие» надвинули Новый безопасный конфайнмент НБК , строительство которого финансировали европейские страны, и который обошелся в полтора миллиарда евро. НБК не пропускает дождевую воду — поэтому планировалось, что реакции деления замедлятся. Это и произошло в большинстве точек объекта «Укрытие», но не во всех.
Это следствие того, что дефект массы атома урана существенно меньше, чем дефект массы атомов средней части периодической системы. Если, таким образом, подобный переход происходит, то разница дефектов масс проявляется в виде ядерной энергии. В качестве возможных пар деления, порядковые номера которых в сумме дают 92, в заметке Фриша и Мейтнер предполагались барий 56 и криптон 36 , а также стронций 38 и ксенон 54. Сообщалось также об успешном опыте Фриша с атомами отдачи. В этом опыте взрывной характер деления атома урана следовал из того, что два продукта деления разлетались в противоположные стороны с очень большой скоростью, что было установлено по величине производимой ими ионизации в воздухе в условиях, когда все ионизирующие заряженные частицы меньшей скорости, создававшие меньше 500 тысяч ионов, устранялись с помощью внешнего поля. Его реакция на них была очень специфична: выходит, все наши трудоемкие опыты «после убедительного опыта Отто-Роберта не нужны». Лиза Мейтнер ответила 25 января: вовсе не «не нужны», без Вашего прекрасного результата о барии вместо радия мы никогда бы не пришли к этому...
Конечно, публикуйте Ваши результаты о стронции и иттрии... Опыты с атомами отдачи доказывают лишь факт взрыва, но не то, на что делится ядро; это может решить только химия». Это письмо Лизы Мейтнер перекрылось с письмом Гана, тоже от 25 января, уже явно оптимистическим «благодаря многим новым результатам»: в барии уже нельзя более сомневаться, доказано образование «гипотетического криптона» при облучении урана нейтронами, среди продуктов деления найдены также стронций, иттрий, рубидий. В своем ответе на следующий день Лиза Мейтнер писала: «Все сделанное Вами в последнее время мне представляется фантастическим. Добрая половина периодической системы встречается среди этих осколков урана, и Вы в последние месяцы заслужили много первых наград». Отдельные данные, сообщенные Ганом в последних письмах, получили дальнейшее обоснование в еще более обстоятельной второй статье Гана и Штрассмана «Доказательство возникновения активных изотопов бария из урана и тория при облучении их нейтронами; доказательство новых активных осколков, возникающих при делении урана» датировано 28 января 1939 г. Окончательные результаты этих потребовавших много времени опытов сняли последние сомнения, но с типичной для Гана добросовестностью все еще проводилось различие между «сильным доводом в пользу бария» и «доказательством в пользу бария» и новые результаты сформулированы в статье существенно осторожнее, чем в предшествующем письме.
Следовательно, и эта важнейшая работа несет отпечаток тех действительно громадных трудностей, которые приходилось преодолевать исследователям. При делении урана возникают четыре разных ра- диоактивных изотопа бария, которые затем превращаются в другие элементы; поэтому в исследуемом препарате наряду с первичными продуктами деления всегда имеются вторичные продукты распада. То же самое имело место при определении природы новых первичных продуктов деления. Для проверки естественного предположения, что и криптон, подобно барию, превращается в соседние с ним элементы, были поставлены два опыта. Следовательно, была допустима и другая схема деления урана. Это исследование было проведено. Четыре недели спустя 2 марта последовало экспериментальное доказательство распада урана на различные изотопы ксенона и стронция.
Две следующие работы, датированные 21 и 22 июля, принесли дальнейшее прояснение и сведения о новых продуктах деления. Какие трудности пришлось преодолеть на пути к выяснению этих связей, видно уже из того, что в разные ряды входят изотопы одних и тех же химических элементов, различающихся между собой только периодами радиоактивного распада. Были найдены также новые продукты деления — йод, бром, теллур, молибден. Наконец, было установлено совпадение продуктов деления урана и тория благодаря тому, что некоторые препараты тория были облучены быстрыми нейтронами от сильных источников института Бора в Копенгагене и Берлинского Ауер-общества. Сразу же после первых публикаций Гана и Штрассмана о делении урана опыты с расщеплением ядер были повторены и продолжены во многих институтах мира. Почти всюду имелись более сильные источники нейтронов, чем в институте Гана. В связи с некоторыми публикациями возникали жаркие споры о приоритете, которые, однако, быстро разрешались и забывались.
Три факта сегодня не вызывают возражений: 1 никто до Гана и Штрассмана не принимал во внимание такой своеобразной ядерной реакции, как деление ядер; 2 Ган и Штрассман дали окончательное доказательство деления своими радиохимическими методами; 3 Фриш и Мейтнер предложили первое физическое объяснение и дали экспериментальное доказательство взрывного ядерного процесса, связанного с освобождением больших количеств энергии. Очень большое значение имело также данное около четверти года спустя группой Жолио окончательное доказательство того факта, впервые замеченного Ганом, Штрассманом и др. Мнения о существовании трансуранов, выраженные в письмах и в журнальных публикациях, колебались: должны они умереть или остаться? Ган и Лиза Мейтнер склонялись то к одному, то к другому мнению. Неужели четырехлетняя сверх всякой меры напряженная работа должна оказаться безрезультатной? Отчасти себе в утешение, отчасти из чувства великодушия, Ган и Штрассман писали в своей второй работе, что без многолетней практики с «трансуранами» совместно с Лизой Мейтнер деление урана нельзя было бы обнаружить. Но вопрос имел и оборотную сторону.
Дело в том, что «кюрьозный» трансуран Кюри и Савича, послуживший поводом для новых опытов Гана, Мейтнер и Штрассмана и обладавший свойствами лантана, не заставил их отказаться от трансурановой гипотезы и подумать о другом механизме его возникновения; лишь Ган и Штрассман указали на то, что он является продуктом деления урана или распада бария. Самым существенным аргументом против трансуранов стал результат исключительно красивого опыта Лизы Мейтнер с атомами отдачи. Только третья схема реакций еще не получила объяснения. Деление урана носило «усиленный» характер, т. Его дочерний продукт из-за малой интенсивности не мог быть, однако, установлен однозначно, а химическая природа последующих продуктов не могла быть выяснена из-за их быстрого распада. Лиза Мейтнер в своих письмах продолжала придерживаться мнения, что «23-минутное вещество» действительно является материнским веществом трансуранов, как это и было потом доказано. Полная ясность пришла лишь после открытия того факта, что естественный уран содержит наряду с прочими изотоп с массовым числом 235, который делится, и изотоп с массовым числом 238, из которого с помощью указанного резонансного процесса могут быть получены трансураны.
В первый период рассматривался лишь уран-238. В письме Фриша Гану от 6 июня 1939 г. Я поговорю с профессором Бором о важности предлагаемой Вами проверки гипотезы об уране-235. Я слышал, в Америке хотят провести частичное разделение этих двух изотопов, что, очень облегчило бы проверку... Как раз в это же время началось обсуждение возможности взрывной цепной реакции при делении урана освобождающимися нейтронами и технического использования ядерной энергии. Интересно, что Бор еще в своем письме Лизе Мейтнер от 12 июля 1939 г. Мы не будем, од- нако, продолжать обсуждение этих вопросов, так как они уже выходят из области деятельности Гана.
Вскоре после этого началась война; в круг научных проблем попали вопросы технического, а также военного применения деления ядер. В то время как последние вопросы в нашей стране сразу же были положены «под сукно», развернулись работы по строительству, как теперь выражаются, уранового реактора для применения ядерной энергии в технических целях. В этих работах Ган не принимал участия. С сотрудниками своего института он продолжал неустанно работать над прояснением картины деления урана и тория и распутыванием рядов радиоактивных превращений продуктов деления. О каждом успехе этой работы сообщалось в научных журналах. К весне 1945 г. Размер сделанного в Далемском институте можно по достоинству оценить лишь путем сравнения с результатами американских работ, впервые опубликованными полтора года спустя после окончания войны.
В распоряжении американских ученых находились сильнейшие источники нейтронов, значительные людские и финансовые средства, а также подробно описываемые методы и результаты рабочей группы Гана. Вынужденное военным поражением Германии прекращение этих работ было для Гана прекращением всей его почти сорокалетней исследовательской деятельности.
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. 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.
14. Первый в мире ядерный реактор
- Дирижер атомного взрыва: тело и жизнь самой тайной части ядерного заряда
- Деление ядер урана и цепная реакция
- Ядерные реакции. Деление ядер урана | Физика 11 класс #52 | Инфоурок - YouTube
- Глава пятая ОТКРЫТИЕ СПОНТАННОГО ДЕЛЕНИЯ УРАНА
- Деление ядер урана - Смотреть видео
Справочник химика 21
работать в токамаке, но он не слышит нас хотят убедить, что технология, которая УСТОЙЧИВО НЕ РАБОТАЕТ 70 ЛЕТ вдруг начнет работать На самом деле физическому. Прежде всего, была экспериментально доказана справедливость гипотезы о делении ядра урана и непосредственно измерена энергия деления. Согласно ему, для инициации деления нейтрон должен обладать довольно большой энергией, более 1 МэВ для ядер основных изотопов — урана-238 и тория-232.
Деление ядер урана. Цепная ядерная реакция
Одна из задач Десятилетия — рассказать, какими научными именами и достижениями может гордиться наша страна. В течение всего Десятилетия при поддержке государства будут проходить просветительские мероприятия с участием ведущих деятелей науки, запускаться образовательные платформы, конкурсы для всех желающих и многое другое.
Шахта Olympic Dam в Южной Австралии является крупнейшим известным месторождением урана. Еще один значительный запас урана находится в Бакуме, суб-префектуре в Центральноафриканской Республике Центральная Африка. Запасы урана - это просто извлекаемый уран, независимо от его изотопа. После добычи урановые руды, как правило, измельчаются на обычные куски и затем подвергаются химическому выщелачиванию для извлечения урана. Полученный продукт представляет собой сухой порошковый материал, известный как U 3 O 8. Шахтеры урана более склонны к развитию рака легких и других долговременных проблем со здоровьем, чем средний человек. Хорошо документированное исследование, проведенное в период с 1969 по 1993 годы, показало, что добыча урана была крупнейшим фактором, приводящим к раку легких среди людей племени навахо после того, как добыча урана была прекращена в народе Навахо. Проблемы со здоровьем, связанные с этим элементом, в основном связаны с его высокой токсичностью, а не радиоактивностью, поскольку уран слабо радиоактивен альфа-частицы, испускаемые ураном, не могут проникнуть в кожу человека.
Однако прямое употребление этого вещества может привести к серьезным повреждениям многих органов, раку и длительным неврологическим расстройствам. Хотя потребление большого количества урана, безусловно, смертельно, почки могут справиться с низким уровнем воздействия урана. Ядерный взрыв происходит, когда полый урановый снаряд попал в целевой цилиндр 1. Во время Второй мировой войны американские военные разработали два типа ядерных бомб. Первым был «Маленький мальчик», устройство на основе урана, которое было взорвано над городом Хиросима. Второе ядерное устройство было названо «Толстяк», ядерное оружие имплозивного типа с плутониевым ядром его плутоний был получен из урана-235.
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. При разработке ядерных реакторов этой проблеме уделяется большое внимание.
Наряду с ядерным реактором, работающим на медленных нейтронах, большой практический интерес представляют реакторы, работающие без замедлителя на быстрых нейтронах. В обычных реакторах также образуется плутоний, но в гораздо меньших количествах. Первый ядерный реактор был построен в 1942 году в США под руководством Э. В нашей стране первый реактор был построен в 1946 году под руководством И. Термоядерные реакции - реакции слияния легких ядер при очень высоких температурах. Второй путь освобождения ядерной энергии связан с реакциями синтеза. В целом в этой реакции выделяется: вырабатывается в ядерном реакторе из Это одна из наиболее перспективных термоядерных реакций. Энергия, которая выделяется при термоядерных реакциях, в расчете на один нуклон в несколько раз превышает удельную энергию, выделяющуюся в цепных реакциях деления ядер. При такой температуре вещество находится в полностью ионизированном состоянии - плазменном. Осуществление управляемых термоядерных реакций даст человечеству новый экологически чистый и практически неисчерпаемый источник энергии.
Получение сверхвысоких температур и удержание плазмы, нагретой до миллиарда градусов, представляет собой труднейшую научно-техническую задачу на пути осуществления управляемого термоядерного синтеза. Токомак — вакуумная торроидальная кольцевая камера магнитных катушек, для осуществления управляемой термоядерной реакцией.
Мы знаем, что это расстояние составляет не менее 66 см, потому что только это гарантирует, что нейтроны, испускаемые одним ядром во время деления, будут поглощены другим, прежде чем вырваться из урановой жилы. Вторым условием было наличие урана-235 в достаточном количестве. Проблема в данном случае в том, что мы говорим о высокорадиоактивном изотопе, который распадается в шесть раз быстрее, чем уран-238. Третий важный элемент - это наличие вещества, которое могло бы замедлить высвобождение нейтронов во время деления ядра урана, чтобы одновременно вызвать распад других ядер. Наконец, упоминается отсутствие примесей в виде значительного количества бора и лития, которые остановили бы любую ядерную реакцию.
Как видите, количество условий, необходимых для создания естественного реактора, было очень большим. Описанная теория была почти забыта через несколько лет, и никто не использовал эти знания. Ситуация изменилась в 1972 году, когда были исследованы образцы с месторождения Окло в Габоне. Несмотря на обретение независимости от Франции в 1960 году, это центральноафриканское государство находилось под сильным влиянием Парижа. Это неудивительно, учитывая огромные природные ресурсы и получаемое ими богатство. Удивительные результаты Испытанные образцы урана традиционно содержат три разных изотопа: уран-238, уран-234 и уран-235. Поскольку уран-234 не может делиться, в данном случае он не используется.
Результат для урана-235 привлек внимание исследователя и его коллег. Эта величина постоянна для всех отложений на Земле и на Луне и даже для метеоритов. Кроме того, он слишком низкий, чтобы вызвать реакцию деления. По этой причине уран искусственно обогащается в очень сложном процессе с использованием газовой диффузии и центрифуг. На первый взгляд это незначительное различие, но его наличие вызвало огромный резонанс в мире науки.