Spaltning af urankerner og kædereaktion. spaltning af uran

spaltning af atomkerner Processen med at opdele kernen i to omtrent lige store dele kaldes. Normalt opstår en sådan proces, når en eller anden partikel kommer ind i en tung kerne - en neutron, en proton, en alfapartikel osv. I sådanne tilfælde kaldes fission forceret. Men nogle gange sker delingen spontant, sådan en opdeling kaldes spontan.

Tvunget opdelingsmekanisme. Når en partikel (for eksempel en neutron) kommer ind i kernen, frigives dens bindingsenergi inde i kernen E St.. En betydelig del af partiklens kinetiske energi tilføres den E, som et resultat af hvilket kernen går ind i en exciteret tilstand, og dens samlede excitationsenergi viser sig at være lig med E * = E St. + E A/(A+1). Denne excitation manifesterer sig i form af en accelereret bevægelse af alle kernens nukleoner, kernen "koger", bølger løber langs dens overflade osv. Så sker der én af to ting. Eller den overskydende energi vil forlade kernen med emission af en eller flere gamma-kvanter (dvs. strålingsindfangning af den indkommende partikel vil forekomme). Eller, som et resultat af vibrationer af den nukleare "væske", dannes en forsnævring i kernen, kernen vil tage form af en håndvægt, og under indflydelse af Coulomb frastødelse af ladningerne i de to halvdele af denne " håndvægt", vil indsnævringen briste, og de to dele af den tidligere kerne vil spredes i modsatte retninger med stor energi modtaget fra de samme kræfter af Coulomb frastødning af ens elektriske ladninger. De resulterende halvdele af den oprindelige kerne kaldes fissionsfragmenter. Under påvirkning af overfladespændingskræfter vil de få en sfærisk form og blive kerner af nye atomer med masser svarende til omkring halvdelen af ​​urankernens masse, dvs. atomer af grundstofferne, der ligger i midten af ​​det periodiske system.

Potentiel fissionsbarriere. For at kernen kan spalte, skal den først tilføres en tilstrækkelig stor deformation, som opstår som følge af den excitationsenergi, der tilføres kernen - ellers vil kernen skrumpe ind i en kugle, og der sker ingen fission. Den minimale excitationsenergi, ved hvilken fission bliver mulig, kaldet den potentielle fissionsbarriere og er angivet med symbolet U f. Fission er mulig, hvis excitationsenergien af ​​kernen E * > U f. Hvis E * < U f, så er division umuligt. Alle tunge kerner (thorium, uran, plutonium osv.) har værdier U f er omtrent det samme og lig med 5,1 - 5,4 MeV. Under sådanne forhold ville alle tunge kerner skulle vise samme evne til fission. Det er det dog ikke.

Det er kendt, at i forhold til fission af neutroner er kerner opdelt i to forskellige grupper:

mærkelige kerner som 233 U, 235 U, 239 Pu, 241 Pu. De er nemt deler nogen, selv termiske neutroner, så de kaldes ofte "brændstof"-kerner;

lige-lige kerner 232 Th, 234 U, 238 U, 240 Pu, 242 Pu termiske neutroner spaltes ikke, så de kaldes ofte "rå" neutroner.

Dette sker, fordi når en neutron rammer en ulige kerne, dannes en lige-lige kerne (f.eks. 235 U +n → 236 U), neutronens bindingsenergi er særlig høj, så selv ved nul kinetisk energi af neutronen viser excitationsenergien sig at være større end fissionsbarrierens højde, og kernen deler sig let.

Når en neutron rammer en lige kerne (f.eks. 238 U +n → 239 U), dannes en ulige kerne, hvor neutronens bindingsenergi er meget lavere, og det er ikke nok til at overvinde fissionsbarrieren. Men hvis der i sidstnævnte tilfælde ikke kommer en termisk, men en hurtig neutron med en tilstrækkelig stor kinetisk energi ind i kernen, så kan det vise sig, at den samlede excitationsenergi E * > U f, og opdeling vil ske. Den minimale kinetiske energi af en neutron, ved hvilken fission af en lige kerne bliver mulig, kaldes tærskel fissionsenergi E siden. For kernen 238 U denne energi E siden≈ 1 MeV. Omtrent de samme værdier har tærskelenergier for andre lige-lige kerner. Så alle sådanne kerner spaltes også, men kun af hurtige neutroner.

spontan opdeling. På grund af den store overbelastning af protoner, som frastøder hinanden ved elektrostatiske kræfter og derved forsøger at bryde kernen, er tunge kerner ekstremt ustabile og derfor i stand til at dele sig selv, uden påvirkning udefra. Denne spontane opdeling kaldes spontan fission. Spontan fission opstår som alfa-henfald ved tunnelvirkningen af ​​fragmenter, der passerer gennem fissionsbarrieren. Men på grund af fragmenternes store ladning viser deres sandsynlighed for at passere gennem den potentielle barriere under fission af urankerner sig at være meget mindre end for alfapartikler, og halveringstiden med hensyn til spontan fission er henholdsvis meget længere. Så for alfa-henfaldet af uran-238 kerner, perioden T α = 4,5 10 9 år, mens for spontan fission T f= 10 16 år, dvs. 2,5 millioner gange mere. Når ladningen af ​​kernen stiger, vil værdierne T f er hurtigt faldende. Så for kernerne af kunstige transuranelementer (se nedenfor) med Z>100, er værdien T f målt i minutter og endda sekunder, og for nogle nuklider bliver spontan fission en endnu mere foretrukken form for henfald. Dette gør det muligt at tælle spontan fission den fjerde type radioaktivt henfald foruden alfa-, beta- og gammahenfald.

Frigivelse af energi under nuklear fission. Grafen i figur 1.1. viser, at nukleonernes specifikke bindingsenergi for urankerner (≈ 7,5 MeV/nukleon) er signifikant mindre end for kerner med halvdelen af ​​massen (≈ 8,4 MeV/nukleon), som opnås ved fission i form af fragmenter. Det betyder, at fragmenterne er bundet meget stærkere end urankerner, og når de dannes på grund af omlejringen af ​​nukleoner, frigives en overskydende bindingsenergi i mængden af ​​cirka 0,9 MeV pr. nukleon. Og da 236 nukleoner er involveret i processen med fission af en kerne, er den samlede energifrigivelse under fissionen af ​​en kerne 236 0,9 ≈ 212 MeV. Hovedparten af ​​denne energi går til fragmenterne i form af deres kinetiske energi. Men under fissionen af ​​kerner frigives der udover fragmenter flere forskellige partikler, som fratager resten af ​​energien. En omtrentlig fordeling af energi mellem forskellige partikler under spaltningen af ​​urankerner med termiske neutroner er angivet i tabel 1.3. Den samlede energimængde (215 MeV) stemmer godt overens med ovenstående skøn (212 MeV). Af denne mængde energi bliver 10 MeV ført væk af antineutrinoer ud i det ydre rum og er dermed "uoprettelige tab". Resten af ​​energien absorberes i forskellige materialer i reaktoren og omdannes i sidste ende til termisk energi, som bruges enten direkte (i AST og ATES) eller til at generere elektrisk strøm (i atomkraftværker og ATES).

Tabel 1.3. Energifordeling under fission af tunge kerner

Effektive fissionstværsnit. Kerner, der spaltes med termiske neutroner, er også i stand til at spalte med mellemliggende og hurtige neutroner; derfor er det for dem, som i tilfældet med strålingsindfangning (se ovenfor), nødvendigt at overveje adfærden af ​​fissionstværsnit i alle tre regioner.

I området for termiske neutroner ændres fissionstværsnittene også med stigende energi ifølge "1/v"-loven. Fissionstværsnittene σ f i gennemsnit over denne region er angivet i tabel 1.4.

Tabel 1.4. Fissionstværsnit af nogle kerner med termiske neutroner

Desværre, når en neutron kommer ind i en uran- eller plutoniumkerne, kan der ikke kun forekomme fission, men også strålingsindfangning af en neutron uden fission, for eksempel 235 U (n, γ) 236 U. Denne proces er skadelig for driften af reaktor, og dobbelt så:

en neutron går tabt, som ikke vil være i stand til at deltage i fissionskædereaktionen;

235 U-kernebrændselskernen går tabt, hvilket bliver til en lige 236 U-kerne, der, som nævnt ovenfor, ikke er spaltelig af termiske neutroner.

Men som det fremgår af tabel 5, viser fissionstværsnittene sig i alle tilfælde at være større end radiative capture-tværsnittene, så en nyttig fissionsproces sker med større sandsynlighed end en uønsket strålingsfangstproces. Dette er især tydeligt demonstreret af forholdet mellem tværsnittene af disse to processer (den sidste linje i tabel 1.4).

I området for mellemliggende neutroner viser fissionstværsnits afhængighed af energi, ligesom i tilfældet med strålingsindfangning, resonanstoppe. I gennemsnit viser sig værdierne af "alfa"-parameteren i denne region at være en smule højere end i området for termiske neutroner, så selvom der bygges mellemliggende neutronreaktorer, har de ikke fået bred distribution.

I området med hurtige neutroner bliver fissionstværsnittenes afhængighed af neutronenergien jævn, men i modsætning til strålingstværsnittene aftager fissionstværsnittene ikke kun med stigende neutronenergi, men stiger endda en smule. . Dette fører til en betydelig forbedring i forholdet mellem sandsynligheden for strålingsindfangning af neutroner og fission, især for plutonium, for hvilket forholdet α = 0,029 for hurtige neutroner, dvs. mere end 12 gange bedre end for termiske neutroner. Denne omstændighed er forbundet med en af ​​de vigtigste fordele ved atomreaktorer, der opererer på hurtige neutroner sammenlignet med termiske reaktorer.

Fissionstværsnittene af lige-lige nuklider op til fissionstærsklen er naturligt lig nul, og over tærsklen, selvom de adskiller sig fra nul, får de aldrig store værdier. Så fissionstværsnittet er 238 U ved energier over 1 MeV viser det sig at være i størrelsesordenen 0,5 barn.

Fissionsfragmenter. På trods af den høje energi (ca. 82 MeV for hvert fragment), viser fragmenternes veje i luft sig ikke at være mere og endda noget mindre end alfapartiklernes veje (ca. 2 cm). Og det er på trods af, at alfapartikler har meget lavere energier (4 - 9 MeV). Dette sker, fordi fragmentets elektriske ladning er meget større end ladningen af ​​alfa-partiklen, og derfor taber den energi meget mere intensivt til ionisering og excitation af mediets atomer.

Mere nøjagtige målinger har vist, at fragmenternes rækkevidde som regel ikke er de samme og er grupperet omkring værdierne 1,8 og 2,2 cm.

Generelt kan der under fission dannes fragmenter med meget forskellige massetal fra 70 til 160 (dvs. omkring 90 forskellige værdier), men fragmenter med sådanne masser dannes med forskellige sandsynligheder. Disse sandsynligheder er normalt udtrykt ved de såkaldte. splinter udgår Y MEN med givet massetal MEN: Y MEN = N EN / N f, hvor N EN er antallet af fragmenter med et massetal MEN der er opstået i løbet af N f, nuklear fission. Normalt værdien Y MEN udtrykt i procent.

Fordelingskurven for fissionsfragmenters udbytte efter massetal har to maksima (eller "pukler"), hvor det ene maksimum er placeret i området A=90 og det andet i området A=140. Bemærk, at det er kernerne i cirka disse masser, der oftest findes i spor - nedbør efter atomforsøg eller atomulykker. Det er tilstrækkeligt at huske spor af sådanne nuklider som 131 I, 133 I, 90 Sr, 137 Cs.

Forholdet mellem antallet af neutroner og antallet af protoner i fragmenterne i første øjeblik viser sig at være omtrent det samme, som det var i urankernen, dvs. 143:92 = 1,55. Men for stabile kerner med gennemsnitlige masser, som inkluderer fragmenter, er dette forhold meget tættere på enhed: for eksempel for den stabile kerne 118 Sn er dette forhold 1,36. Det betyder, at fragmenternes kerner er stærkt overbelastet med neutroner, og de vil søge at komme af med denne overbelastning ved beta-henfald, hvor neutroner bliver til protoner. På samme tid, for at det primære fragment kan blive til et stabilt nuklid, kan det være nødvendigt med flere på hinanden følgende beta-henfald, der danner en hel kæde, for eksempel:

(stabil).

Under pilene er halveringstiden for nukliderne: s-sekunder h-ur, y-flere år. Bemærk, at det er sædvanligt kun at kalde et fissionsfragment for den allerførste kerne, der direkte opstår under fissionen af ​​en urankerne (i dette tilfælde, 135 Sb). Alle andre nuklider, der er et resultat af beta-henfald, kaldes sammen med fragmenter og stabile endelige nuklider fissionsprodukter. Da massetallet ikke ændrer sig langs kæden, kan der være lige så mange sådanne kæder under spaltningen af ​​urankerner, som der kan være massetal, dvs. cirka 90. Og da hver kæde i gennemsnit indeholder 5 radioaktive nuklider, så kan man i alt blandt fissionsprodukterne tælle omkring 450 radionuklider med en lang række halveringstider fra brøkdele af et sekund til millioner af år. I en atomreaktor skaber ophobningen af ​​fissionsprodukter visse problemer, pga. for det første absorberer de neutroner og hæmmer derved strømmen af ​​fissionskædereaktionen, og for det andet opstår der på grund af deres beta-henfald restvarmedannelse, som kan fortsætte i meget lang tid efter, at reaktoren er lukket (i resterne af Tjernobyl-reaktor, varmeproduktion fortsætter den dag i dag). Radioaktiviteten af ​​fissionsprodukter udgør også en betydelig fare for mennesker.

Sekundære fissionsneutroner. De neutroner, der forårsager nuklear fission, kaldes primære, og neutronerne, der opstår under nuklear fission, kaldes sekundære. Sekundære fissionsneutroner udsendes af fragmenter i begyndelsen af ​​deres bevægelse. Som allerede bemærket viser fragmenter umiddelbart efter fission sig at være stærkt overbelastet med neutroner; i dette tilfælde overstiger excitationsenergien af ​​fragmenter bindingsenergien af ​​neutroner i dem, hvilket forudbestemmer muligheden for neutronemission. Ved at forlade kernen af ​​fragmentet tager neutronen en del af energien med sig, som et resultat af hvilket excitationsenergien af ​​fragmentkernen falder. Efter excitationsenergien af ​​fragmentkernen bliver mindre end bindingsenergien for neutronen i den, stopper emissionen af ​​neutroner.

Spaltningen af ​​forskellige kerner producerer et forskelligt antal sekundære neutroner, normalt fra 0 til 5 (oftest 2-3). For beregninger af reaktorer er det gennemsnitlige antal sekundære neutroner, der udsendes pr. fissionsbegivenhed, af særlig betydning. Dette tal er normalt angivet med det græske bogstav ν (nu) eller mere almindeligt ν f. Værdierne af ν f afhænger af typen af ​​fissionskernen og af de primære neutroners energi. Nogle eksempler er givet i tabel 1.5. Dataene præsenteret i denne tabel viser, at værdierne af ν f stiger både med en stigning i ladningen og massen af ​​den fissionerende kerne og med en stigning i energien af ​​primære neutroner.

Tabel 1.5. Gennemsnitligt antal sekundære neutroner produceret ved nuklear fission af termiske og hurtige neutroner

En anden fordel ved hurtige neutronreaktorer er forbundet med sidstnævnte omstændighed - et større antal sekundære neutroner giver dem mulighed for at udføre processen med udvidet avl af nukleart brændsel (se nedenfor). Sekundære neutroner opstår også i den spontane fission af kerner. Så ν f (U-238) = 1,98 og vf (Cf-252) = 3,767.

Processen med emission af sekundære neutroner fra stærkt exciterede kerner af fragmenter ligner processen med fordampning af molekyler fra overfladen af ​​en stærkt opvarmet væskedråbe. Derfor svarer energispektret af sekundære neutroner til Maxwell-fordelingen af ​​molekyler under termisk bevægelse. Det maksimale af dette spektrum ligger ved en energi på 0,8 MeV, og den gennemsnitlige energi for sekundære fissionsneutroner viser sig at være omkring 2 MeV.

Hoveddelen af ​​de sekundære neutroner udsendes fra fragmenternes kerner i en gennemsnitstid på 10 -14 s efter kernens fission, dvs. næsten øjeblikkeligt. Derfor kaldes denne del af sekundære neutroner promptneutroner. Men der er også såkaldte. forsinkede neutroner, som spiller en vigtig og helt særlig rolle i reaktorer .

Forsinkede neutroner i nuklear fission. Erfaring viser, at en lille brøkdel af sekundære neutroner (sædvanligvis< 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.

Fraktionen af ​​forsinkede neutroner er defineret som forholdet mellem antallet af forsinkede neutroner og antallet af alle sekundære fissionsneutroner: β = N app. n / N n. Værdierne af β for nogle kerner under deres fission af neutroner af forskellige energier er angivet i tabel 1.6.

Tabel 1.6. Fraktioner af forsinkede neutroner i nuklear fission

Da forsinkede neutroner kan opstå fra henfald af forskellige fragmentkerner (kaldet kerner - forstadier til forsinkede neutroner), som hver henfalder med sin egen halveringstid, danner de forsinkede neutroner flere grupper, som hver har sin egen halveringstid . Hovedparametrene for disse grupper er angivet i tabel. 1.7. I denne tabel er de relative udbytter af forsinkede neutroner normaliseret til enhed. Energierne af forsinkede neutroner er noget mindre end den gennemsnitlige energi for prompte neutroner (2 MeV), da de udsendes fra mindre exciterede fragmenter. Halveringstiden for grupper af forsinkede neutroner falder ikke helt sammen med halveringstiden for isolerede forstadier, da der faktisk er meget mere forsinkede neutronforstadier – nogle forskere har fundet op til flere titusinder af dem. Neutroner fra prækursorer med tætte perioder smelter sammen i én gruppe med en vis gennemsnitsperiode, som indtastes i tabellerne. Af samme grund afhænger udbyttet af grupper og deres perioder af typen af ​​fissile kerne og energien af ​​primære neutroner, da med ændringer i disse to parametre ændres udbyttet af fissionsfragmenter og følgelig sammensætningen af ​​grupperne også ændringer.

Tabel 1.7. Parametre for grupper af forsinkede neutroner i spaltningen af ​​235 U af termiske neutroner

forsinkede neutroner spiller en afgørende rolle i at kontrollere fissionskædereaktionen og driften af ​​hele atomreaktoren som helhed.

Øjeblikkelig gammastråling under fission. Når, efter at den sidste neutron har forladt fragmentet, excitationsenergien af ​​fragmentkernen er lavere end bindingsenergien af ​​neutronen i den, er yderligere undslippe af prompte neutroner umulig. Men noget overskydende energi er stadig tilbage i fragmentet. Denne overskydende energi bliver båret væk fra kernen af ​​en række udsendte gammastråler. Som nævnt ovenfor er den totale energi af prompte gammakvanter omkring 8 MeV, deres gennemsnitlige antal pr. fission er ca. 10, derfor er den gennemsnitlige energi af en gammakvanta i spaltningen af ​​tunge kerner ca. 0,8 MeV.

En atomreaktor er således en kraftig kilde til ikke kun neutroner, men også gammastråling, og man skal beskytte sig mod begge disse typer stråling.

I 1934 besluttede E. Fermi at opnå transuranelementer ved at bestråle 238 U med neutroner. E. Fermis idé var, at der som følge af β - henfaldet af 239 U isotopen dannes et kemisk grundstof med serienummeret Z = 93. Det var dog ikke muligt at identificere dannelsen af ​​det 93. grundstof. I stedet blev det, som et resultat af den radiokemiske analyse af radioaktive grundstoffer udført af O. Hahn og F. Strassmann, vist, at et af produkterne fra uranbestråling med neutroner er barium (Z = 56) - et kemisk grundstof med middel atomvægt , mens ifølge Fermi-teoriens antagelse burde transuranelementer være blevet fremstillet.
L. Meitner og O. Frisch foreslog, at som et resultat af en urankernes indfangning af en neutron, bryder den sammensatte kerne op i to dele

92 U + n → 56 Ba + 36 Kr + xn.

Processen med uranfission ledsages af fremkomsten af ​​sekundære neutroner (x > 1), der kan forårsage spaltning af andre urankerner, hvilket åbner muligheden for, at en fissionskædereaktion kan opstå - en neutron kan give anledning til en forgrenet kæde af spaltning af urankerner. I dette tilfælde bør antallet af adskilte kerner stige eksponentielt. N. Bohr og J. Wheeler beregnede den kritiske energi, der kræves for, at 236 U-kernen, dannet som et resultat af indfangningen af ​​en neutron af 235 U-isotopen, kan spalte. Denne værdi er 6,2 MeV, hvilket er mindre end excitationsenergien af ​​236 U-isotopen, der dannes under indfangningen af ​​en termisk neutron på 235 U. Derfor, når termiske neutroner fanges, er en fissionskædereaktion på 235 U mulig. fælles isotop 238 U, er den kritiske energi 5,9 MeV, mens når en termisk neutron fanges, er excitationsenergien af ​​den resulterende 239 U-kerne kun 5,2 MeV. Derfor er kædereaktionen af ​​fission af den mest almindelige i naturen isotop 238 U under påvirkning af termiske neutroner umulig. Ved én fissionshandling frigives en energi på ≈ 200 MeV (til sammenligning frigives en energi på ≈ 10 eV ved kemiske forbrændingsreaktioner i én reaktion). Muligheden for at skabe betingelser for en fissionskædereaktion åbnede muligheder for at bruge energien fra en kædereaktion til at skabe atomreaktorer og atomvåben. Den første atomreaktor blev bygget af E. Fermi i USA i 1942. I USSR blev den første atomreaktor opsendt under ledelse af I. Kurchatov i 1946. I 1954 begyndte verdens første atomkraftværk at fungere i Obninsk. I øjeblikket genereres elektrisk energi i omkring 440 atomreaktorer i 30 lande rundt om i verden.
I 1940 opdagede G. Flerov og K. Petrzhak den spontane spaltning af uran. De følgende figurer vidner om eksperimentets kompleksitet. Den partielle halveringstid med hensyn til spontan fission af 238 U isotopen er 10 16 –10 17 år, mens henfaldsperioden for 238 U isotopen er 4,5∙10 9 år. Hovedhenfaldskanalen for 238 U isotopen er α-henfald. For at observere den spontane fission af 238 U-isotopen var det nødvendigt at registrere én fissionsbegivenhed på baggrund af 10 7 –10 8 α-henfaldshændelser.
Sandsynligheden for spontan fission er hovedsageligt bestemt af fissionsbarrierens permeabilitet. Sandsynligheden for spontan fission stiger med en stigning i ladningen af ​​kernen, da. dette øger divisionsparameteren Z 2 /A. I Z isotoper< 92-95 деление происходит преимущественно с образованием двух осколков деления с отношением масс тяжёлого и лёгкого осколков 3:2. В изотопах Z >100, dominerer symmetrisk fission med dannelsen af ​​fragmenter af samme masse. Når ladningen af ​​kernen stiger, stiger andelen af ​​spontan fission sammenlignet med α-henfald.

Nuklear fission. Historie

1934- E. Fermi, der bestrålede uran med termiske neutroner, fandt radioaktive kerner blandt reaktionsprodukterne, hvis karakter ikke kunne fastslås.
L. Szilard fremsatte ideen om en nuklear kædereaktion.

1939− O. Hahn og F. Strassmann opdagede barium blandt reaktionsprodukterne.
L. Meitner og O. Frisch annoncerede for første gang, at uran under påvirkning af neutroner blev spaltet i to fragmenter, der var sammenlignelige i masse.
N. Bohr og J. Wheeler gav en kvantitativ fortolkning af nuklear fission ved at introducere fissionsparameteren.
Ya. Frenkel udviklede dråbeteorien om nuklear fission af langsomme neutroner.
L. Szilard, E. Wigner, E. Fermi, J. Wheeler, F. Joliot-Curie, Ya. Zeldovich, Yu Khariton underbyggede muligheden for, at en nuklear fissionskædereaktion forekommer i uran.

1940− G. Flerov og K. Petrzhak opdagede fænomenet spontan spaltning af U-urankerner.

1942− E. Fermi udførte en kontrolleret fissionskædereaktion i den første atomreaktor.

1945− Den første test af atomvåben (Nevada, USA). Atombomber blev kastet over de japanske byer Hiroshima (6. august) og Nagasaki (9. august).

1946− Under ledelse af I.V. Kurchatov, den første reaktor i Europa blev lanceret.

1954− Verdens første atomkraftværk blev lanceret (Obninsk, USSR).

Nuklear fission.Siden 1934 begyndte E. Fermi at bruge neutroner til at bombardere atomer. Siden da er antallet af stabile eller radioaktive kerner opnået ved kunstig transformation steget til mange hundrede, og næsten alle steder i det periodiske system er blevet fyldt med isotoper.
De atomer, der opstod i alle disse kernereaktioner, indtog samme plads i det periodiske system som det bombarderede atom eller nabosteder. Derfor beviset fra Hahn og Strassmann i 1938 for, at når neutroner bombarderer det sidste element i det periodiske system−uran−henfalder til grundstoffer, der er i de midterste dele af det periodiske system. Der er forskellige former for henfald her. De atomer, der opstår, er for det meste ustabile og henfalder straks yderligere; nogle har halveringstider målt i sekunder, så Hahn måtte bruge den analytiske Curie-metode for at forlænge så hurtig en proces. Det er vigtigt at bemærke, at grundstofferne foran uran, protactinium og thorium, også viser lignende henfald under påvirkning af neutroner, selvom der kræves højere neutronenergi for at henfaldet kan begynde end i tilfældet med uran. Sammen med dette opdagede G. N. Flerov og K. A. Petrzhak i 1940 spontan spaltning af urankernen med den længste halveringstid kendt indtil da: ca.· 10 15 år; dette faktum bliver tydeligt på grund af neutronerne frigivet i processen. Så det var muligt at forstå, hvorfor det "naturlige" periodiske system ender med de tre navngivne grundstoffer. Transuran-elementer er nu kendt, men de er så ustabile, at de hurtigt henfalder.
Spaltningen af ​​uran ved hjælp af neutroner gør det nu muligt at bruge atomenergi, som allerede er blevet forestillet af mange som "drømmen om Jules Verne."

M. Laue, Fysikkens Historie

1939 O. Hahn og F. Strassmann, der bestrålede uransalte med termiske neutroner, opdagede blandt reaktionsprodukterne barium (Z = 56)

Otto Gunn (1879 – 1968)

Nuklear fission er opsplitning af en kerne i to (sjældent tre) kerner med lignende masser, som kaldes fissionsfragmenter. Under fission opstår også andre partikler - neutroner, elektroner, α-partikler. Som et resultat af fission frigives en energi på ~200 MeV. Fission kan være spontan eller tvunget under påvirkning af andre partikler, oftest neutroner.
Et karakteristisk træk ved fission er, at fissionsfragmenter som regel adskiller sig væsentligt i masse, dvs. asymmetrisk fission dominerer. I tilfælde af den mest sandsynlige fission af uranisotopen 236 U er fragmentmasseforholdet således 1,46. Et tungt fragment har et massetal på 139 (xenon), og et let fragment har et massetal på 95 (strontium). Under hensyntagen til emissionen af ​​to prompte neutroner har den betragtede fissionsreaktion formen

Nobelprisen i kemi
1944 - O. Gan.
Til opdagelsen af ​​neutroners fissionsreaktion af uraniumkerner.

Fissionsskår

Afhængighed af de gennemsnitlige masser af lette og tunge grupper af fragmenter af massen af ​​den fissile kerne.

Opdagelse af nuklear fission. 1939

Jeg kom til Sverige, hvor Lise Meitner led af ensomhed, og som hengiven nevø besluttede jeg at besøge hende i julen. Hun boede på det lille hotel Kungälv ved Gøteborg. Jeg fangede hende ved morgenmaden. Hun overvejede det brev, hun lige havde modtaget fra Han. Jeg var meget skeptisk over for indholdet af brevet, som berettede om dannelsen af ​​barium ved at bestråle uran med neutroner. Hun blev dog tiltrukket af denne mulighed. Vi gik i sneen, hun gik, jeg stod på ski (hun sagde, at hun kunne gøre på denne måde uden at falde bag mig, og hun beviste det). Ved afslutningen af ​​gåturen var vi allerede i stand til at formulere nogle konklusioner; kernen delte sig ikke, og stykker fløj ikke af fra den, men det var en proces, der snarere lignede dråbemodellen af ​​Bohr-kernen; som en dråbe kunne kernen forlænges og dele sig. Jeg undersøgte derefter, hvordan nukleonernes elektriske ladning reducerer overfladespændingen, som, som jeg kunne konstatere, falder til nul ved Z = 100, og muligvis meget lav for uran. Lise Meitner var engageret i at bestemme den energi, der frigives under hvert henfald på grund af en massefejl. Hun havde en meget klar idé om massedefektkurven. Det viste sig, at fissionselementer på grund af elektrostatisk frastødning ville få en energi på omkring 200 MeV, og det svarede netop til energien forbundet med en massedefekt. Derfor kunne processen forløbe rent klassisk uden at involvere konceptet om at passere gennem en potentiel barriere, hvilket naturligvis ville være nytteløst her.
Vi tilbragte to eller tre dage sammen hen over julen. Så vendte jeg tilbage til København og havde knap nok tid til at fortælle Bohr om vores idé i det øjeblik, hvor han allerede var på vej ombord på damperen til USA. Jeg husker, hvordan han slog sig i panden, så snart jeg begyndte at tale, og udbrød: ”Åh, hvilke fjols vi var! Det burde vi have bemærket før." Men han lagde ikke mærke til det, og ingen lagde mærke til det.
Lise Meitner og jeg skrev en artikel. Samtidig holdt vi konstant kontakten via fjerntelefon København - Stockholm.

O. Frisch, Erindringer. UFN. 1968. T. 96, hæfte 4, s. 697.

Spontan nuklear fission

I de eksperimenter, der er beskrevet nedenfor, brugte vi den metode, som først blev foreslået af Frisch til registrering af processerne ved nuklear fission. Et ioniseringskammer med plader belagt med et lag uraniumoxid er forbundet med en lineær forstærker, der er indstillet på en sådan måde, at α-partikler udsendt fra uran ikke registreres af systemet; impulserne fra fragmenterne, som er meget større end impulserne fra α-partiklerne, låser udgangsthyratronen op og betragtes som et mekanisk relæ.
Et ioniseringskammer blev specielt designet i form af en flad flerlagskondensator med et samlet areal på 15 plader på 1000 cm. 2 .
I de allerførste forsøg med en forstærker indstillet til at tælle fragmenterne, var det muligt at observere spontane (i mangel af en neutronkilde) impulser på et relæ og et oscilloskop. Antallet af disse impulser var lille (6 pr. 1 time), og det er derfor ganske forståeligt, at dette fænomen ikke kunne observeres med kameraer af den sædvanlige type ...
Det har vi en tendens til at mene den effekt, vi observerer, skal tilskrives fragmenterne, der er et resultat af den spontane spaltning af uran ...

Spontan fission skal tilskrives en af ​​de uexciterede U-isotoper med halveringstider afledt af en evaluering af vores resultater:

U 238 – 10 16 ~ 10 17 flere år,
U 235 – 10 14 ~ 10 15 flere år,
U 234 – 10 12 ~ 10 13 flere år.

Isotophenfald 238 U

Spontan nuklear fission

Halveringstider for spontant fissile isotoper Z = 92 - 100

Det første forsøgssystem med et uran-grafitgitter blev bygget i 1941 under ledelse af E. Fermi. Det var en grafitterning med en 2,5 m lang ribbe, indeholdende omkring 7 tons uranoxid, indesluttet i jernbeholdere, som blev anbragt i terningen i lige stor afstand fra hinanden. En RaBe neutronkilde blev placeret i bunden af ​​uran-grafit gitteret. Multiplikationsfaktoren i et sådant system var ≈0,7. Uranoxidet indeholdt fra 2 til 5 % urenheder. Yderligere bestræbelser blev rettet mod at opnå renere materialer, og i maj 1942 opnåedes uranoxid, hvori urenheden var mindre end 1%. For at sikre en fissionskædereaktion var det nødvendigt at bruge en stor mængde grafit og uran - i størrelsesordenen flere tons. Urenhederne skulle være mindre end nogle få ppm. Reaktoren, samlet i slutningen af ​​1942 af Fermi ved University of Chicago, havde form som en ufuldstændig kugle afskåret ovenfra. Den indeholdt 40 tons uran og 385 tons grafit. Om aftenen den 2. december 1942, efter at neutronabsorberstængerne var blevet fjernet, blev det opdaget, at en atomkædereaktion fandt sted inde i reaktoren. Den målte koefficient var 1,0006. Oprindeligt fungerede reaktoren ved et effektniveau på 0,5 W. Den 12. december var dens effekt øget til 200 watt. Efterfølgende blev reaktoren flyttet til et mere sikkert sted, og dens effekt blev øget til flere kW. I dette tilfælde forbrugte reaktoren 0,002 g uran-235 om dagen.

Den første atomreaktor i USSR

Bygningen til den første F-1 forskningsatomreaktor i USSR var klar i juni 1946.
Efter at alle de nødvendige eksperimenter var udført, blev reaktorkontrol- og beskyttelsessystemet udviklet, reaktorens dimensioner blev etableret, alle nødvendige eksperimenter blev udført med reaktormodeller, neutrondensiteten blev bestemt på flere modeller, grafitblokke blev opnået (den såkaldte nukleare renhed) og (efter neutron-fysisk kontrol) uranblokke påbegyndte i november 1946 konstruktionen af ​​F-1-reaktoren.
Reaktorens samlede radius var 3,8 m. Den krævede 400 tons grafit og 45 tons uran. Reaktoren blev samlet i lag, og klokken 15 den 25. december 1946 blev det sidste, 62. lag samlet. Efter udvindingen af ​​de såkaldte nødstænger blev kontrolstangen løftet, neutrontætheden begyndte at tælle, og klokken 18:00 den 25. december 1946 kom den første reaktor i USSR til live og begyndte at arbejde. Det var en spændende sejr for videnskabsmændene - skaberne af atomreaktoren og for hele det sovjetiske folk. Halvandet år senere, den 10. juni 1948, nåede den industrielle reaktor med vand i kanalerne en kritisk tilstand og begyndte snart den industrielle produktion af en ny type nukleart brændsel - plutonium.

Frigivelse af energi under nuklear fission. Som i andre nukleare reaktioner svarer den energi, der frigives under fission, til forskellen i masserne af de interagerende partikler og slutprodukterne. Da bindingsenergien af ​​en nukleon i uran og bindingsenergien af ​​en nukleon i fragmenter, skal energi frigives under fissionen af ​​uran

Under kernens fission frigives således enorm energi, den overvældende del af den frigives i form af fissionsfragmenternes kinetiske energi.

Massedistribution af fissionsprodukter. Urankernen er i de fleste tilfælde opdelt asymmetrisk. To nukleare fragmenter har tilsvarende forskellige hastigheder og forskellige masser.

Fragmenterne falder i to grupper efter deres masse; den ene nær krypton med den anden nær xenon. Fragmenternes masser er i gennemsnit relateret til hinanden som Ud fra lovene om bevarelse af energi og momentum kan det opnås, at fragmenternes kinetiske energier skal være omvendt proportional med deres masser :

Fissionsproduktets udbyttekurve er symmetrisk i forhold til den lodrette lige linje, der går gennem punktet. Den signifikante bredde af maksima angiver mangfoldigheden af ​​fissionsveje.

Ris. 82. Massedistribution af uranfissionsprodukter

De anførte karakteristika refererer hovedsageligt til fission under påvirkning af termiske neutroner; i tilfælde af fission under påvirkning af neutroner med en energi på flere eller flere, bryder kernen op i to fragmenter, der er mere symmetriske i massen.

Egenskaber ved fissionsprodukter. Under fissionen af ​​et uranatom udskilles rigtig mange skalelektroner, og fissionsfragmenterne er tilnærmelsesvis -foldige ioniserede positive ioner, som ved passage gennem stoffet kraftigt ioniserer atomerne. Derfor er fragmenternes veje i luften små og tæt på 2 cm.

Det er let at fastslå, at de fragmenter, der dannes under fission, skal være radioaktive, tilbøjelige til at udsende neutroner. For stabile kerner varierer forholdet mellem antallet af neutroner og protoner afhængigt af A som følger:

(se scanning)

Kerner produceret ved fission ligger i midten af ​​bordet og indeholder derfor flere neutroner, end det er acceptabelt for deres stabilitet. De kan befris for overskydende neutroner både ved henfald og ved direkte at udsende neutroner.

forsinkede neutroner. I en af ​​de mulige varianter af fission dannes radioaktivt brom. På fig. 83 viser et diagram over dets henfald, for enden af ​​hvilket er stabile isotoper

Et interessant træk ved denne kæde er, at krypton kan frigøres fra en overskydende neutron enten på grund af -henfald, eller hvis den blev dannet i en exciteret tilstand på grund af den direkte emission af en neutron. Disse neutroner vises 56 sekunder efter fission (levetiden er i forhold til overgangen til en exciteret tilstand, selvom den selv udsender neutroner næsten øjeblikkeligt.

Ris. 83. Skema over henfaldet af radioaktivt brom dannet i exciteret tilstand under spaltningen af ​​uran

De kaldes forsinkede neutroner. Over tid falder intensiteten af ​​forsinkede neutroner eksponentielt, som ved normalt radioaktivt henfald.

Energien af ​​disse neutroner er lig med excitationsenergien i kernen. Selvom de kun udgør 0,75 % af alle neutroner, der udsendes ved fission, spiller forsinkede neutroner en vigtig rolle i implementeringen af ​​en kædereaktion.

Spørg neutroner. Over 99% af neutronerne frigives indenfor ekstremt kort tid; de kaldes prompte neutroner.

Når man studerer fissionsprocessen, opstår det grundlæggende spørgsmål, hvor mange neutroner der produceres i en fissionsbegivenhed; dette spørgsmål er vigtigt, fordi hvis deres antal i gennemsnit er stort, kan de bruges til at dele efterfølgende kerner, dvs. det bliver muligt at skabe en kædereaktion. Over løsningen af ​​dette spørgsmål i 1939-1940. arbejdet i næsten alle større nukleare laboratorier i verden.

Ris. 84. Energispektrum for neutroner opnået ved fission af uran-235

Spaltningsenergifordeling. Direkte måling af energien af ​​fragmenter og energien båret bort af andre fissionsprodukter gav følgende omtrentlige energifordeling

Spaltningen af ​​urankerner sker på følgende måde: først rammer en neutron kernen, som en kugle i et æble. I tilfælde af et æble ville en kugle have lavet et hul i det, eller ville have sprængt det i stykker. Når en neutron kommer ind i kernen, fanges den af ​​kernekræfter. Neutronen er kendt for at være neutral, så den frastødes ikke af elektrostatiske kræfter.

Hvordan opstår uranfission?

Så efter at være kommet ind i kernens sammensætning, bryder neutronen balancen, og kernen er ophidset. Det strækker sig til siderne som en håndvægt eller et uendelighedstegn: ∞ . Nukleare kræfter virker som bekendt i en afstand svarende til partiklernes størrelse. Når kernen strækkes, bliver virkningen af ​​kernekræfter ubetydelig for "håndvægtens ekstreme partikler", mens elektriske kræfter virker meget kraftigt på en sådan afstand, og kernen brækker simpelthen i to dele. I dette tilfælde udsendes også to eller tre neutroner.

Fragmenter af kernen og de frigivne neutroner spredes med stor hastighed i forskellige retninger. Fragmenterne bremses ret hurtigt af miljøet, men deres kinetiske energi er enorm. Det omdannes til mediets indre energi, som varmes op. I dette tilfælde er mængden af ​​frigivet energi enorm. Den energi, der opnås ved fuldstændig fission af et gram uran, er omtrent lig med den energi, der opnås ved at brænde 2,5 tons olie.

Kædereaktion ved fission af flere kerner

Vi har overvejet spaltningen af ​​en urankerne. Under fission blev flere (oftest to eller tre) neutroner frigivet. De spredes til siderne med stor hastighed og kan let falde ind i andre atomers kerner, hvilket forårsager en fissionsreaktion i dem. Dette er kædereaktionen.

Det vil sige, at neutronerne opnået som følge af kernefission exciterer og tvinger andre kerner til fission, som igen selv udsender neutroner, der fortsætter med at stimulere yderligere fission. Og så videre indtil spaltningen af ​​alle urankerner i umiddelbar nærhed sker.

I dette tilfælde kan der opstå en kædereaktion som en lavine for eksempel i tilfælde af en atombombeeksplosion. Antallet af nuklear fission stiger eksponentielt på kort tid. Der kan dog forekomme en kædereaktion med dæmpning.

Faktum er, at ikke alle neutroner møder kerner på deres vej, som de inducerer til fission. Som vi husker, er hovedvolumenet inde i stoffet optaget af hulrummet mellem partiklerne. Derfor flyver nogle neutroner gennem alt stof uden at kollidere med noget undervejs. Og hvis antallet af nuklear fission falder med tiden, så falmer reaktionen gradvist.

Nukleare reaktioner og den kritiske masse af uran

Hvad bestemmer typen af ​​reaktion? Fra massen af ​​uran. Jo større massen er, jo flere partikler vil den flyvende neutron møde på sin vej, og den har flere chancer for at komme ind i kernen. Derfor skelnes der mellem en "kritisk masse" af uran - det er sådan en minimumsmasse, hvor en kædereaktion er mulig.

Antallet af dannede neutroner vil være lig med antallet af neutroner, der er fløjet ud. Og reaktionen vil forløbe med nogenlunde samme hastighed, indtil hele volumen af ​​stoffet er produceret. Dette bruges i praksis i atomkraftværker og kaldes en kontrolleret atomreaktion.

Artiklens indhold

atomfission, en kernereaktion, hvor en atomkerne, når den bliver bombarderet af neutroner, spaltes i to eller flere fragmenter. Den samlede masse af fragmenterne er normalt mindre end summen af ​​masserne af den oprindelige kerne og den bombarderende neutron. "Den forsvundne messe" m bliver til energi E efter Einsteins formel E = mc 2, hvor c er lysets hastighed. Da lysets hastighed er meget høj (299.792.458 m/s), svarer en lille masse til en enorm mængde energi. Denne energi kan omdannes til elektricitet.

Den energi, der frigives under nuklear fission, omdannes til varme, når fissionsfragmenterne decelererer. Hastigheden af ​​varmefrigivelse afhænger af antallet af kerner, der spaltes pr. tidsenhed. Når fission af et stort antal kerner sker i et lille volumen på kort tid, har reaktionen karakter af en eksplosion. Dette er princippet om atombomben. Hvis derimod et relativt lille antal kerner spaltes i et stort volumen i længere tid, så vil resultatet være en frigivelse af varme, der kan bruges. Det er det, atomkraftværker er baseret på. På atomkraftværker bruges den varme, der frigives i atomreaktorer som følge af atomspaltning, til at producere damp, som tilføres turbiner, der roterer elektriske generatorer.

Til den praktiske brug af fissionsprocesser er uran og plutonium bedst egnede. De har isotoper (atomer af et givet grundstof med forskellige massetal), der spaltes, når de absorberer neutroner, selv ved meget lave energier.

Nøglen til den praktiske brug af fissionsenergi var det faktum, at nogle grundstoffer udsender neutroner i fissionsprocessen. Selvom en neutron absorberes under nuklear fission, består dette tab af produktionen af ​​nye neutroner under fission. Hvis den enhed, hvori fission sker, har en tilstrækkelig stor ("kritisk") masse, så kan en "kædereaktion" opretholdes på grund af nye neutroner. En kædereaktion kan styres ved at justere antallet af neutroner, der kan forårsage fission. Hvis den er større end én, så øges divisionsintensiteten, og hvis den er mindre end én, falder den.

HISTORISK REFERENCE

Historien om opdagelsen af ​​nuklear fission stammer fra arbejdet af A. Becquerel (1852-1908). Ved at undersøge phosphorescensen af ​​forskellige materialer i 1896 opdagede han, at mineraler indeholdende uran spontant udsender stråling, der forårsager en sortfarvning af en fotografisk plade, selvom et uigennemsigtigt fast stof er placeret mellem mineralet og pladen. Forskellige forsøgsledere har fastslået, at denne stråling består af alfapartikler (heliumkerner), beta-partikler (elektroner) og gammastråler (hård elektromagnetisk stråling).

Den første transformation af kerner, kunstigt induceret af mennesket, blev udført i 1919 af E. Rutherford, som omdannede nitrogen til oxygen ved at bestråle nitrogen med uran-alfapartikler. Denne reaktion blev ledsaget af absorption af energi, da massen af ​​dens produkter - oxygen og brint - overstiger massen af ​​partiklerne, der kommer ind i reaktionen - nitrogen og alfapartikler. Frigivelsen af ​​atomenergi blev først opnået i 1932 af J. Cockcroft og E. Walton, som bombarderede lithium med protoner. I denne reaktion var massen af ​​kernerne, der gik ind i reaktionen, noget større end massen af ​​produkterne, hvilket resulterede i, at energi blev frigivet.

I 1932 opdagede J. Chadwick neutronen - en neutral partikel med en masse omtrent lig massen af ​​kernen i et brintatom. Fysikere over hele verden begyndte at studere egenskaberne af denne partikel. Det blev antaget, at en neutron, der er blottet for en elektrisk ladning og ikke frastødes af en positivt ladet kerne, ville være mere tilbøjelige til at forårsage nukleare reaktioner. Nyere resultater har bekræftet denne formodning. I Rom udsatte E. Fermi og hans samarbejdspartnere næsten alle elementer i det periodiske system for neutronbestråling og observerede nukleare reaktioner med dannelsen af ​​nye isotoper. Beviset for dannelsen af ​​nye isotoper var "kunstig" radioaktivitet i form af gamma- og betastråling.

De første indikationer på muligheden for nuklear fission.

Fermi er krediteret for opdagelsen af ​​mange af de neutronreaktioner, der kendes i dag. Især forsøgte han at opnå et grundstof med atomnummer 93 (neptunium) ved at bombardere uran (grundstof med atomnummer 92) med neutroner. Samtidig registrerede han elektroner udsendt som følge af neutronfangst i den foreslåede reaktion

238 U + 1n® 239 Np+ b–,

hvor 238 U er en isotop af uranium-238, 1 n er en neutron, 239 Np er neptunium, og b- - elektron. Resultaterne var dog blandede. For at udelukke muligheden for, at den registrerede radioaktivitet tilhører uranisotoper eller andre grundstoffer placeret i det periodiske system før uran, var det nødvendigt at foretage en kemisk analyse af radioaktive grundstoffer.

Resultaterne af analysen viste, at de ukendte grundstoffer svarer til serienumrene 93, 94, 95 og 96. Derfor konkluderede Fermi, at han havde opnået transuranelementer. Imidlertid fandt O. Hahn og F. Strassman i Tyskland efter at have udført en grundig kemisk analyse, at radioaktivt barium er til stede blandt de grundstoffer, der er et resultat af bestråling af uran med neutroner. Det betød, at en del af urankernerne sandsynligvis er opdelt i to store fragmenter.

Divisionsbekræftelse.

Derefter udførte Fermi, J. Dunning og J. Pegram fra Columbia University eksperimenter, der viste, at nuklear fission finder sted. Spaltningen af ​​uran med neutroner blev bekræftet ved metoderne med proportionelle tællere, et skykammer og akkumulering af fissionsfragmenter. Den første metode viste, at højenergiimpulser udsendes, når en neutronkilde nærmer sig en uranprøve. I skykammeret så man, at urankernen, bombarderet af neutroner, er opdelt i to fragmenter. Sidstnævnte metode gjorde det muligt at fastslå, at fragmenterne, som forudsagt af teorien, er radioaktive. Alt dette tilsammen beviste overbevisende, at fission virkelig forekommer, og gjorde det muligt med sikkerhed at bedømme den energi, der frigives under fission.

Da det tilladte forhold mellem antallet af neutroner og antallet af protoner i stabile kerner falder med aftagende størrelse af kernen, skal andelen af ​​neutroner i fragmenterne være mindre end i den oprindelige urankerne. Der var således al mulig grund til at tro, at fissionsprocessen er ledsaget af udsendelse af neutroner. Dette blev hurtigt eksperimentelt bekræftet af F. Joliot-Curie og hans samarbejdspartnere: antallet af neutroner udsendt i fissionsprocessen var større end antallet af absorberede neutroner. Det viste sig, at der for en absorberet neutron er cirka to en halv nye neutron. Muligheden for en kædereaktion og udsigterne til at skabe en usædvanlig kraftig energikilde og bruge den til militære formål blev straks indlysende. Derefter begyndte arbejdet i en række lande (især i Tyskland og USA) at skabe en atombombe under forhold med dyb hemmeligholdelse.

Udviklingen under Anden Verdenskrig.

Fra 1940 til 1945 var udviklingsretningen bestemt af militære hensyn. I 1941 blev der opnået små mængder plutonium, og en række nukleare parametre for uran og plutonium blev etableret. I USA var de vigtigste produktions- og forskningsvirksomheder, der var nødvendige for dette, under jurisdiktionen af ​​"Manhattan Military Engineering District", hvortil "Uranium Project" blev overført den 13. august 1942. På Columbia University (New York) udførte en gruppe ansatte ledet af E. Fermi og V. Zinn de første eksperimenter, hvor neutronmultiplikation blev undersøgt i et gitter af blokke af urandioxid og grafit – en atomare "kedel". I januar 1942 blev dette arbejde overført til University of Chicago, hvor der i juli 1942 blev opnået resultater, der viste muligheden for en selvopretholdende kædereaktion. Til at begynde med kørte reaktoren med en effekt på 0,5 W, men efter 10 dage blev effekten øget til 200 W. Muligheden for at skaffe store mængder atomenergi blev først demonstreret den 16. juli 1945, da den første atombombe blev detoneret på Alamogordo (New Mexico) teststedet.

ATOMREAKTORER

En atomreaktor er en installation, hvor det er muligt at udføre en kontrolleret selvopretholdende kædereaktion af nuklear fission. Reaktorer kan klassificeres efter det anvendte brændstof (fissile og rå isotoper), efter typen af ​​moderator, efter typen af ​​brændselselementer og efter typen af ​​kølemiddel.

fissile isotoper.

Der er tre fissile isotoper - uranium-235, plutonium-239 og uranium-233. Uran-235 fremstilles ved isotopadskillelse; plutonium-239 - i reaktorer, hvor uran-238 omdannes til plutonium, 238 U ® 239 U ® 239 Np ® 239 Pu; uran-233 - i reaktorer, hvor thorium-232 forarbejdes til uran. Atombrændsel til en kraftreaktor vælges ud fra dets nukleare og kemiske egenskaber samt omkostninger.

Tabellen nedenfor viser hovedparametrene for fissile isotoper. Det samlede tværsnit karakteriserer sandsynligheden for interaktion af enhver type mellem en neutron og en given kerne. Fissionstværsnittet karakteriserer sandsynligheden for nuklear fission af en neutron. Energiudbyttet pr. absorberet neutron afhænger af, hvilken brøkdel af kernerne, der ikke deltager i fissionsprocessen. Antallet af neutroner, der udsendes i en fissionsbegivenhed, er vigtigt ud fra et synspunkt om at opretholde kædereaktionen. Antallet af nye neutroner pr. absorberet neutron er vigtigt, fordi det karakteriserer fissionsintensiteten. Den andel af forsinkede neutroner, der udsendes efter fission er opstået, er relateret til den energi, der er lagret i materialet.

KARAKTERISTIKA FOR FISSILE ISOTOPER

Tabeldataene viser, at hver fissile isotop har sine egne fordele. For eksempel, i tilfælde af isotopen med det største tværsnit for termiske neutroner (med en energi på 0,025 eV), er der brug for mindre brændstof for at opnå kritisk masse, når man bruger en neutronmoderator. Da det højeste antal neutroner pr. absorberet neutron forekommer i en hurtig plutoniumreaktor (1 MeV), er det i avlstilstand bedre at bruge plutonium i en hurtig reaktor eller uranium-233 i en termisk reaktor end uranium-235 i en termisk reaktor. Uranium-235 er mere at foretrække med hensyn til nem kontrol, da det har en større andel af forsinkede neutroner.

Rå isotoper.

Der er to rå isotoper: thorium-232 og uranium-238, hvorfra de fissile isotoper uranium-233 og plutonium-239 fås. Teknologien til at bruge rå isotoper afhænger af forskellige faktorer, såsom behovet for berigelse. Uranmalm indeholder 0,7% uran-235, mens thoriummalm ikke indeholder fissile isotoper. Derfor skal en beriget fissil isotop tilsættes thorium. Antallet af nye neutroner pr. absorberet neutron er også vigtigt. Under hensyntagen til denne faktor er det nødvendigt at give fortrinsret til uran-233 i tilfælde af termiske neutroner (modereret til en energi på 0,025 eV), da antallet af udsendte neutroner under sådanne forhold er større, og som følge heraf omdannelsen faktor er antallet af nye fissile kerner pr. "brugt" fissile kerne.

Retardere.

Moderatoren tjener til at reducere energien af ​​neutroner, der udsendes i fissionsprocessen, fra ca. 1 MeV til termiske energier på ca. 0,025 eV. Da modereringen hovedsageligt sker som følge af elastisk spredning af kernerne af ikke-fissile atomer, skal moderatoratomernes masse være så lille som muligt, så neutronen kan overføre maksimal energi til dem. Derudover skal moderatoratomerne have et lille (sammenlignet med spredningstværsnittet) indfangningstværsnit, da neutronen gentagne gange skal kollidere med moderatoratomerne, før den bremses til termisk energi.

Den bedste moderator er brint, da dens masse er næsten lig med neutronens masse, og derfor mister neutronen den største mængde energi, når den kolliderer med brint. Men almindelig (let) brint optager neutroner for kraftigt, og derfor viser deuterium (tung brint) og tungt vand sig at være mere egnede moderatorer, trods deres lidt større masse, da de absorberer neutroner mindre. Beryllium kan betragtes som en god moderator. Kulstof har så lille et neutronabsorptionstværsnit, at det effektivt modererer neutroner, selvom det kræver mange flere kollisioner at bremse end brint.

Gennemsnitligt antal N De elastiske kollisioner, der kræves for at bremse en neutron fra 1 MeV til 0,025 eV ved brug af hydrogen, deuterium, beryllium og kulstof, er henholdsvis ca. 18, 27, 36 og 135. Den omtrentlige karakter af disse værdier skyldes det faktum, at bindingerne i kollisionsmoderatoren ved energier under 0,3 eV næppe kan være elastiske på grund af tilstedeværelsen af ​​kemisk energi. Ved lave energier kan atomgitteret overføre energi til neutroner eller ændre den effektive masse ved en kollision og derved krænke decelerationsprocessen.

Varmebærere.

De kølemidler, der bruges i atomreaktorer, er vand, tungt vand, flydende natrium, flydende natrium-kalium-legering (NaK), helium, kuldioxid og organiske væsker såsom terphenyl. Disse stoffer er gode varmebærere og har lavt neutronabsorberende tværsnit.

Vand er en fremragende moderator og kølemiddel, men absorberer neutroner for stærkt og har et for højt damptryk (14 MPa) ved en driftstemperatur på 336 ° C. Den bedst kendte moderator er tungt vand. Dets egenskaber er tæt på almindeligt vand, og neutronabsorptionstværsnittet er mindre. Natrium er et fremragende kølemiddel, men er ikke effektivt som neutronmoderator. Derfor bruges det i hurtige neutronreaktorer, hvor der udsendes flere neutroner under fission. Sandt nok har natrium en række ulemper: det inducerer radioaktivitet, det har en lav varmekapacitet, det er kemisk aktivt og størkner ved stuetemperatur. En legering af natrium og kalium svarer i egenskaber til natrium, men forbliver flydende ved stuetemperatur. Helium er et fremragende kølemiddel, men det har en lav specifik varmekapacitet. Kuldioxid er et godt kølemiddel og har været meget brugt i grafitmodererede reaktorer. Terphenyl har den fordel frem for vand, at det har et lavt damptryk ved driftstemperatur, men det nedbrydes og polymeriserer under de høje temperaturer og strålingsstrømme, som er karakteristiske for reaktorer.

Varmegenererende elementer.

Et brændselselement (FE) er en brændselskerne med en hermetisk kappe. Beklædningen forhindrer lækage af fissionsprodukter og vekselvirkningen mellem brændstoffet og kølevæsken. Skalmaterialet skal svagt absorbere neutroner og have acceptable mekaniske, hydrauliske og varmeledende egenskaber. Brændstofelementer er sædvanligvis pellets af sintret uraniumoxid i aluminium-, zirconium- eller rustfri stålrør; pellets af uranlegeringer med zirconium, molybdæn og aluminium belagt med zirconium eller aluminium (i tilfælde af en aluminiumslegering); grafittabletter med dispergeret urancarbid belagt med impermeabel grafit.

Alle disse brændselselementer bruges, men til trykvandsreaktorer er uranoxid-pellets i rustfri stålrør mest foretrukne. Urandioxid reagerer ikke med vand, har en høj strålingsmodstand og er kendetegnet ved et højt smeltepunkt.

Grafitbrændselsceller ser ud til at være meget velegnede til højtemperaturgaskølede reaktorer, men de har en alvorlig ulempe - gasformige fissionsprodukter kan trænge gennem deres beklædning på grund af diffusion eller defekter i grafit.

Organiske kølemidler er uforenelige med zirconium brændstofstave og kræver derfor brug af aluminiumslegeringer. Udsigterne for reaktorer med organiske kølemidler afhænger af, om der skabes aluminiumslegeringer eller pulvermetallurgiprodukter, der ville have den styrke (ved driftstemperaturer) og varmeledningsevne, der er nødvendige for brugen af ​​finner, der øger varmeoverførslen til kølevæsken. Da varmeoverførslen mellem brændstoffet og det organiske kølemiddel på grund af termisk ledning er lille, er det ønskeligt at anvende overfladekogning for at øge varmeoverførslen. Nye problemer vil være forbundet med overfladekogning, men de skal løses, hvis brugen af ​​organiske varmeoverførselsvæsker viser sig at være gavnlige.

TYPER AF REAKTORER

Teoretisk set er mere end 100 forskellige typer reaktorer mulige, forskellige i brændstof, moderator og kølemidler. De fleste konventionelle reaktorer bruger vand som kølemiddel, enten under tryk eller kogende vand.

Trykvandsreaktor.

I sådanne reaktorer tjener vand som moderator og kølemiddel. Det opvarmede vand pumpes under tryk til en varmeveksler, hvor varmen overføres til vandet i sekundærkredsløbet, hvori der dannes damp, der roterer turbinen.

Kogende reaktor.

I en sådan reaktor koger vand direkte i reaktorkernen, og den resulterende damp kommer ind i turbinen. De fleste kogende vandreaktorer bruger også vand som moderator, men nogle gange bruges en grafitmoderator.

Reaktor med flydende metalkøling.

I en sådan reaktor bruges flydende metal, der cirkulerer gennem rør, til at overføre den varme, der frigives under fission i reaktoren. Næsten alle reaktorer af denne type bruger natrium som kølevæske. Dampen, der genereres på den anden side af de primære kredsløbsrør, føres til en konventionel turbine. En flydende metal-kølet reaktor kan bruge neutroner med relativt høj energi (hurtig neutronreaktor) eller neutroner modereret i grafit eller berylliumoxid. Som forædlingsreaktorer er flydende metalkølede hurtige neutronreaktorer mere at foretrække, da der i dette tilfælde ikke er nogen tab af neutroner forbundet med moderation.

gaskølet reaktor.

I en sådan reaktor overføres den varme, der frigives under fissionsprocessen, til dampgeneratoren af ​​gas - kuldioxid eller helium. Neutronmoderatoren er normalt grafit. En gaskølet reaktor kan fungere ved meget højere temperaturer end en væskekølet reaktor og er derfor velegnet til industrielle varmesystemer og højeffektive kraftværker. Små gaskølede reaktorer er kendetegnet ved øget sikkerhed i drift, især fraværet af risiko for reaktornedsmeltning.

homogene reaktorer.

I kernen af ​​homogene reaktorer anvendes en homogen væske indeholdende en fissil isotop af uran. Væsken er normalt en smeltet uranforbindelse. Det pumpes ind i en stor sfærisk trykbeholder, hvor der sker en fissionskædereaktion i en kritisk masse. Væsken føres derefter ind i dampgeneratoren. Homogene reaktorer har ikke vundet popularitet på grund af design og teknologiske vanskeligheder.

REAKTIVITET OG KONTROL

Muligheden for en selvopretholdende kædereaktion i en atomreaktor afhænger af, hvor mange neutroner, der siver fra reaktoren. Neutroner produceret under fission forsvinder som følge af absorption. Derudover er neutronlækage mulig på grund af diffusion gennem stof, svarende til diffusion af en gas gennem en anden.

For at styre en atomreaktor skal du være i stand til at kontrollere neutronmultiplikationsfaktoren k, defineret som forholdet mellem antallet af neutroner i én generation og antallet af neutroner i den foregående generation. På k= 1 (kritisk reaktor) er der en stationær kædereaktion med konstant intensitet. På k> 1 (superkritisk reaktor), øges intensiteten af ​​processen, og kl k r = 1 – (1/ k) kaldes reaktivitet.)

På grund af fænomenet med forsinkede neutroner stiger "fødselstiden" for neutroner fra 0,001 s til 0,1 s. Denne karakteristiske reaktionstid gør det muligt at styre det ved hjælp af mekaniske aktuatorer - styrestænger lavet af et materiale, der absorberer neutroner (B, Cd, Hf, In, Eu, Gd osv.). Styretidskonstanten skal være af størrelsesordenen 0,1 s eller mere. For at sikre sikkerheden vælges en sådan reaktordriftstilstand, hvor forsinkede neutroner er nødvendige i hver generation for at opretholde en stationær kædereaktion.

For at sikre et givet effektniveau anvendes styrestænger og neutronreflektorer, men kontrolproblemet kan forenkles betydeligt ved korrekt beregning af reaktoren. For eksempel, hvis reaktoren er designet således, at når effekten eller temperaturen stiger, falder reaktiviteten, så vil den være mere stabil. For eksempel, hvis retardationen er utilstrækkelig, udvider vandet i reaktoren sig på grund af temperaturstigningen, dvs. moderatorens tæthed falder. Som et resultat forbedres absorptionen af ​​neutroner i uran-238, da de ikke har tid til effektivt at bremse. I nogle reaktorer bruges en faktor til at øge udsivningen af ​​neutroner fra reaktoren på grund af et fald i vandtætheden. En anden måde at stabilisere reaktoren på er at opvarme en "resonant neutronabsorber", såsom uran-238, som så absorberer neutroner stærkere.

Sikkerhedssystemer.

Sikkerheden af ​​reaktoren er sikret ved en eller anden mekanisme til at lukke den ned i tilfælde af en kraftig stigning i effekt. Dette kan være en mekanisme af en fysisk proces eller en operation af et kontrol- og beskyttelsessystem eller begge dele. Ved design af trykvandsreaktorer er der sørget for nødsituationer, når koldt vand kommer ind i reaktoren, et fald i kølevæskestrømningshastigheden og for høj reaktivitet under opstart. Da intensiteten af ​​reaktionen stiger med faldende temperatur, med en skarp tilstrømning af koldt vand ind i reaktoren, stiger reaktivitet og effekt. Beskyttelsessystemet sørger normalt for en automatisk lås for at forhindre koldt vand i at komme ind. Med et fald i kølevæskestrømmen overophedes reaktoren, selvom dens effekt ikke øges. I sådanne tilfælde er et automatisk stop nødvendigt. Derudover skal kølevæskepumperne dimensioneres til at levere den kølevæske, der er nødvendig for at lukke reaktoren ned. Der kan opstå en nødsituation ved opstart af en reaktor med for høj reaktivitet. På grund af det lave effektniveau når reaktoren ikke at varme nok op til at temperatursikringen virker, før det er for sent. Den eneste pålidelige foranstaltning i sådanne tilfælde er en omhyggelig opstart af reaktoren.

At undgå disse nødsituationer er ret simpelt, hvis du følger følgende regel: alle handlinger, der kan øge systemets reaktivitet, skal udføres omhyggeligt og langsomt. Det vigtigste i spørgsmålet om reaktorsikkerhed er det absolutte behov for langtidsafkøling af reaktorkernen efter afslutningen af ​​fissionsreaktionen i den. Faktum er, at de radioaktive fissionsprodukter, der er tilbage i brændstofpatronerne, udsender varme. Det er meget mindre end den varme, der frigives i fuld effekttilstand, men det er nok at smelte brændstofelementerne i mangel af den nødvendige afkøling. En kort afbrydelse i forsyningen af ​​kølevand førte til betydelige skader på kernen og ulykken af ​​reaktoren i Three Mile Island (USA). Ødelæggelsen af ​​reaktorkernen er den mindste skade i tilfælde af en sådan ulykke. Værre, hvis der er en lækage af farlige radioaktive isotoper. De fleste industrielle reaktorer er udstyret med hermetisk lukkede sikkerhedsskaller, som skal forhindre frigivelse af isotoper til miljøet i tilfælde af en ulykke.

Afslutningsvis bemærker vi, at muligheden for reaktorødelæggelse i høj grad afhænger af dens skema og design. Reaktorer kan designes på en sådan måde, at en reduktion af kølevæskens flowhastighed ikke vil føre til store problemer. Det er de forskellige typer gaskølede reaktorer.