În 1940, oamenii de știință sovietici Flerov și Petrzak au descoperit fisiune spontană (spontană) a nucleelor de uraniu și toriu. Perioada de înjumătățire este de ani. În 1939, oamenii de știință germani Strassmann și Gan au descoperit procesul de fisiune a nucleelor de uraniu când au fost bombardați de neutroni. În același timp, se formează elemente din mijlocul mesei lui Mendeleyev (latan și bariu). Acest proces a inițiat studiul reacțiilor nucleare de un nou tip - reacțiile de fisiune ale nucleelor grele sub acțiunea neutronilor. O caracteristică remarcabilă a fisiunii nucleelor grele este că este însoțită de eliberarea a două sau trei neutroni, denumite neutroni de fisiune. Deoarece raportul dintre numărul de protoni și numărul de neutroni într-un atom mediu este egal cu unul (), iar pentru cele grele (), fragmentele formate sunt supraîncărcate cu neutroni și deci neutronii de fisiune sunt eliberați. Fragmentele rezultate se dovedesc a fi radioactive și pot suferi o serie de transformări positron însoțite de radiații. Astfel, continuă procesul de transformare a fragmentelor de fisiune în nucleele unor elemente mai stabile. Energia neutronilor emise variază de la 0 la 7 MeV. Fissionul nucleelor este însoțit de eliberarea unei cantități mari de energie, deoarece energia de legare specifică a nucleelor cu o masă medie de 8,7 MeV, în timp ce este în medie 7,6 MeV. Prin urmare, atunci când atomul este împărțit în două fragmente, ar trebui eliberată o energie de 1,1 MeV per nucleon. S-a stabilit experimental că fisiunea nucleului de uraniu eliberează energie de 200 MeV. Probabilitatea fisiunii nucleare este determinată de energia neutronilor. Neutronii cu energie înaltă determină fisiunea practică a tuturor nucleelor. Neutronii cu energie redusă - grei. Uraniul și plutoniul sunt împărțite de neutroni de orice energie, dar mai ales de neutronii lenți (termici) (cu energie eV).
Reacția fisiunii lanțului
Neutronii secundari emise în timpul fisiunii nucleare (2,5 bucăți per act de fisiune) pot provoca noi fenomene de fisiune, ceea ce face posibilă efectuarea unei reacții în lanț. Reacția de fisiune a lanțului este caracterizată de coeficientul de multiplicare a neutronilor K, care este egal cu raportul dintre numărul de neutroni dintr-o generație dată și numărul lor din generația anterioară. Condiția necesară pentru dezvoltarea unei reacții în lanț a fisiunii este. Cu o reacție mai mică este imposibilă. Când reacția are loc cu un număr constant de neutroni (puterea constantă a energiei eliberate). Aceasta este o reacție auto-susținută. La - o reacție amortizată. Coeficientul de reproducere depinde de natura materialului fisionabil, dimensiunea și forma miezului. Masa minimă a materialului fisionabil necesar pentru efectuarea unei reacții în lanț este numită critică. Pentru masa critică este de 9 kg, în timp ce raza mingii de uraniu este de 4 cm.
Proiectarea bombei nucleare
Gestionarea reacției în lanț. Reactoare nucleare.
Prin schimbarea factorului de multiplicare al neutronilor, se poate realiza o reacție în lanț controlată. Dispozitivul în care se efectuează reacția controlată se numește reactor nuclear. Materialul fisionabil este fie uraniu natural, fie îmbogățit. Pentru a preveni captarea radiativ de neutroni de miezuri de uraniu, un nivel relativ mic de blocuri de material fisionabil dispuse la o distanță unul de celălalt, iar golurile sunt umplute substanta care incetineste neutronii (retarder). Neutronii sunt încetinite prin împrăștiere elastică. În acest caz, energia pierdută de particula decelerativă depinde de raportul de masă al particulelor de coliziune. Cantitatea maximă de energie se pierde dacă particulele au aceeași masă. Această condiție este satisfăcută de deuteriu, grafit și beriliu. Primul reactor de uraniu-grafit a fost lansat în 1942, în Universitatea din Chicago, sub conducerea restante fizicianul italian Fermi. Pentru a explica principiul de funcționare al reactorului, să luăm în considerare o schemă tipică a unui reactor cu neutron termic din Fig.
În miezul reactorului există elemente de combustibil 1 și un moderator 2, care încetinește vitezele termice ale neutronilor. Elementele de combustibil (elementele de combustibil) sunt blocuri de material fisionabil, închise într-o carcasă ermetică, neutroni cu absorbție slabă. Datorită energiei eliberate în timpul fisiunii nucleelor, barele de combustibil sunt încălzite și, prin urmare, pentru răcire sunt plasate în fluxul de răcire (3 - canal de răcire). Zona activă este înconjurată de un reflector care reduce scurgerea neutronilor. Controlul reacției în lanț se realizează prin tije speciale de control 5 din materiale care absorb puternic neutronii. Parametrii reactorului sunt calculați astfel încât, cu tije introduse complet, reacția cu siguranță nu se întâmplă. Odată cu îndepărtarea treptată a barelor, factorul de multiplicare al neutronilor crește și, la unele dintre pozițiile lor, ajunge la unitate. În acest moment, reactorul începe să funcționeze. Pe măsură ce reactorul funcționează, cantitatea de material fisionabil din nucleu scade și apar fragmente de fisiune, dintre care pot exista absorbanți puternici de neutroni. Pentru ca reacția să nu înceteze, tijele de control sunt extrase treptat din miez prin intermediul unui dispozitiv automat. O astfel de control al reacțiilor este posibil datorită existenței neutronilor întârziate emise de nucleele de fissionare cu o întârziere de până la 1 min. Când combustibilul nuclear arde, reacția se oprește. Înainte de noua lansare a reactorului, combustibilul nuclear ars este recuperat și este încărcat unul nou. În reactor există și tije de urgență, introducerea cărora termină imediat reacția. Reactorul nuclear este o sursă puternică de radiații penetrante, care depășesc aproximativ standardele sanitare. Prin urmare, orice reactor are un scut biologic - un sistem de ecrane de materiale de protecție (de exemplu, beton, plumb, apă) - amplasat în spatele reflectorului și un control la distanță.
Pentru prima dată, energia nucleară în scopuri pașnice a fost folosită în URSS. În Obninsk, în 1954, sub conducerea lui Kurchatov a pus în funcțiune prima centrală nucleară cu o capacitate de 5 MW.
Cu toate acestea, reactoarele de uraniu pe neutronii termici pot rezolva sarcina alimentării cu energie la scară limitată, determinată de cantitatea de uraniu.
Cea mai promițătoare modalitate de dezvoltare a energiei nucleare este dezvoltarea unor reactoare rapide cu neutroni, așa-numitele reactoare de reproducere. Un astfel de reactor produce mai mult combustibil nuclear decât consumă. Reacția are loc pe neutronii rapizi, prin urmare, nu numai, ci și poate participa la aceasta. care se transformă în. Acestea din urmă pot fi separate chimic de la. Acest proces se numește reproducerea combustibilului nuclear. În cazul reactorilor speciali de creștere a reproducerii, rata de reproducere a combustibilului nuclear depășește unu. Zona activă a crescătorilor este un aliaj de uraniu îmbogățit cu izotopi. cu un metal greu care absoarbe puțin neutroni. În reactoarele de reproducere nu există nici un retardator. Controlul unor astfel de reactoare prin deplasarea reflectorului sau prin schimbarea masei materialului fisionabil.
Reacția de fuziune termonucleară a nucleelor ușoare
Când nucleele se îmbină, se eliberează o energie uriașă, deoarece energia obligatorie a nucleelor mai grele este mai mare decât în plămâni. Nucleele care fuzionează poartă sarcini pozitive, astfel că se confruntă cu forțe enorme de repulsie Coulomb. Energia unei astfel de repulsii pentru două nuclee este egală cu:
Această energie corespunde temperaturii K. Când nucleul se apropie la o distanță m, forțele nucleare de atracție a nucleonilor încep să acționeze.
Pentru a depăși forțele repulsive Coulomb, energia mișcării relative a nucleelor este mărită prin creșterea temperaturilor. Prin urmare, sinteza nucleelor ușoare se numește termonucleară, deoarece are loc la temperaturi ridicate.
La temperatura K apar următoarele reacții:
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: