Warum wird bei der Kernspaltung Energie freigesetzt? Spaltenergie

Die Spaltung von Urankernen wurde 1938 von den deutschen Wissenschaftlern O. Hahn und F. Strassmann entdeckt. Sie konnten feststellen, dass beim Beschuss von Urankernen mit Neutronen Elemente des mittleren Teils des Periodensystems gebildet werden: Barium, Krypton usw. Der österreichische Physiker L. Meitner und Englischer Physiker O. Frisch. Sie erklärten das Auftreten dieser Elemente durch den Zerfall von Urankernen, die ein Neutron einfingen, in zwei ungefähr gleiche Teile. Dieses Phänomen wird als Kernspaltung bezeichnet, und die resultierenden Kerne werden als Spaltfragmente bezeichnet.

siehe auch

  1. Vasiliev, A. Spaltung von Uran: von Klaproth bis Gan, Kvant. - 2001. - Nr. 4. - S. 20-21.30.

Drop-Modell des Kerns

Diese Spaltreaktion lässt sich anhand des Tropfenmodells des Kerns erklären. In diesem Modell wird der Kern als Tropfen einer elektrisch geladenen, inkompressiblen Flüssigkeit betrachtet. Zusätzlich zu den zwischen allen Nukleonen des Kerns wirkenden Kernkräften erfahren Protonen eine zusätzliche elektrostatische Abstoßung, aufgrund derer sie sich an der Peripherie des Kerns befinden. Im nicht angeregten Zustand werden die elektrostatischen Abstoßungskräfte kompensiert, sodass der Kern eine Kugelform hat (Abb. 1a).

Nach dem Einfang eines Neutrons durch den Kern \(~^(235)_(92)U\) wird ein Zwischenkern \(~(^(236)_(92)U)^*\) gebildet, der ist in einem aufgeregten Zustand. In diesem Fall wird die Neutronenenergie gleichmäßig auf alle Nukleonen verteilt, und der Zwischenkern selbst wird deformiert und beginnt zu schwingen. Wenn die Anregung klein ist, dann befreit sich der Kern (Abb. 1, b) von überschüssiger Energie, indem er emittiert γ -Quantum oder Neutron, kehrt in einen stabilen Zustand zurück. Ist die Anregungsenergie ausreichend hoch, so kann die Verformung des Kerns bei Schwingungen so groß werden, dass sich darin eine Einschnürung ausbildet (Abb. 1c), ähnlich der Einschnürung zwischen zwei Teilen eines spaltenden Flüssigkeitstropfens. nukleare Kräfte, die in einer schmalen Taille wirken, können der erheblichen Coulomb-Abstoßungskraft der Kernteile nicht mehr widerstehen. Die Einschnürung bricht auf, und der Zellkern zerfällt in zwei "Fragmente" (Abb. 1d), die in entgegengesetzte Richtungen zerstreuen.

uran.swf Flash: Uranspaltung Flash Pic vergrößern. 2.

Derzeit sind etwa 100 verschiedene Isotope mit Massenzahlen von etwa 90 bis 145 bekannt, die bei der Spaltung dieses Kerns entstehen. Zwei typische Spaltreaktionen dieses Kerns haben die Form:

\(~^(235)_(92)U + \ ^1_0n \ ^(\nearrow)_(\searrow) \ \begin(matrix) ^(144)_(56)Ba + \ ^(89)_( 36)Kr + \ 3^1_0n \\ ^(140)_(54)Xe + \ ^(94)_(38)Sr + \ 2^1_0n \end(matrix)\) .

Beachten Sie, dass als Ergebnis der von einem Neutron initiierten Kernspaltung neue Neutronen erzeugt werden, die Spaltungsreaktionen in anderen Kernen verursachen können. Die Spaltprodukte von Uran-235-Kernen können auch andere Isotope von Barium, Xenon, Strontium, Rubidium usw. sein.

Während der Spaltung von Kernen schwerer Atome (\(~^(235)_(92)U\)) wird eine sehr große Energie freigesetzt - etwa 200 MeV während der Spaltung jedes Kerns. Etwa 80 % dieser Energie wird in Form von kinetischer Energie der Fragmente freigesetzt; Die restlichen 20% entfallen auf die Energie der radioaktiven Strahlung von Fragmenten und die kinetische Energie prompter Neutronen.

Die bei der Kernspaltung freigesetzte Energie lässt sich anhand der spezifischen Bindungsenergie von Nukleonen im Kern abschätzen. Die spezifische Bindungsenergie von Nukleonen in Kernen mit einer Massenzahl A≈ 240 in der Größenordnung von 7,6 MeV / Nukleon, während in Kernen mit Massenzahlen A= 90 – 145 spezifische Energie entspricht etwa 8,5 MeV/Nukleon. Daher setzt die Spaltung eines Urankerns eine Energie in der Größenordnung von 0,9 MeV/Nukleon oder ungefähr 210 MeV pro Uranatom frei. Bei der vollständigen Spaltung aller in 1 g Uran enthaltenen Kerne wird die gleiche Energie frei wie bei der Verbrennung von 3 Tonnen Kohle oder 2,5 Tonnen Öl.

siehe auch

  1. Varlamov A.A. Drop-Modell des Kerns // Kvant. - 1986. - Nr. 5. - S. 23-24

Kettenreaktion

Kettenreaktion- eine Kernreaktion, bei der die die Reaktion verursachenden Teilchen als Produkte dieser Reaktion entstehen.

Bei der Spaltung eines Uran-235-Kerns, die durch eine Kollision mit einem Neutron verursacht wird, werden 2 oder 3 Neutronen freigesetzt. Unter günstigen Bedingungen können diese Neutronen auf andere Urankerne treffen und diese zur Spaltung bringen. In diesem Stadium erscheinen bereits 4 bis 9 Neutronen, die neue Zerfälle von Urankernen usw. verursachen können. Ein solcher lawinenartiger Prozess wird als Kettenreaktion bezeichnet. Das Schema für die Entwicklung einer Kettenreaktion der Spaltung von Urankernen ist in Abb. 1 dargestellt. 3.

reaktion.swf Flash: Kettenreaktion Flash Pic vergrößern. 4.

Uran kommt in der Natur in Form der beiden Isotope \[~^(238)_(92)U\] (99,3%) und \(~^(235)_(92)U\) (0,7%) vor. Beim Beschuss mit Neutronen können sich die Kerne beider Isotope in zwei Fragmente aufspalten. In diesem Fall läuft die Spaltreaktion \(~^(235)_(92)U\) am intensivsten an langsamen (thermischen) Neutronen ab, während die Kerne \(~^(238)_(92)U\) eintreten die Reaktionsspaltung nur mit schnellen Neutronen mit einer Energie in der Größenordnung von 1 MeV. Andernfalls reicht die Anregungsenergie der gebildeten Kerne \(~^(239)_(92)U\) nicht für die Spaltung aus, und statt der Spaltung treten Kernreaktionen auf:

\(~^(238)_(92)U + \ ^1_0n \to \ ^(239)_(92)U \to \ ^(239)_(93)Np + \ ^0_(-1)e\ ) .

Uranisotop \(~^(238)_(92)U\) β -radioaktiv, Halbwertszeit 23 min. Das Neptunium-Isotop \(~^(239)_(93)Np\) ist ebenfalls radioaktiv, mit einer Halbwertszeit von etwa 2 Tagen.

\(~^(239)_(93)Np \to \ ^(239)_(94)Pu + \ ^0_(-1)e\) .

Das Plutoniumisotop \(~^(239)_(94)Np\) ist mit einer Halbwertszeit von 24.000 Jahren relativ stabil. Die wichtigste Eigenschaft von Plutonium ist, dass es unter dem Einfluss von Neutronen genauso spaltbar ist wie \(~^(235)_(92)U\). Daher kann mit Hilfe von \(~^(239)_(94)Np\) eine Kettenreaktion durchgeführt werden.

Das oben diskutierte Kettenreaktionsschema ist ein Idealfall. Unter realen Bedingungen nehmen nicht alle bei der Spaltung erzeugten Neutronen an der Spaltung anderer Kerne teil. Einige von ihnen werden von nicht spaltbaren Kernen fremder Atome eingefangen, andere fliegen aus Uran heraus (Neutronenleckage).

Daher tritt die Kettenreaktion der Spaltung schwerer Kerne nicht immer und nicht für jede Uranmasse auf.

Neutronenmultiplikationsfaktor

Die Entwicklung einer Kettenreaktion wird durch den sogenannten Neutronenmultiplikationsfaktor gekennzeichnet ZU, die durch das Verhältnis der Anzahl gemessen wird N i Neutronen, die in einer der Phasen der Reaktion die Kernspaltung von Materie verursachen, bis zur Zahl N i-1 Neutronen, die im vorherigen Stadium der Reaktion eine Spaltung verursacht haben:

\(~K = \dfrac(N_i)(N_(i - 1))\) .

Der Multiplikationsfaktor hängt von einer Reihe von Faktoren ab, insbesondere von Art und Menge des spaltbaren Materials sowie von der geometrischen Form des von ihm eingenommenen Volumens. Die gleiche Menge einer bestimmten Substanz hat andere Bedeutung ZU. ZU maximal, wenn die Substanz eine Kugelform hat, da in diesem Fall der Verlust von prompten Neutronen durch die Oberfläche am geringsten ist.

Die Masse des spaltbaren Materials, in der die Kettenreaktion abläuft, mit dem Multiplikationsfaktor ZU= 1 heißt kritische Masse. In kleinen Uranstücken fliegen die meisten Neutronen heraus, ohne auf einen Kern zu treffen.

Der Wert der kritischen Masse wird durch die Geometrie bestimmt physikalisches System, seine Struktur und äußere Umgebung. Für eine Kugel aus reinem Uran \(~^(235)_(92)U\) beträgt die kritische Masse also 47 kg (eine Kugel mit einem Durchmesser von 17 cm). Durch den Einsatz sogenannter Neutronenmoderatoren lässt sich die kritische Masse von Uran um ein Vielfaches verringern. Tatsache ist, dass Neutronen, die beim Zerfall von Urankernen entstehen, zu hohe Geschwindigkeiten haben und die Wahrscheinlichkeit, dass langsame Neutronen von Uran-235-Kernen eingefangen werden, hundertmal höher ist als die von schnellen. Der beste Moderator von Neutronen ist schweres Wasser D 2 O. Bei der Wechselwirkung mit Neutronen wird gewöhnliches Wasser selbst zu schwerem Wasser.

Ein guter Moderator ist auch Graphit, dessen Kerne keine Neutronen absorbieren. Bei elastischer Wechselwirkung mit Deuterium- oder Kohlenstoffkernen werden Neutronen auf thermische Geschwindigkeiten abgebremst.

Die Verwendung von Neutronenmoderatoren und einer speziellen Berylliumhülle, die Neutronen reflektiert, ermöglicht es, die kritische Masse auf 250 g zu reduzieren.

Mit Multiplikationsfaktor ZU= 1 wird die Zahl der Spaltkerne konstant gehalten. Dieser Modus ist in Kernreaktoren vorgesehen.

Wenn die Masse des Kernbrennstoffs kleiner als die kritische Masse ist, dann der Multiplikationsfaktor ZU < 1; каждое новое поколение вызывает все меньшее и меньшее число делений, и реакция без внешнего источника нейтронов быстро затухает.

Wenn die Masse des Kernbrennstoffs größer als die kritische ist, dann der Multiplikationsfaktor ZU> 1 und jede neue Generation von Neutronen verursacht alles mehr Abteilungen. Die Kettenreaktion wächst wie eine Lawine und hat den Charakter einer Explosion, begleitet von einer enormen Energiefreisetzung und einem Temperaturanstieg. Umfeld bis zu mehreren Millionen Grad. Eine solche Kettenreaktion tritt auf, wenn eine Atombombe explodiert.

Atombombe

Im Normalzustand explodiert eine Atombombe nicht, weil die darin enthaltene Kernladung durch Trennwände, die die Zerfallsprodukte von Uran - Neutronen absorbieren, in mehrere kleine Teile unterteilt ist. Die nukleare Kettenreaktion, die eine nukleare Explosion verursacht, kann unter solchen Bedingungen nicht aufrechterhalten werden. Wenn die Fragmente der Kernladung jedoch miteinander verbunden sind, reicht ihre Gesamtmasse aus, damit sich die Kettenreaktion der Uranspaltung zu entwickeln beginnt. Das Ergebnis ist eine nukleare Explosion. Gleichzeitig entspricht die von einer relativ kleinen Atombombe entwickelte Explosionskraft der Kraft, die bei der Explosion von Millionen und Milliarden Tonnen TNT freigesetzt wird.

Reis. 5. Atombombe

1.8. Kernspaltung

1.8.1. Spaltreaktionen schwerer Kerne. Kernspaltungsmechanismus und Aktivierungsenergie. Zusammensetzung von Kernspaltungsprodukten und Spaltenergie. Elementare Theorie der Kernspaltung

Kernspaltung- eine Kernreaktion, bei der zwei (selten drei) Bruchstückkerne entstehen. Der Prozess wird von der Emission sekundärer Neutronen, Quanten und der Freisetzung einer erheblichen Energiemenge begleitet.

Historische Referenz. 1938 zeigten Gunn und F. Strassmann durch präzise radiochemische Analysen, dass bei der Bestrahlung von Uran mit Neutronen darin das Element Barium entsteht, das in der Mitte des Periodensystems steht. Die Reaktion sah aus

, (Q≈ 200 MeV). (1,82)

Es gibt über 30 Uran-235-Spaltungsausgangskanäle. F. Joliot-Curie mit Mitarbeitern in Frankreich und E. Fermi mit Mitarbeitern in Italien entdeckten die Emission mehrerer Neutronen im Ausgangskanal. O. Frisch und L. Meitner in Deutschland bemerkten die enorme Menge an Energie, die während der Spaltung freigesetzt wird. Dies diente dazu, die Idee einer sich selbst erhaltenden Kernspaltungsreaktion vorzubringen. 1940 wurde auch in Russland die spontane Kernspaltung entdeckt. Grundlage der modernen Kernenergie ist die Spaltung von Uran- und Plutoniumkernen unter Einwirkung von Neutronen. Das Atomzeitalter begann 1938.

Kernspaltung kann auch unter Einwirkung von Protonen, γ-Quanten, α-Teilchen usw. stattfinden. Erzwungene Spaltung eines angeregten Kerns durch ein Neutron ( N, F) konkurriert mit anderen Prozessen: mit strahlendem Neutroneneinfang ( N, γ ), also die Emission eines γ-Quants und die Streuung eines Neutrons an einem Kern ( N, N).

Die Wahrscheinlichkeit einer Kernspaltung wird durch das Verhältnis der Spaltquerschnitte bestimmt σ F Kern zum gesamten Neutroneneinfangquerschnitt.

Isotope , , werden durch Neutronen aller Energien geteilt, beginnend bei Null. Im Verlauf der Spaltquerschnitte dieser Isotope treten Resonanzen auf, die den Energieniveaus des spaltbaren Kerns entsprechen (siehe Abb. 1.13).

Kernspaltungsmechanismus und Aktivierungsenergie

Der Kernspaltungsprozess wird als Teilung eines homogen geladenen Flüssigkeitstropfens unter Einwirkung von Coulomb-Kräften erklärt (M, Wheeler, 1939). Um sich zu trennen, muss der Kern eine bestimmte kritische Energie annehmen, die als Aktivierungsenergie bezeichnet wird. Nach dem Einfang eines Neutrons wird ein zusammengesetzter angeregter Kern gebildet. Der angeregte Kern beginnt zu schwingen. Das Volumen des Kerns ändert sich nicht (Kernmaterie ist praktisch inkompressibel), aber die Oberfläche des Kerns nimmt zu. Die Oberflächenenergie nimmt zu, daher neigen die Oberflächenspannungskräfte dazu, den Kern in seinen ursprünglichen Zustand zurückzubringen. Die Coulomb-Energie nimmt aufgrund der Zunahme des mittleren Abstands zwischen Protonen im absoluten Wert ab. Coulomb-Kräfte neigen dazu, den Kern zu brechen. Der Kern verwandelt sich von einer Kugelform in eine Ellipsoidform, dann tritt eine Quadrupolverformung des Kerns auf, es bildet sich eine Verengung, der Kern verwandelt sich in eine Hantel, die bricht, zwei Fragmente bildet und „spritzt“ - ein Paar Neutronen.

Ein Merkmal der Spaltfähigkeit des Kerns ist das Verhältnis der Coulomb-Energie zur Oberflächenenergie, abgeleitet aus der halbempirischen Formel für die Bindungsenergie des Kerns

, (1.83)

Wo - Teilbarkeitsparameter.

Kerne mit einem Spaltbarkeitsparameter >17 können spalten, mit einem kritischen Spaltbarkeitsparameter ()cr = 45 spalten sie sofort (Bedingung für spontane Kernspaltung). Damit sich ein Kern spalten kann, muss er eine Energiebarriere überwinden, die als Spaltbarriere bezeichnet wird. Bei der erzwungenen Spaltung erhält der Kern diese Energie, wenn ein Neutron eingefangen wird.

Zusammensetzung von Spaltprodukten

Spaltungsscherben . Die Hauptart der Kernspaltung ist die Spaltung in zwei Fragmente. Die Fragmente werden nach Masse asymmetrisch im Verhältnis zwei zu drei geteilt. Die Ausbeute an Spaltprodukten ist definiert als das Verhältnis der Anzahl der Spaltungen, die ein Bruchstück erzeugen, zu der gegebenen A Zu volle Nummer Abteilungen. Da jede Spaltung zwei Kerne erzeugt, beträgt die Gesamtausbeute pro Spaltung für alle Massenzahlen 200 %. Die Fragmentmassenverteilung während der Kernspaltung ist in Abb. 1 dargestellt. 1.14. Die Abbildung zeigt eine typische Zweihöckerkurve für die Verteilung des Gesamtspaltungsertrags durch thermische Neutronen. Die Impulse der Fragmente sind gleich und haben entgegengesetztes Vorzeichen. Die Fragmentgeschwindigkeiten erreichen ~107 m/s.

Abb.1.14. Abhängigkeit der Ausbeuten an Spaltprodukten von Uran-235 und Plutonium-239 unter Einwirkung thermischer Neutronen von der Massenzahl A.

Spaltneutronen . Im Moment der Bildung sind die Fragmente des ursprünglichen Kerns stark deformiert. Die überschüssige potentielle Verformungsenergie wandelt sich in die Anregungsenergie der Fragmente um. Spaltfragmente haben eine große Ladung und sind wie der ursprüngliche Kern mit Neutronen angereichert. Sie gehen in stabile Kerne über und schleudern sekundäre Neutronen und γ-Quanten aus. Die Anregung von Bruchstückkernen wird durch "Verdampfung" von Neutronen entfernt.

Sofortige Spaltneutronen sind Neutronen, die von angeregten Fragmenten in einer Zeit von weniger als 4 · 10-14 Sekunden emittiert werden. Sie verdampfen isotrop aus den Bruchstücken.

IN Laborkoordinatensystem(l.s.c.) wird das Energiespektrum von Spaltneutronen gut durch die Maxwellsche Verteilung beschrieben

, (1.84)

Wo E ist die Neutronenenergie in l. s.k..gif" width="63 height=46" height="46"> – durchschnittliche Spektrumsenergie.

Nummer v Sekundärneutronen pro 1 Spaltungsakt durch thermische Neutronen ist für Uran-235 v= 2,43, Plutonium-239 v= 2,89. (Beispielsweise werden bei 100 Spaltungsereignissen gleichzeitig 289 Sekundärneutronen erzeugt).

Emission von γ-Quanten . Nach dem „Verdampfen“ von Neutronen aus Bruchstücken haben diese noch Anregungsenergie, die von prompten γ-Quanten abtransportiert wird. Der Vorgang der Emission von γ-Quanten erfolgt in einer Zeit von ~ 10-14 s nach der Emission von Neutronen. Gesamte effektive Strahlungsenergie pro Teilung E total = 7,5 MeV..gif" width="67" height="28 src="> MeV. Die durchschnittliche Anzahl von γ-Quanten pro Teilung.

verzögerte Neutronen – Neutronen, die nach der Spaltung der ursprünglichen Kerne erscheinen (von 10-2 Sek. bis 102 Sek.). Anzahl verzögerter Neutronen< 1% от полного количества нейтронов деления. Механизм испускания связан с β - Zerfall von Spaltfragmenten des Typs , , deren Energie β -Zerfall mehr als die Bindungsenergie des Neutrons. In diesem Fall liegt ein Verbot vor β -Übergang in den Grundzustand und niedrige Neutronentrennungsenergie. Die Anregungsenergie des Kerns ist größer als die Bindungsenergie des Neutrons. Das Neutron fliegt sofort nach der Bildung eines angeregten Kerns aus einem Fragmentkern infolge dessen heraus β -Verfall. Allerdings geschieht dies zeitlich erst nach der Halbwertszeit des Fragmentkerns.

Die Verteilung der Energie pro Spaltung eines schweren Kerns durch thermische Neutronen ist in der Tabelle gezeigt. 1.4.

Energie der Kernspaltungsprodukte Tabelle 1.4

Kinetische Energie eines Lichtfragments T osk l, MeV

Kinetische Energie eines schweren Fragments T osz t MeV

Kinetische Energie von Spaltneutronen EN MeV

Energie prompter γ-Quanten Еγ m MeV

Energie β - Partikel von Spaltprodukten ß MeV

Energie der γ-Strahlung von Spaltprodukten Еγ pr MeV

Antineutrinoenergie des Spaltprodukts Ev MeV

Energie der γ-Strahlung durch Neutroneneinfang ЕγN MeV

Die bei der Kernspaltung freigesetzte Gesamtenergie QΣMeV

Thermische Spaltungsenergie

QT = T ok l +T osz t + EN+ Åγ M + Åβ + Åγ usw + Åγ = 204 MeV.

Die vom Antineutrino abgeführte Energie wird nicht in Form von thermischer Energie freigesetzt, daher fallen bei 1 Spaltung des Kerns durch ein thermisches Neutron ~ 200 MeV an. Bei einer thermischen Leistung von 1 W treten 3.1.1010 Teilungen / sec auf. IN chemische Reaktionen ein Atom hat eine Energie von ~ 1 eV.

Elementare Theorie der Kernspaltung

Angenommen, beim Teilen von https://pandia.ru/text/78/550/images/image028_18.gif" width="31" height="27 src="> bleibt die Massenzahl erhalten A und aufladen Z. Das bedeutet, dass wir nur Shards berücksichtigen:

A 1+ A 2 = A , Z 1+ Z 2 = Z,

Der Kern ist im Verhältnis 2 zu 3 geteilt:

A 1 / A 2 = Z 1 / Z 2=2/3.

Die Reaktionsenergie ist gleich der Energie von Fragmenten Q = T OK

Q = C2 [M – (M1 + M2 ) ],

Q= Esv1+ Esv2– ESt., (1.85)

Wo ESt. ist die gesamte Bindungsenergie des Kerns in Bezug auf alle seine konstituierenden Nukleonen

, (1.86)

ebenfalls E sv1 , Esv2 sind die Bindungsenergien der ersten und zweiten Fragmente.

Einsetzen von (1.86) und beiden Formeln für E sv1, E s2 in (1.85) und Vernachlässigung des letzten Terms erhalten wir

. (1.87)

Unter der Annahme gemäß (1.15) = 17,23 MeV, https://pandia.ru/text/78/550/images/image026_22.gif" width="31" height="20"> erhalten wir die kinetische Energie der Fragmente Tock ≈ 178 MeV, was den Tabellenwert nur um 10 MeV übersteigt.

1.8.2. Kettenreaktionen der Spaltung von Urankernen. Formel zur Reproduktion in einer Kettenreaktion. Reproduktionsraten. Formel der vier Faktoren

Kettenreaktionen der Kernspaltung schwere Kerne durch Neutronen sind Kernreaktionen, bei denen die Anzahl der Neutronen zunimmt und ein sich selbst erhaltender Prozess der Kernspaltung von Materie auftritt. Chemische und nukleare verzweigte Kettenreaktionen sind immer exotherm. Eine Spaltkettenreaktion ist an praktisch drei Isotopen durchführbar und ist nur möglich, weil bei der Spaltung eines Kerns durch ein primäres Neutron mehr als zwei sekundäre Neutronen in den Ausgangskanal fliegen.

Multiplikations-Faktor ZU- das Hauptmerkmal der Entwicklung einer nuklearen Kettenreaktion.

Wo Ni ist die Anzahl der in erzeugten Neutronen ich-Generation, Ni–1 ist die Anzahl der Neutronen, die in ( ich–1)-Generation.

Auch die Theorie der nuklearen Kettenreaktionen entstand 1939 in Analogie zur Theorie der chemischen Kettenreaktionen (1934). Eine sich selbst erhaltende nukleare Kettenreaktion ist möglich, wenn K>1 – überkritische Reaktion, K=1 – kritische Reaktion. Wenn K<1 – реакция подкритическая, она затухает.

Formel zur Vervielfachung von Neutronen in einer Kettenreaktion

Wenn zu Beginn der Reaktion es gibt N Neutronen, dann wird ihre Zahl in einer Generation werden

d.h. gif" width="108" height="48">,

wo τ ist durchschnittliche Lebensdauer einer Generation von Neutronen

Wenn wir die Variablen trennen und integrieren, erhalten wir

,

mit der Formel , erhalten wir schließlich, dass die Zahl der Neutronen mit der Zeit zunimmt T exponentiell mit einem positiven Exponenten

https://pandia.ru/text/78/550/images/image027_18.gif" width="37" height="23"> langsame Neutronen und Kernspaltung durch schnelle Neutronen.

Reproduktionsraten. Formel der vier Faktoren

Lassen Sie das System Uran + Moderator unendliche Dimensionen haben. Nehmen wir an, dass im Moment der Geburt einer Generation von Neutronen N thermische Neutronen, von denen jedes https://pandia.ru/text/78/550/images/image058_8.gif" width="126" height="37">, (1.91) bildet

wobei σU der Absorptionsquerschnitt verlangsamter thermischer Neutronen durch Uran ist,

σ3 ist der Absorptionsquerschnitt langsamer thermischer Neutronen durch den Moderator,

ρU ist die Konzentration der Urankerne, ρ3 ist die Konzentration der Moderatorkerne.

Somit ist die Anzahl der vom Kernbrennstoff eingefangenen thermischen Neutronen ( NηεрF). Neutronenmultiplikationsfaktor in einem unendlichen Medium(Formel aus vier Faktoren)

. (1.92)

Neutronenmultiplikationsfaktor im Endmedium

Kef=, (1.93)

Wo - Gesamtwahrscheinlichkeit, dass ein Neutron dem Kernleck entkommt.

Damit im Endsystem eine stationäre nukleare Kettenreaktion abläuft, reicht es aus Kef=1. Dies entspricht kritisch(am kleinsten für die Reaktion) die Größe der aktiven Zone. (Für reines Uran ist dies eine Kugel mit einem Radius von 8,5 cm und einer Masse von 47 kg)..gif" width="25 height=23" height="23">>1.

Die erste kontrollierte nukleare Kettenreaktion wurde 1942 von E. Fermi in Chicago durchgeführt. Der Kernreaktor hatte η = 1,35, ε ≈ 1,03, ε pf≈ 0,8, = 1,08, z ZU eff benötigte θ0,93, was einer Größe von 5÷10 m entspricht Der 1946 in Moskau gebaute Kernreaktor hatte ähnliche Parameter.

Aufteilung in Kerne- Splitting-Prozess Atomkern in zwei Kerne mit ähnlicher Masse, sogenannte Spaltfragmente. Als Ergebnis der Spaltung können auch andere Reaktionsprodukte entstehen: leichte Kerne (hauptsächlich Alpha-Teilchen), Neutronen und Gamma-Quanten. Die Spaltung kann spontan (spontan) und erzwungen (durch Wechselwirkung mit anderen Teilchen, hauptsächlich mit Neutronen) erfolgen. Spaltung schwerer Kerne -- exothermer Prozess, wodurch eine große Energiemenge in Form der kinetischen Energie der Reaktionsprodukte sowie Strahlung freigesetzt wird. Die Kernspaltung dient als Energiequelle in Kernreaktoren und Kernwaffen.

1938 entdeckten die deutschen Wissenschaftler O. Gann und F. Strassmann, dass bei der Bestrahlung von Uran mit Neutronen Elemente aus der Mitte des Periodensystems, Barium und Lanthan, gebildet werden, was den Grundstein für die praktische Nutzung der Kernenergie legte.

Die Spaltung schwerer Kerne erfolgt, wenn Neutronen eingefangen werden. Dabei werden neue Teilchen emittiert und die Bindungsenergie des Kerns freigesetzt, die auf die Spaltfragmente übertragen wird.

Die Physiker A. Meitner und O. Frisch erklärten dieses Phänomen damit, dass der Urankern, der das Neutron eingefangen hat, in zwei Teile geteilt ist, genannt Splitter. Es gibt mehr als zweihundert Teilungsmöglichkeiten, zum Beispiel:

  • 235 U + 1 n > 139 Xe + 95 Sr + 2 1 n.
  • 92 0 54 38 0

Dabei werden pro Kern des Uranisotops 235 U 200 MeV Energie freigesetzt.

Der größte Teil dieser Energie wird von Fragmentkernen aufgenommen, der Rest entfällt auf die kinetische Energie von Spaltneutronen und die Strahlungsenergie.

Für die Synthese ähnlich infizierter Protonen ist es notwendig, die Coulomb-Abstoßungskräfte zu überwinden, was bei ausreichend hohen Geschwindigkeiten kollidierender Teilchen möglich ist. Die notwendigen Voraussetzungen für die Synthese von Heliumkernen aus Protonen stehen im Inneren von Sternen zur Verfügung. Auf der Erde wurde eine thermonukleare Fusionsreaktion in experimentellen thermonuklearen Explosionen durchgeführt.

Da für schwere Kerne das Verhältnis der Anzahl von Neutronen und Protonen N / Z ≈ 1,6 ist und für leichtere Kerne - Fragmente nahe Eins ist, werden die Fragmente im Moment ihres Auftretens mit Neutronen überladen, um in a zu gehen stabilen Zustand, emittieren sie zweitrangig Neutronen. Die Emission von Sekundärneutronen ist ein wichtiges Merkmal der Spaltreaktion schwerer Kerne, daher werden auch Sekundärneutronen genannt Spaltneutronen. Bei der Spaltung jedes Urankerns werden 2-3 Spaltneutronen emittiert. Sekundäre Neutronen können neue Spaltungsereignisse verursachen, was die Umsetzung ermöglicht Spaltkettenreaktion- eine Kernreaktion, bei der die die Reaktion verursachenden Teilchen als Produkte dieser Reaktion entstehen. Die Kettenreaktion wird charakterisiert Neutronenmultiplikationsfaktor k, gleich dem Verhältnis der Anzahl der Neutronen in diesem Stadium der Reaktion zur Anzahl der Neutronen im vorherigen Stadium. Wenn k< 1, цепная реакция не возникает (или прекращается), при k >1 entwickelt sich eine Kettenreaktion, die Zahl der Teilungen nimmt wie eine Lawine zu und die Reaktion kann explosiv werden. Bei k=1 findet eine selbsterhaltende Reaktion statt, bei der die Zahl der Neutronen konstant bleibt. Es ist diese Art von Kettenreaktion, die in Kernreaktoren stattfindet.

Der Multiplikationsfaktor hängt von der Art des spaltbaren Materials und für ein bestimmtes Isotop von seiner Menge sowie von Größe und Form ab Kern- der Raum, in dem die Kettenreaktion stattfindet. Nicht alle Neutronen, die genug Energie für die Kernspaltung haben, nehmen an einer Kettenreaktion teil - einige von ihnen „hängen“ in den Kernen von nicht spaltbaren Verunreinigungen, die immer im Kern vorhanden sind, und einige verlassen den Kern, dessen Abmessungen endlich sind, bevor sie von einem Kern eingefangen werden (Neutronenleckage). Mindestabmessungen aktive Zone, in der eine Kettenreaktion möglich ist, genannt kritische Dimensionen, und die Mindestmasse spaltbarer Stoffe im kritischen Größensystem genannt kritische Masse. In einem Stück reinem Uran 92 235 U verursacht jedes vom Kern eingefangene Neutron eine Spaltung mit der Emission von durchschnittlich 2,5 Sekundärneutronen, aber wenn die Masse eines solchen Urans weniger als 9 kg beträgt, fliegen die meisten Neutronen heraus, ohne eine Spaltung zu verursachen, so dass die Kettenreaktion nicht auftritt. Daher werden Substanzen, deren Kerne spaltbar sind, in Form voneinander isolierter Stücke gespeichert, die kleiner als die kritische Masse sind. Wenn mehrere solcher Teile schnell und fest miteinander verbunden werden, so dass ihre Gesamtmasse die kritische Masse überschreitet, beginnt eine lawinenartige Neutronenvermehrung und die Kettenreaktion erhält einen unkontrollierbaren explosiven Charakter. Dies ist die Grundlage der Atombombe.

Neben der Spaltreaktion schwerer Kerne gibt es eine weitere Möglichkeit, intranukleare Energie freizusetzen - die Fusionsreaktion leichter Kerne. Die Größenordnung der Energiefreisetzung während des Fusionsprozesses ist so groß, dass sie bei einer hohen Konzentration an wechselwirkenden Kernen für das Auftreten einer thermonuklearen Kettenreaktion ausreichen kann. In diesem Prozess wird die schnelle thermische Bewegung der Kerne durch die Energie der Reaktion aufrechterhalten, und die Reaktion selbst wird durch thermische Bewegung aufrechterhalten. Um die erforderliche kinetische Energie zu erreichen, muss die Temperatur des Reaktanten sehr hoch sein (107 - 108 K). Bei dieser Temperatur befindet sich Materie in einem heißen, vollständig ionisierten Plasma, bestehend aus Atomkernen und Elektronen. Mit der Durchführung einer thermonuklearen Reaktion zur Synthese leichter Elemente eröffnen sich der Menschheit völlig neue Möglichkeiten. Es gibt drei Möglichkeiten, wie diese Reaktion stattfinden kann:

  • 1) langsame thermonukleare Reaktion, die spontan im Inneren der Sonne und anderer Sterne auftritt;
  • 2) eine schnelle, sich selbst erhaltende thermonukleare Reaktion unkontrollierter Natur, die während der Explosion einer Wasserstoffbombe auftritt;
  • 3) kontrollierte thermonukleare Reaktion.

Eine unkontrollierte thermonukleare Reaktion ist eine Wasserstoffbombe, deren Explosion durch nukleare Wechselwirkung auftritt:

D + D -> He3 + n; D + D -> T + p; T + D -> He4 + n,

Dies führt zur Synthese des Heliumisotops He3, das zwei Protonen und ein Neutron im Kern enthält, und des gewöhnlichen Heliums He4, das zwei Protonen und zwei Neutronen im Kern enthält. Hier ist n ein Neutron und p ein Proton, D ist Deuterium und T ist Tritium.



































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Klassentyp. Vorlesung.

Ziel.

  • Didaktisch. Den Begriff der Spaltreaktion von Atomkernen vermitteln, die physikalischen Grundlagen zur Gewinnung von Kernenergie bei der Spaltung schwerer Atomkerne untersuchen; Betrachten Sie kontrollierte Kettenreaktionen, Gerät und Funktionsprinzip Kernreaktoren; Informieren Sie sich über die Verwendung radioaktiver Isotope und die biologischen Wirkungen radioaktiver Strahlung
  • Lehrreich. Kultivieren von Teamfähigkeit, Verantwortungsbewusstsein für eine gemeinsame Sache, Kultivieren von Interesse an Disziplin, der Wunsch, sich selbstständig neues Wissen anzueignen; zur Entstehung beitragen kognitives Interesse, die Entwicklung technischer Fähigkeiten im Lernprozess.
  • methodisch. Anwendung von Computertechnologien: Präsentationen, interaktive Vorträge, virtuelle Modelle.

Methoden: verbal, visuell; Heuristik, Konversation; frontale Erhebung

Unterrichtsstruktur

Nr. 1 Organisatorischer Teil des Unterrichts

1. Begrüßung.

2. Überprüfung der Verfügbarkeit der Schüler und ihrer Bereitschaft für den Unterricht.

Nr. 2. Nachrichtenthemen, Ziele und Hauptziele der Lektion.

Vorlesungsplan

1. Spaltung von Urankernen unter Neutronenbestrahlung.

1.1. Energiefreisetzung bei der Spaltung von Urankernen.

1.2 Kettenreaktion und Bedingungen für ihr Auftreten.

  1. Kernreaktor. Kernkraftwerk.

    2. 2.1. Die Hauptelemente eines Kernreaktors und seine Typen.

    2.2. Die Nutzung der Kernenergie.

  2. Biologische Wirkung radioaktiver Strahlung.

Nr. 3. Aktualisierung des Grundwissens der Studierenden:

1. Die Zusammensetzung des Kerns.

2. Radioaktivität.

3. Kernreaktionen.

4. - Verfall.

5. Verfall.

6. Energieausbeute der Reaktion.

7. Massendefekt.

8. Bindungsenergie des Kerns.

9. Spezifische Bindungsenergie des Kerns.

Erhebungsbogen (Wissensprüfung von Formeln, Gesetzmäßigkeiten, Mustern) ( Folie Nummer 3).

Nummer 4. Motivation der Bildungstätigkeit der Schüler

Strukturelemente des Unterrichts

1. Spaltung von Urankernen unter Neutronenbestrahlung

Atomkerne, die viele Nukleonen enthalten, sind instabil und können zerfallen. 1938 beobachteten die deutschen Wissenschaftler Otto Gann und Franz Strassmann die Spaltung des Uran-U-Kerns unter Einwirkung langsamer Neutronen. Die richtige Deutung dieser Tatsache, eben als Spaltung eines Urankerns, der ein Neutron einfängt, wurde jedoch Anfang 1939 von dem englischen Physiker O. Frisch zusammen mit dem österreichischen Physiker L. Meitner gegeben. Kernspaltung bezeichnet die Kernreaktion der Spaltung eines schweren Kerns, der ein Neutron in zwei ungefähr gleiche Teile (Spaltfragmente) absorbiert.

Die Möglichkeit der Spaltung schwerer Kerne lässt sich auch anhand einer graphischen Darstellung der Abhängigkeit der spezifischen Bindungsenergie von der Massenzahl A erklären (Folie Nr. 4).

Diagramm der spezifischen Bindungsenergie gegen die Massenzahl

Die spezifische Bindungsenergie der Atomkerne in Periodensystem letzten Plätze (A 200), etwa 1 MeV kleiner als die spezifische Bindungsenergie in den Kernen von Elementen, die sich in der Mitte des Periodensystems befinden (A 100). Daher ist der Prozess der Spaltung schwerer Kerne in Kerne von Elementen im mittleren Teil des Periodensystems „energetisch günstig“. Nach der Spaltung geht das System in einen Zustand mit minimaler innerer Energie über. Denn je größer die Bindungsenergie des Kerns ist, desto mehr Energie sollte bei der Kernbildung freigesetzt werden und folglich umso weniger innere Energie neu gebildetes System.

Während der Spaltung eines Kerns steigt die Bindungsenergie pro Nukleon um 1 MeV, und die freigesetzte Gesamtenergie muss enorm sein, in der Größenordnung von 200 MeV pro Kern. Keine andere Kernreaktion (die nicht mit der Kernspaltung verwandt ist) setzt so große Energien frei. Vergleichen wir diese Energie mit der Energie, die bei der Verbrennung von Kraftstoff freigesetzt wird. Bei der Spaltung von 1 kg Uran-235 ist eine Energie gleich . Beim Verbrennen von 1 kg Kohle wird eine Energie von 2,9·10 6 J freigesetzt, d.h. 28 Millionen Mal weniger. Diese Rechnung verdeutlicht den Vorteil der Atomkraft.

Direkte Messungen der bei der Spaltung des Urankerns U freigesetzten Energie bestätigten obige Überlegungen und ergaben den Wert 200 MeV. Darüber hinaus fällt der größte Teil dieser Energie (168 MeV) auf die kinetische Energie der Fragmente.

Die bei der Kernspaltung freigesetzte Energie ist eher elektrostatischen als nuklearen Ursprungs. Die große kinetische Energie, die die Bruchstücke haben, entsteht durch ihre Coulomb-Abstoßung.

Die Verwendung von Neutronen für die Kernspaltung beruht auf ihrer elektrischen Neutralität. Das Fehlen einer Coulomb-Abstoßung durch Kernprotonen ermöglicht es Neutronen, ungehindert in den Atomkern einzudringen. Das vorübergehende Einfangen eines Neutrons verletzt die zerbrechliche Stabilität des Kerns aufgrund des empfindlichen Gleichgewichts der Kräfte der Coulomb-Abstoßung und der Kernanziehung. Die entstehenden räumlichen Schwingungen der Nukleonen des angeregten Kerns (wir bezeichnen U*) sind instabil. Ein Überschuss an Neutronen im Zentrum des Kerns bedeutet einen Überschuss an Protonen an der Peripherie. Ihre gegenseitige Abstoßung führt zur künstlichen Radioaktivität des U*-Isotops, d. h. zu seiner Spaltung in Kerne geringerer Masse, sogenannte Spaltfragmente. Am wahrscheinlichsten ist außerdem die Aufteilung in Fragmente, deren Massenverhältnis etwa 2:3 beträgt. Die meisten großen Fragmente haben eine Massenzahl A innerhalb von 135-145 und kleine von 90 bis 100. Als Ergebnis der Spaltungsreaktion des Urankerns U werden zwei oder drei Neutronen gebildet. Einer von mögliche Reaktionen Uran-Kernspaltung verläuft nach folgendem Schema:

Diese Reaktion läuft unter Bildung von drei Neutronen ab. Eine Reaktion unter Bildung von zwei Neutronen ist möglich:

1. Aufgabe für die Schüler: die Reaktion wiederherstellen .

2. Auftrag an Studenten: Zeichnungselemente unterzeichnen .

1.1 Energiefreisetzung bei der Spaltung von Urankernen

Die bei der Kernspaltung freigesetzte Energie ist eher elektrostatischen als nuklearen Ursprungs. Die große kinetische Energie, die die Bruchstücke haben, entsteht durch ihre Coulomb-Abstoßung. Bei der vollständigen Spaltung aller in 1 g Uran vorhandenen Kerne wird so viel Energie freigesetzt, wie bei der Verbrennung von 2,5 Tonnen Öl freigesetzt wird.

Der Vorgang der Spaltung eines Atomkerns lässt sich anhand von erklären Tropfenmodell des Kerns. Nach diesem Modell ähnelt ein Bündel von Nukleonen einem Tropfen einer geladenen Flüssigkeit. Die Kernkräfte zwischen Nukleonen sind kurzreichweitig, wie die Kräfte, die zwischen flüssigen Molekülen wirken. Neben den starken elektrostatischen Abstoßungskräften zwischen den Protonen, die dazu neigen, den Kern auseinanderzureißen, gibt es noch größere nukleare Anziehungskräfte. Diese Kräfte verhindern, dass der Kern zerfällt.

Der Uran-235-Kern ist kugelförmig. Nachdem der Kern ein zusätzliches Neutron absorbiert hat, beginnt er sich zu verformen und nimmt eine längliche Form an ( Folie Nummer 5). Der Kern wird gedehnt, bis die elektrischen Abstoßungskräfte zwischen den Hälften des verlängerten Kerns beginnen, die im Isthmus wirkenden Kernanziehungskräfte zu überwiegen. Danach wird der Kern in zwei Teile gerissen. Unter der Wirkung der Coulomb-Abstoßungskräfte fliegen diese Fragmente mit einer Geschwindigkeit von 1/30 der Lichtgeschwindigkeit auseinander. ( Videoclip Nr. 6)

1.2 Kettenreaktion und Bedingungen für ihr Auftreten

Alle Neutronen, die während des Spaltungsprozesses vom Kern emittiert werden, können wiederum die Spaltung des benachbarten Kerns verursachen, der ebenfalls Neutronen emittiert, die eine weitere Spaltung verursachen können. Dadurch steigt die Zahl der Spaltkerne sehr schnell an. Es kommt zu einer Kettenreaktion. Nukleare Kettenreaktion wird eine Reaktion genannt, bei der Neutronen als Produkte dieser Reaktion gebildet werden, die in der Lage sind, die Spaltung anderer Kerne zu verursachen. ( Folie Nummer 7).

Die Essenz dieser Reaktion ist diejenige, die während der Spaltung eines Kerns emittiert wird N Neutronen können Spaltung verursachen N Kerne, was zur Emission von N2 neue Neutronen, die eine Spaltung verursachen N2 Kerne usw. Folglich wächst die Anzahl der in jeder Generation erzeugten Neutronen exponentiell. Im Allgemeinen ist der Vorgang lawinenartig, verläuft sehr schnell und wird von einer enormen Energiefreisetzung begleitet.

Die Geschwindigkeit einer Kernspaltungskettenreaktion wird durch den Neutronenmultiplikationsfaktor charakterisiert.

Der Neutronenmultiplikationsfaktor k ist das Verhältnis der Anzahl der Neutronen in einer bestimmten Stufe der Kettenreaktion zu ihrer Anzahl in der vorherigen Stufe.

Wenn k 1, dann nimmt die Zahl der Neutronen mit der Zeit zu oder bleibt konstant und die Kettenreaktion läuft ab.

Wenn k< 1, dann nimmt die Zahl der Neutronen ab und eine Kettenreaktion ist unmöglich.

Bei k= 1 läuft die Reaktion stationär ab: die Anzahl der Neutronen bleibt unverändert. Multiplikations-Faktor k kann nur dann gleich eins werden, wenn die Abmessungen des Reaktors und dementsprechend die Uranmasse bestimmte kritische Werte überschreiten.

Die kritische Masse ist die kleinste Masse spaltbaren Materials, bei der eine Kettenreaktion ablaufen kann.

Das ist Gleichheit k= 1 muss sehr genau eingehalten werden. Bereits bei k= 1,01 kommt es fast augenblicklich zu einer Explosion. Die Anzahl der bei der Kernspaltung erzeugten Neutronen hängt vom Volumen des Uranmediums ab. Je größer dieses Volumen, desto mehr Neutronen werden bei der Kernspaltung freigesetzt. Ab einem bestimmten minimalen kritischen Uranvolumen mit einer bestimmten kritischen Masse wird die Kernspaltungsreaktion selbsterhaltend. Ein sehr wichtiger Faktor, der den Ablauf einer Kernreaktion beeinflusst, ist die Anwesenheit eines Neutronenmoderators. Tatsache ist, dass die Kerne von Uran-235 unter der Einwirkung langsamer Neutronen geteilt werden. Bei der Kernspaltung entstehen schnelle Neutronen. Wenn schnelle Neutronen abgebremst werden, werden die meisten von ihnen von Uran-235-Kernen mit anschließender Kernspaltung eingefangen. Als Moderatoren werden Substanzen wie Graphit, Wasser, schweres Wasser und einige andere verwendet.

Für reines Uran U, das kugelförmig ist, beträgt die kritische Masse etwa 50 kg. Der Kugelradius beträgt in diesem Fall ca. 9 cm Mit einem Neutronenmoderator und einer Neutronen reflektierenden Berylliumhülle konnte die kritische Masse auf 250 g reduziert werden.

(Videoclip Nr. 8)

2. Kernreaktor

2.1. Die Hauptelemente eines Kernreaktors, seine Typen

Ein Kernreaktor ist ein Gerät, in dem Wärmeenergie als Ergebnis einer kontrollierten Kernspaltungskettenreaktion.

Die erste kontrollierte Kettenreaktion der Spaltung von Urankernen wurde 1942 in den USA unter der Leitung des italienischen Physikers Fermi durchgeführt. Kettenreaktion mit Neutronenmultiplikationsfaktor k= 1.0006 dauerte 28 Minuten, danach wurde der Reaktor abgeschaltet.

Die Hauptelemente eines Kernreaktors sind:

Kernbrennstoff befindet sich in der aktiven Zone in Form vertikaler Stäbe, die Brennelemente (TVEL) genannt werden. Brennstäbe sind dazu bestimmt, die Leistung des Reaktors zu steuern. Die Masse jedes Brennstabs ist viel geringer als die kritische Masse, sodass in einem Stab keine Kettenreaktion auftreten kann. Sie beginnt nach dem Eintauchen in die aktive Zone aller Uranstäbe. Der Kern ist von einer Materieschicht umgeben, die Neutronen reflektiert (Reflektor), und einer Schutzhülle aus Beton, die Neutronen und andere Teilchen einfängt.

Der Reaktor wird durch Stäbe gesteuert, die Cadmium oder Bor enthalten. Mit ausgefahrenen Stäben aus dem Reaktorkern k > 1 und im vollständig eingefahrenen Zustand - Zu< 1. Durch Schieben der Stäbchen in die aktive Zone ist es jederzeit möglich, die Entwicklung einer Kettenreaktion zu stoppen. Kernreaktoren werden mit einem Computer ferngesteuert.

Reaktor auf langsame Neutronen. Die effizienteste Spaltung von U-Kernen erfolgt unter Einwirkung langsamer Neutronen. Solche Reaktoren werden langsame Neutronenreaktoren genannt. Die bei der Spaltreaktion entstehenden Sekundärneutronen sind schnell. Damit ihre anschließende Wechselwirkung mit U-Kernen in einer Kettenreaktion am effektivsten ist, werden sie verlangsamt, indem ein Moderator in den Kern eingeführt wird - eine Substanz (schweres Wasser, Graphit)

Frage an die Schüler: Warum werden diese Substanzen verwendet? Schweres Wasser - enthält eine große Anzahl von Neutronen, die bei Kollision mit schnellen Neutronen, die durch Spaltung freigesetzt werden, diese gemäß dem Gesetz der Impulserhaltung verlangsamen.

Schneller Neutronenreaktor. Es gibt sehr wenig natürliches Uran-235 auf der Erde, nur 0,715 % der Gesamtmasse des Urans. Der Hauptanteil des natürlichen Urans (99,28 %) ist das Uran-238-Isotop, das als „Kernbrennstoff“ ungeeignet ist.

In thermischen (d. h. langsamen) Neutronenreaktoren wird Uran nur zu 1-2 % verwendet. Die volle Ausnutzung des Urans wird in schnellen Neutronenreaktoren erreicht, die auch für die Nachbildung des neuen Kernbrennstoffs in Form von Plutonium sorgen.

Der Vorteil von schnellen Neutronenreaktoren besteht darin, dass während des Betriebs eine erhebliche Menge an Plutonium Pu gebildet wird. Die wichtigste Eigenschaft des Pu-Isotops ist seine Fähigkeit zur Spaltung unter Einwirkung thermischer Neutronen, wie das U-Isotop, das dann als verwendet werden kann Kernbrennstoff. Diese Reaktoren werden Brutreaktoren genannt, weil sie spaltbares Material züchten. Daher ist eine sehr wichtige Aufgabe der Kernenergie in naher Zukunft der Übergang von konventionellen Reaktoren zu Brutreaktoren (Brütern), die nicht nur als Energiequellen, sondern auch als „Plutoniumfabriken“ dienen. Durch die Verarbeitung von Uran-238 zu Plutonium erhöhen diese Reaktoren die Vorräte an "nuklearem Brennstoff" dramatisch.

Mit Hilfe von Kernreaktionen wurden Transurane (nach Uran), also Elemente, die schwerer als Uran sind, gewonnen. Diese Elemente kommen in der Natur nicht vor, sie werden künstlich gewonnen.

Das erste Element mit einer Ladungszahl größer als 92 wurde 1940 von amerikanischen Wissenschaftlern an der University of California gewonnen, als sie Uran mit Neutronen bestrahlten. Betrachten Sie die Herstellung von Transuran-Elementen am Beispiel der Gewinnung von Neptunium und Plutonium:

Die Halbwertszeit von Neptunium beträgt 2,3 Tage, Plutonium 2,44·10 4 Jahre und kann in großen Mengen akkumuliert werden, was bei der Nutzung der Kernenergie von großer Bedeutung ist. Bisher wurden folgende Transurane erhalten: Americium (95), Berkelium (97), Californium (98), Einsteinium (99), Fermium (100), M (101), Nobelium (102), Lawrencium (103) , kurchatovium (104).

2.2. Anwendungen der Kernenergie

Umwandlung der inneren Energie von Atomkernen in elektrische Energie. Ein Kernreaktor ist das Hauptelement eines Kernkraftwerks (KKW), das thermische Kernenergie in elektrische Energie umwandelt. Durch die Kernspaltung wird im Reaktor thermische Energie freigesetzt. Diese Energie wird in Dampfenergie umgewandelt, die eine Dampfturbine dreht. Die Dampfturbine wiederum dreht den Rotor eines Generators, der Strom erzeugt.

Die Energieumwandlung erfolgt also nach folgendem Schema:

innere Energie von Urankernen kinetische Energie von Neutronen und Kernfragmenten innere Energie von Wasser innere Energie von Dampf kinetische Energie von Dampf kinetische Energie von Turbinenrotor und Generatorrotor elektrische Energie.( Videoclip Nr. 11).

Aufgabe für Schüler: Unterzeichnen Sie die Hauptelemente des Reaktors. ( Folie Nummer 12)

Stellencheck ( Folie Nummer 13)

Jeder Spaltvorgang setzt eine Energie von etwa 3,2·10 -11 J frei. Dann entspricht eine Leistung von 3000 MW etwa 10 18 Spaltvorgängen pro Sekunde. Während der Kernspaltung werden die Wände der Brennstäbe sehr heiß. Wärme wird durch ein Kühlmittel - Wasser - aus dem Kern entfernt. In leistungsstarken Reaktoren wird die Zone auf eine Temperatur von 300 °C erhitzt. Um Sieden zu vermeiden, wird Wasser aus dem Kern in Wärmeaustausch bei einem Druck von etwa 10 7 Pa (100 atm) entfernt. Im Wärmetauscher gibt radioaktives Wasser (Kühlmittel), das im Primärkreislauf zirkuliert, Wärme an gewöhnliches Wasser ab, das im zweiten Kreislauf zirkuliert. Die übertragene Wärme verwandelt das Wasser im Sekundärkreislauf in Dampf. Dieser Dampf mit einer Temperatur von etwa 230 °C unter einem Druck von 3 10 6 Pa wird zu den Schaufeln der Dampfturbine geleitet und dreht den Rotor des Stromgenerators. Die Nutzung der Kernenergie zur Umwandlung in elektrische Energie wurde erstmals 1954 in der UdSSR in der Stadt Obninsk umgesetzt. 1980 wurde im KKW Belojarsk der weltweit erste schnelle Neutronenreaktor in Betrieb genommen

Erfolge und Perspektiven für die Entwicklung der Kernenergie

Vergleich der Umweltauswirkungen des Betriebs von ES unterschiedlicher Art.

Umweltauswirkungen von HPP ( Folie Nummer 14):

  • Überflutung großer Flächen fruchtbaren Landes;
  • Anstieg des Grundwasserspiegels;
  • Überschwemmung von Territorien und Entnahme bedeutender Landflächen von Kulturpflanzen;
  • „Aufblühen“ von Gewässern, was zum Absterben von Fischen und anderen Gewässerbewohnern führt.

Umweltauswirkungen von TPP ( Folie Nummer 15):

  • Auswahl eine große Anzahl Wärme;
  • Luftverschmutzung durch gasförmige Emissionen;
  • Nukleare Verschmutzung;
  • Verschmutzung der Erdoberfläche durch Schlacken und Steinbrüche.

Umweltauswirkungen von Kernkraftwerken ( Folie Nummer 16):

  • Abbau und Verarbeitung von Uranerzen;
  • Entsorgung radioaktiver Abfälle;
  • erhebliche Thermik Wasserverschmutzung wegen seiner Heizung.

An Folie Nummer 17 hat eine Tabelle veröffentlicht, die die Verteilung des von verschiedenen Kraftwerken erzeugten Stroms zeigt.

Es ist unmöglich, sich nicht an die Ereignisse des Rock von 1986 zu erinnern ( Folie Nummer 18). Folgen der Explosion Folie №19-22)

Kernreaktoren werden auf Atom-U-Booten und Eisbrechern installiert (K 19).

Nuklearwaffe

In einer Atombombe findet eine unkontrollierte Kettenreaktion mit hohem Neutronenmultiplikationsfaktor statt. Damit eine fast augenblickliche Energiefreisetzung (eine Explosion) auftritt, muss die Reaktion auf schnellen Neutronen (ohne Verwendung von Moderatoren) ablaufen. Der Sprengstoff ist reines Uran U oder Plutonium Pu.

Wenn eine Bombe explodiert, erreicht die Temperatur Millionen Kelvin. Bei dieser Temperatur steigt der Druck stark an und es bildet sich eine mächtige Druckwelle. Gleichzeitig wird eine starke Strahlung erzeugt. Die Kettenreaktionsprodukte einer Bombenexplosion sind hochradioaktiv und lebensgefährlich.

1945 bewarben sich die Vereinigten Staaten Atombomben gegen Japan ( Videoclip Nr. 23-25). Folgen der Erprobung von Atomwaffen ( Videoclip Nr. 26)

Medizin

1. Biologische Wirkung radioaktiver Strahlung.

Radioaktive Strahlung umfasst Gamma- und Röntgenstrahlung, Elektronen, Protonen, Teilchen, Ionen schwerer Elemente. Sie wird auch ionisierende Strahlung genannt, weil sie beim Durchgang durch lebendes Gewebe die Ionisierung von Atomen bewirkt.

Auch schwache Emissionen radioaktiver Stoffe wirken sehr stark starker Einfluss auf alle lebenden Organismen, die die lebenswichtige Aktivität der Zellen stören. Bei hoher Strahlungsintensität sterben lebende Organismen ab. Die Gefährlichkeit der Strahlung wird dadurch erhöht, dass sie selbst bei tödlichen Dosen keine Schmerzen verursacht. Innovationen in der Medizin ( Folie Nr. 27-29)

Der Wirkungsmechanismus, der biologische Objekte beeinflusst, ist noch immer nicht gut verstanden. Aber es ist klar, dass es auf die Ionisierung von Atomen und Molekülen reduziert wird, und dies führt zu einer Änderung ihrer chemischen Aktivität. Am empfindlichsten gegenüber Strahlung sind die Kerne von Zellen, insbesondere von Zellen, die sich schnell teilen. Daher wirkt sich die Strahlung zunächst auf das Knochenmark aus, was den Prozess der Blutbildung stört. Als nächstes kommt die Schädigung der Zellen des Verdauungstraktes und anderer Organe.

Strahlendosis. Die Art der Wirkung ionisierender Strahlung hängt von der Dosis der absorbierten Strahlung und ihrer Art ab.

Die absorbierte Strahlungsdosis ist das Verhältnis der vom bestrahlten Körper absorbierten Strahlungsenergie zu seiner Masse: .

In SI wird die Dosis der absorbierten Strahlung in Grau (1 Gy) ausgedrückt:

1 Gy entspricht der absorbierten Strahlungsdosis, bei der 1 J ionisierende Strahlungsenergie auf eine bestrahlte Substanz mit einem Gewicht von 1 kg übertragen wird.

Die natürliche Hintergrundstrahlung (Höhenstrahlung, Radioaktivität der Umwelt und des menschlichen Körpers) beträgt etwa 2·10 -3 Gy pro Person und Jahr. Die Internationale Strahlenschutzkommission hat für Personen, die mit Strahlung arbeiten, eine maximal zulässige Jahresdosis von 0,05 Gy festgelegt. Eine in kurzer Zeit aufgenommene Strahlendosis von 3 - 10 Gy ist tödlich.

In der Praxis ist eine systemfremde Einheit der Strahlendosis, das Röntgen (1 R), weit verbreitet. 1 Gy entspricht etwa 100 R.

Äquivalente Dosis.

Da unterschiedliche Strahlungen bei gleicher Absorptionsdosis unterschiedliche biologische Wirkungen hervorrufen, wurde zur Bewertung dieser Wirkungen eine als Äquivalentdosis (H) bezeichnete Größe eingeführt.

Die Äquivalentdosis der absorbierten Strahlung ist definiert als das Produkt aus der Dosis der absorbierten Strahlung und dem Qualitätsfaktor:

Die Einheit der Äquivalentdosis ist Sievert (1 Sv).

1Sv ist gleich der Äquivalentdosis, bei der die Dosis der absorbierten Strahlung 1 Gy beträgt .

Der Wert der Äquivalentdosis bestimmt die Strahlungsdosen, die für einen lebenden Organismus relativ ungefährlich und sehr gefährlich sind.

Bei der Bewertung der Auswirkungen ionisierender Strahlung auf einen lebenden Organismus wird auch berücksichtigt, dass einige Körperteile (Organe, Gewebe) empfindlicher sind als andere. Beispielsweise ist bei gleicher Äquivalentdosis Lungenkrebs wahrscheinlicher als Schilddrüsenkrebs.

Mit anderen Worten, jedes Organ und Gewebe hat einen bestimmten Strahlungsrisikokoeffizienten (für die Lunge beispielsweise 0,12 und für die Schilddrüse 0,03).

Absorbierte und äquivalente Dosen hängen von der Expositionszeit ab. Unter sonst gleichen Bedingungen sind diese Dosen um so größer, je größer sie sind mehr Zeit Bestrahlung.

Lebensmittel, die mit Strahlung behandelt werden können ( Folie Nummer 30).

Semi-tödliche absorbierte Dosis* für einige lebende Organismen ( Folie Nummer 31).

Die biologische Wirkung ionisierter Strahlung auf den Menschen (mit Folie №32).

Die Höhe der Strahlenexposition der Bevölkerung ( Folie Nummer 33).

Schutzwirkung gegen ionisierende Strahlung von Bauwerken und Materialien ( Folie Nummer 34)

2. Schutz von Organismen vor Strahlung.

Beim Arbeiten mit Strahlungsquellen sind Strahlenschutzmaßnahmen zu treffen.

Die einfachste Schutzmaßnahme ist das Entfernen des Personals von der Strahlenquelle in ausreichend großem Abstand. Ampullen mit radioaktiven Präparaten sollten nicht mit der Hand genommen werden. Es ist notwendig, eine spezielle Zange mit langem Griff zu verwenden.

Zum Schutz vor Strahlung werden Barrieren aus absorbierenden Materialien verwendet. Beispielsweise kann eine wenige Millimeter dicke Aluminiumschicht als Schutz vor -Strahlung dienen. Der schwierigste Schutz gegen Strahlung und Neutronen aufgrund der hohen Durchschlagskraft. Der beste Strahlenabsorber ist Blei. Langsame Neutronen werden von Bor und Cadmium gut absorbiert. Schnelle Neutronen werden mit Graphit vormoderiert. ( Videoclip Nr. 35).

Fragen an Studenten während der Präsentation von neuem Material

1. Warum sind Neutronen die bequemsten Teilchen zum Beschuss von Atomkernen?

2. Was passiert, wenn ein Neutron auf einen Urankern trifft?

3. Warum wird bei der Spaltung von Urankernen Energie freigesetzt?

4. Was bestimmt den Neutronenmultiplikationsfaktor?

5. Was ist die Kontrolle einer Kernreaktion?

6. Warum ist es notwendig, dass die Masse jedes Uranstabes kleiner als die kritische Masse ist?

7. Wozu dienen Steuerstäbe? Wie werden sie verwendet?

8. Warum wird ein Neutronenmoderator in einem Kernreaktor verwendet?

9. Was ist der Grund für die negativen Auswirkungen von Strahlung auf lebende Organismen?

10. Welche Faktoren sollten bei der Beurteilung der Auswirkungen ionisierender Strahlung auf einen lebenden Organismus berücksichtigt werden?

Nr. 5. Zusammenfassung der Lektion

Es ist bekannt, dass die Spaltenergie schwerer Kerne, die für praktische Zwecke verwendet wird, die kinetische Energie von Fragmenten der ursprünglichen Kerne ist. Aber was ist der Ursprung dieser Energie, dh. Welche Energie wird in kinetische Energie von Fragmenten umgewandelt?

Die offiziellen Ansichten zu diesem Thema sind äußerst widersprüchlich. Also schreibt Mukhin, dass die große Energie, die während der Spaltung eines schweren Kerns freigesetzt wird, auf den Unterschied der Massendefekte im ursprünglichen Kern und den Fragmenten zurückzuführen ist – und auf der Grundlage dieser Logik erhält er eine Schätzung der Energieausbeute während der Spaltung des Kerns Urankern: "200 MeV. Aber dann schreibt er, dass die Energie ihrer Coulomb-Abstoßung in die kinetische Energie der Fragmente umgewandelt wird – die, wenn die Fragmente nahe beieinander liegen, dieselben »200 MeV sind. Die Nähe dieser beiden Schätzungen zum experimentellen Wert ist natürlich beeindruckend, aber die Frage ist relevant: Wird die Differenz der Massendefekte oder die Energie der Coulomb-Abstoßung immer noch zur kinetischen Energie der Fragmente? Sie entscheiden bereits, was Sie uns erzählen - über den Holunder bei oder über einen Onkel in Kiew!

Dieses Sackgassendilemma haben sich die Theoretiker selbst ausgedacht: Nach ihrer Logik benötigen sie sicherlich sowohl den Unterschied der Massendefekte als auch die Coulomb-Abstoßung. Weigern Sie sich entweder das eine oder das andere, und die Wertlosigkeit der traditionellen Anfangsannahmen in der Kernphysik wird ziemlich offensichtlich. Warum sprechen sie zum Beispiel über den Unterschied bei Massendefekten? Dann, um irgendwie die Möglichkeit des Phänomens der Spaltung schwerer Kerne zu erklären. Sie versuchen uns einzureden, dass die Spaltung schwerer Kerne stattfindet, weil sie energetisch günstig ist. Was sind Wunder? Bei der Spaltung eines schweren Kerns werden einige der Kernbindungen zerstört - und die Energien der Kernbindungen werden in MeV berechnet! Nukleonen in einem Atomkern sind um Größenordnungen stärker gebunden als Atomelektronen. Und die Erfahrung lehrt uns, dass das System gerade im Bereich der Energiewirtschaftlichkeit stabil ist – und wenn es energetisch rentabel wäre, es aufzulösen, würde es sofort auflösen. Aber Vorkommen von Uranerzen gibt es in der Natur! Von welcher Art von „Energierentabilität“ der Uran-Kernspaltung können wir sprechen?



Damit die Annahme, dass die Spaltung eines schweren Kerns vorteilhaft ist, nicht zu auffällig ist, haben Theoretiker ein Ablenkungsmanöver eingeschlagen: Sie sprechen von diesem "Vorteil" in Bezug auf die durchschnittliche Bindungsenergie, die darauf zurückzuführen ist pro Nukleon. Mit zunehmender Ordnungszahl nimmt zwar auch die Größe des Massendefekts im Kern zu, aber die Anzahl der Nukleonen im Kern nimmt schneller zu - aufgrund überschüssiger Neutronen. Daher nimmt für schwere Kerne die pro Nukleon umgerechnete Gesamtbindungsenergie mit zunehmender Ordnungszahl ab. Es scheint, dass das Teilen für schwere Kerne wirklich vorteilhaft ist? Leider basiert diese Logik auf traditionellen Vorstellungen, die nukleare Verbindungen abdecken Alle Nukleonen im Kern. Mit dieser Annahme die durchschnittliche Bindungsenergie pro Nukleon E 1 ist der Quotient der Kernbindungsenergie Division D E für die Anzahl der Nukleonen:

E 1=D E/A, D E=(Zm p +( A-Z)m n)C 2 -(M bei - Zme)C 2 , (4.13.1)

Wo Z- Ordnungszahl, d.h. Zahl der Protonen A- Anzahl der Nukleonen, M P , m n Und Mich sind die Massen von Proton, Neutron und Elektron, M at ist die Masse des Atoms. Wir haben jedoch bereits oben die Unzulänglichkeit traditioneller Vorstellungen über den Kern veranschaulicht ( 4.11 ). Und wenn nach der Logik des vorgeschlagenen Modells ( 4.12 ), bei der Berechnung der Bindungsenergie pro Nukleon diejenigen Nukleonen im Kern unberücksichtigt lassen, die vorübergehend nicht von Kernbindungen bedeckt sind, dann erhalten wir eine andere Formel als (4.13.1). Nehmen wir an, dass die aktuelle Anzahl der gebundenen Nukleonen 2 ist Z (4.12 ), und dass jeder von ihnen nur die halbe Zeit der Verbindung verbunden ist ( 4.12 ), dann erhalten wir für die durchschnittliche Bindungsenergie pro Nukleon die Formel

E 1*=D E/Z , (4.13.2)

die sich von (4.13.1) nur im Nenner unterscheidet. Geglättete Funktionen E 1 (Z) Und E 1 * (Z) werden weiter gegeben Abb.4.13. Anders als der übliche Zeitplan E 1 (Z), platziert in vielen Lehrbüchern, Grafik E 1 * (Z) hat ein bemerkenswertes Merkmal: Es zeigt für schwere Kerne, Unabhängigkeit Bindungsenergie pro Nukleon auf die Anzahl der Nukleonen. Also von unserem Modell ( 4.12 ) folgt, dass von einem "energetischen Vorteil" der Spaltung schwerer Kerne - im Sinne des gesunden Menschenverstandes - keine Rede sein kann. Das heißt, die kinetische Energie der Fragmente kann nicht auf den Unterschied in den Massendefekten des ursprünglichen Kerns und der Fragmente zurückzuführen sein.

Abb.4.13

In Übereinstimmung mit demselben gesunden Menschenverstand kann die Energie ihrer Coulomb-Abstoßung nicht in die kinetische Energie von Bruchstücken umgewandelt werden: Wir haben als theoretische Argumente ( 4.7 , 4.12 ) und experimentelle Beweise ( 4.12 ), dass es keine Coulomb-Abstoßung für die Teilchen gibt, aus denen der Kern besteht.

Was ist dann der Ursprung der kinetischen Energie von Fragmenten eines schweren Kerns? Versuchen wir zunächst, die Frage zu beantworten: Warum wird bei einer nuklearen Kettenreaktion die Kernspaltung effektiv durch Neutronen verursacht, die während der vorherigen Spaltung emittiert wurden - außerdem durch thermische Neutronen, d.h. mit Energien, die im nuklearen Maßstab vernachlässigbar sind. Mit der Tatsache, dass thermische Neutronen die Fähigkeit haben, schwere Kerne aufzubrechen, scheint es schwierig, unsere Schlussfolgerung in Einklang zu bringen, dass "überschüssige" - ​​im Moment - Neutronen in schweren Kernen frei sind ( 4.12 ). Ein schwerer Kern ist buchstäblich mit thermischen Neutronen vollgestopft, aber er zerfällt überhaupt nicht - obwohl seine sofortige Spaltung dazu führt, dass ein einzelnes thermisches Neutron, das bei der vorherigen Spaltung emittiert wurde, ihn trifft.

Es ist logisch anzunehmen, dass sich vorübergehend freie thermische Neutronen in schweren Kernen und thermische Neutronen, die bei der Spaltung schwerer Kerne emittiert werden, noch voneinander unterscheiden. Da beide keine nuklearen Unterbrechungen haben, muss der Freiheitsgrad, in dem sie sich unterscheiden können, einen Prozess haben, der für eine interne Kopplung im Neutron sorgt - durch zyklische Umwandlungen seiner Konstituentenpaare ( 4.10 ). Und der einzige Freiheitsgrad, den wir hier sehen, ist die Möglichkeit Schwächung diese interne Verbindung "auf Massengewinn" ( 4.10 ), aufgrund einer Abnahme der Häufigkeit zyklischer Umwandlungen im Neutron - mit der Emission der entsprechenden g-Quanten. Neutronen in einen so geschwächten Zustand zu bringen - zum Beispiel beim Zerfall schwerer Kerne, bei extremen Energieumwandlungen von einer Form in eine andere - scheint uns nichts Ungewöhnliches zu sein. Der geschwächte Zustand des Neutrons ist offensichtlich auf den anormalen Betrieb des Programms zurückzuführen, das das Neutron in erzeugt physikalische Welt- und gleichzeitig fällt es dem Neutron leichter, in ein Proton und ein Elektron zu zerfallen. Es scheint, dass die durchschnittliche Lebensdauer von 17 Minuten, die für von Kernreaktoren emittierte Neutronen gemessen wurde, typisch für abgeschwächte Neutronen ist. Ein ungedämpftes Neutron ist unserer Meinung nach lebensfähig, solange der Algorithmus, der es verbindet, funktioniert ( 4.10 ), d. h. auf unbestimmte Zeit.

Wie zerstört ein geschwächtes Neutron einen schweren Kern? Im Vergleich zu ungeschwächten Neutronen ist die Unterbrechungsdauer der Nukleonenpulsationen für geschwächte Neutronen verlängert. Wenn ein solches Neutron, das in den Kern eingedrungen ist, Kernunterbrechungen „eingeschaltet“ hat, so dass es mit irgendeinem Proton assoziiert wird, dann entsteht der oben beschriebene Gleichlauf des Bindungswechsels im Tripel N 0 -P + -N 0 (4.12 ) wird unmöglich sein. Dadurch wird der Bindungssynchronismus im entsprechenden a-Komplex gestört, was zu einer Folge von Bindungswechselfehlern führt, die die a-Komplexe optimal umformen und die dynamische Struktur des Kerns sicherstellen ( 4.12 ). Bildlich gesprochen wird ein Riss durch den Kern gehen, der nicht durch das gewaltsame Brechen von Kernbindungen erzeugt wird, sondern durch Verletzungen des Synchronismus ihrer Umschaltung. beachte das Kernpunkt denn das beschriebene Szenario ist das „Einschalten“ des geschwächten Neutrons der Kernbindung – und damit dieses „Einschalten“ zustande kommt, muss das Neutron eine hinreichend kleine kinetische Energie haben. So erklären wir, warum Neutronen mit einer kinetischen Energie von mehreren hundert keV nur einen schweren Kern anregen, während thermische Neutronen mit Energien von nur wenigen hundertstel eV ihn effektiv auseinander brechen können.

Was sehen wir? Bei der Teilung des Kerns in zwei Fragmente zerbröseln „zufällig“ jene Kernbindungen, die im normalen Modus ihrer Umschaltung ( 4.12 ), verknüpfte diese beiden Fragmente im ursprünglichen Zellkern. Es entsteht eine abnormale Situation, in der die Eigenenergie einiger Nukleonen durch die Energie von Kernbindungen reduziert wird, diese Bindungen selbst jedoch nicht mehr existieren. Diese Kontingenz, nach der Logik des Prinzips autonomer Energieumwandlungen ( 4.4 ), wird die Situation sofort wie folgt korrigiert: Die Eigenenergien der Nukleonen bleiben wie sie sind, und die früheren Energien der gebrochenen Bindungen werden in die kinetische Energie der Nukleonen umgewandelt - und letztendlich in die kinetische Energie der Fragmente. Somit ist die Spaltungsenergie eines schweren Kerns nicht auf den Unterschied zwischen den Massendefekten des ursprünglichen Kerns und der Fragmente und nicht auf die Energie der Coulomb-Abstoßung der Fragmente zurückzuführen. Die kinetische Energie der Bruchstücke ist ehemalige Energie Kernbindungen, die diese Fragmente im ursprünglichen Kern hielten. Untermauert wird diese Schlussfolgerung durch das auffallende und wenig bekannte Tatsache die Konstanz der kinetischen Energie der Bruchstücke - unabhängig von der Stärke des Aufpralls, der die Kernspaltung einleitet. Wenn also die Spaltung von Urankernen durch Protonen mit einer Energie von 450 MeV initiiert wurde, betrug die kinetische Energie der Fragmente 163 ± 8 MeV, d.h. so viel wie wenn die Spaltung durch thermische Neutronen mit Energien im Hundertstel eV initiiert wird!

Lassen Sie uns auf der Grundlage des vorgeschlagenen Modells eine ungefähre Schätzung der Spaltungsenergie des Urankerns gemäß der wahrscheinlichsten Variante vornehmen, 92 U 235 ® 36 Kr 94 + 56 Ba 139 , bei der die Fragmente 18 und 28 a-Komplexe umfassen . Unter der Annahme, dass diese 18- und 28-a-Komplexe im ursprünglichen Kern durch 8-10 schaltbare Bindungen mit jeweils einer mittleren Energie von 20 MeV verknüpft waren (siehe Abb. Abb.4.13), dann sollte die Energie der Fragmente 160–200 MeV betragen, d.h. Wert nahe dem tatsächlichen Wert.

 

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