Как расщепить ядро урана

Деление ядра урана. Цепная реакция. Описание процесса

Деление ядра – это расщепление тяжелого атома на два фрагмента примерно равной массы, сопровождаемое выделением большого количества энергии.

Открытие ядерного деления начало новую эру – «атомный век». Потенциал возможного его использования и соотношение риска к пользе от его применения не только породили множество социологических, политических, экономических и научных достижений, но также и серьезные проблемы. Даже с чисто научной точки зрения процесс ядерного деления создал большое число головоломок и осложнений, и полное теоретическое его объяснение является делом будущего.

Делиться – выгодно

Энергии связи (на нуклон) у разных ядер различаются. Более тяжелые обладают меньшей энергией связи, чем расположенные в середине периодической таблицы.

Это означает, что тяжелым ядрам, у которых атомное число больше 100, выгодно делиться на два меньших фрагмента, тем самым высвобождая энергию, которая превращается в кинетическую энергию осколков. Этот процесс называется расщеплением атомного ядра.

В соответствии с кривой стабильности, которая показывает зависимость числа протонов от числа нейтронов для стабильных нуклидов, более тяжелые ядра предпочитают большее число нейтронов (по сравнению с количеством протонов), чем более легкие. Это говорит о том, что наряду с процессом расщепления будут испускаться некоторые «запасные» нейтроны. Кроме того, они будут также принимать на себя часть выделяющейся энергии. Изучение деления ядра атома урана показало, что при этом выделяется 3–4 нейтрона: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

Атомное число (и атомная масса) осколка не равна половине атомной массы родителя. Разница между массами атомов, образовавшихся в результате расщепления, обычно составляет около 50. Правда, причина этого еще не совсем понятна.

Энергии связи 238 U, 145 La и 90 Br равны 1803, 1198 и 763 МэВ соответственно. Это означает, что в результате данной реакции высвобождается энергия деления ядра урана, равная 1198 + 763-1803 = 158 МэВ.

Самопроизвольное деление

Процессы спонтанного расщепления известны в природе, но они очень редки. Среднее время жизни указанного процесса составляет около 10 17 лет, а, например, среднее время жизни альфа-распада того же радионуклида составляет около 10 11 лет.

Причина этого заключается в том, что для того, чтобы разделиться на две части, ядро должно сначала подвергнуться деформации (растянуться) в эллипсоидальную форму, а затем, перед окончательным расщеплением на два фрагмента, образовать «горлышко» посредине.

Потенциальный барьер

В деформированном состоянии на ядро действуют две силы. Одна из них – возросшая поверхностная энергия (поверхностное натяжение капли жидкости объясняет ее сферическую форму), а другая – кулоновское отталкивание между осколками деления. Вместе они производят потенциальный барьер.

Как и в случае альфа-распада, чтобы произошло спонтанное деление ядра атома урана, фрагменты должны преодолеть этот барьер с помощью квантового туннелирования. Величина барьера составляет около 6 МэВ, как и в случае с альфа-распадом, но вероятность туннелирования α-частицы значительно больше, чем гораздо более тяжелого продукта расщепления атома.

Вынужденное расщепление

Гораздо более вероятным является индуцированное деление ядра урана. В этом случае материнское ядро ​​облучается нейтронами. Если родитель его поглощает, то они связываются, высвобождая энергию связи в виде колебательной энергии, которая может превысить 6 МэВ, необходимых для преодоления потенциального барьера.

Там, где энергии дополнительного нейтрона недостаточно для преодоления потенциального барьера, падающий нейтрон должен обладать минимальной кинетической энергией для того, чтобы иметь возможность индуцировать расщепление атома. В случае 238 U энергии связи дополнительных нейтронов не хватает около 1 МэВ. Это означает, что деление ядра урана индуцируется только нейтроном с кинетической энергией больше 1 МэВ. С другой стороны, изотоп 235 U имеет один непарный нейтрон. Когда ядро ​​поглощает дополнительный, он образует с ним пару, и в результате этого спаривания появляется дополнительная энергия связи. Этого достаточно для освобождения количества энергии, необходимого для того, чтобы ядро преодолело потенциальный барьер и деление изотопа происходило при столкновении с любым нейтроном.

Бета-распад

Несмотря на то что при реакции деления испускаются три или четыре нейтрона, осколки по-прежнему содержат больше нейтронов, чем их стабильные изобары. Это означает, что фрагменты расщепления, как правило, неустойчивы по отношению к бета-распаду.

Например, когда происходит деление ядра урана 238 U, стабильным изобаром с А = 145 является неодим 145 Nd, что означает, что фрагмент лантан 145 La распадается в три этапа, каждый раз излучая электрон и антинейтрино, пока не будет образован стабильный нуклид. Стабильным изобаром с A = 90 является цирконий 90 Zr, поэтому осколок расщепления бром 90 Br распадается в пять этапов цепи β-распада.

Эти цепи β-распада выделяют дополнительную энергию, которая почти вся уносится электронами и антинейтрино.

Ядерные реакции: деление ядер урана

Прямое излучение нейтрона из нуклида со слишком большим их количеством для обеспечения стабильности ядра маловероятно. Здесь дело заключается в том, что нет кулоновского отталкивания, и поэтому поверхностная энергия имеет тенденцию к удержанию нейтрона в связи с родителем. Тем не менее это иногда происходит. Например, фрагмент деления 90 Br в первой стадии бета-распада производит криптон-90, который может быть находиться в возбужденном состоянии с достаточной энергией, чтобы преодолеть поверхностную энергию. В этом случае излучение нейтронов может происходить непосредственно с образованием криптона-89. Этот изобар по-прежнему неустойчив по отношению к β-распаду, пока не перейдет в стабильный иттрий-89, так что криптон-89 распадается в три этапа.

Читайте также:  Марка стали 09г2с чем заменить

Деление ядер урана: цепная реакция

Нейтроны, испускаемые в реакции расщепления, могут быть поглощены другим ядром-родителем, которое затем само подвергается индуцированному делению. В случае урана-238 три нейтрона, которые возникают, выходят с энергией менее 1 МэВ (энергия, выделяющаяся при делении ядра урана – 158 МэВ – в основном переходит в кинетическую энергию осколков расщепления), поэтому они не могут вызвать дальнейшее деление этого нуклида. Тем не менее при значительной концентрации редкого изотопа 235 U эти свободные нейтроны могут быть захвачены ядрами 235 U, что действительно может вызвать расщепление, так как в этом случае отсутствует энергетический порог, ниже которого деление не индуцируется.

Таков принцип цепной реакции.

Типы ядерных реакций

Пусть k – число нейтронов, произведенное в образце делящегося материала на стадии n этой цепи, поделенное на число нейтронов, образованных на стадии n — 1. Это число будет зависеть от того, сколько нейтронов, полученных на стадии n — 1, поглощаются ядром, которое может подвергнуться вынужденному делению.

• Если k 235 U настолько мала, что вероятность поглощения одного из нейтронов этим изотопом крайне ничтожна.

• Если k > 1, то цепная реакция будет расти до тех пор, пока весь делящийся материал не будет использован (атомная бомба). Это достигается путем обогащения природной руды до получения достаточно большой концентрации урана-235. Для сферического образца величина k увеличивается с ростом вероятности поглощения нейтронов, которая зависит от радиуса сферы. Поэтому масса U должна превышать некоторую критическую массу, чтобы деление ядер урана (цепная реакция) могло происходить.

• Если k = 1, то имеет место управляемая реакция. Это используется в ядерных реакторах. Процесс контролируется распределением среди урана стержней из кадмия или бора, которые поглощают большую часть нейтронов (эти элементы обладают способностью захватывать нейтроны). Деление ядра урана контролируется автоматически путем перемещения стержней таким образом, чтобы величина k оставалась равной единице.

Источник

Как расщепить ядро урана

«Физика — 11 класс»

Делиться на части могут только ядра некоторых тяжелых элементов.
При делении ядер испускаются два-три нейтрона и γ-лучи.
Одновременно выделяется большая энергия.

Открытие деления урана

Деление ядер урана было открыто в 1938 г. немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом.
Они установили, что при бомбардировке урана нейтронами возникают элементы средней части периодической системы: барий, криптон и др.
Однако правильное истолкование этого факта именно как деления ядра урана, захватившего нейтрон, было дано в начале 1939 г. английским физиком О. Фришем совместно с австрийским физиком Л. Мейтнер.

Захват нейтрона нарушает стабильность ядра.
Ядро возбуждается и становится неустойчивым, что приводит к его делению на осколки.

Деление ядра возможно потому, что масса покоя тяжелого ядра больше суммы масс покоя осколков, возникающих при делении.

Поэтому происходит выделение энергии, эквивалентной уменьшению массы покоя, сопровождающему деление.
Но полная масса сохраняется, так как масса движущихся с большой скоростью осколков превышает их массу покоя.

Возможность деления тяжелых ядер можно также объяснить с помощью графика зависимости удельной энергии связи от массового числа A.
Удельная энергия связи ядер атомов элементов, занимающих в периодической системе последние места (А ≈ 200), примерно на 1 МэВ меньше удельной энергии связи в ядрах элементов, находящихся в середине периодической системы (А ≈ 100).
Поэтому процесс деления тяжелых ядер на ядра элементов средней части периодической системы является энергетически выгодным.
Система после деления переходит в состояние с минимальной внутренней энергией.
Ведь, чем больше энергия связи ядра, тем большая энергия должна выделяться при возникновении ядра и, следовательно, тем меньше внутренняя энергия образовавшейся вновь системы.

При делении ядра энергия связи, приходящаяся на каждый нуклон, увеличивается на 1 МэВ и общая выделяющаяся энергия должна быть огромной — порядка 200 МэВ.
Ни при какой другой ядерной реакции (не связанной с делением) столь больших энергий не выделяется.

Непосредственные измерения энергии, выделяющейся при делении ядра урана подтвердили приведенные соображения и дали значение ≈200 МэВ.
Причем большая часть этой энергии (168 МэВ) приходится на кинетическую энергию осколков.
На рисунке представлены треки осколков делящегося урана в камере Вильсона.

Выделяющаяся при делении ядра энергия имеет электростатическое, а не ядерное происхождение.
Большая кинетическая энергия, которую имеют осколки, возникает вследствие их кулоновского отталкивания.

Механизм деления ядра

Процесс деления атомного ядра можно объяснить на основе капельной модели ядра.
Согласно этой модели сгусток нуклонов напоминает капельку заряженной жидкости.
Ядерные силы между нуклонами являются короткодействующими, подобно силам, действующим между молекулами жидкости.
Наряду с большими силами электростатического отталкивания между протонами, стремящимися разорвать ядро на части, действуют еще бо́льшие ядерные силы притяжения.
Эти силы удерживают ядро от распада.

Ядро урана-235 имеет форму шара.
Поглотив лишний нейтрон, оно возбуждается и начинает деформироваться, приобретая вытянутую форму.
Ядро будет растягиваться до тех пор, пока силы отталкивания между половинками вытянутого ядра не начнут преобладать над силами притяжения, действующими в перешейке.
После этого оно разрывается на две части.
Под действием кулоновских сил отталкивания эти осколки разлетаются со скоростью, равной 1/30 скорости света.

Испускание нейтронов в процессе деления

Фундаментальный факт ядерного деления — испускание в процессе деления двух-трех нейтронов.
Именно благодаря этому оказалось возможным практическое использование внутриядерной энергии.

Читайте также:  Как почистить топаз с золотом

Понять, почему происходит испускание свободных нейтронов, можно исходя из следующих соображений.
Известно, что отношение числа нейтронов к числу протонов в стабильных ядрах возрастает с повышением атомного номера.
Поэтому у возникающих при делении осколков относительное число нейтронов оказывается большим, чем это допустимо для ядер атомов, находящихся в середине таблицы Менделеева.
В результате несколько нейтронов освобождается в процессе деления.
Их энергия имеет различные значения — от нескольких миллионов электрон-вольт до совсем малых, близких к нулю.

Деление обычно происходит на осколки, массы которых отличаются примерно в 1,5 раза.
Осколки эти сильно радиоактивны, так как содержат избыточное количество нейтронов.
В результате серии последовательных β-распадов в конце концов получаются стабильные изотопы.

Существует также спонтанное деление ядер урана.
Оно было открыто советскими физиками Г. Н. Флеровым и К. А. Петржаком в 1940 г.
Период полураспада для спонтанного деления равен 10 16 лет.
Это в два миллиона раз больше периода полураспада при α-распаде урана.

Реакция деления ядер сопровождается выделением энергии.

Деление атомных ядер тяжелых элементов возможно благодаря тому, что удельная энергия связи этих ядер меньше удельной энергии связи ядер элементов, находящихся в середине периодической системы Менделеева.

Источник: «Физика — 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин

Физика атомного ядра. Физика, учебник для 11 класса — Класс!ная физика

Источник

Ядерные реакции. Деление ядер урана. Цепные ядерные реакции. Ядерный реактор

Урок 47. Физика 11 класс

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобретя в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Ядерные реакции. Деление ядер урана. Цепные ядерные реакции. Ядерный реактор»

«Чудеса науки современной далеко

превосходят чудеса древней мифологии»

В 1932 году была предложена протонно-нейтронная модель атомного ядра. Тогда возник вопрос о том, какие силы удерживают нуклоны в ядре, несмотря на кулоновские силы отталкивания? Ученые пришли к выводу, что это фундаментально новый вид сил, который назвали ядерными силами. Ядерные силы являются самыми мощными силами в природе, но действуют только в пределах атомного ядра. Из этого следовало, что в ядре заключена энергия, которую впоследствии назвали энергией связи. Выяснилось, что суммарная масса всех нуклонов, из которых состоит ядро, больше массы самого ядра. Такую разницу назвали дефектом масс. Именно с этим связано понятие энергии связи. Оказалось, что часть массы нуклонов превращается в энергию связи в соответствии с уравнением Эйнштейна. Тогда ученые немедленно задались вопросом: а нельзя ли получить энергию при расщеплении ядра? Именно об этом будет идти речь в данной теме.

Итак, ядерные реакции – это изменения атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами или друг с другом. Ранее приводилисьпримеры ядерных реакций, когда изучали открытие протона и нейтрона. Напомним, что для стимуляции этих реакций использовалась бомбардировка a-частицами. Надо сказать, что есть более эффективные методы для осуществления ядерных реакций: например, сообщать большую кинетическую энергию частицам с помощью ускорителей. В частности, вместо a-частицы можно использовать ускоренный протон. Во-первых, он будет обладать энергий примерно в 10 тысяч раз большей, чем a-частица, а во-вторых, на него будет действовать вдвое меньшая сила отталкивания со стороны ядра, поскольку заряда протона вдвое меньше, чем заряд a-частицы. Наконец, можно ускорять и другие частицы, имеющую массу, значительно превышающую массу a-частицы.

В 1932 году удалось провести такого рода реакцию: при бомбардировке ядра атома лития протонами возникало две a-частицы. Было установлено, что кинетическая энергия этих a-частиц на 7,3 МэВ превышала кинетическую энергию протона.

Дело в том, что удельная энергия связи в ядрах гелия больше, чем удельная энергия связи в ядре лития. Именно поэтому, часть энергии ядра лития превратилась в кинетическую энергию a-частиц. Из этого следует, что изменение кинетической энергии в процессе ядерной реакции равно изменению энергии покоя участвующих в реакции ядер и частиц. Разность энергий покоя ядер и частиц до и после реакции называется энергетическим выходом.

Энергетический выход ядерной реакции может быть как положительным, так и отрицательным (то есть, энергия может выделяться, а может поглощаться). В связи с этим, реакции делятся на экзотермические и эндотермические.

Рассмотрим еще один тип ядерных реакций – реакции на нейтронах. С помощью нейтронов гораздо удобнее осуществлять ядерные реакции, поскольку нейтроны не имеют заряда, а, следовательно, ядро их не отталкивает. Первым, кто начал изучать такие реакции, был Энрико Ферми. Например, при попадании нейтрона в ядро алюминия, из него выбивается a-частица и образуется ядро натрия.

Но самое главное, что обнаружил Ферми – это то, что нейтроны не обязательно должны быть быстрыми. Медленные нейтроны в определенных случаях оказались ещё более эффективными, поэтому нейтроны целесообразно замедлять до реакции. Под медленным нейтроном подразумевается нейтрон, скорость которого сравнима со скоростью теплового движения, поэтому такие нейтроны иногда называют тепловыми.

Рассмотрим важный вопрос: деление ядер урана. Впервые это явление было открыто Фрицем Штрассманом и Отто Ганом в 1938 году. Они обнаружили, что при бомбардировке урана нейтронами образуются такие элементы как барий и криптон. Правильно истолковать этот факт смогли Лиза Мейтнер и Отто Фриш, которые в 1939 году пришли к выводу, что ядра урана делятся. Происходит это следующим образом: в ядро урана попадает нейтрон, который дестабилизирует его. Энергия, которую добавляет нейтрон в ядро, приводит к неким пульсациям, то есть движению нуклонов. В результате ядро деформируется и становится немного продолговатым. И тут возникает следующее: ядерные силы еще продолжают действовать, сжимая ядро, то есть, стараясь удержать нуклоны вместе. В то же время, в продолговатых концах ядра кулоновские силы начинают его еще больше растягивать. В результате, ядро разделяется на два осколка, каждый из которых содержит избыточное число нейтронов. Поэтому, каждый осколок испускает один или два нейтрона. Было вычислено, что при делении ядра урана выделяется энергия примерно равная 200 МэВ. Если подсчитать, какая энергия выделиться при делении ядер урана, содержащихся в одном моле вещества, то получим просто громадное число. Для выделения такого количества энергии, нужно сжечь десятки тонн такого топлива, как бензин или керосин, в то время как масса одного моля урана составляет менее 250 г.

Читайте также:  Какая проба на золоте была раньше

Сразу следует заметить, что деление ядра урана вызвано нейтроном, но после деления ядра урана возникает минимум два нейтрона. Значит, эти нейтроны, могут вызвать деление уже двух ядер? А потом, четырех, восьми, шестнадцати и так далее. Такие реакции называются цепными реакциями. То есть, цепная реакция – это ядерная реакция, в которой частицы, вызывающие реакцию образуются как продукты этой реакции.

Рассмотрим теперь цепные реакции более подробно. Начнем с того, что естественный уран состоит из двух изотопов: уран 235 (U-235) и уран 238 (U-238). При этом, U-235 составляет всего 0,7 % от общего количества урана. Ядра этого изотопа делятся под влиянием любых нейтронов: как быстрых, так и медленных. Ядра U-238 делятся только при условии, что нейтроны обладают энергией не менее 1 МэВ. Такой энергией обладают примерно 60% нейтронов, образующихся при делении, при этом только 20% нейтронов производят деление U-238. Остальные нейтроны просто захватываются ядрами. Таким образом, используя чистый U-238, невозможно получить цепную реакцию. В связи с подобными рассуждениями вводится понятие «коэффициент размножения нейтронов». Это отношение числа нейтронов, вызывающих деление ядер вещества на одном из этапов реакции, к числу нейтронов, вызвавших деление на предыдущем этапе реакции. Коэффициент размножения зависит от природы делящегося вещества. Очевидно, что, коэффициент размножения зависит от количества делящегося вещества. Также, коэффициент размножения зависит от объёма, занимаемого вещества и от его геометрической формы. Дело в том, что некоторые нейтроны могут вылететь наружу, не испытав соударения с ядрами. В связи с этим, коэффициент размножения будет максимален, если вещество имеет шарообразную форму.

При коэффициенте размножения меньше единицы, реакция очень быстро затухает, поскольку число нейтронов, захваченных ядрами, превышает число появляющихся нейтронов. При коэффициенте размножения равным единице устанавливается стабильное течение цепной реакции (поскольку образуется ровно столько же нейтронов, сколько захватывается). Масса делящегося вещества, в котором цепная реакция идет с коэффициентом размножения, равным единице, называется критической массой. Если же коэффициент размножения хоть чуть-чуть превысит единицу, реакция станет неуправляемой. Количество нейтронов будет расти с огромной скоростью, в результате чего все больше и больше ядер урана будут подвергнуты делению. Это приведет к выбросу огромного количества энергии, то есть к ядерному взрыву. Именно такая неуправляемая реакция используется для создания ядерного оружия.

Известно, что сегодня активно развивается ядерная энергетика. Рассмотрим схему работы ядерного реактора. Ядерный реактор – это устройство, в котором осуществляется управляемая реакция деления ядер.

Часто в качестве ядерного горючего используется U-235, поскольку он наиболее эффективно захватывает медленные нейтроны. Итак, в активной зоне находится ядерное топливо в виде урановых стержней, и замедлитель нейтронов (во многих случаях – это тяжелая вода). Проходя через замедлитель, тепловые нейтроны вновь участвуют в делении ядер урана. Если нейтрон попадает в ядро U-235, то реакция повторяется, а если в ядро U-238 – то образуется радиоактивный изотоп U-239. В результате b-распада образуется ядро нептуния, который тоже радиоактивен. Нептуний также испускает b-частицу и превращается в плутоний, который тоже используется в качестве ядерного горючего.

Активная зона реактора посредством труб соединяется с теплообменником, образуя так называемый первый замкнутый контур. Насосы обеспечивают циркуляцию воды в этом контуре. При этом вода, нагретая в активной зоне за счет внутренней энергии атомных ядер, проходя через теплообменник, нагревает воду в змеевике второго контура, превращая ее в пар. Таким образом, вода в активной зоне реактора служит не только замедлителем нейтронов, но и теплоносителем, отводящим тепло.

Ядерные реакции – это изменения атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами или друг с другом.

– Любая ядерная реакция характеризуется энергетическим выходом, то есть разностью энергий покоя ядер и частиц до и после реакции.

Цепная реакция – это ядерная реакция, в которой частицы, вызывающие реакцию образуются как продукты этой реакции.

– Важнейшей характеристикой цепной реакции является коэффициент размножения нейтронов. Он определяется как отношение числа нейтронов, вызывающих деление ядер вещества на одном из этапов реакции, к числу нейтронов, вызвавших деление на предыдущем этапе реакции.

– Если коэффициент размножения нейтронов меньше единицы, то реакция практически сразу затухает.

– При определенном значении массы делящегося вещества (которое называется критической массой), коэффициент размножения равен единице. В этом случае цепная реакция протекает стационарно.

– Если же коэффициент размножения превышает единицу, то это приводит к неуправляемой реакции и выбросу огромного количества энергии в виде взрыва.

– Для осуществления управляемой реакции деления ядер нужно специальное устройство. Такое устройство называется ядерным реактором.

Источник

Поделиться с друзьями
Металл и камни