To, co nazywa się reakcją rozszczepienia jądra. Rozszczepienie jądra uranu

Klasa

Lekcja #42-43

Reakcja łańcuchowa rozszczepienie jąder uranu. Energia jądrowa i ekologia. Radioaktywność. Pół życia.

Reakcje jądrowe

Reakcja jądrowa to proces interakcji jądro atomowe z innym rdzeniem lub cząstka elementarna, której towarzyszy zmiana składu i struktury jądra oraz uwolnienie cząstek wtórnych lub kwantów γ.

W wyniku reakcji jądrowych mogą powstać nowe izotopy promieniotwórcze, których nie ma na Ziemi w żywy.

Pierwsza reakcja jądrowa została przeprowadzona przez E. Rutherforda w 1919 roku w eksperymentach wykrywających protony w produktach rozpadu jądrowego (patrz § 9.5). Rutherford bombardował atomy azotu cząstkami alfa. Kiedy cząstki zderzyły się, nastąpiła reakcja jądrowa, która przebiegała według następującego schematu:

Podczas reakcji jądrowych kilka prawa ochrony: pęd, energia, moment pędu, ładunek. Oprócz tych klasycznych praw zachowania, w reakcjach jądrowych obowiązuje tak zwane prawo zachowania. ładunek barionowy(czyli liczba nukleonów - protonów i neutronów). Istnieje również szereg innych praw zachowania charakterystycznych dla fizyki jądrowej i fizyki cząstek elementarnych.

Reakcje jądrowe mogą zachodzić, gdy atomy są bombardowane przez szybko naładowane cząstki (protony, neutrony, cząstki α, jony). Pierwsza tego typu reakcja została przeprowadzona przy użyciu wysokoenergetycznych protonów otrzymanych w akceleratorze w 1932 roku:

gdzie M A i M B to masy produktów początkowych, M C i M D to masy produkty końcowe reakcje. Nazywa się wartość ΔM wada masowa. Reakcje jądrowe mogą przebiegać z uwolnieniem (Q > 0) lub z absorpcją energii (Q< 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |Q|, которая называется порогом реакции.

Aby reakcja jądrowa miała dodatnią wydajność energetyczną, specyficzna energia wiązania nukleonów w jądrach produktów początkowych powinno być mniej specyficzna energia wiązania nukleonów w jądrach produktów końcowych. Oznacza to, że ΔM musi być dodatnie.

Istnieją dwa zasadniczo różne sposoby uwalniania energii jądrowej.

1. Rozszczepienie ciężkich jąder. W przeciwieństwie do rozpadu promieniotwórczego jąder, któremu towarzyszy emisja cząstek α- lub β-, reakcje rozszczepienia są procesem, w którym niestabilne jądro dzieli się na dwa duże fragmenty o porównywalnych masach.

W 1939 roku niemieccy naukowcy O. Hahn i F. Strassmann odkryli rozszczepienie jąder uranu. Kontynuując badania rozpoczęte przez Fermiego, odkryli, że gdy uran jest bombardowany neutronami, pierwiastki części środkowej układ okresowy– radioaktywne izotopy baru (Z=56), krypton (Z=36) itp.

Uran występuje w naturze w postaci dwóch izotopów: (99,3%) i (0,7%). Podczas bombardowania neutronami jądra obu izotopów mogą rozpaść się na dwa fragmenty. W tym przypadku reakcja rozszczepienia przebiega najintensywniej z wolnymi (termicznymi) neutronami, natomiast jądra wchodzą w reakcję rozszczepienia tylko z szybkimi neutronami o energii rzędu 1 MeV.

Główne zainteresowanie energia atomowa reprezentuje reakcję rozszczepienia jądra.Obecnie znanych jest około 100 różnych izotopów o liczbach masowych od około 90 do 145, powstałych w wyniku rozszczepienia tego jądra. Dwie typowe reakcje rozszczepienia tego jądra mają postać:

Należy zauważyć, że w wyniku rozszczepienia jądrowego zainicjowanego przez neutron powstają nowe neutrony, które mogą powodować reakcje rozszczepienia w innych jądrach. Produktami rozszczepienia jąder uranu-235 mogą być również inne izotopy baru, ksenonu, strontu, rubidu itp.

Energia kinetyczna uwalniana podczas rozszczepienia jednego jądra uranu jest ogromna - około 200 MeV. Energię uwolnioną podczas rozszczepienia jądrowego można oszacować za pomocą specyficzna energia wiązania nukleony w jądrze. Energia właściwa wiązania nukleonów w jądrach o liczbie masowej A ≈ 240 wynosi około 7,6 MeV/nukleon, natomiast w jądrach o liczbie masowej A = 90–145 energia właściwa wynosi w przybliżeniu 8,5 MeV/nukleon. Dlatego rozszczepienie jądra uranu uwalnia energię rzędu 0,9 MeV/nukleon, czyli około 210 MeV na atom uranu. Przy całkowitym rozszczepieniu wszystkich jąder zawartych w 1 g uranu uwalniana jest taka sama energia, jak podczas spalania 3 ton węgla lub 2,5 tony ropy.

Produkty rozszczepienia jądra uranu są niestabilne, ponieważ zawierają znaczną nadwyżkę neutronów. Rzeczywiście, stosunek N/Z dla najcięższych jąder wynosi około 1,6 (rys. 9.6.2), dla jąder o liczbach masowych od 90 do 145 stosunek ten wynosi około 1,3–1,4. Dlatego jądra fragmentów doświadczają serii kolejnych β - rozpadów, w wyniku których liczba protonów w jądrze wzrasta, a liczba neutronów maleje, aż do powstania stabilnego jądra.

W rozszczepieniu jądra uranu-235, które jest spowodowane zderzeniem z neutronem, uwalniane są 2 lub 3 neutrony. W sprzyjających warunkach neutrony te mogą uderzać w inne jądra uranu i powodować ich rozszczepienie. Na tym etapie pojawi się już od 4 do 9 neutronów, zdolnych do powodowania nowych rozpadów jąder uranu itp. Taki proces podobny do lawiny nazywa się reakcją łańcuchową. Schemat rozwoju reakcja łańcuchowa rozszczepienie jąder uranu pokazano na ryc. 9.8.1.

Rysunek 9.8.1. Schemat rozwoju reakcji łańcuchowej.

Aby zaszła reakcja łańcuchowa, konieczne jest, aby tzw mnożnik neutronów była większa niż jeden. Innymi słowy, w każdej kolejnej generacji powinno być więcej neutronów niż w poprzedniej. O mnożniku decyduje nie tylko liczba neutronów wytwarzanych w każdym zdarzeniu elementarnym, ale także warunki, w jakich przebiega reakcja – część neutronów może zostać wchłonięta przez inne jądra lub opuścić strefę reakcji. Neutrony uwalniane podczas rozszczepiania jąder uranu-235 mogą powodować rozszczepienie jąder tego samego uranu, który stanowi zaledwie 0,7% naturalnego uranu. To stężenie jest niewystarczające do rozpoczęcia reakcji łańcuchowej. Izotop może również absorbować neutrony, ale nie zachodzi reakcja łańcuchowa.

reakcja łańcuchowa w uranie wysoka zawartość uran-235 może powstać tylko wtedy, gdy masa uranu przekroczy tzw masa Krytyczna. W małych kawałkach uranu większość neutronów, nie uderzając w żadne jądro, wylatuje. Dla czystego uranu-235 masa krytyczna wynosi około 50 kg. Masę krytyczną uranu można wielokrotnie zmniejszać, stosując tzw moderatorzy neutrony. Faktem jest, że neutrony wytwarzane podczas rozpadu jąder uranu mają zbyt duże prędkości, a prawdopodobieństwo wychwycenia wolnych neutronów przez jądra uranu-235 jest setki razy większe niż w przypadku szybkich. Najlepszym moderatorem neutronów jest ciężka woda D 2 O. Podczas interakcji z neutronami zwykła woda sama zamienia się w ciężką wodę.

Dobrym moderatorem jest też grafit, którego jądra nie absorbują neutronów. Po elastycznej interakcji z jądrami deuteru lub węgla neutrony są spowalniane do prędkości termicznych.

Zastosowanie moderatorów neutronów i specjalnej powłoki berylowej, która odbija neutrony, umożliwia zmniejszenie masy krytycznej do 250g.

W bombach atomowych dochodzi do niekontrolowanej reakcji łańcucha jądrowego, gdy szybkie połączenie dwa kawałki uranu-235, z których każdy ma masę nieco poniżej krytycznej.

Urządzenie, które utrzymuje kontrolowaną reakcję rozszczepienia jądra, nazywa się jądrowy(lub atomowy) reaktor. Schemat reaktor jądrowy na wolnych neutronach pokazano na ryc. 9.8.2.

Rysunek 9.8.2. Schemat urządzenia reaktora jądrowego.

Reakcja jądrowa zachodzi w rdzeniu reaktora, który jest wypełniony moderatorem i przebity prętami zawierającymi wzbogaconą mieszaninę izotopów uranu o wysokiej zawartości uranu-235 (do 3%). Do rdzenia wprowadzane są pręty kontrolne zawierające kadm lub bor, które intensywnie pochłaniają neutrony. Wprowadzenie prętów do rdzenia pozwala kontrolować szybkość reakcji łańcuchowej.

Rdzeń jest chłodzony pompowanym chłodziwem, którym może być woda lub metal o niskiej temperaturze topnienia (na przykład sód, który ma temperaturę topnienia 98 °C). W wytwornicy pary chłodziwo przechodzi energia cieplna woda, zamieniając ją w parę wysokie ciśnienie. Para jest przesyłana do turbiny podłączonej do generatora elektrycznego. Z turbiny para wchodzi do skraplacza. Aby uniknąć wycieku promieniowania, obwody chłodziwa I i wytwornicy pary II pracują w cyklach zamkniętych.

Turbina elektrowni jądrowej to silnik cieplny, który określa całkowitą sprawność elektrowni zgodnie z drugą zasadą termodynamiki. Dla nowoczesnych elektrowni jądrowych sprawność jest w przybliżeniu równa. Dlatego przy produkcji 1000 MW energia elektryczna moc cieplna reaktora powinna osiągnąć 3000 MW. 2000 MW musi zostać odprowadzone przez wodę chłodzącą skraplacz. Prowadzi to do lokalnego przegrzania naturalnych zbiorników wodnych i późniejszego pojawienia się problemów środowiskowych.

Jednakże, główny problem polega na zapewnieniu pełnego bezpieczeństwa radiacyjnego osób pracujących w elektrowniach jądrowych oraz zapobieganiu przypadkowym uwolnieniom substancji promieniotwórczych, które gromadzą się w dużych ilościach w rdzeniu reaktora. Wiele uwagi poświęca się temu problemowi w rozwoju reaktorów jądrowych. Niemniej jednak po wypadkach w niektórych elektrowniach jądrowych, w szczególności w elektrowni jądrowej w Pensylwanii (USA, 1979) i elektrowni jądrowej w Czarnobylu (1986), problem bezpieczeństwa energetyki jądrowej stał się szczególnie dotkliwy.

Oprócz opisanego powyżej reaktora jądrowego działającego na neutronach wolnych, duże znaczenie praktyczne mają reaktory działające bez moderatora na neutronach prędkich. W takich reaktorach paliwem jądrowym jest wzbogacona mieszanina zawierająca co najmniej 15% izotopu.Zaletą reaktorów na neutronach prędkich jest to, że podczas ich pracy jądra uranu-238, absorbujące neutrony, poprzez dwa kolejne rozpady β - zamieniają się w pluton jądra, które następnie mogą być wykorzystane jako paliwo jądrowe:

Współczynnik rozmnażania takich reaktorów osiąga 1,5, to znaczy na 1 kg uranu-235 otrzymuje się do 1,5 kg plutonu. Konwencjonalne reaktory również produkują pluton, ale w znacznie mniejszych ilościach.

Pierwszy reaktor jądrowy zbudowano w 1942 r. w USA pod kierownictwem E. Fermiego. W naszym kraju pierwszy reaktor został zbudowany w 1946 roku pod kierownictwem IV Kurchatova.

2. reakcje termojądrowe. Drugi sposób uwalniania energii jądrowej wiąże się z reakcjami syntezy jądrowej. Podczas fuzji lekkich jąder i tworzenia nowego jądra, duża liczba energia. Widać to z zależności specyficznej energii wiązania od liczby masowej A (ryc. 9.6.1). Aż do jąder o liczbie masowej około 60 specyficzna energia wiązania nukleonów wzrasta wraz ze wzrostem A. Dlatego synteza dowolnego jądra z A< 60 из более легких ядер должен сопровождаться выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза будет в этом случае меньше массы первоначальных частиц.

Nazywa się reakcje fuzji lekkich jąder reakcje termojądrowe, ponieważ mogą płynąć tylko w bardzo wysokich temperaturach. Aby dwa jądra weszły w reakcję fuzji, muszą zbliżyć się na odległość działania sił jądrowych rzędu 2·10 -15 m, pokonując elektryczne odpychanie ich dodatnich ładunków. W tym celu średnia energia kinetyczna ruch termiczny cząsteczki muszą przekraczać energię potencjalną oddziaływania kulombowskiego. Obliczenie wymaganej temperatury T do tego prowadzi do wartości rzędu 108 –10 9 K. Jest to ekstremalnie wysoka temperatura. W tej temperaturze substancja znajduje się w stanie w pełni zjonizowanym, który nazywa się osocze.

Energia uwalniana w reakcjach termojądrowych na nukleon jest kilkakrotnie wyższa niż energia właściwa uwalniana w reakcjach łańcuchowych rozszczepienia jądra. Na przykład w reakcji fuzji jąder deuteru i trytu

Uwalnia się 3,5 MeV/nukleon. Łącznie w tej reakcji uwalniane jest 17,6 MeV. To jedna z najbardziej obiecujących reakcji termojądrowych.

Realizacja kontrolowane reakcje termojądrowe da ludzkości nowe, przyjazne dla środowiska i praktycznie niewyczerpane źródło energii. Jednak uzyskanie ultrawysokich temperatur i podgrzanie plazmy do miliarda stopni to najtrudniejsze naukowo-techniczne zadanie na drodze do wdrożenia kontrolowanej fuzji termojądrowej.

Na ten etap rozwój nauki i technologii był tylko niekontrolowana reakcja fuzji w bombie wodorowej. Wysoką temperaturę wymaganą do fuzji jądrowej osiąga się tutaj poprzez detonację konwencjonalnej bomby uranowej lub plutonowej.

Reakcje termojądrowe odgrywają niezwykle ważną rolę w ewolucji wszechświata. Energia promieniowania Słońca i gwiazd ma pochodzenie termojądrowe.

Radioaktywność

Prawie 90% znanych 2500 jąder atomowych jest niestabilnych. Niestabilne jądro samorzutnie przekształca się w inne jądra z emisją cząstek. Ta właściwość jąder nazywa się radioaktywność. W przypadku dużych jąder niestabilność powstaje w wyniku konkurencji między przyciąganiem nukleonów przez siły jądrowe a kulombowskim odpychaniem protonów. Nie ma stabilnych jąder o liczbie ładunku Z > 83 i liczbie masowej A > 209. Ale jądra atomowe o znacznie niższych liczbach Z i A mogą również okazać się radioaktywne. Jeśli jądro zawiera znacznie więcej protonów niż neutronów, powoduje to niestabilność przez nadmiar energii oddziaływania kulombowskiego . Jądra, które zawierałyby duży nadmiar neutronów w stosunku do liczby protonów, są niestabilne ze względu na fakt, że masa neutronu przekracza masę protonu. Wzrost masy jądra prowadzi do wzrostu jego energii.

Zjawisko radioaktywności odkrył w 1896 roku francuski fizyk A. Becquerel, który odkrył, że sole uranu emitują nieznane promieniowanie, które może przenikać przez bariery nieprzezroczyste dla światła i powodować zaczernienie emulsji fotograficznej. Dwa lata później francuscy fizycy M. i P. Curie odkryli promieniotwórczość toru i odkryli dwa nowe pierwiastki promieniotwórcze - polon i rad

W kolejnych latach wielu fizyków, w tym E. Rutherford i jego uczniowie, zajmowało się badaniem natury promieniowania radioaktywnego. Stwierdzono, że jądra promieniotwórcze mogą emitować cząstki trzech typów: naładowanych dodatnio i ujemnie oraz obojętnych. Te trzy rodzaje promieniowania nazwano promieniowaniem α-, β- i γ. Na ryc. 9.7.1 przedstawia schemat eksperymentu, który umożliwia wykrycie złożonego składu promieniowania radioaktywnego. W polu magnetycznym promienie α i β odchylają się w przeciwnych kierunkach, a promienie β odchylają się znacznie bardziej. Promienie γ w polu magnetycznym w ogóle nie odbiegają.

Te trzy rodzaje promieniowania radioaktywnego znacznie różnią się między sobą zdolnością do jonizacji atomów materii, a co za tym idzie, zdolnością przenikania. Promieniowanie α ma najmniejszą moc przenikania. W powietrzu, w normalnych warunkach, promienie α przemieszczają się na odległość kilku centymetrów. Promienie β są znacznie mniej absorbowane przez materię. Są w stanie przejść przez warstwę aluminium o grubości kilku milimetrów. Promienie γ mają największą zdolność przenikania, będąc w stanie przejść przez warstwę ołowiu o grubości 5–10 cm.

W drugiej dekadzie XX wieku po odkryciu przez E. Rutherforda struktura jądrowa atomów, ustalono, że radioaktywność jest właściwość jąder atomowych. Badania wykazały, że promienie α reprezentują strumień cząstek α ​​- jądra helu, promienie β to strumień elektronów, promienie γ reprezentują fale krótkie promieniowanie elektromagnetyczne o ekstremalnie krótkiej długości fali λ< 10 –10 м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами, то есть является потоком частиц – γ-квантов.

Rozpad alfa. Rozpad alfa to spontaniczna transformacja jądra atomowego o liczbie protonów Z i neutronów N w inne jądro (córki) zawierające liczbę protonów Z - 2 i neutronów N - 2. W tym przypadku emitowana jest cząstka α - jądro atomu helu. Przykładem takiego procesu jest rozpad α radu:

Cząstki alfa emitowane przez jądra atomów radu zostały wykorzystane przez Rutherforda w eksperymentach nad rozpraszaniem przez jądra pierwiastków ciężkich. Prędkość cząstek α ​​emitowanych podczas rozpadu α ​​jąder radu, mierzona wzdłuż krzywizny trajektorii w polu magnetycznym, wynosi w przybliżeniu 1,5 10 7 m/s, a odpowiadająca im energia kinetyczna wynosi około 7,5 10 -13 J (około 4,8 MeV). Wartość tę można łatwo określić na podstawie znane wartości masy jądra macierzystego i potomnego oraz jądra helu. Chociaż prędkość wyrzuconej cząstki α jest ogromna, nadal wynosi tylko 5% prędkości światła, więc w obliczeniach można użyć nierelatywistycznego wyrażenia na energię kinetyczną.

Badania wykazały, że substancja radioaktywna może emitować cząstki α o kilku dyskretnych wartościach energii. Tłumaczy się to tym, że jądra mogą znajdować się, podobnie jak atomy, w różnych stanach wzbudzonych. Jądro potomne może znajdować się w jednym z tych stanów wzbudzonych podczas rozpadu α. Podczas późniejszego przejścia tego jądra do stanu podstawowego emitowany jest kwant γ. Schemat rozpadu radu α ​​z emisją cząstek α ​​o dwóch wartościach energii kinetycznych pokazano na ryc. 9.7.2.

Tak więc rozpadowi α jąder towarzyszy w wielu przypadkach promieniowanie γ.

W teorii rozpadu α ​​zakłada się, że wewnątrz jądra mogą tworzyć się grupy składające się z dwóch protonów i dwóch neutronów, czyli cząstki α. Jądro macierzyste jest dla cząstek α potencjalna dziura, który jest ograniczony potencjalna bariera. Energia cząstki α w jądrze jest niewystarczająca do pokonania tej bariery (ryc. 9.7.3). Wyrzucenie cząstki α z jądra jest możliwe tylko dzięki zjawisku mechaniki kwantowej zwanemu efekt tunelowy. Według mechanika kwantowa, istnieje niezerowe prawdopodobieństwo przejścia cząstki pod barierą potencjału. Zjawisko tunelowania ma charakter probabilistyczny.

Rozpad beta. W rozpadzie beta z jądra emitowany jest elektron. Wewnątrz jąder elektrony nie mogą istnieć (patrz § 9.5), powstają podczas rozpadu β w wyniku przemiany neutronu w proton. Proces ten może zachodzić nie tylko wewnątrz jądra, ale także w przypadku wolnych neutronów. Średni czas życia wolnego neutronu wynosi około 15 minut. Kiedy neutron rozpada się na proton i elektron

Pomiary wykazały, że w tym procesie dochodzi do wyraźnego naruszenia prawa zachowania energii, ponieważ całkowita energia protonu i elektronu powstająca w wyniku rozpadu neutronu jest mniejsza niż energia neutronu. W 1931 r. W. Pauli zasugerował, że podczas rozpadu neutronu uwalniana jest inna cząstka o zerowej masie i ładunku, która zabiera ze sobą część energii. Nowa cząsteczka nosi nazwę neutrin(mały neutron). Ze względu na brak ładunku i masy w neutrinie, cząsteczka ta bardzo słabo oddziałuje z atomami materii, więc niezwykle trudno jest ją wykryć w eksperymencie. Zdolność jonizacyjna neutrin jest tak mała, że ​​jeden akt jonizacji w powietrzu spada na około 500 km toru. Cząstka ta została odkryta dopiero w 1953 roku. Obecnie wiadomo, że istnieje kilka odmian neutrin. W procesie rozpadu neutronów powstaje cząstka, która nazywa się elektroniczne antyneutrino. Jest to oznaczone symbolem W związku z tym reakcja rozpadu neutronów jest zapisana jako

Podobny proces zachodzi również wewnątrz jąder podczas rozpadu β. Elektron powstały w wyniku rozpadu jednego z neutronów jądrowych jest natychmiast wyrzucany z „domu macierzystego” (jądra) z ogromną prędkością, która może różnić się od prędkości światła tylko o ułamek procenta. Ponieważ rozkład energii uwalnianej podczas rozpadu β między elektronem, neutrinem i jądrem potomnym jest przypadkowy, β-elektrony mogą mieć różne prędkości w szerokim zakresie.

W rozpadzie β numer obciążenia Z wzrasta o jeden, podczas gdy liczba masowa A pozostaje niezmieniona. Okazuje się, że jądro potomne jest jądrem jednego z izotopów pierwiastka, którego numer seryjny w układzie okresowym jest o jeden wyższy od numeru seryjnego jądra pierwotnego. Typowy przykładβ-rozpad może służyć jako przemiana izotonu toru powstającego z rozpadu α ​​uranu w pallad

Zanik gamma. W przeciwieństwie do radioaktywności α i β, radioaktywność γ jąder nie jest związana ze zmianą struktury wewnętrznej jądra i nie towarzyszy jej zmiana wartości ładunku lub liczby mas. Zarówno w rozpadzie α, jak i β jądro potomne może być w pewnym stanie wzbudzonym i mieć nadmiar energii. Przejściu jądra ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego towarzyszy emisja jednego lub kilku kwantów γ, których energia może osiągnąć kilka MeV.

Prawo rozpadu promieniotwórczego. Każda próbka materiału radioaktywnego zawiera ogromną liczbę radioaktywnych atomów. Ponieważ rozpad promieniotwórczy jest losowy i nie zależy od warunki zewnętrzne, to prawo zmniejszania liczby N(t) nierozłożonego k obecna chwila czas t jąder może służyć jako ważna cecha statystyczna procesu rozpadu promieniotwórczego.

Niech liczba nierozłożonych jąder N(t) zmieni się o ΔN w krótkim okresie czasu Δt< 0. Так как вероятность распада каждого ядра неизменна во времени, что число распадов будет пропорционально количеству ядер N(t) и промежутку времени Δt:

Współczynnik proporcjonalności λ to prawdopodobieństwo rozpadu jądra w czasie Δt = 1 s. Wzór ten oznacza, że ​​tempo zmian funkcji N(t) jest wprost proporcjonalne do samej funkcji.

gdzie N 0 jest początkową liczbą jąder promieniotwórczych w t = 0. W czasie τ = 1 / λ liczba nierozłożonych jąder zmniejszy się o e 2,7 razy. Wartość τ nazywa się średni czas życia jądro promieniotwórcze.

Ze względów praktycznych wygodnie jest napisać prawo rozpadu promieniotwórczego w innej postaci, używając jako podstawy liczby 2, a nie e:

Wartość T nazywa się pół życia. W czasie T rozpada się połowa początkowej liczby jąder promieniotwórczych. Wartości T i τ są powiązane relacją

Okres półtrwania jest główną wielkością charakteryzującą szybkość rozpadu promieniotwórczego. Im krótszy okres półtrwania, tym intensywniejszy rozpad. Tak więc dla uranu T 4,5 miliarda lat, a dla radu T 1600 lat. Dlatego aktywność radu jest znacznie wyższa niż uranu. Istnieją pierwiastki promieniotwórcze, których okres półtrwania wynosi ułamek sekundy.

Nie występuje w warunkach naturalnych, kończy się bizmutem Ta seria rozpadów promieniotwórczych występuje w reaktor nuklearny.

Ciekawa aplikacja radioaktywność to metoda datowania znalezisk archeologicznych i geologicznych na podstawie stężenia izotopów promieniotwórczych. Najczęściej stosowaną metodą jest datowanie radiowęglowe. Niestabilny izotop węgla występuje w atmosferze w wyniku reakcji jądrowych wywołanych promieniowaniem kosmicznym. Niewielki procent tego izotopu znajduje się w powietrzu wraz ze zwykłym stabilnym izotopem.Rośliny i inne organizmy zużywają węgiel z powietrza i gromadzą oba izotopy w takiej samej proporcji jak w powietrzu. Po śmierci rośliny przestają zużywać węgiel, a w wyniku rozpadu β niestabilny izotop stopniowo zamienia się w azot o okresie półtrwania 5730 lat. sposób dokładny pomiar Względne stężenie węgla radioaktywnego w szczątkach dawnych organizmów może determinować czas ich śmierci.

Promieniowanie radioaktywne wszelkiego rodzaju (alfa, beta, gamma, neutrony), a także promieniowanie elektromagnetyczne ( promienie rentgenowskie) mają bardzo silny biologiczny wpływ na organizmy żywe, który polega na procesach wzbudzania i jonizacji atomów i cząsteczek tworzących żywe komórki. Pod wpływem promieniowania jonizującego niszczone są złożone cząsteczki i struktury komórkowe, co prowadzi do uszkodzenia radiacyjnego organizmu. Dlatego podczas pracy z dowolnym źródłem promieniowania należy podjąć wszelkie środki, aby: ochrona przed promieniowaniem osoby, które mogą być narażone na promieniowanie.

Jednak człowiek może być narażony na promieniowanie jonizujące w warunkach domowych. Radon, obojętny, bezbarwny, radioaktywny gaz, może stanowić poważne zagrożenie dla zdrowia ludzkiego, co widać na schemacie przedstawionym na ryc. 9.7.5, radon jest produktem rozpadu α ​​radu i ma okres półtrwania T = 3,82 dni. Rad znajduje się w niewielkich ilościach w glebie, skałach i różnych konstrukcje budowlane. Pomimo stosunkowo krótkiego czasu życia, koncentracja radonu jest stale uzupełniana z powodu nowych rozpadów jąder radu, dzięki czemu radon może gromadzić się w zamkniętych przestrzeniach. Dostając się do płuc radon emituje cząstki α i zamienia się w polon, który nie jest substancją chemicznie obojętną. Następnie następuje łańcuch przemian radioaktywnych serii uranu (ryc. 9.7.5). Według Amerykańskiej Komisji ds. Bezpieczeństwa i Kontroli Radiacyjnej, przeciętny człowiek otrzymuje 55% promieniowania jonizującego z radonu i tylko 11% z usługi medyczne. Udział promieni kosmicznych wynosi około 8%. Całkowita dawka promieniowania, jaką człowiek otrzymuje w ciągu życia, jest wielokrotnie mniejsza maksymalna dopuszczalna dawka(SDA), który jest ustanowiony dla osób wykonujących określone zawody narażonych na dodatkowe narażenie na promieniowanie jonizujące.

Energia E uwalniana podczas rozszczepienia wzrasta wraz ze wzrostem Z 2 /A. Wartość Z 2 /A = 17 dla 89 Y (itru). Tych. rozszczepienie jest energetycznie korzystne dla wszystkich jąder cięższych od itru. Dlaczego większość jąder jest odporna na spontaniczne rozszczepienie? Aby odpowiedzieć na to pytanie, konieczne jest rozważenie mechanizmu podziału.

Podczas rozszczepienia zmienia się kształt jądra. Jądro kolejno przechodzi przez następujące etapy (ryc. 7.1): kula, elipsoida, hantle, dwa fragmenty w kształcie gruszki, dwa fragmenty kuliste. Jak zmienia się energia potencjalna jądra na różnych etapach rozszczepienia?
Początkowy rdzeń z powiększeniem r przybiera postać coraz bardziej wydłużonej elipsoidy rewolucji. W tym przypadku, ze względu na ewolucję kształtu jądra, o zmianie jego energii potencjalnej decyduje zmiana sumy energii powierzchniowej i kulombowskiej E p + E k. W tym przypadku energia powierzchniowa wzrasta, ponieważ powierzchnia jądra wzrasta. Energia kulombowska maleje wraz ze wzrostem średniej odległości między protonami. Jeżeli przy niewielkim odkształceniu, charakteryzującym się małym parametrem , rdzeń początkowy przyjmuje postać osiowo symetrycznej elipsoidy, to energia powierzchniowa E" p i energia Coulomba E" k w funkcji parametru odkształcenia zmieniają się w następujący sposób:

W proporcjach (7,4–7,5) mi n i mi k są powierzchniowymi i kulombowskimi energiami początkowego sferycznie symetrycznego jądra.
W rejonie ciężkich jąder 2E n > Ek, a suma energii powierzchniowej i kulombowskiej rośnie wraz ze wzrostem . Z (7.4) i (7.5) wynika, że ​​przy niewielkich odkształceniach wzrost energii powierzchniowej zapobiega dalszej zmianie kształtu jądra iw konsekwencji rozszczepieniu.
Zależność (7.5) obowiązuje dla małych szczepów. Jeśli deformacja jest tak duża, że ​​jądro przybiera postać wiosełka, to siły powierzchniowe i kulombowskie mają tendencję do rozdzielania jądra i nadawania fragmentom kulistego kształtu. Tak więc, wraz ze stopniowym wzrostem odkształcenia jądra, jego energia potencjalna przechodzi przez maksimum. Wykres energii powierzchniowej i kulombowskiej jądra w funkcji r pokazano na ryc. 7.2.

Obecność potencjalnej bariery zapobiega natychmiastowemu spontanicznemu rozszczepieniu jądra. Aby jądro się rozszczepiło, trzeba mu podać energię Q przekraczającą wysokość bariery rozszczepienia H. Maksymalna energia potencjalna rozszczepialnego jądra E + H (np. złota) na dwa identyczne fragmenty wynosi ≈ 173 MeV , a energia E uwalniana podczas rozszczepienia wynosi 132 MeV . Tak więc podczas rozszczepiania jądra złota konieczne jest pokonanie potencjalnej bariery o wysokości około 40 MeV.
Wysokość bariery rozszczepienia H jest tym większa, im mniejszy jest stosunek energii kulombowskiej i powierzchniowej E do /Ep w początkowym jądrze. Ten stosunek z kolei rośnie wraz ze wzrostem parametru podziału Z 2 /A (7,3). Im cięższe jądro, tym mniejsza wysokość bariery rozszczepienia H, ponieważ parametr rozszczepienia, przy założeniu, że Z jest proporcjonalny do A, wzrasta wraz ze wzrostem liczby masowej:

E k / E p \u003d (a 3 Z 2) / (a ​​2 A) ~ A.

(7.6)

Dlatego też cięższe jądra generalnie muszą być dostarczane z mniejszą energią, aby spowodować rozszczepienie jądra.
Wysokość bariery rozszczepienia zanika przy 2E p – Ec = 0 (7,5). W tym przypadku

2E p / E k \u003d 2 (a 2 A) / (a ​​3 Z 2),

Z 2 /A \u003d 2a 2 / (a ​​3 Z 2) ≈ 49.

Zatem zgodnie z modelem kropli jądra o Z 2 /A > 49 nie mogą istnieć w przyrodzie, ponieważ powinny one spontanicznie rozdzielić się na dwa fragmenty niemal natychmiast w charakterystycznym czasie jądrowym rzędu 10–22 s. Zależności kształtu i wysokości bariery potencjału H oraz energii rozszczepienia od wartości parametru Z 2 /A przedstawiono na rys. 7.3.

Ryż. 7.3. Zależność promieniowa kształtu i wysokości bariery potencjału oraz energii rozszczepienia E przy różnych wartościach parametru Z 2 /A. Wartość E p + E k jest wykreślona na osi pionowej.

Spontaniczne rozszczepienie jądrowe z Z 2 /A< 49, для которых высота барьера H не равна нулю, с точки зрения классической физики невозможно. Однако в квантовой механике такое деление возможно за счет туннельного эффекта – прохождения осколков деления через потенциальный барьер. Оно носит название спонтанного деления. Вероятность спонтанного деления растет с увеличением параметра деления Z 2 /A, т. е. с уменьшением высоты барьера деления. В целом период спонтанного деления уменьшается при переходе от менее тяжелых ядер к более тяжелым от T 1/2 >10 21 lat dla 232 Th do 0,3 s dla 260 Rf.
Wymuszone rozszczepienie jądrowe z Z 2 /A< 49 может быть вызвано их возбуждением фотонами, нейтронами, протонами, дейтронами, a частицами и другими частицами, если вносимая в ядро энергия достаточна для преодоления барьера деления.
Minimalna wartość energii wzbudzenia jądra złożonego E* powstałego podczas wychwytywania neutronu jest równa energii wiązania neutronu w tym jądrze ε n . W tabeli 7.1 porównano wysokość bariery H i energię wiązania neutronów ε n dla izotopów Th, U, Pu utworzonych po wychwytywaniu neutronów. Energia wiązania neutronu zależy od liczby neutronów w jądrze. Ze względu na energię parowania energia wiązania parzystego neutronu jest większa niż energia wiązania nieparzystego neutronu.

Tabela 7.1

Wysokość bariery rozszczepienia H, energia wiązania neutronów ε n

Izotop	Wysokość bariery rozszczepienia H, MeV	Izotop	Energia wiązania neutronów ε n
232th	5.9	233th	4.79
233 U	5.5	234 U	6.84
235 jednostek	5.75	236 U	6.55
238 U	5.85	239	4.80
239	5.5	240 pu	6.53

charakterystyczna cecha rozszczepienie polega na tym, że fragmenty mają zwykle różne masy. W przypadku najbardziej prawdopodobnego rozszczepienia 235 U, stosunek masy odłamków wynosi średnio ~1,5. Rozkład masy fragmentów rozszczepionych 235 U przez neutrony termiczne pokazano na ryc. 7.4. Dla najbardziej prawdopodobnego rozszczepienia, ciężki fragment ma liczbę masową 139, lekki 95. Wśród produktów rozszczepienia są fragmenty o A = 72 - 161 i Z = 30 - 65. Prawdopodobieństwo rozszczepienia na dwa fragmenty równa masa nie jest równa zeru. Przy rozszczepieniu 235 U przez neutrony termiczne prawdopodobieństwo symetrycznego rozszczepienia jest około trzy rzędy wielkości mniejsze niż w przypadku najbardziej prawdopodobnego rozszczepienia na fragmenty o A = 139 i 95.
Asymetryczne rozszczepienie tłumaczy się strukturą powłoki jądra. Jądro ma tendencję do rozszczepiania się w taki sposób, że główna część nukleonów każdego fragmentu tworzy najbardziej stabilny magiczny rdzeń.
Stosunek liczby neutronów do liczby protonów w jądrze 235 U N/Z = 1,55, natomiast stabilne izotopy, których liczba masowa jest zbliżona do liczby masowej fragmentów, stosunek ten wynosi 1,25 – 1,45. W konsekwencji fragmenty rozszczepienia okazują się być silnie przeciążone neutronami i muszą być
β - radioaktywny. Dlatego fragmenty rozszczepienia doświadczają kolejnych β - rozpadów, a ładunek pierwotnego fragmentu może się zmienić o 4 - 6 jednostek. Poniżej charakterystyczny łańcuch rozpadów promieniotwórczych 97 Kr - jednego z fragmentów powstałych podczas rozszczepienia 235 U:

Wzbudzenie fragmentów, spowodowane naruszeniem stosunku liczby protonów i neutronów, charakterystyczne dla stabilnych jąder, jest również usuwane z powodu emisji szybkich neutronów rozszczepienia. Neutrony te są emitowane przez poruszające się fragmenty w czasie krótszym niż ~ 10 -14 s. Średnio w każdym przypadku rozszczepienia emitowane są 2 - 3 szybkie neutrony. Ich widmo energetyczne jest ciągłe z maksimum około 1 MeV. Średnia energia szybkiego neutronu jest bliska 2 MeV. Emisja więcej niż jednego neutronu w każdym rozszczepieniu umożliwia uzyskanie energii poprzez łańcuchową reakcję rozszczepienia jądra.
W najbardziej prawdopodobnym rozszczepieniu 235 U przez neutrony termiczne, lekki fragment (A = 95) uzyskuje energię kinetyczną ≈ 100 MeV, a ciężki (A = 139) około 67 MeV. Zatem całkowita energia kinetyczna fragmentów wynosi ≈ 167 MeV. Całkowita energia rozszczepienia w tym przypadku wynosi 200 MeV. Zatem pozostała energia (33 MeV) jest rozprowadzana między innymi produktami rozszczepienia (neutrony, elektrony i antyneutrina β - rozpadu fragmentów, γ-promieniowanie fragmentów i produktów ich rozpadu). Rozkład energii rozszczepienia między różnymi produktami podczas rozszczepiania 235 U przez neutrony termiczne podano w tabeli 7.2.

Tabela 7.2

Dystrybucja energii rozszczepienia 235 U neutronów termicznych

Produkty rozszczepienia jądrowego (NF) to złożona mieszanina ponad 200 radioaktywnych izotopów 36 pierwiastków (od cynku do gadolinu). Większość aktywności składa się z krótkożyciowych radionuklidów. Tak więc po 7, 49 i 343 dniach od wybuchu aktywność PND zmniejsza się odpowiednio 10, 100 i 1000 razy w porównaniu z aktywnością godzinę po wybuchu. Wydajność najbardziej znaczących biologicznie radionuklidów podano w tabeli 7.3. Oprócz PND skażenie radioaktywne wywołują radionuklidy o indukowanej aktywności (3 H, 14 C, 28 Al, 24 Na, 56 Mn, 59 Fe, 60 Co itd.) oraz niepodzielną część uranu i plutonu. Szczególnie duża jest rola aktywności indukowanej w wybuchach termojądrowych.

Tabela 7.3

Uwolnienie niektórych produktów rozszczepienia w wybuchu jądrowym

Radionuklid	Pół życia	Wydajność na działkę, %	Aktywność na 1 Mt, 10 15 Bq
89Sr	50,5 dni	2.56	590
90Sr	29.12 lat	3.5	3.9
95 Zr	65 dni	5.07	920
103 Rui	41 dni	5.2	1500
106 rui	365 dni	2.44	78
131	8.05 dni	2.9	4200
136Cs	13,2 dni	0.036	32
137Cs	30 lat	5.57	5.9
140 ba	12,8 dni	5.18	4700
141Cs	32,5 dni	4.58	1600
144Cs	288 dni	4.69	190
3H	12,3 lat	0.01	2,6 10 -2

Podczas wybuchów jądrowych w atmosferze znaczna część opadów (do 50% w wybuchach naziemnych) spada w pobliżu obszaru testowego. Część substancji radioaktywnych jest zatrzymywana w dolnej części atmosfery i pod wpływem wiatru przemieszcza się na duże odległości, pozostając w przybliżeniu na tej samej szerokości geograficznej. Będąc w powietrzu przez około miesiąc, substancje radioaktywne podczas tego ruchu stopniowo opadają na Ziemię. Większość radionuklidów jest uwalniana do stratosfery (na wysokość 10÷15 km), gdzie ulegają globalnemu rozproszeniu iw znacznym stopniu ulegają rozkładowi.
Różne elementy konstrukcji reaktorów jądrowych mają wysoką aktywność od dziesięcioleci (tabela 7.4)

Tabela 7.4

Wartości aktywności właściwej (Bq/t uranu) głównych produktów rozszczepienia w elementach paliwowych usuniętych z reaktora po trzech latach eksploatacji

Radionuklid	0	1 dzień	120 dni	1 rok		10 lat
85 kr	5. 78· 10 14	5. 78· 10 14	5. 66· 10 14	5. 42· 10 14	4. 7· 10 14	3. 03· 10 14
89Sr	4. 04· 10 16	3. 98· 10 16	5. 78· 10 15	2. 7· 10 14	1. 2· 10 10
90Sr	3. 51· 10 15	3. 51· 10 15	3. 48· 10 15	3. 43· 10 15	3. 26· 10 15	2. 75· 10 15
95 Zr	7. 29· 10 16	7. 21· 10 16	1. 99· 10 16	1. 4· 10 15	5. 14· 10 11
95Nb	7. 23· 10 16	7. 23· 10 16	3. 57· 10 16	3. 03· 10 15	1. 14· 10 12
103 Rui	7. 08· 10 16	6. 95· 10 16	8. 55· 10 15	1. 14· 10 14	2. 97· 10 8
106 rui	2. 37· 10 16	2. 37· 10 16	1. 89· 10 16	1. 19· 10 16	3. 02· 10 15	2. 46· 10 13
131	4. 49· 10 16	4. 19· 10 16	1. 5· 10 12	1. 01· 10 3
134Cs	7. 50· 10 15	7. 50· 10 15	6. 71· 10 15	5. 36· 10 15	2. 73· 10 15	2. 6· 10 14
137Cs	4. 69· 10 15	4. 69· 10 15	4. 65· 10 15	4. 58· 10 15	4. 38· 10 15	3. 73· 10 15
140 ba	7. 93· 10 16	7. 51· 10 16	1. 19· 10 14	2. 03· 10 8
140la	8. 19· 10 16	8. 05· 10 16	1. 37· 10 14	2. 34· 10 8
141 Ce	7. 36· 10 16	7. 25· 10 16	5. 73· 10 15	3. 08· 10 13	5. 33· 10 6
144 ce	5. 44· 10 16	5. 44· 10 16	4. 06· 10 16	2. 24· 10 16	3. 77· 10 15	7. 43· 10 12
143 po południu	6. 77· 10 16	6. 70· 10 16	1. 65· 10 14	6. 11· 10 8
147 po południu	7. 05 10 15	7. 05· 10 15	6. 78· 10 15	5. 68· 10 15	3. 35· 10 14

Rozszczepienie jąder uranu poprzez bombardowanie ich neutronami odkryli w 1939 roku niemieccy naukowcy Otto Hahn i Fritz Strassmann.

Otto Hahn (1879-1968)
Niemiecki fizyk, pionierski naukowiec w dziedzinie radiochemii. Odkrył rozszczepienie uranu, szereg pierwiastków promieniotwórczych

Fritz Strassmann (1902-1980)
Niemiecki fizyk i chemik. Prace dotyczą chemii jądrowej, rozszczepienia jądrowego. Dał dowód chemiczny procesowi rozszczepienia

Rozważmy mechanizm tego zjawiska. Rysunek 162, konwencjonalnie przedstawia jądro atomu uranu. Po wchłonięciu dodatkowego neutronu jądro ulega wzbudzeniu i deformacji, przybierając wydłużony kształt (ryc. 162, b).

Ryż. 162. Proces rozszczepienia jądra uranu pod wpływem wpadłego do niego neutronu

Wiesz już, że w jądrze działają dwa rodzaje sił: elektrostatyczne siły odpychające między protonami, które mają tendencję do rozbijania jądra, oraz jądrowe siły przyciągania między wszystkimi nukleonami, dzięki którym jądro się nie rozpada. Ale siły jądrowe są bliskiego zasięgu, dlatego w wydłużonym jądrze nie mogą już utrzymywać części jądra, które są bardzo od siebie oddalone. Pod działaniem elektrostatycznych sił odpychających jądro rozrywa się na dwie części (ryc. 162, c), które rozpraszają się w różnych kierunkach z dużą prędkością i emitują 2-3 neutrony.

Okazuje się, że część energii wewnętrznej jądra zamieniana jest na energię kinetyczną latających fragmentów i cząstek. Fragmenty ulegają gwałtownemu wyhamowaniu w środowisku, w wyniku czego ich energia kinetyczna zamieniana jest na energię wewnętrzną ośrodka (tj. w energię oddziaływania i ruchu termicznego jego składowych cząstek).

Przy jednoczesnym rozszczepieniu dużej liczby jąder uranu energia wewnętrznaśrodowisko otaczające uran i odpowiednio jego temperatura wyraźnie wzrasta (tj. środowisko się nagrzewa).

W ten sposób reakcja rozszczepienia jąder uranu przebiega z uwolnieniem energii w środowisko.

Energia zawarta w jądrach atomów jest kolosalna. Na przykład przy całkowitym rozszczepieniu wszystkich jąder obecnych w 1 g uranu uwolniona zostanie taka sama ilość energii, jaka jest uwalniana podczas spalania 2,5 tony ropy. Do zamiany energii wewnętrznej jąder atomowych na energię elektryczną elektrownie jądrowe wykorzystują tzw reakcje łańcuchowe rozszczepienia jądrowego.

Rozważmy mechanizm reakcji łańcuchowej rozszczepienia jądrowego izotopu uranu. Jądro atomu uranu (ryc. 163) w wyniku wychwycenia neutronu zostało podzielone na dwie części, emitując jednocześnie trzy neutrony. Dwa z tych neutronów spowodowały reakcję rozszczepienia dwóch kolejnych jąder, wytwarzając w ten sposób cztery neutrony. Te z kolei spowodowały rozszczepienie czterech jąder, po czym powstało dziewięć neutronów itd.

Reakcja łańcuchowa jest możliwa dzięki temu, że podczas rozszczepiania każdego jądra powstają 2-3 neutrony, które mogą brać udział w rozszczepieniu innych jąder.

Rysunek 163 przedstawia schemat reakcji łańcuchowej, w którym Łączna Ilość wolnych neutronów w kawałku uranu rośnie z czasem jak lawina. W związku z tym gwałtownie wzrasta liczba rozszczepień jądrowych i energia uwalniana w jednostce czasu. Dlatego taka reakcja jest wybuchowa (zachodzi w bombie atomowej).

Ryż. 163. Reakcja łańcuchowa rozszczepienia jąder uranu

Możliwa jest inna opcja, w której liczba wolnych neutronów maleje wraz z upływem czasu. W takim przypadku reakcja łańcuchowa zatrzymuje się. Dlatego taka reakcja nie może być również wykorzystana do wytwarzania energii elektrycznej.

W celach pokojowych możliwe jest wykorzystanie energii tylko takiej reakcji łańcuchowej, w której liczba neutronów nie zmienia się w czasie.

Jak zapewnić, aby liczba neutronów pozostawała przez cały czas stała? Aby rozwiązać ten problem, musisz wiedzieć, jakie czynniki wpływają na wzrost i spadek całkowitej liczby wolnych neutronów w kawałku uranu, w którym zachodzi reakcja łańcuchowa.

Jednym z takich czynników jest masa uranu. Faktem jest, że nie każdy neutron emitowany podczas rozszczepienia jądra powoduje rozszczepienie innych jąder (patrz ryc. 163). Jeśli masa (a tym samym wielkość) kawałka uranu jest zbyt mała, to wyleci z niego wiele neutronów, nie mając czasu na spotkanie z jądrem na swojej drodze, spowoduje jego rozszczepienie i tym samym wygeneruje nową generację neutrony niezbędne do kontynuowania reakcji. W takim przypadku reakcja łańcuchowa zostanie zatrzymana. Aby reakcja nie ustała, konieczne jest zwiększenie masy uranu do pewna wartość nazywa krytyczny.

Dlaczego reakcja łańcuchowa staje się możliwa wraz ze wzrostem masy? Im większa masa kawałka, tym większe są jego wymiary i dłuższa droga, jaką pokonują w niej neutrony. W tym przypadku wzrasta prawdopodobieństwo spotkania neutronów z jądrami. W związku z tym wzrasta liczba rozszczepień jądrowych i liczba emitowanych neutronów.

Przy masie krytycznej uranu liczba neutronów wytworzonych podczas rozszczepienia jądrowego staje się równa liczbie neutronów utraconych (tj. wychwyconych przez jądra bez rozszczepienia i wydostających się z kawałka).

Dlatego ich łączna liczba pozostaje niezmieniona. W takim przypadku może zajść reakcja łańcuchowa długi czas, bez zatrzymywania się i bez nabierania charakteru wybuchowego.

• Najmniejsza masa uranu, przy której możliwa jest reakcja łańcuchowa, nazywana jest masą krytyczną.

Jeśli masa uranu jest większa niż krytyczna, to w wyniku gwałtownego wzrostu liczby wolnych neutronów reakcja łańcuchowa prowadzi do wybuchu, a jeśli jest mniejsza niż krytyczna, reakcja nie przebiega z powodu brak wolnych neutronów.

Utratę neutronów (wylatujących z uranu bez reakcji z jądrami) można ograniczyć nie tylko poprzez zwiększenie masy uranu, ale także przez zastosowanie specjalnej powłoki odbijającej. Aby to zrobić, kawałek uranu umieszcza się w powłoce wykonanej z substancji, która dobrze odbija neutrony (na przykład beryl). Odbite od tej powłoki neutrony wracają do uranu i mogą brać udział w rozszczepieniu jądra.

Istnieje kilka innych czynników, od których zależy możliwość reakcji łańcuchowej. Na przykład, jeśli kawałek uranu zawiera zbyt dużo zanieczyszczeń innych pierwiastków chemicznych, wówczas pochłaniają większość neutronów i reakcja zatrzymuje się.

Obecność w uranie tzw. moderatora neutronów wpływa również na przebieg reakcji. Faktem jest, że jądra uranu-235 najprawdopodobniej rozszczepią się pod wpływem powolnych neutronów. Rozszczepienie jądrowe wytwarza szybkie neutrony. Jeśli szybkie neutrony zostaną spowolnione, to większość z nich zostanie wychwycona przez jądra uranu-235, a następnie rozszczepienie tych jąder. Substancje takie jak grafit, woda, ciężka woda (w tym deuter, izotop wodoru o liczbie masowej 2) i kilka innych są używane jako moderatory. Substancje te tylko spowalniają neutrony, prawie ich nie absorbując.

Tak więc możliwość reakcji łańcuchowej zależy od masy uranu, ilości zawartych w nim zanieczyszczeń, obecności powłoki i moderatora oraz kilku innych czynników.

Masa krytyczna kulistego kawałka uranu-235 wynosi około 50 kg. Co więcej, jego promień wynosi tylko 9 cm, ponieważ uran ma bardzo dużą gęstość.

Dzięki zastosowaniu moderatora i powłoki odblaskowej oraz zmniejszeniu ilości zanieczyszczeń możliwe jest zmniejszenie masy krytycznej uranu do 0,8 kg.

pytania

1. Dlaczego rozszczepienie jądrowe może rozpocząć się tylko wtedy, gdy ulega deformacji pod wpływem pochłoniętego neutronu?
2. Co powstaje w wyniku rozszczepienia jądra?
3. W jakiej energii przechodzi część energii wewnętrznej jądra podczas jego rozszczepienia; energia kinetyczna fragmentów jądra uranu podczas ich zwalniania w środowisku?
4. Jak przebiega reakcja rozszczepienia jąder uranu - z uwolnieniem energii do środowiska lub odwrotnie, z pochłanianiem energii?
5. Opisz mechanizm reakcji łańcuchowej, korzystając z rysunku 163.
6. Jaka jest masa krytyczna uranu?
7. Czy może zajść reakcja łańcuchowa, jeśli masa uranu jest mniejsza niż masa krytyczna; bardziej krytyczne? Czemu?

>> rozszczepienie uranu

§ 107 ROZDZIAŁ JĄDRÓW URANIUSZA

Tylko jądra niektórych ciężkich pierwiastków można podzielić na części. Podczas rozszczepiania jąder emitowane są dwa lub trzy neutrony i promienie . Jednocześnie uwalnia się dużo energii.

Odkrycie rozszczepienia uranu. Rozszczepienie jąder uranu odkryli w 1938 r. niemieccy naukowcy O. Hahn i F. Strassmanna. Ustalili, że kiedy uran jest bombardowany neutronami, powstają elementy środkowej części układu okresowego: bar, krypton itp. Jednak poprawną interpretację tego faktu właśnie jako rozszczepienie jądra uranu, które przechwyciło neutron, podano na początek 1939 roku przez fizyka angielskiego O. Frischa wraz z fizykiem austriackim L. Meitnerem.

Wychwytywanie neutronu niszczy stabilność jądra. Jądro jest wzbudzone i staje się niestabilne, co prowadzi do jego podziału na fragmenty. Rozszczepienie jądrowe jest możliwe, ponieważ masa spoczynkowa ciężkiego jądra jest większa niż suma mas spoczynkowych fragmentów, które powstają podczas rozszczepienia. Dlatego następuje uwolnienie energii równoważne zmniejszeniu masy spoczynkowej, która towarzyszy rozszczepieniu.

Możliwość rozszczepienia ciężkich jąder można również wyjaśnić za pomocą wykresu zależności energii wiązania specyficznego od liczby masowej A (patrz ryc. 13.11). Energia właściwa wiązania jąder atomowych pierwiastków zajmujących układ okresowy ostatnie miejsca(A 200), około 1 MeV mniej niż energia właściwa wiązania w jądrach pierwiastków znajdujących się w środku układu okresowego (A 100). Dlatego proces rozszczepiania ciężkich jąder na jądra pierwiastków w środkowej części układu okresowego jest energetycznie korzystny. Po rozszczepieniu system przechodzi w stan z minimalną energią wewnętrzną. W końcu im większa energia wiązania jądra, tym większa energia musi zostać uwolniona, gdy jądro powstaje, a w konsekwencji tym niższa energia wewnętrzna nowo utworzonego układu.

Podczas rozszczepienia jądrowego energia wiązania na nukleon wzrasta o 1 MeV, a całkowita uwolniona energia musi być ogromna – około 200 MeV. Pod żadnym innym reakcja nuklearna(niezwiązane z rozszczepieniem) tak duże energie nie są uwalniane.

Bezpośrednie pomiary energii uwalnianej podczas rozszczepienia jądra uranu potwierdziły powyższe rozważania i dały wartość 200 MeV. Co więcej, większość tej energii (168 MeV) przypada na energię kinetyczną fragmentów. Na rysunku 13.13 widać ślady fragmentów rozszczepialnego uranu w komorze mgłowej.

Energia uwalniana podczas rozszczepienia jądrowego ma raczej pochodzenie elektrostatyczne niż jądrowe. Duża energia kinetyczna, jaką mają fragmenty, powstaje w wyniku ich odpychania kulombowskiego.

mechanizm rozszczepienia jądrowego. Proces rozszczepienia jądra można wyjaśnić na podstawie modelu kropli jądra. Zgodnie z tym modelem wiązka nukleonów przypomina kroplę naładowanej cieczy (ryc. 13.14, a). Siły jądrowe między nukleonami są bliskiego zasięgu, podobnie jak siły działające między cząsteczkami cieczy. Wraz z silnymi siłami odpychania elektrostatycznego między protonami, które mają tendencję do rozrywania jądra, nadal występują duże siły przyciągania jądrowego. Siły te zapobiegają rozpadowi jądra.

Jądro uranu-235 jest kuliste. Po wchłonięciu dodatkowego neutronu jest wzbudzany i zaczyna się odkształcać, nabierając wydłużonego kształtu (ryc. 13.14, b). Rdzeń rozciągnie się, aż siły odpychające między połówkami wydłużonego rdzenia zaczną przeważać nad siłami przyciągania działającymi w przesmyku (ryc. 13.14, c). Następnie jest rozdarty na dwie części (ryc. 13.14, d).

Pod wpływem sił odpychających kulomba fragmenty te rozlatują się z prędkością równą 1/30 prędkości światła.

Emisja neutronów podczas rozszczepienia. Podstawowym faktem rozszczepienia jądrowego jest emisja dwóch lub trzech neutronów podczas rozszczepienia. To sprawiło, że było to możliwe praktyczne użycie energia wewnątrzjądrowa.

Z poniższych rozważań można zrozumieć, dlaczego emitowane są swobodne neutrony. Wiadomo, że stosunek liczby neutronów do liczby protonów w stabilnych jądrach rośnie wraz ze wzrostem liczby atomowej. Dlatego we fragmentach powstających podczas rozszczepienia względna liczba neutronów okazuje się większa niż dopuszczalna dla jąder atomów znajdujących się w środku układu okresowego. W rezultacie w procesie rozszczepienia uwalnianych jest kilka neutronów. Ich energia jest różne znaczenia- od kilku milionów elektronowoltów do bardzo małych, bliskich zeru.

Rozszczepienie zwykle zachodzi na fragmenty, których masy różnią się około 1,5 raza. Fragmenty te są wysoce radioaktywne, ponieważ zawierają nadmiar neutronów. W wyniku serii następujących po sobie rozpadów ostatecznie otrzymuje się stabilne izotopy.

Podsumowując, zauważamy, że zachodzi również spontaniczne rozszczepienie jąder uranu. Został odkryty przez radzieckich fizyków G. N. Flerova i K. A. Petrzhaka w 1940 roku. Okres półtrwania dla spontanicznego rozszczepienia wynosi 10 16 lat. To dwa miliony razy dłużej niż okres połowicznego rozpadu uranu.

Reakcji rozszczepienia jądrowego towarzyszy uwolnienie energii.

Treść lekcji podsumowanie lekcji wsparcie ramka prezentacja lekcji metody akceleracyjne technologie interaktywne Ćwiczyć zadania i ćwiczenia samokontrola warsztaty, szkolenia, case'y, questy praca domowa pytania do dyskusji pytania retoryczne od studentów Ilustracje audio, wideoklipy i multimedia fotografie, obrazki grafika, tabele, schematy humor, anegdoty, dowcipy, komiksy przypowieści, powiedzenia, krzyżówki, cytaty Dodatki streszczenia artykuły chipy dla dociekliwych ściągawki podręczniki podstawowe i dodatkowe słowniczek pojęć inne Doskonalenie podręczników i lekcjipoprawianie błędów w podręczniku aktualizacja fragmentu w podręczniku elementów innowacji na lekcji zastępując przestarzałą wiedzę nową Tylko dla nauczycieli doskonałe lekcje plan kalendarza przez rok wytyczne programy dyskusyjne Zintegrowane lekcje

W 1934 roku E. Fermi zdecydował się na otrzymanie pierwiastków transuranowych przez napromieniowanie 238 U neutronami. Pomysł E. Fermi był taki, że w wyniku rozpadu β - izotopu 239 U, pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej Z = 93. Nie udało się jednak zidentyfikować powstawania 93. pierwiastka. Natomiast w wyniku radiochemicznej analizy pierwiastków promieniotwórczych wykonanej przez O. Hahna i F. Strassmanna wykazano, że jednym z produktów napromieniowania uranu neutronami jest bar (Z = 56) – pierwiastek chemiczny o średniej masie atomowej , natomiast zgodnie z założeniem teorii Fermiego należało otrzymać pierwiastki transuranowe.
L. Meitner i O. Frisch zasugerowali, że w wyniku wychwycenia neutronu przez jądro uranu jądro złożone rozpada się na dwie części

92 U + n → 56 Ba + 36 Kr + xn.

Procesowi rozszczepienia uranu towarzyszy pojawienie się neutronów wtórnych (x > 1), które mogą powodować rozszczepienie innych jąder uranu, co otwiera możliwość wystąpienia łańcuchowej reakcji rozszczepienia – jeden neutron może spowodować powstanie rozgałęzionego łańcucha rozszczepienia jąder uranu. W takim przypadku liczba rozdzielonych jąder powinna rosnąć wykładniczo. N. Bohr i J. Wheeler obliczyli energię krytyczną wymaganą do rozszczepienia jądra 236 U, powstałego w wyniku wychwytywania neutronu przez izotop 235 U. Wartość ta wynosi 6,2 MeV, czyli mniej niż energia wzbudzenia izotopu 236 U utworzonego podczas wychwytywania neutronu termicznego 235 U. Dlatego też, gdy wychwytywane są neutrony termiczne, możliwa jest reakcja łańcuchowa rozszczepienia 235 U. Dla większości wspólnego izotopu 238 U, energia krytyczna wynosi 5,9 MeV, podczas gdy po wychwyceniu neutronu termicznego energia wzbudzenia powstałego jądra 239 U wynosi tylko 5,2 MeV. Dlatego reakcja łańcuchowa rozszczepienia najczęstszego w przyrodzie izotopu 238 U pod wpływem neutronów termicznych jest niemożliwa. W jednym przypadku rozszczepienia uwalniana jest energia ≈ 200 MeV (dla porównania, w reakcje chemiczne spalania w jednym akcie reakcji uwalniana jest energia ≈ 10 eV). Możliwość stworzenia warunków dla reakcji łańcuchowej rozszczepienia otworzyła perspektywy wykorzystania energii reakcji łańcuchowej do tworzenia reaktorów atomowych i broni atomowej. Pierwszy reaktor jądrowy zbudował E. Fermi w USA w 1942 r. W ZSRR pierwszy reaktor jądrowy został uruchomiony pod kierownictwem I. Kurczatowa w 1946 r. W 1954 r. W Obnińsku zaczęła działać pierwsza na świecie elektrownia jądrowa. Obecnie energia elektryczna jest wytwarzana w około 440 reaktorach jądrowych w 30 krajach na całym świecie.
W 1940 roku G. Flerov i K. Petrzhak odkryli spontaniczne rozszczepienie uranu. Poniższe ryciny świadczą o złożoności eksperymentu. Częściowy okres półtrwania w odniesieniu do samoistnego rozszczepienia izotopu 238 U wynosi 10 16 -10 17 lat, natomiast okres rozpadu izotopu 238 U wynosi 4,5-10 9 lat. Głównym kanałem rozpadu izotopu 238 U jest rozpad α. W celu zaobserwowania spontanicznego rozszczepienia izotopu 238 U konieczne było zarejestrowanie jednego rozszczepienia na tle 10 7–10 8 rozpadów α.
Prawdopodobieństwo spontanicznego rozszczepienia zależy głównie od przepuszczalności bariery rozszczepienia. Prawdopodobieństwo spontanicznego rozszczepienia wzrasta wraz ze wzrostem ładunku jądra, ponieważ. zwiększa to parametr podziału Z 2 /A. W izotopach Z< 92-95 деление происходит преимущественно с образованием двух осколков деления с отношением масс тяжёлого и лёгкого осколков 3:2. В изотопах Z >100, dominuje rozszczepienie symetryczne z tworzeniem fragmentów o tej samej masie. Wraz ze wzrostem ładunku jądra wzrasta udział spontanicznego rozszczepienia w porównaniu z rozpadem α.

Izotop	Pół życia	kanały rozpadu
235 jednostek	7.04 10 8 lat	α (100%), SF (7 10 -9%)
238 U	4,47 10 9 lat	α (100%), SF (5,5 10 -5%)
240 pu	6,56 10 3 lata	α (100%), SF (5,7 10 -6%)
242 Pu	3,75 10 5 lat	α (100%), SF (5,5 10 -4%)
246 cm	4,76 10 3 lata	α (99,97%), SF (0,03%)
252 cf	2,64 lat	α (96,91%), SF (3,09%)
254 cf	60,5 lat	α (0,31%), SF (99,69%)
256 cf	12,3 lat	α (7,04 10 -8%), SF (100%)

Rozszczepienia jądrowego. Fabuła

1934- E. Fermi, napromieniowując uran neutronami termicznymi, znalazł wśród produktów reakcji promieniotwórcze jądra, których natury nie można było ustalić.
L. Szilard wysunął ideę jądrowej reakcji łańcuchowej.

1939− O. Hahn i F. Strassmann odkryli wśród produktów reakcji bar.
L. Meitner i O. Frisch po raz pierwszy ogłosili, że pod wpływem neutronów uran został rozszczepiony na dwa fragmenty o porównywalnej masie.
N. Bohr i J. Wheeler podali ilościową interpretację rozszczepienia jądra przez wprowadzenie parametru rozszczepienia.
Ya Frenkel opracował teorię kropli rozszczepienia jądra przez powolne neutrony.
L. Szilard, E. Wigner, E. Fermi, J. Wheeler, F. Joliot-Curie, Ya Zeldovich, Yu Khariton uzasadnili możliwość zachodzącej w uranie reakcji łańcuchowej rozszczepienia jądra.

1940− G. Flerov i K. Petrzhak odkryli zjawisko samorzutnego rozszczepienia jąder U uranu.

1942− E. Fermi przeprowadził kontrolowaną reakcję łańcuchową rozszczepienia w pierwszym reaktorze atomowym.

1945− Pierwszy test broni jądrowej (Nevada, USA). Bomby atomowe zostały zrzucone na japońskie miasta Hiroszimę (6 sierpnia) i Nagasaki (9 sierpnia).

1946− Pod przewodnictwem I.V. Kurczatow, pierwszy reaktor w Europie został uruchomiony.

1954− Uruchomiono pierwszą na świecie elektrownię jądrową (Obnińsk, ZSRR).

Rozszczepienia jądrowego.Od 1934 roku E. Fermi zaczął używać neutronów do bombardowania atomów. Od tego czasu liczba stabilnych lub promieniotwórczych jąder uzyskanych w wyniku sztucznej transformacji wzrosła do kilkuset, a prawie wszystkie miejsca w układzie okresowym zostały wypełnione izotopami.
Atomy powstające we wszystkich tych reakcjach jądrowych zajmowały to samo miejsce w układzie okresowym pierwiastków, co atom bombardowany lub miejsca sąsiednie. Dlatego dowód Hahna i Strassmanna z 1938 roku na to, że kiedy neutrony bombardują ostatni element układu okresowego−uran−rozpad na pierwiastki znajdujące się w środkowych częściach układu okresowego. Występuję tutaj Różne rodzaje rozkład. Powstające atomy są w większości niestabilne i natychmiast dalej się rozpadają; niektóre mają okresy półtrwania mierzone w sekundach, więc Gan musiał złożyć wniosek Metoda analityczna Curie przedłużyć tak szybki proces. Należy zauważyć, że pierwiastki przed uranem, protaktynem i torem również wykazują podobny rozpad pod wpływem neutronów, chociaż do rozpoczęcia rozpadu wymagana jest wyższa energia neutronów niż w przypadku uranu. Wraz z tym w 1940 r. G. N. Flerov i K. A. Petrzhak odkryli spontaniczne rozszczepienie jądra uranu o najdłuższym znanym dotychczas okresie półtrwania: około 2· 10 15 lat; fakt ten staje się jasny dzięki uwalnianym w tym procesie neutronom. Można więc było zrozumieć, dlaczego „naturalny” układ okresowy kończy się na trzech nazwanych pierwiastkach. Pierwiastki transuranowe są już znane, ale są tak niestabilne, że szybko się rozkładają.
Rozszczepienie uranu za pomocą neutronów umożliwia teraz wykorzystanie energii atomowej, którą wielu już wyobrażało sobie jako „sen Juliusza Verne'a”.

M. Laue, Historia fizyki

1939 O. Hahn i F. Strassmann, napromieniowując sole uranu neutronami termicznymi, odkryli wśród produktów reakcji bar (Z = 56)

Otto Gunn (1879 – 1968)

Rozszczepienie jądrowe to rozszczepienie jądra na dwa (rzadko trzy) jądra o podobnych masach, które nazywane są fragmentami rozszczepienia. Podczas rozszczepienia powstają również inne cząstki - neutrony, elektrony, cząstki α. W wyniku rozszczepienia uwalniana jest energia ~200 MeV. Rozszczepienie może być spontaniczne lub wymuszone pod działaniem innych cząstek, najczęściej neutronów.
Charakterystyczną cechą rozszczepienia jest to, że fragmenty rozszczepienia z reguły różnią się znacznie masą, tj. dominuje rozszczepienie asymetryczne. Zatem w przypadku najbardziej prawdopodobnego rozszczepienia izotopu uranu 236 U, stosunek masy fragmentów wynosi 1,46. Ciężki fragment ma liczbę masową 139 (ksenon), a lekki fragment ma liczbę masową 95 (stront). Uwzględniając emisję dwóch szybkich neutronów, rozważana reakcja rozszczepienia ma postać

Nagroda Nobla w dziedzinie chemii
1944 - O. Gan.
Za odkrycie reakcji rozszczepienia jąder uranu przez neutrony.

Odłamki rozszczepienia

Zależność średnich mas lekkich i ciężkich grup fragmentów od masy jądra rozszczepialnego.

Odkrycie rozszczepienia jądrowego. 1939

Przyjechałem do Szwecji, gdzie Lise Meitner cierpiała na samotność i jako oddany siostrzeniec postanowiłem odwiedzić ją na Boże Narodzenie. Mieszkała w małym hotelu Kungälv niedaleko Göteborga. Złapałem ją na śniadaniu. Zastanowiła się nad listem, który właśnie otrzymała od Hana. Byłem bardzo sceptycznie nastawiony do treści listu, który donosił o powstawaniu baru przez napromieniowanie uranu neutronami. Jednak przyciągnęła ją ta okazja. Szliśmy po śniegu, ona szła, ja jeździłem na nartach (powiedziała, że ​​da radę nie zostawać za mną i to udowodniła). Pod koniec spaceru byliśmy już w stanie sformułować pewne wnioski; jądro się nie rozszczepiło, a kawałki z niego nie odleciały, ale był to proces, który przypominał raczej model kropli jądra Bohra; jak kropla jądro może się wydłużać i dzielić. Potem zbadałem, jak ładunek elektryczny nukleony zmniejszają napięcie powierzchniowe, które, jak udało mi się ustalić, spada do zera przy Z = 100 i być może jest bardzo małe dla uranu. Lise Meitner była zaangażowana w określenie energii uwalnianej podczas każdego rozpadu z powodu defektu masy. Miała bardzo jasne pojęcie o krzywej ubytku masy. Okazało się, że w wyniku odpychania elektrostatycznego elementy rozszczepienia uzyskiwałyby energię około 200 MeV, a to właśnie odpowiadało energii związanej z defektem masy. W związku z tym proces mógł przebiegać czysto klasycznie, bez koncepcji przechodzenia przez potencjalną barierę, która oczywiście okazałaby się tutaj bezużyteczna.
Spędziliśmy razem dwa lub trzy dni w Święta Bożego Narodzenia. Potem wróciłem do Kopenhagi i ledwo zdążyłem opowiedzieć Bohrowi o naszym pomyśle w chwili, gdy wsiadał już na parowiec do USA. Pamiętam, jak klepnął się w czoło, gdy tylko zacząłem mówić i wykrzyknął: „Och, jakimi byliśmy głupcami! Powinniśmy byli to zauważyć wcześniej”. Ale on nie zauważył i nikt nie zauważył.
Lise Meitner i ja napisaliśmy artykuł. Jednocześnie utrzymywaliśmy stały kontakt telefoniczny międzymiastowy Kopenhaga - Sztokholm.

O. Frisch, Pamiętniki. UFN. 1968. T. 96, nr 4, s. 697.

Spontaniczne rozszczepienie jądrowe

W eksperymentach opisanych poniżej zastosowaliśmy metodę zaproponowaną po raz pierwszy przez Frischa do rejestrowania procesów rozszczepienia jądra. Komora jonizacyjna z płytami pokrytymi warstwą tlenku uranu połączona jest ze wzmacniaczem liniowym dostrojonym w taki sposób, że cząstki α emitowane z uranu nie są rejestrowane przez system; impulsy z fragmentów, które są znacznie większe niż impulsy z cząstek α, odblokowują wyjściowy tyratron i są uważane za przekaźnik mechaniczny.
Komora jonizacyjna została specjalnie zaprojektowana w postaci wielowarstwowego płaskiego kondensatora z o łącznej powierzchni 15 płytek na 1000 cm Płytki umieszczone w odległości 3 mm od siebie zostały pokryte warstwą tlenku uranu 10-20 mg/cm 2 .
W pierwszych eksperymentach ze wzmacniaczem dostrojonym do zliczania fragmentów można było zaobserwować spontaniczne (przy braku źródła neutronów) impulsy na przekaźniku i oscyloskopie. Liczba tych impulsów była niewielka (6 na 1 godzinę) i jest więc całkiem zrozumiałe, że tego zjawiska nie można było zaobserwować w aparatach zwykłego typu ...
Mamy tendencję do myślenia, że obserwowany przez nas efekt należy przypisać fragmentom powstałym w wyniku spontanicznego rozszczepienia uranu…

Spontaniczne rozszczepienie należy przypisać jednemu z niewzbudzonych izotopów U z okresami półtrwania uzyskanymi na podstawie oceny naszych wyników:

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

Rozpad izotopów 238 U

Spontaniczne rozszczepienie jądrowe

Okresy półtrwania spontanicznie rozszczepialnych izotopów Z = 92 - 100

Pierwszy eksperymentalny system z siatką uranowo-grafitową został zbudowany w 1941 roku pod kierunkiem E. Fermiego. Był to sześcian grafitowy z żebrem o długości 2,5 m, zawierający około 7 ton tlenku uranu, zamknięty w żelaznych naczyniach, które umieszczono w sześcianie w równych odległościach od siebie. Źródło neutronów RaBe zostało umieszczone na dnie sieci uranowo-grafitowej. Mnożnik w takim systemie wyniósł ≈0,7. Tlenek uranu zawierał od 2 do 5% zanieczyszczeń. Dalsze starania skierowane były na uzyskanie więcej czyste materiały a do maja 1942 r. otrzymano tlenek uranu, w którym zanieczyszczenie było mniejsze niż 1%. Aby zapewnić reakcję łańcuchową rozszczepienia, konieczne było użycie dużej ilości grafitu i uranu - rzędu kilku ton. Zanieczyszczenia miały być mniejsze niż kilka części na milion. Reaktor, zmontowany pod koniec 1942 roku przez Fermiego na Uniwersytecie w Chicago, miał kształt niekompletnej sferoidy odciętej od góry. Zawierał 40 ton uranu i 385 ton grafitu. Wieczorem 2 grudnia 1942 r., po wyjęciu prętów pochłaniających neutrony, odkryto, że wewnątrz reaktora zachodzi łańcuchowa reakcja jądrowa. Zmierzony współczynnik wyniósł 1,0006. Początkowo reaktor pracował z mocą 0,5 W. Do 12 grudnia jego moc wzrosła do 200 watów. Następnie reaktor został przeniesiony na więcej bezpieczne miejsce, a jego moc została zwiększona do kilku kW. W tym przypadku reaktor zużywał 0,002 g uranu-235 dziennie.

Pierwszy reaktor jądrowy w ZSRR

Budynek pierwszego badawczego reaktora jądrowego F-1 w ZSRR był gotowy do czerwca 1946 roku.
Po przeprowadzeniu wszystkich niezbędnych eksperymentów opracowano system sterowania i ochrony reaktora, ustalono wymiary reaktora, przeprowadzono wszystkie niezbędne eksperymenty na modelach reaktorów, określono gęstość neutronów na kilku modelach, uzyskano bloki grafitu (tzw. czystość jądrowa) i (po kontroli neutronowo-fizycznej) bloków uranu, w listopadzie 1946 r. rozpoczęto budowę reaktora F-1.
Całkowity promień reaktora wynosił 3,8 m. Wymagało to 400 ton grafitu i 45 ton uranu. Reaktor składano warstwami, a o godzinie 15.00 dnia 25 grudnia 1946 roku złożono ostatnią, 62. warstwę. Po wydobyciu tak zwanych prętów awaryjnych pręt kontrolny został podniesiony, zaczęto liczyć gęstość neutronów, a o godzinie 18:00 25 grudnia 1946 r. Ożył pierwszy reaktor w ZSRR. To było ekscytujące zwycięstwo naukowców – twórców reaktora jądrowego i wszystkiego naród radziecki. Półtora roku później, 10 czerwca 1948 r., reaktor przemysłowy z wodą w kanałach osiągnął stan krytyczny i wkrótce rozpoczął przemysłową produkcję nowego rodzaju paliwa jądrowego - plutonu.