Передавая при столкновениях с атомами среды топливной композиции свою кинетическую энергию, осколки деления тем самым повышают температуру в ней. Резерфорд много сделал для изучения строения атома и внес вклад и в исследование того, как происходит деление ядра атома. Деление атома урана" (9 класс). Ядерные реакторы на АЭС, атомных судах и подводных лодках используют деление ядер урана (иногда вместе с плутонием). На этой странице вы можете посмотреть видео «Деление атома: перспективы международного рынка атомной энергетики» с RuTube канала «РБК».
Открытие ядерного деления - Discovery of nuclear fission
В ТЕКСТЕ ОГОВОРКА: У ГРАФИТА НЕ 6 АТОМНАЯ МАССА, А 12!Для донатов и вопросов: ДЛЯ ДОНАТОВ ИСПОЛЬЗОВАТЬ. Лекция из курса: Физика атомного ядра и частиц. Они сообщили о делении атомов пяти различных элементов – алюминия, бора, натрия, бериллия и лития – и полученная энергия более чем в три раза превышала то, что затратили. уДачные советы. 03:00. При расщеплении (делении) урана высвобождается три нейтрона, которые сталкиваются с другими атомами урана, в результате чего возникает цепная реакция.
Деление атома может дать миру необыкновенную власть
РУВИКИ: Интернет-энциклопедия — Деление ядра — процесс расщепления атомного ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, называемых осколками деления. Поэтому в ядерном реакторе, если копнуть чуть глубже есть и деления урана 8 быстрыми нейтронами, энергия которых может достигать 18МэВ. Ядерным (или атомным) реактором называется устройство, в котором осуществляется управляемая реакция деления ядер. Учёные с мировым именем провели исследования и наконец поняли принцип вращения атомных ядер после того, как происходит их деление. ЯДЕР ДЕЛЕНИЕ, ядерная реакция, в которой атомное ядро при бомбардировке нейтронами расщепляется на два или несколько осколков.
Закон деления атома
Деление атомного ядра, процесс, при котором из одного атомного ядра возникают несколько (чаще всего два) более лёгких ядер (осколков деления). Именно осколки деления и составляют большую часть радиационного загрязнения территории при аварии после разрушения и выброса при взрыве ТВЭЛов. Учёные с мировым именем провели исследования и наконец поняли принцип вращения атомных ядер после того, как происходит их деление. Деление атомных ядер тяжелых элементов возможно благодаря тому, что удельная энергия связи этих ядер меньше удельной энергии связи ядер элементов.
Ядерное деление
В 1939 г физиками О. Фришем и Л. Мейтнером была предложена капельная модель ядра, в рамках которой был описан процесс деления ядра атома урана. Недавно в атомной энергетике произошло событие, которое можно сравнить разве что с созданием вечного двигателя: четвертый энергоблок Белоярской АЭС с реактором. Приборы впервые зафиксируют деление ядер урана, а реактор из сложной металлической конструкции превратится в полноценную атомную установку, чтобы обеспечить половину.
Два атома заставили двигаться синхронно на расстоянии 33 км
Как графитовые стержни замедляют нейтроны В ядерных реакциях нейтроны высвобождаются с высокой скоростью. Причина — в сильной связи протонов и нейтронов внутри ядра. При ядерной реакции значительная часть этой связанной энергии освобождается, и атомы движутся с огромной скоростью. В результате другие атомы не успевают захватить их и не могут продолжить цепную реакцию. Поэтому новые реакции случаются редко и с недостаточным уровнем энергии или тепла. При этом нейтроны с высокой скоростью в процессе деления высвобождают энергию. Это приводит к большим колебаниям температуры и нарушает стабильность условий внутри реактора. Это ставит производство электричества под вопрос. Наука научилась контролировать скорость нейтронов с помощью графитовых стержней. Эти элементы используют в ядерных реакторах, чтобы управлять ядерными реакциями.
Их изготавливают из графита, формы углерода, и называют замедлителями. Как водитель автомобиля регулирует скорость, чтобы избежать аварии, так и графитовые стержни управляют скоростью ядерной реакции. Они замедляют быстрые нейтроны. Процесс начинается с прямого взаимодействия. Нейтроны из первичной атомной реакции сталкиваются с ядрами углерода в графите. Поскольку ядра углерода массивные, при столкновении нейтроны передают часть своей энергии атомам углерода. В результате этих многократных столкновений нейтроны постепенно замедляются. Из-за понижения энергии и снижения скорости атомы успевают поймать нейтроны, что продолжает цепную ядерную реакцию. Изотопы: суперсила в медицине На российских АЭС стержни над реактором подвешивают и удерживают электромагнитами, чтобы всегда гарантировать их попадание в активную зону.
Электромагниты — эффективный способ управлять графитовыми стержнями. Например, подачей электрического тока в электромагниты можно изменять магнитное поле и регулировать подвешивание и удержание стержней с высокой точностью.
Это плохо? Хотя хранящиеся ядерные отходы не обязательно представляют непосредственную угрозу, если они хорошо локализованы, вопросы долгосрочного обращения и возможности неправильного обращения и несчастных случаев делают хранение растущей кучи ядерных отходов спорным вопросом. Углерод также является одним из видов отходов. Хотя процесс деления и преобразования ядерной энергии в электричество относительно свободен от выбросов углерода, общий бюджет углерода, связанный с добычей и переработкой руды, необходимой для деления, и строительством конкретной электростанции, не равен нулю.
В течение всего срока службы новая атомная электростанция может выбрасывать в атмосферу примерно 4 г CO2 на каждый киловатт-час произведенной электроэнергии. По некоторым оценкам, этот показатель значительно выше - от 10 до 130 граммов CO2 в отдельных случаях. Таким образом, замена угольных электростанций на атомные позволит ежегодно экономить миллионы тонн СО2, не говоря уже о твердых частицах и других загрязняющих веществах. По тем же причинам экологически чистые возобновляемые источники энергии, такие как ветряные турбины и солнечные батареи, также не имеют нулевых выбросов в силу их производства и установки. Углеродный след солнечных и ветряных электростанций более или менее сопоставим с нижним пределом для атомной энергетики. В целом, атомная энергетика в лучшем случае не содержит столько же углерода, сколько солнечная и ветровая, хотя и связана с непопулярной проблемой отходов.
Риск Прошло более трех десятилетий с тех пор, как советская Украина дала миру представление о том, как может выглядеть наихудший сценарий ядерной аварии. Чернобыльская АЭС, расплавившаяся во время технических испытаний в 1986 году, превратилась в радиоактивные руины на фоне отравленного радиоактивными осадками ландшафта. В 2011 году после землетрясения на японской АЭС "Фукусима" также произошла авария. Подобные разрушительные события достаточно редки для того, чтобы о них можно было писать в шокирующих заголовках. Однако, по некоторым оценкам, такие аварии могут происходить раз в 10-20 лет, что чревато распространением радиоактивных веществ на сотни и даже тысячи километров. Насколько это может быть опасно?
Трудно сказать, это зависит от множества факторов, связанных с плотностью населения, степенью облучения и концентрацией изотопов.
В области быстрых нейтронов зависимость сечений деления от энергии нейтронов становится гладкой, но в отличие от сечений радиационного захвата, сечения деления не только не убывают с ростом энергии нейтронов, а даже несколько увеличиваются. С этим обстоятельством связано одно из основных преимуществ ядерных реакторов, работающих на быстрых нейтронах, по сравнению с тепловыми реакторами. Сечения деления четно-четных нуклидов до порога деления равны, естественно, нулю, а выше порога они хотя и отличаются от нуля, но никогда не приобретают больших значений. Так сечение деления 238U при энергиях выше 1 МэВ оказывается порядка 0,5 барн. Осколки деления.
Несмотря на большую энергию примерно по 82 МэВ у каждого осколка , пробеги осколков в воздухе оказываются не больше, а даже несколько меньше пробегов альфа-частиц около 2 см. И это несмотря на то, что альфа-частицы имеют значительно меньшие энергии 4 — 9 МэВ. Происходит это потому, что электрический заряд осколка значительно больше заряда альфа-частицы, и поэтому он гораздо интенсивнее теряет энергию на ионизацию и возбуждение атомов среды. Более точные измерения показали, что пробеги осколков, как правило, оказываются не одинаковыми, и группируются около значений 1,8 и 2,2 см. Вообще при делении могут образовываться осколки с самыми различными массовыми числами в пределах от 70 до 160 то есть около 90 различных значений , но образуются осколки с такими массами с разными вероятностями. Эти вероятности принято выражать т.
Например, при одинаковой поглощенной дозе альфа-излучение оказывается гораздо опаснее, чем фотонное или бета-излучение. Это связано с тем, что альфа-частицы создают на пути своего пробега в биологической ткани более плотную ионизацию, концентрируя таким образом вредное воздействие на организм в определенном органе. При этом весь организм испытывает на себе значительно большее угнетающее действие излучения. Следовательно, для создания одинакового биологического эффекта при облучении тяжелыми заряженными частицами необходима меньшая поглощенная доза, чем при облучении легкими частицами или фотонами. Эквивалентная доза — произведение поглощенной дозы на коэффициент качества излучения. Единицы измерения эквивалентной дозы: Зиверт Зв — это единица измерения эквивалентной дозы, любого вида излучения, которое создает такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1 Гр рентгеновского или гамма-излучения. Бэр внесистемная единица — это такое количество энергии ионизирующего излучения, поглощенное 1 кг биологической ткани, при котором наблюдается тот же биологический эффект, что и при поглощенной дозе 1 рад рентгеновского или гамма-излучения.
Наименование «бэр» образовано по первым буквам словосочетания «биологический эквивалент рентгена». До недавнего времени при расчёте эквивалентной дозы использовались «коэффициенты качества излучения» К — поправочные коэффициенты, учитывающие различное влияние на биологические объекты различную способность повреждать ткани организма разных излучений при одной и той же поглощённой дозе. Сейчас эти коэффициенты в Нормах радиационной безопасности НРБ-99 назвали — «взвешивающие коэффициенты для отдельных видов излучения при расчёте эквивалентной дозы WR ». Их значения составляют соответственно: рентгеновское, гамма, бета-излучение, электроны и позитроны — 1; протоны с Е более 2 Мэв — 5; нейтроны с Е менее 10 кэв — 5; нейтроны с Е от 10 кэв до 100 кэв — 10; альфа-частицы, осколки деления, тяжёлые ядра — 20 и т. Эффективная эквивалентная доза — эквивалентная доза, рассчитанная с учётом разной чувствительности различных тканей организма к облучению; равна эквивалентной дозе, полученной конкретным органом, тканью с учётом их веса , умноженной на соответствующий «коэффициент радиационного риска». Эти коэффициенты используются в радиационной защите для учёта различной чувствительности разных органов и тканей в возникновению стохастических эффектов от воздействия излучения. В НРБ-99 их называют «взвешивающими коэффициентами для тканей и органов при расчёте эффективной дозы».
Для оценки полной эффективной эквивалентной дозы, полученной человеком, рассчитывают и суммируют указанные дозы для всех органов. Для измерения эквивалентной и эффективной эквивалентной доз в системе СИ используется та же единица — Зиверт Зв. Иными словами, это такая поглощённая доза, при которой в 1 кг вещества выделяется энергия в 1 Дж. Внесистемная единица — Бэр. Ещё в 50-х годах было установлено, что если при экспозиционной дозе в 1 рентген воздух поглощает приблизительно столько же энергии, что и биологическая ткань. Кроме того, для оценки воздействия ИИ используют понятия: Мощность дозы — доза, полученная за единицу времени сек. Фон — мощность экспозиционной дозы ионизирующего излучения в данном месте.
Естественный фон — мощность экспозиционной дозы ионизирующего излучения, создаваемая всеми природными источниками ИИ. Источники поступления радионуклидов в окружающую среду 1. Естественные радионуклиды, которые сохранились до нашего времени с момента их образования возможно, со времени образования солнечной системы или Вселенной , так как у них велики периоды полураспада, а значит, велико время жизни. Радионуклиды осколочного происхождения, которые обра-зуются в результате деления ядер атомов. Образуются в ядерных реакторах, в которых осуществляется управляемая цепная реакция, а также при испытаниях ядерного оружия неуправляемая цепная реакция. Радионуклиды активационного происхождения образуются из обычных стабильных изотопов в результате активации, то есть при попадании в ядро стабильного атома субатомной частицы чаще — нейтрона , в результате чего стабильный атом становится радиоактивным. Получают активацией стабильных изотопов, помещая их в активную зону реактора, либо бомбардировкой стабильного изотопа в ускорителях элементарных частиц протонами, электронами и т.
Области применения радионуклидных источников Источники ИИ находят применение в промышленности, сельском хозяйстве, научных исследованиях и медицине. Только в медицине используются приблизительно сто изотопов для различных медицинских исследований, постановки диагноза, стерилизации и радиотерапии. Во всем мире во многих лабораториях используются радиоактивные материалы для научных исследований. Термоэлектрические генераторы на радиоизотопах применяются для производства электроэнергии для автономного энергопитания различной аппаратуры в удаленных и труднодоступных районах радио-и световые маяки, метеостанции. Повсеместно в промышленности используются приборы, содержащие радиоактивные источники для контроля технологических процессов плотно-, уровне- и толщиномеры , приборы неразру-шающего контроля гамма-дефектоскопы , приборы для анализа состава вещества. Излучение используется для повышения размера и качества урожая. Эффекты радиации Радиоактивные частицы, обладая огромной энергией и скоростью, при прохождении через любое вещество сталкиваются с атомами и молекулами этого вещества и приводят к их разрушению, ионизации, к образованию «горячих» ионов и свободных радикалов.
1.2.2. Деление атомных ядер
Приведём примеры каждой из них. Отходы Одна из самых больших озабоченностей общественности по поводу атомной энергетики в последние десятилетия связана с тем, что делать с урановым топливом после того, как оно настолько насытится делящимися продуктами, что перестанет быть эффективным для производства энергии. Высокоактивные отходы содержат изотопы, радиоактивность которых может снизиться за тысячи лет до уровня, примерно соответствующего уровню радиоактивности руды, из которой они были получены. В настоящее время в мире хранится более четверти миллиона тонн высокорадиоактивных отходов, ожидающих захоронения или переработки. Так ли это плохо? Хотя хранящиеся ядерные отходы не представляют непосредственной угрозы, если они хорошо изолированы, вопросы долгосрочного обращения с ними, а также возможность неправильного обращения и несчастных случаев делают хранение растущего количества ядерных отходов неоднозначной проблемой. Массивные контейнеры хранят отработанное ядерное топливо в надёжных и безопасных сухих хранилищах Одним из видов отходов можно считать и выбросы углерода. Хотя процесс деления и преобразования ядерной энергии в электричество относительно свободен от выбросов углерода, общий бюджет углерода, связанный с добычей и переработкой руды, необходимой для деления, и строительством конкретной электростанции, не равен нулю. По некоторым оценкам , этот показатель значительно выше - от 10 до 130 граммов CO2 в отдельных случаях.
Таким образом, замена угольных электростанций на атомные позволит ежегодно сберегать в атмосфере несколько миллионов тонн CO2, не говоря уже о твёрдых частицах и других загрязняющих веществах. Углеродный след солнечных и ветряных электростанций более или менее сопоставим с нижним пределом для атомной энергетики. В целом, атомная энергия в лучшем случае не содержит столько же углерода, сколько солнечная и ветровая, хотя и связана с непопулярной проблемой отходов, которую мало кто хочет иметь у себя под боком. Риски Прошло более трёх десятилетий с тех пор, как советская Украина дала миру представление о том, как может выглядеть наихудший сценарий ядерной аварии. Чернобыльская АЭС, расплавившаяся во время технических испытаний в 1986 году, превратилась в радиоактивные руины на фоне отравленного радиоактивными осадками ландшафта. Саркофаг над остатками четвёртого блока Чернобыльской АЭС В 2011 году после землетрясения в Японии произошла авария на атомной станции "Фукусима". Подобные разрушительные события достаточно редки, чтобы о них можно было писать в шокирующих заголовках.
Даже если его уронить с высоты на скалы, сунуть в доменную печь, обстрелять из любого оружия, обложить взрывчаткой и взорвать, или близко сработает другой ядерный заряд. Карпенко Взрывобезопасность заряда обеспечивает система предохранения и взведения. Она исключает случайный или преждевременный подрыв заряда, взрыв из-за ложных данных, несанкционированных действий и любых нештатных причин. Она же переводит заряд в стадии все большей готовности к взрыву перед его срабатыванием. И эта система также входит в состав блока автоматики. Ядерный заряд полностью готов взорваться только непосредственно перед взрывом Для предохранения и взведения заряда в блоке автоматики используются комплексы различных коммутационных устройств. Это электромагнитные реле разных типов и электромагнитные выключатели. Они образуют сложные электрические цепи с возможностью их включения и отключения. Кроме коммутационных, есть другие устройства, входящие в широкий спектр электромеханических приборов автоматики. Не все они размещены в самом блоке автоматики. У человека глаза и осязательные рецепторы находятся на поверхности тела. А вкусовые и слуховые рецепторы, будучи внутри тела, соединены с внешней средой каналами: ротовой полостью или слуховым каналом. Мышечные рецепторы не контактируют со средой. Данные от всех рецепторов поступают в мозг, где обрабатываются с принятием решений на их основе. Очень похоже работает и система взведения. В блок автоматики, мозг ядерного заряда, стекаются данные от многих приборов и датчиков. Обрабатывая их, система взведения реализует алгоритмы повышения готовности заряда к взрыву. Так, чековые или концевые выключатели находятся на поверхности носителя ядерного заряда. Размыкаются контакты, выдергиваются чеки, и в блок автоматики поступает сигнал об отделении носителя от стартового сооружения, самолета-носителя, самоходной установки или подлодки. Другие приборы связаны со средой, в которой движется носитель, и измеряют ее параметры. Если это крылатая или баллистическая ракета, используются манометрические, барометрические или аэродинамические датчики. Первые выдают сигнал при достижении заданной разности наружного статического давления и давления в специальной емкости в приборе, сообщая о достижении заданного перепада высоты. Вторые реагируют на значение наружного статического воздушного давления. Третьи срабатывают при заданной разнице статического и полного давления, создаваемого напором встречного воздуха при заданной скорости носителя. Сигналы датчиков вызывают включения или отключения электрических цепей в блоке автоматики. Ядерная боевая часть крылатой противокорабельной ракеты. Вид со стороны блока автоматики. Но если ракета не достигла контрольной высоты или не развила контрольную скорость, то блок автоматики не отключит эту ступень предохранения. И заряд не взорвется, как бы дальше ни развивалась история нештатного полета и падения ракеты. Похоже действуют гидроприборы, если носителем ядерного заряда является торпеда. Гидростатические приборы реагируют на заданное статическое давление морской воды, гидродинамические датчики измеряют перепад полного и статического давлений воды при движении торпеды. Есть и группы приборов, не связанных со средой, подобно скрытым в теле человека мышечным рецепторам. Это датчики линейных ускорений и инерционные включатели, которые включают или выключают электрические цепи блока автоматики при контрольных значениях перегрузки по трем осям.
Газоохлаждаемый реактор. В таком реакторе теплота, выделяющаяся в процессе деления, переносится в парогенератор газом — диоксидом углерода или гелием. Замедлителем нейтронов обычно служит графит. Газоохлаждаемый реактор может работать при гораздо более высоких температурах, нежели реактор с жидким теплоносителем, а потому пригоден для системы промышленного теплоснабжения и для электростанций с высоким кпд. Небольшие газоохлаждаемые реакторы отличаются повышенной безопасностью в работе, в частности отсутствием риска расплавления реактора. Гомогенные реакторы. В активной зоне гомогенных реакторов используется однородная жидкость, содержащая делящийся изотоп урана. Жидкость обычно представляет собой расплавленное соединение урана. Она закачивается в большой сферический сосуд, работающий под давлением, где в критической массе происходит цепная реакция деления. Затем жидкость подается в парогенератор. Гомогенные реакторы не получили распространения из-за конструктивных и технологических трудностей. 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.
Не все делящиеся изотопы могут поддерживать цепную реакцию. Например, 238U, самая распространенная форма урана, расщепляется, но не расщепляется: он подвергается индуцированному делению при столкновении с энергичным нейтроном с кинетической энергией более 1 МэВ. Но слишком мало нейтронов, производимых 238Деление урана достаточно энергично, чтобы вызвать дальнейшее деление в 238U, поэтому цепная реакция с этим изотопом невозможна. Вместо этого бомбардировка 238U с медленными нейтронами заставляет его поглощать их становясь 239U и распад бета-излучением до 239Np, который затем снова распадается тем же процессом до 239Pu; этот процесс используется для производства 239Pu в реакторах-размножителях, но не участвует в цепной нейтронной реакции. Делящиеся, неделящиеся изотопы могут использоваться в качестве источника энергии деления даже без цепной реакции. Бомбардировка 238U с быстрыми нейтронами вызывает деление, высвобождая энергию, пока присутствует внешний источник нейтронов. Этот эффект используется для увеличения энергии, выделяемой современным термоядерным оружием, путем покрытия оружия оболочкой. Реакторы деления Реакторы критического деления являются наиболее распространенным типом ядерных реакторов. В критическом реакторе деления нейтроны, образующиеся при делении атомов топлива, используются, чтобы вызвать еще большее количество делений, чтобы поддерживать контролируемое количество высвобождения энергии. Устройства, которые производят спроектированные, но несамостоятельные реакции деления, являются подкритические реакторы деления. Такие устройства используют радиоактивный распад или ускорители частиц для запуска деления. Критические реакторы деления строятся для трех основных целей, которые обычно предполагают различные инженерные компромиссы, чтобы использовать либо тепло, либо нейтроны, производимые цепной реакцией деления: Энергетические реакторы предназначены для производства тепла для ядерной энергетики либо в составе генерирующей станции, либо в местной энергосистеме, например, на атомной подводной лодке. Реакторы-размножители предназначены для массового производства ядерного топлива из более распространенных изотопов. Более известный реактор-размножитель на быстрых нейтронах делает 239Pu ядерное топливо из очень богатых в природе 238U не ядерное топливо. Тепловые реакторы-размножители, ранее испытанные с использованием 232Че продолжают изучать и развивать. Хотя, в принципе, все реакторы деления могут работать на всех трех уровнях мощности, на практике задачи приводят к противоречивым инженерным целям, и большинство реакторов было построено с учетом только одной из вышеперечисленных задач. Есть несколько ранних контрпримеров, таких как реактор Hanford N, который в настоящее время выведен из эксплуатации. Энергетические реакторы обычно преобразуют кинетическую энергию продуктов деления в тепло, которое используется для нагрева рабочей жидкости и привода теплового двигателя, который генерирует механические или механические свойства. В паровой турбине рабочим телом обычно является вода, но в некоторых конструкциях используются другие материалы, например, газообразный гелий. Исследовательские реакторы производят нейтроны, которые используются по-разному, при этом теплота деления рассматривается как неизбежный продукт отходов. Реакторы-размножители представляют собой специализированную форму исследовательских реакторов с оговоркой, что облучаемый образец обычно является самим топливом, смесью 238U и 235U. Бомбы деления Один класс ядерного оружия, бомба деления не путать с термоядерная бомба , иначе известный как Атомная бомба или атомная бомба, представляет собой реактор деления, предназначенный для высвобождения как можно большего количества энергии как можно быстрее, прежде чем высвободившаяся энергия вызовет взрыв реактора и остановку цепной реакции. Разработка ядерного оружия была мотивацией ранних исследований ядерного деления: Манхэттенский проект американских вооруженных сил во время Второй мировой войны выполнил большую часть ранних научных работ по цепным реакциям деления, кульминацией которых стали бомбы Little Boy, Fat Man и Trinity, которые были взорваны над полигонами в городах Хиросима и Нагасаки, Япония, в августе 1945 года. Даже первые бомбы деления были в тысячи раз более взрывоопасными, чем сопоставимая масса химического взрывчатого вещества. Например, Маленький Мальчик весил в общей сложности около четырех тонн из которых 60 кг составляло ядерное топливо и имел длину 11 футов; он также привел к взрыву, эквивалентному примерно 15 000 тонн тротила, разрушив большую часть города Хиросима. Хотя фундаментальная физика цепной реакции деления в ядерном оружии аналогична физике управляемого ядерного реактора, эти два типа устройств должны быть спроектированы совершенно по-разному. Было бы чрезвычайно сложно преобразовать ядерный реактор, чтобы вызвать настоящий ядерный взрыв хотя имели место частичные расплавления топлива и паровые взрывы , и так же трудно извлечь полезную мощность из ядерного взрывного устройства хотя по крайней мере одна ракетная двигательная установка, проект Орион , предназначался для работы путем взрыва бомб делящегося ядерного реактора за массивно обшитым автомобилем. Стратегическое значение ядерного оружия - основная причина, по которой технология ядерного деления является политически чувствительной. Жизнеспособные конструкции бомбы деления находятся в пределах возможностей одаренных студентов см. Джона Аристотеля Филлипса , будучи невероятно простыми, но ядерное топливо для реализации этой конструкции, как считается, трудно получить, поскольку оно является редким см. Обогащение урана и ядерный топливный цикл. История В 1919 году Эрнест Резерфорд стал первым человеком, который сознательно разделил атом, бомбардируя азот естественными альфа-частицами из радиоактивного материала и наблюдая за протоном, испускаемым с энергией выше, чем альфа-частица. В 1932 году Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон, работая под руководством Резерфорда, сначала полностью искусственно расщепили ядро, используя ускоритель частиц для бомбардировки лития протонами, в результате чего образовались две альфа-частицы. Впервые изученные Энрико Ферми и его коллегами в 1934 году, они не получили должного толкования лишь несколько лет спустя. Мейтнер, австрийская еврейка, потеряла гражданство в результате аншлюса в 1938 году. Она сбежала и оказалась в Швеции, но продолжала сотрудничать по почте и через встречи с Ханом в Швеции.
Деление атома может дать миру необыкновенную власть
Градирни атомной электростанции во Франции С течением времени совершенствование технологий позволило повысить эффективность и безопасность, в некоторых случаях отказаться от замедления нейтронов, чтобы расщепляющийся материал мог захватывать более быстрые частицы. Сегодня в мире эксплуатируется около 440 атомных электростанций, из них только в США - около 100. Однако существуют издержки, которые могут ограничить возможности использования атомной энергии для спасения от климатического кризиса. В чём проблема ядерной энергетики? Когда речь идёт о поиске экономически эффективных альтернатив ископаемому топливу с низким выбросом парниковых газов, есть варианты и похуже, чем атомная энергетика. Важно отметить, что есть варианты и получше - современные технологии возобновляемой энергетики, такие как солнечная и ветровая, которые с каждым годом становятся все дешевле.
Проблемы атомной энергетики делятся на три категории - отходы, риск и стоимость. Приведём примеры каждой из них. Отходы Одна из самых больших озабоченностей общественности по поводу атомной энергетики в последние десятилетия связана с тем, что делать с урановым топливом после того, как оно настолько насытится делящимися продуктами, что перестанет быть эффективным для производства энергии. Высокоактивные отходы содержат изотопы, радиоактивность которых может снизиться за тысячи лет до уровня, примерно соответствующего уровню радиоактивности руды, из которой они были получены. В настоящее время в мире хранится более четверти миллиона тонн высокорадиоактивных отходов, ожидающих захоронения или переработки.
Так ли это плохо? Хотя хранящиеся ядерные отходы не представляют непосредственной угрозы, если они хорошо изолированы, вопросы долгосрочного обращения с ними, а также возможность неправильного обращения и несчастных случаев делают хранение растущего количества ядерных отходов неоднозначной проблемой. Массивные контейнеры хранят отработанное ядерное топливо в надёжных и безопасных сухих хранилищах Одним из видов отходов можно считать и выбросы углерода. Хотя процесс деления и преобразования ядерной энергии в электричество относительно свободен от выбросов углерода, общий бюджет углерода, связанный с добычей и переработкой руды, необходимой для деления, и строительством конкретной электростанции, не равен нулю. По некоторым оценкам , этот показатель значительно выше - от 10 до 130 граммов CO2 в отдельных случаях.
Например, такому распаду подвержен изотоп плутония 240Pu, в отличие от 239Pu с меньшей скоростью деления. Для этого необходимо иметь определенное минимальное количество делящегося изотопа, который будет поддерживать реакцию. Это количество называют критической массой.
Чтобы достичь критической массы и повысить вероятность распада, требуется достаточное количество исходного материала. Поскольку в свободном виде субатомные частицы встречаются довольно редко, часто необходимо отделить их от атомов, содержащих эти частицы. Один из способов сделать это заключается в том, чтобы выстрелить одним атомом изотопа по другому такому же атому.
Похожее на пушку орудие с урановым сердечником выстреливало атомы 235U в мишень из таких же атомов 235U.
Давайте погрузимся в детали этого удивительного явления. Этот процесс сопровождается выделением большого количества энергии.
Его противоположностью является ядерный синтез, когда два легких атома объединяются, образуя более тяжелый атом. В процессе деления выделяются нейтроны. Этот процесс сопровождается выделением огромного количества энергии.
В ходе этого процесса происходит выделение большого количества энергии за счет расщепления более тяжелых нестабильных атомов на два атома меньшего размера, что приводит к началу цепной ядерной реакции деления. Когда нейтрон попадает в ядро делящегося атома, например, урана-235, атом урана расщепляется на два более мелких атома в дополнение к увеличению количества нейтронов и энергии. Эти избыточные нейтроны, ударяясь о ядра других атомов урана-235, могут запустить цепную реакцию деления, что приводит к атомному взрыву.
Атомные бомбы основаны на реакции деления ядер, однако важно отметить, что для цепной реакции деления требуется определенное количество делящегося материала, такого как уран-235, известное как сверхкритическая масса. Слияние атомов: ядерный синтез В водородных бомбах используется комбинация деления и синтеза, причем ядерный синтез усиливает реакцию деления и позволяет получить гораздо более мощный взрыв по сравнению с атомными бомбами. Процесс ядерного синтеза, по сути, противоположен процессу деления: вместо того чтобы расщеплять более тяжелые атомы на более мелкие, он происходит путем объединения двух атомов с образованием третьего нестабильного атома.
Именно этот процесс является источником энергии Солнца. При ядерном синтезе в основном используются изотопы более легких элементов, например, два изотопа водорода - дейтерий и тритий. Под действием высокой температуры и давления эти два атома соединяются друг с другом, образуя крайне нестабильный изотоп гелия, при этом выделяется энергия и нейтроны.
Высвобождающиеся нейтроны подпитывают реакцию деления более тяжелых атомов, таких как уран-235, создавая взрывную цепную реакцию.
Что такое ядерное деление и как оно происходит
Они продолжают распадаться, выделяя дополнительную энергию. Значение ядерного деления Ядерное деление имеет огромное значение в различных областях. Это основа для работы ядерных реакторов и атомных бомб, а также используется в медицинских и научных целях. Москва, Большой Саввинский пер. II; Адрес редакции: 119435, г.
Уже в январе 1939 года группа ученых, в числе которых был и Ферми, провела первую такую реакцию в США. Деление ядра атома проводили путем облучения тяжелых элементов нейтронами. Ученые знали, что цепная реакция возможна, если при делении выделяется больше нейтронов, чем поглощается. Такая реакция протекает с выделением большого количества энергии. Вот поиском способа провести самоподдерживающуюся цепную реакцию и занялись Ферми и его коллеги. Через пару лет они смогли перейти от теоретической проработки к экспериментам. Однако для этого нужно было построить ядерный реактор.
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.
Это похоже на процесс ядерной реакции, когда одно ядро атома разделяется на две и более лёгкие части под влиянием нейтронов. Их называют осколками деления. Каждая костяшка — атом ядра. Осколки от первой реакции сталкиваются со вторым атомом, а второй — с третьим, вызывая деление.
Процесс продолжается, и «костяшки домино» передают энергию друг другу, вызывая цепную реакцию. Осколками могут быть разные элементарные частицы — протоны, нейтроны и прочие — и ядра других элементов. Точный набор зависит от материала. Когда делится уран-235, который используется в ядерных реакторах, образуются барий, криптон и несколько нейтронов. Схема деления урана-235 Это взаимодействие приводит к непрерывному делению или синтезу ядер. Когда атом разделяется на две и более части, это называется ядерным делением. Синтез — иной процесс, когда легкие атомы сливаются в один более тяжёлый при сверхвысокой температуре.
В обоих случаях освобождается энергия в виде тепла и света. Выделенные в процессе деления тепло и свет используются используют в ядерных реакторах для производства электричества. Атомный феникс для вечного двигателя Синтез обычно происходит в звёздах: Солнце и другие небесные тела питаются светом и теплом, чтобы поддержать свою жизнь. Для этого земляне создали термоядерные реакторы. В этих установках происходит синтез атомов при высокой температуре и давлении. Идея термоядерных реакторов простая — это перспективный источник энергии. Пока цели не достигли — термоядерные реакторы потребляют больше энергии, чем производят.
Крупнейший проект в этой области — Международный экспериментальный термоядерный реактор, или ИТЭР, расположенный во Франции. Нейтроны — герои реактора Атом состоит из трёх основных элементов: электронов, протонов и нейтронов. Электроны — это маленькие частицы, которые вращаются вокруг ядра атома.
Деление атома: перспективы международного рынка атомной энергетики
Сегодня физике известно о десятках элементарных частиц, но посмотрев в школьные или университетские учебники вы узнаете только о четырёх: протоне, нейтроне, электроне и фотоне. Атомная матрёшка Краткое видео о видах элементарных частиц Атом намного сложнее, чем предполагали ранее. Ядро атома, если это не водород, состоит из набора протонов и нейтронов. Однако они отличаются лишь зарядом и небольшим различием массы, что позволило отнести их к одному классу нуклонов. В 1970 г. 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.
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.
Малогабаритный блок автоматики БА40 массой 12,6 кг. Духова Его выдает генератор подрывного импульса тока — сложное устройство из многих элементов. Это специальные высоковольтные конденсаторы очень большой емкости, коммутирующие импульсные разрядники, мощный транзистор и высоковольтный выпрямительный столб, дополняемые высоковольтными соединительными элементами. Помимо компактности, в силу быстроты и большой мощности импульса возникает требование малоиндуктивности к генератору и его элементам, выполняемое специальными конструктивными и техническими решениями. После выдачи подрывного импульса тока включается электрическая линия задержки. Она откладывает выдачу импульса нейтронов до нужного момента времени, когда ядерный материал в ходе имплозии перейдет в сверхкритическое состояние с заданной величиной эффективного коэффициента размножения нейтронов.
Углеродный след солнечных и ветряных электростанций более или менее сопоставим с нижним пределом для атомной энергетики.
В целом, атомная энергетика в лучшем случае не содержит столько же углерода, сколько солнечная и ветровая, хотя и связана с непопулярной проблемой отходов. Риск Прошло более трех десятилетий с тех пор, как советская Украина дала миру представление о том, как может выглядеть наихудший сценарий ядерной аварии. Чернобыльская АЭС, расплавившаяся во время технических испытаний в 1986 году, превратилась в радиоактивные руины на фоне отравленного радиоактивными осадками ландшафта. В 2011 году после землетрясения на японской АЭС "Фукусима" также произошла авария. Подобные разрушительные события достаточно редки для того, чтобы о них можно было писать в шокирующих заголовках. Однако, по некоторым оценкам, такие аварии могут происходить раз в 10-20 лет, что чревато распространением радиоактивных веществ на сотни и даже тысячи километров. Насколько это может быть опасно?
Трудно сказать, это зависит от множества факторов, связанных с плотностью населения, степенью облучения и концентрацией изотопов. По данным Всемирной организации здравоохранения, "перемещенное население Фукусимы страдает от психосоциальных и психических последствий переезда, разрыва социальных связей людей, потерявших жилье и работу, разрыва семейных связей и стигматизации". Иными словами, речь идет не только о риске радиоактивного излучения, о котором мы должны беспокоиться. Тем не менее, привыкнув к воздействию сжигания ископаемого топлива на здоровье человека, мы мало задумываемся о влиянии на него твердых частиц, образующихся при сжигании угля, который сам по себе тоже не совсем свободен от радиоактивных веществ. Стоимость Для сравнения затрат на производство электроэнергии исследователи используют так называемую выровненную стоимость энергии, или LCOE. Это показатель средней себестоимости выработки электроэнергии, рассчитанный на весь срок службы объекта. Этот показатель зависит от множества факторов, связанных с местоположением и колебаниями ресурсов.
Тем не менее, можно получить общее представление о LCOE в мире для сравнения технологий. Могут ли атомные электростанции спасти мир?
Обычной практикой было направить катодные лучи на различные вещества и посмотреть, что происходит. Вильгельм Рентген имел экран, покрытый барием платиноцианидом , который флуоресцирует при воздействии катодных лучей. Вскоре он убедился, что открыл новый тип лучей, которые сегодня называются рентгеновскими лучами. В следующем году Анри Беккерель экспериментировал с флуоресцентными солями урана и задавался вопросом, могут ли они тоже давать рентгеновские лучи.
Таблица Менделеева примерно 1930 Отличие от открытия Рентгена, которое вызвало всеобщее любопытство ученых, так и простых людей из-за способностей Рентгеновские лучи, чтобы сделать видимыми кости в человеческом теле, открытие Беккереля В то время не имело большого влияния, и сам Беккерель вскоре перешел к другим исследованиям, Мария Кюри проверила образцы такого же количества элементов и минералов, как и она. Она дала этому явлению название «радиоактивность». Это указывало на наличие радиоактивных элементов. Один был химически близок к вису , но радиоактивен, и в июле 1898 года они опубликовали статью, в которой пришли к выводу, что это новый элемент, который они назвали « полоний ». Другой был химически похож на барий, и в статье, опубликованной в декабре 1898 года, они объявили об открытии второго до сих пор неизвестного элемента, который они назвали « радий ». Другое дело - убедить научное сообщество.
Отделить радий от бария в руде оказалось очень сложно. Им так и потребовалось три года, чтобы потребовать десятую грамма хлорида радия , и им так и не удалось удержать полоний. В 1898 году Эрнест Резерфорд отметил что торий выделял радиоактивный газ. Впечатление Польр открыл третий тип излучения Беккереля, который, следуя схеме, был назван « гамма-лучами », и Кюри отметил, что радий также производит радиоактивный газ. Идентификация газа химически оказалась разочаровывающей; Резерфорд и Фредерик Содди представ, что он инертен, как и аргон. Позже он стал известен как радон.
Резерфорд идентифицировал бета-лучи как катодные лучи электроны и выдвинул гипотезу - и в 1909 году Томас Ройдс доказал, что альфа-частицы являются ядрами гелия. Наблюдая за радиоактивным распадом элементов, Резерфорд и Содди классифицировали радиоактивные продукты в соответствии с их характерными особенностями распада, принцип периода основного полураспада. В 1903 году Содди и Маргарет Тодд применили термин « изотоп » к атомам, которые были химически и спектроскопически неразличимы, но имели разные периоды полураспада радиоактивных веществ. Нильс Бор улучшил это в 1913 году, согласовав его с квантовым поведением электронов модель Бора. Протактиний Цепочка распада актиния. Альфа-распад сдвигает два элемента вниз; бета-распад сдвигает один элемент вверх.
Содди и Казимир Фаянс независимо друг от друга наблюдали в 1913 году, что альфа-распад заставил атомы сместиться В результате реорганизации периодической таблицы радий был помещен в группу II, актиний в группе вернула его в исходное положение в периодической таблице , в то время как потеря двух бета-частиц вернула его в исходное положение. Содди предсказал, что этот неизвестный элемент, на котором он назван после Дмитрий Менделеев , как «экатанталий», будет тем, что он назвал III, торий в группе IV и уран в группе VI. Вскоре Фаянс и Освальд Гельмут Геринг известру его как проду кт распа да бета-испу скающего продукта тория. Основываясь на законе радиоактивного вытеснения Фаянса и Содди , это был изотоп недостающего элемента, который они назвали «бревиум» в честь его короткого периода полураспада. Однако это был бета-излучатель и поэтому не мог быть материнским изотопом актиния. Это должен быть другой изотоп.
Отто Хан окончил Марбургский университет по специальности химик-органик, но работал исследователем после докторской степени в Университетском колледже Лондона под руководством сэра Уильяма Рамзи и Резерфорд в Университета Макгилла , где он изучал радиоактивные изотопы. В 1906 году он вернулся в Германию, где стал ассистентом Эмиля Фишера в Берлинском университете. В МакГилл он использовал систему сотрудничать с физиком, поэтому он объединился с Лиз Мейтнер , которая получила докторскую степень в Венском университете в 1906 году, переехала в Берлин для изучения физики у Макса Планка в Университета Фридриха Вильгельма. Мейтнер нашла Хана, который был ее ровесником, менее устрашающим, чем старшие и более выдающиеся коллеги. Хан и Мейтнер переехали в недавно созданный Институт химии кайзера Вильгельма в 1913 году и к 1920 году стали руководителями своих собственных лабораторий там со своими студентами, исследовательскими программами и оборудованием. Новые лаборатории открывали новые возможности, поскольку были загрязнены радиоактивными веществами, чтобы исследовать слабо радиоактивные вещества.
Они разработали новую технику отделения тантала от урановой обманки, которая, как они надеялись, ускорит выделение нового изотопа. Хан был в немецкую армию, а Мейтнер добровольцем рентгенологом в госпиталях австрийской армии. Она вернулась в Институт кайзера Вильгельма в октябре 1916 года, когда были призваны не только Хан, но и большинство студентов, лаборантов и техников. Поэтому Мейтнер пришлось делать все сама, и Хан, когда он вернулся домой в отпуск, лишь ненадолго помогал. К декабрю 1917 года ей действительно удалось доказать, что это отсутствующий изотоп.