Таким образом, появляется возможность осуществления разветвляющейся, ускоряющейся цепной реакции деления ядер атомов с выделением огромного количества энергии. Таким образом, появляется возможность осуществления разветвляющейся, ускоряющейся цепной реакции деления ядер атомов с выделением огромного количества энергии. 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. Таким образом, появляется возможность осуществления разветвляющейся, ускоряющейся цепной реакции деления ядер атомов с выделением огромного количества энергии.
Деление атомных ядер: История Лизы Мейтнер и Отто Ганна
| Деление атомного ядра | Деление атомов. |
| 1.2.2. Деление атомных ядер | Ядерное деление-это реакция, при которой ядро атома распадается на два или более меньших ядра. |
Что такое ядерное деление и как оно происходит
Схема будущего ускорителя CERN 100 киллометровый ускоритель стоимостью 9 миллиардов евро, ухх. Ротенберг при виде таких цифр уже тёр бы ладошки. Однако задачи, поставленные перед будущим коллайдером, являются приоритетными для всего научного сообщества. Знание об устройстве вещества это не единственное, что может дать нам изучение элементарных частиц. Все процессы во Вселенной протекают под их диктовку. Супер-Камиоканде - нейтринный детектор на глубине в 1км Наиболее стабильные частицы, называемые нейтрино, испускаются звёздами в результате термоядерного синтеза.
Нейтрино сложно зафиксировать, но информация заложенная в этих частицах может дать представление о термоядерных реакциях на Солнце , что приближает людей к доступной энергии. Реликтовые нейтрино объяснят о ходе эволюции Вселенной и её формировании. Поскольку нейтрино чрезвычайно сложно поймать, то и эксперименты связанные с ним дело также весьма затратное. Наука не всегда предсказуема, поэтому о результатах будущих исследований можно лишь гадать.
Как объяснить происхождение гелия с высоким содержанием изотопа 3He? Какие физические процессы могут быть ответственны за это? Обычный радиоактивный распад явно не годится, так как он продуцирует исключительно гелий-4. Попробуем привлечь на помощь ядерные реакции деления. Известно, что при работе реактора тяжелые ядра, поглощая нейтрон, становятся неустойчивыми и могут делиться на два крупных осколка с испусканием легких заряженных частиц и 2—3 нейтронов.
В конечном продукте совокупности таких реакций доли обоих изотопов гелия хотя и отличаются, но представляют собой величины одного порядка. Напомним, что в «стандартном» атмосферном гелии их концентрации различаются на шесть порядков! Таким образом, относительно высокое содержание гелия-3, наблюдаемое в магматических породах, поднявшихся на поверхность из земных недр, может служить косвенным свидетельством работы глубинного геореактора. Уран выпал в осадок? Прежде чем продолжить разговор, хочется еще раз подчеркнуть принципиальное различие между естественным радиоактивным распадом и ядерной реакцией деления, ибо разница эта не всегда очевидна на неискушенный взгляд. Обычная радиоактивность — это самопроизвольный распад атомных ядер; для реакции деления обязательно требуется взаимодействие с внешней частицей нейтроном. По этой причине для осуществления ядерной реакции нужна достаточная концентрация активного вещества; для спонтанного распада концентрация не имеет никакого значения. Если в недрах Земли действительно идут цепные реакции, значит, там должны присутствовать скопления радиоактивных элементов актиноидов. Как и где именно они образовались?
На этот счет существует множество разных точек зрения: от мантии до геометрического центра Земли. Анисичкин с соавторами предложили обоснованную гипотезу, согласно которой местом критической концентрации урана и тория могла быть поверхность твердого внутреннего ядра Земли. Эта концепция во многом базируется на работах по растворимости диоксида урана UO2 , проведенных в конце 1990-х гг. В экспериментах на аппарате высокого давления типа «разрезная сфера» А. Туркиным было показано, что растворимость UO2 в расплавах на основе железа с ростом давления уменьшается. Исследуемый диапазон давлений составлял 5—10 ГПа для сравнения: в центре Земли давление около 360 ГПа. Поскольку в природе уран встречается преимущественно в виде оксидов, то логично сделать вывод: чем глубже, тем хуже будет растворяться уран! Этот важный экспериментальный факт наводит на мысль, что миграция актиноидов в теле Земли могла быть следующей. После образования планеты в океане магмы, состоящей, в основном, из расплавов железа и силикатов, присутствовали и соединения урана.
Со временем магма остывала, и происходило гравитационное разделение вещества по плотности. Силикаты, кристаллизуясь, всплывали в магме, плотность которой за счет железа была выше. Соединения же тяжелых актиноидов, выделяясь из расплава по мере роста давления и кристаллизуясь, оседали на внутреннее твердое железоникелевое ядро планеты. Из сейсмологических исследований известно, что переходная зона между внешним жидким и внутренним твердым ядром Земли толщиной 2—3 км имеет мозаичную структуру. При этом основными структурными элементами являются относительно тонкие взвешенные слои протяженностью до нескольких десятков километров. Возможно, именно они и являются областями концентрации тяжелых радиоактивных элементов. Не можешь найти — моделируй! Когда речь идет о процессах на глубинах в тысячи километров, следует иметь в виду, что, с одной стороны, они недоступны непосредственному экспериментальному исследованию, с другой — их не всегда возможно изучать и в лабораторных установках, где трудно создать аналогичные физические условия. Но в современной науке существует еще один универсальный инструмент познания — компьютерное моделирование.
В 2005 г. Задача была не из легких, поскольку методы теории реакторов традиционно применяются для расчета процессов длительностью максимум в годы, а здесь потребовалось просчитывать интервалы в миллиарды лет! Согласно их идее при кристаллизации магматического океана происходило «гравитационное разделение вещества по плотности», в результате которого силикаты, кристаллизуясь, всплывали, а соединения тяжелых актиноидов оседали на внутреннее ядро планеты. В дальнейшем сконцентрировавшаяся таким образом масса актиноидов, и в первую очередь соединения урана, играла роль ядерного реактора, генерирующего энергию, обусловленную цепными реакциями деления. К сожалению, в самой основе этой занимательной гипотезы лежит недоразумение. Кристаллизация каких-либо соединений актиноидов в виде самостоятельных минеральных фаз, которые могли бы погружаться в недра планеты, в магматическом океане невозможна. Прежде всего, это обусловлено исключительно низкими концентрациями урана и других актиноидов в протопланетном веществе. При кристаллизации расплава, который возникает на основе такого вещества, весь уран распределяется в кристаллической решетке породообразующих минералов или на их границах в виде примеси, как и многие другие редкие и рассеянные элементы. Конечно, образование скоплений редких элементов в природе возможно вспомним, например, самородное золото , только это происходит в коре и не в результате кристаллизации магматических расплавов, а за счет разгрузки гидротермальных растворов, транспортирующих эти элементы и сбрасывающих их при изменении физических условий.
В ходе геологических процессов зарождающиеся в недрах планеты магматические расплавы вследствие более низкой плотности по сравнению с твердым веществом перемещаются к поверхности. В тех случаях, когда они прорываются на поверхность, возникает вулкан. Когда такой расплав застревает на глубине и кристаллизуется в магматической камере, образуется твердое магматическое тело, называемое интрузивом. Дифференциация вещества по плотности при формировании магматических тел принципиально ничем не отличается от такой дифференциации при затвердевании расплава в магматическом океане. Однако кристаллизующиеся силикаты магния и железа в этих расплавах вопреки предположению авторов обсуждаемой гипотезы не всплывают, а тонут, потому что их плотность всегда выше плотности жидкой фазы. Утверждая, что плотность магмы увеличится за счет железа, авторы упускают из виду, что в магматическом океане металл сразу образует самостоятельную жидкую фазу, не смешивающуюся с силикатной, которая опустится на дно задолго до начала кристаллизации силикатов.
Уилером и независимо от них Я. Френкелем была построена первая теория деления ядер. В 1940 г. Флёров и К.
Петржак открыли спонтанное деление ядер. Вторая мировая война и возможное военное применение деления атомного ядра привели к прекращению на долгое время публикаций по физике деления ядра. Теория деления ядер В рамках капельной модели ядра атомное ядро рассматривается как капля равномерно заряженной несжимаемой жидкости.
Что касается геологической составляющей, то я считаю, что предложенная концепция пока не подтверждается фактическим материалом. Пушкарев, д. Расчеты показали, что теоретически существуют разные сценарии работы реактора.
По некоторым из них его активность могла давно прекратиться, по другим — продолжаться до настоящего времени. Максимальная продолжительность возможна в режиме воспроизводства делящихся нуклидов. В результате содержание легко делящегося урана-235 поддерживается на достаточно высоком уровне, и получается реактор-размножитель на быстрых нейтронах. Ряд глобальных явлений на Земле носит циклический характер с периодом в сотни тысяч и миллионы лет. О причинах этих колебаний нет единого мнения. По обломочным окаменевшим моренам и ледниково-морским осадкам, обнаруженным на всех континентах, ученые восстановили ледниковую историю Земли за последние 2,5 млрд лет.
В течение этого времени Земля пережила четыре ледниковые эры, каждая эра состояла из ледниковых периодов, а период — из ледниковых эпох. Периодичность потеплений-похолоданий, соответствующая смене ледниковых эпох, составляет около 100 тыс. Подробнейшая информация о палеоклимате получена при бурении ледниковых щитов в Антарктиде. Каково значение этого факта? Дело в том, что изверженные породы, застывая, намагничиваются в соответствии с существующим на тот момент направлением магнитного поля. Таким образом, эта «законсервированная» в породе намагниченность наглядно продемонстрировала, что в прошлом поле было другим.
Замеры следов магнитного поля в горных породах различного возраста показали, что на протяжении геологической истории Земли оно меняло знак много-много раз. Инверсии происходили через интервалы времени от десятков тысяч до миллионов лет средний период — 250 тыс. Почему происходит смена магнитных полюсов? Магнитное поле планеты формируется благодаря циркуляции расплавленного железа во внешнем ядре. Движение электропроводящей жидкости в магнитном поле создает самоподдерживающуюся систему, своего рода геодинамо. Но для образования мощных переменных течений в ядре, приводящих к изменению магнитного поля, необходимы и мощные нестационарные источники тепла.
Вполне подходящими кандидатами на эту роль опять-таки являются природные ядерные реакторы Вполне естественно предположить, что при работе реактора из-за тепловыделения возникают конвективные потоки, вызывающие разрыхление активной зоны. В какой-то момент цепная реакция деления останавливается. Когда выделение тепла прекращается и конвективные потоки ослабевают, уран медленно оседает — цепная реакция возобновляется. Таким образом, геореактор может работать и в импульсном режиме. Определяющим показателем хода цепной реакции является коэффициент размножения нейтронов k, который равен отношению числа нейтронов, вновь образовавшихся в реакциях деления, к количеству нейтронов, поглощенных в ходе реакции либо покинувших активную зону. Тогда в каждом новом поколении нейтронов становится все больше, и они, в свою очередь, вызывают все больше делений ядер.
Возникает лавинообразный процесс. Согласно проведенным расчетам максимально возможный коэффициент размножения ведет себя следующим образом: вначале он падает в течение 1 млрд лет, однако затем более-менее стабилизируется и остается больше единицы вплоть до настоящего времени. Представляется, что более вероятен импульсный сценарий работы реактора, когда периоды активности перемежаются периодами «простоя». Так, как это было в маленьком природном реакторе Окло, но только с большей продолжительностью циклов. По мнению авторов, временные характеристики рассчитанного импульсного режима можно соотнести с рядом периодических явлений, наблюдаемых на поверхности Земли, таких как глобальные изменения климата или смена магнитных полюсов. Откуда летят геонейтрино?
Сторонники точки зрения, что Земля является ядерным реактором, сегодня связывают особые надежды с электронным антинейтрино. Нейтрино практически не реагируют с веществом и поэтому обладают огромной проникающей способностью, почти без потерь проходя через все тело Земли. Их регистрация — сложная научная и техническая задача. В течение двух лет ученые зафиксировали 152 события, но после отсечения фона осталось всего 25 — по одному в месяц. Главными источниками фона оказались промышленные реакторы Японии и Южной Кореи. Полное число антинейтрино может быть частично связано с мощностью действующего геореактора и частично — с естественным распадом различных нестабильных ядер в недрах Земли.
Из данных KamLAND следует, что полная плотность потока геонейтрино составляет примерно 16 млн частиц в секунду на кв. Это соответствует источнику тепла, порождаемого ядерными реакциями, мощностью от 24 до 60 ТВт. Первое из двух чисел оказалось близким к величине «избыточного» тепла, излучаемого Землей, о котором шла речь выше. И многие специалисты склоняются к мнению, что это объяснение наиболее правдоподобно. Энергетические спектры нейтрино, образующихся при делении разных ядер, отличаются. Русов с коллегами выполнили компьютерное моделирование и определили спектральные составляющие геонейтрино от различных внутренних источников — урана-238, тория-232, плутония-239.
Суммарную мощность геореактора они оценили в 30 ТВт. Результаты этой работы также свидетельствуют в пользу импульсного режима размножения.
Физика деления атомных ядер : Сборник статей
| ГЛАВА 4 Открытие деления . Люди и атомы | Международная группа ученых выяснила, как именно вращаются атомные ядра после их деления, сообщает МедиаПоток. |
| Ученые 80 лет выясняли, как вращаются атомные ядра после деления | Деление действительно назрело: военная часть тормозит развитие гражданки. |
| Дирижер атомного взрыва: тело и жизнь самой тайной части ядерного заряда | Газ, скапливающийся в ядерном топливе в результате реакций деления, может быстро выходить из него благодаря давлению атомов топлива. |
| Ядерная энергетика: как утилизировать уран? - | fission of an atom. Деление атома. |
Видео-стенд "Магия Деления ядра урана" в парке "Патриот"
Лекция из курса: Физика атомного ядра и частиц. Процесс деления атомного ядра можно объяснить на основе капельной модели ядра. Ведь деление ядер поистине поразительное явление: оносопровождается сильной радио-активностью, а полная ионизация от осколков деления превосходит в десятки раз ионизацию. Эти нейтроны могут инициировать деление уже нескольких ядер – возникает цепная реакция.
Открытие ядерного деления - Discovery of nuclear fission
С ее появлением начался неклассический период науки. Атом и радиоактивность Из всего сказанного выше становится понятно, что ядро — это тяжелая, положительно заряженная часть атома, которая составляет его основную массу. Когда квантование энергии и положений электронов на орбите атома были хорошо изучены, пришло время понять природу атомного ядра. На помощь пришла гениальная и неожиданно открытая радиоактивность. Она помогла раскрыть сущность тяжелой центральной части атома, так как источник радиоактивности — деление ядер. На рубеже девятнадцатого и двадцатого столетия, открытия сыпались одно за другим. Теоретическое решение одной задачи вызывало необходимость ставить новые опыты. Результаты экспериментов порождали теории и гипотезы, которые требовалось подтвердить или опровергнуть. Зачастую величайшие открытия появлялись просто потому, что именно таким образом формула становилась удобной для вычислений как, например, квант Макса Планка. Еще в начале эры фотографии ученые знали: урановые соли засвечивают светочувствительную пленку, но они не подозревали, что в основе этого явления лежит деление ядер. Поэтому радиоактивность изучали, чтобы понять природу распада ядра.
Очевидно, что излучение порождались квантовыми переходами, но было не до конца ясно, какими именно. Чета Кюри добывала чистые радий и полоний, обрабатывая практически вручную урановую руду, чтобы получить ответ на этот вопрос. Заряд радиоактивного излучения Резерфорд много сделал для изучения строения атома и внес вклад и в исследование того, как происходит деление ядра атома. Ученый поместил излучение, выделяющееся радиоактивным элементом, в магнитное поле и получил потрясающий результат. Оказалось, что радиация состоит из трех компонентов: одна была нейтральной, а две другие — положительно и отрицательно заряженными. Изучение деления ядра началось с определения его составляющих. Было доказано, что ядро может делиться, отдавать часть своего положительного заряда. Строение ядра Позже выяснилось, что атомное ядро состоит не только из положительно заряженных частиц протонов, но и нейтральных частиц нейтронов. Все вместе они называются нуклонами от английского «nucleus», ядро. Однако, ученые вновь натолкнулись на проблему: масса ядра то есть количество нуклонов не всегда соответствовала его заряду.
Более сложные элементы могут иметь гораздо большее количество разных масс при одном и том же заряде. Такие вариации атомов называются изотопами. Причем некоторые изотопы оказались вполне устойчивыми, другие же быстро распадались, так как для них было характерно деление ядер. Какому принципу отвечало количество нуклонов устойчивости ядер? Почему добавление всего лишь одного нейтрона к тяжелому и вполне стабильному ядру приводило к его расколу, к выделению радиоактивности? Как ни странно, ответ на этот важный вопрос до сих пор не найден. Опытным путем выяснилось, что определенным количествам протонов и нейтронов соответствуют устойчивые конфигурации атомных ядер. Эти числа даже называют магическими и назвали их так взрослые ученые, ядерные физики. Таким образом, деление ядер зависит от их массы, то есть от количества входящих в них нуклонов. Капля, оболочка, кристалл Определить фактор, который отвечает за устойчивость ядра, на данный момент не удалось.
Существует множество теорий модели строения атома. Три самые знаменитые и разработанные зачастую противоречат друг другу в разных вопросах. Согласно первой, ядро — это капля специальной ядерной жидкости.
Кроме того, они ожидали, что если вращение, возникшее в результате деления, произойдет до разрыва, то все осколки в данной области почти наверняка будут иметь одинаковый спин, но противоположны друг другу. Но они обнаружили, что это не так.
Вместо этого все их вращения были полностью независимы друг от друга. Это открытие убедительно свидетельствует о том, что вращение начинается после разрыва. Исследователи также предполагают, что по мере того, как ядро удлиняется и расщепляется, образующиеся остатки могут напоминать слезу. Они предполагают, что такие фрагменты затем будут двигаться, уменьшая свою форму поверхности как пузыри , и при этом выделять энергию, которая заставляет их начать вращаться.
В цепной ядерной реакции в контексте атомной энергетики нейтроны играют важную роль. Как устроена атомная электростанция Заставляют атомы в ядерном топливе делиться. Когда нейтрон сталкивается с атомным ядром, это вызывает деление атома, сопровождаясь высвобождением энергии и дополнительных нейтронов. Распространяют реакции.
Высвобожденные нейтроны сталкиваются с другими атомами и вызывают их деление. Это порождает дополнительные нейтроны, которые вызывают деление других атомов, и так далее. Благодаря этому энергия в ядерных реакторах высвобождается постоянно. 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.
Поскольку в природе уран встречается преимущественно в виде оксидов, то логично сделать вывод: чем глубже, тем хуже будет растворяться уран! Этот важный экспериментальный факт наводит на мысль, что миграция актиноидов в теле Земли могла быть следующей. После образования планеты в океане магмы, состоящей, в основном, из расплавов железа и силикатов, присутствовали и соединения урана. Со временем магма остывала, и происходило гравитационное разделение вещества по плотности. Силикаты, кристаллизуясь, всплывали в магме, плотность которой за счет железа была выше. Соединения же тяжелых актиноидов, выделяясь из расплава по мере роста давления и кристаллизуясь, оседали на внутреннее твердое железоникелевое ядро планеты.
Из сейсмологических исследований известно, что переходная зона между внешним жидким и внутренним твердым ядром Земли толщиной 2—3 км имеет мозаичную структуру. При этом основными структурными элементами являются относительно тонкие взвешенные слои протяженностью до нескольких десятков километров. Возможно, именно они и являются областями концентрации тяжелых радиоактивных элементов. Не можешь найти — моделируй! Когда речь идет о процессах на глубинах в тысячи километров, следует иметь в виду, что, с одной стороны, они недоступны непосредственному экспериментальному исследованию, с другой — их не всегда возможно изучать и в лабораторных установках, где трудно создать аналогичные физические условия. Но в современной науке существует еще один универсальный инструмент познания — компьютерное моделирование. В 2005 г.
Задача была не из легких, поскольку методы теории реакторов традиционно применяются для расчета процессов длительностью максимум в годы, а здесь потребовалось просчитывать интервалы в миллиарды лет! Согласно их идее при кристаллизации магматического океана происходило «гравитационное разделение вещества по плотности», в результате которого силикаты, кристаллизуясь, всплывали, а соединения тяжелых актиноидов оседали на внутреннее ядро планеты. В дальнейшем сконцентрировавшаяся таким образом масса актиноидов, и в первую очередь соединения урана, играла роль ядерного реактора, генерирующего энергию, обусловленную цепными реакциями деления. К сожалению, в самой основе этой занимательной гипотезы лежит недоразумение. Кристаллизация каких-либо соединений актиноидов в виде самостоятельных минеральных фаз, которые могли бы погружаться в недра планеты, в магматическом океане невозможна. Прежде всего, это обусловлено исключительно низкими концентрациями урана и других актиноидов в протопланетном веществе. При кристаллизации расплава, который возникает на основе такого вещества, весь уран распределяется в кристаллической решетке породообразующих минералов или на их границах в виде примеси, как и многие другие редкие и рассеянные элементы.
Конечно, образование скоплений редких элементов в природе возможно вспомним, например, самородное золото , только это происходит в коре и не в результате кристаллизации магматических расплавов, а за счет разгрузки гидротермальных растворов, транспортирующих эти элементы и сбрасывающих их при изменении физических условий. В ходе геологических процессов зарождающиеся в недрах планеты магматические расплавы вследствие более низкой плотности по сравнению с твердым веществом перемещаются к поверхности. В тех случаях, когда они прорываются на поверхность, возникает вулкан. Когда такой расплав застревает на глубине и кристаллизуется в магматической камере, образуется твердое магматическое тело, называемое интрузивом. Дифференциация вещества по плотности при формировании магматических тел принципиально ничем не отличается от такой дифференциации при затвердевании расплава в магматическом океане. Однако кристаллизующиеся силикаты магния и железа в этих расплавах вопреки предположению авторов обсуждаемой гипотезы не всплывают, а тонут, потому что их плотность всегда выше плотности жидкой фазы. Утверждая, что плотность магмы увеличится за счет железа, авторы упускают из виду, что в магматическом океане металл сразу образует самостоятельную жидкую фазу, не смешивающуюся с силикатной, которая опустится на дно задолго до начала кристаллизации силикатов.
Возвращаясь к интрузивам, заметим, что никаких скоплений минералов, сложенных актиноидами, на дне соответствующих магматических камер нет, несмотря на то, что концентрация урана как в самих интрузивных телах, так и в исходных расплавах зачастую на два порядка превосходит его концентрацию в протопланетном веществе и магматическом океане. Все происходит ровно наоборот: основная часть урана концентрируется в остаточной жидкости, которая, как правило, собирается в верхней части магматической камеры, после того как основной объем расплава уже затвердел. Поэтому, даже если бы в этих последних порциях расплава и возникли какие-то тяжелые урансодержащие минералы, опускаться им было бы некуда. Конечно, для объективной оценки обсуждаемой гипотезы необходимы исследования специалистов в различных областях науки. Что касается геологической составляющей, то я считаю, что предложенная концепция пока не подтверждается фактическим материалом. Пушкарев, д. Расчеты показали, что теоретически существуют разные сценарии работы реактора.
По некоторым из них его активность могла давно прекратиться, по другим — продолжаться до настоящего времени. Максимальная продолжительность возможна в режиме воспроизводства делящихся нуклидов. В результате содержание легко делящегося урана-235 поддерживается на достаточно высоком уровне, и получается реактор-размножитель на быстрых нейтронах. Ряд глобальных явлений на Земле носит циклический характер с периодом в сотни тысяч и миллионы лет. О причинах этих колебаний нет единого мнения. По обломочным окаменевшим моренам и ледниково-морским осадкам, обнаруженным на всех континентах, ученые восстановили ледниковую историю Земли за последние 2,5 млрд лет. В течение этого времени Земля пережила четыре ледниковые эры, каждая эра состояла из ледниковых периодов, а период — из ледниковых эпох.
Периодичность потеплений-похолоданий, соответствующая смене ледниковых эпох, составляет около 100 тыс. Подробнейшая информация о палеоклимате получена при бурении ледниковых щитов в Антарктиде. Каково значение этого факта? Дело в том, что изверженные породы, застывая, намагничиваются в соответствии с существующим на тот момент направлением магнитного поля. Таким образом, эта «законсервированная» в породе намагниченность наглядно продемонстрировала, что в прошлом поле было другим. Замеры следов магнитного поля в горных породах различного возраста показали, что на протяжении геологической истории Земли оно меняло знак много-много раз.
Деление ядер: процесс расщепления атомного ядра. Ядерные реакции
В критическом реакторе деления нейтроны, образующиеся при делении атомов топлива, используются, чтобы вызвать еще большее количество делений. Учёные с мировым именем провели исследования и наконец поняли принцип вращения атомных ядер после того, как происходит их деление. Новости. Знакомства.
Ядерное деление
Предыдущие исследования показали, что атомные ядра с большим количеством протонов и нейтронов нестабильны. Так получим ли мы новые мощные атомные ледоколы, новые энергоблоки, плавучую атомную станцию «Академик Ломоносов», космический ядерный двигатель при таком циничном. Деление атомов. Ядерным (или атомным) реактором называется устройство, в котором осуществляется управляемая реакция деления ядер.
Самое правильное деление атома
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.
Ядро урана-235 имеет форму шара. Ядро растягивается до тех пор, пока силы электрического отталкивания между половинками вытянутого ядра не начинают преобладать над силами ядерного притяжения, действующими в перешейке. После этого ядро разрывается на две части. В результате число делящихся ядер очень быстро увеличивается.
Возникает цепная реакция. Цепной ядерной реакцией называется реакция, в которой нейтроны образуются как продукты этой реакции, способные вызывать деление других ядер. Следовательно, число нейтронов, рождающихся в каждом поколении, нарастает в геометрической прогрессии. В целом процесс носит лавинообразный характер, протекает весьма быстро и сопровождается выделением огромного количества энергии. Скорость цепной реакции деления ядер характеризуют коэффициентом размножения нейтронов. Коэффициент размножения нейтронов k — отношение числа нейтронов в данном этапе цепной реакции к их числу в предыдущем этапе.
Если k 1, то число нейтронов увеличивается с течением времени или остаётся постоянным и цепная реакция идет. Коэффициент размножения k может стать равным единице лишь при условии, что размеры реактора и соответственно масса урана превышают некоторые критические значения. Критической массой называют наименьшую массу делящегося вещества, при которой может протекать цепная реакция. Число нейтронов, образующихся при делении ядер, зависит от объема урановой среды. Чем больше этот объем, тем большее число нейтронов выделяется при делении ядер. Начиная с некоторого минимально-критического объема урана, имеющего определенную критическую массу, реакция деления ядер становится самоподдерживающейся.
Возможна реакция с образованием двух нейтронов: 1. Задание ученикам: восстановить реакцию. Задание ученикам: подпишите элементы рисунка. При полном делении всех ядер, имеющихся в 1 г урана, выделяется столько энергии, сколько выделяется при сгорании 2,5 т нефти.
Процесс деления атомного ядра можно объяснить на основе капельной модели ядра. Согласно этой модели сгусток нуклонов напоминает капельку заряженной жидкости. Ядерные силы между нуклонами являются короткодействующими подобно силам, действующим между молекулами жидкости. Наряду с большими силами электростатического отталкивания между протонами, стремящимися разорвать ядро на части, действуют еще большие ядерные силы притяжения.
Эти силы удерживают ядро от распада. Ядро урана-235 имеет форму шара. Ядро растягивается до тех пор, пока силы электрического отталкивания между половинками вытянутого ядра не начинают преобладать над силами ядерного притяжения, действующими в перешейке. После этого ядро разрывается на две части.
В результате число делящихся ядер очень быстро увеличивается. Возникает цепная реакция. Цепной ядерной реакцией называется реакция, в которой нейтроны образуются как продукты этой реакции, способные вызывать деление других ядер. Следовательно, число нейтронов, рождающихся в каждом поколении, нарастает в геометрической прогрессии.
Тепловая энергия, получаемая от Солнца, в этом балансе не учитывается. Если такую большую разницу пытаться объяснить только радиогенным теплом из внутренних областей планеты, то Земля в целом должна иметь нереально большие запасы радиоактивных элементов. Но вот в цепных ядерных реакциях как раз выделяется тепла в несколько раз больше, чем при естественном радиоактивном распаде.
Цепной механизм выделения энергии мог бы объяснить и упомянутый тепловой дисбаланс, и многие другие необычные явления. И если гипотетические реакторы расположены глубоко в недрах, то понятно, почему следы их активности не удалось найти в урановых месторождениях за исключением Окло. Искали где ближе, но, может, стоит «копнуть вглубь»?
Итак, предположим, что где-то в теле Земли действует такой реактор. По каким признакам его можно обнаружить? Один из методов поиска — анализ продуктов деления, мигрирующих из зоны реакции и достигающих земной поверхности.
В частности, очень интересен изотопный состав «солнечного элемента» — гелия. Природный гелий состоит из двух стабильных изотопов: 4He и 3He. Гелий-4 попадает в атмосферу в результате естественного распада урана и тория.
В воздухе на миллион атомов гелия-4 приходится всего полтора атома гелия-3. Но в базальтах срединно-океанических хребтов изотопа 3He больше уже в 8 раз, а в некоторых изверженных магматических горных породах — в 40! Как объяснить происхождение гелия с высоким содержанием изотопа 3He?
Какие физические процессы могут быть ответственны за это? Обычный радиоактивный распад явно не годится, так как он продуцирует исключительно гелий-4. Попробуем привлечь на помощь ядерные реакции деления.
Известно, что при работе реактора тяжелые ядра, поглощая нейтрон, становятся неустойчивыми и могут делиться на два крупных осколка с испусканием легких заряженных частиц и 2—3 нейтронов. В конечном продукте совокупности таких реакций доли обоих изотопов гелия хотя и отличаются, но представляют собой величины одного порядка. Напомним, что в «стандартном» атмосферном гелии их концентрации различаются на шесть порядков!
Таким образом, относительно высокое содержание гелия-3, наблюдаемое в магматических породах, поднявшихся на поверхность из земных недр, может служить косвенным свидетельством работы глубинного геореактора. Уран выпал в осадок? Прежде чем продолжить разговор, хочется еще раз подчеркнуть принципиальное различие между естественным радиоактивным распадом и ядерной реакцией деления, ибо разница эта не всегда очевидна на неискушенный взгляд.
Обычная радиоактивность — это самопроизвольный распад атомных ядер; для реакции деления обязательно требуется взаимодействие с внешней частицей нейтроном. По этой причине для осуществления ядерной реакции нужна достаточная концентрация активного вещества; для спонтанного распада концентрация не имеет никакого значения. Если в недрах Земли действительно идут цепные реакции, значит, там должны присутствовать скопления радиоактивных элементов актиноидов.
Как и где именно они образовались? На этот счет существует множество разных точек зрения: от мантии до геометрического центра Земли. Анисичкин с соавторами предложили обоснованную гипотезу, согласно которой местом критической концентрации урана и тория могла быть поверхность твердого внутреннего ядра Земли.
Эта концепция во многом базируется на работах по растворимости диоксида урана UO2 , проведенных в конце 1990-х гг. В экспериментах на аппарате высокого давления типа «разрезная сфера» А. Туркиным было показано, что растворимость UO2 в расплавах на основе железа с ростом давления уменьшается.
Исследуемый диапазон давлений составлял 5—10 ГПа для сравнения: в центре Земли давление около 360 ГПа. Поскольку в природе уран встречается преимущественно в виде оксидов, то логично сделать вывод: чем глубже, тем хуже будет растворяться уран! Этот важный экспериментальный факт наводит на мысль, что миграция актиноидов в теле Земли могла быть следующей.
После образования планеты в океане магмы, состоящей, в основном, из расплавов железа и силикатов, присутствовали и соединения урана. Со временем магма остывала, и происходило гравитационное разделение вещества по плотности. Силикаты, кристаллизуясь, всплывали в магме, плотность которой за счет железа была выше.
Соединения же тяжелых актиноидов, выделяясь из расплава по мере роста давления и кристаллизуясь, оседали на внутреннее твердое железоникелевое ядро планеты. Из сейсмологических исследований известно, что переходная зона между внешним жидким и внутренним твердым ядром Земли толщиной 2—3 км имеет мозаичную структуру. При этом основными структурными элементами являются относительно тонкие взвешенные слои протяженностью до нескольких десятков километров.
Возможно, именно они и являются областями концентрации тяжелых радиоактивных элементов. Не можешь найти — моделируй! Когда речь идет о процессах на глубинах в тысячи километров, следует иметь в виду, что, с одной стороны, они недоступны непосредственному экспериментальному исследованию, с другой — их не всегда возможно изучать и в лабораторных установках, где трудно создать аналогичные физические условия.
Но в современной науке существует еще один универсальный инструмент познания — компьютерное моделирование. В 2005 г.
Разделяя неразделимое
Каким бывает распад Радиоактивность, как уже было сказано выше, была обнаружена в веществах, которые можно найти в природе: уране, полонии, радии. Например, только что добытый, чистый уран радиоактивен. Процесс расщепления в данном случае будет спонтанным. Без каких-либо внешних воздействий определенное количество атомов урана испустит альфа-частицы, самопроизвольно преобразуясь в торий. Есть показатель, который называется периодом полураспада. Он показывает, за какой промежуток времени от начального числа части останется примерно половина. Для каждого радиоактивного элемента период полураспада свой — от долей секунды для калифорния до сотен тысяч лет для урана и цезия. Но существует и вынужденная радиоактивность. Если ядра атомов бомбардировать протонами или альфа-частицами ядрами гелия с высокой кинетической энергией, то они могут «расколоться».
Механизм превращения, конечно, отличается от того, как разбивается любимая мамина ваза. Однако некая аналогия прослеживается. Энергия атома Пока что мы не ответили на вопрос практического характера: откуда при делении ядра берется энергия. Для начала надо пояснить, что при образовании ядра действуют особые ядерные силы, которые называются сильным взаимодействием. Так как ядро состоит из множества положительных протонов, остается вопрос, как они держатся вместе, ведь электростатические силы должны достаточно сильно отталкивать их друг от друга. Ответ одновременно и прост, и нет: ядро держится за счет очень быстрого обмена между нуклонами особыми частицами — пи-мезонами. Эта связь живет невероятно мало. Как только прекращается обмен пи-мезонами, ядро распадается.
Также точно известно, что масса ядра меньше суммы всех составляющих его нуклонов. Этот феномен получил название дефекта масс. Фактически недостающая масса — это энергия, которая затрачивается на поддержание целостности ядра. Как только от ядра атома отделяется какая-то часть, эта энергия выделяется и на атомных электростанциях преобразуется в тепло. То есть энергия деления ядра — это наглядная демонстрация знаменитой формулы Эйнштейна. Теория и практика Теперь расскажем, как это сугубо теоретическое открытие используется в жизни для получения гигаватт электроэнергии. Во-первых, необходимо отметить, что в управляемых реакциях используется вынужденное деление ядер. Чаще всего это уран или полоний, которые бомбардируется быстрыми нейтронами.
Во-вторых, нельзя не понимать, что деление ядер сопровождается созданием новых нейтронов. В результате количество нейтронов в зоне реакции способно нарастать очень быстро. Каждый нейтрон сталкивается с новыми, еще целыми ядрами, расщепляет их, что приводит к росту выделения тепла. Это и есть цепная реакция деления ядер. Неконтролируемый рост количества нейтронов в реакторе способен привести к взрыву. Именно это и произошло в 1986 году на Чернобыльской АЭС. Поэтому в зоне реакции всегда присутствует вещество, которое поглощает лишние нейтроны, предотвращая катастрофу. Это графит в форме длинных стержней.
Скорость деления ядер можно замедлить, погружая стрежни в зону реакции.
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. По совпадению ее племянник Отто Роберт Фриш, тоже беженец, также был в Швеции, когда Мейтнер получила письмо от Хана, в котором описывалось его химическое доказательство того, что часть продукта бомбардировки урана нейтронами была барием атомный вес бария вдвое меньше, чем у урана.
Фриш был настроен скептически, но Мейтнер считала, что Хан был слишком хорошим химиком, чтобы совершить ошибку.
Вода принимает состояние пара с высоким давлением, который направляется в турбину, соединенную с электрогенератором, после чего вода попадает в конденсатор. Отсутствие утечки радиации обусловлено работой теплоносителя I II по замкнутым циклам. Турбина атомной электростанции используется в качестве тепловой машины, которая определяет по второму закону термодинамики общую эффективность станций.
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? 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.
Видео-стенд "Магия Деления ядра урана" в парке "Патриот"
| Деление атома - Coub - The Biggest Video Meme Platform | Газ, скапливающийся в ядерном топливе в результате реакций деления, может быстро выходить из него благодаря давлению атомов топлива. |
| Два атома заставили двигаться синхронно на расстоянии 33 км | Новости. Знакомства. |
| Деление атома | Было установлено, что все химические свойства веществ определяются строением электронных оболочек атомов. |
| Закон деления атома - Обзор прессы - Энергетика и промышленность России | Высвобождение дополнительных нейтронов в процессе деления может привести к распаду других соседних атомов U-235. |
Используя принципы квантовой механики, ученым удалось расщепить атом и затем соединить его снова
МЦОУ - это единственный реализованный проект в мире, который гарантирует любой стране, встающей на путь развития атомной энергетики. Лекция из курса: Физика атомного ядра и частиц. На этой странице вы можете посмотреть видео «Деление атома: перспективы международного рынка атомной энергетики» с RuTube канала «РБК». Ядерные реакторы на АЭС, атомных судах и подводных лодках используют деление ядер урана (иногда вместе с плутонием). В критическом реакторе деления нейтроны, образующиеся при делении атомов топлива, используются для того, чтобы вызвать еще большее количество делений.
Разделяя неразделимое
Когда нейтрон сталкивается с атомным ядром, это вызывает деление атома, сопровождаясь высвобождением энергии и дополнительных нейтронов. Ядерным (или атомным) реактором называется устройство, в котором осуществляется управляемая реакция деления ядер. И если Счётная палата хотела узнать, что творится в большом атомном хозяйстве Кириенко, последний немедленно жаловался на «притеснения» в президентские структуры. Новости. Знакомства. ЯДЕР ДЕЛЕНИЕ, ядерная реакция, в которой атомное ядро при бомбардировке нейтронами расщепляется на два или несколько осколков. атом стоковые видео и кадры b-roll.