Ceea ce se numește reacție de fisiune nucleară. Fisiunea nucleului de uraniu

Clasă

Lecția #42-43

Reacție în lanț fisiunea nucleelor ​​de uraniu. Energie nucleară și ecologie. Radioactivitate. Jumătate de viață.

Reacții nucleare

O reacție nucleară este un proces de interacțiune nucleul atomic cu alt miez sau particulă elementară, însoțită de o modificare a compoziției și structurii nucleului și eliberarea de particule secundare sau γ-quanta.

Ca rezultat al reacțiilor nucleare, se pot forma noi izotopi radioactivi care nu se află pe Pământ vivo.

Prima reacție nucleară a fost efectuată de E. Rutherford în 1919 în experimente pentru a detecta protoni în produșii de dezintegrare nucleară (vezi § 9.5). Rutherford a bombardat atomii de azot cu particule alfa. Când particulele s-au ciocnit, a avut loc o reacție nucleară, care a decurs conform următoarei scheme:

În timpul reacțiilor nucleare, mai multe legi de conservare: moment, energie, moment unghiular, sarcină. Pe lângă aceste legi clasice de conservare, așa-numita lege de conservare este valabilă în reacțiile nucleare. sarcină barionică(adică numărul de nucleoni - protoni și neutroni). De asemenea, sunt valabile o serie de alte legi de conservare specifice fizicii nucleare și fizicii particulelor elementare.

Reacțiile nucleare pot avea loc atunci când atomii sunt bombardați de particule încărcate rapid (protoni, neutroni, particule α, ioni). Prima reacție de acest fel a fost efectuată folosind protoni de înaltă energie obținuți la accelerator în 1932:

unde M A și M B sunt masele produselor inițiale, M C și M D sunt masele produse finale reactii. Se numește valoarea ΔM defect de masă. Reacțiile nucleare pot continua cu eliberarea (Q > 0) sau cu absorbția de energie (Q< 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |Q|, которая называется порогом реакции.

Pentru ca o reacție nucleară să aibă un randament energetic pozitiv, energie de legare specifică nucleonii din nucleele produselor inițiale ar trebui să fie mai puțini energie specifică legături ale nucleonilor în nucleele produselor finale. Aceasta înseamnă că ΔM trebuie să fie pozitiv.

Există două moduri fundamental diferite de a elibera energie nucleară.

1. Fisiunea nucleelor ​​grele. Spre deosebire de dezintegrarea radioactivă a nucleelor, însoțită de emisia de particule α sau β, reacțiile de fisiune sunt un proces în care un nucleu instabil este împărțit în două fragmente mari de mase comparabile.

În 1939, oamenii de știință germani O. Hahn și F. Strassmann au descoperit fisiunea nucleelor ​​de uraniu. Continuând cercetările începute de Fermi, ei au descoperit că atunci când uraniul este bombardat cu neutroni, elemente din partea de mijloc sistem periodic– izotopi radioactivi ai bariului (Z = 56), kriptonului (Z = 36), etc.

Uraniul se găsește în natură sub formă de doi izotopi: (99,3%) și (0,7%). Când sunt bombardate de neutroni, nucleele ambilor izotopi se pot împărți în două fragmente. În acest caz, reacția de fisiune are loc cel mai intens cu neutroni lenți (termici), în timp ce nucleele intră într-o reacție de fisiune numai cu neutroni rapizi cu o energie de ordinul a 1 MeV.

Interes principal pentru energie nucleara reprezinta reactia de fisiune a unui nucleu.In prezent se cunosc aproximativ 100 de izotopi diferiti cu numere de masa de la aproximativ 90 la 145, care decurg din fisiunea acestui nucleu. Două reacții de fisiune tipice ale acestui nucleu au forma:

Rețineți că, ca urmare a fisiunii nucleare inițiate de un neutron, sunt produși noi neutroni care pot provoca reacții de fisiune în alte nuclee. Produșii de fisiune ai nucleelor ​​de uraniu-235 pot fi și alți izotopi de bariu, xenon, stronțiu, rubidiu etc.

Energia cinetică eliberată în timpul fisiunii unui nucleu de uraniu este enormă - aproximativ 200 MeV. Energia eliberată în timpul fisiunii nucleare poate fi estimată folosind energie de legare specifică nucleonii din nucleu. Energia specifică de legare a nucleonilor din nucleele cu număr de masă A ≈ 240 este de aproximativ 7,6 MeV/nucleon, în timp ce în nucleele cu numere de masă A = 90–145 energia specifică este aproximativ egală cu 8,5 MeV/nucleon. Prin urmare, fisiunea unui nucleu de uraniu eliberează o energie de ordinul a 0,9 MeV/nucleon, sau aproximativ 210 MeV per atom de uraniu. Odată cu fisiunea completă a tuturor nucleelor ​​conținute în 1 g de uraniu, se eliberează aceeași energie ca la arderea a 3 tone de cărbune sau a 2,5 tone de petrol.

Produșii de fisiune ai nucleului de uraniu sunt instabili, deoarece conțin un număr semnificativ în exces de neutroni. Într-adevăr, raportul N/Z pentru nucleele cele mai grele este de aproximativ 1,6 (Fig. 9.6.2), pentru nucleele cu numere de masă de la 90 la 145 acest raport este de aproximativ 1,3–1,4. Prin urmare, nucleele fragmentelor experimentează o serie de dezintegrari succesive β, în urma cărora numărul de protoni din nucleu crește, iar numărul de neutroni scade până când se formează un nucleu stabil.

În fisiunea unui nucleu de uraniu-235, care este cauzată de o coliziune cu un neutron, sunt eliberați 2 sau 3 neutroni. În condiții favorabile, acești neutroni pot lovi alte nuclee de uraniu și pot provoca fisiunea acestora. În această etapă, vor apărea deja de la 4 la 9 neutroni, capabili să provoace noi dezintegrari ale nucleelor ​​de uraniu etc. Un astfel de proces asemănător avalanșei se numește reacție în lanț. Schema de dezvoltare reacție în lanț fisiunea nucleelor ​​de uraniu este prezentată în fig. 9.8.1.

Figura 9.8.1. Schema de dezvoltare a unei reacții în lanț.

Pentru ca o reacție în lanț să apară, este necesar ca așa-numita factor de multiplicare a neutronilor a fost mai mare decât unul. Cu alte cuvinte, ar trebui să existe mai mulți neutroni în fiecare generație ulterioară decât în ​​cea anterioară. Factorul de multiplicare este determinat nu numai de numărul de neutroni produși în fiecare eveniment elementar, ci și de condițiile în care se desfășoară reacția - unii dintre neutroni pot fi absorbiți de alte nuclee sau pot părăsi zona de reacție. Neutronii eliberați în timpul fisiunii nucleelor ​​de uraniu-235 pot provoca doar fisiunea nucleelor ​​aceluiași uraniu, care reprezintă doar 0,7% din uraniul natural. Această concentrație este insuficientă pentru a începe o reacție în lanț. Un izotop poate absorbi și neutroni, dar nu are loc o reacție în lanț.

reacție în lanț în uraniu continut ridicat uraniul-235 se poate dezvolta numai atunci când masa de uraniu depășește așa-numita masa critica.În bucăți mici de uraniu, majoritatea neutronilor, fără să lovească niciun nucleu, zboară afară. Pentru uraniu-235 pur, masa critică este de aproximativ 50 kg. Masa critică a uraniului poate fi redusă de multe ori prin utilizarea așa-numitului moderatori neutroni. Cert este că neutronii produși în timpul dezintegrarii nucleelor ​​de uraniu au viteze prea mari, iar probabilitatea de captare a neutronilor lenți de către nucleele de uraniu-235 este de sute de ori mai mare decât cea a celor rapide. Cel mai bun moderator de neutroni este apa grea D 2 O. Când interacționează cu neutronii, apa obișnuită însăși se transformă în apă grea.

Un moderator bun este și grafitul, ale cărui nuclee nu absorb neutronii. La interacțiunea elastică cu nucleele de deuteriu sau de carbon, neutronii sunt încetiniți la viteze termice.

Utilizarea moderatorilor de neutroni și a unei învelișuri speciale de beriliu care reflectă neutronii face posibilă reducerea masei critice la 250 g.

În bombele atomice, are loc o reacție nucleară în lanț necontrolată când conexiune rapidă două bucăți de uraniu-235, fiecare având o masă puțin sub cea critică.

Un dispozitiv care menține o reacție controlată de fisiune nucleară se numește nuclear(sau atomic) reactor. Sistem reactor nuclear pe neutroni lenți este prezentată în fig. 9.8.2.

Figura 9.8.2. Schema dispozitivului unui reactor nuclear.

Reacția nucleară are loc în miezul reactorului, care este umplut cu un moderator și străpuns cu tije care conțin un amestec îmbogățit de izotopi de uraniu cu un conținut ridicat de uraniu-235 (până la 3%). În miez sunt introduse tije de control care conțin cadmiu sau bor, care absorb intens neutronii. Introducerea tijelor în miez vă permite să controlați viteza reacției în lanț.

Miezul este răcit de un lichid de răcire pompat, care poate fi apă sau un metal cu un punct de topire scăzut (de exemplu, sodiu, care are un punct de topire de 98 °C). În generatorul de abur, lichidul de răcire se transferă energie termală apă, transformând-o în abur presiune ridicata. Aburul este trimis la o turbină conectată la un generator electric. Din turbină, aburul intră în condensator. Pentru a evita scurgerea radiațiilor, circuitele lichidului de răcire I și ale generatorului de abur II funcționează în cicluri închise.

Turbina unei centrale nucleare este un motor termic care determină eficiența generală a centralei în conformitate cu cea de-a doua lege a termodinamicii. Pentru centralele nucleare moderne, eficiența este aproximativ egală. Prin urmare, pentru producția de 1000 MW putere electrica puterea termică a reactorului ar trebui să ajungă la 3000 MW. 2000 MW trebuie transportați de apa care răcește condensatorul. Acest lucru duce la supraîncălzirea locală a corpurilor naturale de apă și la apariția ulterioară a problemelor de mediu.

Dar, problema principala constă în asigurarea completă a siguranței radioactive a persoanelor care lucrează la centralele nucleare și prevenirea eliberărilor accidentale de substanțe radioactive care se acumulează în cantități mari în miezul reactorului. Se acordă multă atenție acestei probleme în dezvoltarea reactoarelor nucleare. Cu toate acestea, după accidentele de la unele centrale nucleare, în special la centrala nucleară din Pennsylvania (SUA, 1979) și la centrala nucleară de la Cernobîl (1986), problema securității energiei nucleare a devenit deosebit de acută.

Alături de reactorul nuclear descris mai sus care funcționează pe neutroni lenți, reactoarele care funcționează fără un moderator pe neutroni rapizi prezintă un mare interes practic. În astfel de reactoare, combustibilul nuclear este un amestec îmbogățit care conține cel puțin 15% din izotop.Avantajul reactoarelor cu neutroni rapidi este că în timpul funcționării lor, nucleele de uraniu-238, absorbind neutroni, prin două dezintegrari β succesive sunt transformate în plutoniu. nuclee, care apoi pot fi folosite ca combustibil nuclear:

Raportul de reproducere al unor astfel de reactoare ajunge la 1,5, adică pentru 1 kg de uraniu-235 se obține până la 1,5 kg de plutoniu. Reactoarele convenționale produc și plutoniu, dar în cantități mult mai mici.

Primul reactor nuclear a fost construit în 1942 în SUA sub conducerea lui E. Fermi. În țara noastră, primul reactor a fost construit în 1946 sub conducerea lui IV Kurchatov.

2. reacții termonucleare. A doua modalitate de a elibera energie nucleară este asociată cu reacțiile de fuziune. În timpul fuziunii nucleelor ​​ușoare și formării unui nou nucleu, un numar mare de energie. Acest lucru poate fi văzut din dependența energiei specifice de legare de numărul de masă A (Fig. 9.6.1). Până la nucleele cu un număr de masă de aproximativ 60, energia specifică de legare a nucleonilor crește odată cu creșterea A. Prin urmare, sinteza oricărui nucleu cu A< 60 из более легких ядер должен сопровождаться выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза будет в этом случае меньше массы первоначальных частиц.

Reacțiile de fuziune ale nucleelor ​​ușoare se numesc reacții termonucleare, deoarece pot curge doar la temperaturi foarte ridicate. Pentru ca doi nuclei să intre într-o reacție de fuziune, trebuie să se apropie la o distanță de acțiune a forțelor nucleare de ordinul 2·10 -15 m, depășind repulsia electrică a sarcinilor lor pozitive. Pentru aceasta, energia cinetică medie mișcarea termică moleculele trebuie să depășească energia potențială a interacțiunii Coulomb. Calculul temperaturii necesare T pentru aceasta conduce la o valoare de ordinul 10 8 –10 9 K. Aceasta este o temperatură extrem de ridicată. La această temperatură, substanța este într-o stare complet ionizată, ceea ce se numește plasmă.

Energia eliberată în reacțiile termonucleare per nucleon este de câteva ori mai mare decât energia specifică eliberată în reacțiile în lanț de fisiune nucleară. Deci, de exemplu, în reacția de fuziune a nucleelor ​​de deuteriu și tritiu

Se eliberează 3,5 MeV/nucleon. În total, 17,6 MeV sunt eliberați în această reacție. Aceasta este una dintre cele mai promițătoare reacții termonucleare.

Implementarea reacții termonucleare controlate va oferi omenirii o nouă sursă de energie prietenoasă cu mediul și practic inepuizabilă. Cu toate acestea, obținerea de temperaturi ultra-înalte și menținerea plasmei încălzite la un miliard de grade este cea mai dificilă sarcină științifică și tehnică pe calea implementării fuziunii termonucleare controlate.

Pe această etapă dezvoltarea științei și tehnologiei a fost doar reacție de fuziune necontrolatăîntr-o bombă cu hidrogen. Temperatura ridicată necesară pentru fuziunea nucleară este atinsă aici prin detonarea unei bombe convenționale cu uraniu sau plutoniu.

Reacțiile termonucleare joacă un rol extrem de important în evoluția universului. Energia de radiație a Soarelui și a stelelor este de origine termonucleară.

Radioactivitate

Aproape 90% din cele 2500 de nuclee atomice cunoscute sunt instabile. Un nucleu instabil se transformă spontan în alte nuclee odată cu emisia de particule. Această proprietate a nucleelor ​​se numește radioactivitate. Pentru nucleele mari, instabilitatea apare din cauza competiției dintre atracția nucleonilor de către forțele nucleare și respingerea coulombiană a protonilor. Nu există nuclee stabile cu număr de sarcină Z > 83 și număr de masă A > 209. Dar nucleele atomice cu numere Z și A semnificativ mai mici se pot dovedi, de asemenea, a fi radioactive. Dacă nucleul conține mult mai mulți protoni decât neutroni, atunci este cauzată instabilitate. printr-un exces al energiei de interacţiune Coulomb . Nucleele, care ar conține un mare exces de neutroni față de numărul de protoni, sunt instabile datorită faptului că masa neutronului depășește masa protonului. O creștere a masei nucleului duce la o creștere a energiei acestuia.

Fenomenul de radioactivitate a fost descoperit în 1896 de către fizicianul francez A. Becquerel, care a descoperit că sărurile de uraniu emit radiații necunoscute care pot pătrunde prin bariere opace la lumină și provoacă înnegrirea emulsiei fotografice. Doi ani mai târziu, fizicienii francezi M. și P. Curie au descoperit radioactivitatea toriului și au descoperit două noi elemente radioactive - poloniul și radiul.

În anii următori, mulți fizicieni, inclusiv E. Rutherford și studenții săi, s-au angajat în studiul naturii radiațiilor radioactive. S-a descoperit că nucleele radioactive pot emite particule de trei tipuri: încărcate pozitiv și negativ și neutre. Aceste trei tipuri de radiații au fost numite radiații α-, β- și γ. Pe fig. 9.7.1 prezintă schema experimentului, care face posibilă detectarea compoziției complexe a radiațiilor radioactive. Într-un câmp magnetic, razele α și β deviază în direcții opuse, iar razele β deviază mult mai mult. razele γ într-un câmp magnetic nu deviază deloc.

Aceste trei tipuri de radiații radioactive diferă foarte mult unele de altele prin capacitatea lor de a ioniza atomii materiei și, în consecință, prin puterea lor de penetrare. Radiația α are cea mai mică putere de penetrare. În aer, în condiții normale, razele α parcurg o distanță de câțiva centimetri. Razele β sunt mult mai puțin absorbite de materie. Ele sunt capabile să treacă printr-un strat de aluminiu gros de câțiva milimetri. razele γ au cea mai mare putere de penetrare, putând trece printr-un strat de plumb de 5–10 cm grosime.

În al doilea deceniu al secolului al XX-lea după descoperirea de către E. Rutherford structura nucleara atomi, s-a stabilit ferm că radioactivitatea este proprietatea nucleelor ​​atomice. Studiile au arătat că razele α reprezintă un flux de particule α - nuclee de heliu, razele β sunt un flux de electroni, razele γ reprezintă o undă scurtă radiatie electromagnetica cu lungime de undă extrem de scurtă λ< 10 –10 м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами, то есть является потоком частиц – γ-квантов.

Dezintegrarea alfa. Dezintegrarea alfa este transformarea spontană a unui nucleu atomic cu numărul de protoni Z și neutroni N într-un alt nucleu (fiică) care conține numărul de protoni Z - 2 și neutroni N - 2. În acest caz, este emisă o particulă α - nucleul unui atom de heliu. Un exemplu de astfel de proces este dezintegrarea α a radiului:

Particulele alfa emise de nucleele atomilor de radiu au fost folosite de Rutherford în experimente privind împrăștierea de către nucleele elementelor grele. Viteza particulelor α emise în timpul dezintegrarii α a nucleelor ​​de radiu, măsurată de-a lungul curburii traiectoriei într-un câmp magnetic, este aproximativ egală cu 1,5 10 7 m/s, iar energia cinetică corespunzătoare este de aproximativ 7,5 10 -13 J (aproximativ 4,8 MeV). Această valoare poate fi determinată cu ușurință din valori cunoscute mase ale nucleelor ​​părinte și fiice și nucleului de heliu. Deși viteza particulei α ejectate este enormă, este totuși doar 5% din viteza luminii, așa că calculul poate folosi o expresie non-relatistică pentru energia cinetică.

Studiile au arătat că o substanță radioactivă poate emite particule α cu mai multe valori discrete de energie. Acest lucru se explică prin faptul că nucleele pot fi, ca și atomii, în diferite stări excitate. Un nucleu fiică poate fi într-una dintre aceste stări excitate în timpul dezintegrarii α. În timpul tranziției ulterioare a acestui nucleu la starea fundamentală, este emis un γ-cuantic. Schema dezintegrarii α a radiului cu emisia de particule α cu două valori ale energiilor cinetice este prezentată în fig. 9.7.2.

Astfel, dezintegrarea α a nucleelor ​​este în multe cazuri însoțită de radiații y.

În teoria dezintegrarii α, se presupune că în interiorul nucleelor ​​se pot forma grupuri formate din doi protoni și doi neutroni, adică o particulă α. Nucleul părinte este pentru particule α putul potential, care este limitat bariera potentiala. Energia particulei α din nucleu este insuficientă pentru a depăși această barieră (Fig. 9.7.3). Ejectarea unei particule α din nucleu este posibilă numai datorită unui fenomen mecanic cuantic numit efect de tunel. Conform mecanica cuantică, există o probabilitate diferită de zero ca particulele să treacă sub bariera de potențial. Fenomenul tunelului are un caracter probabilistic.

Dezintegrarea beta.În dezintegrarea beta, un electron este emis din nucleu. În interiorul nucleelor, electronii nu pot exista (vezi § 9.5), ei apar în timpul dezintegrarii β ca urmare a transformării unui neutron într-un proton. Acest proces poate avea loc nu numai în interiorul nucleului, ci și cu neutroni liberi. Durata medie de viață a unui neutron liber este de aproximativ 15 minute. Când un neutron se descompune într-un proton și un electron

Măsurătorile au arătat că în acest proces există o încălcare aparentă a legii conservării energiei, deoarece energia totală a protonului și electronului care rezultă din dezintegrarea neutronului este mai mică decât energia neutronului. În 1931, W. Pauli a sugerat că în timpul dezintegrarii unui neutron, o altă particulă este eliberată cu masă și sarcină zero, care ia o parte din energie. Noua particulă este numită neutrini(neutron mic). Din cauza absenței unei sarcini și a unei mase într-un neutrin, această particulă interacționează foarte slab cu atomii materiei, așa că este extrem de dificil să o detectezi într-un experiment. Capacitatea de ionizare a neutrinilor este atât de mică încât un act de ionizare în aer cade pe aproximativ 500 km de cale. Această particulă a fost descoperită abia în 1953. În prezent, se știe că există mai multe varietăți de neutrini. În procesul de dezintegrare a neutronilor, se produce o particulă, care se numește antineutrino electronic. Este notat cu simbolul Prin urmare, reacția de dezintegrare a neutronilor este scrisă ca

Un proces similar are loc și în interiorul nucleelor ​​în timpul dezintegrarii β. Un electron format ca urmare a dezintegrarii unuia dintre neutronii nucleari este imediat ejectat din „casa-mamă” (nucleu) cu o viteză extraordinară, care poate diferi de viteza luminii doar cu o fracțiune de procent. Deoarece distribuția energiei eliberate în timpul dezintegrarii β între un electron, un neutrin și un nucleu fiu este aleatorie, electronii β pot avea viteze diferite pe o gamă largă.

În dezintegrarea β numărul de taxare Z crește cu unu, în timp ce numărul de masă A rămâne neschimbat. Nucleul fiică se dovedește a fi nucleul unuia dintre izotopii elementului, al cărui număr de serie în tabelul periodic este cu unul mai mare decât numărul de serie al nucleului original. Un exemplu tipic Dezintegrarea β poate servi ca transformarea izotonei de toriu care rezultă din dezintegrarea α a uraniului în paladiu

Dezintegrarea gamma. Spre deosebire de α- și β-radioactivitate, γ-radioactivitatea nucleelor ​​nu este asociată cu o modificare a structurii interne a nucleului și nu este însoțită de o modificare a sarcinii sau a numerelor de masă. Atât în ​​dezintegrarea α cât și în cea β, nucleul fiică poate fi într-o stare excitată și poate avea un exces de energie. Trecerea nucleului de la starea excitată la starea fundamentală este însoțită de emisia uneia sau mai multor γ-quante, a căror energie poate atinge câțiva MeV.

Legea dezintegrarii radioactive. Orice probă de material radioactiv conține un număr mare de atomi radioactivi. Deoarece dezintegrarea radioactivă este aleatorie și nu depinde de conditii externe, atunci legea scăderii numărului N(t) al lui k nedegradat momentul prezent timpul t al nucleelor ​​poate servi ca o caracteristică statistică importantă a procesului de dezintegrare radioactivă.

Fie ca numărul de nuclee nedegradate N(t) să se modifice cu ΔN într-o perioadă scurtă de timp Δt< 0. Так как вероятность распада каждого ядра неизменна во времени, что число распадов будет пропорционально количеству ядер N(t) и промежутку времени Δt:

Coeficientul de proporționalitate λ este probabilitatea dezintegrarii nucleului în timpul Δt = 1 s. Această formulă înseamnă că rata de schimbare a funcției N(t) este direct proporțională cu funcția în sine.

unde N 0 este numărul inițial de nuclee radioactive la t = 0. În timpul τ = 1 / λ, numărul de nuclee nedezintegrate va scădea de e ≈ de 2,7 ori. Se numește valoarea τ durata medie de viață nucleu radioactiv.

Pentru utilizare practică, este convenabil să scrieți legea dezintegrarii radioactive într-o formă diferită, folosind numărul 2 ca bază și nu e:

Se numește valoarea lui T jumătate de viață. În timpul T, jumătate din numărul inițial de nuclee radioactive se descompune. Valorile lui T și τ sunt legate prin relație

Timpul de înjumătățire este principala cantitate care caracterizează rata dezintegrarii radioactive. Cu cât timpul de înjumătățire este mai scurt, cu atât degradarea este mai intensă. Astfel, pentru uraniu T ≈ 4,5 miliarde de ani, iar pentru radiu T ≈ 1600 de ani. Prin urmare, activitatea radiului este mult mai mare decât cea a uraniului. Există elemente radioactive cu un timp de înjumătățire de o fracțiune de secundă.

Nu se găsește în condiții naturale și se termină în bismut Această serie de descompunere radioactive are loc în reactoare nucleare.

O aplicație interesantă radioactivitatea este o metodă de datare a descoperirilor arheologice și geologice prin concentrația de izotopi radioactivi. Metoda cea mai des folosită este datarea cu radiocarbon. Un izotop instabil de carbon apare în atmosferă din cauza reacțiilor nucleare cauzate de razele cosmice. Un mic procent din acest izotop se găsește în aer împreună cu izotopul stabil obișnuit.Plantele și alte organisme consumă carbon din aer și acumulează ambii izotopi în aceeași proporție ca și în aer. După ce plantele mor, acestea nu mai consumă carbon și, ca urmare a degradarii β, izotopul instabil se transformă treptat în azot cu un timp de înjumătățire de 5730 de ani. cale măsurare precisă Concentrația relativă de carbon radioactiv din rămășițele organismelor antice poate determina momentul morții lor.

Radiații radioactive de toate tipurile (alfa, beta, gamma, neutroni), precum și radiațiile electromagnetice ( raze X) au un efect biologic foarte puternic asupra organismelor vii, care constă în procesele de excitare și ionizare a atomilor și moleculelor care alcătuiesc celulele vii. Sub acțiunea radiațiilor ionizante, moleculele complexe și structurile celulare sunt distruse, ceea ce duce la deteriorarea organismului prin radiații. Prin urmare, atunci când lucrați cu orice sursă de radiații, este necesar să luați toate măsurile pentru a protecţie împotriva radiaţiilor persoanele care pot fi expuse la radiații.

Cu toate acestea, o persoană poate fi expusă la radiații ionizante în condiții domestice. Radonul, un gaz inert, incolor, radioactiv, poate reprezenta un pericol grav pentru sănătatea umană.Așa cum se poate observa din diagrama prezentată în Fig. 9.7.5, radonul este un produs al dezintegrarii α a radiului și are un timp de înjumătățire T = 3,82 zile. Radiul se găsește în cantități mici în sol, roci și diverse structuri de constructii. În ciuda duratei de viață relativ scurte, concentrația de radon este reîncărcată în mod continuu datorită noilor degradari ale nucleelor ​​de radiu, astfel încât radonul se poate acumula în spații închise. Intrând în plămâni, radonul emite particule α și se transformă în poloniu, care nu este o substanță inertă din punct de vedere chimic. Urmează un lanț de transformări radioactive din seria uraniului (Fig. 9.7.5). Potrivit Comisiei Americane pentru Siguranța și Controlul Radiațiilor, o persoană obișnuită primește 55% din radiațiile ionizante de la radon și doar 11% din servicii medicale. Contribuția razelor cosmice este de aproximativ 8%. Doza totală de radiații pe care o primește o persoană de-a lungul vieții este de multe ori mai mică doza maxima admisa(SDA), care este stabilit pentru persoanele cu anumite profesii expuse la expunere suplimentară la radiații ionizante.

Energia E eliberată în timpul fisiunii crește odată cu creșterea Z 2 /A. Valoarea lui Z 2 /A = 17 pentru 89 Y (itriu). Acestea. fisiunea este favorabilă energetic pentru toate nucleele mai grele decât ytriul. De ce majoritatea nucleelor ​​sunt rezistente la fisiunea spontană? Pentru a răspunde la această întrebare, este necesar să luăm în considerare mecanismul de divizare.

În timpul fisiunii, forma nucleului se modifică. Nucleul trece secvenţial prin următoarele etape (Fig. 7.1): o minge, un elipsoid, o ganteră, două fragmente în formă de para, două fragmente sferice. Cum se modifică energia potențială a nucleului în diferite stadii de fisiune?
Miez inițial cu mărire r ia forma unui elipsoid de revoluție din ce în ce mai alungit. În acest caz, datorită evoluției formei nucleului, modificarea energiei sale potențiale este determinată de modificarea sumei energiilor de suprafață și Coulomb E p + E k. În acest caz, energia de suprafață crește, deoarece aria suprafeței nucleului crește. Energia Coulomb scade pe măsură ce distanța medie dintre protoni crește. Dacă, cu o deformare ușoară, caracterizată printr-un parametru mic, miezul inițial ia forma unui elipsoid simetric axial, energia de suprafață E" p și energia coulombiană E" k în funcție de parametrul de deformare se modifică astfel:

În rapoarte (7,4–7,5) E n și E k sunt energiile de suprafață și de Coulomb ale nucleului inițial simetric sferic.
În regiunea nucleelor ​​grele, 2E n > Ek, iar suma energiilor de suprafață și Coulomb crește odată cu creșterea . Din (7.4) și (7.5) rezultă că la deformații mici, o creștere a energiei de suprafață împiedică o modificare ulterioară a formei nucleului și, în consecință, fisiunea.
Relația (7.5) este valabilă pentru tulpini mici. Dacă deformarea este atât de mare încât nucleul ia forma unei gantere, atunci forțele de suprafață și Coulomb au tendința de a separa nucleul și de a da fragmentelor o formă sferică. Astfel, cu o creștere treptată a deformării nucleului, energia potențială a acestuia trece printr-un maxim. Graficul energiilor de suprafață și Coulomb ale nucleului în funcție de r este prezentat în fig. 7.2.

Prezența unei bariere potențiale împiedică fisiunea nucleară spontană instantanee. Pentru ca nucleul să se despartă, trebuie să i se acorde energie Q care depășește înălțimea barierei de fisiune H. Energia potențială maximă a unui nucleu fisionabil E + H (de exemplu, aur) în două fragmente identice este ≈ 173 MeV. , iar energia E eliberată în timpul fisiunii este de 132 MeV . Astfel, în timpul fisiunii nucleului de aur, este necesară depășirea unei bariere de potențial cu o înălțime de aproximativ 40 MeV.
Înălțimea barierei de fisiune H este cu atât mai mare, cu atât este mai mic raportul dintre energiile Coulomb și de suprafață E la /E p în nucleul inițial. Acest raport, la rândul său, crește odată cu creșterea parametrului de divizare Z 2 /A (7.3). Cu cât nucleul este mai greu, cu atât înălțimea barierei de fisiune H este mai mică, deoarece parametrul de fisiune, în ipoteza că Z este proporțional cu A, crește odată cu creșterea numărului de masă:

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

(7.6)

Prin urmare, nucleele mai grele trebuie, în general, să fie furnizate cu mai puțină energie pentru a provoca fisiunea nucleară.
Înălțimea barierei de fisiune dispare la 2E p – Ec = 0 (7.5). În acest caz

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

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

Astfel, conform modelului de picătură, nucleele cu Z 2 /A > 49 nu pot exista în natură, deoarece ar trebui să se dividă spontan în două fragmente aproape instantaneu într-un timp nuclear caracteristic de ordinul 10–22 s. Dependența formei și înălțimii barierei de potențial H, precum și a energiei de fisiune, de valoarea parametrului Z 2 /A sunt prezentate în Fig. 7.3.

Orez. 7.3. Dependența radială a formei și înălțimii barierei de potențial și a energiei de fisiune E la diferite valori ale parametrului Z 2 /A. Valoarea lui E p + E k este trasată pe axa verticală.

Fisiune nucleară spontană cu 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 ani pentru 232 Th la 0,3 s pentru 260 Rf.
Fisiunea nucleară forțată cu 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.
Valoarea minimă a energiei de excitație a nucleului compus E* format în timpul captării unui neutron este egală cu energia de legare a neutronului din acest nucleu ε n . Tabelul 7.1 compară înălțimea barierei H și energia de legare a neutronilor ε n pentru izotopii Th, U, Pu formați după captarea neutronilor. Energia de legare a unui neutron depinde de numărul de neutroni din nucleu. Datorită energiei de împerechere, energia de legare a unui neutron par este mai mare decât energia de legare a unui neutron impar.

Tabelul 7.1

Înălțimea barierei de fisiune H, energia de legare a neutronilor ε n

Izotop	Înălțimea barierei de fisiune H, MeV	Izotop	Energia de legare a neutronilor ε n
232th	5.9	233th	4.79
233 U	5.5	234 U	6.84
235 U	5.75	236 U	6.55
238 U	5.85	239 U	4.80
239 Pu	5.5	240 Pu	6.53

trăsătură caracteristică fisiunea este că fragmentele tind să aibă mase diferite. În cazul celei mai probabile fisiuni de 235 U, raportul masei fragmentului este în medie de ~1,5. Distribuția de masă a fragmentelor de fisiune de 235 U de către neutroni termici este prezentată în Fig. 7.4. Pentru cea mai probabilă fisiune, un fragment greu are un număr de masă de 139, unul ușor - 95. Printre produsele de fisiune se numără fragmente cu A = 72 - 161 și Z = 30 - 65. Probabilitatea de fisiune în două fragmente de masa egală nu este egală cu zero. În fisiunea de 235 U prin neutroni termici, probabilitatea fisiunii simetrice este cu aproximativ trei ordine de mărime mai mică decât în ​​cazul celei mai probabile fisiuni în fragmente cu A = 139 și 95.
Fisiunea asimetrică se explică prin structura învelișului nucleului. Nucleul tinde să se dividă în așa fel încât partea principală a nucleonilor fiecărui fragment să formeze cel mai stabil nucleu magic.
Raportul dintre numărul de neutroni și numărul de protoni din nucleu 235 U N/Z = 1,55, în timp ce izotopi stabili, care au un număr de masă apropiat de numărul de masă al fragmentelor, acest raport este 1,25 − 1,45. În consecință, fragmentele de fisiune se dovedesc a fi puternic supraîncărcate cu neutroni și trebuie să fie
β - radioactiv. Prin urmare, fragmentele de fisiune suferă dezintegrari succesive β, iar sarcina fragmentului primar se poate modifica cu 4 - 6 unități. Mai jos este un lanț caracteristic de descompunere radioactivă de 97 Kr - unul dintre fragmentele formate în timpul fisiunii a 235 U:

Excitația fragmentelor, cauzată de o încălcare a raportului dintre numărul de protoni și neutroni, care este caracteristică nucleelor ​​stabile, este, de asemenea, eliminată datorită emisiei de neutroni de fisiune promptă. Acești neutroni sunt emiși de fragmente în mișcare într-un timp mai mic de ~ 10 -14 s. În medie, 2 - 3 neutroni prompti sunt emiși în fiecare eveniment de fisiune. Spectrul lor de energie este continuu cu un maxim de aproximativ 1 MeV. Energia medie a unui neutron prompt este aproape de 2 MeV. Emisia a mai mult de un neutron în fiecare eveniment de fisiune face posibilă obținerea de energie printr-o reacție în lanț de fisiune nucleară.
În cea mai probabilă fisiune a 235 U de către neutroni termici, un fragment ușor (A = 95) capătă o energie cinetică de ≈ 100 MeV, iar unul greu (A = 139) capătă aproximativ 67 MeV. Astfel, energia cinetică totală a fragmentelor este ≈ 167 MeV. Energia totală de fisiune în acest caz este de 200 MeV. Astfel, energia rămasă (33 MeV) este distribuită între alți produși de fisiune (neutroni, electroni și antineutrini ai β - dezintegrarea fragmentelor, γ-radiația fragmentelor și produsele lor de dezintegrare). Distribuția energiei de fisiune între diferiți produși în timpul fisiunii a 235 U de către neutroni termici este dată în Tabelul 7.2.

Tabelul 7.2

Distribuția energiei de fisiune 235 U neutroni termici

Produsele de fisiune nucleară (NF) sunt un amestec complex de peste 200 de izotopi radioactivi din 36 de elemente (de la zinc la gadoliniu). Cea mai mare parte a activității este alcătuită din radionuclizi de scurtă durată. Astfel, după 7, 49 și 343 de zile de la explozie, activitatea PND-urilor scade de 10, 100 și, respectiv, de 1000 de ori, comparativ cu activitatea la o oră după explozie. Randamentul celor mai semnificativi radionuclizi biologic este prezentat în Tabelul 7.3. Pe lângă PND, contaminarea radioactivă este cauzată de radionuclizi cu activitate indusă (3 H, 14 C, 28 Al, 24 Na, 56 Mn, 59 Fe, 60 Co etc.) și partea nedivizată a uraniului și plutoniului. Rolul activității induse în exploziile termonucleare este deosebit de mare.

Tabelul 7.3

Eliberarea unor produse de fisiune într-o explozie nucleară

Radionuclidul	Jumătate de viață	Producție pe diviziune, %	Activitate la 1 Mt, 10 15 Bq
89 Sr	50,5 zile	2.56	590
90 Sr	29,12 ani	3.5	3.9
95 Zr	65 de zile	5.07	920
103 Ru	41 de zile	5.2	1500
106 Ru	365 de zile	2.44	78
131 I	8,05 zile	2.9	4200
136Cs	13,2 zile	0.036	32
137Cs	30 de ani	5.57	5.9
140 Ba	12,8 zile	5.18	4700
141Cs	32,5 zile	4.58	1600
144Cs	288 de zile	4.69	190
3H	12,3 ani	0.01	2,6 10 -2

În timpul exploziilor nucleare din atmosferă, o parte semnificativă a precipitațiilor (până la 50% în explozii la sol) cade în apropierea zonei de testare. O parte din substanțele radioactive este reținută în partea inferioară a atmosferei și, sub influența vântului, se deplasează pe distanțe mari, rămânând aproximativ la aceeași latitudine. Fiind în aer aproximativ o lună, substanțele radioactive în timpul acestei mișcări cad treptat pe Pământ. Majoritatea radionuclizilor sunt eliberați în stratosferă (la o înălțime de 10÷15 km), unde sunt dispersați la nivel global și se descompun în mare parte.
Diverse elemente ale proiectării reactoarelor nucleare au activitate ridicată de zeci de ani (Tabelul 7.4)

Tabelul 7.4

Valori specifice activității (Bq/t uraniu) ale principalelor produse de fisiune din elementele de combustibil scoase din reactor după trei ani de funcționare

Radionuclidul	0	1 zi	120 de zile	1 an		10 ani
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
89 Sr	4. 04· 10 16	3. 98· 10 16	5. 78· 10 15	2. 7· 10 14	1. 2· 10 10
90 Sr	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 Ru	7. 08· 10 16	6. 95· 10 16	8. 55· 10 15	1. 14· 10 14	2. 97· 10 8
106 Ru	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 I	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
ora 143	6. 77· 10 16	6. 70· 10 16	1. 65· 10 14	6. 11· 10 8
ora 147	7. 05 10 15	7. 05· 10 15	6. 78· 10 15	5. 68· 10 15	3. 35· 10 14

Fisiunea nucleelor ​​de uraniu prin bombardarea lor cu neutroni a fost descoperită în 1939 de oamenii de știință germani Otto Hahn și Fritz Strassmann.

Otto Hahn (1879-1968)
Fizician german, om de știință de pionier în domeniul radiochimiei. A descoperit fisiunea uraniului, o serie de elemente radioactive

Fritz Strassmann (1902-1980)
fizician și chimist german. Lucrările se referă la chimia nucleară, fisiunea nucleară. A dat dovadă chimică procesului de fisiune

Să luăm în considerare mecanismul acestui fenomen. Figura 162, a descrie în mod convențional nucleul unui atom de uraniu. După ce a absorbit un neutron în plus, nucleul este excitat și deformat, dobândind o formă alungită (Fig. 162, b).

Orez. 162. Procesul de fisiune a unui nucleu de uraniu sub influența unui neutron care a căzut în el

Știți deja că în nucleu acționează două tipuri de forțe: forțe de respingere electrostatice între protoni, care au tendința de a rupe nucleul, și forțe de atracție nucleare între toți nucleonii, datorită cărora nucleul nu se descompune. Dar forțele nucleare sunt cu rază scurtă de acțiune, prin urmare, într-un nucleu alungit, ele nu mai pot ține părți ale nucleului care sunt foarte îndepărtate unele de altele. Sub acțiunea forțelor de respingere electrostatice, nucleul este rupt în două părți (Fig. 162, c), care se împrăștie în direcții diferite cu viteză mare și emit 2-3 neutroni.

Se pare că o parte din energia internă a nucleului este convertită în energia cinetică a fragmentelor și particulelor zburătoare. Fragmentele sunt decelerate rapid în mediu, drept urmare energia lor cinetică este convertită în energia internă a mediului (adică, în energia de interacțiune și mișcarea termică a particulelor sale constitutive).

Odată cu fisiunea simultană a unui număr mare de nuclee de uraniu energie interna mediul care înconjoară uraniul și, în consecință, temperatura acestuia crește semnificativ (adică mediul se încălzește).

Astfel, reacția de fisiune a nucleelor ​​de uraniu are loc cu eliberarea de energie în mediu inconjurator.

Energia conținută în nucleele atomilor este colosală. De exemplu, odată cu fisiunea completă a tuturor nucleelor ​​prezente în 1 g de uraniu, ar fi eliberată aceeași cantitate de energie ca cea eliberată în timpul arderii a 2,5 tone de petrol. Pentru a converti energia internă a nucleelor ​​atomice în energie electrică, centralele nucleare folosesc așa-numitele reacții în lanț de fisiune nucleară.

Să luăm în considerare mecanismul reacției în lanț a fisiunii nucleare a izotopului de uraniu. Nucleul atomului de uraniu (Fig. 163) ca urmare a captării unui neutron a fost împărțit în două părți, în timp ce emite trei neutroni. Doi dintre acești neutroni au provocat reacția de fisiune a încă două nuclee, producând astfel patru neutroni. Acestea, la rândul lor, au provocat fisiunea a patru nuclee, după care s-au format nouă neutroni etc.

O reacție în lanț este posibilă datorită faptului că în timpul fisiunii fiecărui nucleu se formează 2-3 neutroni, care pot lua parte la fisiunea altor nuclee.

Figura 163 prezintă o diagramă de reacție în lanț în care numărul total neutronii liberi dintr-o bucată de uraniu cresc ca o avalanșă cu timpul. În mod corespunzător, numărul de fisiuni nucleare și energia eliberată pe unitatea de timp cresc brusc. Prin urmare, o astfel de reacție este explozivă (are loc într-o bombă atomică).

Orez. 163. Reacția în lanț de fisiune a nucleelor ​​de uraniu

Este posibilă o altă opțiune, în care numărul de neutroni liberi scade cu timpul. În acest caz, reacția în lanț se oprește. Prin urmare, o astfel de reacție nu poate fi folosită nici pentru a genera energie electrică.

În scopuri pașnice, este posibil să se folosească numai energia unei astfel de reacții în lanț în care numărul de neutroni nu se modifică în timp.

Cum să ne asigurăm că numărul de neutroni rămâne constant tot timpul? Pentru a rezolva această problemă este necesar să se cunoască ce factori influențează creșterea și scăderea numărului total de neutroni liberi dintr-o bucată de uraniu în care are loc o reacție în lanț.

Un astfel de factor este masa uraniului. Faptul este că nu fiecare neutron emis în timpul fisiunii nucleare provoacă fisiunea altor nuclee (vezi Fig. 163). Dacă masa (și, în consecință, dimensiunea) unei bucăți de uraniu este prea mică, atunci mulți neutroni vor zbura din ea, neavând timp să întâlnească nucleul pe drum, provoacă fisiunea acestuia și generează astfel o nouă generație de neutroni necesari pentru a continua reactia. În acest caz, reacția în lanț se va opri. Pentru ca reacția să nu se oprească, este necesară creșterea masei de uraniu la o anumită valoare numit critic.

De ce devine posibilă o reacție în lanț cu o creștere a masei? Cu cât masa unei piese este mai mare, cu atât dimensiunile acesteia sunt mai mari și calea pe care neutronii o parcurg este mai lungă. În acest caz, probabilitatea ca neutronii să întâlnească nuclee crește. În consecință, numărul de fisiuni nucleare și numărul de neutroni emiși crește.

La o masă critică de uraniu, numărul de neutroni care au apărut în timpul fisiunii nucleelor ​​devine egal cu numărul de neutroni pierduți (adică, capturați de nuclee fără fisiune și zburând din bucată).

Prin urmare, numărul lor total rămâne neschimbat. În acest caz, poate avea loc o reacție în lanț perioadă lungă de timp, fără oprire și fără a dobândi un caracter exploziv.

• Cea mai mică masă de uraniu la care este posibilă o reacție în lanț se numește masă critică.

Dacă masa uraniului este mai mult decât critică, atunci, ca urmare a unei creșteri puternice a numărului de neutroni liberi, reacția în lanț duce la o explozie, iar dacă este mai puțin critică, atunci reacția nu are loc din cauza unei lipsa neutronilor liberi.

Este posibil să se reducă pierderea de neutroni (care zboară din uraniu fără a reacționa cu nucleele) nu numai prin creșterea masei de uraniu, ci și prin utilizarea unei învelișuri reflectorizante speciale. Pentru a face acest lucru, o bucată de uraniu este plasată într-o coajă dintr-o substanță care reflectă bine neutronii (de exemplu, beriliu). Reflectați din acest înveliș, neutronii revin la uraniu și pot lua parte la fisiunea nucleară.

Există mai mulți alți factori de care depinde posibilitatea unei reacții în lanț. De exemplu, dacă o bucată de uraniu conține prea multe impurități ale altor elemente chimice, atunci aceștia absorb majoritatea neutronilor și reacția se oprește.

Prezența așa-numitului moderator de neutroni în uraniu afectează, de asemenea, cursul reacției. Faptul este că nucleele de uraniu-235 sunt cel mai susceptibile de a fisiune sub acțiunea neutronilor lenți. Fisiunea nucleară produce neutroni rapizi. Dacă neutronii rapizi sunt încetiniți, atunci cei mai mulți dintre ei vor fi capturați de nucleele de uraniu-235 cu fisiunea ulterioară a acestor nuclee. Substanțe precum grafitul, apa, apa grea (care include deuteriul, un izotop de hidrogen cu un număr de masă de 2) și unele altele sunt folosite ca moderatori. Aceste substanțe nu fac decât să încetinească neutronii, aproape fără a-i absorbi.

Astfel, posibilitatea unei reacții în lanț este determinată de masa uraniului, de cantitatea de impurități din acesta, de prezența unui înveliș și a unui moderator și de alți factori.

Masa critică a unei bucăți sferice de uraniu-235 este de aproximativ 50 kg. Mai mult, raza sa este de numai 9 cm, deoarece uraniul are o densitate foarte mare.

Prin utilizarea unui moderator și a unei carcase reflectorizante și prin reducerea cantității de impurități, este posibilă reducerea masei critice a uraniului la 0,8 kg.

Întrebări

1. De ce fisiunea nucleară poate începe numai atunci când este deformată sub acțiunea unui neutron absorbit de ea?
2. Ce se formează ca urmare a fisiunii nucleare?
3. În ce energie trece o parte din energia internă a nucleului în timpul fisiunii sale; energia cinetică a fragmentelor de nucleu de uraniu în timpul decelerarii lor în mediu?
4. Cum decurge reacția de fisiune a nucleelor ​​de uraniu - cu eliberarea de energie în mediu sau, dimpotrivă, cu absorbția energiei?
5. Descrieți mecanismul unei reacții în lanț folosind figura 163.
6. Care este masa critică a uraniului?
7. Este posibil să aibă loc o reacție în lanț dacă masa de uraniu este mai mică decât cea critică? mai critic? De ce?

>> fisiunea uraniului

§ 107 FISIA NUCLEILOR URANIUS

Doar nucleele unor elemente grele pot fi împărțite în părți. În timpul fisiunii nucleelor ​​sunt emise doi sau trei neutroni și raze -. În același timp, se eliberează multă energie.

Descoperirea fisiunii uraniului. Fisiunea nucleelor ​​de uraniu a fost descoperită în 1938 de oamenii de știință germani O. Hahn și F. Strassmann. Ei au stabilit că atunci când uraniul este bombardat cu neutroni, apar elemente din partea mijlocie a sistemului periodic: bariu, cripton etc. Totuși, interpretarea corectă a acestui fapt tocmai ca fisiunea nucleului de uraniu care a captat neutronul a fost dată la începutul anului 1939 de către fizicianul englez O. Frisch împreună cu fizicianul austriac L. Meitner.

Captarea unui neutron distruge stabilitatea nucleului. Nucleul este excitat și devine instabil, ceea ce duce la divizarea lui în fragmente. Fisiunea nucleară este posibilă deoarece masa de repaus a unui nucleu greu este mai mare decât suma maselor de repaus ale fragmentelor care apar în timpul fisiunii. Prin urmare, există o eliberare de energie echivalentă cu o scădere a masei de repaus care însoțește fisiunea.

Posibilitatea de fisiune a nucleelor ​​grele poate fi explicată și folosind un grafic al dependenței energiei specifice de legare de numărul de masă A (vezi Fig. 13.11). Energia specifică de legare a nucleelor ​​atomice ale elementelor care ocupă sistemul periodic ultimele locuri(A 200), cu aproximativ 1 MeV mai puțin decât energia specifică de legare în nucleele elementelor situate în mijlocul sistemului periodic (A 100). Prin urmare, procesul de fisiune a nucleelor ​​grele în nuclee de elemente din partea de mijloc a sistemului periodic este favorabil energetic. După fisiune, sistemul intră într-o stare cu energie internă minimă. La urma urmei, cu cât energia de legare a nucleului este mai mare, cu atât energia trebuie eliberată mai mare atunci când apare nucleul și, în consecință, cu atât energia internă a sistemului nou format este mai mică.

În timpul fisiunii nucleare, energia de legare per nucleon crește cu 1 MeV, iar energia totală eliberată ar trebui să fie uriașă - aproximativ 200 MeV. Sub nimeni altul reactie nucleara(nu sunt asociate cu fisiunea) energii atât de mari nu sunt eliberate.

Măsurătorile directe ale energiei eliberate în timpul fisiunii nucleului de uraniu au confirmat considerațiile de mai sus și au dat o valoare de 200 MeV. Mai mult, cea mai mare parte din această energie (168 MeV) cade pe energia cinetică a fragmentelor. În Figura 13.13 se vede urmele fragmentelor de uraniu fisil într-o cameră cu nori.

Energia eliberată în timpul fisiunii nucleare este mai degrabă de origine electrostatică decât nucleară. Energia cinetică mare pe care o au fragmentele provine din repulsia lor coulombiană.

mecanismul fisiunii nucleare. Procesul de fisiune nucleară poate fi explicat pe baza modelului de picătură al nucleului. Conform acestui model, o grămadă de nucleoni seamănă cu o picătură de lichid încărcat (Fig. 13.14, a). Forțele nucleare dintre nucleoni sunt cu rază scurtă, ca și forțele care acționează între moleculele lichide. Alături de forțele puternice de repulsie electrostatică dintre protoni, care au tendința de a rupe nucleul, există și forțe nucleare de atracție și mai mari. Aceste forțe împiedică nucleul să se dezintegreze.

Nucleul de uraniu-235 este sferic. După ce a absorbit un neutron în plus, acesta este excitat și începe să se deformeze, dobândind o formă alungită (Fig. 13.14, b). Miezul se va întinde până când forțele de respingere dintre jumătățile miezului alungit încep să prevaleze asupra forțelor de atracție care acționează în istm (Fig. 13.14, c). După aceea, este rupt în două părți (Fig. 13.14, d).

Sub acțiunea forțelor de respingere Coulomb, aceste fragmente se despart cu o viteză egală cu 1/30 din viteza luminii.

Emisia de neutroni în timpul fisiunii. Faptul fundamental al fisiunii nucleare este emisia a doi sau trei neutroni în timpul fisiunii. Acest lucru a făcut posibil uz practic energie intranucleara.

Este posibil să înțelegem de ce sunt emiși neutroni liberi din următoarele considerații. Se știe că raportul dintre numărul de neutroni și numărul de protoni din nucleele stabile crește odată cu creșterea numărului atomic. Prin urmare, în fragmentele care apar în timpul fisiunii, numărul relativ de neutroni se dovedește a fi mai mare decât este permis pentru nucleele atomilor situate în mijlocul tabelului periodic. Ca rezultat, mai mulți neutroni sunt eliberați în procesul de fisiune. Energia lor este diverse sensuri- de la câteva milioane de electroni volți la foarte mici, aproape de zero.

Fisiunea are loc de obicei în fragmente, ale căror mase diferă de aproximativ 1,5 ori. Aceste fragmente sunt foarte radioactive, deoarece conțin o cantitate în exces de neutroni. Ca urmare a unei serii de dezintegrari succesive, se obțin în cele din urmă izotopi stabili.

În concluzie, observăm că există și fisiunea spontană a nucleelor ​​de uraniu. A fost descoperit de fizicienii sovietici G. N. Flerov și K. A. Petrzhak în 1940. Timpul de înjumătățire pentru fisiunea spontană este de 10 16 ani. Acesta este de două milioane de ori mai lung decât timpul de înjumătățire al descompunerii uraniului.

Reacția de fisiune nucleară este însoțită de eliberarea de energie.

Conținutul lecției rezumatul lecției suport cadru prezentarea lecției metode accelerative tehnologii interactive Practică sarcini și exerciții ateliere de autoexaminare, instruiri, cazuri, quest-uri teme pentru acasă întrebări discuții întrebări retorice de la elevi Ilustrații audio, clipuri video și multimedia fotografii, imagini grafice, tabele, scheme umor, anecdote, glume, pilde cu benzi desenate, proverbe, cuvinte încrucișate, citate Suplimente rezumate articole jetoane pentru curioase cheat sheets manuale de bază și glosar suplimentar de termeni altele Îmbunătățirea manualelor și lecțiilorcorectarea erorilor din manual actualizarea unui fragment din manualul elementelor de inovare la lecție înlocuirea cunoștințelor învechite cu altele noi Doar pentru profesori lecții perfecte plan calendaristic pentru un an instrucțiuni programe de discuții Lecții integrate

În 1934, E. Fermi a decis să obțină elemente transuraniu prin iradierea a 238 U cu neutroni. Ideea lui E. Fermi a fost că, ca urmare a dezintegrarii β a izotopului 239 U, element chimic cu numărul atomic Z = 93. Cu toate acestea, nu a fost posibilă identificarea formării celui de-al 93-lea element. În schimb, în ​​urma analizei radiochimice a elementelor radioactive efectuate de O. Hahn și F. Strassmann, s-a demonstrat că unul dintre produsele iradierii uraniului cu neutroni este bariul (Z = 56) - un element chimic de greutate atomică medie. , în timp ce, conform ipotezei teoriei Fermi, ar fi trebuit produse elemente transuraniu.
L. Meitner și O. Frisch au sugerat că, ca urmare a captării unui neutron de către un nucleu de uraniu, nucleul compus se descompune în două părți.

92 U + n → 56 Ba + 36 Kr + xn.

Procesul de fisiune a uraniului este însoțit de apariția neutronilor secundari (x > 1) care pot provoca fisiunea altor nuclee de uraniu, ceea ce deschide potențialul ca o reacție în lanț de fisiune să aibă loc - un neutron poate da naștere unui lanț ramificat. de fisiune a nucleelor ​​de uraniu. În acest caz, numărul de nuclee separate ar trebui să crească exponențial. N. Bohr și J. Wheeler au calculat energia critică necesară pentru ca nucleul de 236 U, format ca urmare a captării neutronilor de către izotopul 235 U, să se dividă. Această valoare este de 6,2 MeV, care este mai mică decât energia de excitație a izotopului de 236 U format în timpul captării unui neutron termic de 235 U. Prin urmare, atunci când neutronii termici sunt capturați, este posibilă o reacție în lanț de fisiune de 235 U. Pentru cel mai mult izotopul comun 238 U, energia critică este de 5,9 MeV, în timp ce atunci când un neutron termic este captat, energia de excitație a nucleului rezultat de 239 U este de numai 5,2 MeV. Prin urmare, reacția în lanț de fisiune a izotopului 238 U, cel mai comun în natură, sub acțiunea neutronilor termici este imposibilă. Într-un eveniment de fisiune, este eliberată o energie de ≈ 200 MeV (pentru comparație, în reacții chimice arderea într-un act al reacției se eliberează o energie de ≈ 10 eV). Posibilitatea de a crea condiții pentru o reacție în lanț de fisiune a deschis perspective de utilizare a energiei unei reacții în lanț pentru a crea reactoare atomice și arme atomice. Primul reactor nuclear a fost construit de E. Fermi în SUA în 1942. În URSS, primul reactor nuclear a fost lansat sub conducerea lui I. Kurchatov în 1946. În 1954, la Obninsk a început să funcționeze prima centrală nucleară din lume. În prezent, energia electrică este generată în aproximativ 440 de reactoare nucleare din 30 de țări din întreaga lume.
În 1940, G. Flerov și K. Petrzhak au descoperit fisiunea spontană a uraniului. Următoarele cifre mărturisesc complexitatea experimentului. Timpul de înjumătățire parțial în raport cu fisiunea spontană a izotopului 238 U este de 10 16 – 10 17 ani, în timp ce perioada de dezintegrare a izotopului 238 U este de 4,5 ∙ 10 9 ani. Canalul principal de descompunere pentru izotopul 238 U este dezintegrarea α. Pentru a observa fisiunea spontană a izotopului 238 U, a fost necesar să se înregistreze un eveniment de fisiune pe fondul a 10 7 –10 8 evenimente de dezintegrare α.
Probabilitatea fisiunii spontane este determinată în principal de permeabilitatea barierei de fisiune. Probabilitatea fisiunii spontane crește odată cu creșterea sarcinii nucleului, deoarece. aceasta crește parametrul de divizare Z 2 /A. În izotopii Z< 92-95 деление происходит преимущественно с образованием двух осколков деления с отношением масс тяжёлого и лёгкого осколков 3:2. В изотопах Z >100, predomină fisiunea simetrică cu formarea de fragmente de aceeași masă. Pe măsură ce sarcina nucleului crește, proporția de fisiune spontană crește în comparație cu dezintegrarea α.

Izotop	Jumătate de viață	canale de degradare
235 U	7.04 10 8 ani	α (100%), SF (7 10 -9%)
238 U	4,47 10 9 ani	α (100%), SF (5,5 10 -5%)
240 Pu	6,56 10 3 ani	α (100%), SF (5,7 10 -6%)
242 Pu	3,75 10 5 ani	α (100%), SF (5,5 10 -4%)
246 cm	4,76 10 3 ani	α (99,97%), SF (0,03%)
252 cf	2,64 ani	α (96,91%), SF (3,09%)
254 cf	60,5 ani	α (0,31%), SF (99,69%)
256 cf	12,3 ani	α (7,04 10 -8%), SF (100%)

Fisiune nucleara. Istorie

1934- E. Fermi, iradiind uraniu cu neutroni termici, a găsit printre produșii de reacție nuclee radioactive, a căror natură nu a putut fi stabilită.
L. Szilard a prezentat ideea unei reacții nucleare în lanț.

1939− O. Hahn și F. Strassmann au descoperit bariul printre produșii de reacție.
L. Meitner și O. Frisch au anunțat pentru prima dată că sub acțiunea neutronilor, uraniul a fost fisionat în două fragmente comparabile ca masă.
N. Bohr și J. Wheeler au oferit o interpretare cantitativă a fisiunii nucleare prin introducerea parametrului de fisiune.
Da. Frenkel a dezvoltat teoria picăturii fisiunii nucleare de către neutroni lenți.
L. Szilard, E. Wigner, E. Fermi, J. Wheeler, F. Joliot-Curie, Ya. Zeldovich, Yu. Khariton au fundamentat posibilitatea ca o reacție nucleară în lanț de fisiune să aibă loc în uraniu.

1940− G. Flerov şi K. Petrzhak au descoperit fenomenul de fisiune spontană a nucleelor ​​de uraniu U.

1942− E. Fermi a efectuat o reacție în lanț de fisiune controlată în primul reactor atomic.

1945− Primul test de arme nucleare (Nevada, SUA). Bombe atomice au fost aruncate asupra orașelor japoneze Hiroshima (6 august) și Nagasaki (9 august).

1946− Sub conducerea lui I.V. Kurchatov, primul reactor din Europa a fost lansat.

1954− A fost lansată prima centrală nucleară din lume (Obninsk, URSS).

Fisiune nucleara.Din 1934, E. Fermi a început să folosească neutronii pentru a bombarda atomii. De atunci, numărul de nuclee stabile sau radioactive obținute prin transformare artificială a crescut la multe sute și aproape toate locurile din tabelul periodic au fost umplute cu izotopi.
Atomii care apar în toate aceste reacții nucleare au ocupat același loc în tabelul periodic ca atomul bombardat sau locurile învecinate. Prin urmare, dovada lui Hahn și Strassmann în 1938 a faptului că atunci când neutronii bombardează ultimul element al sistemului periodic−uraniu−dezintegrarea în elemente care se află în părțile mijlocii ale sistemului periodic. Performant aici tipuri diferite descompunere. Atomii care apar sunt în cea mai mare parte instabili și se degradează imediat; unele au timpi de înjumătățire măsurat în secunde, așa că Gan a trebuit să aplice metoda analitica Curie să prelungească un proces atât de rapid. Este important de remarcat faptul că elementele din fața uraniului, protactiniul și toriul prezintă, de asemenea, o descompunere similară sub acțiunea neutronilor, deși este necesară o energie neutronică mai mare pentru ca dezintegrarea să înceapă decât în ​​cazul uraniului. Odată cu aceasta, în 1940, G. N. Flerov și K. A. Petrzhak au descoperit fisiunea spontană a nucleului de uraniu cu cel mai lung timp de înjumătățire cunoscut până atunci: aproximativ 2· 10 15 ani; acest fapt devine clar datorită neutronilor eliberați în proces. Deci s-a putut înțelege de ce sistemul periodic „natural” se termină cu cele trei elemente numite. Elementele transuraniu sunt acum cunoscute, dar sunt atât de instabile încât se degradează rapid.
Fisiunea uraniului prin intermediul neutronilor face acum posibilă utilizarea energiei atomice, care a fost deja imaginată de mulți drept „visul lui Jules Verne”.

M. Laue, Istoria fizicii

1939 O. Hahn și F. Strassmann, iradiind săruri de uraniu cu neutroni termici, au descoperit printre produșii de reacție bariu (Z = 56)

Otto Gunn (1879 – 1968)

Fisiunea nucleară este împărțirea unui nucleu în două (rar trei) nuclee cu mase similare, care sunt numite fragmente de fisiune. În timpul fisiunii, apar și alte particule - neutroni, electroni, particule α. Ca urmare a fisiunii, este eliberată o energie de ~200 MeV. Fisiunea poate fi spontană sau forțată sub acțiunea altor particule, cel mai adesea neutroni.
O trăsătură caracteristică a fisiunii este că fragmentele de fisiune, de regulă, diferă semnificativ în masă, adică predomină fisiunea asimetrică. Astfel, în cazul celei mai probabile fisiuni a izotopului de uraniu 236 U, raportul masei fragmentului este de 1,46. Un fragment greu are un număr de masă de 139 (xenon), iar un fragment ușor are un număr de masă de 95 (stronțiu). Ținând cont de emisia a doi neutroni prompti, reacția de fisiune considerată are forma

Premiul Nobel pentru Chimie
1944 - O. Gan.
Pentru descoperirea reacției de fisiune a nucleelor ​​de uraniu de către neutroni.

Cioburi de fisiune

Dependența maselor medii ale grupurilor ușoare și grele de fragmente de masa nucleului fisionabil.

Descoperirea fisiunii nucleare. 1939

Am venit în Suedia, unde Lise Meitner a suferit de singurătate, iar ca nepot devotat, am decis să o vizitez de Crăciun. Ea locuia în micul hotel Kungälv de lângă Göteborg. Am prins-o la micul dejun. Se gândi la scrisoarea pe care tocmai o primise de la Han. Am fost foarte sceptic cu privire la conținutul scrisorii, care raporta formarea bariului prin iradierea uraniului cu neutroni. Cu toate acestea, a fost atrasă de această oportunitate. Ne-am plimbat pe zăpadă, ea a mers, eu am schiat (a spus că poate face așa fără să cadă în spatele meu și a dovedit-o). Până la sfârșitul plimbării am putut deja să formulăm câteva concluzii; nucleul nu s-a despărțit și bucăți nu au zburat din el, dar a fost un proces care semăna mai degrabă cu modelul de picătură al nucleului Bohr; ca o picătură, nucleul s-ar putea alungi și diviza. Apoi am explorat cum incarcare electrica nucleonii reduce tensiunea superficială, care, după cum am putut stabili, scade la zero la Z = 100 și, poate, este foarte mică pentru uraniu. Lise Meitner a fost angajată în determinarea energiei eliberate în timpul fiecărei dezintegrare din cauza unui defect de masă. Avea o idee foarte clară despre curba defectului de masă. S-a dovedit că din cauza repulsiei electrostatice, elementele de fisiune ar dobândi o energie de aproximativ 200 MeV, iar aceasta corespundea doar cu energia asociată cu un defect de masă. Prin urmare, procesul ar putea decurge pur clasic fără a implica conceptul de trecere printr-o barieră potențială, care, desigur, ar fi inutilă aici.
Am petrecut două sau trei zile împreună de Crăciun. Apoi m-am întors la Copenhaga și abia am avut timp să-i spun lui Bohr despre ideea noastră chiar în momentul în care se urca deja pe vaporul pentru SUA. Îmi amintesc cum și-a plesnit pe frunte de îndată ce am început să vorbesc și a exclamat: „O, ce proști am fost! Ar fi trebuit să observăm asta mai devreme.” Dar el nu a observat și nimeni nu a observat.
Lise Meitner și cu mine am scris un articol. În același timp, am ținut constant legătura prin telefon de lungă distanță Copenhaga - Stockholm.

O. Frisch, Memorii. UFN. 1968. T. 96, numărul 4, p. 697.

Fisiune nucleară spontană

În experimentele descrise mai jos, am folosit metoda propusă mai întâi de Frisch pentru înregistrarea proceselor de fisiune nucleară. O cameră de ionizare cu plăci acoperite cu un strat de oxid de uraniu este conectată la un amplificator liniar reglat în așa fel încât particulele α emise din uraniu să nu fie înregistrate de sistem; impulsurile de la fragmente, care sunt mult mai mari decât impulsurile de la particulele α, deblochează tiratronul de ieșire și sunt considerate un releu mecanic.
O cameră de ionizare a fost special concepută sub forma unui condensator plat multistrat cu cu suprafata totala 15 plăci în 1000 cm.Plăcile, situate la o distanță de 3 mm una de alta, au fost acoperite cu un strat de oxid de uraniu 10-20 mg/cm 2 .
În primele experimente cu un amplificator reglat pentru a număra fragmentele, a fost posibil să se observe impulsuri spontane (în absența unei surse de neutroni) pe un releu și un osciloscop. Numărul acestor impulsuri a fost mic (6 în 1 oră) și, prin urmare, este destul de de înțeles că acest fenomen nu a putut fi observat cu camere de tip obișnuit ...
Tindem să credem asta efectul pe care îl observăm trebuie pus pe seama fragmentelor rezultate din fisiunea spontană a uraniului...

Fisiunea spontană ar trebui atribuită unuia dintre izotopii U neexcitați cu timpi de înjumătățire derivat dintr-o evaluare a rezultatelor noastre:

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

Dezintegrarea izotopilor 238 U

Fisiune nucleară spontană

Timpul de înjumătățire al izotopilor fisionabili spontan Z = 92 - 100

Primul sistem experimental cu o rețea de uraniu-grafit a fost construit în 1941 sub conducerea lui E. Fermi. Era un cub de grafit cu o nervură de 2,5 m lungime, care conținea aproximativ 7 tone de oxid de uraniu, închis în vase de fier, care erau așezate în cub la distanțe egale unul de celălalt. O sursă de neutroni RaBe a fost plasată în partea de jos a rețelei de uraniu-grafit. Factorul de multiplicare într-un astfel de sistem a fost ≈0,7. Oxidul de uraniu conținea de la 2 la 5% impurități. Eforturile suplimentare au fost îndreptate spre obținerea mai multor materiale curate iar până în mai 1942 s-a obţinut oxid de uraniu, în care impuritatea era mai mică de 1%. Pentru a asigura o reacție în lanț de fisiune, a fost necesar să se folosească o cantitate mare de grafit și uraniu - de ordinul mai multor tone. Impuritățile trebuiau să fie mai puțin de câteva părți pe milion. Reactorul, asamblat până la sfârșitul anului 1942 de către Fermi la Universitatea din Chicago, avea forma unui sferoid incomplet tăiat de sus. Conținea 40 de tone de uraniu și 385 de tone de grafit. În seara zilei de 2 decembrie 1942, după ce tijele absorbante de neutroni au fost îndepărtate, s-a descoperit că în interiorul reactorului are loc o reacție nucleară în lanț. Coeficientul măsurat a fost 1,0006. Inițial, reactorul a funcționat la un nivel de putere de 0,5 W. Până pe 12 decembrie, puterea sa a fost mărită la 200 de wați. Ulterior, reactorul a fost mutat la mai multe loc sigur, iar puterea sa a fost crescută la câțiva kW. În acest caz, reactorul consuma 0,002 g de uraniu-235 pe zi.

Primul reactor nuclear din URSS

Clădirea primului reactor nuclear de cercetare F-1 din URSS a fost gata până în iunie 1946.
După ce au fost efectuate toate experimentele necesare, s-a dezvoltat sistemul de control și protecție a reactorului, s-au stabilit dimensiunile reactorului, s-au efectuat toate experimentele necesare cu modele de reactoare, s-a determinat densitatea neutronilor pe mai multe modele, s-au obținut blocuri de grafit (așa-numita puritate nucleară) și (după verificări neutrono-fizice) blocuri de uraniu, în noiembrie 1946 a început construcția reactorului F-1.
Raza totală a reactorului era de 3,8 m. A necesitat 400 de tone de grafit și 45 de tone de uraniu. Reactorul a fost asamblat în straturi, iar la ora 15, pe 25 decembrie 1946, a fost asamblat ultimul, al 62-lea strat. După extragerea așa-numitelor tije de urgență, tija de control a fost ridicată, densitatea neutronilor a început să numere, iar la ora 18:00 pe 25 decembrie 1946 a luat viață primul reactor din URSS. A fost o victorie incitantă pentru oamenii de știință - creatorii unui reactor nuclear și tot poporul sovietic. Un an și jumătate mai târziu, pe 10 iunie 1948, reactorul industrial cu apă în canale a ajuns într-o stare critică și în curând a început producția industrială a unui nou tip de combustibil nuclear - plutoniu.