Фисија на јадра на ураниум и верижна реакција. фисија на ураниум

фисија на атомски јадраПроцесот на разделување на јадрото на два приближно еднакви делови се нарекува. Обично, таков процес се случува кога некоја честичка влегува во тешко јадро - неутрон, протон, алфа честичка итн. Во такви случаи, фисијата се нарекува присилна. Но, понекогаш поделбата се случува спонтано, таквата поделба се нарекува спонтана.

Механизам присилна поделба.Кога честичка (на пример, неутрон) влегува во јадрото, нејзината сврзувачка енергија се ослободува внатре во јадрото Е Св.. Кон неа се додава значителен дел од кинетичката енергија на честичката Е, како резултат на што јадрото влегува во возбудена состојба, а неговата вкупна енергија на возбудување се покажува еднаква на Е * = Е Св. + E A/(A+1).Ова возбудување се манифестира во форма на забрзано движење на сите нуклеони на јадрото, јадрото "врие", брановите се движат по неговата површина итн. Тогаш се случува една од двете работи. Или вишокот енергија ќе го остави јадрото со емисија на една или повеќе гама кванти (т.е., ќе се случи радијативно зафаќање на влезната честичка). Или, како резултат на вибрациите на нуклеарната „течност“, се формира стегање во јадрото, јадрото ќе има форма на гира, а под влијание на Кулоновото одбивање на полнежите на двете половини од ова „ гира“, ќе пукне стегањето, а двата дела на поранешното јадро ќе се распрснат во спротивни насоки со голема енергија добиена од тие исти сили на Кулоновско одбивање на слични електрични полнежи. Добиените половини од првобитното јадро се нарекуваат фрагменти од фисија. Под влијание на силите на површинскиот напон, тие ќе добијат сферична форма и ќе станат јадра на нови атоми со маси еднакви на околу половина од масата на јадрото на ураниумот, т.е. атоми на елементите што лежат во средината на периодниот систем.

Потенцијална фисија бариера.За да може јадрото да се подели, прво мора да му се даде доволно голема деформација, која се јавува како резултат на енергијата на возбудувањето што се пренесува на јадрото - во спротивно јадрото ќе се намали во сфера и нема да дојде до фисија. Минималната енергија на возбудување при која фисијата станува возможна, наречена бариера на потенцијална фисијаи се означува со симболот У ѓ. Фисијата е можна ако енергијата на побудување на јадрото Е * > У ѓ. Ако Е * < У ѓ, тогаш поделбата е невозможна. Сите тешки јадра (ториум, ураниум, плутониум итн.) имаат вредности У ѓсе приближно исти и еднакви на 5,1 - 5,4 MeV. Во такви услови, сите тешки јадра би морале да покажат иста способност за фисија. Сепак, тоа не е.

Познато е дека во однос на фисијата од неутроните, јадрата се поделени во две различни групи:

чудни кернели како 233 У, 235 У, 239 Пу, 241 Пу. Тие селесно споделуваат какви било, дури и термички неутрони, па затоа често се нарекуваат јадра „гориво“;

парни-парни јадра 232 Т, 234 У, 238 У, 240 Пу, 242 Пу термичките неутрони не се расцепуваат, па затоа често се нарекуваат „сурови“ неутрони.

Ова се случува затоа што кога неутрон удира во непарно јадро, се формира парно-парно јадро (на пример, 235 У +n → 236 У), енергијата на врзување на неутронот во кој е особено висока, така што дури и при нулта кинетичка енергија на неутронот, енергијата на побудување е поголема од висината на бариерата за фисија, а јадрото лесно се дели.

Кога неутрон удира во рамномерно јадро (на пример, 238 У +n → 239 У), се формира непарно јадро, во кое енергијата на врзувањето на неутронот е многу помала и не е доволна за да се надмине бариерата на фисија. Но, ако, во вториот случај, не термички, туку брз неутрон со доволно голема кинетичка енергија влезе во јадрото, тогаш може да испадне дека вкупната енергија на возбудување Е * > У ѓ, и ќе дојде до поделба. Минималната кинетичка енергија на неутронот при која станува возможна фисија на рамномерно јадро се нарекува праг на фисија енергија Е бидејќи. За јадрото 238 У оваа енергија Е бидејќи≈ 1 MeV. Приближно исти вредности имаат прагови енергии за други рамномерни јадра. Значи, сите такви јадра исто така се фисија, но само со брзи неутрони.

спонтана поделба.Поради големото преоптоварување со протони, кои меѓусебно се одбиваат со електростатички сили и со тоа се обидуваат да го скршат јадрото, тешките јадра се крајно нестабилни и затоа се способни да се поделат себеси, без никакво надворешно влијание. Оваа спонтана поделба се нарекува спонтана фисија. Спонтаната фисија се јавува како алфа распаѓање со ефектот на тунелирање на фрагментите што минуваат низ бариерата за фисија. Но, поради големиот полнеж на фрагментите, нивната веројатност да поминат низ потенцијалната бариера за време на фисијата на јадрата на ураниум е многу помала отколку кај честичките алфа, а полуживотот во однос на спонтана фисија, соодветно, е многу подолго. Значи, за алфа распаѓањето на јадрата на ураниум-238, периодот Т α = 4,5 10 9 години, додека за спонтана фисија Т ѓ= 10 16 години, т.е. 2,5 милиони пати повеќе. Како што полнењето на јадрото се зголемува, вредностите Т ѓбрзо се намалуваат. Значи, за јадрата на вештачки трансураниумски елементи (види подолу) со Z>100, вредноста Т ѓмерено во минути, па дури и секунди, а за некои нуклиди, спонтаната фисија станува уште попожелна форма на распаѓање. Ова овозможува да се брои спонтана фисија четвртиот тип на радиоактивно распаѓањепокрај алфа, бета и гама распаѓање.

Ослободување на енергија за време на нуклеарна фисија.Графикот на слика 1.1. покажува дека специфичната енергија на врзување на нуклеоните за јадрата на ураниум (≈ 7,5 MeV/нуклеон) е значително помала отколку за јадрата со половина маса (≈ 8,4 MeV/нуклеон), кои се добиваат со фисија во форма на фрагменти. Ова значи дека фрагментите се врзани многу посилно од јадрата на ураниумот, а кога се формираат поради преуредување на нуклеоните, се ослободува вишок енергија на врзување во износ од приближно 0,9 MeV по нуклеон. И бидејќи 236 нуклеони се вклучени во процесот на фисија на едно јадро, вкупното ослободување на енергија за време на фисија на едно јадро е 236 0,9 ≈ 212 MeV. Најголемиот дел од оваа енергија оди на фрагментите во форма на нивната кинетичка енергија. Но, за време на фисијата на јадрата, покрај фрагментите, се ослободуваат уште неколку различни честички, кои го носат остатокот од енергијата. Приближна дистрибуција на енергија помеѓу различни честички за време на фисијата на јадрата на ураниум со термички неутрони е дадена во Табела 1.3. Вкупната количина на енергија (215 MeV) добро се согласува со проценката направена погоре (212 MeV). Од оваа количина на енергија, 10 MeV се однесени од антинеутрините во вселената и на тој начин се „неповратни загуби“. Остатокот од енергијата се апсорбира во различни материјали на реакторот и на крајот се претвора во топлинска енергија, која се користи или директно (во AST и ATES) или за производство на електрична струја (во нуклеарните централи и ATES).

Табела 1.3. Распределба на енергија за време на фисија на тешки јадра

Ефективни пресеци на фисија.Јадрата што се расцепуваат со термички неутрони исто така се способни за фисија со средно и брзи неутрони; затоа, за нив, како и во случајот со радијативно зафаќање (види погоре), неопходно е да се разгледа однесувањето на пресеците на фисија во сите три региони.

Во регионот на топлинските неутрони, пресеците на фисија исто така се менуваат со зголемување на енергијата според законот "1/v". Пресеците на фисија σ f во просек во овој регион се дадени во Табела 1.4.

Табела 1.4. Пресеци на фисија на некои јадра со термички неутрони

За жал, кога неутронот влегува во јадрото на ураниум или плутониум, не само што може да дојде до фисија, туку и радијативно фаќање на неутрон без фисија, на пример, 235 U (n, γ) 236 U. Овој процес е штетен за работата на реактор, и тоа двојно:

се губи неутрон, кој нема да може да учествува во верижната реакција на фисија;

се губи јадрото на нуклеарното гориво од 235 U, кое се претвора во рамномерно јадро од 236 U, кое, како што е наведено погоре, не е фисилно со термички неутрони.

Но, како што може да се види од Табела 5, пресеците на фисија во сите случаи излегуваат дека се поголеми од пресеците за зафаќање на радијација, така што корисен процес на фисија се јавува со поголема веројатност од непожелен процес на зрачење. Ова особено јасно го покажуваат соодносите на пресеците на овие два процеси (последната линија во Табела 1.4).

Во регионот на средните неутрони, зависноста на пресеците на фисија од енергија, исто како и во случајот на зрачното зафаќање, покажува врвови на резонанција. Во просек, во овој регион, вредностите на параметарот „алфа“ се покажаа дури и малку повисоки отколку во регионот на термалните неутрони, така што иако се градат средни неутронски реактори, тие не добија широка дистрибуција.

Во регионот на брзи неутрони, зависноста на пресеците на фисија од неутронската енергија станува мазна, но, за разлика од пресеците за зафаќање на радијација, пресеците на фисија не само што не се намалуваат со зголемувањето на енергијата на неутроните, туку дури и малку се зголемуваат . Ова доведува до значително подобрување на односот на веројатностите за радијативно зафаќање на неутрони и фисија, особено за плутониумот, за кој односот α = 0,029 за брзи неутрони, т.е. повеќе од 12 пати подобро отколку за топлинските неутрони. Оваа околност е поврзана со една од главните предности на нуклеарните реактори кои работат на брзи неутрони во споредба со термалните реактори.

Пресеците на фисија на парни-рамни нуклиди до прагот на фисија се природно еднакви на нула, а над прагот, иако се разликуваат од нула, тие никогаш не добиваат големи вредности. Значи, пресекот на фисија е 238 U при енергии над 1 MeV, излегува дека е од редот на 0,5 штала.

Фрагменти од фисија.И покрај високата енергија (приближно 82 MeV за секој фрагмент), патеките на фрагментите во воздухот се покажаа дека не се повеќе, па дури и нешто помалку од патеките на алфа честичките (околу 2 см). И ова е и покрај фактот што алфа честичките имаат многу пониски енергии (4 - 9 MeV). Ова се случува затоа што електричниот полнеж на фрагментот е многу поголем од полнежот на алфа-честичката, и затоа губи енергија многу поинтензивно за јонизација и возбудување на атомите на медиумот.

Попрецизните мерења покажаа дека опсегот на фрагментите, по правило, не се исти и се групирани околу вредностите од 1,8 и 2,2 см.

Општо земено, за време на фисијата, може да се формираат фрагменти со многу различни масни броеви кои се движат од 70 до 160 (т.е. околу 90 различни вредности), но фрагменти со такви маси се формираат со различни веројатности. Овие веројатности обично се изразуваат со т.н. фрагменти излегува Y НОсо даден масен број НО: Y НО = Н А / Н ѓ, каде Н Ае бројот на фрагменти со масен број НОкои настанале во текот на Н ѓ, нуклеарна фисија. Обично вредноста Y НОизразено во проценти.

Кривата на дистрибуција на приносите на фрагментот од фисија по масовни броеви има две максими (или „грбови“), при што едниот максимум се наоѓа во пределот А=90, а вториот во пределот А=140. Имајте на ум дека јадрата на приближно овие маси најчесто се наоѓаат во траги - врнежи по нуклеарни тестови или нуклеарни несреќи. Доволно е да се потсетиме на траги од такви нуклиди како 131 I, 133 I, 90 Sr, 137 Cs.

Односот на бројот на неутрони со бројот на протони во фрагментите во првиот момент се покажува приближно ист како што бил во јадрото на ураниумот, т.е. 143:92 = 1,55. Но, за стабилни јадра со просечни маси, кои вклучуваат фрагменти, овој сооднос е многу поблиску до единството: на пример, за стабилното јадро 118 Sn, овој сооднос е 1,36. Ова значи дека јадрата на фрагментите се силно преоптоварени со неутрони и тие ќе се обидат да се ослободат од ова преоптоварување со бета распаѓање, во кое неутроните се претвораат во протони. Во исто време, за да може примарниот фрагмент да се претвори во стабилен нуклид, може да бидат потребни неколку последователни бета распаѓања, формирајќи цел синџир, на пример:

(стабилно).

Под стрелките се прикажани полуживотите на нуклидите: с- секунди ч-часовник, y-години. Забележете дека вообичаено е да се нарече фрагмент од фисија само првото јадро што директно се појавува за време на фисијата на јадрото на ураниум (во овој случај, 135 Сб). Сите други нуклиди кои произлегуваат од бета распаѓање, заедно со фрагменти и стабилни финални нуклиди, се нарекуваат производи за фисија. Бидејќи масениот број не се менува по должината на синџирот, може да има толку многу такви синџири за време на фисијата на јадрата на ураниумот колку што може да има масни броеви, т.е. приближно 90. И бидејќи секој синџир содржи во просек 5 радиоактивни нуклиди, тогаш вкупно меѓу производите на фисија може да се избројат околу 450 радионуклиди со широк спектар на полуживот од делови од секунда до милиони години. Во нуклеарниот реактор, акумулацијата на производи од фисија создава одредени проблеми, бидејќи. прво, тие апсорбираат неутрони и со тоа го попречуваат протокот на верижната реакција на фисија, и второ, поради нивното бета распаѓање, се јавува генерирање на преостаната топлина, што може да продолжи многу долго откако реакторот ќе се исклучи (во остатоците од Реактор во Чернобил, производството на топлина продолжува до ден-денес). Значајна опасност за луѓето претставува и радиоактивноста на производите од фисија.

Секундарна фисија неутрони.Неутроните кои предизвикуваат нуклеарна фисија се нарекуваат примарни, а неутроните кои се јавуваат за време на нуклеарната фисија се нарекуваат секундарни. Неутроните на секундарната фисија се емитуваат од фрагменти на самиот почеток на нивното движење. Како што веќе беше забележано, фрагментите веднаш по фисијата се покажаа како силно преоптоварени со неутрони; во овој случај, енергијата на побудување на фрагментите ја надминува врзувачката енергија на неутроните во нив, што ја предодредува можноста за емисија на неутрони. Напуштајќи го јадрото на фрагментот, неутронот зема со себе дел од енергијата, како резултат на што се намалува енергијата на побудување на јадрото на фрагментот. Откако енергијата на побудување на јадрото на фрагментот станува помала од енергијата на врзувањето на неутронот во него, емисијата на неутрони престанува.

Фисијата на различни јадра произведува различен број секундарни неутрони, обично од 0 до 5 (најчесто 2-3). За пресметките на реакторите, од особена важност е просечниот број на секундарни неутрони емитирани по настан на фисија. Овој број обично се означува со грчката буква ν (nu) или, почесто, ν f. Вредностите на ν f зависат од типот на јадрото што се расцепува и од енергијата на примарните неутрони. Некои примери се дадени во табела 1.5. Податоците претставени во оваа табела покажуваат дека вредностите на ν f се зголемуваат и со зголемување на полнежот и масата на јадрото што се расцепува, и со зголемување на енергијата на примарните неутрони.

Табела 1.5. Просечен број на секундарни неутрони произведени при нуклеарна фисија од термички и брзи неутрони

Друга предност на брзите неутронски реактори е поврзана со последната околност - поголем број секундарни неутрони им овозможуваат да го спроведат процесот на проширено размножување на нуклеарно гориво (види подолу). Секундарните неутрони се јавуваат и при спонтано фисија на јадрата. Значи ν f (U-238) = 1,98, и ν f (Cf-252) = 3,767.

Процесот на емисија на секундарни неутрони од високо возбудени јадра на фрагменти наликува на процесот на испарување на молекулите од површината на многу загреана капка течност. Затоа, енергетскиот спектар на секундарните неутрони е сличен на Максвеловата распределба на молекулите за време на термичкото движење. Максимумот на овој спектар лежи на енергија од 0,8 MeV, а просечната енергија на секундарните неутрони на фисија е околу 2 MeV.

Главниот дел од секундарните неутрони се испушта од јадрата на фрагментите во просечно време од 10 -14 секунди по фисијата на јадрото, т.е. речиси веднаш. Затоа, овој дел од секундарните неутрони се нарекува промптни неутрони. Но, постојат и т.н. одложени неутрони, кои играат важна и многу посебна улога во реакторите .

Одложени неутрони во нуклеарната фисија.Искуството покажува дека мал дел од секундарните неутрони (обично< 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.

Уделот на одложени неутрони е дефиниран како однос на бројот на одложени неутрони кон бројот на сите секундарни неутрони на фисија: β = Н апликација. n / Н n. Вредностите на β за некои јадра за време на нивната фисија од неутрони со различни енергии се дадени во Табела 1.6.

Табела 1.6. Фракции на одложени неутрони во нуклеарната фисија

Бидејќи одложените неутрони можат да произлезат од распаѓање на различни фрагментски јадра (наречени јадра - прекурсори на одложени неутрони), од кои секоја се распаѓа со свој полуживот, тогаш одложените неутрони формираат неколку групи, од кои секоја има свој полуживот . Главните параметри на овие групи се дадени во табелата. 1.7. Во оваа табела, релативните приноси на одложените неутрони се нормализирани до единство. Енергиите на одложените неутрони се нешто помали од просечната енергија на брзите неутрони (2 MeV), бидејќи тие летаат од помалку возбудени фрагменти. Полуживотот на групите одложени неутрони точно не се совпаѓа со полуживотот на изолираните прекурсори, бидејќи всушност има многу повеќе одложени прекурсори на неутрони - некои истражувачи пронашле и до неколку десетици од нив. Неутроните од прекурсорите со блиски периоди се спојуваат во една група со одреден просечен период, кој се внесува во табелите. Од истата причина, приносите на групите и нивните периоди зависат од типот на фисилното јадро и енергијата на примарните неутрони, бидејќи со промените на овие два параметри, приносите на фрагментите од фисија се менуваат и, следствено, составот на групите исто така се менува.

Табела 1.7. Параметри на групи на одложени неутрони при фисија на 235 U од термички неутрони

одложени неутрони играат одлучувачка улога во контролирањето на верижната реакција на фисијаи работата на целиот нуклеарен реактор како целина.

Моментално гама зрачење за време на фисија.Кога, по бегството на последниот неутрон од фрагментот, енергијата на побудување на јадрото на фрагментот е помала од енергијата на врзувањето на неутронот во него, понатамошното бегство на брзите неутрони е невозможно. Но, дел од вишокот енергија сè уште останува во фрагментот. Овој вишок енергија е однесен од јадрото со серија емитирани гама зраци. Како што е наведено погоре, вкупната енергија на брзите гама кванти е околу 8 MeV, нивниот просечен број по фисија е приближно 10, според тоа, просечната енергија на една гама кванта во фисијата на тешките јадра е приближно 0,8 MeV.

Така, нуклеарниот реактор е моќен извор не само на неутрони, туку и на гама зрачење, и човек треба да се заштити од двата типа на зрачење.

Во 1934 година, Е. Ферми одлучил да добие трансураниумски елементи со зрачење 238 U со неутрони. Идејата на Е. Ферми беше дека како резултат на β - распаѓањето на изотопот 239 U, се формира хемиски елемент со сериски број Z = 93. Сепак, не беше можно да се идентификува формирањето на 93. елемент. Наместо тоа, како резултат на радиохемиската анализа на радиоактивни елементи извршена од О. Хан и Ф. Штрасман, се покажа дека еден од производите на зрачење на ураниум со неутрони е бариумот (Z = 56) - хемиски елемент со средна атомска тежина , додека, според претпоставката на теоријата на Ферми, требало да се добијат трансураниумски елементи.
Л. Мајтнер и О. Фриш сугерираат дека како резултат на фаќање на неутрон од јадрото на ураниум, сложеното јадро се распаѓа на два дела

92 U + n → 56 Ba + 36 Kr + xn.

Процесот на фисија на ураниум е придружен со појава на секундарни неутрони (x > 1) кои можат да предизвикаат фисија на други јадра на ураниум, што го отвора потенцијалот за појава на верижна реакција на фисија - еден неутрон може да доведе до разгранет ланец на фисија на јадра на ураниум. Во овој случај, бројот на одвоени јадра треба да се зголемува експоненцијално. Н. Бор и Џ. Вилер ја пресметале критичната енергија потребна за јадрото 236 U, формирано како резултат на заробување на неутрон од изотопот 235 U, за да се подели. Оваа вредност е 6,2 MeV, што е помало од енергијата на побудување на изотопот 236 U формиран за време на фаќањето на термички неутрон 235 U. Затоа, кога се заробени термички неутрони, можна е верижна реакција на фисија од 235 U. За повеќето заеднички изотоп 238 U, критичната енергија е 5,9 MeV, додека кога е заробен термички неутрон, енергијата на побудување на добиеното јадро од 239 U е само 5,2 MeV. Затоа, верижната реакција на фисија на најчестиот во природата изотоп 238 U под дејство на термички неутрони е невозможна. Во еден чин на фисија се ослободува енергија од ≈ 200 MeV (за споредба, во реакциите на хемиско согорување, во еден чин на реакција се ослободува енергија од ≈ 10 eV). Можноста за создавање услови за верижна реакција на фисија отвори можности за користење на енергијата на верижна реакција за создавање атомски реактори и атомско оружје. Првиот нуклеарен реактор бил изграден од Е. Ферми во САД во 1942 година. Во СССР, првиот нуклеарен реактор бил лансиран под водство на И. Курчатов во 1946 година. Во 1954 година, првата нуклеарна централа во светот започнала со работа во Обнинск. Во моментов, електричната енергија се произведува во околу 440 нуклеарни реактори во 30 земји во светот.
Во 1940 година, Г. Флеров и К. Петржак откриле спонтано фисија на ураниум. Следните бројки сведочат за сложеноста на експериментот. Делумниот полуживот во однос на спонтана фисија на изотопот 238 U е 10 16 - 10 17 години, додека периодот на распаѓање на изотопот 238 U е 4,5∙10 9 години. Главниот канал на распаѓање за изотопот 238 U е α-распаѓање. За да се набљудува спонтаната фисија на изотопот 238 U, беше неопходно да се регистрира еден настан на фисија на позадината на 10 7-10 8 α-распаѓање настани.
Веројатноста за спонтана фисија главно се определува од пропустливоста на бариерата за фисија. Веројатноста за спонтана фисија се зголемува со зголемување на полнењето на јадрото, бидејќи. ова го зголемува параметарот на поделба Z 2 /A. Во изотопите Z< 92-95 деление происходит преимущественно с образованием двух осколков деления с отношением масс тяжёлого и лёгкого осколков 3:2. В изотопах Z >100, преовладува симетрична фисија со формирање на фрагменти од иста маса. Како што се зголемува полнењето на јадрото, процентот на спонтана фисија се зголемува во споредба со α-распаѓањето.

Нуклеарна фисија. Приказна

1934 година- Е. Ферми, зрачејќи ураниум со термални неутрони, пронајде радиоактивни јадра меѓу производите на реакцијата, чија природа не можеше да се утврди.
L. Szilard ја изнесе идејата за нуклеарна верижна реакција.

1939 година− О. Хан и Ф. Штрасман открија бариум меѓу производите на реакцијата.
Л. Мајтнер и О. Фриш за прв пат објавија дека под дејство на неутроните, ураниумот бил расцепен на два фрагменти споредливи по маса.
N. Bohr и J. Wheeler дадоа квантитативно толкување на нуклеарната фисија со воведување на параметарот на фисија.
Ја. Френкел ја развил теоријата за пад на нуклеарната фисија со бавни неутрони.
L. Szilard, E. Wigner, E. Fermi, J. Wheeler, F. Joliot-Curie, Ya. Zeldovich, Yu. Khariton ја потврдија можноста за појава на верижна реакција на нуклеарна фисија во ураниум.

1940 година− Г. Флеров и К. Петржак го открија феноменот на спонтано фисија на јадрата на ураниум.

1942 година− Е. Ферми извршил верижна реакција на контролирана фисија во првиот атомски реактор.

1945 година− Првиот тест на нуклеарно оружје (Невада, САД). Атомски бомби беа фрлени врз јапонските градови Хирошима (6 август) и Нагасаки (9 август).

1946 година− Под раководство на И.В. Курчатов, беше пуштен во употреба првиот реактор во Европа.

1954 година− Лансирана е првата нуклеарна централа во светот (Обнинск, СССР).

Нуклеарна фисија.Од 1934 година, Е. Ферми почна да користи неутрони за бомбардирање на атомите. Оттогаш, бројот на стабилни или радиоактивни јадра добиени со вештачка трансформација се зголеми на многу стотици, а скоро сите места во периодниот систем се исполнети со изотопи.
Атомите кои настанаа во сите овие нуклеарни реакции го заземаа истото место во периодниот систем како бомбардираниот атом или соседните места. Затоа, доказот на Хан и Штрасман во 1938 година за фактот дека кога неутроните го бомбардираат последниот елемент од периодичниот систем−ураниум−се распаѓаат во елементи кои се во средните делови на периодичниот систем. Тука има различни видови на распаѓање. Атомите што се појавуваат се главно нестабилни и веднаш дополнително се распаѓаат; некои имаат полуживот измерени во секунди, па Хан мораше да го користи аналитичкиот Кири метод за да го продолжи толку брзиот процес. Важно е да се напомене дека елементите пред ураниумот, протактиниумот и ториумот, исто така покажуваат слично распаѓање под дејство на неутроните, иако потребна е поголема неутронска енергија за да започне распаѓањето отколку во случајот со ураниумот. Заедно со ова, во 1940 г., Г.Н.· 10 15 години; овој факт станува јасен поради неутроните кои се ослободуваат во процесот. Така, беше можно да се разбере зошто „природниот“ периодичен систем завршува со трите именувани елементи. Трансураниумските елементи сега се познати, но тие се толку нестабилни што брзо се распаѓаат.
Расцепувањето на ураниумот со помош на неутрони сега овозможува да се користи атомската енергија, која веќе многумина ја замислуваа како „сон на Жил Верн“.

М. Лауе, Историја на физиката

1939 О. Хан и Ф. Штрасман, зрачејќи ураниумови соли со термички неутрони, откриени меѓу реакционите продукти бариум (Z = 56)

Ото Ган (1879 – 1968)

Нуклеарната фисија е разделување на јадрото на две (ретко три) јадра со слични маси, кои се нарекуваат фрагменти на фисија. За време на фисијата се јавуваат и други честички - неутрони, електрони, α-честички. Како резултат на фисија, се ослободува енергија од ~ 200 MeV. Фисијата може да биде спонтана или присилна под дејство на други честички, најчесто неутрони.
Карактеристична карактеристика на фисијата е тоа што фрагментите од фисија, по правило, значително се разликуваат по маса, односно преовладува асиметрична фисија. Така, во случај на најверојатната фисија на изотопот на ураниум 236 U, односот на масата на фрагментот е 1,46. Тежок фрагмент има масен број 139 (ксенон), а лесен фрагмент има масен број 95 (стронциум). Земајќи ја предвид емисијата на два брзи неутрони, разгледуваната реакција на фисија има форма

Нобеловата награда за хемија
1944 - О. Ган.
За откривање на реакцијата на фисија на јадрата на ураниум од неутрони.

Парчиња за фисија

Зависност на просечните маси на лесни и тешки групи фрагменти од масата на фисилното јадро.

Откривање на нуклеарна фисија. 1939 година

Дојдов во Шведска, каде што Лизе Мајтнер страдаше од осаменост, и како посветен внук решив да ја посетам на Божиќ. Таа живеела во малиот хотел Kungälv во близина на Гетеборг. Ја фатив на појадок. Го разгледала писмото што штотуку го добила од Хан. Бев многу скептичен за содржината на писмото, во кое се известува за формирање на бариум со зрачење на ураниум со неутрони. Сепак, таа беше привлечена од оваа можност. Шетавме по снегот, таа одеше, јас скијав (рече дека може вака без да падне зад мене и тоа го докажа). До крајот на прошетката веќе можевме да формулираме некои заклучоци; јадрото не се отцепи и деловите не одлетаа од него, но тоа беше процес кој наликуваше на моделот капка на јадрото Бор; како капка, јадрото може да се издолжи и да се подели. Потоа истражував како електричното полнење на нуклеоните ја намалува површинската напнатост, која, како што можев да утврдам, паѓа на нула при Z = 100, а можеби и многу ниска за ураниумот. Лизе Мајтнер беше ангажирана во одредувањето на енергијата што се ослободува при секое распаѓање поради масовен дефект. Таа имаше многу јасна идеја за кривата на масовниот дефект. Се испостави дека поради електростатско одбивање, елементите на фисија ќе добијат енергија од околу 200 MeV, и тоа само одговара на енергијата поврзана со масовниот дефект. Затоа, процесот би можел да продолжи чисто класично без да го вклучи концептот на поминување низ потенцијална бариера, што, се разбира, овде би било бескорисно.
Поминавме два или три дена заедно за Божиќ. Потоа се вратив во Копенхаген и едвај имав време да му кажам на Бор за нашата идеја токму во моментот кога тој веќе се качуваше на паробродот за САД. Се сеќавам како си го плесна по челото штом почнав да зборувам и извикав: „Ах, какви будали бевме! Требаше да го забележиме ова порано“. Но, тој не забележа, и никој не забележа.
Лизе Мајтнер и јас напишавме статија. Во исто време, постојано одржувавме контакт преку телефон на долги релации Копенхаген - Стокхолм.

О. Фриш, Мемоари. УФН. 1968. T. 96, број 4, стр. 697.

Спонтана нуклеарна фисија

Во експериментите опишани подолу, го користевме методот првпат предложен од Фриш за снимање на процесите на нуклеарна фисија. Комората за јонизација со плочи обложени со слој од ураниум оксид е поврзана со линеарен засилувач наместен на таков начин што α честичките испуштени од ураниумот не се регистрираат од системот; импулсите од фрагментите, кои се многу поголеми од импулсите од α-честичките, го отклучуваат излезниот тиратрон и се сметаат за механичко реле.
Комората за јонизација беше специјално дизајнирана во форма на повеќеслоен рамен кондензатор со вкупна површина од 15 плочи од 1000 см. 2 .
Во првите експерименти со засилувач наместен да ги брои фрагментите, беше можно да се набљудуваат спонтани (во отсуство на извор на неутрони) импулси на реле и осцилоскоп. Бројот на овие импулси беше мал (6 на 1 час), и затоа е сосема разбирливо што оваа појава не можеше да се забележи со камери од вообичаениот тип ...
Имаме тенденција да го мислиме тоа ефектот што го набљудуваме мора да се припише на фрагментите кои произлегуваат од спонтано фисија на ураниум ...

Спонтаната фисија треба да се припише на еден од невозбудените U изотопи со полуживот добиени од евалуација на нашите резултати:

У 238 – 10 16 ~ 10 17 години,
У 235 – 10 14 ~ 10 15 години,
У 234 – 10 12 ~ 10 13 години.

Распаѓање на изотопи 238 У

Спонтана нуклеарна фисија

Полуживоти на спонтано фисилни изотопи Z = 92 - 100

Првиот експериментален систем со решетка од ураниум-графит бил изграден во 1941 година под раководство на Е. Ферми. Станува збор за коцка од графит со ребро долго 2,5 m, во кое имало околу 7 тони ураниум оксид, затворени во железни садови, кои биле ставени во коцката на еднакво растојание еден од друг. Неутронскиот извор RaBe беше поставен на дното на решетката ураниум-графит. Факторот на множење во таков систем беше ≈0,7. Ураниум оксидот содржел од 2 до 5% нечистотии. Понатамошните напори беа насочени кон добивање почисти материјали, а до мај 1942 година беше добиен ураниум оксид, во кој нечистотијата беше помала од 1%. За да се обезбеди верижна реакција на фисија, неопходно беше да се користи голема количина графит и ураниум - од редот на неколку тони. Нечистотиите требаше да бидат помали од неколку делови на милион. Реакторот, составен до крајот на 1942 година од страна на Ферми на Универзитетот во Чикаго, имаше форма на нецелосен сфероид отсечен одозгора. Содржеше 40 тони ураниум и 385 тони графит. Вечерта на 2 декември 1942 година, откако беа отстранети стапчињата за апсорбер на неутрони, беше откриено дека внатре во реакторот се одвива нуклеарна верижна реакција. Измерениот коефициент беше 1.0006. Првично, реакторот работеше на ниво на моќност од 0,5 W. До 12 декември, неговата моќност беше зголемена на 200 вати. Последователно, реакторот беше преместен на побезбедно место, а неговата моќност беше зголемена на неколку kW. Во овој случај, реакторот трошеше 0,002 g ураниум-235 дневно.

Првиот нуклеарен реактор во СССР

Зградата за првиот истражувачки нуклеарен реактор Ф-1 во СССР беше готова до јуни 1946 година.
Откако беа извршени сите потребни експерименти, развиен е системот за контрола и заштита на реакторот, утврдени се димензиите на реакторот, направени се сите потребни експерименти со модели на реактори, густината на неутроните е одредена на неколку модели, добиени се графитни блокови (т.н. нуклеарна чистота) и (по неутронско-физички проверки) ураниумски блокови, во ноември 1946 година започна изградбата на реакторот Ф-1.
Вкупниот радиус на реакторот беше 3,8 m. За него беа потребни 400 тони графит и 45 тони ураниум. Реакторот беше склопен во слоеви, а во 15 часот на 25 декември 1946 година беше склопен последниот, 62-ри слој. По вадењето на таканаречените итни шипки, контролната шипка била подигната, густината на неутроните почнала да се брои и во 18 часот на 25 декември 1946 година оживеал првиот реактор во СССР. Тоа беше возбудлива победа за научниците - креаторите на нуклеарниот реактор и за целиот советски народ. Година и пол подоцна, на 10 јуни 1948 година, индустрискиот реактор со вода во каналите достигна критична состојба и набрзо започна индустриското производство на нов вид нуклеарно гориво - плутониум.

Ослободување на енергија за време на нуклеарна фисија.Како и кај другите нуклеарни реакции, енергијата ослободена за време на фисијата е еквивалентна на разликата во масите на честичките кои содејствуваат и финалните производи. Бидејќи енергијата на врзување на нуклеон во ураниум и енергијата на врзување на еден нуклеон во фрагменти, за време на фисијата на ураниумот, енергијата мора да се ослободи

Така, при фисија на јадрото се ослободува огромна енергија, огромниот дел од неа се ослободува во форма на кинетичка енергија на фрагментите на фисија.

Масовна дистрибуција на производи од фисија.Јадрото на ураниумот во повеќето случаи е поделено асиметрично. Два нуклеарни фрагменти имаат соодветно различни брзини и различни маси.

Фрагментите спаѓаат во две групи според нивните маси; едниот во близина на криптон, а другиот во близина на ксенон.Масите на фрагментите се поврзани една со друга во просек како Од законите за зачувување на енергијата и импулсот може да се добие дека кинетичките енергии на фрагментите треба да бидат обратно пропорционални со нивните маси :

Кривата на принос на фисискиот производ е симетрична во однос на вертикалната права линија што минува низ точката.Значајната ширина на максимите укажува на различноста на патеките на фисија.

Ориз. 82. Масовна дистрибуција на производи од фисија на ураниум

Наведените карактеристики се однесуваат главно на фисија под дејство на термички неутрони; во случај на фисија под дејство на неутрони со енергија од неколку или повеќе, јадрото се распаѓа на два фрагменти посиметрични по маса.

Својства на производи од фисија.За време на фисијата на атом на ураниум, се отфрлаат многу електрони од обвивката, а фрагментите од фисијата се приближно пати јонизирани позитивни јони, кои, кога минуваат низ супстанцијата, силно ги јонизираат атомите. Затоа, патеките на фрагментите во воздухот се мали и блиску до 2 см.

Лесно е да се утврди дека фрагментите формирани за време на фисијата мора да бидат радиоактивни, склони кон емитување неутрони. Навистина, за стабилни јадра, односот на бројот на неутрони и протони варира во зависност од А како што следува:

(види скенирање)

Јадрата произведени со фисија лежат во средината на табелата и затоа содржат повеќе неутрони отколку што е прифатливо за нивната стабилност. Тие можат да се ослободат од вишокот неутрони и со распаѓање и со директно емитување неутрони.

одложени неутрони.Во една од можните варијанти на фисија, се формира радиоактивен бром. На сл. 83 е прикажан дијаграм на неговото распаѓање, на чиј крај има стабилни изотопи

Интересна карактеристика на овој синџир е тоа што криптонот може да се ослободи од вишокот неутрон или поради -распаѓање, или ако е формиран во возбудена состојба поради директната емисија на неутрон. Овие неутрони се појавуваат 56 секунди по фисијата (животниот век е релативен во однос на преминот во возбудена состојба, иако самиот тој емитира неутрони речиси веднаш.

Ориз. 83. Шема на распаѓање на радиоактивен бром формиран во возбудена состојба за време на фисија на ураниум

Тие се нарекуваат одложени неутрони. Со текот на времето, интензитетот на одложените неутрони се намалува експоненцијално, како во нормалното радиоактивно распаѓање.

Енергијата на овие неутрони е еднаква на енергијата на возбудувањето на јадрото. Иако тие сочинуваат само 0,75% од сите неутрони емитирани при фисија, одложените неутрони играат важна улога во спроведувањето на верижна реакција.

Навремени неутрони.Над 99% од неутроните се ослободуваат за исклучително кратко време; тие се нарекуваат промптни неутрони.

При проучувањето на процесот на фисија, се поставува основното прашање, колку неутрони се произведуваат во еден настан на фисија; ова прашање е важно затоа што ако нивниот број е голем во просек, тие можат да се користат за делење на следните јадра, т.е., станува возможно да се создаде верижна реакција. Во текот на решавањето на ова прашање во 1939-1940 година. работел во речиси сите поголеми нуклеарни лаборатории во светот.

Ориз. 84. Енергетски спектар на неутрони добиен од фисија на ураниум-235

Дистрибуција на енергија на фисија.Директното мерење на енергијата на фрагментите и енергијата однесена од другите производи на фисија ја даде следната приближна дистрибуција на енергија

Настанува фисија на јадрата на ураниумот на следниот начин:прво, неутрон го погодува јадрото, како куршум во јаболко. Во случај на јаболко, куршум би направил дупка во него или би го разнесел на парчиња. Кога неутронот влегува во јадрото, тој е заробен од нуклеарни сили. Познато е дека неутронот е неутрален, па затоа не се одбива со електростатички сили.

Како настанува фисија на ураниум?

Значи, откако влезе во составот на јадрото, неутронот ја нарушува рамнотежата, а јадрото се возбудува. Се протега на страните како гира или знак на бесконечност: ∞ . Нуклеарните сили, како што е познато, дејствуваат на растојание пропорционално на големината на честичките. Кога јадрото се протега, дејството на нуклеарните сили станува незначително за екстремните честички на „гирата“, додека електричните сили делуваат многу силно на такво растојание, а јадрото едноставно се распаѓа на два дела. Во овој случај се испуштаат и два или три неутрони.

Фрагменти од јадрото и ослободените неутрони се распрснуваат со голема брзина во различни насоки. Фрагментите се прилично брзо забавени од околината, но нивната кинетичка енергија е огромна. Се претвора во внатрешна енергија на медиумот, кој се загрева. Во овој случај, количината на ослободена енергија е огромна. Енергијата добиена од целосното расцепување на еден грам ураниум е приближно еднаква на енергијата добиена од согорување на 2,5 тони нафта.

Верижна реакција на фисија на неколку јадра

Разгледавме фисија на едно ураниумско јадро. За време на фисијата, беа ослободени неколку (најчесто два или три) неутрони. Тие се расфрлаат на страните со голема брзина и лесно можат да паднат во јадрата на други атоми, предизвикувајќи реакција на фисија во нив. Ова е верижна реакција.

Односно, неутроните добиени како резултат на нуклеарна фисија возбудуваат и принудуваат други јадра на фисија, кои пак самите испуштаат неутрони кои продолжуваат да стимулираат понатамошна фисија. И така натаму додека не дојде до фисија на сите јадра на ураниум во непосредна близина.

Во овој случај, може да се појави верижна реакција како лавина, на пример, во случај на експлозија на атомска бомба. Бројот на нуклеарна фисија се зголемува експоненцијално за краток временски период. Сепак, може да дојде до верижна реакција со амортизација.

Факт е дека не сите неутрони се среќаваат со јадра на својот пат, кои ги предизвикуваат до фисија. Како што се сеќаваме, внатре во супстанцијата главниот волумен е окупиран од празнината помеѓу честичките. Затоа, некои неутрони летаат низ целата материја без да се судрат со ништо на патот. И ако бројот на нуклеарна фисија се намалува со текот на времето, тогаш реакцијата постепено исчезнува.

Нуклеарни реакции и критична маса на ураниум

Што го одредува типот на реакција?Од масата на ураниум. Колку е поголема масата, толку повеќе честички ќе сретне летечкиот неутрон на својот пат и има повеќе шанси да влезе во јадрото. Затоа, се разликува „критична маса“ на ураниум - ова е толку минимална маса на која е можна верижна реакција.

Бројот на формирани неутрони ќе биде еднаков на бројот на неутрони што излетале. И реакцијата ќе продолжи со приближно иста брзина додека не се произведе целиот волумен на супстанцијата. Ова се користи во пракса во нуклеарните централи и се нарекува контролирана нуклеарна реакција.

Содржината на статијата

НУКЛЕАРНА ФИСИЈА,нуклеарна реакција во која атомското јадро, кога е бомбардиран од неутрони, се дели на два или повеќе фрагменти. Вкупната маса на фрагментите е обично помала од збирот на масите на почетното јадро и бомбардирањето на неутронот. „Исчезната миса“ мсе претвора во енергија Еспоред формулата на Ајнштајн Е = mc 2, каде ве брзината на светлината. Бидејќи брзината на светлината е многу голема (299.792.458 m/s), мала маса одговара на огромна количина на енергија. Оваа енергија може да се претвори во електрична енергија.

Енергијата ослободена за време на нуклеарната фисија се претвора во топлина кога фрагментите од фисијата се забавуваат. Стапката на ослободување на топлина зависи од бројот на јадра што се расцепуваат по единица време. Кога за кратко време се случува фисија на голем број јадра во мал волумен, реакцијата има карактер на експлозија. Ова е принципот на атомската бомба. Ако, од друга страна, релативно мал број јадра се расцепуваат во голем волумен подолго време, тогаш резултатот ќе биде ослободување на топлина што може да се искористи. На ова се засновани нуклеарните централи. Во нуклеарните централи, топлината ослободена во нуклеарните реактори како резултат на нуклеарната фисија се користи за производство на пареа, која се храни до турбините кои ги ротираат електричните генератори.

За практично користење на процесите на фисија, најпогодни се ураниумот и плутониумот. Тие имаат изотопи (атоми на даден елемент со различен масен број) кои се расцепуваат кога апсорбираат неутрони, дури и при многу ниски енергии.

Клучот за практичната употреба на енергијата на фисија беше фактот што некои елементи испуштаат неутрони во процесот на фисија. Иако еден неутрон се апсорбира за време на нуклеарната фисија, оваа загуба се надоместува со производство на нови неутрони за време на фисијата. Ако уредот во кој се јавува фисија има доволно голема („критична“) маса, тогаш може да се одржи „верижна реакција“ поради новите неутрони. Верижната реакција може да се контролира со прилагодување на бројот на неутрони кои можат да предизвикаат фисија. Ако е поголем од еден, тогаш интензитетот на делење се зголемува, а ако е помал од еден, се намалува.

РЕФЕРЕНТНА ИСТОРИЈА

Историјата на откривањето на нуклеарната фисија потекнува од работата на А. Бекерел (1852–1908). Истражувајќи ја во 1896 година фосфоресценцијата на различни материјали, тој открил дека минералите што содржат ураниум спонтано испуштаат зрачење што предизвикува оцрнување на фотографската плоча дури и ако непроѕирна цврста материја е поставена помеѓу минералот и плочата. Различни експериментатори утврдиле дека ова зрачење се состои од алфа честички (јадра на хелиум), бета честички (електрони) и гама кванти (тврдо електромагнетно зрачење).

Првата трансформација на јадрата, вештачки предизвикана од човекот, била извршена во 1919 година од Е. Радерфорд, кој го претворил азот во кислород со зрачење на азот со честички на ураниум алфа. Оваа реакција беше придружена со апсорпција на енергија, бидејќи масата на нејзините производи - кислород и водород - ја надминува масата на честичките што влегуваат во реакцијата - азот и алфа честичките. Ослободувањето на нуклеарната енергија првпат беше постигнато во 1932 година од страна на Џ. Коккрофт и Е. Волтон, кои го бомбардираа литиумот со протони. Во оваа реакција, масата на јадрата што влегуваат во реакцијата била нешто поголема од масата на производите, како резултат на што се ослободува енергија.

Во 1932 година, J. ​​Chadwick го открил неутронот - неутрална честичка со маса приближно еднаква на масата на јадрото на атом на водород. Физичарите ширум светот почнаа да ги проучуваат својствата на оваа честичка. Се претпоставуваше дека неутронот без електричен полнеж и кој не е одбиен од позитивно наелектризирано јадро ќе има поголема веројатност да предизвика нуклеарни реакции. Поновите резултати ја потврдија оваа претпоставка. Во Рим, Е. Ферми и неговите соработници ги подложиле речиси сите елементи на периодичниот систем на неутронско зрачење и набљудувале нуклеарни реакции со формирање на нови изотопи. Доказ за формирање на нови изотопи беше „вештачката“ радиоактивност во форма на гама и бета зрачење.

Првите индикации за можноста за нуклеарна фисија.

Ферми е заслужен за откривањето на многу од неутронските реакции познати денес. Конкретно, тој се обидел да добие елемент со атомски број 93 (нептуниум) со бомбардирање на ураниум (елемент со атомски број 92) со неутрони. Во исто време, тој регистрирал електрони емитирани како резултат на зафаќање на неутрони во предложената реакција

238 U + 1 n ® 239 Np + б–,

каде што 238 U е изотоп на ураниум-238, 1 n е неутрон, 239 Np е нептуниум, и б- - електрон. Сепак, резултатите беа измешани. За да се исклучи можноста регистрираната радиоактивност да припаѓа на изотопи на ураниум или други елементи лоцирани во периодичниот систем пред ураниумот, неопходно беше да се изврши хемиска анализа на радиоактивните елементи.

Резултатите од анализата покажаа дека непознатите елементи одговараат на сериските броеви 93, 94, 95 и 96. Затоа, Ферми заклучил дека добил трансураниумски елементи. Меѓутоа, О. Хан и Ф. Штрасман во Германија, откако извршиле темелна хемиска анализа, откриле дека радиоактивен бариум е присутен меѓу елементите што произлегуваат од зрачењето на ураниумот со неутрони. Ова значеше дека, веројатно, дел од јадрата на ураниумот е поделен на два големи фрагменти.

Потврда за поделба.

После тоа, Ферми, Џеј Данинг и Ј. Расцепувањето на ураниумот со неутрони беше потврдено со методите на пропорционални бројачи, комора на облак и акумулација на фрагменти од фисија. Првиот метод покажа дека високоенергетските импулси се емитуваат кога неутронскиот извор се приближува до примерокот од ураниум. Во комората на облаците, се виде дека јадрото на ураниум, бомбардиран од неутрони, е поделено на два фрагменти. Последниот метод овозможи да се утврди дека, како што е предвидено со теоријата, фрагментите се радиоактивни. Сето ова земено заедно убедливо докажа дека фисијата навистина се случува, и овозможи со сигурност да се процени енергијата што се ослободува за време на фисијата.

Бидејќи дозволениот однос на бројот на неутрони со бројот на протони во стабилните јадра се намалува со намалувањето на големината на јадрото, фракцијата на неутроните во фрагментите мора да биде помала отколку во првобитното јадро на ураниум. Така, постоеле сите причини да се верува дека процесот на фисија е придружен со емисија на неутрони. Ова наскоро беше експериментално потврдено од Ф. Жолиот-Кири и неговите соработници: бројот на неутрони емитирани во процесот на фисија беше поголем од бројот на апсорбирани неутрони. Се покажа дека за еден апсорбиран неутрон има приближно два и пол нови неутрони. Можноста за верижна реакција и изгледите за создавање на исклучително моќен извор на енергија и негово користење за воени цели веднаш станаа очигледни. После тоа, во голем број земји (особено во Германија и САД) започна работата на создавање атомска бомба во услови на длабока тајност.

Случувањата за време на Втората светска војна.

Од 1940 до 1945 година насоката на развој беше одредена од воени размислувања. Во 1941 година, беа добиени мали количества плутониум и беа утврдени голем број нуклеарни параметри на ураниум и плутониум. Во Соединетите Американски Држави, најважните производствени и истражувачки претпријатија неопходни за ова беа под јурисдикција на „Воениот инженерски округ Менхетен“, на кој беше префрлен „Ураниумскиот проект“ на 13 август 1942 година. На Универзитетот Колумбија (Њујорк), група вработени предводени од Е.Ферми и В. Во јануари 1942 година, ова дело беше префрлено на Универзитетот во Чикаго, каде што во јули 1942 година беа добиени резултати кои ја покажуваат можноста за самоодржлива верижна реакција. Првично, реакторот работеше со моќност од 0,5 W, но по 10 дена моќноста беше зголемена на 200 W. Можноста за добивање на големи количества нуклеарна енергија за прв пат беше демонстрирана на 16 јули 1945 година, кога беше детонирана првата атомска бомба на полигонот Аламогордо (Ново Мексико).

НУКЛЕАРНИ РЕАКТОРИ

Нуклеарен реактор е инсталација во која е можно да се изврши контролирана самоодржлива верижна реакција на нуклеарна фисија. Реакторите можат да се класифицираат според употребеното гориво (фисилни и сурови изотопи), според типот на модератор, според типот на горивните елементи и според типот на течноста за ладење.

фисилни изотопи.

Постојат три фисилни изотопи - ураниум-235, плутониум-239 и ураниум-233. Ураниум-235 се произведува со сепарација на изотоп; плутониум-239 - во реактори во кои ураниум-238 се претвора во плутониум, 238 U ® 239 U ® 239 Np ® 239 Pu; ураниум-233 - во реактори во кои ториум-232 се преработува во ураниум. Нуклеарното гориво за енергетскиот реактор се избира врз основа на неговите нуклеарни и хемиски својства, како и цената.

Табелата подолу ги прикажува главните параметри на фисилните изотопи. Вкупниот пресек ја карактеризира веројатноста за интеракција од било кој тип помеѓу неутрон и дадено јадро. Пресекот на фисија ја карактеризира веројатноста за нуклеарна фисија од неутрон. Енергетскиот принос по апсорбиран неутрон зависи од тоа која фракција од јадрата не учествува во процесот на фисија. Бројот на неутрони емитирани во еден настан на фисија е важен од гледна точка на одржување на верижната реакција. Бројот на нови неутрони по апсорбиран неутрон е важен бидејќи го карактеризира интензитетот на фисија. Делот од задоцнетите неутрони што се емитираат по појавата на фисија е поврзан со енергијата складирана во материјалот.

КАРАКТЕРИСТИКИ НА ФИСИЛНИ ИЗОТОПИ

Податоците од табелата покажуваат дека секој фисилен изотоп има свои предности. На пример, во случајот на изотопот со најголем пресек за топлински неутрони (со енергија од 0,025 eV), потребно е помалку гориво за да се постигне критична маса при користење на неутронски модератор. Бидејќи најголем број на неутрони по апсорбиран неутрон се јавува во брз реактор на плутониум (1 MeV), во режим на размножување е подобро да се користи плутониум во брз реактор или ураниум-233 во термички реактор отколку ураниум-235 во термички реактор. Ураниум-235 е попожелен во однос на леснотијата на контрола, бидејќи има поголем дел од одложени неутрони.

Сурови изотопи.

Постојат два сурови изотопи: ториум-232 и ураниум-238, од кои се добиваат фисилните изотопи ураниум-233 и плутониум-239. Технологијата за користење на сурови изотопи зависи од различни фактори, како што е потребата за збогатување. Ураниумската руда содржи 0,7% ураниум-235, додека ториумската руда не содржи фисилни изотопи. Затоа, во ториумот мора да се додаде збогатен фисилен изотоп. Бројот на нови неутрони по апсорбиран неутрон е исто така важен. Земајќи го предвид овој фактор, неопходно е да се даде предност на ураниум-233 во случај на термички неутрони (умерени до енергија од 0,025 eV), бидејќи во такви услови бројот на емитирани неутрони е поголем, а со тоа и конверзијата фактор е бројот на нови фисилни јадра по едно „потрошено“ фисилно јадро.

Ретардери.

Модераторот служи за намалување на енергијата на неутроните емитирана во процесот на фисија од околу 1 MeV до топлинска енергија од околу 0,025 eV. Бидејќи умереноста настанува главно како резултат на еластичното расејување од јадрата на атоми што не се распрснуваат, масата на атомите на модераторот мора да биде што е можно помала за да може неутронот да пренесе максимална енергија до нив. Дополнително, атомите на модераторот мора да имаат мал пресек за фаќање (во споредба со пресекот на расејување), бидејќи неутронот мора постојано да се судира со атомите на модераторот пред да се забави до топлинска енергија.

Најдобар модератор е водородот, бидејќи неговата маса е речиси еднаква на масата на неутронот и, според тоа, неутронот губи најголема количина на енергија при судир со водород. Но, обичниот (лесен) водород премногу силно ги апсорбира неутроните и затоа деутериумот (тежок водород) и тешката вода се посоодветни модератори, и покрај нивната малку поголема маса, бидејќи тие помалку апсорбираат неутрони. Берилиумот може да се смета за добар модератор. Јаглеродот има толку мал пресек на апсорпција на неутрони што ефикасно ги ублажува неутроните, иако бара многу повеќе судири за да се забави отколку водородот.

Просечен број НЕластичните судири потребни за забавување на неутрон од 1 MeV на 0,025 eV со користење на водород, деутериум, берилиум и јаглерод се приближно 18, 27, 36 и 135, соодветно. Приближната природа на овие вредности се должи на фактот дека, поради присуството на хемиска енергија, врските во модераторот на судир при енергии под 0,3 eV тешко можат да бидат еластични. При ниски енергии, атомската решетка може да пренесе енергија на неутроните или да ја промени ефективната маса при судир, со што го нарушува процесот на забавување.

Носачи на топлина.

Течностите за ладење што се користат во нуклеарните реактори се вода, тешка вода, течен натриум, течна легура на натриум-калиум (NaK), хелиум, јаглерод диоксид и органски течности како што е терфенил. Овие супстанции се добри носители на топлина и имаат пресеци со ниска апсорпција на неутрони.

Водата е одличен модератор и течност за ладење, но премногу силно ги апсорбира неутроните и има премногу висок парен притисок (14 MPa) на работна температура од 336 ° C. Најпознат модератор е тешката вода. Неговите карактеристики се блиски до оние на обичната вода, а пресекот на апсорпција на неутрони е помал. Натриумот е одлична течност за ладење, но не е ефикасен како модератор на неутрони. Затоа, се користи во брзи неутронски реактори, каде што повеќе неутрони се испуштаат за време на фисија. Точно, натриумот има голем број на недостатоци: предизвикува радиоактивност, има низок топлински капацитет, хемиски е активен и се зацврстува на собна температура. Легурата на натриум и калиум е слична по својствата на натриумот, но останува течна на собна температура. Хелиумот е одлична течност за ладење, но има низок специфичен топлински капацитет. Јаглерод диоксидот е добра течност за ладење и е широко користен во реактори со умерена графит. Терфенил има предност во однос на водата што има низок парен притисок на работна температура, но се распаѓа и полимеризира под високите температури и флуксот на зрачење кои се карактеристични за реакторите.

Елементи што создаваат топлина.

Елементот за гориво (FE) е јадро за гориво со херметичка обвивка. Облогата го спречува истекувањето на производите на фисија и интеракцијата на горивото со течноста за ладење. Материјалот на обвивката мора слабо да апсорбира неутрони и да има прифатливи механички, хидраулични и топлински спроводливи карактеристики. Елементите на горивото обично се пелети од синтеруван ураниум оксид во цевки од алуминиум, циркониум или нерѓосувачки челик; пелети од легури на ураниум со циркониум, молибден и алуминиум обложени со циркониум или алуминиум (во случај на алуминиумска легура); графитни таблети со дисперзиран ураниум карбид обложени со непропустлив графит.

Сите овие горивни елементи се користат, но за реактори за вода под притисок, најмногу се претпочитаат пелети од ураниум оксид во цевки од нерѓосувачки челик. Ураниум диоксидот не реагира со вода, има висока отпорност на радијација и се карактеризира со висока точка на топење.

Графитните горивни ќелии се чини дека се многу погодни за реактори кои се ладат со гас на висока температура, но тие имаат сериозен недостаток - гасните производи од фисија можат да навлезат преку нивната обвивка поради дифузија или дефекти на графитот.

Органските течности за ладење се некомпатибилни со циркониумските шипки за гориво и затоа бараат употреба на алуминиумски легури. Изгледите за реактори со органски течности за ладење зависат од тоа дали се создадени алуминиумски легури или производи од металургијата во прав кои би имале јачина (на работни температури) и топлинска спроводливост неопходни за употреба на перки кои го зголемуваат преносот на топлина на течноста за ладење. Бидејќи преносот на топлина помеѓу горивото и органската течност за ладење поради топлинската спроводливост е мал, пожелно е да се користи површинско вриење за да се зголеми преносот на топлина. Новите проблеми ќе бидат поврзани со површинското вриење, но тие мора да се решат доколку употребата на органски течности за пренос на топлина се покаже како корисна.

ВИДОВИ РЕАКТОРИ

Теоретски, можни се повеќе од 100 различни типови на реактори, кои се разликуваат по гориво, модератор и течности за ладење. Повеќето конвенционални реактори користат вода како течност за ладење, било под притисок или врела вода.

Реактор за вода под притисок.

Во таквите реактори, водата служи како модератор и течност за ладење. Загреаната вода под притисок се пумпа до разменувач на топлина, каде топлината се пренесува во водата од секундарното коло, во кое се создава пареа која ја ротира турбината.

Реактор што врие.

Во таков реактор, водата врие директно во јадрото на реакторот и добиената пареа влегува во турбината. Повеќето реактори за врела вода користат и вода како модератор, но понекогаш се користи и графитен модератор.

Реактор со ладење на течен метал.

Во таков реактор, течниот метал кој циркулира низ цевките се користи за пренос на топлината што се ослободува при фисија во реакторот. Речиси сите реактори од овој тип користат натриум како течност за ладење. Пареата што се создава од другата страна на цевките на примарното коло се внесува во конвенционална турбина. Во реактор што се лади со течен метал, може да се користат релативно високоенергетски неутрони (брз неутронски реактор) или неутрони умерени во графит или берилиум оксид. Како реактори за одгледување, попогодни се брзите неутронски реактори ладени со течен метал, бидејќи во овој случај нема загуби на неутрони поврзани со умереност.

реактор со ладење со гас.

Во таков реактор, топлината ослободена за време на процесот на фисија се пренесува до генераторот на пареа со гас - јаглерод диоксид или хелиум. Неутронскиот модератор е обично графит. Реактор што се лади со гас може да работи на многу повисоки температури од реактор со течно ладење и затоа е погоден за индустриски системи за греење и електрани со висока ефикасност. Малите реактори што се ладат со гас се карактеризираат со зголемена безбедност при работа, особено, отсуство на ризик од топење на реакторот.

хомогени реактори.

Во јадрото на хомогените реактори се користи хомогена течност која содржи фисилен изотоп на ураниум. Течноста е обично соединение на стопен ураниум. Се пумпа во голем сферичен сад под притисок каде што се јавува верижна реакција на фисија во критична маса. Течноста потоа се внесува во генераторот на пареа. Хомогените реактори не се здобија со популарност поради дизајнот и технолошките тешкотии.

РЕАКТИВНОСТ И КОНТРОЛА

Можноста за самоодржлива верижна реакција во нуклеарен реактор зависи од тоа колку неутрони истекуваат од реакторот. Неутроните произведени за време на фисија исчезнуваат како резултат на апсорпција. Дополнително, можно е истекување на неутрони поради дифузија низ материјата, слично на дифузијата на еден гас низ друг.

За да контролирате нуклеарен реактор, треба да бидете способни да го контролирате факторот на множење на неутроните к, дефиниран како однос на бројот на неутрони во една генерација со бројот на неутрони во претходната генерација. На к= 1 (критичен реактор) постои стационарна верижна реакција со постојан интензитет. На к> 1 (суперкритичен реактор), интензитетот на процесот се зголемува, а при к r = 1 - (1/ к) се нарекува реактивност.)

Поради феноменот на одложени неутрони, времето на „раѓање“ на неутроните се зголемува од 0,001 s на 0,1 s. Ова карактеристично време на реакција овозможува да се контролира со помош на механички актуатори - контролни прачки направени од материјал кој апсорбира неутрони (B, Cd, Hf, In, Eu, Gd итн.). Контролната временска константа треба да биде од редот на 0,1 s или повеќе. За да се обезбеди безбедност, се избира таков режим на работа на реакторот во кој се потребни одложени неутрони во секоја генерација за да се одржи стационарна верижна реакција.

За да се обезбеди дадено ниво на моќност, се користат контролни шипки и неутронски рефлектори, но контролната задача може многу да се поедностави со правилна пресметка на реакторот. На пример, ако реакторот е дизајниран така што како што се зголемува моќноста или температурата, реактивноста се намалува, тогаш тој ќе биде постабилен. На пример, ако ретардацијата е недоволна, водата во реакторот се шири поради порастот на температурата, т.е. густината на модераторот се намалува. Како резултат на тоа, апсорпцијата на неутроните во ураниум-238 е зголемена, бидејќи тие немаат време ефективно да се забават. Во некои реактори се користи фактор за зголемување на истекувањето на неутроните од реакторот поради намалување на густината на водата. Друг начин за стабилизирање на реакторот е загревање на „резонантниот неутронски апсорбер“, како што е ураниум-238, кој потоа посилно ги апсорбира неутроните.

Системи за безбедност.

Безбедноста на реакторот е обезбедена со еден или друг механизам за негово исклучување во случај на нагло зголемување на моќноста. Ова може да биде механизам на физички процес, или операција на систем за контрола и заштита, или и двете. При дизајнирање на реактори со водено ладење, се предвидуваат итни ситуации поврзани со прилив на ладна вода во реакторот, пад на брзината на проток на течноста за ладење и превисока реактивност при стартување. Бидејќи интензитетот на реакцијата се зголемува со намалување на температурата, со остар прилив на ладна вода во реакторот, реактивноста и моќноста се зголемуваат. Системот за заштита обично предвидува автоматско заклучување за да спречи навлегување ладна вода. Со намалување на протокот на течноста за ладење, реакторот се прегрее, дури и ако неговата моќност не се зголемува. Во такви случаи, потребно е автоматско запирање. Дополнително, пумпите за течноста за ладење мора да бидат со големина за да ја снабдуваат течноста за ладење потребна за исклучување на реакторот. Може да се појави итна ситуација при палење реактор со превисока реактивност. Поради ниското ниво на моќност, реакторот нема време да се загрее доволно за да работи температурната заштита додека не биде предоцна. Единствената сигурна мерка во такви случаи е внимателно стартување на реакторот.

Избегнувањето на овие итни случаи е прилично едноставно ако го следите следново правило: сите дејства што можат да ја зголемат реактивноста на системот мора да се вршат внимателно и бавно. Најважно во прашањето за безбедноста на реакторот е апсолутната потреба од долгорочно ладење на јадрото на реакторот по завршувањето на реакцијата на фисија во него. Факт е дека радиоактивните производи на фисија кои остануваат во касетите за гориво испуштаат топлина. Тоа е многу помалку од топлината што се ослободува во режим на целосна моќност, но доволно е да се стопат елементите на горивото во отсуство на потребното ладење. Краткиот прекин во снабдувањето со вода за ладење доведе до значително оштетување на јадрото и несреќа на реакторот на островот Три Мијл (САД). Уништувањето на јадрото на реакторот е минималната штета во случај на ваква несреќа. Уште полошо, ако има истекување на опасни радиоактивни изотопи. Повеќето индустриски реактори се опремени со херметички затворени заштитни школки, кои треба да го спречат ослободувањето на изотопи во животната средина во случај на несреќа.

Како заклучок, забележуваме дека можноста за уништување на реакторот во голема мера зависи од неговата шема и дизајн. Реакторите можат да бидат дизајнирани на таков начин што намалувањето на брзината на протокот на течноста за ладење нема да доведе до големи проблеми. Ова се различните видови реактори со ладење со гас.