Ведь деление ядер поистине поразительное явление: оносопровождается сильной радио-активностью, а полная ионизация от осколков деления превосходит в десятки раз ионизацию.
Цепная ядерная реакция: что это за процесс, виды цепных ядерных реакций
Тамм, а также некоторые зарубежные ученые предложили использовать для удержания плазмы сильные магнитные поля. Если начальная скорость параллельна магнитному полю, частица движется свободно по инерции вдоль линии магнитного поля, так как в этом случае сила Лоренца равна нулю. В общем случае, когда начальная скорость направлена произвольно, имеет место сложение прямолинейного и кругового движений — частица описывает винтовую траекторию, навивающуюся на линию магнитного поля рис. Такой характер движения сохраняется в неоднородном магнитном поле, если на расстоянии порядка шага «винта» направление магнитной индукции поля изменяется незначительно рис. Частица оказывается как бы привязанной к линии поля — она удерживается на постоянном расстоянии от нее, равном радиусу спирали. Радиус спирали прямо пропорционален скорости частицы и обратно пропорционален магнитной индукции см. В реальной плазме на движение частиц влияют соударения между ними Ии внутренние электрические и магнитные пол плазмы они всегда имеются, так как плазма состоит из заряженных частиц. Ввиду этого рассмотрение действия внешнего магнитного поля на движение частиц плазмы оказывается очень сложным. Основная особенность, однако, остается— магнитное поле, искривляя траектории частиц, очень сильно затрудняет их движение в направлении, перпендикулярной к линиям внешнего магнитного поля. Эта особенность и используется для удержания изоляции плазмы.
Магнитное поле используется также и для нагрева плазмы: при изменении магнитной индукции возникает э. К настоящему времени физики научились нагревать плазму, правда весьма разреженную, до температуры сто миллионов градусов и удерживать ее в таком состоянии в течение сотых долей секунды. Эти успехи позволяют надеяться, что на описанном пути удастся в конечном счете осуществить управляемую, а не взрывную, как в водородной бомбе, термоядерную реакцию. При взрыве атомной и водородной бомбы в добавление к эффектам, характерным для любого мощного взрыва, испускается еще много нейтронов и -излучение, а также образуется большое количество радиоактивных веществ.
Понять детально данный принцип помогло расщепление ядер. Учёные взяли два радиоактивных элемента Торий-232 и Уран-238. Учёные знали, что ядра элементов при расщеплении удлиняются и образуют «шейку», которая в свою очередь тоже удлиняется и расщепляется. Специалистов волновал только один вопрос: вращение начинается до или после разрыва так называемой «шейки»? Проведя определённое опыты физики выяснили, что вращение атомных ядер начинается именно после разрыва «шейки».
Для обеспечения заданного уровня мощности используются управляющие стержни и отражатели нейтронов, но задачу управления можно значительно упростить правильным расчетом реактора. Например, если реактор спроектировать так, чтобы при увеличении мощности или температуры реактивность уменьшалась, то он будет более устойчивым. Например, при недостаточном замедлении из-за повышения температуры расширяется вода в реакторе, то есть уменьшается плотность замедлителя. В результате усиливается поглощение нейтронов в уране-238, поскольку они не успевают эффективно замедлиться. В некоторых реакторах используется фактор увеличения утечки нейтронов из реактора вследствие уменьшения плотности воды. Еще один способ стабилизации реактора основан на нагревании «резонансного поглотителя нейтронов», такого, как уран-238, который тогда сильнее поглощает нейтроны. Системы безопасности. Безопасность реактора обеспечивается тем или иным механизмом его остановки в случае резкого увеличения мощности. Это может быть механизм физического процесса или действие системы управления и защиты, либо то и другое. При проектировании водо-водяных реакторов предусматриваются аварийные ситуации, связанные с поступлением холодной воды в реактор, падением расхода теплоносителя и слишком большой реактивностью при пуске. Поскольку интенсивность реакции возрастает с понижением температуры, при резком поступлении в реактор холодной воды повышаются реактивность и мощность. В системе защиты обычно предусматривается автоматическая блокировка, предотвращающая поступление холодной воды. При снижении расхода теплоносителя реактор перегревается, даже если его мощность не увеличивается. В таких случаях необходим автоматический останов. Кроме того, насосы теплоносителя должны быть рассчитаны на подачу охлаждающего теплоносителя, необходимую для остановки реактора. Аварийная ситуация может возникнуть при пуске реактора со слишком высокой реактивностью. Из-за низкого уровня мощности реактор не успевает нагреться настолько, чтобы сработала защита по температуре, пока не оказывается слишком поздно. Единственная надежная мера в таких случаях — осторожный пуск реактора. Избежать перечисленных аварийных ситуаций довольно просто, если руководствоваться следующим правилом: все действия, способные увеличить реактивность системы, должны выполняться осторожно и медленно. Самое важное в вопросе о безопасности реактора — это абсолютная необходимость длительного охлаждения активной зоны реактора после прекращения в нем реакции деления. Дело в том, что радиоактивные продукты деления, остающиеся в топливных кассетах, выделяют тепло. Оно гораздо меньше тепла, выделяющегося в режиме полной мощности, но его достаточно, чтобы в отсутствие необходимого охлаждения расплавить твэлы. Кратковременное прекращение подачи охлаждающей воды привело к значительному повреждению активной зоны и аварии реактора в Три-Майл-Айленде США. Разрушение активной зоны реактора — это минимальный ущерб в случае подобной аварии. Хуже, если произойдет утечка опасных радиоактивных изотопов. Большинство промышленных реакторов снабжено герметическими страховочными корпусами, которые должны в случае аварии предотвратить выброс изотопов в окружающую среду. В заключение отметим, что возможность разрушения реактора в значительной степени зависит от его схемы и конструкции.
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. Однако, по некоторым оценкам , такие аварии могут происходить раз в 10-20 лет, что в каждом случае 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, «перемещённое население Фукусимы страдает от психосоциальных и психических последствий переезда, разрыва социальных связей людей, потерявших жильё и работу, разрыва семейных связей и стигматизации». Иными словами, речь идёт не только о риске радиоактивности, о котором нам следует беспокоиться. Тем не менее, привыкнув к воздействию сжигания ископаемого топлива на здоровье человека, мы мало задумываемся о влиянии на него твёрдых частиц, образующихся при сжигании угля.
История открытия и строение
- Основы строения атома. Просто о сложном
- Перспективы ядерной энергетики в современном мире / Хабр
- 1.2.2. Деление атомных ядер
- Даня Тылохин
ЯДЕР ДЕЛЕНИЕ
Что нам могут дать элементарные частицы? Главной целью для вкладывания денег в столь масштабную идею - это экспериментально рассмотреть стандартную модель , а в последствии найти её отклонения. Стандартная модель описывает три из четырёх фундаментальных взаимодействия: сильное, слабое и электромагнетизм. Сильное взаимодействие наблюдается в ядрах атомов. Слабое определяет механизм бета-распада. Электромагнетизм определяет взаимодействие заряженных объектов. Завершение стандартной модели связано с открытием бозона Хиггса, ведь без него все частицы не имели бы массы. Без бозона Хиггса не было понятно и отсутствие массы у фотона и глюона, но присутствие её у переносчиков слабого взаимодействия. Теперь же дело за объединением стандартной модели и гравитации, описанной в общей теории относительности Эйнштейном, введении в физику антиматерии, а в последствии и переходу к "новой физике". БАК с этой задачей не справился, поэтому для этого понадобятся коллайдер побольше.
На встрече «100 вопросов ученому», организованной Политехническим музеем, на вопросы детей и их родителей ответил сотрудник Института проблем химической физики РАН Дмитрий Бузунов. Наш корреспондент побывала на лекции в павильоне «Рабочий и колхозница» на ВДНХ и записала самое интересное. Как устроен атом? Атом состоит из плотного ядра положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов, которое окружено облаком отрицательно заряженных электронов. В таблице Менделеева первое место занимает легкий газ водород, его порядковый номер 1. Ядро атома водорода называется «протон», что в переводе с древнегреческого означает «первый, основной». Вокруг ядра атома водорода движется один электрон. Зная порядковый номер любого химического элемента в периодической системе Менделеева, можно представить себе строение атомов.
Следовательно, в ядре атома кислорода восемь протонов, а на электронных оболочках находится восемь электронов. Его атомная масса равна 16. Протонов у кислорода восемь, значит, и нейтронов у него восемь. В таблице Менделеева мы видим, что каждый элемент существует в единичном экземпляре. Может ли быть несколько вариантов кислорода или углерода? Да, есть такое понятие, как изотопы. Если добавить еще один нейтрон, получим атомную массу 17. В природе такие разновидности кислорода встречаются редко, но люди научились их получать.
Изотопы 17 и 18 менее стабильны, чем изотоп 16, а в таблице указаны лишь самые стабильные химические элементы.
Американские ученые заинтересовались этими экспериментами и особенно той энергией, которая выделяется в ходе реакции. 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.
Эти вещества являются хорошими теплоносителями и имеют малые сечения поглощения нейтронов. Лучший из известных замедлителей — тяжелая вода. Ее характеристики близки к характеристикам обычной воды, а сечение поглощения нейтронов — меньше. Натрий является прекрасным теплоносителем, но не эффективен как замедлитель нейтронов. Поэтому его используют в реакторах на быстрых нейтронах, где при делении испускается больше нейтронов. Правда, натрий имеет ряд недостатков: в нем наводится радиоактивность, у него низкая теплоемкость, он химически активен и затвердевает при комнатной температуре. Сплав натрия с калием сходен по свойствам с натрием, но остается жидким при комнатной температуре.
Гелий — прекрасный теплоноситель, но у него мала удельная теплоемкость. Диоксид углерода представляет собой хороший теплоноситель, и он широко применялся в реакторах с графитовым замедлителем. Терфенил имеет то преимущество перед водой, что у него низкое давление паров при рабочей температуре, но он разлагается и полимеризуется под действием высоких температур и радиационных потоков, характерных для реакторов. Тепловыделяющие элементы. Тепловыделяющий элемент твэл представляет собой топливный сердечник с герметичной оболочкой. Оболочка предотвращает утечку продуктов деления и взаимодействие топлива с теплоносителем. Материал оболочки должен слабо поглощать нейтроны и обладать приемлемыми механическими, гидравлическими и теплопроводящими характеристиками.
Тепловыделяющие элементы — это обычно таблетки спеченного оксида урана в трубках из алюминия, циркония или нержавеющей стали; таблетки сплавов урана с цирконием, молибденом и алюминием, покрытые цирконием или алюминием в случае алюминиевого сплава ; таблетки графита с диспергированным карбидом урана, покрытые непроницаемым графитом. Все эти твэлы находят свое применение, но для водо-водяных реакторов наиболее предпочтительны таблетки оксида урана в трубках из нержавеющей стали. Диоксид урана не вступает в реакцию с водой, отличается высокой радиационной стойкостью и характеризуется высокой температурой плавления. Для высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов, по-видимому, весьма подходят графитовые топливные элементы, но у них имеется серьезный недостаток — за счет диффузии или из-за дефектов в графите через их оболочку могут проникать газообразные продукты деления. Органические теплоносители несовместимы с циркониевыми твэлами и поэтому требуют применения алюминиевых сплавов. Перспективы реакторов с органическими теплоносителями зависят от того, будут ли созданы алюминиевые сплавы или изделия порошковой металлургии, которые обладали бы прочностью при рабочих температурах и теплопроводностью, необходимыми для применения ребер, повышающих перенос тепла к теплоносителю. Поскольку теплообмен между топливом и органическим теплоносителем за счет теплопроводности мал, желательно использовать поверхностное кипение для увеличения теплопередачи.
С поверхностным кипением будут связаны новые проблемы, но они должны быть решены, если использование органических теплоносителей окажется выгодным. В большинстве обычных реакторов в качестве теплоносителя используется вода, либо под давлением, либо кипящая. Реактор с водой под давлением. В таких реакторах замедлителем и теплоносителем служит вода. Нагретая вода перекачивается под давлением в теплообменник, где тепло передается воде второго контура, в котором вырабатывается пар, вращающий турбину. Кипящий реактор.
Деление атомного ядра
Иными словами, речь идёт не только о риске радиоактивности, о котором нам следует беспокоиться. Тем не менее, привыкнув к воздействию сжигания ископаемого топлива на здоровье человека, мы мало задумываемся о влиянии на него твёрдых 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 нормированную стоимость энергии , или LCOE [levelized cost of energy]. Это показатель средней себестоимости выработки электроэнергии, рассчитанный на весь срок службы объекта. Этот показатель зависит от множества факторов, связанных с местоположением и колебаниями поставок ресурсов.
Тем не менее, можно получить общее представление о LCOE в мире для сравнения технологий. Могут ли атомные электростанции спасти мир? Конечно, новые технологии всегда могут изменить ситуацию. Поиск лучших способов улавливания ядерных отходов может сделать их более безопасными или, по крайней мере, дать общественности уверенность в том, что в будущем они будут представлять меньшую угрозу. Альтернативы изотопам урана могут снять тревогу по поводу расплавов и возможности создания оружия в ядерных программах.
Изменение технологий может повлиять на масштабы реакторов или даже полностью повысить их LCOE. Но, скорее всего , для этого будет уже слишком поздно. Анализ внедрения атомной и возобновляемой энергетики в более чем ста странах за последние 25 лет показал, что атомная энергетика не достигла таких же результатов по снижению выбросов углерода, как возобновляемая. Более того, инвестиции в атомную энергетику - это невозвратные затраты, которые затрудняют последующий переход на возобновляемые источники энергии. Всё это не означает, что ядерной энергетике нет места в будущем производстве энергии.
Инициирующие импульсы тока должны прийти на все взрыватели синхронно. Вторую задачу решает специальное устройство, дающее большой импульс нейтронов для запуска цепной реакции сразу в большом масштабе. Оно так и называется — импульсный нейтронный источник, или импульсный нейтронный инициатор. Для ядерного заряда это синонимы, ведь нейтронный импульс инициирует взрыв. Первые нейтронные источники были несовершенны, хотя и запускали ядерный взрыв. Позже они стали ускорителями, создающими ядерную реакцию слияния ядер дейтерия и трития с выходом большого количества нейтронов. Да, мы привыкли, что для взрыва водородной бомбы используется «ядерный запал». И, как это ни парадоксально, для «запала» ядерного заряда используют реакцию водородного синтеза. Блок автоматики — дирижер и исполнитель взрыва Без очень точно отмеренных и быстро проведенных действий не достичь энерговыделения уровня десятков килотонн.
Единым дирижером и исполнителем каскада событий выступает блок автоматики заряда. И описанное выше — лишь часть его большой работы. Блок автоматики — это отдельная конструкция, плотно насыщенная механическими, электрическими и электронными устройствами, соединенными между собой. Устройства объединяются в модули, это упрощает сборку и контроль отдельных подсистем. Блок автоматики расположен всегда вплотную к ядерной сборке, связан с нею кабельной сетью и объединен в ядерное взрывное устройство. Это не всегда ядерный боеприпас, например в СССР использовалось много ядерных взрывных устройств в интересах народного хозяйства. Первый блок автоматики БА4 с импульсным нейтронным инициированием, серийное производство 1955 год. Духова Внешне блок автоматики выглядел небольшой бочкой в ранних конструкциях, позже как большая кастрюля или коробка, и может иметь разный вид, размеры и массу. Первые блоки автоматики весили почти центнер; позже вес снизился до 30 килограммов и продолжил уменьшаться вместе с габаритами.
Применяются и унифицированные блоки автоматики, и специально созданные под конкретный заряд. Работа любого блока автоматики строится на двух базовых принципах: надежность движения к взрыву и контроль над процессом Эти два принципа реализуются в виде действий, этапов и алгоритмов, выполняемых подсистемами блока автоматики. Они поддерживают много уровней предохранения, переводят заряд в состояния все большей готовности к взрыву, вырабатывают главную команду на подрыв и производят сложный взрыв заряда. Система подрыва и нейтронного инициирования Как мы говорили, подрыв заряда начинается с перевода ядерной сборки в сверхкритическое состояние. Оно достигается ростом компактности ядерного материала: совмещением разделенных частей делящегося вещества в один блок, либо переводом тонкого полого эллипсоида переменной толщины в компактное тело, как в боеголовке W-88. Или сближением атомов ядерного материала с ростом его плотности, через обжатие взрывом имплозией , с подрывом наружных блоков взрывчатки. Их детонация запускается сразу в нескольких местах от 2 до 32 в разных схемах взрывателями, срабатывающими в высокой степени синхронно. Для запуска детонаторов подается высоковольтный импульс тока через систему кабелей. Почему высоковольтный?
Детонаторы не должны реагировать на статическое электричество и наводки в кабелях. Поэтому у специальных детонаторов имплозионной системы нет чувствительного инициирующего взрывчатого вещества азида свинца , запускающего детонацию вторичного взрывчатого вещества, для выхода ее фронта из взрывателя в блок основной взрывчатки. Отсутствие инициирующего вещества делает спецдетонатор намного безопаснее, но требует для срабатывания на порядок большей энергии. Она и доставляется мощным высоковольтным импульсом тока, равномерно распределяемого между детонаторами. Малогабаритный блок автоматики БА40 массой 12,6 кг. Духова Его выдает генератор подрывного импульса тока — сложное устройство из многих элементов.
Радиация является неизбежной частью жизни на нашей планете. Ключевой фактор в понимании того, почему хранилища ядерных отходов не представляют угрозы для здоровья, связан с количеством материалов, которые были бы обнаружены в окружающей среде в случае утечки.
Читайте также: Эффект Вавилова-Черенкова: что нужно знать? Учитывая, что радиоактивные отходы долговечны, зараженная одежда и инструменты могут оставаться радиоактивными на протяжении тысяч лет. Первая атомная электростанция была запущена в 1954 году в районе города Обнинск Московской области. Всего исследователи выделяют три типа ядерных отходов, классифицируемых в соответствии с их радиоактивностью: низкий, средний и высокий уровни. Не пропустите: Как работает АЭС? Опасны ли атомные станции? Утилизация ядерных отходов В мире существуют две основные стратегии обращения с отходами: некоторые страны десятилетиями перерабатывают отработанное ядерное топливо; другие выбирают прямую утилизацию об этом ниже. По сути, это стратегическое решение, принятое на национальном уровне и в основном обусловленное политическими и экономическими, а также технологическими соображениями.
В отличие от любой другой отрасли, производящей энергию, ядерный сектор берет на себя полную ответственность за утилизацию отходов. Так как ядерное топливо энергоемко, для производства огромного количества электроэнергии требуется его небольшой расход. Ядерный реактор — установка, в которой осуществляется самоподдерживающаяся управляемая цепная ядерная реакция деления. Интересный факт Типичный ядерный реактор использует около 200 тонн урана каждый год.
Просто так распадаются многие атомы радиоактивность. При этом энергия выделяется, но крайне немного. Впрочем, на изотопные источники питания её иногда хватает. А таких атомов раз-два - и обчёлся - это прежде всего уран-325 и плутоний-239.
1.2.2. Деление атомных ядер
Атом цезия с помощью света лазера был охлажден до температуры в одну десятую одной миллионной доли градуса выше абсолютного нуля. Охлажденный атом затем удерживался в оптической ловушке луча света другого лазера. Известно, что ядро атома моет вращаться в одном из двух направлений, в зависимости от направления вращения свет лазера толкает ядро вправо или влево. Но, при этом, атом все еще является целым объектом" - рассказывает ученый-физик Андреас Штеффен. Таким образом, ядро атома, части которого вращаются в противоположных направлениях, может быть расколото лучом лазера на две части и эти части атома могут быть разнесены на значительное расстояние, что и удалось реализовать ученым в ходе своего эксперимента.
Ученые утверждают, что используя подобный метод, можно создавать так называемые "квантовые мосты", являющиеся проводниками квантовой информации.
Увиденное произвело на Карима Масимова огромное впечатление. Предприятие понравилось. Россия в настоящее время, несомненно, является мировым лидером в производстве услуг по обогащению урана, и интерес к такого рода предприятию, как АЭХК, очень высок.
Майтнер и О. Вскоре Ф. Жолио-Кюри с сотрудниками и одновременно Э. Ферми с сотрудниками обнаружили, что при делении испускается несколько нейтронов т.
Это послужило основой для выдвижения идеи самоподдерживающейся ядерной цепной реакции и использования деления атомного ядра в качестве источника энергии. В 1939 г. Бором и Дж.
Теория деления ядер В рамках капельной модели ядра атомное ядро рассматривается как капля равномерно заряженной несжимаемой жидкости. На нуклоны действуют уравновешивающие друг друга ядерные силы притяжения и электростатические силы отталкивания между протонами , стремящиеся разорвать ядро. В процессе деления ядро изменяет форму: из сферического оно деформируется в вытянутый эллипсоид, затем на экваторе эллипсоида образуется перетяжка. Возникает гантелеобразная фигура, и когда перетяжка рвётся, образуются осколки деления.
Деформация ядра при делении сопровождается увеличением его поверхности; при этом, как и в жидкой капле, силы поверхностного натяжения возрастают, препятствуя дальнейшей деформации ядра. Конкуренция сил поверхностного натяжения и кулоновских сил в капельной модели определяется параметром делимости, который пропорционален Z.
Понятие радиоактивности. Виды распада
Так, в делении 235U тепловыми нейтронами выделяют три моды [20] [21]. Каждая мода деления характеризуется своими значениями асимметрии масс осколков деления и их полной кинетической энергии. Стадии процесса деления[ править править код ] Условное схематическое изображение стадий процесса деления r — расстояние между образовавшимися ядрами, t — время протекания стадий Деление начинается с образования составного ядра. Часть энергии деления переходит в энергию возбуждения осколков деления, которые ведут себя как любые возбуждённые ядра — либо переходят в основные состояния, излучая гамма-кванты, либо испускают нуклоны и превращаются в новые ядра, которые также могут оказаться в возбуждённом состоянии и их поведение будет аналогично поведению ядер, образовавшихся при делении исходного составного ядра. Испускание ядром нуклона возможно лишь в случае, когда энергия возбуждения превышает энергию связи нуклона в ядре, тогда он испускается с большей вероятностью, чем гамма-квант, так как последний процесс протекает гораздо медленнее электромагнитное взаимодействие намного слабее ядерного. Чаще всего испускаемым нуклоном является нейтрон, так как ему не нужно преодолевать кулоновский барьер при вылете из ядра, а для осколков деления это ещё вероятнее, так как они перегружены нейтронами, что приводит к понижению энергии связи последних. В результате практически мгновенно после деления составного ядра осколки деления испускают два или три нейтрона, которые принято называть мгновенными. В дальнейшем движение осколков деления не связано с их превращениями. Так как они увлекают за собой не все электроны исходного атома, из них образуются многозарядные ионы , кинетическая энергия которых тратится на ионизацию и возбуждение атомов среды, что вызывает их торможение.
В ядерных реакциях субатомная частица сталкивается с атомным ядром и вызывает в нем изменения.
Таким образом, ядерные реакции управляются механикой бомбардировки, а не относительно постоянным экспоненциальным распадом и периодом полураспада, характерными для спонтанных радиоактивных процессов. В настоящее время известно много типов ядерных реакций. Ядерное деление существенно отличается от других типов ядерных реакций тем, что его можно усилить и иногда контролировать с помощью цепной ядерной реакции один из типов общей цепной реакции. В такой реакции свободные нейтроны, высвобождаемые каждым событием деления, могут запускать еще больше событий, которые, в свою очередь, высвобождают больше нейтронов и вызывают большее деление. В химических элементах изотопов , которые могут поддерживать цепную реакцию деления называются ядерным топливом , и называются делящимся. Наиболее распространенными видами ядерного топлива являются 235 U изотоп урана с массовым числом 235 и используемый в ядерных реакторах и 239 Pu изотоп плутония с массовым числом 239. Эти виды топлива распадаются на бимодальный диапазон химических элементов с атомными массами в центре около 95 и 135 u продукты деления. Большинство ядерного топлива претерпевает спонтанное деление очень медленно, разлагающееся вместо главным образом через альфа - бета - цепь распада в течение периодов тысячелетий до эр. В ядерном реакторе или ядерном оружии подавляющее большинство событий деления вызвано бомбардировкой другой частицей, нейтроном, который сам произведен предыдущими событиями деления.
Эта энергия, возникающая в результате захвата нейтрона, является результатом ядерной силы притяжения, действующей между нейтроном и ядром. Аналогичный процесс происходит с делящимися изотопами такими как уран-238 , но для деления этим изотопам требуется дополнительная энергия, обеспечиваемая быстрыми нейтронами такими, как нейтроны , производимые ядерным синтезом в термоядерном оружии. Модель жидкой капли из атомного ядра предсказывает равного размера продуктов деления как результат деформации ядра. Более сложная модель ядерной оболочки необходима для механистического объяснения пути к более энергетически выгодному исходу, при котором один продукт деления немного меньше другого. Теория деления, основанная на модели оболочек, была сформулирована Марией Гепперт Майер. Однако бинарный процесс происходит просто потому, что он наиболее вероятен. Тройной процесс менее распространен, но все же приводит к значительному накоплению газообразных гелия-4 и трития в топливных стержнях современных ядерных реакторов. Энергетика Вход Стадии бинарного деления в модели жидкой капли. В модели жидкой капли предсказывается, что два осколка деления будут одного размера.
Модель ядерной оболочки позволяет им различаться по размеру, что обычно наблюдается экспериментально. После того, как доли ядра были отодвинуты на критическое расстояние, за пределами которого сильная сила ближнего действия больше не может удерживать их вместе, процесс их разделения происходит за счет энергии дальнего действия электромагнитного отталкивания между фрагментами. В результате два осколка деления удаляются друг от друга с высокой энергией. Около 6 МэВ энергии деления поступает за счет простого связывания дополнительного нейтрона с тяжелым ядром посредством сильного взаимодействия; однако во многих делящихся изотопах этого количества энергии недостаточно для деления. Например, уран-238 имеет близкое к нулю сечение деления нейтронов с энергией менее одного МэВ. Нейтроны такой высокой энергии способны делить U-238 напрямую см. Термоядерное оружие для применения, где быстрые нейтроны поставляются с помощью ядерного синтеза. Однако этот процесс не может происходить в значительной степени в ядерном реакторе, так как слишком малая часть нейтронов деления, произведенных любым типом деления, имеет достаточно энергии для эффективного деления U-238 нейтроны деления имеют модовую энергию 2 МэВ, но медиана составляет всего 0,75 МэВ, что означает, что половина из них имеет меньше этой недостаточной энергии. Однако среди тяжелых актинидных элементов те изотопы, которые имеют нечетное число нейтронов например, U-235 со 143 нейтронами , связывают дополнительный нейтрон с дополнительной энергией 1-2 МэВ по сравнению с изотопом того же элемента с четным количество нейтронов например, U-238 с 146 нейтронами.
Эта дополнительная энергия связи становится доступной в результате механизма эффектов спаривания нейтронов. Эта дополнительная энергия является результатом принципа исключения Паули, позволяющего дополнительному нейтрону занимать ту же ядерную орбиталь, что и последний нейтрон в ядре, так что они образуют пару. Таким образом, в таких изотопах кинетическая энергия нейтронов не требуется, поскольку вся необходимая энергия поступает за счет поглощения любого нейтрона, медленного или быстрого первые используются в ядерных реакторах с замедлителем, а вторые - в быстрых. Как отмечалось выше, подгруппа делящихся элементов, которые могут эффективно делиться с их собственными нейтронами деления таким образом, потенциально вызывая ядерную цепную реакцию в относительно небольших количествах чистого материала , называется « делящимися ». Примерами делящихся изотопов являются уран-235 и плутоний-239. Точный изотоп, который расщепляется, независимо от того, является ли он расщепляющимся или расщепляющимся, оказывает лишь небольшое влияние на количество выделяемой энергии. Это можно легко увидеть, изучив кривую энергии связи изображение ниже и отметив, что средняя энергия связи нуклидов актинидов, начиная с урана, составляет около 7,6 МэВ на нуклон. Если посмотреть дальше влево на кривой энергии связи, где образуются кластеры продуктов деления , легко заметить, что энергия связи продуктов деления стремится к центру около 8,5 МэВ на нуклон. Таким образом, в любом случае деления изотопа в диапазоне масс актинида примерно 0,9 МэВ выделяется на нуклон исходного элемента.
Этот профиль высвобождения энергии справедлив также для тория и различных второстепенных актинидов. Напротив, большинство химических реакций окисления таких как сжигание угля или тротила выделяют не более нескольких эВ за одно событие. Таким образом, ядерное топливо содержит как минимум в десять миллионов раз больше полезной энергии на единицу массы, чем химическое топливо. Энергия ядерного деления выделяется в виде кинетической энергии продуктов деления и осколков, а также в виде электромагнитного излучения в форме гамма-лучей ; в ядерном реакторе энергия преобразуется в тепло, когда частицы и гамма-лучи сталкиваются с атомами, которые составляют реактор и его рабочую жидкость , обычно воду или иногда тяжелую воду или расплавленные соли. Анимация кулоновского взрыва в случае кластера положительно заряженных ядер, сродни кластеру осколков деления. Уровень оттенка цвета пропорционален большему заряду ядра. Электроны меньшего размера на этой шкале времени видны только стробоскопически, а уровень оттенка - это их кинетическая энергия. В атомной бомбе это тепло может способствовать повышению температуры ядра бомбы до 100 миллионов кельвинов и вызывать вторичное излучение мягких рентгеновских лучей, которые преобразуют часть этой энергии в ионизирующее излучение. Однако в ядерных реакторах кинетическая энергия осколков деления остается низкотемпературной теплотой, которая сама по себе вызывает небольшую ионизацию или ее отсутствие.
Были сконструированы так называемые нейтронные бомбы улучшенное радиационное оружие , которые выделяют большую часть своей энергии в виде ионизирующего излучения в частности, нейтронов , но все это термоядерные устройства, которые зависят от стадии ядерного синтеза для получения дополнительного излучения. Например, в уране-235 эта запаздывающая энергия делится на примерно 6,5 МэВ в бета, 8,8 МэВ в антинейтрино высвобождаемых одновременно с бета и, наконец, на дополнительные 6,3 МэВ в задержанном гамма-излучении возбужденного бета-излучения. В реакторе, который работает в течение некоторого времени, радиоактивные продукты деления будут накапливаться до устойчивых концентраций, так что их скорость распада равна скорости их образования, так что их относительный общий вклад в тепло реактора через бета-распад совпадает с этими радиоизотопными дробными вкладами в энергию деления. Именно эта выходная доля остается, когда реактор внезапно останавливается подвергается аварийному останову. Однако в течение нескольких часов из-за распада этих изотопов выходная мощность распада намного меньше. Подробнее см. Остаточное тепло. Причина в том, что энергия, выделяемая в виде антинейтрино, не улавливается материалом реактора в виде тепла, а уходит прямо через все материалы включая Землю почти со скоростью света в межпланетное пространство поглощенное количество мизерно. Нейтринное излучение обычно не классифицируется как ионизирующее излучение, потому что оно почти полностью не поглощается и, следовательно, не вызывает эффектов хотя очень редкое нейтринное событие является ионизирующим.
Некоторые процессы с участием нейтронов примечательны тем, что поглощают или, наконец, выделяют энергию - например, кинетическая энергия нейтронов не дает тепла сразу, если нейтрон захватывается атомом урана-238 для образования плутония-239, но эта энергия выделяется, если плутоний-239 позже расщепляется. С другой стороны, так называемые запаздывающие нейтроны, испускаемые как продукты радиоактивного распада с периодом полураспада до нескольких минут от дочерних элементов деления, очень важны для управления реактором , поскольку они дают характерное время «реакции» для полной ядерной реакции. Без их существования ядерная цепная реакция стала бы критической и увеличивалась бы в размерах быстрее, чем ее можно было бы контролировать с помощью вмешательства человека. В этом случае первые экспериментальные атомные реакторы убежали бы в опасную и беспорядочную «быструю критическую реакцию», прежде чем их операторы смогли бы отключить их вручную по этой причине конструктор Энрико Ферми включил управляющие стержни с радиационным противодействием, подвешенные электромагнитами, которые могли автоматически упасть в центр Чикаго Пайл-1. Если эти запаздывающие нейтроны захватываются без деления, они также выделяют тепло. Ядра-продукты и энергия связи Основные статьи: продукты деления и выход продуктов деления При делении предпочтительно получать осколки с четным числом протонов, что называется нечетно-четным эффектом распределения заряда осколков. Однако нечетно-четного эффекта на распределение массового числа фрагментов не наблюдается. Этот результат объясняется разрывом нуклонных пар. Происхождение активной энергии и кривая энергии связи «Кривая энергии связи»: график энергии связи на нуклон обычных изотопов.
Ядерное деление тяжелых элементов производит полезную энергию, потому что удельная энергия связи энергия связи на массу ядер промежуточной массы с атомными номерами и атомными массами, близкими к 62 Ni и 56 Fe , больше, чем удельная энергия связи нуклонов очень тяжелых ядер.
Все остальные нуклиды, возникающие в результате бета-распадов, вместе с осколками и стабильными конечными нуклидами, называют продуктами деления. Поскольку вдоль цепочки массовое число не изменяется, то всего таких цепочек при делении ядер урана может образоваться столько, сколько может возникнуть массовых чисел, то есть примерно 90. А так как в каждой цепочке содержится в среднем 5 радиоактивных нуклидов, то всего среди продуктов деления можно насчитать около 450 радионуклидов с самыми различными периодами полураспада от долей секунды до миллионов лет. В ядерном реакторе накопление продуктов деления создает определенные проблемы, так как во-первых, они поглощают нейтроны и тем самым затрудняют протекание цепной реакции деления, а во-вторых, из-за их бета-распада возникает остаточное тепловыделение, которое может продолжаться очень долго после остановки реактора в остатках чернобыльского реактора тепловыделение продолжается и поныне. Значительную опасность радиоактивность продуктов деления создает и для человека. Вторичные нейтроны деления. Нейтроны, вызывающие деление ядер, называются первичными, а нейтроны, возникающие при делении ядер — вторичными.
Вторичные нейтроны деления испускаются осколками в самом начале их движения. Как уже отмечалось, осколки непосредственно после деления оказываются сильно перегруженными нейтронами; при этом энергия возбуждения осколков превышает энергию связи нейтронов в них, что и предопределяет возможность вылета нейтронов. Покидая ядро осколка, нейтрон уносит с собой часть энергии, в результате чего энергия возбуждения ядра осколка снижается. После того, как энергия возбуждения ядра осколка станет меньше энергии связи нейтрона в нём, вылет нейтронов прекращается.
Достаточно вспомнить следы таких нуклидов как 131I, 133I, 90Sr, 137Сs. Но у стабильных ядер со средними значениями масс, к которым относятся осколки, это отношение значительно ближе к единице: например, у стабильного ядра 118Sn это отношение равно 1,36. Это означает, что ядра осколков сильно перегружены нейтронами, и они будут стремиться избавиться от этой перегрузки путем бета-распадов, при которых нейтроны превращаются в протоны.
При этом, для того, чтобы первичный осколок превратился в стабильный нуклид, может потребоваться несколько последовательных бета-распадов, образующих целую цепочку, например: стабилен. Здесь под стрелочками приведены периоды полураспада нуклидов: s-секунды, h-часы, y-годы. Заметим, что осколком деления принято называть только самое первое ядро, непосредственно возникающее при делении ядра урана в данном случае — 135Sb. Все остальные нуклиды, возникающие в результате бета-распадов, вместе с осколками и стабильными конечными нуклидами, называют продуктами деления. Поскольку вдоль цепочки массовое число не изменяется, то всего таких цепочек при делении ядер урана может образоваться столько, сколько может возникнуть массовых чисел, то есть примерно 90. А так как в каждой цепочке содержится в среднем 5 радиоактивных нуклидов, то всего среди продуктов деления можно насчитать около 450 радионуклидов с самыми различными периодами полураспада от долей секунды до миллионов лет. В ядерном реакторе накопление продуктов деления создает определенные проблемы, так как во-первых, они поглощают нейтроны и тем самым затрудняют протекание цепной реакции деления, а во-вторых, из-за их бета-распада возникает остаточное тепловыделение, которое может продолжаться очень долго после остановки реактора в остатках чернобыльского реактора тепловыделение продолжается и поныне.
Значительную опасность радиоактивность продуктов деления создает и для человека.
КАК РАБОТАЕТ ЯДЕРНОЕ ОРУЖИЕ?
Ученым впервые в истории удалось зафиксировать, как соединяются и разъединяются атомы. Ядерное деление-это реакция, при которой ядро атома распадается на два или более меньших ядра. Эти избыточные нейтроны, ударяясь о ядра других атомов урана-235, могут запустить цепную реакцию деления, что приводит к атомному взрыву. В конце 1938 года из Старого света пришла новость о том, что два немецких ученых, Отто Ган и Фриц Штрассман, открыли реакцию деления атомного ядра. В критическом реакторе деления нейтроны, образующиеся при делении атомов топлива, используются, чтобы вызвать еще большее количество делений. Так получим ли мы новые мощные атомные ледоколы, новые энергоблоки, плавучую атомную станцию «Академик Ломоносов», космический ядерный двигатель при таком циничном.
1.2.2. Деление атомных ядер
Тот же принцип цепной реакции деления, только без особенного контроля, работает и в атомной бомбе. Существуют два различных способа освобождения ядерной реакции: деление тяжелых ядер и термоядерные. Ядерное деление — это реакция, в ходе которой ядро атома расщепляется на два или более меньших ядра, при этом происходит высвобождение энергии. Деление атома урана" (9 класс).
Деление ядер: процесс расщепления атомного ядра. Ядерные реакции
| Разница между ядерным делением и синтезом | Сколько воды можно нагреть на 10 °С, если использовать всю энергию, которая выделяется при делении 10 15 атомов урана. |
| Физика атома и ядра. Слепцов И.А., Слепцов А.А. | Учёные с мировым именем провели исследования и наконец поняли принцип вращения атомных ядер после того, как происходит их деление. |
| Деление атомного ядра. Большая российская энциклопедия | Учёные с мировым именем провели исследования и наконец поняли принцип вращения атомных ядер после того, как происходит их деление. |
| Основы строения атома. Просто о сложном | Делением атомных ядер называется процесс раскалывания ядра на две примерно равные части. |
Основы строения атома. Просто о сложном
1 Деление атомов как источник энергии. Цепная ядерная реакция – самоподдерживающаяся реакция деления тяжёлых ядер, в которой непрерывно воспроизводятся нейтроны, делящие всё новые и новые ядра. Деле́ние ядра́ — процесс расщепления атомного ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, называемых осколками деления. Когда нейтрон сталкивается с атомным ядром, это вызывает деление атома, сопровождаясь высвобождением энергии и дополнительных нейтронов.