Uraani tuumade lõhustumine ja ahelreaktsioon. uraani lõhustumine

aatomituumade lõhustumine Tuuma jagamist kaheks ligikaudu võrdseks osaks nimetatakse protsessiks. Tavaliselt toimub selline protsess siis, kui mõni osake siseneb raskesse tuuma – neutron, prooton, alfaosake jne. Sellistel juhtudel nimetatakse lõhustumist sunnitud. Kuid mõnikord toimub jagunemine spontaanselt, sellist jagunemist nimetatakse spontaanseks.

Sundjagamise mehhanism. Kui osake (näiteks neutron) siseneb tuuma, vabaneb selle sidumisenergia tuuma sees E St.. Sellele lisandub märkimisväärne osa osakese kineetilisest energiast E, mille tulemusena tuum läheb ergastatud olekusse ja selle kogu ergastusenergia osutub võrdseks E * = E St. + E A/(A+1). See ergastus avaldub kõigi tuuma nukleonide kiirendatud liikumisena, tuum "keeb", piki selle pinda jooksevad lained jne. Siis juhtub üks kahest asjast. Või lahkub liigne energia tuumast ühe või mitme gamma-kvanti emissiooniga (st toimub sissetuleva osakese kiirgushõive). Või tuuma "vedeliku" vibratsiooni tulemusena moodustub tuumas ahenemine, tuum saab hantli kuju ja selle kahe poole laengute Coulombi tõrjumise mõjul " hantel", ahenemine lõhkeb ja endise tuuma kaks osa hajuvad vastassuundades suure energiaga, mis saadakse nendelt samadelt Coulombi tõukejõult sarnaseid elektrilaenguid. Saadud algtuuma pooli nimetatakse lõhustumise killud. Pindpinevusjõudude mõjul omandavad nad sfäärilise kuju ja muutuvad uute aatomite tuumadeks, mille mass on ligikaudu pool uraani tuuma massist, s.o. elementide aatomid, mis asuvad perioodilisuse tabeli keskel.

Võimalik lõhustumisbarjäär. Selleks, et tuum jaguneks, tuleb sellele esmalt anda piisavalt suur deformatsioon, mis tekib tuumale antava ergastusenergia tulemusena - vastasel juhul tõmbub tuum keraks ja lõhustumist ei toimu. Minimaalne ergastusenergia, mille juures saab lõhustumine võimalikuks, nimetatakse potentsiaalseks lõhustumise barjääriks ja seda tähistatakse sümboliga U f. Lõhustumine on võimalik, kui tuuma ergastusenergia E * > U f. Kui E * < U f, siis on jagamine võimatu. Kõikidel rasketel tuumadel (toorium, uraan, plutoonium jne) on väärtused U f on ligikaudu samad ja võrdsed 5,1–5,4 MeV. Sellistes tingimustes peaksid kõik rasked tuumad näitama samasugust lõhustumisvõimet. Siiski ei ole.

On teada, et tuumad jagunevad neutronite poolt lõhustumise osas kahte erinevasse rühma:

veidrad tuumad nagu 233 U, 235 U, 239 Pu, 241 Pu. Nad jagavad hõlpsalt kõiki, isegi termilisi neutroneid, nii et neid nimetatakse sageli "kütuse" tuumadeks;

paaris-paaris tuumad 232 Th, 234 U, 238 U, 240 Pu, 242 Pu termilised neutronid ei lõhustu, seetõttu nimetatakse neid sageli "tooreteks" neutroniteks.

See juhtub seetõttu, et kui neutron tabab paaritu tuuma, moodustub paaris-paarituum (näiteks 235 U +n → 236 U), mille neutroni sidumisenergia on eriti kõrge, nii et isegi nulli neutroni kineetilise energia korral on ergastusenergia suurem kui lõhustumisbarjääri kõrgus ja tuum jaguneb kergesti.

Kui neutron tabab paaris-paarituuma (näiteks 238 U +n → 239 U), tekib paaritu tuum, milles neutroni sidumisenergia on palju väiksem ja sellest ei piisa lõhustumisbarjääri ületamiseks. Aga kui viimasel juhul ei satu tuuma mitte termiline, vaid piisavalt suure kineetilise energiaga kiire neutron, siis võib selguda, et kogu ergastusenergia E * > U f ja toimub jagunemine. Neutroni minimaalset kineetilist energiat, mille juures saab võimalikuks paarispaarituuma lõhustumine, nimetatakse lõhustumise lävienergia E aastast. Tuuma jaoks 238 U seda energiat E aastast≈ 1 MeV. Ligikaudu samadel väärtustel on lävienergia ka teiste paarituumate jaoks. Nii et kõik sellised tuumad ka lõhustuvad, kuid ainult kiirete neutronite abil.

spontaanne jagunemine. Prootonite suure ülekoormuse tõttu, mis tõrjuvad üksteist elektrostaatiliste jõudude toimel ja üritavad seeläbi tuuma murda, on rasked tuumad äärmiselt ebastabiilsed ja seetõttu võimelised end ilma igasuguse välismõjuta poolduma. Seda spontaanset jagunemist nimetatakse spontaanne lõhustumine. Spontaanne lõhustumine toimub nagu alfalagunemine lõhustumisbarjääri läbivate fragmentide tunneliefekti tõttu. Kuid fragmentide suure laengu tõttu osutub nende tõenäosus uraani tuumade lõhustumise ajal potentsiaalse barjääri läbimiseks palju väiksemaks kui alfaosakeste puhul ja spontaanse lõhustumise poolestusaeg on vastavalt palju väiksem. kauem. Nii et uraan-238 tuumade alfalagunemise puhul periood T α = 4,5 10 9 aastat, samas kui spontaanse lõhustumise korral T f= 10 16 aastat, s.o. 2,5 miljonit korda rohkem. Tuuma laengu kasvades väärtused T f vähenevad kiiresti. Seega tehistransuraanielementide tuumade puhul (vt allpool), mille Z>100, väärtus T f mõõdetuna minutites ja isegi sekundites ning mõnede nukliidide puhul muutub spontaanne lõhustumine veelgi eelistatavamaks lagunemisvormiks. See võimaldab loendada spontaanset lõhustumist neljas radioaktiivse lagunemise tüüp lisaks alfa-, beeta- ja gamma-lagunemisele.

Energia eraldumine tuuma lõhustumise ajal. Joonisel 1.1 olev graafik. näitab, et uraani tuumade nukleonide spetsiifiline sidumisenergia (≈ 7,5 MeV/nukleon) on oluliselt väiksem kui poole massiga tuumadel (≈ 8,4 MeV/nukleon), mis saadakse fragmentide kujul lõhustumise teel. See tähendab, et fragmendid on seotud palju tugevamalt kui uraani tuumad ja nende tekkimisel nukleonide ümberpaigutamise tõttu vabaneb liigne sidumisenergia koguses ligikaudu 0,9 MeV nukleoni kohta. Ja kuna ühe tuuma lõhustumise protsessis osaleb 236 nukleoni, on ühe tuuma lõhustumise ajal vabanev koguenergia 236 0,9 ≈ 212 MeV. Suurem osa sellest energiast läheb fragmentidele nende kineetilise energia kujul. Kuid tuumade lõhustumise käigus eraldub lisaks fragmentidele veel mitmeid erinevaid osakesi, mis kannavad ülejäänud energia minema. Energia ligikaudne jaotus erinevate osakeste vahel uraani tuumade lõhustumisel termiliste neutronite toimel on toodud tabelis 1.3. Energia koguhulk (215 MeV) ühtib hästi ülaltoodud hinnanguga (212 MeV). Sellest energiahulgast 10 MeV viiakse antineutriinode poolt kosmosesse ja on seega "pööramatuid kaotusi". Ülejäänud energia neeldub erinevatesse reaktori materjalidesse ja muundatakse lõpuks soojusenergiaks, mida kasutatakse kas otse (AST ja ATES) või elektrivoolu genereerimiseks (tuumaelektrijaamades ja ATES-is).

Tabel 1.3. Energiajaotus raskete tuumade lõhustumisel

Efektiivsed lõhustumise ristlõiked. Termiliste neutronitega tuumade lõhustumine on võimeline lõhustuma ka vahe- ja kiirete neutronitega, seetõttu tuleb nende puhul, nagu ka kiirguse püüdmise puhul (vt eespool), arvestada lõhustumise ristlõigete käitumist kõigis kolmes piirkonnas.

Termiliste neutronite piirkonnas muutuvad ka lõhustumise ristlõiked vastavalt "1/v" seadusele energia suurenemisega. Selle piirkonna keskmised lõhustumise ristlõiked σ f on toodud tabelis 1.4.

Tabel 1.4. Mõnede tuumade lõhustumise ristlõiked termiliste neutronite poolt

Kahjuks võib neutroni sisenemisel uraani- või plutooniumituuma toimuda mitte ainult lõhustumine, vaid ka neutroni kiirgusline kinnipüüdmine ilma lõhustumiseta, näiteks 235 U (n, γ) 236 U. See protsess on kahjulik tuumaenergia talitlusele. reaktor, ja kahekordselt:

kaob neutron, mis ei saa osaleda lõhustumise ahelreaktsioonis;

kaob 235 U tuumakütuse tuum, mis muutub paaris-paaris 236 U tuumaks, mis, nagu eespool märgitud, ei lõhustu termiliste neutronite toimel.

Kuid nagu on näha tabelist 5, osutuvad lõhustumise ristlõiked kõigil juhtudel suuremaks kui kiirguse püüdmise ristlõiked, seega toimub kasulik lõhustumisprotsess suurema tõenäosusega kui soovimatu kiirguse püüdmise protsess. Seda näitavad eriti selgelt nende kahe protsessi ristlõigete suhted (tabeli 1.4 viimane rida).

Vahepealsete neutronite piirkonnas näitab lõhustumise ristlõigete sõltuvus energiast, nagu ka kiirguse püüdmise korral, resonantsi piike. Keskmiselt osutuvad selles piirkonnas parameetri "alfa" väärtused isegi mõnevõrra kõrgemaks kui termiliste neutronite piirkonnas, nii et kuigi vahepealseid neutronreaktoreid ehitatakse, pole need laialt levinud.

Kiirete neutronite piirkonnas muutub lõhustumise ristlõigete sõltuvus neutronite energiast sujuvaks, kuid erinevalt kiirguse püüdmise ristlõigetest lõhustumise ristlõiked neutronite energia suurenedes mitte ainult ei vähene, vaid isegi veidi suurenevad. . See toob kaasa neutronite kiirgusliku püüdmise ja lõhustumise tõenäosuste suhte olulise paranemise, eriti plutooniumi puhul, mille puhul suhe α = 0,029 kiirete neutronite puhul, s.o. rohkem kui 12 korda parem kui termiliste neutronite puhul. See asjaolu on seotud kiiretel neutronitel töötavate tuumareaktorite ühe peamise eelisega võrreldes termiliste reaktoritega.

Paaris-paarisnukliidide lõhustumise ristlõiked kuni lõhustumisläveni on loomulikult võrdsed nulliga ja üle läve, kuigi need erinevad nullist, ei omanda nad kunagi suuri väärtusi. Seega on lõhustumise ristlõige 238 U energiatel üle 1 MeV, osutub see suurusjärgus 0,5 barni.

Lõhustumise fragmendid. Vaatamata suurele energiale (ligikaudu 82 MeV iga fragmendi kohta) ei osutu fragmentide liikumisteed õhus enamaks ja isegi mõnevõrra väiksemaks kui alfaosakeste teed (umbes 2 cm). Ja seda hoolimata asjaolust, et alfaosakeste energia on palju väiksem (4–9 MeV). See juhtub seetõttu, et fragmendi elektrilaeng on palju suurem kui alfaosakese laeng ja seetõttu kaotab see palju intensiivsemalt energiat keskkonna aatomite ioniseerimiseks ja ergastamiseks.

Täpsemad mõõtmised on näidanud, et fragmentide vahemikud ei ole reeglina samad ja rühmitatakse väärtuste 1,8 ja 2,2 cm ümber.

Üldjuhul võib lõhustumise käigus tekkida väga erineva massiarvuga fragmente, mis jäävad vahemikku 70–160 (s.t. umbes 90 erineva väärtusega), kuid sellise massiga killud tekivad erineva tõenäosusega. Tavaliselt väljendatakse neid tõenäosusi nn. killud väljuvad Y A antud massinumbriga A: Y A = N A / N f, kus N A on massinumbriga fragmentide arv A jooksul tekkinud N f, tuuma lõhustumine. Tavaliselt väärtus Y A väljendatud protsentides.

Lõhustumisfragmentide saagiste massiarvude jaotuskõveral on kaks maksimumi (või “küüru”), millest üks maksimum asub piirkonnas A=90 ja teine ​​piirkonnas A=140. Pange tähele, et kõige sagedamini leitakse jälgedes - tuumakatsetuste või tuumaõnnetuste järgses sademetes - ligikaudu nende masside tuumad. Piisab, kui meenutada selliste nukliidide jälgi nagu 131 I, 133 I, 90 Sr, 137 Cs.

Neutronite arvu ja prootonite arvu suhe fragmentides osutub esimesel hetkel ligikaudu samaks, mis oli uraani tuumas, s.t. 143:92 = 1,55. Kuid keskmise massiga stabiilsete tuumade puhul, mis sisaldavad fragmente, on see suhe ühtsusele palju lähemal: näiteks stabiilse tuuma 118 Sn puhul on see suhe 1,36. See tähendab, et fragmentide tuumad on neutronitega tugevalt ülekoormatud ja nad püüavad sellest ülekoormusest vabaneda beetalagunemise teel, mille käigus neutronid muutuvad prootoniteks. Samal ajal võib primaarse fragmendi muutumiseks stabiilseks nukliidiks vaja minna mitut järjestikust beeta-lagunemist, mis moodustavad terve ahela, näiteks:

(stabiilne).

Noolte all on nukliidide poolestusajad: s- sekundit h-kell, y-aastad. Pange tähele, et lõhustumisfragmendiks on tavaks nimetada ainult kõige esimest tuuma, mis uraani tuuma lõhustumisel otseselt tekib (antud juhul 135 Sb). Kõiki teisi beeta-lagunemisel tekkivaid nukliide koos fragmentide ja stabiilsete lõplike nukliididega nimetatakse nn. lõhustumisproduktid. Kuna massiarv piki ahelat ei muutu, siis uraani tuumade lõhustumisel võib selliseid ahelaid olla sama palju kui massiarve, s.t. umbes 90. Ja kuna iga ahel sisaldab keskmiselt 5 radioaktiivset nukliidi, siis kokku võib lõhustumisproduktide hulgas lugeda umbes 450 erineva poolestusajaga radionukliidi sekundi murdosast miljonite aastateni. Tuumareaktoris tekitab lõhustumisproduktide kuhjumine teatud probleeme, kuna. esiteks neelavad nad neutroneid ja takistavad seeläbi lõhustumisahelreaktsiooni kulgu ja teiseks tekib nende beeta-lagunemise tõttu jääksoojuse teke, mis võib kesta väga pikka aega pärast reaktori seiskamist (reaktori jäänustes). Tšernobõli reaktor, soojuse tootmine jätkub tänaseni). Lõhustumisproduktide radioaktiivsus kujutab endast olulist ohtu ka inimesele.

Sekundaarse lõhustumise neutronid. Tuuma lõhustumist põhjustavaid neutroneid nimetatakse primaarseteks ja tuuma lõhustumisel tekkivaid neutroneid sekundaarseteks. Sekundaarse lõhustumise neutronid kiirgavad killud nende liikumise alguses. Nagu juba märgitud, osutuvad killud vahetult pärast lõhustumist tugevalt neutronitega ülekoormatuks; sel juhul ületab fragmentide ergastusenergia neis olevate neutronite sidumisenergia, mis määrab neutronite emissiooni võimaluse. Fragmendi tuumast väljudes võtab neutron endaga kaasa osa energiast, mille tulemusena fragmendi tuuma ergastusenergia väheneb. Pärast seda, kui fragmendi tuuma ergastusenergia muutub väiksemaks selles oleva neutroni sidumisenergiast, peatub neutronite emissioon.

Erinevate tuumade lõhustumisel tekib erinev arv sekundaarseid neutroneid, tavaliselt 0 kuni 5 (kõige sagedamini 2-3). Reaktorite arvutustes on eriti oluline sekundaarsete neutronite keskmine arv, mis eraldub ühe lõhustumissündmuse kohta. Seda numbrit tähistatakse tavaliselt kreeka tähega ν (nu) või sagedamini ν f. ν f väärtused sõltuvad lõhustuva tuuma tüübist ja primaarsete neutronite energiast. Mõned näited on toodud tabelis 1.5. Selles tabelis esitatud andmed näitavad, et ν f väärtused suurenevad nii lõhustuva tuuma laengu ja massi suurenemisega kui ka primaarsete neutronite energia suurenemisega.

Tabel 1.5. Termiliste ja kiirete neutronite poolt tuuma lõhustumisel toodetud sekundaarsete neutronite keskmine arv

Kiirneutronreaktorite teine ​​eelis on seotud viimase asjaoluga - suurem arv sekundaarseid neutroneid võimaldab neil läbi viia tuumakütuse laiendatud aretamise protsessi (vt allpool). Sekundaarsed neutronid tekivad ka tuumade spontaansel lõhustumisel. Seega ν f (U-238) = 1,98 ja ν f (Cf-252) = 3,767.

Sekundaarsete neutronite emissiooniprotsess tugevalt ergastatud fragmentide tuumade poolt sarnaneb molekulide aurustumisprotsessiga tugevalt kuumutatud vedelikutilga pinnalt. Seetõttu on sekundaarsete neutronite energiaspekter sarnane molekulide Maxwelli jaotusele soojusliikumise ajal. Selle spektri maksimum on 0,8 MeV energia juures ja sekundaarse lõhustumise neutronite keskmine energia on umbes 2 MeV.

Põhiosa sekundaarsetest neutronitest väljub fragmentide tuumadest keskmiselt 10 -14 s jooksul pärast tuuma lõhustumist, s.o. peaaegu koheselt. Seetõttu nimetatakse seda sekundaarsete neutronite osa kiirneutroniteks. Aga on ka nö. hilinenud neutronid, mis mängivad reaktorites olulist ja väga erilist rolli .

Hilinenud neutronid tuuma lõhustumisel. Kogemused näitavad, et väike osa sekundaarsetest neutronitest (tavaliselt< 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.

Hilinenud neutronite osa on defineeritud kui hilinenud neutronite arvu ja kõigi sekundaarsete lõhustumise neutronite arvu suhe: β = N rakendus. n / N n. Mõnede tuumade β väärtused nende lõhustumisel erineva energiaga neutronitega on toodud tabelis 1.6.

Tabel 1.6. Hilinenud neutronite osad tuuma lõhustumisel

Kuna hilinenud neutronid võivad tekkida erinevate fragmendituumade lagunemisel (nn tuumad – hilinenud neutronite eelkäijad), millest igaüks laguneb oma poolestusajaga, siis moodustavad viivitatud neutronid mitu rühma, millest igaühel on oma poolestusaeg. . Nende rühmade peamised parameetrid on toodud tabelis. 1.7. Selles tabelis on viivitatud neutronite suhtelised saagised normaliseeritud ühikuks. Hilinenud neutronite energiad on mõnevõrra väiksemad kiirete neutronite keskmisest energiast (2 MeV), kuna need lendavad välja vähem ergastatud fragmentidest. Hilinenud neutronite rühmade poolestusajad ei lange täpselt kokku isoleeritud lähteainete poolestusaega, kuna tegelikult on hilinenud neutronite lähteaineid palju rohkem – mõned teadlased on neid leidnud kuni mitukümmend. Lähedaste perioodidega prekursorite neutronid sulanduvad teatud keskmise perioodiga ühte rühma, mis kantakse tabelitesse. Samal põhjusel sõltuvad rühmade saagised ja nende perioodid lõhustuva tuuma tüübist ja primaarsete neutronite energiast, kuna nende kahe parameetri muutumisel muutuvad lõhustumisfragmentide saagised ja sellest tulenevalt ka rühmade koostis. samuti muutub.

Tabel 1.7. Hilinenud neutronite rühmade parameetrid 235 U lõhustumisel termiliste neutronite poolt

hilinenud neutronid mängivad otsustavat rolli lõhustumise ahelreaktsiooni kontrollimisel ja kogu tuumareaktori töö tervikuna.

Hetkeline gammakiirgus lõhustumise ajal. Kui pärast viimase neutroni põgenemist fragmendist on fragmendi tuuma ergastusenergia väiksem kui selles oleva neutroni sidumisenergia, on kiirete neutronite edasine põgenemine võimatu. Kuid killukesse jääb siiski veidi üleliigset energiat. See üleliigne energia viiakse tuumast eemale kiirgavate gammakiirte jadaga. Nagu eespool märgitud, on kiirete gamma kvantide koguenergia umbes 8 MeV, nende keskmine arv lõhustumise kohta on ligikaudu 10, seega on ühe gamma kvantide keskmine energia raskete tuumade lõhustumisel ligikaudu 0, 8 MeV.

Seega on tuumareaktor võimas mitte ainult neutronite, vaid ka gammakiirguse allikas ning mõlema kiirguse eest tuleb end kaitsta.

1934. aastal otsustas E. Fermi saada transuraanielemente, kiiritades neutronitega 238 U. E. Fermi idee seisnes selles, et isotoobi 239 U β - lagunemise tulemusena tekib keemiline element järjekorranumbriga Z = 93. Samas ei õnnestunud tuvastada 93. tekkimist. element. Selle asemel selgus O. Hahni ja F. Strassmanni radioaktiivsete elementide radiokeemilise analüüsi tulemusena, et üks uraani neutronitega kiiritamise saadusi on baarium (Z = 56) – keskmise aatommassiga keemiline element. , samas kui Fermi teooria eelduse kohaselt oleks tulnud saada transuraanielemente.
L. Meitner ja O. Frisch pakkusid välja, et uraani tuuma poolt neutroni kinnipüüdmise tulemusena laguneb liittuum kaheks osaks.

92 U + n → 56 Ba + 36 Kr + xn.

Uraani lõhustumise protsessiga kaasneb sekundaarsete neutronite (x > 1) ilmumine, mis võivad põhjustada teiste uraani tuumade lõhustumist, mis avab potentsiaali lõhustumise ahelreaktsiooni tekkeks – üks neutron võib tekitada hargnenud ahela uraani tuumade lõhustumisest. Sel juhul peaks eraldatud tuumade arv kasvama eksponentsiaalselt. N. Bohr ja J. Wheeler arvutasid välja kriitilise energia, mis on vajalik 235 U isotoobiga neutroni kinnipüüdmise tulemusena tekkinud tuuma 236 U lõhenemiseks. See väärtus on 6,2 MeV, mis on väiksem kui termilise neutroni 235 U kinnipüüdmisel tekkinud isotoobi 236 U ergastusenergia. Seetõttu on termiliste neutronite kinnipüüdmisel võimalik 235 U suurune lõhustumisahelreaktsioon. ühise isotoobi 238 U puhul on kriitiline energia 5,9 MeV, samas kui termilise neutroni kinnipüüdmisel on saadud 239 U tuuma ergastusenergia vaid 5,2 MeV. Seetõttu on looduses levinuima isotoobi 238 U lõhustumise ahelreaktsioon termiliste neutronite toimel võimatu. Ühes lõhustumisaktis eraldub energia ≈ 200 MeV (võrdluseks, keemilistes põlemisreaktsioonides vabaneb ühes reaktsiooniaktis energia ≈ 10 eV). Võimalus luua tingimused lõhustumise ahelreaktsiooniks avas väljavaated ahelreaktsiooni energia kasutamiseks aatomireaktorite ja aatomirelvade loomiseks. Esimese tuumareaktori ehitas E. Fermi USA-s 1942. aastal. NSV Liidus käivitati esimene tuumareaktor I. Kurtšatovi juhtimisel 1946. 1954. aastal alustas Obninskis tööd maailma esimene tuumaelektrijaam. Praegu toodetakse elektrienergiat umbes 440 tuumareaktoris 30 riigis üle maailma.
1940. aastal avastasid G. Flerov ja K. Petržak uraani spontaanse lõhustumise. Järgmised joonised annavad tunnistust katse keerukusest. Isotoobi 238 U osaline poolestusaeg iseenesliku lõhustumise suhtes on 10 16 – 10 17 aastat, samas kui 238 U isotoobi lagunemisperiood on 4,5 ∙ 10 9 aastat. 238 U isotoobi peamine lagunemiskanal on α-lagunemine. Isotoobi 238 U spontaanse lõhustumise jälgimiseks oli vaja registreerida üks lõhustumissündmus 10 7 –10 8 α-lagunemise taustal.
Spontaanse lõhustumise tõenäosuse määrab peamiselt lõhustumisbarjääri läbilaskvus. Spontaanse lõhustumise tõenäosus suureneb tuuma laengu suurenemisega, kuna. see suurendab jagamisparameetrit Z 2 /A. Z isotoopides< 92-95 деление происходит преимущественно с образованием двух осколков деления с отношением масс тяжёлого и лёгкого осколков 3:2. В изотопах Z >100, domineerib sümmeetriline lõhustumine sama massiga fragmentide moodustumisega. Tuuma laengu suurenedes suureneb spontaanse lõhustumise osakaal võrreldes α-lagunemisega.

Tuuma lõhustumine. Lugu

1934. aasta- E. Fermi, kiiritades uraani termiliste neutronitega, leidis reaktsiooniproduktide hulgast radioaktiivseid tuumasid, mille olemust ei suudetud kindlaks teha.
L. Szilard esitas tuumaahelreaktsiooni idee.

1939. aastal− O. Hahn ja F. Strassmann avastasid reaktsioonisaaduste hulgast baariumi.
L. Meitner ja O. Frisch teatasid esimest korda, et neutronite toimel lõhustub uraan kaheks massilt võrreldavaks fragmendiks.
N. Bohr ja J. Wheeler andsid tuuma lõhustumise kvantitatiivse tõlgenduse, võttes kasutusele lõhustumise parameetri.
Ya. Frenkel töötas välja aeglaste neutronitega tuuma lõhustumise tilkade teooria.
L. Szilard, E. Wigner, E. Fermi, J. Wheeler, F. Joliot-Curie, Ya. Zeldovich, Yu. Khariton põhjendasid uraanis toimuva tuuma lõhustumise ahelreaktsiooni võimalikkust.

1940. aasta− G. Flerov ja K. Petržak avastasid U uraani tuumade spontaanse lõhustumise fenomeni.

1942. aasta− E. Fermi viis esimeses aatomireaktoris läbi kontrollitud lõhustumisahelreaktsiooni.

1945. aastal− Esimene tuumarelvakatsetus (Nevada, USA). Jaapani linnadele Hiroshimale (6. augustil) ja Nagasakile (9. augustil) visati aatomipommid.

1946. aastal− I.V. juhtimisel. Kurtšatov, esimene reaktor Euroopas käivitati.

1954. aastal− Käivitati maailma esimene tuumaelektrijaam (Obninsk, NSVL).

Tuuma lõhustumine.Alates 1934. aastast hakkas E. Fermi aatomite pommitamiseks kasutama neutroneid. Sellest ajast alates on kunstliku muundamise teel saadud stabiilsete ehk radioaktiivsete tuumade arv kasvanud sadadeni ning peaaegu kõik kohad perioodilisustabelis on täidetud isotoopidega.
Kõigis neis tuumareaktsioonides tekkivad aatomid asusid perioodilisustabelis pommitatud aatomiga samas kohas või naaberkohad. Seetõttu on Hahni ja Strassmanni 1938. aasta tõestus selle kohta, et kui neutronid pommitavad perioodilise süsteemi viimast elementi.−uraan−lagunevad elementideks, mis asuvad perioodilise süsteemi keskmistes osades. Siin on erinevat tüüpi lagunemist. Tekkivad aatomid on enamasti ebastabiilsed ja lagunevad kohe edasi; mõnel on poolestusaega mõõdetud sekundites, nii et Hahn pidi nii kiire protsessi pikendamiseks kasutama analüütilist Curie meetodit. Oluline on märkida, et uraani ees olevad elemendid, protaktiinium ja toorium, näitavad samuti sarnast lagunemist neutronite toimel, kuigi lagunemise alguseks on vaja suuremat neutronite energiat kui uraani puhul. Koos sellega avastasid G. N. Flerov ja K. A. Petrzhak 1940. aastal uraani tuuma spontaanse lõhustumise, mille poolestusaeg oli seni pikim: umbes 2· 10 15 aastat; see asjaolu selgub protsessi käigus vabanevate neutronite tõttu. Seega oli võimalik mõista, miks "looduslik" perioodiline süsteem lõpeb kolme nimetatud elemendiga. Transuraanielemendid on nüüd teada, kuid need on nii ebastabiilsed, et lagunevad kiiresti.
Uraani lõhustumine neutronite abil võimaldab nüüd kasutada aatomienergiat, mida paljud on juba ette kujutanud kui "Jules Verne'i unistust".

M. Laue, Füüsika ajalugu

1939 O. Hahn ja F. Strassmann, kiiritavad uraanisoolasid termiliste neutronitega, avastasid reaktsioonisaaduste hulgast baarium (Z = 56)

Otto Gunn (1879 – 1968)

Tuuma lõhustumine on tuuma lõhenemine kaheks (harvem kolmeks) sarnase massiga tuumaks, mida nimetatakse lõhustumise fragmentideks. Lõhustumise käigus tekivad ka teised osakesed - neutronid, elektronid, α-osakesed. Lõhustumise tulemusena vabaneb energiat ~200 MeV. Lõhustumine võib olla spontaanne või sunnitud muude osakeste, enamasti neutronite, toimel.
Lõhustumise iseloomulik tunnus on see, et lõhustumisfragmendid erinevad reeglina oluliselt massi poolest, st domineerib asümmeetriline lõhustumine. Seega on uraani isotoobi 236 U kõige tõenäolisema lõhustumise korral fragmendi massisuhe 1,46. Raske killu massiarv on 139 (ksenoon) ja kerge killu massiarv 95 (strontsium). Võttes arvesse kahe kiire neutroni emissiooni, on vaadeldaval lõhustumisreaktsioonil vorm

Nobeli keemiaauhind
1944 – O. Gan.
Uraani tuumade lõhustumisreaktsiooni avastamiseks neutronite poolt.

Lõhustumiskillud

Kergete ja raskete fragmentide rühmade keskmiste masside sõltuvus lõhustuva tuuma massist.

Tuuma lõhustumise avastamine. 1939. aastal

Tulin Rootsi, kus Lise Meitner kannatas üksinduse käes ja pühendunud vennapojana otsustasin talle jõulude ajal külla minna. Ta elas Göteborgi lähedal väikeses hotellis Kungälv. Püüdsin ta hommikusöögi ajal kinni. Ta kaalus kirja, mille ta just Hanilt sai. Olin väga skeptiline selle kirja sisu suhtes, kus teatati baariumi tekkest uraani kiiritamisel neutronitega. See võimalus teda aga köitis. Kõndisime lumes, tema kõndis, mina suusatasin (ta ütles, et saab nii teha ilma minust maha jäämata, ja ta tõestas seda). Jalutuskäigu lõpuks suutsime juba mõned järeldused sõnastada; tuum ei lõhenenud ja tükid ei lendunud sealt maha, vaid see oli protsess, mis meenutas pigem Bohri tuuma tilkmudelit; nagu tilk, võib tuum pikeneda ja jaguneda. Seejärel uurisin, kuidas nukleonite elektrilaeng vähendab pindpinevust, mis, nagu ma tuvastasin, langeb Z = 100 juures nullini ja uraani puhul võib-olla väga madalaks. Lise Meitner tegeles iga massidefekti tõttu lagunemise käigus vabaneva energia määramisega. Tal oli väga selge ettekujutus massidefekti kõverast. Selgus, et elektrostaatilise tõuke tõttu omandavad lõhustuvad elemendid energiat umbes 200 MeV ja see just vastas massidefektiga kaasnevale energiale. Seetõttu võiks protsess kulgeda puhtalt klassikaliselt ilma potentsiaalse barjääri läbimise kontseptsiooni hõlmamata, mis oleks siin muidugi kasutu.
Jõulude ajal veetsime koos kaks-kolm päeva. Seejärel naasin Kopenhaagenisse ja jõudsin vaevalt Bohrile meie ideest rääkida just sel hetkel, kui ta juba USAsse suunduva auriku pardale läks. Mäletan, kuidas ta kohe, kui ma rääkima hakkasin, vastu lauba lõi ja hüüdis: “Oi, millised lollid me olime! Oleksime pidanud seda varem märkama." Aga ta ei märganud ja keegi ei märganud.
Lise Meitner ja mina kirjutasime artikli. Samal ajal pidasime pidevalt ühendust kaugtelefoni teel Kopenhaagen - Stockholm.

O. Frisch, Memuaarid. UFN. 1968. T. 96, 4. number, lk. 697.

Spontaanne tuuma lõhustumine

Allpool kirjeldatud katsetes kasutasime tuuma lõhustumise protsesside registreerimiseks Frischi poolt esmakordselt välja pakutud meetodit. Uraanoksiidi kihiga kaetud plaatidega ionisatsioonikamber on ühendatud lineaarvõimendiga, mis on häälestatud nii, et süsteem ei registreeri uraanist eralduvaid α osakesi; fragmentide impulsid, mis on palju suuremad kui α-osakeste impulsid, vabastavad väljundi türatroni ja neid peetakse mehaaniliseks releeks.
Ionisatsioonikamber oli spetsiaalselt konstrueeritud mitmekihilise lamekondensaatori kujul, mille kogupindala on 15 plaati 1000 cm. 2 .
Juba esimestes katsetes fragmentide loendamiseks häälestatud võimendiga oli võimalik jälgida spontaanseid (neutronallika puudumisel) impulsse releel ja ostsilloskoobil. Nende impulsside arv oli väike (6 korda 1 tunni kohta) ja seetõttu on täiesti arusaadav, et seda nähtust ei saanud tavapärast tüüpi kaameratega jälgida ...
Me kipume seda arvama mõju, mida me täheldame, tuleb omistada fragmentidele, mis on tekkinud uraani spontaansest lõhustumisest ...

Spontaanne lõhustumine tuleks omistada ühele ergastamata U-isotoopidest, mille poolestusaeg on tuletatud meie tulemuste hindamisest:

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

Isotoopide lagunemine 238 U

Spontaanne tuuma lõhustumine

Spontaanselt lõhustuvate isotoopide poolestusajad Z = 92–100

Esimene uraan-grafiitvõrega eksperimentaalsüsteem ehitati 1941. aastal E. Fermi juhtimisel. See oli 2,5 m pikkuse ribiga grafiitkuubik, mis sisaldas umbes 7 tonni uraanoksiidi, mis oli suletud raudanumatesse, mis asetati kuubikusse üksteisest võrdsel kaugusel. RaBe neutroniallikas asetati uraani-grafiidi võre põhja. Korrutustegur sellises süsteemis oli ≈0,7. Uraanoksiid sisaldas 2–5% lisandeid. Edasised jõupingutused suunati puhtamate materjalide saamiseks ja 1942. aasta maiks saadi uraanoksiid, milles lisandit oli alla 1%. Lõhustumisahelreaktsiooni tagamiseks oli vaja kasutada suures koguses grafiiti ja uraani – suurusjärgus mitu tonni. Lisandeid pidi olema vähem kui mõni miljondikosa. 1942. aasta lõpuks Chicago ülikoolis Fermi poolt kokku pandud reaktor oli ülalt ära lõigatud mittetäieliku sferoidi kujuga. See sisaldas 40 tonni uraani ja 385 tonni grafiiti. 2. detsembri õhtul 1942 avastati pärast neutronite neeldumisvarraste eemaldamist, et reaktori sees toimub tuumaahelreaktsioon. Mõõdetud koefitsient oli 1,0006. Algselt töötas reaktor 0,5 W võimsusega. 12. detsembriks suurendati selle võimsust 200 vatini. Seejärel viidi reaktor ohutumasse kohta ja selle võimsust suurendati mitme kW-ni. Sel juhul tarbis reaktor 0,002 g uraan-235 päevas.

Esimene tuumareaktor NSV Liidus

NSV Liidu esimese F-1 teadusuuringute tuumareaktori hoone oli valmis 1946. aasta juuniks.
Pärast kõigi vajalike katsete tegemist töötati välja reaktori juhtimis- ja kaitsesüsteem, pandi paika reaktori mõõtmed, viidi läbi kõik vajalikud katsed reaktorimudelitega, määrati mitmel mudelil neutronite tihedus, saadi grafiidiplokid. (nn tuumapuhtus) ja (pärast neutronfüüsikalist kontrolli) uraaniplokke, alustati 1946. aasta novembris F-1 reaktori ehitamist.
Reaktori koguraadius oli 3,8 m, selleks kulus 400 tonni grafiiti ja 45 tonni uraani. Reaktor pandi kokku kihtidena ja 25. detsembril 1946 kell 15.00 pandi kokku viimane, 62. kiht. Pärast nn avariivarraste väljatõmbamist tõsteti juhtvarras üles, hakati lugema neutronite tihedust ning 25. detsembril 1946 kell 18.00 ärkas ellu ja hakkas tööle NSV Liidu esimene reaktor. See oli põnev võit teadlastele – tuumareaktori loojatele ja kogu nõukogude rahvale. Poolteist aastat hiljem, 10. juunil 1948 jõudis tööstusreaktor, mille kanalites oli vesi, kriitilisse seisu ja alustas peagi uut tüüpi tuumakütuse – plutooniumi – tööstuslikku tootmist.

Energia eraldumine tuuma lõhustumise ajal. Nagu teisteski tuumareaktsioonides, võrdub lõhustumisel vabanev energia interakteeruvate osakeste ja lõppsaaduste masside erinevusega. Kuna uraanis oleva nukleoni sidumisenergia ja fragmentides ühe nukleoni sidumisenergia, peab uraani lõhustumisel energia vabanema.

Seega vabaneb tuuma lõhustumise käigus tohutu energia, valdav osa sellest vabaneb lõhustumisfragmentide kineetilise energia kujul.

Lõhustumisproduktide massiline jaotus. Uraani tuum jaguneb enamikul juhtudel asümmeetriliselt. Kahel tuumafragmendil on vastavalt erinev kiirus ja erinev mass.

Killud jagunevad nende massi järgi kahte rühma; üks krüptoni lähedal teine ​​ksenooni lähedal Kildude massid on omavahel seotud keskmiselt nagu Energia ja impulsi jäävuse seadustest võib saada, et fragmentide kineetilised energiad peaksid olema pöördvõrdelised nende massidega :

Lõhustumisproduktide saagiskõver on punkti läbiva vertikaalse sirgjoone suhtes sümmeetriline, maksimumide oluline laius näitab lõhustumistee mitmekesisust.

Riis. 82. Uraani lõhustumisproduktide massijaotus

Loetletud omadused viitavad peamiselt lõhustumisele termiliste neutronite toimel; mitme või enama energiaga neutronite toimel toimuva lõhustumise korral laguneb tuum kaheks massis sümmeetrilisemaks fragmendiks.

Lõhustumisproduktide omadused. Uraani aatomi lõhustumisel eraldub väga palju kestaelektrone ning lõhustumise fragmendid on ligikaudu -kordselt ioniseeritud positiivsed ioonid, mis ainet läbides ioniseerivad aatomeid tugevalt. Seetõttu on kildude rajad õhus väikesed ja ligi 2 cm.

Lihtne on kindlaks teha, et lõhustumisel tekkivad killud peavad olema radioaktiivsed, altid kiirgama neutroneid. Tõepoolest, stabiilsete tuumade puhul varieerub neutronite ja prootonite arvu suhe sõltuvalt A-st järgmiselt:

(vaata skannimist)

Lõhustumisel tekkivad tuumad asuvad tabeli keskel ja sisaldavad seetõttu rohkem neutroneid, kui on nende stabiilsuse jaoks vastuvõetav. Neid saab üleliigsetest neutronitest vabastada nii lagunemise teel kui ka neutroneid otse kiirgades.

hilinenud neutronid.Ühes võimalikus lõhustumise variandis tekib radioaktiivne broom. Joonisel fig. 83 näitab selle lagunemise diagrammi, mille lõpus on stabiilsed isotoobid

Selle ahela huvitav omadus on see, et krüptoon võib vabaneda liigsest neutronist kas -lagunemise tõttu või siis, kui see tekkis ergastatud olekus neutroni otsese emissiooni tõttu. Need neutronid ilmuvad 56 sekundit pärast lõhustumist (eluiga on võrreldes ergastatud olekusse üleminekuga, kuigi see ise kiirgab neutroneid peaaegu koheselt.

Riis. 83. Uraani lõhustumisel ergastatud olekus tekkinud radioaktiivse broomi lagunemise skeem

Neid nimetatakse viivitatud neutroniteks. Aja jooksul väheneb hilinenud neutronite intensiivsus eksponentsiaalselt, nagu tavalise radioaktiivse lagunemise korral.

Nende neutronite energia on võrdne tuuma ergastusenergiaga. Kuigi need moodustavad vaid 0,75% kõigist lõhustumisel eralduvatest neutronitest, on hilinenud neutronitel oluline roll ahelreaktsiooni elluviimisel.

Kiired neutronid.Üle 99% neutronitest vabaneb väga lühikese aja jooksul; neid nimetatakse kiirneutroniteks.

Lõhustumisprotsessi uurides tekib põhimõtteline küsimus, kui palju neutroneid tekib ühe lõhustumissündmusega; see küsimus on oluline, sest kui nende arv on keskmiselt suur, saab neid kasutada järgnevate tuumade jagamiseks, st muutub võimalikuks ahelreaktsiooni tekitamine. Selle küsimuse lahendamise üle 1939.–1940. töötas peaaegu kõigis maailma suuremates tuumalaborites.

Riis. 84. Uraan-235 lõhustumisel saadud neutronite energiaspekter

Lõhustumisenergia jaotus. Fragmentide energia ja teiste lõhustumisproduktide poolt kaasa kantud energia otsene mõõtmine andis järgmise ligikaudse energiajaotuse

Toimub uraani tuumade lõhustumine järgmisel viisil: esiteks tabab neutron tuuma, nagu kuul õunas. Õuna puhul oleks kuul sellesse augu teinud või selle puruks puhunud. Kui neutron siseneb tuuma, haaravad tuumajõud selle kinni. Neutron on teatavasti neutraalne, mistõttu elektrostaatilised jõud seda ei tõrju.

Kuidas uraani lõhustumine toimub?

Niisiis rikub neutron tuuma koostisse sattudes tasakaalu ja tuum ergastab. See ulatub külgedele nagu hantel või lõpmatuse märk: ∞ . Tuumajõud, nagu teada, toimivad osakeste suurusega proportsionaalsel kaugusel. Tuuma venitamisel muutub tuumajõudude toime "hantli" äärmuslike osakeste jaoks tähtsusetuks, samas kui elektrilised jõud toimivad sellisel kaugusel väga võimsalt ja tuum laguneb lihtsalt kaheks osaks. Sel juhul eraldub ka kaks või kolm neutronit.

Tuuma fragmendid ja eraldunud neutronid hajuvad suure kiirusega erinevatesse suundadesse. Keskkond aeglustab killud üsna kiiresti, kuid nende kineetiline energia on tohutu. See muundatakse keskkonna siseenergiaks, mis soojeneb. Sellisel juhul on vabaneva energia hulk tohutu. Ühe grammi uraani täielikul lõhustumisel saadav energia on ligikaudu võrdne energiaga, mis saadakse 2,5 tonni nafta põletamisel.

Mitme tuuma lõhustumise ahelreaktsioon

Oleme kaalunud ühe uraani tuuma lõhustumist. Lõhustumise käigus vabanes mitu (enamasti kaks või kolm) neutronit. Nad hajuvad suure kiirusega külgedele ja võivad kergesti kukkuda teiste aatomite tuumadesse, põhjustades neis lõhustumisreaktsiooni. See on ahelreaktsioon.

See tähendab, et tuuma lõhustumise tulemusena saadud neutronid ergastavad ja sunnivad lõhustumisele teisi tuumasid, mis omakorda eraldavad ise neutroneid, mis jätkavad edasise lõhustumise stimuleerimist. Ja nii edasi, kuni toimub kõigi vahetus läheduses olevate uraani tuumade lõhustumine.

Sel juhul võib tekkida ahelreaktsioon nagu laviin, näiteks aatomipommi plahvatuse korral. Tuuma lõhustumise arv suureneb lühikese aja jooksul plahvatuslikult. Siiski võib tekkida ahelreaktsioon summutusega.

Fakt on see, et mitte kõik neutronid ei kohtu oma teel tuumadega, mida nad lõhustumisele kutsuvad. Nagu mäletame, hõivab aine sees põhimahu osakeste vaheline tühimik. Seetõttu lendavad mõned neutronid läbi kogu mateeria, ilma et teekonnal millegagi kokku põrgataks. Ja kui tuuma lõhustumise arv aja jooksul väheneb, siis reaktsioon kaob järk-järgult.

Tuumareaktsioonid ja uraani kriitiline mass

Mis määrab reaktsiooni tüübi? Uraani massist. Mida suurem on mass, seda rohkem osakesi lendav neutron oma teel kohtub ja tal on suurem võimalus tuuma sattuda. Seetõttu eristatakse uraani "kriitilist massi" - see on minimaalne mass, mille juures on võimalik ahelreaktsioon.

Moodustunud neutronite arv võrdub välja lennanud neutronite arvuga. Ja reaktsioon kulgeb ligikaudu sama kiirusega, kuni kogu aine maht on toodetud. Seda kasutatakse praktikas tuumaelektrijaamades ja seda nimetatakse kontrollitud tuumareaktsiooniks.

Artikli sisu

TUUMALÕHUTUD, tuumareaktsioon, mille käigus aatomituum laguneb neutronite pommitamisel kaheks või enamaks killuks. Kildude kogumass on tavaliselt väiksem kui algtuuma ja pommitava neutroni masside summa. "Kadunud missa" m muutub energiaks E Einsteini valemi järgi E = mc 2, kus c on valguse kiirus. Kuna valguse kiirus on väga suur (299 792 458 m/s), vastab väike mass tohutule hulgale energiale. Seda energiat saab muundada elektriks.

Tuuma lõhustumisel vabanev energia muudetakse lõhustumisfragmentide aeglustumisel soojuseks. Soojuse vabanemise kiirus sõltub tuumade lõhustumise arvust ajaühikus. Kui lühikese aja jooksul toimub väikeses mahus suure hulga tuumade lõhustumine, on reaktsioonil plahvatuse iseloom. See on aatomipommi põhimõte. Kui seevastu suhteliselt väike hulk tuumasid lõhustub suures mahus pikemaks ajaks, siis on tulemuseks soojuse eraldumine, mida saab kasutada. Sellel põhinevad tuumaelektrijaamad. Tuumaelektrijaamades kasutatakse tuumareaktorites tuuma lõhustumise tulemusena eralduvat soojust auru tootmiseks, mis juhitakse elektrigeneraatoreid pöörlevatesse turbiinidesse.

Lõhustumisprotsesside praktiliseks kasutamiseks sobivad kõige paremini uraan ja plutoonium. Neil on isotoobid (antud elemendi erineva massiarvuga aatomid), mis lõhustuvad neutronite neelamisel isegi väga madala energia korral.

Lõhustumisenergia praktilise kasutamise võtmeks oli asjaolu, et mõned elemendid eraldavad lõhustumise käigus neutroneid. Kuigi tuuma lõhustumise käigus neeldub üks neutron, korvab selle kadu lõhustumise käigus uute neutronite tootmine. Kui seadmel, milles toimub lõhustumine, on piisavalt suur (“kriitiline”) mass, siis võib uute neutronite tõttu säilida “ahelreaktsioon”. Ahelreaktsiooni saab kontrollida, reguleerides neutronite arvu, mis võivad põhjustada lõhustumist. Kui see on suurem kui üks, siis jagamise intensiivsus suureneb ja kui see on väiksem kui üks, siis see väheneb.

AJALUGU VIIDE

Tuuma lõhustumise avastamise ajalugu pärineb A. Becquereli (1852–1908) loomingust. 1896. aastal erinevate materjalide fosforestsentsi uurides avastas ta, et uraani sisaldavad mineraalid eraldavad spontaanselt kiirgust, mis põhjustab fotoplaadi mustaks muutumist, isegi kui mineraali ja plaadi vahele on asetatud läbipaistmatu tahke aine. Erinevad katsetajad on kindlaks teinud, et see kiirgus koosneb alfaosakestest (heeliumi tuumad), beetaosakestest (elektronid) ja gammakiirtest (kõva elektromagnetiline kiirgus).

Esimese inimese kunstlikult esile kutsutud tuumade muundumise viis 1919. aastal läbi E. Rutherford, kes muutis lämmastiku hapnikuks kiiritades lämmastikku uraani alfaosakestega. Selle reaktsiooniga kaasnes energia neeldumine, kuna selle saaduste - hapniku ja vesiniku - mass ületab reaktsioonisse sisenevate osakeste - lämmastiku ja alfaosakeste - massi. Tuumaenergia vabastamise saavutasid esmakordselt 1932. aastal J. Cockcroft ja E. Walton, kes pommitasid liitiumi prootonitega. Selles reaktsioonis oli reaktsiooni sisenevate tuumade mass mõnevõrra suurem saaduste massist, mille tulemusena vabanes energia.

1932. aastal avastas J. Chadwick neutroni – neutraalse osakese, mille mass on ligikaudu võrdne vesinikuaatomi tuuma massiga. Füüsikud üle kogu maailma hakkasid selle osakese omadusi uurima. Eeldati, et neutron, millel puudub elektrilaeng ja mida ei tõrju positiivselt laetud tuum, põhjustab tõenäolisemalt tuumareaktsioone. Värskemad tulemused on seda oletust kinnitanud. Roomas allutas E. Fermi ja tema kaastöölised peaaegu kõik perioodilise süsteemi elemendid neutronkiirgusele ja jälgisid tuumareaktsioone uute isotoopide tekkega. Uute isotoopide tekke tõestuseks oli "kunstlik" radioaktiivsus gamma- ja beetakiirguse kujul.

Esimesed märgid tuuma lõhustumise võimalusest.

Fermile omistatakse paljude tänapäeval tuntud neutronreaktsioonide avastamise eest. Eelkõige püüdis ta saada elementi aatomnumbriga 93 (neptuunium), pommitades uraani (aatomnumber 92) neutronitega. Samal ajal registreeris ta kavandatud reaktsioonis neutronite püüdmise tulemusena emiteeritud elektronid

238 U + 1 n ® 239 Np + b–,

kus 238 U on uraan-238 isotoop, 1 n on neutron, 239 Np on neptuunium ja b- - elektron. Tulemused olid aga segased. Välistamaks võimalust, et registreeritud radioaktiivsus kuulub uraani isotoopidele või muudele elementidele, mis paiknesid perioodilises süsteemis enne uraani, oli vaja teha radioaktiivsete elementide keemiline analüüs.

Analüüsi tulemused näitasid, et tundmatud elemendid vastavad seerianumbritele 93, 94, 95 ja 96. Seetõttu järeldas Fermi, et ta on hankinud transuraanielemente. O. Hahn ja F. Strassman Saksamaal aga leidsid põhjaliku keemilise analüüsi läbi viinud, et uraani neutronitega kiiritamisel tekkivate elementide hulgas on radioaktiivset baariumit. See tähendas, et tõenäoliselt on osa uraani tuumadest jagatud kaheks suureks fragmendiks.

Jaotuse kinnitus.

Pärast seda viisid Fermi, J. Dunning ja J. Pegram Columbia ülikoolist läbi katsed, mis näitasid, et tuuma lõhustumine toimub. Uraani lõhustumist neutronite abil kinnitasid proportsionaalsed loendurid, pilvekamber ja lõhustumisfragmentide kogunemine. Esimene meetod näitas, et kui neutroniallikas läheneb uraaniproovile, kiirguvad suure energiaga impulsid. Pilvekambris oli näha, et neutronite poolt pommitatud uraani tuum jaguneb kaheks killuks. Viimane meetod võimaldas kindlaks teha, et teooria kohaselt on killud radioaktiivsed. Kõik see kokkuvõttes tõestas veenvalt, et lõhustumine tõesti toimub, ja võimaldas kindlalt hinnata lõhustumise käigus vabanenud energiat.

Kuna neutronite arvu ja prootonite arvu lubatud suhe stabiilsetes tuumades väheneb koos tuuma suuruse vähenemisega, peab neutronite osa fragmentides olema väiksem kui algses uraani tuumas. Seega oli põhjust arvata, et lõhustumise protsessiga kaasneb neutronite emissioon. Peagi kinnitasid seda eksperimentaalselt F. Joliot-Curie ja tema kaastöötajad: lõhustumise protsessis emiteeritud neutronite arv oli suurem kui neeldunud neutronite arv. Selgus, et ühe neeldunud neutroni kohta on ligikaudu kaks ja pool uut neutronit. Kohe ilmnesid ahelreaktsiooni võimalikkus ja väljavaated luua erakordselt võimas energiaallikas ja kasutada seda sõjalistel eesmärkidel. Pärast seda alustati paljudes riikides (eriti Saksamaal ja USA-s) sügava salajastuse tingimustes aatomipommi loomisega.

Arengud Teise maailmasõja ajal.

Aastatel 1940–1945 määrasid arengusuuna sõjalised kaalutlused. 1941. aastal saadi väikeses koguses plutooniumi ning tehti kindlaks hulk uraani ja plutooniumi tuumaparameetreid. USA-s olid olulisemad selleks vajalikud tootmis- ja uurimisettevõtted "Manhattani sõjatehnika ringkonna" jurisdiktsiooni all, millele "Uranium Project" viidi 13. augustil 1942 üle. Columbia ülikoolis (New York) tegi rühm töötajaid eesotsas E. Fermi ja V. Zinniga esimesed katsed, mille käigus uuriti neutronite paljunemist uraandioksiidi ja grafiidi plokkide võres – aatomi "katlas". 1942. aasta jaanuaris viidi see töö üle Chicago ülikooli, kus juulis 1942 saadi tulemused, mis näitasid isemajanduva ahelreaktsiooni võimalikkust. Algselt töötas reaktor võimsusega 0,5 W, kuid 10 päeva pärast suurendati võimsust 200 W-ni. Suurtes kogustes tuumaenergia saamise võimalust demonstreeriti esmakordselt 16. juulil 1945, kui Alamogordo (New Mexico) polügoonil lõhati esimene aatomipomm.

TUUMREAKTORID

Tuumareaktor on seade, milles on võimalik läbi viia kontrollitud isemajandav tuumalõhustumise ahelreaktsioon. Reaktoreid saab klassifitseerida kasutatava kütuse (lõhustuvad ja toored isotoobid), aeglusti tüübi, kütuseelementide tüübi ja jahutusvedeliku tüübi järgi.

lõhustuvad isotoobid.

Lõhustuvaid isotoope on kolm – uraan-235, plutoonium-239 ja uraan-233. Uraan-235 toodetakse isotoopide eraldamise teel; plutoonium-239 - reaktorites, milles uraan-238 muudetakse plutooniumiks, 238 U ® 239 U ® 239 Np ® 239 Pu; uraan-233 - reaktorites, milles toorium-232 töödeldakse uraaniks. Elektrireaktori tuumakütus valitakse, võttes arvesse selle tuuma- ja keemilisi omadusi ning maksumust.

Allolevas tabelis on toodud lõhustuvate isotoopide peamised parameetrid. Kogu ristlõige iseloomustab mis tahes tüüpi vastastikmõju tõenäosust neutroni ja antud tuuma vahel. Lõhustumise ristlõige iseloomustab tuuma lõhustumise tõenäosust neutroni toimel. Energiasaagis neeldunud neutroni kohta sõltub sellest, milline tuumade osa lõhustumisprotsessis ei osale. Ühes lõhustumissündmuses eralduvate neutronite arv on ahelreaktsiooni säilimise seisukohalt oluline. Uute neutronite arv neeldunud neutroni kohta on oluline, kuna see iseloomustab lõhustumise intensiivsust. Pärast lõhustumist emiteeritud viivitatud neutronite osa on seotud materjalis salvestatud energiaga.

Lõhustuvate ISOTOOPIDE OMADUSED

Tabeliandmed näitavad, et igal lõhustuval isotoobil on oma eelised. Näiteks soojuslike neutronite jaoks suurima ristlõikega isotoobi puhul (energiaga 0,025 eV) kulub neutronite moderaatori kasutamisel kriitilise massi saavutamiseks vähem kütust. Kuna kiires plutooniumireaktoris (1 MeV) esineb kõige rohkem neutroneid neeldunud neutroni kohta, on aretusrežiimis parem kasutada plutooniumi kiires reaktoris või uraan-233 termilises reaktoris kui uraan-235 termilises reaktoris. Uraan-235 on juhitavuse mõttes eelistatavam, kuna sellel on suurem osa hilinenud neutroneid.

Tooresotoobid.

Toorisotoobid on kaks: toorium-232 ja uraan-238, millest saadakse lõhustuvad isotoobid uraan-233 ja plutoonium-239. Tooresotoopide kasutamise tehnoloogia sõltub erinevatest teguritest, näiteks rikastamise vajadusest. Uraanimaak sisaldab 0,7% uraan-235, samas kui tooriumimaak ei sisalda lõhustuvaid isotoope. Seetõttu tuleb tooriumile lisada rikastatud lõhustuvat isotoopi. Samuti on oluline uute neutronite arv neeldunud neutroni kohta. Seda tegurit arvesse võttes tuleb soojuslike neutronite puhul eelistada uraan-233 (reguleeritud energiaga 0,025 eV), kuna sellistes tingimustes on emiteeritud neutronite arv suurem ja sellest tulenevalt ka konversioon. tegur on uute lõhustuvate tuumade arv ühe "kulutatud" lõhustuva tuuma kohta.

Aeglustajad.

Moderaatori eesmärk on vähendada lõhustumisprotsessis eralduvate neutronite energiat umbes 1 MeV-lt soojusenergiale umbes 0,025 eV. Kuna modereerimine toimub peamiselt mittelõhustuvate aatomite tuumade elastse hajumise tulemusena, peab moderaatori aatomite mass olema võimalikult väike, et neutron saaks neile maksimaalse energia üle kanda. Lisaks peab moderaatori aatomitel olema väike (võrreldes hajumise ristlõikega) püüdmisristlõige, kuna neutron peab korduvalt põrkuma moderaatori aatomitega, enne kui see aeglustub soojusenergiaks.

Parim moderaator on vesinik, kuna selle mass on peaaegu võrdne neutroni massiga ja seetõttu kaotab neutron vesinikuga kokkupõrkel kõige rohkem energiat. Kuid tavaline (kerge) vesinik neelab neutroneid liiga tugevalt ja seetõttu osutuvad deuteerium (raske vesinik) ja raske vesi vaatamata nende pisut suuremale massile sobivamateks moderaatoriteks, kuna need neelavad neutroneid vähem. Berülliumi võib pidada heaks moderaatoriks. Süsinikul on nii väike neutronite neeldumise ristlõige, et see vähendab tõhusalt neutroneid, kuigi selle aeglustamine nõuab palju rohkem kokkupõrkeid kui vesinik.

Keskmine arv N Elastsed kokkupõrked, mis on vajalikud neutroni aeglustamiseks 1 MeV-lt 0,025 eV-ni, kasutades vesinikku, deuteeriumi, berülliumi ja süsinikku, on vastavalt ligikaudu 18, 27, 36 ja 135. Nende väärtuste ligikaudne olemus tuleneb asjaolust, et keemilise energia olemasolu tõttu ei saa kokkupõrkemoderaatori sidemed energiate juures alla 0,3 eV vaevalt olla elastsed. Madala energia korral võib aatomvõre edastada energiat neutronitele või muuta kokkupõrkel efektiivset massi, rikkudes seega aeglustusprotsessi.

Soojuskandjad.

Tuumareaktorites kasutatavad jahutusvedelikud on vesi, raske vesi, vedel naatrium, vedel naatrium-kaaliumsulam (NaK), heelium, süsinikdioksiid ja orgaanilised vedelikud, nagu terfenüül. Need ained on head soojuskandjad ja neil on madal neutronite neeldumise ristlõige.

Vesi on suurepärane moderaator ja jahutusvedelik, kuid neelab liiga tugevalt neutroneid ja sellel on liiga kõrge aururõhk (14 MPa) töötemperatuuril 336 ° C. Tuntuim moderaator on raske vesi. Selle omadused on lähedased tavalise vee omadustele ja neutronite neeldumise ristlõige on väiksem. Naatrium on suurepärane jahutusvedelik, kuid see ei ole efektiivne neutronite moderaatorina. Seetõttu kasutatakse seda kiirneutronreaktorites, kus lõhustumise käigus eraldub rohkem neutroneid. Tõsi, naatriumil on mitmeid puudusi: see indutseerib radioaktiivsust, on madala soojusmahutavusega, keemiliselt aktiivne ja tahkub toatemperatuuril. Naatriumi ja kaaliumi sulam on omadustelt sarnane naatriumiga, kuid jääb toatemperatuuril vedelaks. Heelium on suurepärane jahutusvedelik, kuid sellel on madal erisoojusmaht. Süsinikdioksiid on hea jahutusvedelik ja seda on laialdaselt kasutatud grafiidiga modereeritud reaktorites. Terfenüüli eeliseks vee ees on see, et sellel on töötemperatuuril madal aururõhk, kuid see laguneb ja polümeriseerub reaktoritele iseloomulike kõrgete temperatuuride ja kiirgusvoogude mõjul.

Soojust genereerivad elemendid.

Kütuseelement (FE) on hermeetilise ümbrisega kütusesüdamik. Kate takistab lõhustumisproduktide lekkimist ja kütuse koostoimet jahutusvedelikuga. Korpuse materjal peab nõrgalt neelama neutroneid ning omama vastuvõetavaid mehaanilisi, hüdraulilisi ja soojusjuhtivusomadusi. Kütuseelemendid on tavaliselt paagutatud uraanoksiidi graanulid alumiinium-, tsirkooniumi- või roostevabast terasest torudes; tsirkooniumi, molübdeeni ja alumiiniumiga kaetud uraanisulamite graanulid, mis on kaetud tsirkooniumi või alumiiniumiga (alumiiniumisulami puhul); mitteläbilaskva grafiidiga kaetud dispergeeritud uraankarbiidiga grafiiditabletid.

Kasutatakse kõiki neid kütuseelemente, kuid surveveereaktorite puhul on kõige eelistatum uraanoksiidi graanulid roostevabast terasest torudes. Uraandioksiid ei reageeri veega, on kõrge kiirguskindlusega ja seda iseloomustab kõrge sulamistemperatuur.

Grafiitkütuseelemendid tunduvad olevat väga sobivad kõrge temperatuuriga gaasjahutusega reaktoritesse, kuid neil on tõsine puudus – gaasilised lõhustumisproduktid võivad difusiooni või grafiidi defektide tõttu tungida läbi nende katte.

Orgaanilised jahutusvedelikud ei ühildu tsirkooniumi kütusevarrastega ja nõuavad seetõttu alumiiniumisulamite kasutamist. Orgaaniliste jahutusvedelikega reaktorite väljavaated sõltuvad sellest, kas luuakse alumiiniumisulameid või pulbermetallurgia tooteid, millel oleks jahutusvedelikule soojusülekannet suurendavate ribide kasutamiseks vajalik tugevus (töötemperatuuridel) ja soojusjuhtivus. Kuna soojusjuhtivuse tõttu soojusülekanne kütuse ja orgaanilise jahutusvedeliku vahel on väike, on soojusülekande suurendamiseks soovitav kasutada pinnakeetmist. Pinnapealse keetmisega kaasnevad uued probleemid, kuid need tuleb lahendada, kui orgaaniliste soojusülekandevedelike kasutamine osutub kasulikuks.

REAKTORI LIIGID

Teoreetiliselt on võimalikud enam kui 100 erinevat tüüpi reaktorit, mis erinevad kütuse, aeglusti ja jahutusvedelike poolest. Enamikus tavalistes reaktorites kasutatakse jahutusvedelikuna kas rõhu all või keeva veega vett.

Survevee reaktor.

Sellistes reaktorites toimib vesi moderaatori ja jahutusvedelikuna. Kuumutatud vesi pumbatakse rõhu all soojusvahetisse, kus soojus kantakse üle sekundaarringi veele, milles tekib aur, mis pöörab turbiini.

Keev reaktor.

Sellises reaktoris keeb vesi otse reaktori südamikus ja tekkiv aur siseneb turbiini. Enamik keeduveereaktoreid kasutab vett ka moderaatorina, kuid mõnikord kasutatakse ka grafiidist moderaatorit.

Vedelmetalljahutusega reaktor.

Sellises reaktoris kasutatakse läbi torude ringlevat vedelat metalli reaktoris lõhustumisel vabaneva soojuse ülekandmiseks. Peaaegu kõik seda tüüpi reaktorid kasutavad jahutusvedelikuna naatriumi. Primaarahela torude teisel küljel tekkiv aur juhitakse tavapärasesse turbiini. Vedelmetalljahutusega reaktoris saab kasutada suhteliselt suure energiaga neutroneid (kiireneutronreaktor) või grafiidis või berülliumoksiidis modereeritud neutroneid. Kasutusreaktoritena on eelistatavamad vedelmetalliga jahutatavad kiired neutronreaktorid, kuna sel juhul ei kaasne modereerimisega neutronite kadu.

gaasjahutusega reaktor.

Sellises reaktoris viiakse lõhustumisprotsessi käigus eralduv soojus gaasi – süsinikdioksiidi või heeliumi abil üle aurugeneraatorisse. Neutronite moderaator on tavaliselt grafiit. Gaasjahutusega reaktor võib töötada palju kõrgematel temperatuuridel kui vedelikjahutusega reaktor ja seetõttu sobib see tööstuslikesse küttesüsteemidesse ja kõrge efektiivsusega elektrijaamadesse. Väikeseid gaasjahutusega reaktoreid iseloomustab suurenenud tööohutus, eelkõige reaktori kokkusulamise ohu puudumine.

homogeensed reaktorid.

Homogeensete reaktorite südamikus kasutatakse homogeenset vedelikku, mis sisaldab uraani lõhustuvat isotoopi. Vedelik on tavaliselt sula uraaniühend. See pumbatakse suurde sfäärilisse surveanumasse, kus kriitilises massis toimub lõhustumisahelreaktsioon. Seejärel juhitakse vedelik aurugeneraatorisse. Homogeensed reaktorid pole disaini ja tehnoloogiliste raskuste tõttu populaarsust kogunud.

REAKTSIOONIVÕIME JA KONTROLL

Isemajandava ahelreaktsiooni võimalus tuumareaktoris oleneb sellest, kui palju neutroneid reaktorist lekib. Lõhustumisel tekkivad neutronid kaovad neeldumise tulemusena. Lisaks on neutronite lekkimine võimalik difusiooni tõttu läbi aine, sarnaselt ühe gaasi difusiooniga läbi teise.

Tuumareaktori juhtimiseks peate suutma juhtida neutronite korrutustegurit k, mis on määratletud kui neutronite arvu suhe ühes põlvkonnas ja neutronite arv eelmises põlvkonnas. Kell k= 1 (kriitiline reaktor) toimub püsiva intensiivsusega statsionaarne ahelreaktsioon. Kell k> 1 (ülekriitiline reaktor), protsessi intensiivsus suureneb ja kl k r = 1 – (1/ k) nimetatakse reaktsioonivõimeks.)

Hilinenud neutronite fenomeni tõttu pikeneb neutronite "sünniaeg" 0,001 s-lt 0,1 s-ni. Selline iseloomulik reaktsiooniaeg võimaldab seda juhtida mehaaniliste täiturmehhanismide abil – neutroneid neelavast materjalist (B, Cd, Hf, In, Eu, Gd jne) valmistatud juhtvardad. Juhtimisaja konstant peaks olema suurusjärgus 0,1 s või rohkem. Ohutuse tagamiseks valitakse selline reaktori töörežiim, kus statsionaarse ahelreaktsiooni säilitamiseks on igas põlvkonnas vaja viivitatud neutroneid.

Etteantud võimsustaseme tagamiseks kasutatakse juhtvardaid ja neutronreflektoreid, kuid juhtimisprobleemi saab oluliselt lihtsustada reaktori õige arvutamisega. Näiteks kui reaktor on konstrueeritud nii, et võimsuse või temperatuuri tõustes reaktsioonivõime väheneb, siis on see stabiilsem. Näiteks kui aeglustus on ebapiisav, paisub vesi reaktoris temperatuuri tõusu tõttu, s.t. moderaatori tihedus väheneb. Selle tulemusena paraneb uraan-238 neutronite neeldumine, kuna neil pole aega tõhusalt aeglustada. Mõnes reaktoris kasutatakse tegurit, mis suurendab neutronite lekkimist reaktorist vee tiheduse vähenemise tõttu. Teine võimalus reaktorit stabiliseerida on "resonantsneutronite neelaja" (nt uraan-238) kuumutamine, mis seejärel neutroneid tugevamalt neelab.

Turvasüsteemid.

Reaktori ohutuse tagab üks või teine ​​mehhanism selle väljalülitamiseks võimsuse järsu suurenemise korral. See võib olla füüsilise protsessi mehhanism või juhtimis- ja kaitsesüsteemi toiming või mõlemad. Surveveereaktorite projekteerimisel on hädaolukorrad ette nähtud külma vee sattumisel reaktorisse, jahutusvedeliku voolukiiruse langusele ja liiga kõrgele reaktsioonivõimele käivitamisel. Kuna reaktsiooni intensiivsus suureneb temperatuuri langedes ja külma vee järsu sissevooluga reaktorisse, suureneb reaktsioonivõime ja võimsus. Kaitsesüsteem näeb tavaliselt ette automaatse lukustuse, mis takistab külma vee sissepääsu. Jahutusvedeliku voolu vähenemisel kuumeneb reaktor üle, isegi kui selle võimsus ei suurene. Sellistel juhtudel on vajalik automaatne seiskamine. Lisaks peavad jahutusvedeliku pumbad olema sellise suurusega, et need varustavad reaktori seiskamiseks vajalikku jahutusvedelikku. Liiga kõrge reaktsioonivõimega reaktori käivitamisel võib tekkida hädaolukord. Madala võimsustaseme tõttu ei jõua reaktor piisavalt soojeneda, et temperatuurikaitse töötaks, kuni on liiga hilja. Ainus usaldusväärne meede sellistel juhtudel on reaktori hoolikas käivitamine.

Nende hädaolukordade vältimine on üsna lihtne, kui järgite järgmist reeglit: kõik toimingud, mis võivad suurendada süsteemi reaktsioonivõimet, tuleb teha ettevaatlikult ja aeglaselt. Kõige olulisem reaktori ohutuse küsimuses on absoluutne vajadus reaktori südamiku pikaajaliseks jahutamiseks pärast selles toimuva lõhustumisreaktsiooni lõppemist. Fakt on see, et kütusekassettidesse jäänud radioaktiivsed lõhustumisproduktid eraldavad soojust. See on palju väiksem kui täisvõimsusel eralduv soojus, kuid piisava jahutuse puudumisel piisab kütuseelementide sulatamiseks. Lühiajaline katkestus jahutusvee tarnimises tõi kaasa tuuma olulise kahjustuse ja reaktori õnnetuse Three Mile Islandil (USA). Reaktori südamiku hävimine on minimaalne kahju sellise õnnetuse korral. Veelgi hullem, kui lekib ohtlikke radioaktiivseid isotoope. Enamik tööstuslikke reaktoreid on varustatud hermeetiliselt suletud turvakestega, mis peaks õnnetuse korral vältima isotoopide sattumist keskkonda.

Kokkuvõtteks märgime, et reaktori hävimise võimalus sõltub suuresti selle skeemist ja konstruktsioonist. Reaktoreid saab konstrueerida nii, et jahutusvedeliku voolukiiruse vähendamine ei too kaasa suuri probleeme. Need on erinevat tüüpi gaasjahutusega reaktorid.