انشطار نواة اليورانيوم والتفاعل المتسلسل. انشطار اليورانيوم

انشطار النوى الذريةهي عملية انقسام النواة إلى قسمين متساويين تقريبًا. عادة، تحدث هذه العملية عندما يدخل بعض الجسيمات - نيوترون، بروتون، جسيم ألفا، وما إلى ذلك - إلى نواة ثقيلة، وفي مثل هذه الحالات، يسمى الانشطار القسري. ولكن في بعض الأحيان يحدث الانقسام تلقائيا، ويسمى هذا الانقسام عفويا.

آلية التقسيم القسري.عندما يدخل جسيم (نيوترون على سبيل المثال) إلى النواة، تتحرر طاقة ربطه داخل النواة ه شارع.. يضاف إليها جزء كبير من الطاقة الحركية للجسيم هونتيجة لذلك تدخل النواة في حالة مثارة، ويصبح إجمالي طاقة الإثارة مساوية لـ ه * = ه شارع. + ه·أ/(أ+1).يتجلى هذا الإثارة في شكل حركة متسارعة لجميع نويات النواة، "تغلي" النواة، وتمتد الموجات على طول سطحها، وما إلى ذلك. ثم يحدث أحد الأمرين. إما أن تغادر الطاقة الزائدة النواة مع انبعاث واحد أو أكثر من كوانتا جاما (أي سيحدث الالتقاط الإشعاعي للجسيم الوارد). إما أنه نتيجة تذبذبات "السائل" النووي يتشكل انقباض في القلب، فيأخذ القلب شكل الدمبل، وتحت تأثير تنافر كولومب لشحنات نصفي هذا " الدمبل"، سوف ينفجر الانقباض، وسوف يطير جزأا النواة السابقة بعيدًا في اتجاهين متعاكسين مع طاقة كبيرة تتلقاها من نفس قوى تنافر كولوم للشحنات الكهربائية المشابهة. وتسمى النصفين الناتجين من النواة الأصلية شظايا الانشطار. وتحت تأثير قوى التوتر السطحي، ستكتسب شكلًا كرويًا وتصبح نوى ذرات جديدة ذات كتل تساوي تقريبًا نصف كتلة نواة اليورانيوم، أي. ذرات العناصر الموجودة في منتصف الجدول الدوري.

حاجز الانشطار المحتمل.لكي تنقسم النواة، يجب أولاً أن تحصل على تشوه كبير بما فيه الكفاية، والذي ينشأ نتيجة لطاقة الإثارة المنقولة إلى النواة - وإلا فإن النواة سوف تتقلص إلى كرة ولن يحدث الانقسام. الحد الأدنى من طاقة الإثارة التي يصبح عندها الانشطار ممكنًا يسمى حاجز الانشطار المحتملويشار إليه بالرمز ش F. الانشطار ممكن إذا كانت طاقة الإثارة للنواة ه * > ش F. لو ه * < ش F، فالانقسام مستحيل. جميع النوى الثقيلة (الثوريوم واليورانيوم والبلوتونيوم وغيرها) لها قيم ش Fتقريبًا نفس الشيء ويساوي 5.1 – 5.4 MeV. في مثل هذه الظروف، يجب على جميع النوى الثقيلة أن تظهر نفس القدرة على الانشطار. ومع ذلك، فهو ليس كذلك.

ومن المعروف أنه بالنسبة لانشطار النيوترونات فإن النوى تنقسم إلى مجموعتين مختلفتين:

حبات غريبة مثل 233 ش, 235 ش, 239 بو, 241 بو. همتنشطر بسهولة بواسطة أي نيوترون، حتى النيوترونات الحرارية، ولهذا السبب يطلق عليها غالبًا نوى "الوقود"؛

حتى وحتى النواة 232 ذ, 234 ش, 238 ش, 240 بو, 242 بو النيوترونات الحرارية لا تنشطر، لذلك يطلق عليها غالبًا "النيوترونات الخام".

يحدث هذا لأنه عندما يصطدم نيوترون بنواة فردية، تتشكل نواة زوجية (على سبيل المثال، 235 ش + ن → 236 ش), طاقة الربط للنيوترون مرتفعة بشكل خاص، بحيث أنه حتى عند الطاقة الحركية للنيوترون صفر، تكون طاقة الإثارة أكبر من ارتفاع حاجز الانشطار، وتنقسم النواة بسهولة.

عندما يصطدم نيوترون بنواة زوجية (على سبيل المثال، 238 ش + ن → 239 ش)، يتم تشكيل نواة غريبة، وتكون طاقة ربط النيوترون أقل بكثير، ولا تكفي للتغلب على حاجز الانشطار. ولكن إذا لم يدخل نيوترون حراري، ولكن نيوترون سريع ذو طاقة حركية كبيرة بما فيه الكفاية، إلى النواة، فقد يتبين أن إجمالي طاقة الإثارة ه * > ش F، وسوف يحدث الانقسام. تسمى الطاقة الحركية الدنيا للنيوترون التي يصبح عندها انشطار النواة الزوجية ممكنا عتبة طاقة الانشطار E .منذ ذلك الحين. للنواة 238 ش هذه الطاقة ه .منذ ذلك الحين≈ 1 ميغا إلكترون فولت. طاقات العتبة للأنوية الزوجية الأخرى لها نفس القيم تقريبًا. لذا فإن كل هذه النوى تنشطر أيضًا، ولكن فقط بواسطة النيوترونات السريعة.

الانقسام العفوي.بسبب الحمل الزائد الكبير للبروتونات، التي تتنافر مع القوى الكهروستاتيكية وبالتالي تحاول تمزيق النواة، فإن النوى الثقيلة غير مستقرة للغاية وبالتالي فهي قادرة على الانقسام من تلقاء نفسها، دون أي تأثير خارجي. ويسمى هذا التقسيم التلقائي الانشطار التلقائي. يحدث الانشطار التلقائي، على غرار اضمحلال ألفا، من خلال تأثير النفق للشظايا التي تمر عبر حاجز الانشطار. ولكن نظرًا للشحنة الكبيرة للشظايا، فإن احتمال مرورها عبر الحاجز المحتمل أثناء انشطار نواة اليورانيوم أقل بكثير من احتمالية جزيئات ألفا، وبالتالي فإن عمر النصف بالنسبة للانشطار التلقائي يكون كثيرًا طويل. لذلك بالنسبة لاضمحلال ألفا لنواة اليورانيوم 238 هذه الفترة ت α = 4.5 10 9 سنوات، أما بالنسبة للانشطار التلقائي ت F= 10 16 سنة، أي. 2.5 مليون مرة أكثر. ومع زيادة الشحنة النووية، ترتفع القيم ت Fتتناقص بسرعة. لذلك بالنسبة لنواة عناصر ما بعد اليورانيوم الاصطناعية (انظر أدناه) بقيمة Z> 100 ت Fيتم قياسها بالدقائق وحتى الثواني، وبالنسبة لبعض النويدات، يصبح الانشطار التلقائي نوعًا أكثر تفضيلاً من الاضمحلال. هذا يسمح لنا بإحصاء الانشطار التلقائي النوع الرابع من الاضمحلال الإشعاعيبالإضافة إلى اضمحلال ألفا وبيتا وجاما.

إطلاق الطاقة أثناء الانشطار النووي.الرسم البياني في الشكل 1.1. يُظهر أن طاقة الارتباط المحددة للنيوكليونات في نواة اليورانيوم (≈ 7.5 MeV/نوكليون) أقل بكثير من طاقة النوى ذات نصف الكتلة (≈ 8.4 MeV/نوكليون)، والتي يتم الحصول عليها أثناء الانشطار على شكل شظايا. وهذا يعني أن الشظايا مرتبطة بقوة أكبر بكثير من نواة اليورانيوم، وأثناء تكوينها، بسبب إعادة ترتيب النيوكليونات، يتم إطلاق طاقة الربط الزائدة بمبلغ حوالي 0.9 ميجا فولت لكل نيوكليون. وبما أن 236 نيوكليون يشارك في انشطار نواة واحدة، فإن إجمالي الطاقة المنطلقة أثناء انشطار نواة واحدة هو 236·0.9 ≈ 212 MeV. ويذهب الجزء الأكبر من هذه الطاقة إلى الشظايا على شكل طاقتها الحركية. ولكن عندما تنشطر النواة، بالإضافة إلى الشظايا، يتم إطلاق عدة جزيئات مختلفة تحمل بقية الطاقة. ويرد في الجدول 1.3 توزيع الطاقة التقريبي بين الجسيمات المختلفة أثناء انشطار نواة اليورانيوم بواسطة النيوترونات الحرارية. يتوافق إجمالي كمية الطاقة (215 ميجا فولت) جيدًا مع التقدير المذكور أعلاه (212 ميجا فولت). ومن هذه الكمية من الطاقة، تحمل النيوترينوات المضادة 10 ميغا إلكترون فولت بعيدًا إلى الفضاء الخارجي، وبالتالي "خسائر لا يمكن تعويضها". يتم امتصاص الطاقة المتبقية في مواد المفاعلات المختلفة ويتم تحويلها في النهاية إلى طاقة حرارية، والتي يتم استخدامها إما بشكل مباشر (في محطات الطاقة النووية ومحطات الطاقة النووية) أو لتوليد تيار كهربائي (في محطات الطاقة النووية ومحطات الطاقة النووية).

الجدول 1.3. توزيع الطاقة أثناء انشطار النوى الثقيلة

المقاطع العرضية الانشطارية الفعالة.النوى التي تنشطر مع النيوترونات الحرارية قادرة أيضًا على الانشطار مع النيوترونات المتوسطة والسريعة؛ لذلك، بالنسبة لها، كما هو الحال مع الالتقاط الإشعاعي (انظر أعلاه)، من الضروري مراعاة خصائص سلوك المقاطع العرضية الانشطارية في جميع المناطق الثلاث.

وفي منطقة النيوترونات الحرارية، تتغير المقاطع العرضية الانشطارية أيضًا مع زيادة الطاقة وفقًا لقانون "1/v". وترد في الجدول 1.4 قيم المقاطع العرضية الانشطارية σ f المتوسطة على هذه المنطقة.

الجدول 1.4. المقاطع العرضية لانشطار بعض النوى بواسطة النيوترونات الحرارية

لسوء الحظ، عندما يدخل نيوترون إلى نواة اليورانيوم أو البلوتونيوم، لا يمكن أن يحدث الانشطار فحسب، بل يمكن أن يحدث أيضًا التقاط الإشعاع للنيوترون دون انشطار، على سبيل المثال 235 U(n,γ) 236 U. وهذه العملية ضارة بتشغيل المفاعل. ، وذلك مضاعف:

يُفقد النيوترون، الذي لا يمكنه المشاركة في التفاعل المتسلسل الانشطاري؛

يتم فقدان نواة الوقود النووي 235 U، وتتحول إلى النواة الزوجية 236 U، والتي، كما ذكرنا أعلاه، لا تنشطر بواسطة النيوترونات الحرارية.

ولكن كما يتبين من الجدول 5، فإن المقاطع العرضية للانشطار في جميع الحالات تكون أكبر من المقاطع العرضية لالتقاط الإشعاع، وبالتالي فإن عملية الانشطار المفيدة تحدث باحتمال أكبر من عملية احتجاز الإشعاع غير المرغوب فيه. ويتجلى ذلك بشكل خاص من خلال نسب المقاطع العرضية لهاتين العمليتين (السطر الأخير في الجدول 1.4).

في منطقة النيوترونات الوسيطة، يكشف اعتماد المقاطع العرضية الانشطارية على الطاقة، وكذلك أثناء الالتقاط الإشعاعي، عن قمم الرنين. في المتوسط، في هذه المنطقة تكون قيم معامل "ألفا" أعلى قليلاً مما هي عليه في منطقة النيوترونات الحرارية، لذلك، على الرغم من بناء مفاعلات نيوترونية متوسطة، إلا أنها لا تستخدم على نطاق واسع.

في منطقة النيوترونات السريعة، يصبح اعتماد المقاطع العرضية الانشطارية على طاقة النيوترونات سلسًا، ولكن على عكس المقاطع العرضية للالتقاط الإشعاعي، فإن المقاطع العرضية الانشطارية لا تتناقص مع زيادة طاقة النيوترونات فحسب، بل تزيد إلى حد ما. وهذا يؤدي إلى تحسن كبير في نسبة احتمالات التقاط وانشطار النيوترونات الإشعاعية، وخاصة بالنسبة للبلوتونيوم، حيث تكون النسبة α = 0.029 للنيوترونات السريعة، أي. أفضل بـ 12 مرة من النيوترونات الحرارية. يرتبط هذا الظرف بإحدى المزايا الرئيسية للمفاعلات النووية التي تعمل بالنيوترونات السريعة مقارنة بالمفاعلات الحرارية.

المقاطع العرضية الانشطارية للنويدات الزوجية حتى عتبة الانشطار تساوي بطبيعة الحال الصفر، وفوق هذه العتبة، على الرغم من اختلافها عن الصفر، فإنها لا تكتسب أبدًا قيمًا كبيرة. وبالتالي فإن المقطع العرضي للانشطار هو 238 U عند الطاقات التي تزيد عن 1 ميغا إلكترون فولت، يتبين أنها تبلغ حوالي 0.5 بارن.

شظايا الانشطار.على الرغم من الطاقة العالية (حوالي 82 ميغا إلكترون فولت لكل قطعة)، تبين أن نطاقات الشظايا في الهواء ليست أكثر، وحتى أقل إلى حد ما من نطاقات جسيمات ألفا (حوالي 2 سم). وهذا على الرغم من حقيقة أن جسيمات ألفا لديها طاقات أقل بكثير (4 - 9 ميغا إلكترون فولت). يحدث هذا لأن الشحنة الكهربائية للقطعة أكبر بكثير من شحنة جسيم ألفا، وبالتالي فهي تفقد الطاقة بشكل أكثر كثافة لتأين وإثارة ذرات الوسط.

وأظهرت قياسات أكثر دقة أن مسارات الشظايا، كقاعدة عامة، ليست هي نفسها، ويتم تجميعها حول قيم 1.8 و 2.2 سم.

بشكل عام، يمكن للانشطار أن ينتج شظايا ذات مجموعة واسعة من الأعداد الكتلية تتراوح من 70 إلى 160 (أي حوالي 90 قيمة مختلفة)، ولكن الشظايا التي لها مثل هذه الكتل تتشكل باحتمالات مختلفة. عادة ما يتم التعبير عن هذه الاحتمالات بما يسمى يخرج جزء ي أمع عدد كتلي معين أ: ي أ = ن أ / ن F، أين ن أ- عدد الأجزاء ذات العدد الكتلي أالتي نشأت خلال ن F، الانشطار النووي. عادة الحجم ي أيتم التعبير عنها كنسبة مئوية.

منحنى توزيع ناتج شظايا الانشطار حسب الأعداد الكتلية له حدان أقصى (أو "حدبات")، مع وجود حد أقصى واحد في المنطقة A = 90، والثاني في المنطقة A = 140. لاحظ أن النوى ذات هذه الكتل تقريبًا هي التي توجد غالبًا في الآثار - التداعيات بعد التجارب النووية أو الحوادث النووية. ويكفي أن نتذكر آثار النويدات مثل 131 I، 133 I، 90 Sr، 137 Cs.

تبين أن نسبة عدد النيوترونات إلى عدد البروتونات الموجودة في الشظايا في اللحظة الأولى هي نفسها تقريبًا كما كانت في نواة اليورانيوم، أي. 143:92 = 1.55. لكن بالنسبة للنوى المستقرة ذات الكتل المتوسطة، والتي تنتمي إليها الشظايا، تكون هذه النسبة أقرب بكثير إلى الوحدة: على سبيل المثال، بالنسبة للنواة المستقرة 118 Sn، تبلغ هذه النسبة 1.36. وهذا يعني أن نوى الشظايا مثقلة بالنيوترونات بشكل كبير، وسيحاولون التخلص من هذا الحمل الزائد من خلال اضمحلال بيتا، الذي تتحول فيه النيوترونات إلى بروتونات. في الوقت نفسه، لكي يتحول الجزء الأولي إلى نويدة مستقرة، قد تكون هناك حاجة إلى العديد من عمليات اضمحلال بيتا المتتالية، وتشكيل سلسلة كاملة، على سبيل المثال:

(مستقر).

يوجد هنا، تحت الأسهم، فترات نصف العمر للنويدات: س-ثواني، ح-يشاهد، ذ-سنين. لاحظ أن الشظية الانشطارية تسمى عادة فقط النواة الأولى التي تنشأ مباشرة أثناء انشطار نواة اليورانيوم (في هذه الحالة، 135 بينالي الشارقة). وتسمى جميع النويدات الأخرى الناتجة عن اضمحلال بيتا، بالإضافة إلى الشظايا والنويدات النهائية المستقرة منتجات الانشطار. وبما أن العدد الكتلي لا يتغير على طول السلسلة، فإن العدد الإجمالي لهذه السلاسل التي يمكن تشكيلها أثناء انشطار نواة اليورانيوم يساوي عدد الأعداد الكتلية التي يمكن أن تنشأ، أي. حوالي 90. وبما أن كل سلسلة تحتوي في المتوسط ​​على 5 نويدات مشعة، فمن بين منتجات الانشطار يمكن للمرء أن يحصي حوالي 450 نويدات مشعة مع مجموعة واسعة من فترات نصف العمر من كسور الثانية إلى ملايين السنين. في المفاعل النووي، يؤدي تراكم منتجات الانشطار إلى حدوث مشاكل معينة، وذلك لأن أولاً، تمتص النيوترونات وبالتالي تعقد التفاعل المتسلسل الانشطاري، وثانيًا، بسبب اضمحلال بيتا، يحدث توليد الحرارة المتبقية، والذي يمكن أن يستمر لفترة طويلة جدًا بعد إغلاق المفاعل (يستمر توليد الحرارة في بقايا المفاعل). مفاعل تشيرنوبيل حتى يومنا هذا). يشكل النشاط الإشعاعي للمنتجات الانشطارية أيضًا خطرًا كبيرًا على البشر.

النيوترونات الانشطارية الثانوية.تسمى النيوترونات التي تسبب الانشطار النووي بالنيوترونات الأولية، والنيوترونات التي تنتج أثناء الانشطار النووي تسمى الثانوية. تنبعث النيوترونات الانشطارية الثانوية من الشظايا في بداية حركتها. وكما ذكرنا من قبل، فإن الشظايا التي تلي الانشطار مباشرة تكون مثقلة بالنيوترونات؛ في هذه الحالة، تتجاوز طاقة الإثارة للشظايا طاقة الربط للنيوترونات الموجودة فيها، مما يحدد مسبقًا إمكانية هروب النيوترونات. عند مغادرة قلب الشظية، يحمل النيوترون جزءًا من الطاقة معه، ونتيجة لذلك تنخفض طاقة الإثارة في قلب الشظية. بعد أن تصبح طاقة إثارة نواة الشظية أقل من طاقة ربط النيوترونات الموجودة فيها، يتوقف انبعاث النيوترونات.

عند انشطار نوى مختلفة، يتم إنتاج أعداد مختلفة من النيوترونات الثانوية، عادة من 0 إلى 5 (في أغلب الأحيان 2-3). بالنسبة لحسابات المفاعل، فإن متوسط ​​عدد النيوترونات الثانوية المنبعثة في كل حدث انشطاري له أهمية خاصة. يُشار إلى هذا الرقم عادةً بالحرف اليوناني ν (nu) أو في أغلب الأحيان ν f. تعتمد قيم ν f على نوع النواة الانشطارية وعلى طاقة النيوترونات الأولية. وترد بعض الأمثلة في الجدول 1.5. توضح البيانات الواردة في هذا الجدول أن قيم ν f تزداد مع زيادة شحنة وكتلة النواة الانشطارية، ومع زيادة طاقة النيوترونات الأولية.

الجدول 1.5. متوسط ​​كميات النيوترونات الثانوية التي يتم إنتاجها أثناء الانشطار النووي بواسطة النيوترونات الحرارية والسريعة

ترتبط ميزة أخرى لمفاعلات النيوترونات السريعة بالظرف الأخير - حيث يسمح لها عدد أكبر من النيوترونات الثانوية بتنفيذ عملية التكاثر الموسع للوقود النووي (انظر أدناه). تنشأ النيوترونات الثانوية أيضًا أثناء الانشطار التلقائي للنوى. لذلك ν و (U-238) = 1.98، و ν f (Cf-252) = 3.767.

تشبه عملية انبعاث النيوترونات الثانوية بواسطة نوى الشظايا شديدة الإثارة عملية تبخر الجزيئات من سطح قطرة سائل شديدة الحرارة. ولذلك فإن طيف الطاقة للنيوترونات الثانوية يشبه توزيع ماكسويل للجزيئات أثناء الحركة الحرارية. الحد الأقصى لهذا الطيف يكمن في طاقة تبلغ 0.8 ميغا إلكترون فولت، ويبلغ متوسط ​​طاقة النيوترونات الانشطارية الثانوية حوالي 2 ميغا إلكترون فولت.

يهرب الجزء الرئيسي من النيوترونات الثانوية من نوى الشظايا في المتوسط ​​خلال 10 -14 ثانية بعد الانشطار النووي، أي. على الفور تقريبا. لذلك، يسمى هذا الجزء من النيوترونات الثانوية بالنيوترونات السريعة. ولكن هناك أيضا ما يسمى النيوترونات المتأخرة، والتي تلعب دورًا مهمًا ومميزًا جدًا في المفاعلات .

تأخر النيوترونات أثناء الانشطار النووي.تظهر التجربة أن جزءًا صغيرًا من النيوترونات الثانوية (عادةً< 1 %) испускается облученным нейтронами образцом делящегося материала спустя долгое время после прекращения облучения, когда деления ядер в образце тоже, естественно, уже не происходят. Происхождение запаздывающих нейтронов связано с бета-распадом некоторых осколков деления. Если бета-распад происходит на уровень конечного ядра, энергия возбуждения которого превышает энергию связи нейтрона, то распад ядра из этого состояния может произойти не путем испускания гамма-кванта, как обычно, а путем испускания нейтрона. Вылет нейтрона происходит практически в то же мгновение, как только образуется возбужденное ядро, но относительно процесса деления исходного ядра этот момент оказывается отодвинутым на время, которое потребовалось для бета-распада осколка. Поэтому запаздывающие нейтроны вылетают практически одновременно с бета-частицами, и их выход во времени описывается таким же экспоненциальным законом и с тем же периодом полураспада, что и бета-распад осколка.

يتم تعريف جزء النيوترونات المتأخرة على أنها نسبة عدد النيوترونات المتأخرة إلى عدد جميع نيوترونات الانشطار الثانوية: β = ن انطلق. ن / ن ن. وترد في الجدول 1.6 قيم β لبعض النوى عند انشطارها بواسطة نيوترونات ذات طاقات مختلفة.

الجدول 1.6. نسب النيوترونات المتأخرة أثناء الانشطار النووي

نظرًا لأن النيوترونات المتأخرة يمكن أن تنشأ من اضمحلال نوى شظايا مختلفة (تسمى نوى سلائف النيوترونات المتأخرة)، والتي تضمحل كل منها بنصف عمر خاص بها، فإن النيوترونات المتأخرة تشكل عدة مجموعات، لكل منها نصف عمر خاص بها. وترد المعالم الرئيسية لهذه المجموعات في الجدول. 1.7. في هذا الجدول، يتم تطبيع الإنتاجية النسبية للنيوترونات المتأخرة إلى الوحدة. تكون طاقات النيوترونات المتأخرة أقل إلى حد ما من متوسط ​​طاقة النيوترونات السريعة (2 MeV)، لأنها تنبعث من شظايا أقل إثارة. لا تتزامن فترات نصف العمر لمجموعات النيوترونات المتأخرة تمامًا مع فترات نصف العمر للسلائف المعزولة، لأنه في الواقع يوجد عدد أكبر بكثير من سلائف النيوترونات المتأخرة - وقد وجد بعض الباحثين ما يصل إلى عشرات منها. تندمج النيوترونات من أسلافها ذات فترات مماثلة في مجموعة واحدة ذات فترة متوسطة معينة، والتي يتم إدخالها في الجداول. وللسبب نفسه، يعتمد ناتج المجموعات وفتراتها على نوع النواة الانشطارية وطاقة النيوترونات الأولية، لأنه عندما يتغير هذان المعلمان يتغير ناتج الانشطار، وبالتالي تكوين المجموعات يتغير أيضا.

الجدول 1.7. معلمات مجموعات النيوترونات المتأخرة أثناء انشطار 235 يو بواسطة النيوترونات الحرارية

النيوترونات المتأخرة تلعب دورًا حاسمًا في التحكم في التفاعل المتسلسل الانشطاريوتشغيل المفاعل النووي بأكمله.

إشعاع غاما اللحظي أثناء الانشطار.عندما يغادر النيوترون الأخير الجزء، عندما تكون طاقة الإثارة لنواة الجزء أقل من طاقة ربط النيوترون الموجود فيه، يصبح المزيد من الهروب للنيوترونات الفورية مستحيلاً. لكن بعض الطاقة الإضافية لا تزال موجودة في الجزء. يتم نقل هذه الطاقة الزائدة بعيدًا عن النواة بواسطة سلسلة من أشعة جاما المنبعثة. كما هو مذكور أعلاه، فإن الطاقة الإجمالية لأشعة جاما اللحظية تبلغ حوالي 8 ميجا فولت، ومتوسط ​​عددها لكل انشطار هو حوالي 10، وبالتالي، فإن متوسط ​​طاقة أشعة جاما الواحدة أثناء انشطار النوى الثقيلة يبلغ حوالي 0.8 ميجا فولت.

وبالتالي، فإن المفاعل النووي هو مصدر قوي ليس فقط للنيوترونات، ولكن أيضًا لأشعة جاما، ومن الضروري الحماية من هذين النوعين من الإشعاع.

في عام 1934، قرر E. Fermi الحصول على عناصر ما بعد اليورانيوم عن طريق تشعيع 238 U بالنيوترونات. كانت فكرة E. Fermi أنه نتيجة لاضمحلال β للنظير 239 U، يتم تشكيل عنصر كيميائي برقم ذري Z = 93. ومع ذلك، لم يكن من الممكن تحديد تكوين العنصر 93. بدلا من ذلك، نتيجة للتحليل الكيميائي الإشعاعي للعناصر المشعة التي أجراها O. Hahn و F. Strassmann، تبين أن أحد منتجات تشعيع اليورانيوم بالنيوترونات هو الباريوم (Z = 56) - وهو عنصر كيميائي ذو وزن ذري متوسط بينما وفقا لافتراضات نظرية فيرمي تم الحصول على عناصر ما بعد اليورانيوم.
اقترح L. Meitner وO. Frisch أنه نتيجة لالتقاط نيوترون بواسطة نواة اليورانيوم، تنهار النواة المركبة إلى جزأين

92 يو + ن → 56 با + 36 كر + ن.

يصاحب عملية انشطار اليورانيوم ظهور نيوترونات ثانوية (x> 1)، قادرة على التسبب في انشطار نوى يورانيوم أخرى، مما يفتح المجال أمام احتمال حدوث تفاعل متسلسل انشطاري - يمكن لنيوترون واحد أن يؤدي إلى نشوء نواة متفرعة. سلسلة انشطار نواة اليورانيوم. في هذه الحالة، يجب أن يزيد عدد النوى المنشطرة بشكل كبير. قام N. Bohr وJ. Wheeler بحساب الطاقة الحرجة اللازمة لنواة 236 U، التي تكونت نتيجة لالتقاط النيوترونات بواسطة نظير 235 U، للانقسام. هذه القيمة هي 6.2 ميغا إلكترون فولت، وهي أقل من طاقة الإثارة لنظير 236 يو المتكون أثناء التقاط نيوترون حراري بمقدار 235 يو. لذلك، عند التقاط النيوترونات الحرارية، من الممكن حدوث تفاعل متسلسل انشطاري قدره 235 يو. النظير الأكثر شيوعًا 238 U، تبلغ الطاقة الحرجة 5.9 MeV، بينما عند التقاط نيوترون حراري، تبلغ طاقة الإثارة لنواة 239 U الناتجة 5.2 MeV فقط. ولذلك، فإن التفاعل المتسلسل لانشطار النظير الأكثر شيوعًا في الطبيعة، 238 يو، تحت تأثير النيوترونات الحرارية، يتبين أنه مستحيل. في حدث انشطار واحد، يتم إطلاق طاقة تبلغ ≈ 200 إلكترون فولت (للمقارنة، في تفاعلات الاحتراق الكيميائي، يتم إطلاق طاقة تبلغ ≈ 10 إلكترون فولت في حدث تفاعل واحد). إن إمكانية تهيئة الظروف لتفاعل متسلسل انشطاري قد فتحت آفاقًا لاستخدام طاقة التفاعل المتسلسل لإنشاء مفاعلات ذرية وأسلحة ذرية. تم بناء أول مفاعل نووي من قبل E. Fermi في الولايات المتحدة الأمريكية في عام 1942. وفي اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية، تم إطلاق أول مفاعل نووي تحت قيادة I. Kurchatov في عام 1946. وفي عام 1954، بدأت أول محطة للطاقة النووية في العالم العمل في أوبنينسك. ويتم حاليًا توليد الطاقة الكهربائية في حوالي 440 مفاعلًا نوويًا في 30 دولة.
في عام 1940، اكتشف G. Flerov وK. Petrzhak الانشطار التلقائي لليورانيوم. يتضح مدى تعقيد التجربة من خلال الأشكال التالية. عمر النصف الجزئي بالنسبة للانشطار التلقائي لنظير 238 U هو 10 16 -10 17 سنة، في حين أن فترة اضمحلال نظير 238 U هي 4.5∙10 9 سنوات. قناة الاضمحلال الرئيسية لنظير 238 U هي اضمحلال ألفا. من أجل مراقبة الانشطار التلقائي لنظير 238 U، كان من الضروري تسجيل حدث انشطار واحد على خلفية 10 7 – 10 8 أحداث اضمحلال ألفا.
يتم تحديد احتمال الانشطار التلقائي بشكل أساسي من خلال نفاذية حاجز الانشطار. يزداد احتمال الانشطار التلقائي مع زيادة الشحنة النووية، وذلك لأن في هذه الحالة، تزداد معلمة القسمة Z 2 /A. في النظائر Z< 92-95 деление происходит преимущественно с образованием двух осколков деления с отношением масс тяжёлого и лёгкого осколков 3:2. В изотопах Z >100، يسود الانشطار المتماثل مع تكوين شظايا متساوية الكتلة. ومع زيادة الشحنة النووية، تزداد نسبة الانشطار التلقائي مقارنة بتحلل ألفا.

الانشطار النووي. قصة

1934- اكتشف إي. فيرمي، الذي قام بتشعيع اليورانيوم بالنيوترونات الحرارية، نوى مشعة بين منتجات التفاعل، والتي لا يمكن تحديد طبيعتها.
طرح L. Szilard فكرة التفاعل النووي المتسلسل.

1939- اكتشف O. Hahn وF. Strassmann الباريوم بين منتجات التفاعل.
كان L. Meitner و O. Frisch أول من أعلن أنه تحت تأثير النيوترونات، تم تقسيم اليورانيوم إلى جزأين لهما كتلة مماثلة.
أعطى N. Bohr وJ. Wheeler تفسيرًا كميًا للانشطار النووي من خلال تقديم معامل الانشطار.
طور يا فرنكل نظرية السقوط للانشطار النووي بواسطة النيوترونات البطيئة.
L. Szilard، E. Wigner، E. Fermi، J. Wheeler، F. Joliot-Curie، Y. Zeldovich، Y. Khariton أثبتوا إمكانية حدوث تفاعل متسلسل انشطاري نووي في اليورانيوم.

1940- اكتشف ج. فليروف وك. بيترزاك ظاهرة الانشطار التلقائي لنواة اليورانيوم U.

1942- قام إي. فيرمي بإجراء تفاعل انشطاري متسلسل متحكم به في المفاعل الذري الأول.

1945- أول تجربة للأسلحة النووية (نيفادا، الولايات المتحدة الأمريكية). أسقطت القوات الأمريكية قنابل ذرية على مدينتي هيروشيما اليابانية (6 أغسطس) وناغازاكي (9 أغسطس).

1946- تحت قيادة I.V. كورشاتوف، تم إطلاق أول مفاعل في أوروبا.

1954- تم إطلاق أول محطة للطاقة النووية في العالم (أوبنينسك، اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية).

الانشطار النووي.منذ عام 1934، بدأ E. Fermi في استخدام النيوترونات لقصف الذرات. منذ ذلك الحين، زاد عدد النوى المستقرة أو المشعة التي تم الحصول عليها عن طريق التحول الاصطناعي إلى عدة مئات، وتقريبا جميع الأماكن في الجدول الدوري مليئة بالنظائر.
وتحتل الذرات الناشئة في كل هذه التفاعلات النووية نفس المكان في الجدول الدوري الذي تحتله الذرة المقذوفة، أو الأماكن المجاورة لها. لذلك، فإن الدليل الذي قدمه هان وستراسمان في عام 1938 على أنه عند قصف النيوترونات عند العنصر الأخير من الجدول الدوري أحدث ضجة كبيرة−اليورانيوم−يحدث التحلل إلى العناصر الموجودة في الأجزاء الوسطى من الجدول الدوري. هناك أنواع مختلفة من الاضمحلال هنا. تكون الذرات الناتجة في الغالب غير مستقرة وتتحلل على الفور بشكل أكبر؛ بعضها له عمر نصف يُقاس بالثواني، لذلك كان على هان استخدام طريقة كوري التحليلية لإطالة مثل هذه العملية السريعة. من المهم أن نلاحظ أن العناصر الأولية لليورانيوم والبروتكتينيوم والثوريوم تظهر أيضًا اضمحلالًا مماثلاً عند تعرضها للنيوترونات، على الرغم من أن طاقات النيوترونات الأعلى مطلوبة لحدوث الاضمحلال مقارنةً بحالة اليورانيوم. جنبا إلى جنب مع هذا، في عام 1940، اكتشف G. N. Flerov و K. A. Petrzhak الانشطار التلقائي لنواة اليورانيوم مع أكبر نصف عمر معروف حتى ذلك الحين: حوالي 2· 10 15 سنة؛ وتتضح هذه الحقيقة بسبب النيوترونات المنطلقة خلال هذه العملية. وهذا جعل من الممكن فهم سبب انتهاء النظام الدوري "الطبيعي" بالعناصر الثلاثة المذكورة. لقد أصبحت عناصر ما بعد اليورانيوم معروفة الآن، لكنها غير مستقرة إلى درجة أنها تتحلل بسرعة.
إن انشطار اليورانيوم بواسطة النيوترونات يجعل من الممكن الآن استخدام الطاقة الذرية، والتي تصورها الكثيرون بالفعل على أنها "حلم جول فيرن".

م. لاو، “تاريخ الفيزياء”

1939 اكتشف O. Hahn وF. Strassmann، عن طريق تشعيع أملاح اليورانيوم بالنيوترونات الحرارية، الباريوم (Z = 56) من بين منتجات التفاعل

أوتو غان (1879 – 1968)

الانشطار النووي هو انقسام النواة إلى نواتين (أقل من ثلاثة في كثير من الأحيان) ذات كتل متشابهة، والتي تسمى شظايا الانشطار. أثناء الانشطار، تظهر أيضًا جسيمات أخرى - النيوترونات والإلكترونات وجسيمات ألفا. نتيجة للانشطار، يتم إطلاق طاقة تبلغ حوالي 200 ميجا إلكترون فولت. يمكن أن يكون الانشطار عفويًا أو قسريًا تحت تأثير جسيمات أخرى، غالبًا النيوترونات.
السمة المميزة للانشطار هي أن شظايا الانشطار، كقاعدة عامة، تختلف بشكل كبير في الكتلة، أي أن الانشطار غير المتماثل هو السائد. وهكذا، في حالة الانشطار الأكثر احتمالا لنظير اليورانيوم 236 U، فإن نسبة كتل الشظايا هي 1.46. الجزء الثقيل له عدد كتلي 139 (زينون)، والجزء الخفيف له عدد كتلي 95 (السترونتيوم). مع الأخذ في الاعتبار انبعاث اثنين من النيوترونات السريعة، فإن تفاعل الانشطار قيد النظر له الشكل

جائزة نوبل في الكيمياء
1944 - أو.غان.
لاكتشاف التفاعل الانشطاري لنواة اليورانيوم بواسطة النيوترونات.

شظايا الانشطار

اعتماد متوسط ​​كتل المجموعات الخفيفة والثقيلة من الشظايا على كتلة النواة الانشطارية.

اكتشاف الانشطار النووي. 1939

وصلت إلى السويد، حيث كانت ليز مايتنر تعاني من الوحدة، وقررت، مثل ابن أخ مخلص، أن أزورها في عيد الميلاد. عاشت في فندق Kungälv الصغير بالقرب من جوتنبرج. لقد وجدتها في وجبة الإفطار. فكرت في الرسالة التي تلقتها للتو من غان. لقد كنت متشككا للغاية بشأن محتويات الرسالة، التي أبلغت عن تكوين الباريوم عندما تم تشعيع اليورانيوم بالنيوترونات. ومع ذلك، فقد جذبتها هذه الفرصة. مشينا في الثلج، وهي سيرًا على الأقدام، وأنا على الزلاجات (قالت إنها تستطيع القيام بذلك بهذه الطريقة دون أن تتخلف عني، وقد أثبتت ذلك). بحلول نهاية المسيرة، كان بإمكاننا بالفعل صياغة بعض الاستنتاجات؛ لم ينقسم اللب، ولم تتطاير القطع منه، لكن هذه كانت عملية تذكرنا بنموذج بور القطيري للنواة؛ مثل القطرة، يمكن للنواة أن تستطيل وتنقسم. بعد ذلك قمت بالتحقق من كيفية تقليل الشحنة الكهربائية للنيوكليونات من التوتر السطحي، والذي وجدته صفرًا عند Z = 100 وربما منخفض جدًا بالنسبة لليورانيوم. عملت ليز مايتنر على تحديد الطاقة المنبعثة خلال كل اضمحلال بسبب خلل في الكتلة. لقد كانت واضحة جدًا بشأن منحنى عيب الكتلة. اتضح أنه بسبب التنافر الكهروستاتيكي، فإن عناصر الانشطار ستكتسب طاقة تبلغ حوالي 200 ميغا إلكترون فولت، وهذا يتوافق تمامًا مع الطاقة المرتبطة بخلل الكتلة. لذلك، يمكن أن تتم العملية بشكل كلاسيكي بحت دون أن تنطوي على مفهوم المرور عبر حاجز محتمل، وهو الأمر الذي لن يكون له أي فائدة هنا بالطبع.
لقد أمضينا يومين أو ثلاثة أيام معًا خلال عيد الميلاد. ثم عدت إلى كوبنهاجن وبالكاد كان لدي الوقت لإبلاغ بور بفكرتنا في نفس اللحظة التي كان يستقل فيها بالفعل سفينة متجهة إلى الولايات المتحدة. أتذكر كيف صفع جبهته بمجرد أن بدأت في الكلام وصرخ: "أوه، كم كنا حمقى! كان ينبغي لنا أن نلاحظ هذا في وقت سابق." لكنه لم يلاحظ، ولم يلاحظ أحد.
لقد كتبت أنا وليز مايتنر مقالًا. وفي الوقت نفسه، بقينا على اتصال دائم عبر الهاتف لمسافات طويلة من كوبنهاغن إلى ستوكهولم.

أو. فريش، مذكرات. UFN. 1968. ت 96، العدد 4، ص. 697.

الانشطار النووي التلقائي

في التجارب الموضحة أدناه، استخدمنا الطريقة التي اقترحها فريش لأول مرة لتسجيل عمليات الانشطار النووي. يتم توصيل غرفة التأين ذات الألواح المغطاة بطبقة من أكسيد اليورانيوم بمضخم خطي تم تكوينه بطريقة لا يتمكن النظام من اكتشاف جسيمات α المنبعثة من اليورانيوم؛ النبضات من الشظايا، أكبر بكثير من النبضات من جسيمات ألفا، تفتح الثيراترون الناتج وتعتبر مرحلًا ميكانيكيًا.
تم تصميم غرفة التأين خصيصا على شكل مكثف مسطح متعدد الطبقات بمساحة إجمالية قدرها 15 لوحة لكل 1000 سم2، وتم تغليف الألواح الموجودة على مسافة 3 مم عن بعضها البعض بطبقة من أكسيد اليورانيوم 10 -20 ملجم/سم3 2 .
في التجارب الأولى مع مكبر للصوت تم تكوينه لحساب الشظايا، كان من الممكن مراقبة نبضات عفوية (في حالة عدم وجود مصدر نيوتروني) على مرحل ومرسمة الذبذبات. وكان عدد هذه النبضات صغيراً (6 في ساعة واحدة)، ولذلك فمن المفهوم عدم إمكانية ملاحظة هذه الظاهرة بكاميرات من النوع المعتاد...
نحن نميل إلى الاعتقاد بذلك التأثير الذي لاحظناه ينبغي أن يُعزى إلى الشظايا الناتجة عن الانشطار التلقائي لليورانيوم...

يجب أن يعزى الانشطار التلقائي إلى أحد نظائر اليورانيوم غير المثارة مع عمر النصف الذي تم الحصول عليه من تقييم نتائجنا:

ش 238 – 10 16 ~ 10 17 سنين،
ش 235 – 10 14 ~ 10 15 سنين،
ش 234 – 10 12 ~ 10 13 سنين.

اضمحلال النظائر 238 ش

الانشطار النووي التلقائي

أعمار النصف للنظائر الانشطارية تلقائيًا Z = 92 - 100

تم بناء أول نظام تجريبي بشبكة اليورانيوم والجرافيت في عام 1941 تحت قيادة إي. فيرمي. وهو عبارة عن مكعب من الجرافيت يبلغ طول حافته 2.5 متر، ويحتوي على حوالي 7 أطنان من أكسيد اليورانيوم، محاطًا بأوعية حديدية، توضع في المكعب على مسافات متساوية من بعضها البعض. تم وضع مصدر نيوترون RaBe في الجزء السفلي من شبكة اليورانيوم والجرافيت. كان معامل التكاثر في مثل هذا النظام ≈ 0.7. يحتوي أكسيد اليورانيوم على شوائب تتراوح من 2 إلى 5٪. كانت الجهود الإضافية تهدف إلى الحصول على مواد أنقى، وبحلول مايو 1942، تم الحصول على أكسيد اليورانيوم، حيث كانت نسبة الشوائب فيه أقل من 1٪. ولضمان حدوث تفاعل متسلسل انشطاري، كان من الضروري استخدام كميات كبيرة من الجرافيت واليورانيوم - في حدود عدة أطنان. يجب أن تكون الشوائب أقل من بضعة أجزاء في المليون. كان للمفاعل، الذي تم تجميعه بحلول نهاية عام 1942 من قبل فيرمي في جامعة شيكاغو، شكل كروي غير مكتمل مقطوع من الأعلى. وكانت تحتوي على 40 طنا من اليورانيوم و385 طنا من الجرافيت. وفي مساء يوم 2 ديسمبر 1942، وبعد إزالة قضبان امتصاص النيوترونات، تم اكتشاف حدوث تفاعل نووي متسلسل داخل المفاعل. وكان المعامل المقاس 1.0006. في البداية، كان المفاعل يعمل بمستوى طاقة قدره 0.5 واط. بحلول 12 ديسمبر، تمت زيادة قوتها إلى 200 واط. وبعد ذلك، تم نقل المفاعل إلى مكان أكثر أمانًا، وتمت زيادة قوته إلى عدة كيلووات. وفي الوقت نفسه، استهلك المفاعل 0.002 جرام من اليورانيوم 235 يوميًا.

أول مفاعل نووي في الاتحاد السوفييتي

كان بناء أول مفاعل للأبحاث النووية في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية، F-1، جاهزًا بحلول يونيو 1946.
وبعد إجراء كافة التجارب اللازمة، تم وضع نظام التحكم والحماية للمفاعل، وتم تحديد أبعاد المفاعل، وإجراء كافة التجارب اللازمة على نماذج المفاعل، وتم تحديد كثافة النيوترونات على تم الحصول على عدة نماذج، وكتل الجرافيت (ما يسمى بالنقاء النووي) وكتل اليورانيوم (بعد الفحوصات النيوترونية الفيزيائية)، وفي نوفمبر 1946 بدأوا في بناء مفاعل F-1.
كان نصف قطر المفاعل الإجمالي 3.8 مترًا، وكان يتطلب 400 طن من الجرافيت و45 طنًا من اليورانيوم. تم تجميع المفاعل في طبقات وفي الساعة 15:00 يوم 25 ديسمبر 1946، تم تجميع الطبقة الثانية والستين الأخيرة. بعد إزالة ما يسمى بقضبان الطوارئ، تم رفع قضيب التحكم، وبدأ حساب كثافة النيوترونات، وفي الساعة 18:00 يوم 25 ديسمبر 1946، ظهر أول مفاعل في الاتحاد السوفييتي وبدأ العمل. لقد كان انتصارًا مثيرًا للعلماء الذين أنشأوا المفاعل النووي وللشعب السوفيتي بأكمله. وبعد عام ونصف، في 10 يونيو 1948، وصل المفاعل الصناعي الذي يحتوي على الماء في القنوات إلى حالة حرجة وسرعان ما بدأ الإنتاج الصناعي لنوع جديد من الوقود النووي، البلوتونيوم.

إطلاق الطاقة أثناء الانشطار النووي.كما هو الحال في التفاعلات النووية الأخرى، فإن الطاقة المنطلقة أثناء الانشطار تعادل الفرق في كتل الجسيمات المتفاعلة والمنتجات النهائية. بما أن طاقة الربط لنوكليون في اليورانيوم وطاقة الربط لنوكليون واحد في شظايا أثناء انشطار اليورانيوم، فلا بد من إطلاق الطاقة

وهكذا، أثناء الانشطار النووي، يتم إطلاق طاقة هائلة، ويتم إطلاق الغالبية العظمى منها على شكل طاقة حركية لشظايا الانشطار.

توزيع منتجات الانشطار حسب الكتلة.تنقسم نواة اليورانيوم في معظم الحالات بشكل غير متماثل. الشظايا النووية لها سرعات مختلفة وكتل مختلفة على التوالي.

تنقسم الأجزاء إلى مجموعتين بناءً على كتلتها؛ واحدة بالقرب من الكريبتون والأخرى بالقرب من الزينون، وترتبط كتل الشظايا ببعضها البعض في المتوسط، ومن خلال قوانين حفظ الطاقة وكمية الحركة يمكن الحصول على أن الطاقات الحركية للشظايا يجب أن تتناسب عكسيا مع كتلتها:

يكون منحنى إنتاج منتج الانشطار متماثلًا بالنسبة إلى الخط الرأسي المستقيم الذي يمر عبر النقطة، ويشير العرض الكبير للحد الأقصى إلى تنوع مسارات الانشطار.

أرز. 82. توزيع نواتج انشطار اليورانيوم حسب الكتلة

تتعلق الخصائص المذكورة أساسًا بالانشطار تحت تأثير النيوترونات الحرارية؛ في حالة الانشطار تحت تأثير النيوترونات ذات الطاقات المتعددة أو أكثر، تتفكك النواة إلى شظيتين أكثر تماثلًا في الكتلة.

خصائص منتجات الانشطار.أثناء انشطار ذرة اليورانيوم، يتم تجريد عدد كبير جدًا من إلكترونات القشرة، وتتضاعف شظايا الانشطار تقريبًا الأيونات الموجبة المتأينة، والتي، عند المرور عبر المادة، تؤين الذرات بقوة. ولذلك فإن نطاقات الشظايا في الهواء تكون صغيرة وتقترب من 2 سم.

ومن السهل إثبات أن الأجزاء المتكونة أثناء الانشطار يجب أن تكون مشعة وعرضة لانبعاث النيوترونات. في الواقع، بالنسبة للنوى المستقرة فإن نسبة عدد النيوترونات والبروتونات تختلف تبعًا لـ A كما يلي:

(انظر المسح)

تقع النوى الناتجة عن الانشطار في منتصف الجدول، وبالتالي تحتوي على نيوترونات أكثر مما هو مقبول لاستقرارها. يمكن تحريرها من النيوترونات الزائدة عن طريق الاضمحلال وعن طريق انبعاث النيوترونات مباشرة.

النيوترونات المتأخرة.أحد خيارات الانشطار المحتملة ينتج البروم المشع. في التين. يُظهر الشكل 83 رسمًا تخطيطيًا لتحلله، وفي نهايته توجد نظائر مستقرة

من السمات المثيرة للاهتمام في هذه السلسلة أنه يمكن تحرير الكريبتون من النيوترون الزائد إما بسبب التحلل، أو إذا تشكل في حالة مثارة بسبب الانبعاث المباشر للنيوترون. تظهر هذه النيوترونات بعد 56 ثانية من الانشطار (يرتبط عمرها بالانتقال إلى الحالة المثارة، على الرغم من أنها تبعث النيوترونات على الفور تقريبًا.

أرز. 83. مخطط تحلل البروم المشع المتكون في حالة مثارة أثناء انشطار اليورانيوم

يطلق عليهم النيوترونات المتأخرة. وبمرور الوقت، تتضاءل شدة النيوترونات المتأخرة بشكل كبير، كما هو الحال مع الاضمحلال الإشعاعي الطبيعي.

طاقة هذه النيوترونات تساوي طاقة إثارة النواة. على الرغم من أنها تشكل 0.75% فقط من جميع النيوترونات المنبعثة أثناء الانشطار، إلا أن النيوترونات المتأخرة تلعب دورًا مهمًا في التفاعل المتسلسل.

النيوترونات السريعة.يتم إطلاق أكثر من 99% من النيوترونات خلال فترة زمنية قصيرة للغاية؛ يطلق عليهم النيوترونات السريعة.

عند دراسة عملية الانشطار، يطرح سؤال أساسي: ما عدد النيوترونات التي يتم إنتاجها في حدث انشطار واحد؟ هذا السؤال مهم لأنه إذا كان عددها كبيرًا في المتوسط، فيمكن استخدامها في انشطار النوى اللاحقة، أي أنه تظهر إمكانية إنشاء تفاعل متسلسل. لحل هذه المشكلة في 1939-1940. عمل في جميع أكبر المختبرات النووية في العالم تقريبًا.

أرز. 84. طيف طاقة النيوترونات الناتج من انشطار اليورانيوم 235

توزيع الطاقة الانشطارية.أعطت القياسات المباشرة لطاقة الشظايا والطاقة المنقولة بواسطة منتجات الانشطار الأخرى التوزيع التقريبي للطاقة التالي

يحدث انشطار نواة اليورانيوم بالطريقة الآتية:أولاً، يصطدم النيوترون بالنواة، مثلما تصطدم الرصاصة بالتفاحة. في حالة التفاحة، فإن الرصاصة إما أن تحدث ثقبًا فيها أو تفجرها إلى قطع. عندما يدخل النيوترون إلى النواة، يتم أسره بواسطة القوى النووية. ومن المعروف أن النيوترون محايد، لذلك لا تصده القوى الكهروستاتيكية.

كيف يحدث انشطار نواة اليورانيوم؟

لذلك، بعد أن دخل النواة، يزعج النيوترون التوازن، وتكون النواة متحمسة. ويمتد إلى الجانبين مثل الدمبل أو علامة اللانهاية: ∞ . القوى النووية، كما هو معروف، تعمل على مسافة تتناسب مع حجم الجزيئات. عندما يتم شد النواة، يصبح تأثير القوى النووية ضئيلًا بالنسبة للجزيئات الخارجية لـ "الدمبل"، بينما تعمل القوى الكهربائية بقوة شديدة على هذه المسافة، وتتمزق النواة ببساطة إلى جزأين. في هذه الحالة، ينبعث نيوترونان أو ثلاثة نيوترونات أخرى.

تتناثر شظايا النواة والنيوترونات المنبعثة بسرعة كبيرة في اتجاهات مختلفة. تتباطأ هذه الشظايا بسرعة كبيرة بسبب البيئة، لكن طاقتها الحركية هائلة. يتم تحويلها إلى طاقة داخلية للبيئة، والتي تسخن. في هذه الحالة، كمية الطاقة المنطلقة هائلة. الطاقة التي يتم الحصول عليها من الانشطار الكامل لجرام واحد من اليورانيوم تعادل تقريبًا الطاقة التي يتم الحصول عليها من حرق 2.5 طن من النفط.

التفاعل المتسلسل لانشطار عدة نوى

نظرنا إلى انشطار نواة يورانيوم واحدة. أثناء الانشطار، يتم إطلاق عدة نيوترونات (عادةً اثنين أو ثلاثة). إنها تطير بعيدًا بسرعة كبيرة ويمكنها بسهولة الوصول إلى نوى الذرات الأخرى، مما يسبب تفاعل انشطاري فيها. هذا هو رد الفعل المتسلسل.

أي أن النيوترونات التي تم الحصول عليها نتيجة الانشطار النووي تثير وتجبر النوى الأخرى على الانشطار، والتي بدورها تنبعث منها نيوترونات، والتي تستمر في تحفيز المزيد من الانشطار. وهكذا حتى يحدث انشطار جميع نوى اليورانيوم الموجودة في المنطقة المجاورة مباشرة.

في هذه الحالة، يمكن أن يحدث تفاعل متسلسل مثل الانهيار الجليديعلى سبيل المثال، في حالة انفجار قنبلة ذرية. يزداد عدد الانشطارات النووية بشكل كبير خلال فترة زمنية قصيرة. ومع ذلك، يمكن أن يحدث تفاعل متسلسل أيضًا مع التوهين.

والحقيقة هي أنه ليس كل النيوترونات تلتقي بالنوى في طريقها، مما يؤدي إلى انشطارها. كما نتذكر، داخل المادة الحجم الرئيسي يشغله الفراغ بين الجزيئات. ولذلك، فإن بعض النيوترونات تطير عبر جميع المواد دون أن تصطدم بأي شيء على طول الطريق. وإذا انخفض عدد الانشطارات النووية بمرور الوقت، فإن التفاعل يتلاشى تدريجيًا.

التفاعلات النووية والكتلة الحرجة لليورانيوم

ما الذي يحدد نوع التفاعل؟من كتلة اليورانيوم. كلما زادت الكتلة، زاد عدد الجسيمات التي سيلتقي بها النيوترون الطائر في طريقه، وزادت فرصة دخوله إلى النواة. لذلك، يتم تمييز "الكتلة الحرجة" لليورانيوم - وهذا هو الحد الأدنى للكتلة التي يمكن عندها حدوث تفاعل متسلسل.

سيكون عدد النيوترونات المنتجة مساوياً لعدد النيوترونات التي تطير. وسيستمر التفاعل بنفس السرعة تقريبًا حتى يتم إنتاج الحجم الكامل للمادة. يُستخدم هذا عمليًا في محطات الطاقة النووية ويسمى التفاعل النووي الخاضع للرقابة.

محتوى المقال

انشطار النواة,تفاعل نووي تنقسم فيه النواة الذرية، عند قصفها بالنيوترونات، إلى شظيتين أو أكثر. عادة ما تكون الكتلة الإجمالية للشظايا أقل من مجموع كتل النواة الأصلية والنيوترون المقذوف. "القداس المفقود" ميتحول إلى طاقة هوفقا لصيغة أينشتاين ه = مولودية 2 حيث ج- سرعة الضوء. وبما أن سرعة الضوء عالية جدًا (299,792,458 م/ث)، فإن الكتلة الصغيرة تمثل طاقة هائلة. ويمكن تحويل هذه الطاقة إلى كهرباء.

يتم تحويل الطاقة المنطلقة أثناء الانشطار النووي إلى حرارة عندما يتم تباطؤ شظايا الانشطار. يعتمد معدل إطلاق الحرارة على عدد النوى المنقسمة لكل وحدة زمنية. عندما يحدث انشطار عدد كبير من النوى في حجم صغير في وقت قصير، فإن التفاعل يكون له طابع الانفجار. هذا هو مبدأ تشغيل القنبلة الذرية. إذا تم تقسيم عدد صغير نسبيًا من النوى إلى حجم كبير على مدى فترة زمنية أطول، فستكون النتيجة هي إطلاق الحرارة التي يمكن استخدامها. وهذا ما تقوم عليه محطات الطاقة النووية. في محطات الطاقة النووية، يتم استخدام الحرارة المنبعثة في المفاعلات النووية نتيجة الانشطار النووي لإنتاج البخار، الذي يتم توفيره للتوربينات التي تدير المولدات الكهربائية.

للاستخدام العملي لعمليات الانشطار، يعتبر اليورانيوم والبلوتونيوم أكثر ملاءمة. لديهم نظائر (ذرات عنصر معين بأعداد كتلية مختلفة)، والتي تنشطر عند امتصاص النيوترونات حتى مع الطاقات المنخفضة جدًا.

كان مفتاح الاستخدام العملي لطاقة الانشطار هو حقيقة أن بعض العناصر تنبعث منها نيوترونات أثناء عملية الانشطار. على الرغم من أنه يتم امتصاص نيوترون واحد أثناء الانشطار النووي، إلا أن هذا الفقد يتم تعويضه عن طريق تكوين نيوترونات جديدة أثناء عملية الانشطار. إذا كان الجهاز الذي يحدث فيه الانشطار يحتوي على كتلة ("حرجة") كبيرة بما فيه الكفاية، فيمكن الحفاظ على "التفاعل المتسلسل" بسبب النيوترونات الجديدة. يمكن التحكم في التفاعل المتسلسل عن طريق ضبط عدد النيوترونات القادرة على التسبب في الانشطار. فإذا كان أكبر من واحد زادت شدة الانشطار، وإذا كان أقل من واحد قلت.

مرجع تاريخي

يبدأ تاريخ اكتشاف الانشطار النووي بعمل أ. بيكريل (1852-1908). أثناء دراسته لتفسفر مواد مختلفة في عام 1896، اكتشف أن المعادن التي تحتوي على اليورانيوم تنبعث تلقائيًا إشعاعات تسبب اسوداد اللوحة الفوتوغرافية حتى لو تم وضع مادة صلبة معتمة بين المعدن واللوحة. لقد أثبت العديد من المجربين أن هذا الإشعاع يتكون من جسيمات ألفا (نوى الهيليوم)، وجسيمات بيتا (الإلكترونات)، وجاما كوانتا (الإشعاع الكهرومغناطيسي الصلب).

تم إجراء أول تحول نووي صناعيًا بواسطة الإنسان في عام 1919 على يد إي. رذرفورد، الذي حول النيتروجين إلى أكسجين عن طريق تشعيع النيتروجين بجسيمات ألفا من اليورانيوم. وكان هذا التفاعل مصحوبا بامتصاص الطاقة، حيث أن كتلة منتجاته - الأكسجين والهيدروجين - تتجاوز كتلة الجزيئات التي تدخل التفاعل - جزيئات النيتروجين وألفا. تم تحقيق إطلاق الطاقة النووية لأول مرة في عام 1932 من قبل ج. كوكروفت وإي. والتون، اللذين قصفوا الليثيوم بالبروتونات. في هذا التفاعل، كانت كتلة النوى التي تدخل التفاعل أكبر قليلا من كتلة المنتجات، ونتيجة لذلك تم إطلاق الطاقة.

في عام 1932، اكتشف ج. تشادويك النيوترون، وهو جسيم متعادل كتلته تساوي تقريبًا كتلة نواة ذرة الهيدروجين. بدأ الفيزيائيون حول العالم بدراسة خصائص هذا الجسيم. كان من المفترض أن النيوترون، الخالي من الشحنة الكهربائية وغير المنفر بواسطة نواة موجبة الشحنة، من المرجح أن يسبب تفاعلات نووية. وأكدت النتائج اللاحقة هذا التخمين. في روما، قام إي فيرمي وزملاؤه بتشعيع جميع عناصر الجدول الدوري تقريبًا بالنيوترونات ولاحظوا التفاعلات النووية مع تكوين نظائر جديدة. كان الدليل على تكوين نظائر جديدة هو النشاط الإشعاعي "الاصطناعي" في شكل إشعاعات جاما وبيتا.

المؤشرات الأولى لاحتمال الانشطار النووي.

فيرمي هو المسؤول عن اكتشاف العديد من التفاعلات النيوترونية المعروفة اليوم. وعلى وجه الخصوص، حاول الحصول على العنصر ذو الرقم التسلسلي 93 (النبتونيوم) عن طريق قصف اليورانيوم (العنصر ذو الرقم التسلسلي 92) بالنيوترونات. وفي الوقت نفسه، سجل الإلكترونات المنبعثة نتيجة التقاط النيوترونات في التفاعل المقترح

238 يو + 1 ن ® 239 ن ب + ب–,

حيث 238 U هو نظير اليورانيوم 238، 1 n هو نيوترون، 239 Np هو نبتونيوم و ب- - الإلكترون . ومع ذلك، كانت النتائج مختلطة. ولاستبعاد احتمال أن النشاط الإشعاعي المسجل ينتمي إلى نظائر اليورانيوم أو العناصر الأخرى الموجودة في الجدول الدوري قبل اليورانيوم، كان من الضروري إجراء تحليل كيميائي للعناصر المشعة.

وأظهرت نتائج التحليل أن العناصر المجهولة تتوافق مع الأرقام التسلسلية 93 و94 و95 و96. ولذلك استنتج فيرمي أنه حصل على عناصر ما بعد اليورانيوم. ومع ذلك، وجد O. Hahn و F. Strassman في ألمانيا، بعد إجراء تحليل كيميائي شامل، أنه من بين العناصر الناتجة عن تشعيع اليورانيوم بالنيوترونات، كان هناك باريوم مشع. وهذا يعني أن بعض نوى اليورانيوم كانت على الأرجح تنقسم إلى شظيتين كبيرتين.

تأكيد إمكانية القسمة.

بعد ذلك، أجرى فيرمي وجي دانينغ وجي بيغرام من جامعة كولومبيا تجارب أظهرت أن الانشطار النووي يحدث بالفعل. تم التأكد من انشطار اليورانيوم بالنيوترونات عن طريق طرق العدادات التناسبية، وغرفة السحب، وتراكم شظايا الانشطار. أظهرت الطريقة الأولى أنه عندما يقترب مصدر نيوتروني من عينة اليورانيوم، تنبعث نبضات عالية الطاقة. وشوهد في غرفة السحابة أن نواة اليورانيوم، التي قصفت بالنيوترونات، انقسمت إلى شظيتين. وقد أتاحت الطريقة الأخيرة إثبات أن الشظايا، كما تنبأت النظرية، كانت مشعة. كل هذا مجتمعًا أثبت بشكل مقنع أن الانشطار يحدث بالفعل، وجعل من الممكن الحكم بثقة على الطاقة المنطلقة أثناء الانشطار.

نظرًا لأن النسبة المسموح بها لعدد النيوترونات إلى عدد البروتونات في النوى المستقرة تتناقص مع انخفاض حجم النواة، فيجب أن يكون جزء النيوترونات في الشظايا أقل مما هو عليه في نواة اليورانيوم الأصلية. وبالتالي، كان هناك كل الأسباب لافتراض أن عملية الانشطار يصاحبها انبعاث النيوترونات. وسرعان ما تم تأكيد ذلك تجريبيًا بواسطة F. Joliot-Curie وزملائه: كان عدد النيوترونات المنبعثة أثناء عملية الانشطار أكبر من عدد النيوترونات الممتصة. وتبين أنه مقابل كل نيوترون ممتص هناك ما يقرب من اثنين ونصف نيوترون جديد. أصبحت إمكانية حدوث تفاعل متسلسل واحتمالات إنشاء مصدر قوي للغاية للطاقة واستخدامه للأغراض العسكرية واضحة على الفور. بعد ذلك، بدأ العمل في عدد من البلدان (خاصة ألمانيا والولايات المتحدة الأمريكية) على إنشاء قنبلة ذرية في ظروف من السرية العميقة.

التطورات خلال الحرب العالمية الثانية.

من عام 1940 إلى عام 1945، تم تحديد اتجاه التنمية من خلال الاعتبارات العسكرية. في عام 1941، تم الحصول على كميات صغيرة من البلوتونيوم وتم تحديد عدد من المعايير النووية لليورانيوم والبلوتونيوم. في الولايات المتحدة الأمريكية، كانت أهم مؤسسات الإنتاج والبحث اللازمة لذلك تخضع لسلطة منطقة الهندسة العسكرية في مانهاتن، والتي تم نقل مشروع اليورانيوم إليها في 13 أغسطس 1942. في جامعة كولومبيا (نيويورك)، أجرت مجموعة من الموظفين بقيادة إي. فيرمي ودبليو زين التجارب الأولى التي درسوا فيها تكاثر النيوترونات في شبكة من كتل ثاني أكسيد اليورانيوم والجرافيت - "مرجل" ذري. . في يناير 1942، تم نقل هذا العمل إلى جامعة شيكاغو، حيث تم الحصول في يوليو 1942 على نتائج تظهر إمكانية وجود تفاعل متسلسل مكتفي ذاتيًا. في البداية، كان المفاعل يعمل بقدرة 0.5 واط، ولكن بعد 10 أيام تمت زيادة الطاقة إلى 200 واط. تم إثبات إمكانية إنتاج كميات كبيرة من الطاقة النووية لأول مرة في 16 يوليو 1945، مع انفجار أول قنبلة ذرية في موقع اختبار ألاموغوردو (نيو مكسيكو).

المفاعلات النووية

المفاعل النووي هو منشأة يمكن فيها إجراء تفاعل متسلسل متحكم ومستدام ذاتيًا للانشطار النووي. يمكن تصنيف المفاعلات حسب الوقود المستخدم (النظائر الانشطارية والخام)، ونوع الوسيط، ونوع عناصر الوقود، ونوع المبرد.

النظائر الانشطارية.

هناك ثلاثة نظائر انشطارية - اليورانيوم 235 والبلوتونيوم 239 واليورانيوم 233. يتم الحصول على اليورانيوم 235 عن طريق فصل النظائر؛ البلوتونيوم 239 - في المفاعلات التي يتم فيها تحويل اليورانيوم 238 إلى بلوتونيوم، 238 U ® 239 U ® 239 Np ® 239 Pu؛ اليورانيوم 233 - في المفاعلات التي تتم فيها معالجة الثوريوم 232 وتحويله إلى يورانيوم. يتم اختيار الوقود النووي لمفاعل الطاقة مع الأخذ بعين الاعتبار خصائصه النووية والكيميائية، فضلا عن التكلفة.

يعرض الجدول أدناه المعلمات الرئيسية للنظائر الانشطارية. يميز المقطع العرضي الإجمالي احتمالية التفاعل من أي نوع بين النيوترون ونواة معينة. يصف المقطع العرضي للانشطار احتمال انشطار النواة بواسطة نيوترون. يعتمد إنتاج الطاقة لكل نيوترون ممتص على جزء النوى الذي لا يشارك في عملية الانشطار. إن عدد النيوترونات المنبعثة في حدث انشطاري واحد مهم من وجهة نظر الحفاظ على التفاعل المتسلسل. يعد عدد النيوترونات الجديدة لكل نيوترون ممتص أمرًا مهمًا لأنه يحدد شدة الانشطار. يرتبط جزء النيوترونات المتأخرة المنبعثة بعد حدوث الانشطار بالطاقة المخزنة في المادة.

خصائص النظائر الانشطارية

توضح بيانات الجدول أن كل نظير انشطاري له مميزاته الخاصة. على سبيل المثال، في حالة النظير الذي يحتوي على أكبر مقطع عرضي للنيوترونات الحرارية (بطاقة 0.025 فولت)، هناك حاجة إلى وقود أقل لتحقيق الكتلة الحرجة عند استخدام وسيط نيوتروني. نظرًا لأن أكبر عدد من النيوترونات الممتصة لكل نيوترون يحدث في مفاعل البلوتونيوم السريع (1 MeV)، فمن الأفضل في وضع التكاثر استخدام البلوتونيوم في مفاعل سريع أو اليورانيوم 233 في مفاعل حراري بدلاً من اليورانيوم 235 في مفاعل حراري. اليورانيوم 235 هو الأفضل من حيث سهولة التحكم، لأنه يحتوي على نسبة أكبر من النيوترونات المتأخرة.

نظائر المواد الخام.

هناك نوعان من نظيري المواد الخام: الثوريوم-232 واليورانيوم-238، ومنهما يتم الحصول على النظائر الانشطارية اليورانيوم-233 والبلوتونيوم-239. وتعتمد تكنولوجيا استخدام نظائر المواد الخام على عوامل مختلفة، مثل الحاجة إلى التخصيب. يحتوي خام اليورانيوم على 0.7% من اليورانيوم-235، ولا يحتوي خام الثوريوم على نظائر انشطارية. لذلك، يجب إضافة نظير انشطاري مخصب إلى الثوريوم. كما أن عدد النيوترونات الجديدة لكل نيوترون ممتص مهم أيضًا. ومع أخذ هذا العامل بعين الاعتبار، يجب أن نعطي الأفضلية لليورانيوم 233 في حالة النيوترونات الحرارية (التي تم تباطؤها إلى طاقة 0.025 فولت)، لأنه في مثل هذه الظروف يكون عدد النيوترونات المنبعثة أكبر، وبالتالي يكون عامل التحويل هو عدد النوى الانشطارية الجديدة لكل نواة انشطارية "مستنفدة".

مثبطات.

يعمل الوسيط على تقليل طاقة النيوترونات المنبعثة أثناء عملية الانشطار من حوالي 1 ميجا فولت إلى طاقات حرارية تبلغ حوالي 0.025 فولت. وبما أن الاعتدال يحدث بشكل رئيسي نتيجة للتشتت المرن على نوى الذرات غير الانشطارية، فإن كتلة ذرات الوسيط يجب أن تكون صغيرة قدر الإمكان حتى يتمكن النيوترون من نقل أقصى قدر من الطاقة إليها. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن تحتوي ذرات الوسيط على مقطع عرضي صغير (مقارنة بالمقطع العرضي المبعثر)، حيث يجب على النيوترون أن يصطدم بذرات الوسيط عدة مرات قبل أن يتباطأ إلى طاقة حرارية.

أفضل وسيط هو الهيدروجين، حيث أن كتلته تساوي تقريبًا كتلة النيوترون، وبالتالي يفقد النيوترون أكبر قدر من الطاقة عند اصطدامه بالهيدروجين. لكن الهيدروجين العادي (الخفيف) يمتص النيوترونات بقوة كبيرة، وبالتالي فإن المشرفين الأكثر ملاءمة، على الرغم من كتلتهم الأكبر قليلاً، هم الديوتيريوم (الهيدروجين الثقيل) والماء الثقيل، لأنهم يمتصون نيوترونات أقل. يمكن اعتبار البريليوم وسيطًا جيدًا. يحتوي الكربون على مقطع عرضي صغير لامتصاص النيوترونات، مما يؤدي إلى إبطاء النيوترونات بشكل فعال، على الرغم من أنه يتطلب العديد من الاصطدامات لإبطاء سرعته أكثر من الهيدروجين.

متوسط نتبلغ التصادمات المرنة المطلوبة لإبطاء النيوترون من 1 ميجا فولت إلى 0.025 فولت باستخدام الهيدروجين والديوتيريوم والبريليوم والكربون حوالي 18 و27 و36 و135 على التوالي. ترجع الطبيعة التقريبية لهذه القيم إلى حقيقة أنه نظرًا لوجود طاقة كيميائية للروابط في الوسيط، فمن غير المرجح أن تكون الاصطدامات عند طاقات أقل من 0.3 فولت مرنة. عند الطاقات المنخفضة، يمكن للشبكة الذرية نقل الطاقة إلى النيوترونات أو تغيير الكتلة الفعالة في حالة الاصطدام، وبالتالي تعطيل عملية الاعتدال.

المبردات.

المبردات المستخدمة في المفاعلات النووية هي الماء والماء الثقيل والصوديوم السائل والبوتاسيوم الصوديوم السائل (NaK) والهيليوم وثاني أكسيد الكربون والسوائل العضوية مثل التيرفينيل. هذه المواد عبارة عن مبردات جيدة ولها مقاطع عرضية صغيرة تمتص النيوترونات.

يعتبر الماء وسيطًا ومبردًا ممتازًا، ولكنه يمتص الكثير من النيوترونات وله ضغط بخار مرتفع جدًا (14 ميجاباسكال) عند درجة حرارة تشغيل تبلغ 336 درجة مئوية. والمهدئ الأكثر شهرة هو الماء الثقيل. خصائصه قريبة من خصائص الماء العادي، والمقطع العرضي لامتصاص النيوترونات أصغر. يعتبر الصوديوم مبردًا ممتازًا، لكنه ليس فعالًا كمهدئ للنيوترونات. ولهذا السبب يتم استخدامه في مفاعلات النيوترونات السريعة، حيث ينتج الانشطار المزيد من النيوترونات. صحيح أن الصوديوم له عدد من العيوب: فهو يحفز النشاط الإشعاعي، وله قدرة حرارية منخفضة، وهو نشط كيميائيا ويتجمد في درجة حرارة الغرفة. تحتوي سبيكة الصوديوم والبوتاسيوم على خصائص مشابهة للصوديوم، ولكنها تظل سائلة في درجة حرارة الغرفة. الهيليوم هو مبرد ممتاز، ولكن قدرته الحرارية النوعية منخفضة. يعد ثاني أكسيد الكربون مبردًا جيدًا وقد تم استخدامه على نطاق واسع في المفاعلات المهدئة بالجرافيت. يتميز التيرفينيل عن الماء بأنه يتمتع بضغط بخار منخفض عند درجة حرارة التشغيل، ولكنه يتحلل ويتبلمر عند تعرضه لدرجات الحرارة المرتفعة وتدفقات الإشعاع الموجودة في المفاعلات.

عناصر الوقود.

عنصر الوقود (عنصر الوقود) هو قلب وقود ذو غلاف محكم الغلق. تمنع القشرة تسرب المنتجات الانشطارية وتفاعل الوقود مع المبرد. يجب أن تمتص مادة القشرة النيوترونات بشكل ضعيف وأن تتمتع بخصائص التوصيل الميكانيكية والهيدروليكية والحرارية المقبولة. وعادة ما تكون عناصر الوقود عبارة عن كريات من أكسيد اليورانيوم الملبدة في أنابيب من الألومنيوم أو الزركونيوم أو الفولاذ المقاوم للصدأ؛ أقراص من سبائك اليورانيوم مع الزركونيوم والموليبدينوم والألومنيوم، المغلفة بالزركونيوم أو الألومنيوم (في حالة سبائك الألومنيوم)؛ أقراص من الجرافيت تحتوي على كربيد اليورانيوم المشتت، ومغطاة بجرافيت غير قابل للاختراق.

كل عناصر الوقود هذه لها استخداماتها، ولكن بالنسبة لمفاعلات الماء المضغوط، فإن كريات أكسيد اليورانيوم الموجودة في أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ هي الأكثر تفضيلاً. لا يتفاعل ثاني أكسيد اليورانيوم مع الماء، وله مقاومة عالية للإشعاع، ويتميز بنقطة انصهار عالية.

بالنسبة للمفاعلات المبردة بالغاز ذات درجة الحرارة العالية، تبدو خلايا الوقود الجرافيتية مناسبة تمامًا، ولكن لديها عيبًا خطيرًا - بسبب الانتشار أو بسبب عيوب الجرافيت، يمكن لمنتجات الانشطار الغازي أن تخترق غلافها.

المبردات العضوية غير متوافقة مع عناصر وقود الزركونيوم وبالتالي تتطلب استخدام سبائك الألومنيوم. تعتمد آفاق المفاعلات المبردة عضويًا على تطوير سبائك الألومنيوم أو منتجات تعدين المساحيق التي تتمتع بالقوة (في درجات حرارة التشغيل) والتوصيل الحراري اللازمين لاستخدام الزعانف التي تعزز نقل الحرارة إلى المبرد. وبما أن التبادل الحراري بين الوقود والمبرد العضوي بسبب التوصيل الحراري صغير، فمن المستحسن استخدام الغليان السطحي لزيادة انتقال الحرارة. ستكون هناك مشاكل جديدة مرتبطة بالغليان السطحي، ولكن يجب حلها إذا كان استخدام السوائل العضوية مفيدًا.

أنواع المفاعلات

من الممكن نظريًا وجود أكثر من 100 نوع مختلف من المفاعلات، تختلف في الوقود والمهدئات والمبردات. تستخدم معظم المفاعلات التقليدية الماء، إما تحت الضغط أو الغليان، كمبرد.

مفاعل الماء المضغوط.

وفي مثل هذه المفاعلات، يعمل الماء كوسيط ومبرد. يتم ضخ الماء الساخن تحت الضغط إلى مبادل حراري، حيث يتم نقل الحرارة إلى الماء في الدائرة الثانوية، والذي ينتج البخار الذي يقوم بتدوير التوربين.

مفاعل الغليان.

في مثل هذا المفاعل، يغلي الماء مباشرة في قلب المفاعل ويدخل البخار الناتج إلى التوربين. تستخدم معظم مفاعلات الماء المغلي أيضًا الماء كوسيط، ولكن في بعض الأحيان يتم استخدام وسيط الجرافيت.

مفاعل تبريد المعدن السائل.

في مثل هذا المفاعل، يتم استخدام المعدن السائل المتداول عبر الأنابيب لنقل الحرارة المنبعثة أثناء عملية الانشطار في المفاعل. تستخدم جميع المفاعلات من هذا النوع تقريبًا الصوديوم كمبرد. يتم تغذية البخار المتولد على الجانب الآخر من أنابيب الدائرة الأولية إلى التوربينات التقليدية. يمكن للمفاعل المبرد بمعدن سائل أن يستخدم نيوترونات ذات طاقة عالية نسبيًا (مفاعل نيوترون سريع) أو نيوترونات معتدلة في الجرافيت أو أكسيد البريليوم. تعتبر مفاعلات النيوترونات السريعة المبردة بالمعادن السائلة أكثر تفضيلاً كمفاعلات مولدة، لأنه في هذه الحالة لا يوجد فقدان نيوتروني مرتبط بالاعتدال.

مفاعل تبريد الغاز.

في مثل هذا المفاعل، يتم نقل الحرارة المنبعثة أثناء عملية الانشطار إلى مولد البخار عن طريق الغاز - ثاني أكسيد الكربون أو الهيليوم. عادة ما يكون الوسيط النيوتروني من الجرافيت. يمكن للمفاعل المبرد بالغاز أن يعمل في درجات حرارة أعلى بكثير من المفاعل المبرد بالسائل، وبالتالي فهو مناسب لأنظمة التدفئة الصناعية ومحطات الطاقة عالية الكفاءة. وتتميز المفاعلات الصغيرة المبردة بالغاز بزيادة السلامة التشغيلية، وعلى وجه الخصوص، لا يوجد خطر انهيار المفاعل.

مفاعلات متجانسة.

يستخدم قلب المفاعلات المتجانسة سائلًا متجانسًا يحتوي على نظير انشطاري لليورانيوم. ويكون السائل عادة عبارة عن مركب منصهر لليورانيوم. ويتم ضخه في وعاء ضغط كروي كبير، حيث يحدث تفاعل انشطاري متسلسل عند كتلة حرجة. ثم يتم تغذية السائل إلى مولد البخار. لم تنتشر المفاعلات المتجانسة على نطاق واسع بسبب الصعوبات التصميمية والتكنولوجية.

التفاعل والتحكم

تعتمد إمكانية حدوث تفاعل متسلسل ذاتي الاستدامة في المفاعل النووي على مقدار تسرب النيوترونات من المفاعل. تختفي النيوترونات الناتجة أثناء الانشطار نتيجة الامتصاص. بالإضافة إلى ذلك، فإن تسرب النيوترونات ممكن بسبب الانتشار عبر مادة، على غرار انتشار غاز من خلال غاز آخر.

للتحكم في مفاعل نووي، يجب أن تكون قادرًا على تنظيم عامل تكاثر النيوترونات كوتعرف بأنها نسبة عدد النيوترونات في جيل واحد إلى عدد النيوترونات في الجيل السابق. في ك= 1 (مفاعل حرج) يحدث تفاعل متسلسل ثابت بكثافة ثابتة. في ك> 1 (مفاعل فوق الحرج)، تزداد شدة العملية، وعند كص = 1 – (1/ ك) يسمى التفاعل.)

وبسبب ظاهرة تأخر النيوترونات، يزداد زمن "ولادة" النيوترونات من 0.001 ثانية إلى 0.1 ثانية. يسمح وقت التفاعل المميز هذا بالتحكم فيه باستخدام المحركات الميكانيكية - قضبان التحكم المصنوعة من مادة تمتص النيوترونات (B، Cd، Hf، In، Eu، Gd، إلخ). يجب أن يكون ثابت وقت التحكم في حدود 0.1 ثانية أو أكثر. ولضمان السلامة، يتم اختيار وضع تشغيل المفاعل الذي تكون فيه النيوترونات المتأخرة ضرورية في كل جيل للحفاظ على تفاعل متسلسل ثابت.

لضمان مستوى طاقة معين، يتم استخدام قضبان التحكم وعاكسات النيوترونات، ولكن يمكن تبسيط مهمة التحكم بشكل كبير من خلال التصميم المناسب للمفاعل. على سبيل المثال، إذا تم تصميم المفاعل بحيث تقل التفاعلية مع زيادة الطاقة أو درجة الحرارة، فسيكون أكثر استقرارًا. على سبيل المثال، إذا كان التباطؤ غير كاف بسبب زيادة درجة الحرارة، فإن الماء الموجود في المفاعل يتوسع، أي. تنخفض كثافة الوسيط. ونتيجة لذلك، يزداد امتصاص النيوترونات في اليورانيوم 238، حيث لا يتوفر لها الوقت الكافي لإبطاء سرعتها بشكل فعال. تستفيد بعض المفاعلات من عامل زيادة تسرب النيوترونات من المفاعل بسبب انخفاض كثافة الماء. هناك طريقة أخرى لتثبيت استقرار المفاعل وهي تسخين "ممتص النيوترونات الرنان"، مثل اليورانيوم 238، الذي يمتص النيوترونات بقوة أكبر.

انظمة حماية.

يتم ضمان سلامة المفاعل من خلال آلية أو أخرى لإيقافه في حالة حدوث زيادة حادة في الطاقة. وقد تكون هذه آلية عملية فيزيائية أو تشغيل نظام التحكم والحماية أو كليهما. عند تصميم مفاعلات الماء المضغوط، يتم مراعاة حالات الطوارئ المرتبطة بدخول الماء البارد إلى المفاعل، وانخفاض تدفق سائل التبريد، وزيادة التفاعل أثناء بدء التشغيل. نظرًا لأن شدة التفاعل تزداد مع انخفاض درجة الحرارة، فعندما يدخل الماء البارد فجأة إلى المفاعل، تزداد التفاعلية والطاقة. يشتمل نظام الحماية عادةً على قفل تلقائي لمنع دخول الماء البارد. عندما ينخفض ​​تدفق سائل التبريد، يسخن المفاعل بشكل مفرط، حتى لو لم تزيد قوته. في مثل هذه الحالات، من الضروري إيقاف التشغيل التلقائي. بالإضافة إلى ذلك، يجب تصميم مضخات التبريد لتزويد المبرد المطلوب لإغلاق المفاعل. قد تنشأ حالة طوارئ عند بدء تشغيل مفاعل ذي تفاعلية عالية جدًا. نظرًا لانخفاض مستوى الطاقة، لا يتوفر للمفاعل الوقت الكافي للتسخين بدرجة كافية لتشغيل نظام الحماية من درجة الحرارة حتى فوات الأوان. الإجراء الوحيد الموثوق به في مثل هذه الحالات هو التشغيل الدقيق للمفاعل.

يعد تجنب حالات الطوارئ المذكورة أمرًا بسيطًا للغاية إذا اتبعت القاعدة التالية: يجب تنفيذ جميع الإجراءات التي يمكن أن تزيد من تفاعل النظام بعناية وببطء. إن القضية الأكثر أهمية فيما يتعلق بسلامة المفاعل هي الضرورة المطلقة لتبريد قلب المفاعل على المدى الطويل بعد توقف التفاعل الانشطاري فيه. والحقيقة هي أن منتجات الانشطار المشع المتبقية في علب الوقود تولد الحرارة. وهي أقل بكثير من الحرارة المتولدة بكامل طاقتها، ولكنها كافية لإذابة قضبان الوقود في حالة عدم وجود التبريد اللازم. أدى انقطاع قصير في إمدادات مياه التبريد إلى حدوث أضرار جسيمة في القلب وحادث مفاعل في جزيرة ثري مايل (الولايات المتحدة الأمريكية). إن تدمير قلب المفاعل هو ضرر ضئيل في حالة وقوع مثل هذا الحادث. سيكون الأمر أسوأ إذا تسربت النظائر المشعة الخطيرة. تم تجهيز معظم المفاعلات الصناعية بأوعية أمان محكمة الغلق، والتي من المفترض أن تمنع إطلاق النظائر إلى البيئة في حالة وقوع حادث.

وفي الختام نشير إلى أن إمكانية تدمير المفاعل تعتمد إلى حد كبير على تصميمه وتصميمه. يمكن تصميم المفاعلات بطريقة لا يؤدي فيها تقليل تدفق سائل التبريد إلى مشاكل كبيرة. هذه هي الأنواع المختلفة من المفاعلات المبردة بالغاز.