Fisijska energija. Cepitev težkih jeder

Študija interakcije nevtronov s snovjo je vodila do odkritja nove vrste jedrskih reakcij. Leta 1939 sta O. Hahn in F. Strassmann raziskovala kemične produkte, ki nastanejo pri obstreljevanju uranovih jeder z nevtroni. Med reakcijskimi produkti so odkrili barij, kemični element z maso, veliko manjšo od mase urana. Problem sta rešila nemška fizika L. Meitner in O. Frisch, ki sta pokazala, da ko nevtrone absorbira uran, se jedro razcepi na dva fragmenta:

kje k > 1.

Pri cepitvi uranovega jedra toplotni nevtron z energijo ~0,1 eV sprosti energijo ~200 MeV. Bistvena točka je, da ta proces spremlja pojav nevtronov, ki lahko povzročijo cepitev drugih uranovih jeder - fisijska verižna reakcija . Tako lahko en nevtron povzroči razvejano verigo jedrskih fisij, število jeder, ki sodelujejo v fisijski reakciji, pa se bo eksponentno povečalo. Odprle so se možnosti za uporabo verižne fisijske reakcije v dveh smereh:

· nadzorovana reakcija jedrske fisije– ustvarjanje jedrskih reaktorjev;

· ubežna reakcija jedrske cepitve- ustvarjanje jedrskega orožja.

Leta 1942 so v ZDA zgradili prvi jedrski reaktor. V ZSSR je bil prvi reaktor zagnan leta 1946. Trenutno se toplotna in električna energija proizvaja v stotinah jedrskih reaktorjev, ki delujejo v različnih državah sveta.

Kot je razvidno iz sl. 4.2, z naraščajočo vrednostjo A specifična vezavna energija se poveča do A» 50. To vedenje je mogoče razložiti s kombinacijo sil; Energija vezave posameznega nukleona se poveča, če ga ne privlači en ali dva, temveč več drugih nukleonov. Vendar pa je v elementih z masnim številom vrednosti večje A» 50 specifična vezavna energija postopoma pada z naraščanjem A. To je posledica dejstva, da so jedrske privlačne sile kratkega dosega, s polmerom delovanja v velikosti posameznega nukleona. Zunaj tega polmera prevladujejo elektrostatične odbojne sile. Če sta dva protona ločena za več kot 2,5 × 10 - 15 m, potem med njima prevladajo sile Coulombovega odbijanja in ne jedrske privlačnosti.

Posledica tega obnašanja je specifična vezavna energija, odvisna od A je obstoj dveh procesov - jedrska fuzija in cepitev . Razmislimo o interakciji elektrona in protona. Ko nastane vodikov atom, se sprosti energija 13,6 eV in masa vodikovega atoma je za 13,6 eV manjša od vsote mas prostega elektrona in protona. Podobno masa dveh lahkih jeder presega maso po njuni kombinaciji na D M. Če ju povežete, se združita in sprostita energijo D ga 2. Ta proces se imenuje jedrska fuzija . Masna razlika lahko presega 0,5 %.

Če se težko jedro razcepi na dve lažji jedri, bo njuna masa za 0,1 % manjša od mase matičnega jedra. Težka jedra ponavadi delitev v dve lažji jedri s sproščanjem energije. Energija atomske bombe in jedrskega reaktorja predstavlja energijo , sprošča med jedrsko cepitvo . Energija vodikove bombe je energija, ki se sprosti med jedrsko fuzijo. Razpad alfa lahko obravnavamo kot visoko asimetrično cepitev, pri kateri matično jedro M razcepi na majhen delec alfa in veliko preostalo jedro. Alfa razpad je možen le, če reakcija

teža M izkaže, da je večja od vsote mas in alfa delca. Vsa jedra z Z> 82 (svinec) .At Z> Izkazalo se je, da so razpolovni časi alfa razpada 92 (uran) bistveno daljši od starosti Zemlje in takšni elementi se v naravi ne pojavljajo. Lahko pa jih ustvarimo umetno. Na primer plutonij ( Z= 94) se lahko pridobi iz urana v jedrskem reaktorju. Ta postopek je postal običajen in stane le 15 dolarjev za 1 g. Doslej je bilo mogoče pridobiti elemente do Z= 118, vendar po precej višji ceni in praviloma v zanemarljivih količinah. Lahko upamo, da se bodo radiokemiki naučili pridobivati ​​nove elemente, čeprav v majhnih količinah Z> 118.

Če bi lahko masivno uranovo jedro razdelili na dve skupini nukleonov, bi se te skupine nukleonov prerazporedile v jedra z močnejšo vezjo. V procesu prestrukturiranja bi se sprostila energija. Spontano jedrsko cepitev dovoljuje zakon o ohranitvi energije. Vendar je potencialna ovira za cepitvene reakcije v naravno prisotnih jedrih tako visoka, da je verjetnost spontane cepitve veliko manjša od verjetnosti alfa razpada. Razpolovna doba jeder 238 U glede na spontano cepitev je 8×10 15 let. To je več kot milijonkrat več od starosti Zemlje. Če nevtron trči s težkim jedrom, se lahko premakne na višjo energijsko raven blizu vrha elektrostatične potencialne pregrade, kar povzroči povečano verjetnost cepitve. Jedro v vzbujenem stanju ima lahko pomemben kotni moment in pridobi ovalno obliko. Območja na obrobju jedra lažje predrejo pregrado, saj so delno že za pregrado. Za ovalno oblikovano jedro je vloga pregrade še dodatno oslabljena. Ko se zajame jedro ali počasen nevtron, nastanejo stanja z zelo kratko življenjsko dobo glede na cepitev. Razlika v masi med uranovim jedrom in tipičnimi cepitvenimi produkti je tolikšna, da se pri cepitvi urana v povprečju sprosti energija 200 MeV. Masa mirovanja uranovega jedra je 2,2×10 5 MeV. Približno 0,1 % te mase se pretvori v energijo, kar je enako razmerju 200 MeV in vrednosti 2,2 × 10 5 MeV.

Energijska ocena,izpuščen z delitvijo,je mogoče dobiti pri Weizsäckerjeve formule :

Ko se jedro razdeli na dva delca, se površinska in Coulombova energija spremenita , in površinska energija se poveča, Coulombova energija pa zmanjša. Cepitev je mogoča, ko se pri cepitvi sprosti energija E > 0.

.

Tukaj A 1 = A/2, Z 1 = Z/2. Iz tega dobimo, da je cepitev energijsko ugodna, ko Z 2 /A> 17. Magnituda Z 2 /A klical parameter deljivosti . energija E, ki se sprosti med delitvijo, narašča z naraščanjem Z 2 /A.

Med procesom delitve jedro spremeni obliko - zaporedno prehaja skozi naslednje faze (slika 9.4): krogla, elipsoid, bučica, dva hruškasta fragmenta, dva sferična fragmenta.

Ko pride do cepitve in se fragmenti nahajajo drug od drugega na razdalji, ki je veliko večja od njihovega polmera, se lahko potencialna energija fragmentov, določena s Coulombovo interakcijo med njimi, šteje za enako nič.

Zaradi evolucije oblike jedra je sprememba njegove potencialne energije določena s spremembo vsote površinske in Coulombove energije . Predpostavlja se, da prostornina jedra med deformacijo ostane nespremenjena. V tem primeru se površinska energija poveča, ko se poveča površina jedra. Coulombova energija se zmanjšuje, ko se povprečna razdalja med nukleoni povečuje. Pri majhnih elipsoidnih deformacijah pride do povečanja površinske energije hitreje kot zmanjšanja Coulombove energije.

V območju težkih jeder se vsota površinske in Coulombove energije povečuje z naraščajočo deformacijo. Pri majhnih elipsoidnih deformacijah povečanje površinske energije prepreči nadaljnje spreminjanje oblike jedra in posledično cepitev. Prisotnost potencialne pregrade preprečuje takojšnjo spontano cepitev jeder. Da bi se jedro takoj razcepilo, mu je treba dati energijo, ki presega višino cepitvene pregrade n.

Višina pregrade n manjše kot je razmerje Coulombove in površinske energije v začetnem jedru, večje je. To razmerje pa se povečuje z naraščanjem parametra deljivosti Z 2 /A. Težje kot je jedro, nižja je višina pregrade n, saj parameter cepljivosti narašča z naraščanjem masnega števila:

Težja jedra morajo na splošno prenesti manj energije, da povzročijo cepitev. Iz Weizsäckerjeve formule sledi, da višina cepitvene pregrade izgine pri . Tisti. V skladu s kapljičnim modelom jedra z ne bi smela biti v naravi, saj se spontano cepijo skoraj v trenutku (v značilnem jedrskem času reda 10–22 s). Obstoj atomskih jeder z (" otok stabilnosti ") je razloženo s strukturo lupine atomskih jeder. Spontana cepitev jeder z , za katero je višina pregrade n ni enaka nič, je z vidika klasične fizike to nemogoče. Z vidika kvantne mehanike je takšna delitev možna kot posledica prehajanja fragmentov skozi potencialno pregrado in se imenuje spontana cepitev . Verjetnost spontane cepitve narašča z naraščanjem parametra cepljivosti, tj. z zmanjševanjem višine cepitvene pregrade.

Prisilna cepitev jeder z lahko povzročijo katerikoli delci: fotoni, nevtroni, protoni, devteroni, α-delci itd., če je energija, ki jo prispevajo jedru, zadostna za premagovanje cepitvene ovire.

Mase drobcev, ki nastanejo med cepitvijo s toplotnimi nevtroni, niso enake. Jedro se nagiba k cepljenju na tak način, da glavnina nukleonov fragmenta tvori stabilno magično jedro. Na sl. Slika 9.5 prikazuje porazdelitev mase med delitvijo. Najverjetnejša kombinacija masnih števil je 95 in 139.

Razmerje med številom nevtronov in številom protonov v jedru je 1,55, medtem ko je za stabilne elemente, ki imajo maso blizu mase fisijskih fragmentov, to razmerje 1,25 - 1,45. Posledično so fisijski fragmenti močno preobremenjeni z nevtroni in nestabilni za β-razpad – radioaktivni.

Zaradi cepitve se sprosti energija ~200 MeV. Približno 80 % je izvira iz energije drobcev. Med enim cepitvenim dejanjem nastaneta več kot dva cepitveni nevtroni s povprečno energijo ~2 MeV.

1 g katere koli snovi vsebuje . Cepitev 1 g urana spremlja sprostitev ~ 9 × 10 10 J. To je skoraj 3 milijone krat več od energije gorenja 1 g premoga (2,9 × 10 4 J). Seveda je 1 g urana veliko dražji od 1 g premoga, vendar je strošek 1 J energije, pridobljene s sežiganjem premoga, 400-krat višji kot pri uranovem gorivu. Proizvodnja 1 kWh energije je v elektrarnah na premog stala 1,7 centa, v jedrskih elektrarnah pa 1,05 centa.

Hvala za verižna reakcija proces jedrske cepitve je mogoče izvesti samooskrbna . Pri vsaki cepitvi se sprostijo 2 ali 3 nevtroni (slika 9.6). Če enemu od teh nevtronov uspe povzročiti cepitev drugega uranovega jedra, potem bo proces samozadosten.

Zbirka cepljive snovi, ki izpolnjuje to zahtevo, se imenuje kritična montaža . Prvi takšen zbor, imenovan jedrski reaktor , je bil zgrajen leta 1942 pod vodstvom Enrica Fermija na območju Univerze v Chicagu. Prvi jedrski reaktor je bil zagnan leta 1946 pod vodstvom I. Kurchatova v Moskvi. Prva jedrska elektrarna z močjo 5 MW je bila v ZSSR zagnana leta 1954 v Obninsku (slika 9.7).

maša in lahko tudi storite superkritični . V tem primeru bodo nevtroni, ki nastanejo med cepitvijo, povzročili več sekundarnih cepitev. Ker nevtroni potujejo s hitrostjo, ki presega 10 8 cm/s, lahko superkritični sklop popolnoma reagira (ali razleti) v manj kot tisočinki sekunde. Takšna naprava se imenuje atomska bomba . Jedrski naboj iz plutonija ali urana se običajno s pomočjo eksplozije prenese v superkritično stanje. Subkritična masa je obdana s kemičnimi eksplozivi. Ko eksplodira, se masa plutonija ali urana takoj stisne. Ker se gostota krogle močno poveča, se izkaže, da je hitrost absorpcije nevtronov višja od hitrosti izgube nevtronov zaradi njihovega uhajanja navzven. To je pogoj za superkritičnost.

Na sl. Slika 9.8 prikazuje diagram atomske bombe Little Boy, odvržene na Hirošimo. Jedrski eksploziv v bombi je bil razdeljen na dva dela, katerih masa je bila manjša od kritične mase. Kritična masa, potrebna za eksplozijo, je bila ustvarjena s povezovanjem obeh delov "po metodi pištole" z uporabo običajnih eksplozivov.

Pri eksploziji 1 tone trinitrotoluena (TNT) se sprosti 10 9 cal ali 4 × 10 9 J. Eksplozija atomske bombe, ki porabi 1 kg plutonija, sprosti približno 8 × 10 13 J energije.

Ali pa je to skoraj 20.000-krat več kot eksplozija 1 tone TNT-ja. Takšna bomba se imenuje 20-kilotonska bomba. Sodobne megatonske bombe so milijonkrat močnejše od običajnih eksplozivov TNT.

Proizvodnja plutonija temelji na obsevanju 238 U z nevtroni, pri čemer nastane izotop 239 U, ki se zaradi beta razpada spremeni v 239 Np, nato pa po drugem beta razpadu v 239 Pu. Ko se absorbira nizkoenergijski nevtron, pride do cepitve obeh izotopov 235 U in 239 Pu. Za cepitvene produkte je značilna močnejša vezava (~1 MeV na nukleon), zaradi česar se kot posledica cepitve sprosti približno 200 MeV energije.

Vsak porabljen gram plutonija ali urana proizvede skoraj gram radioaktivnih cepitvenih produktov, ki imajo ogromno radioaktivnost.

Za ogled predstavitev kliknite ustrezno hiperpovezavo:

Vsebina članka

CEPITEV JEDRA, jedrska reakcija, pri kateri se atomsko jedro ob bombardiranju z nevtroni razcepi na dva ali več fragmentov. Skupna masa drobcev je običajno manjša od vsote mas prvotnega jedra in bombardirajočega nevtrona. "Manjkajoča maša" m spremeni v energijo E po Einsteinovi formuli E = mc 2 kje c– svetlobna hitrost. Ker je hitrost svetlobe zelo velika (299.792.458 m/s), majhna masa ustreza ogromni energiji. To energijo je mogoče pretvoriti v elektriko.

Energija, ki se sprosti med cepitvijo jedra, se pretvori v toploto, ko se drobci cepitve upočasnijo. Hitrost sproščanja toplote je odvisna od števila jeder, ki se delijo na časovno enoto. Ko pride do cepitve velikega števila jeder v majhnem volumnu v kratkem času, ima reakcija značaj eksplozije. To je princip delovanja atomske bombe. Če razmeroma majhno število jeder razdelimo v velik volumen v daljšem časovnem obdobju, bo rezultat sproščanje toplote, ki jo je mogoče uporabiti. Na tem temeljijo jedrske elektrarne. V jedrskih elektrarnah se toplota, ki se sprošča v jedrskih reaktorjih kot posledica jedrske cepitve, uporablja za proizvodnjo pare, ki se dovaja turbinam, ki vrtijo električne generatorje.

Za praktično uporabo fisijskih procesov sta najbolj primerna uran in plutonij. Imajo izotope (atome določenega elementa z različnimi masnimi števili), ki se pri absorpciji nevtronov cepijo tudi pri zelo nizkih energijah.

Ključ do praktične uporabe cepitvene energije je bilo dejstvo, da nekateri elementi med procesom cepitve oddajajo nevtrone. Čeprav se med cepitvijo jedra absorbira en nevtron, se ta izguba nadomesti z ustvarjanjem novih nevtronov med procesom cepitve. Če ima naprava, v kateri pride do cepitve, dovolj veliko (»kritično«) maso, potem se zaradi novih nevtronov lahko vzdržuje »verižna reakcija«. Verižno reakcijo je mogoče nadzorovati s prilagajanjem števila nevtronov, ki lahko povzročijo cepitev. Če je večja od ena, se intenzivnost cepitve poveča, če je manjša od ena, pa se zmanjša.

ZGODOVINSKO OZADJE

Zgodovina odkritja jedrske cepitve se začne z delom A. Becquerela (1852–1908). Med preučevanjem fosforescence različnih materialov leta 1896 je odkril, da minerali, ki vsebujejo uran, spontano oddajajo sevanje, ki povzroči črnjenje fotografske plošče, tudi če je med mineralom in ploščo neprozorna trdna snov. Različni eksperimentatorji so ugotovili, da to sevanje sestavljajo delci alfa (helijeva jedra), delci beta (elektroni) in kvanti gama (trdo elektromagnetno sevanje).

Prvo jedrsko transformacijo, ki jo je umetno povzročil človek, je leta 1919 izvedel E. Rutherford, ki je pretvoril dušik v kisik z obsevanjem dušika z alfa delci urana. To reakcijo je spremljala absorpcija energije, saj masa njenih produktov - kisika in vodika - presega maso delcev, ki vstopajo v reakcijo - dušika in alfa delcev. Sproščanje jedrske energije sta leta 1932 prva dosegla J. Cockcroft in E. Walton, ki sta litij obstreljevala s protoni. Pri tej reakciji je bila masa jeder, ki so vstopila v reakcijo, nekoliko večja od mase produktov, zaradi česar se je sprostila energija.

Leta 1932 je J. Chadwick odkril nevtron, nevtralni delec z maso približno enako masi jedra vodikovega atoma. Fiziki po vsem svetu so začeli preučevati lastnosti tega delca. Domnevalo se je, da bi nevtron, ki bi bil brez električnega naboja in ga ne bi odbijalo pozitivno nabito jedro, bolj verjetno povzročil jedrske reakcije. Kasnejši rezultati so potrdili to domnevo. E. Fermi in njegovi sodelavci so v Rimu z nevtroni obsevali skoraj vse elemente periodnega sistema in opazovali jedrske reakcije s tvorbo novih izotopov. Dokaz za nastanek novih izotopov je bila »umetna« radioaktivnost v obliki sevanja gama in beta.

Prvi znaki možnosti jedrske cepitve.

Fermi je odgovoren za odkritje številnih danes znanih nevtronskih reakcij. Zlasti je poskušal pridobiti element z zaporedno številko 93 (neptunij) z obstreljevanjem urana (element z zaporedno številko 92) z nevtroni. Hkrati je posnel elektrone, ki se sproščajo kot posledica zajetja nevtronov v predlagani reakciji

238 U + 1 n ® 239 Np + b–,

kjer je 238 U izotop urana-238, 1 n je nevtron, 239 Np je neptunij in b- – elektron. Vendar so bili rezultati mešani. Da bi izključili možnost, da zabeležena radioaktivnost pripada izotopom urana ali drugih elementov, ki se nahajajo v periodnem sistemu pred uranom, je bilo potrebno opraviti kemijsko analizo radioaktivnih elementov.

Rezultati analize so pokazali, da neznani elementi ustrezajo serijskim številkam 93, 94, 95 in 96. Zato je Fermi sklepal, da je dobil transuranove elemente. Vendar sta O. Hahn in F. Strassman v Nemčiji po temeljiti kemijski analizi ugotovila, da je med elementi, ki nastanejo pri obsevanju urana z nevtroni, prisoten radioaktivni barij. To je pomenilo, da se nekatera uranova jedra verjetno cepijo na dva velika fragmenta.

Potrditev možnosti delitve.

Po tem so Fermi, J. Dunning in J. Pegram iz univerze Columbia izvedli poskuse, ki so pokazali, da jedrska cepitev dejansko poteka. Cepitev urana z nevtroni je bila potrjena z metodami proporcionalnih števcev, oblačne komore in kopičenja fisijskih drobcev. Prva metoda je pokazala, da ko se vir nevtronov približa vzorcu urana, se oddajajo visokoenergijski impulzi. V oblačni komori je bilo videti, da se jedro urana, ki ga obstreljujejo nevtroni, razcepi na dva fragmenta. Slednja metoda je omogočila ugotovitev, da so bili fragmenti radioaktivni, kot je predvidevala teorija. Vse to skupaj je prepričljivo dokazalo, da do cepitve dejansko pride, in omogočilo zanesljivo presojo energije, ki se pri cepitvi sprosti.

Ker se dovoljeno razmerje med številom nevtronov in številom protonov v stabilnih jedrih zmanjšuje z zmanjšanjem velikosti jedra, mora biti delež nevtronov v fragmentih manjši kot v prvotnem uranovem jedru. Tako so obstajali vsi razlogi za domnevo, da proces cepitve spremlja emisija nevtronov. To so kmalu eksperimentalno potrdili F. Joliot-Curie in njegovi sodelavci: število izpuščenih nevtronov med procesom cepitve je bilo večje od števila absorbiranih nevtronov. Izkazalo se je, da na vsak absorbirani nevtron prideta približno dva nova nevtrona in pol. Možnost verižne reakcije in možnosti za ustvarjanje izjemno močnega vira energije in njegove uporabe v vojaške namene so takoj postale očitne. Po tem se je v številnih državah (zlasti Nemčiji in ZDA) začelo delo na ustvarjanju atomske bombe v pogojih globoke tajnosti.

Dogajanje med drugo svetovno vojno.

Od leta 1940 do 1945 so smer razvoja določali vojaški premisleki. Leta 1941 so bile pridobljene majhne količine plutonija in določeni številni jedrski parametri urana in plutonija. V ZDA so bila najpomembnejša proizvodna in raziskovalna podjetja, potrebna za to, v pristojnosti vojaškega inženirskega okrožja Manhattan, kamor je bil 13. avgusta 1942 prenesen Uranov projekt. Na univerzi Columbia (New York) je skupina zaposlenih pod vodstvom E. Fermija in W. Zinna izvedla prve poskuse, v katerih so preučevali množenje nevtronov v mreži blokov uranovega dioksida in grafita - atomski "kotel" . Januarja 1942 je bilo to delo preneseno na Univerzo v Chicagu, kjer so julija 1942 dobili rezultate, ki so pokazali možnost samozadostne verižne reakcije. Sprva je reaktor deloval z močjo 0,5 W, po 10 dneh pa so moč povečali na 200 W. Možnost proizvodnje velikih količin jedrske energije je bila prvič dokazana 16. julija 1945 z eksplozijo prve atomske bombe na poligonu Alamogordo (Nova Mehika).

JEDRSKI REAKTORJI

Jedrski reaktor je objekt, v katerem je mogoča nadzorovana, samovzdrževalna verižna reakcija jedrske cepitve. Reaktorje lahko razvrstimo po uporabljenem gorivu (cepljivi in ​​surovi izotopi), po vrsti moderatorja, po vrsti gorivnih elementov in po vrsti hladila.

Cepljivi izotopi.

Obstajajo trije cepljivi izotopi - uran-235, plutonij-239 in uran-233. Uran-235 se pridobiva z ločevanjem izotopov; plutonij-239 - v reaktorjih, v katerih se uran-238 pretvori v plutonij, 238 U ® 239 U ® 239 Np ® 239 Pu; uran-233 - v reaktorjih, v katerih se torij-232 predeluje v uran. Jedrsko gorivo za energetski reaktor je izbrano ob upoštevanju njegovih jedrskih in kemičnih lastnosti ter stroškov.

Spodnja tabela predstavlja glavne parametre cepljivih izotopov. Celotni presek označuje verjetnost kakršne koli interakcije med nevtronom in danim jedrom. Prerez cepitve označuje verjetnost cepitve jedra z nevtronom. Izhodna energija na absorbirani nevtron je odvisna od tega, kateri delež jeder ne sodeluje v procesu cepitve. Število izpuščenih nevtronov v enem dogodku cepitve je pomembno z vidika vzdrževanja verižne reakcije. Število novih nevtronov na absorbirani nevtron je pomembno, ker označuje intenzivnost cepitve. Delež zapoznelih nevtronov, ki se oddajajo po cepitvi, je povezan z energijo, shranjeno v materialu.

ZNAČILNOSTI CEPLJIVIH IZOTOPOV

Podatki tabele kažejo, da ima vsak cepljivi izotop svoje prednosti. Na primer, v primeru izotopa z največjim presekom toplotnih nevtronov (z energijo 0,025 eV) je za doseganje kritične mase pri uporabi moderatorja nevtronov potrebno manj goriva. Ker se največje število nevtronov na absorbirani nevtron zgodi v hitrem reaktorju s plutonijem (1 MeV), je v načinu razmnoževanja bolje uporabiti plutonij v hitrem reaktorju ali uran-233 v termalnem reaktorju kot uran-235 v termičnem reaktorju. Uran-235 je bolj zaželen z vidika enostavnosti nadzora, saj ima večji delež zapoznelih nevtronov.

Izotopi surovin.

Obstajata dva izotopa surovine: torij-232 in uran-238, iz katerih se pridobivata cepljiva izotopa uran-233 in plutonij-239. Tehnologija uporabe izotopov surovin je odvisna od različnih dejavnikov, kot je potreba po obogatitvi. Uranova ruda vsebuje 0,7 % urana-235, torijeva ruda pa ne vsebuje cepljivih izotopov. Zato je treba toriju dodati obogaten cepljivi izotop. Pomembno je tudi število novih nevtronov na absorbirani nevtron. Ob upoštevanju tega dejavnika moramo pri toplotnih nevtronih (upočasnjenih na energijo 0,025 eV) dati prednost uranu-233, saj je v takšnih pogojih število izpuščenih nevtronov večje, zato je faktor pretvorbe število novih cepljivih jeder na eno "izrabljeno" cepljivo jedro.

Retarderji.

Moderator služi za zmanjšanje energije nevtronov, oddanih med procesom cepitve, s približno 1 MeV na toplotno energijo okoli 0,025 eV. Ker se moderacija pojavi predvsem kot posledica elastičnega sipanja na jedrih necepljivih atomov, mora biti masa moderatorskih atomov čim manjša, da jim lahko nevtron prenese največ energije. Poleg tega morajo imeti moderatorski atomi majhen (v primerjavi s presekom sipanja) zajemni presek, saj mora nevtron večkrat trčiti z moderatorskimi atomi, preden se upočasni na toplotno energijo.

Najboljši moderator je vodik, saj je njegova masa skoraj enaka masi nevtrona in zato nevtron ob trku z vodikom izgubi največ energije. Toda navadni (lahki) vodik premočno absorbira nevtrone, zato sta primernejša moderatorja kljub nekoliko večji masi devterij (težki vodik) in težka voda, saj absorbirata manj nevtronov. Berilij lahko štejemo za dobrega moderatorja. Ogljik ima tako majhen presek absorpcije nevtronov, da učinkovito upočasni nevtrone, čeprav za upočasnitev potrebuje veliko več trkov kot vodik.

Povprečje n elastični trki, potrebni za upočasnitev nevtrona z 1 MeV na 0,025 eV z uporabo vodika, devterija, berilija in ogljika, so približno 18, 27, 36 oziroma 135. Približna narava teh vrednosti je posledica dejstva, da zaradi prisotnosti kemične energije v moderatorju trka trki pri energijah pod 0,3 eV verjetno ne bodo elastični. Pri nizkih energijah lahko atomska mreža prenese energijo na nevtrone ali spremeni efektivno maso v trku, s čimer moti proces moderiranja.

Hladilne tekočine.

Hladilna sredstva, ki se uporabljajo v jedrskih reaktorjih, so voda, težka voda, tekoči natrij, tekoči natrijev kalij (NaK), helij, ogljikov dioksid in organske tekočine, kot je terfenil. Te snovi so dobra hladilna sredstva in imajo majhne preseke absorpcije nevtronov.

Voda je odličen moderator in hladilno sredstvo, vendar absorbira preveč nevtronov in ima previsok parni tlak (14 MPa) pri delovni temperaturi 336 °C. Najbolj znan moderator je težka voda. Njene lastnosti so podobne navadni vodi, presek absorpcije nevtronov pa je manjši. Natrij je odlično hladilno sredstvo, vendar ni učinkovit kot moderator nevtronov. Zato se uporablja v hitrih nevtronskih reaktorjih, kjer cepitev proizvaja več nevtronov. Res je, da ima natrij vrsto slabosti: povzroča radioaktivnost, ima nizko toplotno kapaciteto, je kemično aktiven in se pri sobni temperaturi strdi. Natrijevo-kalijeva zlitina ima lastnosti, podobne natriju, vendar ostane tekoča pri sobni temperaturi. Helij je odlično hladilno sredstvo, vendar je njegova specifična toplotna kapaciteta nizka. Ogljikov dioksid je dobro hladilno sredstvo in se pogosto uporablja v reaktorjih z grafitom. Terfenil ima prednost pred vodo, da ima nizek parni tlak pri delovni temperaturi, vendar se razgradi in polimerizira, ko je izpostavljen visokim temperaturam in tokovom sevanja, ki jih najdemo v reaktorjih.

Gorivni elementi.

Gorivni element (gorivni element) je gorivno jedro z zaprto lupino. Lupina preprečuje uhajanje produktov cepitve in interakcijo goriva s hladilno tekočino. Material lupine mora šibko absorbirati nevtrone in imeti sprejemljive mehanske, hidravlične in toplotne prevodnosti. Gorivni elementi so običajno sintrane kroglice uranovega oksida v aluminijevih, cirkonijevih ali nerjavnih jeklenih ceveh; tablete iz uranovih zlitin s cirkonijem, molibdenom in aluminijem, prevlečene s cirkonijem ali aluminijem (v primeru aluminijeve zlitine); grafitne tablete z razpršenim uranovim karbidom, prevlečene z neprebojnim grafitom.

Vsi ti gorivni elementi imajo svojo uporabo, vendar so za reaktorje s tlačno vodo najbolj zaželeni peleti uranovega oksida v ceveh iz nerjavečega jekla. Uranov dioksid ne reagira z vodo, ima visoko odpornost proti sevanju in je značilno visoko tališče.

Za visokotemperaturne plinsko hlajene reaktorje se grafitne gorivne celice zdijo precej primerne, vendar imajo resno pomanjkljivost - zaradi difuzije ali zaradi napak v grafitu lahko plinasti cepitveni produkti prodrejo skozi njihovo oblogo.

Organska hladilna sredstva niso združljiva s cirkonijevimi gorivnimi elementi in zato zahtevajo uporabo aluminijevih zlitin. Prihodnost organsko hlajenih reaktorjev je odvisna od razvoja aluminijevih zlitin ali izdelkov prašne metalurgije, ki imajo moč (pri delovnih temperaturah) in toplotno prevodnost, ki sta potrebna za uporabo reber, ki povečajo prenos toplote na hladilno sredstvo. Ker je izmenjava toplote med gorivom in organskim hladilnim sredstvom zaradi toplotne prevodnosti majhna, je zaželeno uporabiti površinsko vrenje za povečanje prenosa toplote. Pojavile se bodo nove težave, povezane s površinskim vrenjem, vendar jih je treba rešiti, če naj bo uporaba organskih tekočin koristna.

VRSTE REAKTORJEV

Teoretično je možnih več kot 100 različnih tipov reaktorjev, ki se razlikujejo po gorivu, moderatorju in hladilnih sredstvih. Večina običajnih reaktorjev kot hladilno sredstvo uporablja vodo pod pritiskom ali vrelo.

Vodni reaktor pod pritiskom.

V takih reaktorjih voda služi kot moderator in hladilno sredstvo. Segreto vodo pod pritiskom črpamo v toplotni izmenjevalnik, kjer se toplota prenese na vodo v sekundarnem krogu, ki proizvaja paro, ki vrti turbino.

Vrelni reaktor.

V takem reaktorju voda vre neposredno v reaktorski sredici in nastala para vstopa v turbino. Večina reaktorjev z vrelo vodo prav tako uporablja vodo kot moderator, včasih pa se uporablja tudi grafitni moderator.

Reaktor, hlajen s tekočo kovino.

V takem reaktorju se tekoča kovina, ki kroži po ceveh, uporablja za prenos toplote, ki se sprosti med procesom cepitve v reaktorju. Skoraj vsi reaktorji te vrste uporabljajo natrij kot hladilno sredstvo. Para, ki nastane na drugi strani cevi primarnega kroga, se dovaja v običajno turbino. Reaktor, hlajen s tekočo kovino, lahko uporablja nevtrone z relativno visoko energijo (reaktor s hitrimi nevtroni) ali nevtrone, moderirane v grafitu ali berilijevem oksidu. S tekočo kovino hlajeni hitri nevtronski reaktorji so bolj zaželeni kot razmnoževalni reaktorji, saj v tem primeru ni izgub nevtronov, povezanih z zmernostjo.

Plinsko hlajeni reaktor.

V takem reaktorju se toplota, ki se sprošča med procesom cepitve, s plinom – ogljikovim dioksidom ali helijem – prenaša v generator pare. Moderator nevtronov je običajno grafit. Plinsko hlajeni reaktor lahko deluje pri veliko višjih temperaturah kot tekočinsko hlajeni reaktor, zato je primeren za industrijske ogrevalne sisteme in elektrarne z visokim izkoristkom. Za majhne plinsko hlajene reaktorje je značilna povečana obratovalna varnost, predvsem ni nevarnosti taljenja reaktorja.

Homogeni reaktorji.

Jedro homogenih reaktorjev uporablja homogeno tekočino, ki vsebuje cepljivi izotop urana. Tekočina je običajno staljena spojina urana. Črpa se v veliko sferično tlačno posodo, kjer pri kritični masi pride do verižne cepitvene reakcije. Tekočina se nato dovaja v generator pare. Homogeni reaktorji zaradi konstrukcijskih in tehnoloških težav niso postali razširjeni.

REAKTIVNOST IN NADZOR

Možnost samozadostne verižne reakcije v jedrskem reaktorju je odvisna od tega, koliko nevtronov uhaja iz reaktorja. Nevtroni, ki nastanejo med cepitvijo, izginejo zaradi absorpcije. Poleg tega je možno uhajanje nevtronov zaradi difuzije skozi snov, podobno kot pri difuziji enega plina skozi drugega.

Če želite nadzorovati jedrski reaktor, morate biti sposobni regulirati faktor razmnoževanja nevtronov k, opredeljeno kot razmerje med številom nevtronov v eni generaciji in številom nevtronov v prejšnji generaciji. pri k= 1 (kritični reaktor) poteka stacionarna verižna reakcija s konstantno intenziteto. pri k> 1 (superkritični reaktor), se intenzivnost procesa poveča in pri k r = 1 – (1/ k) se imenuje reaktivnost.)

Zaradi pojava zakasnjenih nevtronov se čas "rojstva" nevtronov poveča z 0,001 s na 0,1 s. Ta značilni reakcijski čas omogoča njegovo krmiljenje z mehanskimi aktuatorji - krmilnimi palicami iz materiala, ki absorbira nevtrone (B, Cd, Hf, In, Eu, Gd itd.). Časovna konstanta krmiljenja mora biti reda velikosti 0,1 s ali več. Za zagotovitev varnosti je izbran način delovanja reaktorja, pri katerem so za vzdrževanje stacionarne verižne reakcije v vsaki generaciji potrebni zakasnjeni nevtroni.

Za zagotavljanje določene stopnje moči se uporabljajo kontrolne palice in nevtronski reflektorji, vendar lahko nalogo krmiljenja zelo poenostavimo s pravilno zasnovo reaktorja. Na primer, če je reaktor zasnovan tako, da se reaktivnost zmanjšuje z naraščanjem moči ali temperature, bo bolj stabilen. Na primer, če je upočasnitev zaradi povišanja temperature nezadostna, se voda v reaktorju razširi, tj. gostota moderatorja se zmanjša. Posledično se poveča absorpcija nevtronov v uranu-238, saj nimajo časa za učinkovito upočasnitev. Nekateri reaktorji izkoriščajo faktor povečanega uhajanja nevtronov iz reaktorja zaradi zmanjšanja gostote vode. Drug način za stabilizacijo reaktorja je segrevanje "resonančnega absorberja nevtronov", kot je uran-238, ki nato močneje absorbira nevtrone.

Varnostni sistemi.

Varnost reaktorja zagotavlja tak ali drugačen mehanizem za njegovo zaustavitev v primeru močnega povečanja moči. To je lahko mehanizem fizičnega procesa ali delovanje nadzornega in zaščitnega sistema ali oboje. Pri načrtovanju reaktorjev s tlačno vodo so predvidene izredne razmere, povezane z vstopom hladne vode v reaktor, padcem pretoka hladilne tekočine in preveliko reaktivnostjo med zagonom. Ker intenzivnost reakcije narašča z nižanjem temperature, ko hladna voda nenadoma vstopi v reaktor, se reaktivnost in moč povečata. Zaščitni sistem običajno vključuje avtomatsko zaporo, ki preprečuje pretok hladne vode. Ko se pretok hladilne tekočine zmanjša, se reaktor pregreje, tudi če se njegova moč ne poveča. V takih primerih je nujen samodejni izklop. Poleg tega morajo biti črpalke za hladilno tekočino zasnovane za dovajanje hladilne tekočine, potrebne za zaustavitev reaktorja. Pri zagonu reaktorja s previsoko reaktivnostjo lahko nastane izredna situacija. Zaradi nizke stopnje moči se reaktor nima časa dovolj segreti, da bi temperaturna zaščita delovala, dokler ni prepozno. Edini zanesljiv ukrep v takih primerih je previden zagon reaktorja.

Izogibanje naštetim izrednim situacijam je precej preprosto, če upoštevate naslednje pravilo: vsa dejanja, ki lahko povečajo reaktivnost sistema, je treba izvajati previdno in počasi. Najpomembnejše vprašanje glede varnosti reaktorja je absolutna nujnost dolgotrajnega hlajenja sredice reaktorja po prenehanju cepitvene reakcije v njej. Dejstvo je, da produkti radioaktivne cepitve, ki ostanejo v kasetah za gorivo, proizvajajo toploto. To je veliko manj kot toplota, proizvedena pri polni moči, vendar je dovolj za taljenje gorivnih palic brez potrebnega hlajenja. Kratka prekinitev dobave hladilne vode je povzročila precejšnje poškodbe sredice in nesrečo reaktorja na otoku Three Mile (ZDA). Uničenje reaktorske sredice je minimalna škoda v primeru takšne nesreče. Huje bi bilo, če bi uhajali nevarni radioaktivni izotopi. Večina industrijskih reaktorjev je opremljena s hermetično zaprtimi varnostnimi posodami, ki naj bi preprečile izpust izotopov v okolje v primeru nesreče.

Na koncu ugotavljamo, da je možnost uničenja reaktorja v veliki meri odvisna od njegove zasnove in zasnove. Reaktorji so lahko zasnovani tako, da zmanjšanje pretoka hladilne tekočine ne bo povzročilo večjih težav. To so različne vrste plinsko hlajenih reaktorjev.

Če hipotetično združite molibden z lantanom (glej tabelo 1.2), boste dobili element z masnim številom 235. To je uran-235. Pri takšni reakciji se nastala napaka mase ne poveča, ampak zmanjša; zato je za izvedbo takšne reakcije potrebna energija. Iz tega lahko sklepamo, da če se izvede reakcija cepitve uranovega jedra v molibden in lantan, se masni defekt med takšno reakcijo poveča, kar pomeni, da bo reakcija potekala s sproščanjem energije.

Po odkritju nevtrona s strani angleškega znanstvenika Jamesa Chadwicka februarja 1932 je postalo jasno, da bi novi delec lahko služil kot idealno orodje za izvajanje jedrskih reakcij, saj v tem primeru ne bi bilo elektrostatičnega odboja, ki bi preprečil delcu približevanje jedro. Zato lahko tudi nevtroni z zelo nizko energijo zlahka interagirajo s katerim koli jedrom.

V znanstvenih laboratorijih so izvedli številne poskuse obsevanja jeder različnih elementov, vključno z uranom, z nevtroni. Menili so, da bi z dodajanjem nevtronov uranovemu jedru nastali tako imenovani transuranovi elementi, ki jih v naravi ni. Vendar pa zaradi radiokemične analize urana, obsevanega z nevtroni, niso bili odkriti elementi s številkami nad 92, vendar je bil opažen pojav radioaktivnega barija (jedrski naboj 56). Nemška kemika Otto Hahn (1879-1968) in Friedrich Wilhelm Strassmann (1902-1980) sta rezultate in čistost prvotnega urana večkrat preverila, saj je pojav barija lahko kazal le na razpad urana na dva dela. Mnogi so verjeli, da je to nemogoče.

V poročanju o svojem delu v začetku januarja 1939 sta O. Hahn in F. Strassmann zapisala: »Prišli smo do naslednjega zaključka: naši izotopi radija imajo lastnosti barija ... In zaključiti moramo, da tukaj nimamo opravka z radijem, in z barijem." Vendar si zaradi nepričakovanosti tega rezultata niso upali narediti dokončnih zaključkov. »Kot kemiki,« so zapisali, »moramo zamenjati simbole Ra, Ac in Th v naši shemi ... z Ba, La in Ce, čeprav kot kemiki, ki delamo na področju jedrske fizike in smo z njo tesno povezani, ne moremo odloči za ta korak, ki je v nasprotju s prejšnjimi poskusi."

Avstrijska radiokemičarka Lise Meitner (1878-1968) in njen nečak Otto Robert Frisch (1904-1979) sta takoj po odločilnem poskusu Hahna in Strassmanna decembra 1938 s fizikalnega vidika utemeljila možnost cepitve uranovih jeder. Meitner je poudaril, da ko se uranovo jedro razcepi, nastaneta dve lažji jedri, izpustita se dva ali trije nevtroni in sprosti se ogromna energija.

Nevtronske reakcije so še posebej pomembne za jedrske reaktorje. Za razliko od nabitih delcev nevtron ne potrebuje znatne energije, da prodre v jedro. Razmislimo o nekaterih vrstah interakcij nevtronov s snovjo (nevtronske reakcije), ki so pomembnega praktičnega pomena:

• elastično sipanje zX(n,n)?X. Pri elastičnem sipanju pride do prerazporeditve kinetične energije: nevtron del svoje kinetične energije preda jedru, kinetična energija jedra se po sipanju poveča prav za toliko tega povratka, potencialna energija jedra (tj. vezavna energija nukleonov) ostane enaka. Energijsko stanje in struktura jedra pred in po sipanju ostaneta nespremenjena. Elastično sipanje je bolj značilno za lahka jedra (z atomsko maso manj kot 20 amu), ko medsebojno delujejo z nevtroni z relativno nizko kinetično (manj kot 0,1 MeV) energijo (upočasnjuje cepitvene nevtrone v moderatorju v jedru in v biološkem ščitu , odsev v reflektorju);
• neelastično sipanje уХ[п,п" уу)?Х. Pri neelastičnem sipanju se vsota kinetičnih energij jedra in nevtrona po sipanju izkaže manj, kot pred razpršitvijo. Razlika v vsotah kinetičnih energij se porabi za spremembo notranje zgradbe prvotnega jedra, kar je enakovredno prehodu jedra v novo kvantno stanje, v katerem je vedno presežek energije nad nivojem stabilnosti, kar "odvrže" jedro v obliki oddanega gama kvanta. IN rezultat Neelastično sipanje, kinetična energija sistema jedro-nevtron postane manjša za energijo y-kvanta. Neelastično sipanje je mejna reakcija, ki se pojavi samo v hitrem območju in predvsem na težkih jedrih (upočasnitev fisijskih nevtronov v jedru, strukturni materiali, biološka zaščita);
• zajem sevanja -)X(l,y) L " 7 U. Pri tej reakciji dobimo nov izotop elementa, energija vzbujenega sestavljenega jedra pa se sprosti v obliki y-kvanta. Lahka jedra običajno preidejo v osnovno stanje in oddajo en y-kvant. Za težka jedra je značilen kaskadni prehod skozi številne vmesne vzbujene ravni z emisijo več y-kvantov različnih energij;
• emisija nabitih delcev iz X(l, p) 7 U ; 7 X(l,a) ? U. Kot rezultat prve reakcije, izobara prvotno jedro, saj proton odnese en elementarni naboj, masa jedra pa ostane praktično nespremenjena (vnese se nevtron, odnese proton). V drugem primeru se reakcija konča z emisijo alfa delca vzbujenega sestavljenega jedra (jedro helijevega atoma 4 He, brez elektronske lupine);
• delitev?X(i, več/? in y) - fisijski fragmenti. Glavna reakcija, ki sprošča energijo, proizvedeno v jedrskih reaktorjih, in vzdržuje verižno reakcijo. Cepitvena reakcija nastane, ko so jedra nekaterih težkih elementov obstreljena z nevtroni, ki, ne da bi imeli veliko kinetično energijo, povzročijo cepitev teh jeder na dva fragmenta s hkratnim sproščanjem več (običajno 2-3) nevtronov. Le nekatera sodo-liha jedra težkih elementov so nagnjena k cepitvi (na primer 233 U, 235 U, 239 Pu, 24l Pu, 25l C0. Ko so jedra urana ali drugih težkih elementov obstreljena z visokoenergijskimi nevtroni ( E str> YuMeV), na primer, z nevtroni kozmičnega sevanja lahko razcepijo jedra na več fragmentov, hkrati pa se oddaja (sprosti) na desetine nevtronov;
• reakcija podvojitve nevtronov?Х (n,2n)zX. Reakcija, ki vključuje emisijo dveh nevtronov iz vzbujenega sestavljenega jedra, kar ima za posledico tvorbo izotopa prvotnega elementa z jedrsko maso eno enoto manjšo od mase prvotnega jedra. Da lahko sestavljeno jedro izbije dva nevtrona, njegova vzbujevalna energija ne sme biti manjša od vezavne energije dveh nevtronov v jedru. Mejna energija (/?, 2 p) - reakcija je posebno nizka pri reakciji Be (l, 2/?) s Be: enaka je 1,63 MeV. Za večino izotopov je mejna energija v območju od 6 do 8 MeV.

Primerno je obravnavati proces cepitve z uporabo kapljičnega modela jedra. Ko nevtron absorbira jedro, se notranje ravnovesje sil v jedru poruši, saj nevtron poleg svoje kinetične energije prispeva tudi vezavno energijo. E St, ki je razlika med energijama prostega nevtrona in nevtrona v jedru. Sferična oblika vzbujenega sestavljenega jedra se začne deformirati in lahko zavzame obliko elipsoida (glej sliko 1.4), medtem ko površinske sile težijo k vrnitvi jedra v prvotno obliko. Če se to zgodi, bo jedro oddalo y-kvant in prešlo v osnovno stanje, tj. zgodila se bo reakcija zajemanja sevalnih nevtronov.

riž. 1.4.

Če se energija vezave (vzbujanja) izkaže za večjo od energije cepitvenega praga E sp > E lel, potem lahko jedro dobi obliko ročice in se pod delovanjem Coulombovih odbojnih sil razbije vzdolž mostu na dve novi jedri - fisijski drobci, ki sta jedri različnih nuklidov, ki se nahajajo v srednjem delu periodnega sistema elementov. . Če je vezavna energija manjša od cepitvenega praga, mora imeti nevtron kinetično energijo > E yael -E sv, da pride do jedrske cepitve (tabela 1.3). V nasprotnem primeru ga bo jedro preprosto zajelo, ne da bi povzročilo njegovo delitev.

Tabela 1.3

Jedrske fizikalne lastnosti nekaterih nuklidov

Energija vzbujanja vsakega od novih jeder je bistveno večja od vezavne energije nevtrona v teh jedrih, zato ob prehodu v osnovno energijsko stanje oddajo enega ali več nevtronov, nato pa y-kvante. Nevtroni in y-kvanti, ki jih oddajajo vzbujena jedra, se imenujejo instant.

Jedra cepljivih izotopov, ki se nahajajo na koncu periodnega sistema, imajo bistveno več nevtronov kot protonov v primerjavi z jedri nuklidov, ki se nahajajo v sredini sistema (za 23;> in razmerje med številom nevtronov in številom protoni N/Z= 1,56, in za nuklidna jedra, kjer L = 70-H60, je to razmerje 1,3-1,45). Zato so jedra cepitvenih produktov prenasičena z nevtroni in so (3'-radioaktivna.

Po (3" razpadu jeder cepitvenih produktov je možna tvorba hčerinskih jeder z energijo vzbujanja, ki presega vezavno energijo nevtronov v njih. Zaradi tega vzbujena hčerinska jedra oddajajo nevtrone, ki jih imenujemo zaostajanje(glej sliko 1.5). Čas njihovega sproščanja po cepitvenem dogodku je določen z razpadnimi dobami teh jeder in se giblje od nekaj delcev sekunde do 1 minute. Trenutno je znano veliko število produktov cepitve, ki med razpadom oddajajo zapoznele nevtrone, med katerimi sta glavna izotopa joda in broma. Za praktične namene je najbolj razširjena uporaba šestih skupin zakasnjenih nevtronov. Za vsako od šestih skupin zapoznelih nevtronov je značilna razpolovna doba T" ali nenehno propadanje X, in delež zakasnjenih nevtronov v dani skupini p„ ali relativni izkoristek zakasnjenih nevtronov a,. Še več, la, = 1, a ip, =p - fizični delež zakasnjenih nevtronov. Če si vse zakasnele nevtrone predstavljamo kot eno enakovredno skupino, potem bodo lastnosti te skupine določene z njeno povprečno življenjsko dobo t 3 in deležem vseh zakasnjenih nevtronov p. Za 235 U vrednost t 3 = 12,4 s in p = 0,0064.

Prispevek zapoznelih nevtronov k povprečnemu številu nevtronov, sproščenih v eni cepitvi, je majhen. Vendar imajo zapozneli nevtroni ključno vlogo pri varnem delovanju in nadzoru jedrskih reaktorjev.

Pojav dveh ali treh nevtronov med cepitvijo enega jedra ustvarja pogoje za cepitev drugih jeder (glej sliko 1.6). Reakcije množenja nevtronov potekajo podobno kot kemijske verižne reakcije, zato jih tudi imenujemo veriga

riž. 1.5.

riž. 1.6.

Nujen pogoj za vzdrževanje verižne reakcije je, da vsaka jedrska cepitev proizvede v povprečju vsaj en nevtron, ki povzroči cepitev drugega jedra. To stanje je priročno izraziti z uvedbo stopnja razmnoževanjaZa, opredeljeno kot razmerje med številom nevtronov v kateri koli generaciji in številom nevtronov v prejšnji generaciji. če stopnja razmnoževanjaZa enako ena ali nekoliko več, potem je možna verižna reakcija; kaj če? k = 1 do začetka druge generacije bo 200 nevtronov, tretje - 200 itd. Če Za> 1, na primer Za= 1,03, potem bo, začenši z 200 nevtroni, do začetka druge generacije 200-1,03 = 206 nevtronov, do tretje - 206-1,03 nevtronov, do začetka p- generacija - 200- (1.03 )str- 1, tj. v stoti generaciji bo na primer 3731 nevtronov. V jedrskem reaktorju je povprečna življenjska doba nevtronov od trenutka rojstva do njihove absorpcije zelo kratka in znaša 10 -4 - 10_3 s, kar pomeni, da v 1 s zaporedno pride do cepitev v 1.000-10.000 generacijah nevtronov. Tako je lahko nekaj nevtronov dovolj za začetek hitro rastoče verižne reakcije. Da tak sistem ne bi ušel izpod nadzora, je treba vanj vnesti absorber nevtronov. če na 1 in je enako na primer 0,9, potem se bo število nevtronov pri naslednji generaciji zmanjšalo z 200 na 180, pri tretji na 180-0,9 itd. Do začetka 50. generacije bo ostal en nevtron, ki lahko povzroči cepitev. Posledično v takih pogojih ne more priti do verižne reakcije.

Vendar pa v realnih pogojih vsi nevtroni ne povzročijo cepitve. Nekaj ​​nevtronov se izgubi, ko jih zajamejo necepljiva jedra (uran-238, moderator, strukturni materiali itd.), drugi del odleti iz prostornine cepljivega materiala. (uhajanje nevtronov). Te izgube nevtronov vplivajo na potek verižne reakcije jedrske fisije.

Energija nevtronov v trenutku njihovega rojstva je zelo visoka - premikajo se s hitrostjo več tisoč kilometrov na sekundo, zato jih imenujemo hitri nevtroni. Energijski spekter fisijskih nevtronov je precej širok - od približno 0,01 do 10 MeV. V tem primeru je povprečna energija sekundarnih nevtronov približno 2 MeV. Zaradi trkov nevtronov z jedri okoliških atomov se njihova hitrost hitro zmanjša. Ta proces se imenuje upočasnjevanje nevtronov. Nevtroni se še posebej učinkovito upočasnjujejo ob trku z jedri lahkih elementov (elastični trk). Pri interakciji z jedri težkih elementov nastane neelastični trk in nevtron se manj učinkovito upočasni. Tu lahko za ilustracijo potegnemo analogijo s teniško žogico: ko se zaleti v steno, se odbije s skoraj enako hitrostjo, ob udarcu ob isto žogico pa močno upočasni svojo hitrost. Posledično se v jedrskih reaktorjih 1 (v nadaljevanju reaktor) kot moderatorji uporabljajo voda, težka voda ali grafit.

Zaradi trkov z moderatorskimi jedri se lahko nevtron upočasni na hitrost toplotnega gibanja atomov, to je do nekaj kilometrov na sekundo. V jedrski fiziki se takšni upočasnjeni nevtroni običajno imenujejo termični oz počasi.Čim počasnejši je nevtron, večja je verjetnost, da bo zgrešil jedro atoma. Razlog za takšno odvisnost preseka jedra od hitrosti vpadnih nevtronov je v dvojni naravi samega nevtrona. V številnih pojavih in procesih se nevtron obnaša kot delec, v nekaterih primerih pa je valovanje. Izkazalo se je, da nižja kot je njegova hitrost, večja je njegova valovna dolžina in velikost. Če je nevtron zelo počasen, potem je njegova velikost lahko nekaj tisočkrat večja od velikosti jedra, zato se površina, v kateri nevtron interagira z jedrom, tako poveča. Fiziki imenujejo to območje presek jedra (ne vpadnega nevtrona).

Težka voda (D20) je vrsta vode, v kateri je navadni vodik nadomeščen s svojim težkim izotopom - devterijem, katerega vsebnost v navadni vodi je 0,015 %. Gostota težke vode je 1,108 (v primerjavi z 1,000 za navadno vodo); Težka voda zmrzne pri 3,82 °C in vre pri 101,42 °C, za navadno vodo pa sta ustrezni temperaturi 0 in 100 °C. Tako je razlika v fizikalnih lastnostih lahke in težke vode precejšnja.

Leta 1934 se je E. Fermi odločil pridobiti transuranove elemente z obsevanjem 238 U z nevtroni. Ideja E. Fermija je bila, da kot posledica β - razpada izotopa 239 U nastane kemijski element z atomskim številom Z = 93, vendar ni bilo mogoče identificirati nastanka 93. elementa. Namesto tega je bilo zaradi radiokemične analize radioaktivnih elementov, ki sta jo opravila O. Hahn in F. Strassmann, dokazano, da je eden od produktov obsevanja urana z nevtroni barij (Z = 56) - kemični element s povprečno atomsko maso. , medtem ko naj bi po predpostavki Fermijeve teorije pridobili transuranove elemente.
L. Meitner in O. Frisch sta predlagala, da se sestavljeno jedro zaradi zajemanja nevtrona z uranovim jedrom zruši na dva dela.

92 U + n → 56 Ba + 36 Kr + xn.

Proces cepitve urana spremlja pojav sekundarnih nevtronov (x > 1), ki lahko povzročijo cepitev drugih uranovih jeder, kar odpira možnost za pojav verižne cepitvene reakcije - en nevtron lahko povzroči razvejano jedro. veriga cepitve uranovih jeder. V tem primeru bi moralo število cepljenih jeder eksponentno naraščati. N. Bohr in J. Wheeler sta izračunala kritično energijo, ki je potrebna, da se jedro 236 U, ki nastane kot posledica zajetja nevtronov z izotopom 235 U, razcepi. Ta vrednost je 6,2 MeV, kar je manj od energije vzbujanja izotopa 236 U, ki nastane med zajemanjem toplotnega nevtrona z 235 U. Zato je možna verižna cepitvena reakcija 235 U najpogostejši izotop 238 U je kritična energija 5,9 MeV, medtem ko je pri zajetju toplotnega nevtrona energija vzbujanja nastalega jedra 239 U le 5,2 MeV. Zato se verižna reakcija cepitve najpogostejšega izotopa v naravi, 238 U, pod vplivom toplotnih nevtronov izkaže za nemogočo. V enem cepitvenem dogodku se sprosti energija ≈ 200 MeV (za primerjavo, pri kemičnih reakcijah zgorevanja se v enem reakcijskem dogodku sprosti energija ≈ 10 eV). Možnost ustvarjanja pogojev za verižno reakcijo fisije je odprla možnosti za uporabo energije verižne reakcije za ustvarjanje atomskih reaktorjev in atomskega orožja. Prvi jedrski reaktor je zgradil E. Fermi v ZDA leta 1942. V ZSSR je bil prvi jedrski reaktor zagnan pod vodstvom I. Kurchatova leta 1946. Leta 1954 je v Obninsku začela delovati prva jedrska elektrarna na svetu. Trenutno se električna energija proizvaja v približno 440 jedrskih reaktorjih v 30 državah.
Leta 1940 sta G. Flerov in K. Petrzhak odkrila spontano cepitev urana. O kompleksnosti poskusa pričajo naslednje številke. Delna razpolovna doba glede na spontano cepitev izotopa 238 U je 10 16 –10 17 let, medtem ko je razpadna doba izotopa 238 U 4,5∙10 9 let. Glavni razpadni kanal izotopa 238 U je razpad α. Za opazovanje spontane cepitve izotopa 238 U je bilo potrebno registrirati en dogodek cepitve v ozadju 10 7 –10 8 dogodkov α-razpada.
Verjetnost spontane cepitve v glavnem določa prepustnost cepitvene pregrade. Verjetnost spontane cepitve narašča z naraščanjem jedrskega naboja, ker v tem primeru se poveča delitveni parameter Z 2 /A. V izotopih Z< 92-95 деление происходит преимущественно с образованием двух осколков деления с отношением масс тяжёлого и лёгкого осколков 3:2. В изотопах Z >100 prevladuje simetrična cepitev s tvorbo drobcev enake mase. Z večanjem jedrskega naboja se poveča delež spontane cepitve v primerjavi z α-razpadom.

Jedrska cepitev. Zgodba

1934- E. Fermi je ob obsevanju urana s toplotnimi nevtroni med reakcijskimi produkti odkril radioaktivna jedra, katerih narave ni bilo mogoče določiti.
L. Szilard je predstavil idejo o jedrski verižni reakciji.

1939− O. Hahn in F. Strassmann sta med reakcijskimi produkti odkrila barij.
L. Meitner in O. Frisch sta prva objavila, da se je uran pod vplivom nevtronov razdelil na dva fragmenta primerljive mase.
N. Bohr in J. Wheeler sta podala kvantitativno razlago jedrske cepitve z uvedbo cepitvenega parametra.
Ya. Frenkel je razvil kapljično teorijo jedrske cepitve s počasnimi nevtroni.
L. Szilard, E. Wigner, E. Fermi, J. Wheeler, F. Joliot-Curie, Y. Zeldovich, Y. Khariton so utemeljili možnost verižne jedrske cepitvene reakcije v uranu.

1940− G. Flerov in K. Pietrzak sta odkrila pojav spontane cepitve jeder urana.

1942− E. Fermi je izvedel nadzorovano verižno cepitveno reakcijo v prvem atomskem reaktorju.

1945− Prvi poskus jedrskega orožja (Nevada, ZDA). Ameriške čete so odvrgle atomske bombe na japonski mesti Hirošima (6. avgusta) in Nagasaki (9. avgusta).

1946− Pod vodstvom I.V. Kurchatov je bil zagnan prvi reaktor v Evropi.

1954− Zagnati prvo jedrsko elektrarno na svetu (Obninsk, ZSSR).

Jedrska cepitev.Od leta 1934 je E. Fermi začel uporabljati nevtrone za bombardiranje atomov. Od takrat se je število stabilnih ali radioaktivnih jeder, pridobljenih z umetno transformacijo, povečalo na več sto in skoraj vsa mesta v periodnem sistemu so bila zapolnjena z izotopi.
Atomi, ki so nastali v vseh teh jedrskih reakcijah, so zasedli isto mesto v periodnem sistemu kot bombardirani atom ali sosednja mesta. Zato je dokaz Hahna in Strassmanna leta 1938, da je ob bombardiranju z nevtroni zadnji element periodnega sistema, povzročil velik občutek−uran−pride do razpada na elemente, ki so v srednjih delih periodnega sistema. Tu so različne vrste razpadanja. Nastali atomi so večinoma nestabilni in takoj naprej razpadajo; nekateri imajo razpolovne dobe, merjene v sekundah, zato je moral Hahn uporabiti Curiejevo analitično metodo, da je podaljšal tako hiter proces. Pomembno je omeniti, da zgornji elementi urana, protaktinij in torij, prav tako kažejo podoben razpad, ko so izpostavljeni nevtronom, čeprav so za razpad potrebne višje energije nevtronov kot v primeru urana. Poleg tega sta leta 1940 G. N. Flerov in K. A. Petrzhak odkrila spontano cepitev uranovega jedra z največjo do tedaj znano razpolovno dobo: približno 2· 10 15 let; to dejstvo postane jasno zaradi nevtronov, ki se sproščajo med tem procesom. To je omogočilo razumevanje, zakaj se "naravni" periodni sistem konča s tremi imenovanimi elementi. Transuranski elementi so zdaj znani, vendar so tako nestabilni, da hitro razpadejo.
Cepitev urana s pomočjo nevtronov zdaj omogoča uporabo atomske energije, kar so si mnogi že predstavljali kot »sanje Julesa Verna«.

M. Laue, "Zgodovina fizike"

1939 O. Hahn in F. Strassmann sta pri obsevanju uranovih soli s toplotnimi nevtroni med reakcijskimi produkti odkrila barij (Z = 56).

Otto Gann (1879 – 1968)

Jedrska cepitev je cepitev jedra na dve (redkeje tri) jedri s podobnimi masami, ki ju imenujemo cepitveni delci. Pri cepitvi se pojavijo tudi drugi delci – nevtroni, elektroni, α-delci. Zaradi cepitve se sprosti energija ~200 MeV. Cepitev je lahko spontana ali prisilna pod vplivom drugih delcev, največkrat nevtronov.
Značilnost cepitve je, da se fisijski fragmenti praviloma bistveno razlikujejo po masi, to je, da prevladuje asimetrična cepitev. Tako je v primeru najverjetnejše cepitve uranovega izotopa 236 U razmerje mas drobcev 1,46. Masno število težkega fragmenta je 139 (ksenon), lahkega fragmenta pa masno število 95 (stroncij). Ob upoštevanju emisije dveh hitrih nevtronov ima obravnavana cepitvena reakcija obliko

Nobelova nagrada za kemijo
1944 – O. Gan.
Za odkritje cepitvene reakcije uranovih jeder z nevtroni.

Cepitveni fragmenti

Odvisnost povprečnih mas lahkih in težkih skupin drobcev od mase cepljivega jedra.

Odkritje jedrske cepitve. 1939

Prišel sem na Švedsko, kjer je Lise Meitner trpela zaradi osamljenosti, in sem se kot vdan nečak odločil, da jo obiščem za božič. Živela je v majhnem hotelu Kungälv blizu Göteborga. Našel sem jo pri zajtrku. Pomislila je na pismo, ki ga je pravkar prejela od Gana. Bil sem zelo skeptičen glede vsebine pisma, ki je poročalo o nastanku barija, ko je bil uran obsevan z nevtroni. Vendar jo je pritegnila priložnost. Hodila sva po snegu, ona peš, jaz na smučeh (rekla je, da zmore tako, ne da bi za mano zaostala, in to je tudi dokazala). Ob koncu sprehoda smo že lahko oblikovali nekaj zaključkov; jedro se ni razcepilo in koščki niso odleteli z njega, ampak je bil to proces, ki je bolj spominjal na Bohrov kapljični model jedra; kot kaplja se jedro lahko podaljša in deli. Nato sem raziskal, kako električni naboj nukleonov zmanjša površinsko napetost, za katero sem ugotovil, da je nič pri Z = 100 in verjetno zelo nizka za uran. Lise Meitner je poskušala določiti energijo, ki se sprosti med vsakim razpadom zaradi masne napake. Bila je zelo jasna glede krivulje napake mase. Izkazalo se je, da bi zaradi elektrostatičnega odbijanja cepitveni elementi pridobili energijo okoli 200 MeV, kar je natančno ustrezalo energiji, povezani z masnim defektom. Zato bi proces lahko potekal čisto klasično brez sklicevanja na koncept prehoda skozi potencialno oviro, ki bi bil tukaj seveda neuporaben.
Za božič smo preživeli dva ali tri dni skupaj. Potem sem se vrnil v Köbenhavn in komaj imel čas, da sem Bohra obvestil o naši ideji v trenutku, ko se je že vkrcal na ladjo, ki je odplula proti ZDA. Spomnim se, kako se je udaril po čelu, takoj ko sem začel govoriti, in vzkliknil: »Joj, kakšni bedaki smo bili! To bi morali prej opaziti." A on tega ni opazil in nihče ni opazil.
Z Lise Meitner sva napisala članek. Obenem sva ves čas vzdrževala stike po medkrajevnem telefonu od Kopenhagna do Stockholma.

O. Frisch, Spomini. UFN. 1968. T. 96, številka 4, str. 697.

Spontana jedrska cepitev

V spodaj opisanih poskusih smo za snemanje procesov jedrske cepitve uporabili metodo, ki jo je prvi predlagal Frisch. Ionizacijska komora s ploščami, prevlečenimi s plastjo uranovega oksida, je povezana z linearnim ojačevalnikom, konfiguriranim tako, da sistem ne zazna delcev α, ki jih oddaja uran; impulzi iz drobcev, veliko večji po magnitudi od impulzov iz α-delcev, odklenejo izhodni tiratron in veljajo za mehanski rele.
Ionizacijska komora je bila posebej zasnovana v obliki večplastnega ploščatega kondenzatorja s skupno površino 15 plošč na 1000 cm2. Plošče, ki se nahajajo na razdalji 3 mm druga od druge, so bile prevlečene s plastjo uranovega oksida 10. -20 mg/cm3 2 .
V prvih poskusih z ojačevalnikom, konfiguriranim za štetje fragmentov, je bilo mogoče opazovati spontane (brez vira nevtronov) impulze na releju in osciloskopu. Število teh impulzov je bilo majhno (6 v 1 uri), zato je razumljivo, da tega pojava ni bilo mogoče opazovati s kamerami običajnega tipa...
Nagnjeni smo k temu učinek, ki smo ga opazili, je treba pripisati drobcem, ki so posledica spontane cepitve urana ...

Spontano cepitev je treba pripisati enemu od nevzbujenih izotopov U z razpolovnimi dobami, pridobljenimi z vrednotenjem naših rezultatov:

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

Razpad izotopa 238 U

Spontana jedrska cepitev

Razpolovne dobe spontano cepljivih izotopov Z = 92 - 100

Prvi eksperimentalni sistem z uran-grafitno mrežo je bil zgrajen leta 1941 pod vodstvom E. Fermija. Šlo je za grafitno kocko z robom dolžine 2,5 m, ki je vsebovala približno 7 ton uranovega oksida, zaprto v železne posode, ki so bile v kocki nameščene na enaki medsebojni razdalji. Nevtronski vir RaBe je bil postavljen na dno uran-grafitne mreže. Koeficient reprodukcije v takem sistemu je bil ≈ 0,7. Uranov oksid je vseboval od 2 do 5% nečistoč. Nadaljnja prizadevanja so bila usmerjena v pridobivanje čistejših materialov in do maja 1942 je bil pridobljen uranov oksid, v katerem je bila nečistoča manjša od 1%. Za zagotovitev verižne cepitvene reakcije je bilo potrebno uporabiti velike količine grafita in urana - reda velikosti več ton. Nečistoče so morale biti manjše od nekaj delcev na milijon. Reaktor, ki ga je do konca leta 1942 sestavil Fermi na univerzi v Chicagu, je imel obliko nepopolnega sferoida, odrezanega od zgoraj. Vseboval je 40 ton urana in 385 ton grafita. 2. decembra 1942 zvečer, ko so odstranili nevtronske absorberske palice, so odkrili, da v notranjosti reaktorja poteka jedrska verižna reakcija. Izmerjeni koeficient je bil 1,0006. Sprva je reaktor deloval z močjo 0,5 W. Do 12. decembra so njegovo moč povečali na 200 vatov. Kasneje so reaktor prestavili na varnejše mesto, njegovo moč pa povečali na nekaj kW. Hkrati je reaktor porabil 0,002 g urana-235 na dan.

Prvi jedrski reaktor v ZSSR

Zgradba za prvi jedrski raziskovalni reaktor v ZSSR F-1 je bila pripravljena junija 1946.
Po opravljenih vseh potrebnih poskusih je bil razvit krmilni in zaščitni sistem reaktorja, določene dimenzije reaktorja, izvedeni vsi potrebni poskusi z modeli reaktorja, določena gostota nevtronov na več modelov so bili pridobljeni grafitni bloki (t. i. jedrska čistost) in (po nevtronsko-fizikalnih preverjanjih) uranovi bloki, novembra 1946 so začeli graditi reaktor F-1.
Skupni radij reaktorja je bil 3,8 m. Zanj je bilo potrebnih 400 ton grafita in 45 ton urana. Reaktor so sestavljali po plasteh in 25. decembra 1946 ob 15. uri so sestavili še zadnji, 62. sloj. Po odstranitvi tako imenovanih zasilnih palic se je krmilna palica dvignila, začelo se je štetje gostote nevtronov in ob 18. uri 25. decembra 1946 je prvi reaktor v ZSSR zaživel in začel delovati. To je bila razburljiva zmaga za znanstvenike, ki so ustvarili jedrski reaktor, in za celotno sovjetsko ljudstvo. In leto in pol pozneje, 10. junija 1948, je industrijski reaktor z vodo v kanalih dosegel kritično stanje in kmalu se je začela industrijska proizvodnja nove vrste jedrskega goriva, plutonija.

Kako je bil ta proces odkrit in opisan. Razkrita je njegova uporaba kot vir energije in jedrskega orožja.

"Nedeljiv" atom

Enaindvajseto stoletje je polno izrazov, kot so "atomska energija", "jedrska tehnologija", "radioaktivni odpadki". Vsake toliko časopisni naslovi zasvetijo s poročili o možnosti radioaktivnega onesnaženja tal, oceanov in ledu Antarktike. Vendar pa povprečen človek pogosto nima zelo dobre predstave o tem, kaj je to področje znanosti in kako pomaga v vsakdanjem življenju. Morda je vredno začeti z zgodovino. Že ob prvem vprašanju, ki ga je postavil dobro hranjen in oblečen človek, ga je zanimalo, kako svet deluje. Kako oko vidi, zakaj uho sliši, kako se voda razlikuje od kamna - to je skrbelo modrece že od nekdaj. Celo v starodavni Indiji in Grčiji so nekateri radovedni umi predlagali, da obstaja minimalni delec (imenovali so ga tudi »nedeljiv«), ki ima lastnosti materiala. Srednjeveški kemiki so potrdili ugibanje modrecev, sodobna definicija atoma pa je naslednja: atom je najmanjši delček snovi, ki je nosilec njenih lastnosti.

Deli atoma

Vendar pa je razvoj tehnologije (predvsem fotografije) pripeljal do tega, da atom ne velja več za najmanjši možni delec materije. In čeprav je en sam atom električno nevtralen, so znanstveniki hitro ugotovili, da je sestavljen iz dveh delov z različnimi naboji. Število pozitivno nabitih delov kompenzira število negativno nabitih, zato atom ostane nevtralen. Vendar ni bilo nedvoumnega modela atoma. Ker je takrat še prevladovala klasična fizika, so se pojavile različne domneve.

Atom modeli

Sprva je bil predlagan model "rozinove žemljice". Zdelo se je, da pozitivni naboj zapolnjuje ves prostor atoma, negativni naboji pa so bili porazdeljeni v njem, kot rozine v žemlji. Slavni je definiral naslednje: v središču atoma je zelo težek element s pozitivnim nabojem (jedro), okoli njega pa se nahajajo veliko lažji elektroni. Masa jedra je stokrat težja od vsote vseh elektronov (predstavlja 99,9 odstotka mase celotnega atoma). Tako se je rodil Bohrov planetarni model atoma. Vendar so bili nekateri njeni elementi v nasprotju s takrat sprejeto klasično fiziko. Zato se je razvila nova, kvantna mehanika. Z njegovim prihodom se je začelo neklasično obdobje znanosti.

Atom in radioaktivnost

Iz vsega zgoraj povedanega postane jasno, da je jedro težak, pozitivno nabit del atoma, ki sestavlja njegovo večino. Ko so bili položaji elektronov v orbiti atoma dobro preučeni, je prišel čas za razumevanje narave atomskega jedra. Na pomoč je priskočila domiselna in nepričakovano odkrita radioaktivnost. Pomagal je razkriti bistvo težkega osrednjega dela atoma, saj je vir radioaktivnosti jedrska cepitev. Na prelomu devetnajstega in dvajsetega stoletja so se odkritja vrstila eno za drugim. Teoretična rešitev enega problema je zahtevala izvedbo novih poskusov. Iz rezultatov poskusov so se pojavile teorije in hipoteze, ki jih je bilo treba potrditi ali ovreči. Pogosto so se največja odkritja zgodila preprosto zato, ker je na ta način formula postala priročna za izračune (kot na primer kvant Maxa Plancka). Že na začetku dobe fotografije so znanstveniki vedeli, da uranove soli osvetljujejo svetlobno občutljiv film, niso pa slutili, da je jedrska cepitev osnova tega pojava. Zato so preučevali radioaktivnost, da bi razumeli naravo jedrskega razpada. Očitno je, da so sevanje ustvarili kvantni prehodi, vendar ni bilo povsem jasno, kateri točno. Zakonca Curi sta rudarila čisti radij in polonij, uranovo rudo sta obdelovala skoraj ročno, da bi odgovorila na to vprašanje.

Radioaktivni naboj

Rutherford je naredil veliko za preučevanje strukture atoma in prispeval k preučevanju, kako pride do cepitve atomskega jedra. Znanstvenik je sevanje, ki ga sprošča radioaktivni element, postavil v magnetno polje in dobil osupljiv rezultat. Izkazalo se je, da je sevanje sestavljeno iz treh komponent: ena je nevtralna, drugi dve pa pozitivno in negativno nabiti. Preučevanje jedrske cepitve se je začelo z identifikacijo njenih komponent. Dokazano je, da se jedro lahko deli in odda del svojega pozitivnega naboja.

Struktura jedra

Kasneje se je izkazalo, da je atomsko jedro sestavljeno ne le iz pozitivno nabitih delcev protonov, ampak tudi iz nevtralnih delcev nevtronov. Skupaj se imenujejo nukleoni (iz angleškega "nucleus", jedro). Vendar pa so znanstveniki spet naleteli na težavo: masa jedra (to je število nukleonov) ni vedno ustrezala njegovemu naboju. Pri vodiku ima jedro naboj +1, masa pa je lahko tri, dva ali ena. Naslednji helij v periodnem sistemu ima jedrski naboj +2, njegovo jedro pa vsebuje od 4 do 6 nukleonov. Kompleksnejši elementi imajo lahko veliko več različnih mas za isti naboj. Te različice atomov imenujemo izotopi. Poleg tega so se nekateri izotopi izkazali za precej stabilne, medtem ko so drugi hitro razpadli, saj je zanje značilna jedrska cepitev. Po katerem principu je število nukleonov ustrezalo stabilnosti jeder? Zakaj je dodajanje samo enega nevtrona težkemu in popolnoma stabilnemu jedru povzročilo njegovo razcepitev in sproščanje radioaktivnosti? Nenavadno je, da odgovor na to pomembno vprašanje še ni bil najden. Eksperimentalno se je izkazalo, da stabilne konfiguracije atomskih jeder ustrezajo določenemu številu protonov in nevtronov. Če je v jedru 2, 4, 8, 50 nevtronov in/ali protonov, bo jedro zagotovo stabilno. Te številke imenujemo celo magične (in tako so jih imenovali odrasli znanstveniki in jedrski fiziki). Tako je cepitev jeder odvisna od njihove mase, to je od števila nukleonov, ki so v njih.

Kapljica, školjka, kristal

Trenutno ni bilo mogoče določiti dejavnika, ki je odgovoren za stabilnost jedra. Obstaja veliko teorij modela, ki si pogosto nasprotujejo glede različnih vprašanj. Po prvem je jedro kapljica posebne jedrske tekočine. Tako kot za vodo je zanj značilna fluidnost, površinska napetost, koalescenca in razpad. V modelu lupine obstajajo tudi določene energijske ravni v jedru, ki so napolnjene z nukleoni. Tretji trdi, da je jedro medij, ki je sposoben lomiti posebne valove (De Brogliejeve valove), lomni količnik pa je. Vendar noben model še ni mogel v celoti opisati, zakaj pri določeni kritični masi prav tega kemičnega elementa , se začne cepitev jedra.

Kako pride do razpada?

Radioaktivnost, kot je navedeno zgoraj, je bila odkrita v snoveh, ki jih najdemo v naravi: uran, polonij, radij. Na primer, sveže izkopan čisti uran je radioaktiven. Postopek cepitve bo v tem primeru spontan. Brez zunanjega vpliva določeno število atomov urana oddaja delce alfa, ki se spontano spremenijo v torij. Obstaja indikator, imenovan razpolovna doba. Prikazuje, v katerem časovnem obdobju bo ostala približno polovica začetne številke dela. Vsak radioaktivni element ima svojo razpolovno dobo - od delcev sekunde za kalifornij do več sto tisoč let za uran in cezij. Obstaja pa tudi inducirana radioaktivnost. Če atomska jedra bombardiramo s protoni ali alfa delci (helijeva jedra) z visoko kinetično energijo, se lahko »razcepijo«. Mehanizem preobrazbe se seveda razlikuje od tega, kako se razbije mamina najljubša vaza. Vendar je mogoče zaslediti določeno analogijo.

Atomska energija

Doslej nismo odgovorili na praktično vprašanje: od kod prihaja energija med jedrsko cepitvo? Najprej moramo pojasniti, da pri nastajanju jedra delujejo posebne jedrske sile, ki jih imenujemo močna interakcija. Ker je jedro sestavljeno iz številnih pozitivnih protonov, ostaja vprašanje, kako se držijo skupaj, saj jih morajo elektrostatične sile precej močno odbijati. Odgovor je hkrati preprost in ne: jedro drži skupaj zaradi zelo hitre izmenjave posebnih delcev med nukleoni - pi-mezoni. Ta povezava je neverjetno kratkotrajna. Takoj ko se izmenjava pi mezonov ustavi, jedro razpade. Prav tako je zagotovo znano, da je masa jedra manjša od vsote vseh njegovih sestavnih nukleonov. Ta pojav imenujemo napaka mase. Pravzaprav je manjkajoča masa energija, ki se porabi za ohranitev celovitosti jedra. Takoj ko se nek del loči od jedra atoma, se ta energija sprosti in v jedrskih elektrarnah pretvori v toploto. To pomeni, da je energija jedrske cepitve jasen prikaz Einsteinove slavne formule. Spomnimo se, da formula pravi: energija in masa se lahko pretvarjata ena v drugo (E=mc 2).

Teorija in praksa

Zdaj vam bomo povedali, kako se to čisto teoretično odkritje uporablja v resničnem življenju za proizvodnjo gigavatov električne energije. Najprej je treba opozoriti, da nadzorovane reakcije uporabljajo prisilno jedrsko cepitev. Najpogosteje je to uran ali polonij, ki ga obstreljujejo hitri nevtroni. Drugič, ne moremo ne razumeti, da jedrsko fisijo spremlja ustvarjanje novih nevtronov. Posledično se lahko število nevtronov v reakcijskem območju zelo hitro poveča. Vsak nevtron trči v nova, še nedotaknjena jedra, jih razcepi, kar vodi do povečanega sproščanja toplote. To je verižna reakcija jedrske cepitve. Nenadzorovano povečanje števila nevtronov v reaktorju lahko privede do eksplozije. Prav to se je zgodilo leta 1986 v jedrski elektrarni Černobil. Zato je v reakcijskem območju vedno snov, ki absorbira odvečne nevtrone in s tem prepreči katastrofo. To je grafit v obliki dolgih palic. Hitrost jedrske cepitve je mogoče upočasniti s potopitvijo palic v reakcijsko območje. Enačba je sestavljena posebej za vsako aktivno radioaktivno snov in delce, ki jo obstreljujejo (elektroni, protoni, alfa delci). Vendar se končna proizvodnja energije izračuna v skladu z ohranitvenim zakonom: E1+E2=E3+E4. To pomeni, da mora biti skupna energija prvotnega jedra in delca (E1 + E2) enaka energiji nastalega jedra in energiji, sproščeni v prosti obliki (E3 + E4). Enačba za jedrsko reakcijo tudi pokaže, katera snov nastane kot posledica razpada. Na primer za uran U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg. Izotopi kemičnih elementov tukaj niso podani, vendar je to pomembno. Na primer, obstajajo tri možnosti za cepitev urana, ki proizvaja različne izotope svinca in neona. V skoraj sto odstotkih primerov jedrska cepitev proizvaja radioaktivne izotope. To pomeni, da pri razpadu urana nastane radioaktivni torij. Torij lahko razpade v protaktinij, ta v aktinij itd. Tako bizmut kot titan sta lahko radioaktivna v tej seriji. Tudi vodik, ki vsebuje dva protona v jedru (norma je en proton), se imenuje drugače - devterij. Voda, ki nastane s takim vodikom, se imenuje težka in polni primarni krog v jedrskih reaktorjih.

Nemirni atom

Izrazi, kot so »oboroževalna tekma«, »hladna vojna«, »jedrska grožnja«, se sodobnim ljudem morda zdijo zgodovinski in nepomembni. Nekoč pa so skoraj vsako objavo novic skoraj po vsem svetu spremljala poročila o tem, koliko vrst jedrskega orožja je bilo izumljenih in kako z njimi ravnati. Ljudje so gradili podzemne bunkerje in kopičili zaloge za primer jedrske zime. Pri ustvarjanju zavetišča so delale cele družine. Celo miroljubna uporaba reakcij jedrske cepitve lahko vodi v katastrofo. Zdi se, da je Černobil človeštvo naučil biti previden na tem območju, vendar se je izkazalo, da so elementi planeta močnejši: potres na Japonskem je poškodoval zelo zanesljive utrdbe jedrske elektrarne Fukushima. Energijo jedrske reakcije je veliko lažje uporabiti za uničenje. Tehnologi morajo samo omejiti moč eksplozije, da ne bi nenamerno uničili celega planeta. Najbolj »humane« bombe, če jim lahko tako rečemo, ne onesnažujejo okolice s sevanjem. Na splošno najpogosteje uporabljajo nenadzorovano verižno reakcijo. Čemu se v jedrskih elektrarnah za vsako ceno želijo izogniti, se pri bombah doseže na zelo primitiven način. Za vsak naravno radioaktivni element obstaja določena kritična masa čiste snovi, v kateri se verižna reakcija začne spontano. Pri uranu na primer le petdeset kilogramov. Ker je uran zelo težak, je le majhna kovinska kroglica premera 12-15 centimetrov. Prvi atomski bombi, ki sta bili odvrženi na Hirošimo in Nagasaki, sta bili narejeni točno po tem principu: dva neenaka dela čistega urana sta se preprosto združila in povzročila grozljivo eksplozijo. Sodobno orožje je verjetno bolj sofisticirano. Vendar ne smemo pozabiti na kritično maso: med majhnimi količinami čiste radioaktivne snovi med skladiščenjem morajo obstajati pregrade, ki ne omogočajo povezovanja delov.

Viri sevanja

Vsi elementi z atomskim jedrskim nabojem, večjim od 82, so radioaktivni. Skoraj vsi lažji kemični elementi imajo radioaktivne izotope. Težje kot je jedro, krajša je njegova življenjska doba. Nekatere elemente (na primer kalifornij) lahko pridobimo le umetno – s trkom težkih atomov z lažjimi delci, največkrat v pospeševalnikih. Ker so zelo nestabilni, jih v zemeljski skorji ni: med nastankom planeta so zelo hitro razpadli na druge elemente. Snovi z lažjimi jedri, kot je uran, je mogoče izkopavati. Ta proces je dolg, tudi zelo bogate rude vsebujejo manj kot odstotek urana, primernega za rudarjenje. Tretja pot morda nakazuje, da se je nova geološka doba že začela. To je pridobivanje radioaktivnih elementov iz radioaktivnih odpadkov. Po predelavi goriva v elektrarni, na podmornici ali na letalonosilki dobimo zmes začetnega urana in končne snovi, ki je posledica cepitve. To trenutno velja za trdne radioaktivne odpadke in pereče vprašanje je, kako jih odstraniti, da ne bodo onesnaževali okolja. Obstaja pa možnost, da bodo v bližnji prihodnosti iz teh odpadkov pridobivali že pripravljene koncentrirane radioaktivne snovi (na primer polonij).