چرا شکافت هسته ای انرژی آزاد می کند؟ انرژی شکافت

شکافت هسته های اورانیوم در سال 1938 توسط دانشمندان آلمانی O. Hahn و F. Strassmann کشف شد. آنها موفق شدند ثابت کنند که هنگام بمباران هسته های اورانیوم با نوترون، عناصر قسمت میانی سیستم تناوبی تشکیل می شود: باریم، کریپتون و غیره. فیزیکدان اتریشی ال. مایتنر و فیزیکدان انگلیسیاو. فریش. آنها ظاهر این عناصر را با فروپاشی هسته های اورانیوم که یک نوترون را به دو قسمت تقریباً مساوی جذب کرد، توضیح دادند. این پدیده را شکافت هسته ای و هسته های حاصل را قطعات شکافت می نامند.

همچنین ببینید

Vasiliev، A. شکافت اورانیوم: از Klaproth تا Gan، Kvant. - 2001. - شماره 4. - S. 20-21.30.

مدل رها کردن هسته

این واکنش شکافت را می توان بر اساس مدل قطره هسته توضیح داد. در این مدل، هسته به صورت قطره ای از مایع تراکم ناپذیر با بار الکتریکی در نظر گرفته می شود. علاوه بر نیروهای هسته ای که بین تمام نوکلئون های هسته عمل می کنند، پروتون ها دافعه الکترواستاتیک اضافی را تجربه می کنند که به دلیل آن در حاشیه هسته قرار دارند. در حالت تحریک نشده، نیروهای دافعه الکترواستاتیکی جبران می شوند، بنابراین هسته شکل کروی دارد (شکل 1a).

پس از گرفتن توسط هسته \(~^(235)_(92)U\) یک نوترون، یک هسته میانی \(~(^(236)_(92)U)^*\) تشکیل می شود که در حالت هیجان زده در این حالت انرژی نوترون به طور مساوی بین تمام نوکلئون ها توزیع می شود و خود هسته میانی تغییر شکل می دهد و شروع به نوسان می کند. اگر تحریک کوچک باشد، هسته (شکل 1، ب) با انتشار خود را از انرژی اضافی آزاد می کند. γ -کوانتوم یا نوترون، به حالت پایدار برمی گردد. اگر انرژی برانگیختگی به اندازه کافی زیاد باشد، تغییر شکل هسته در طول ارتعاشات می تواند آنقدر زیاد باشد که انقباضی در آن ایجاد شود (شکل 1c)، شبیه به انقباض بین دو قسمت یک قطره مایع شکافنده. نیروهای هسته ایکه در یک کمر باریک عمل می کند، دیگر نمی تواند در برابر نیروی دافعه قابل توجه کولن قسمت هایی از هسته مقاومت کند. انقباض می شکند و هسته به دو "قطعه" تقسیم می شود (شکل 1d)، که در جهت مخالف پراکنده می شوند.

uran.swf Flash: Uranium Fission Enlarge Flash Pic. 2.

در حال حاضر حدود 100 ایزوتوپ مختلف با اعداد جرمی حدود 90 تا 145 شناخته شده اند که از شکافت این هسته به وجود آمده اند. دو واکنش شکافت معمولی این هسته به شکل زیر است:

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

توجه داشته باشید که در نتیجه شکافت هسته ای که توسط یک نوترون آغاز می شود، نوترون های جدیدی تولید می شوند که می توانند باعث واکنش های شکافت در هسته های دیگر شوند. محصولات شکافت هسته اورانیوم 235 نیز می تواند ایزوتوپ های دیگر باریم، زنون، استرانسیم، روبیدیم و غیره باشد.

در طی شکافت هسته های اتم های سنگین (\(~^(235)_(92)U\)) انرژی بسیار زیادی آزاد می شود - حدود 200 مگا ولت در طول شکافت هر هسته. حدود 80 درصد از این انرژی به صورت انرژی جنبشی قطعه آزاد می شود. 20٪ باقی مانده توسط انرژی تابش رادیواکتیو قطعات و انرژی جنبشی نوترون های سریع به حساب می آید.

انرژی آزاد شده در طول شکافت هسته ای را می توان با استفاده از انرژی اتصال ویژه نوکلئون ها در هسته تخمین زد. انرژی اتصال ویژه نوکلئون ها در هسته های دارای عدد جرمی آ≈ 240 از مرتبه 7.6 MeV/نوکلئون، در حالی که در هسته هایی با اعداد جرمی آ= 90 – 145 انرژی ویژه تقریبا برابر با 8.5 مگا الکترون ولت بر نوکلئون است. بنابراین، از شکافت هسته اورانیوم انرژی حدود 0.9 مگا الکترون ولت بر نوکلئون یا تقریباً 210 مگا ولت در هر اتم اورانیوم آزاد می شود. با شکافت کامل تمام هسته های موجود در 1 گرم اورانیوم، انرژی مشابهی با احتراق 3 تن زغال سنگ یا 2.5 تن نفت آزاد می شود.

همچنین ببینید

وارلاموف A.A. مدل قطره هسته // کوانت. - 1986. - شماره 5. - S. 23-24

واکنش زنجیره ای

واکنش زنجیره ای- یک واکنش هسته ای که در آن ذرات عامل واکنش به عنوان محصولات این واکنش تشکیل می شوند.

در شکافت هسته اورانیوم 235 که در اثر برخورد با نوترون ایجاد می شود، 2 یا 3 نوترون آزاد می شود. در شرایط مساعد، این نوترون‌ها می‌توانند به دیگر هسته‌های اورانیوم برخورد کرده و باعث شکافت آن‌ها شوند. در این مرحله، از 4 تا 9 نوترون در حال حاضر ظاهر می شود که قادر به ایجاد واپاشی جدید هسته های اورانیوم و غیره هستند. چنین فرآیند بهمن مانندی واکنش زنجیره ای نامیده می شود. طرح توسعه یک واکنش زنجیره ای شکافت هسته اورانیوم در شکل نشان داده شده است. 3.

واکنش.swfفلش: واکنش زنجیره ای بزرگنمایی فلش عکس. 4.

اورانیوم در طبیعت به شکل دو ایزوتوپ \[~^(238)_(92)U\] (99.3%) و \(~^(235)_(92)U\) (0.7%) وجود دارد. هنگامی که توسط نوترون ها بمباران می شود، هسته های هر دو ایزوتوپ می توانند به دو قطعه تقسیم شوند. در این حالت، واکنش شکافت \(~^(235)_(92)U\) به شدت روی نوترون های آهسته (حرارتی) انجام می شود، در حالی که هسته های \(~^(238)_(92)U\) وارد می شوند. شکافت واکنش فقط با نوترون های سریع با انرژی در حد 1 MeV. در غیر این صورت، انرژی برانگیختگی هسته های تشکیل شده \(~^(239)_(92)U\) برای شکافت کافی نیست و سپس به جای شکافت، واکنش های هسته ای رخ می دهد:

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

ایزوتوپ اورانیوم \(~^(238)_(92)U\) β رادیواکتیو، نیمه عمر 23 دقیقه ایزوتوپ نپتونیوم \(~^(239)_(93)Np\) نیز رادیواکتیو است و نیمه عمر آن حدود 2 روز است.

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

ایزوتوپ پلوتونیوم \(~^(239)_(94)Np\) نسبتاً پایدار است و نیمه عمر آن 24000 سال است. مهمترین خاصیت پلوتونیوم این است که تحت تأثیر نوترونها به همان شکل \(~^(235)_(92)U\ شکافت پذیر است. بنابراین با کمک \(~^(239)_(94)Np\) می توان یک واکنش زنجیره ای انجام داد.

طرح واکنش زنجیره ای مورد بحث در بالا یک مورد ایده آل است. در شرایط واقعی، همه نوترون های تولید شده در طول شکافت در شکافت هسته های دیگر شرکت نمی کنند. برخی از آنها توسط هسته های غیرقابل شکافت اتم های خارجی دستگیر می شوند، برخی دیگر از اورانیوم به بیرون پرواز می کنند (نشت نوترون).

بنابراین، واکنش زنجیره‌ای شکافت هسته‌های سنگین همیشه و برای هیچ جرمی از اورانیوم رخ نمی‌دهد.

ضریب ضرب نوترون

توسعه یک واکنش زنجیره ای با به اصطلاح ضریب ضرب نوترون مشخص می شود به، که با نسبت عدد اندازه گیری می شود ننوترون های i که باعث شکافت هسته ای ماده در یکی از مراحل واکنش به عدد می شوند ننوترون های i-1 که در مرحله قبلی واکنش باعث شکافت شدند:

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

ضریب ضرب به عوامل متعددی بستگی دارد، به ویژه به ماهیت و مقدار مواد شکافت پذیر، و به شکل هندسی حجمی که اشغال می کند. همان مقدار از یک ماده داده شده است معنی متفاوت به. بهحداکثر اگر ماده کروی باشد، زیرا در این حالت از دست دادن نوترون های سریع از طریق سطح کوچکترین خواهد بود.

جرمی از مواد شکافت پذیر که در آن واکنش زنجیره ای با ضریب ضرب پیش می رود به= 1 جرم بحرانی نامیده می شود. در قطعات کوچک اورانیوم، بیشتر نوترون ها، بدون برخورد به هسته ای، به بیرون پرواز می کنند.

مقدار جرم بحرانی توسط هندسه تعیین می شود سیستم فیزیکی، ساختار و محیط خارجی آن. بنابراین، برای یک توپ اورانیوم خالص \(~^(235)_(92)U\) جرم بحرانی 47 کیلوگرم (یک توپ با قطر 17 سانتی متر) است. جرم بحرانی اورانیوم را می توان چندین برابر با استفاده از تعدیل کننده های نوترونی کاهش داد. واقعیت این است که نوترون های تولید شده در هنگام فروپاشی هسته های اورانیوم دارای سرعت بسیار بالایی هستند و احتمال جذب نوترون های کند توسط هسته های اورانیوم 235 صدها برابر بیشتر از هسته های سریع است. بهترین تعدیل کننده نوترون ها آب سنگین D 2 O است. هنگام تعامل با نوترون ها، آب معمولی خود به آب سنگین تبدیل می شود.

یک تعدیل کننده خوب نیز گرافیت است که هسته آن نوترون را جذب نمی کند. در اثر برهمکنش الاستیک با دوتریوم یا هسته های کربن، نوترون ها به سرعت حرارتی کاهش می یابند.

استفاده از تعدیل کننده های نوترون و پوسته بریلیوم ویژه ای که نوترون ها را منعکس می کند، کاهش جرم بحرانی را تا 250 گرم ممکن می سازد.

با ضریب ضرب به= 1 تعداد هسته های شکافت پذیر در یک سطح ثابت حفظ می شود. این حالت در راکتورهای هسته ای ارائه می شود.

اگر جرم سوخت هسته ای کمتر از جرم بحرانی باشد، ضریب ضرب به < 1; каждое новое поколение вызывает все меньшее и меньшее число делений, и реакция без внешнего источника нейтронов быстро затухает.

اگر جرم سوخت هسته ای بیشتر از مقدار بحرانی باشد، ضریب ضرب به> 1 و هر نسل جدید نوترون باعث همه بیشترتقسیمات واکنش زنجیره ای مانند یک بهمن رشد می کند و ویژگی یک انفجار را دارد که با آزاد شدن عظیم انرژی و افزایش دما همراه است. محیطتا چند میلیون درجه یک واکنش زنجیره ای از این نوع زمانی رخ می دهد که یک بمب اتمی منفجر شود.

بمب هسته ای

در حالت عادی، یک بمب هسته ای منفجر نمی شود زیرا بار هسته ای موجود در آن توسط پارتیشن هایی که محصولات فروپاشی اورانیوم - نوترون ها را جذب می کنند، به چندین قسمت کوچک تقسیم می شود. واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای که باعث انفجار هسته‌ای می‌شود، در چنین شرایطی قابل تداوم نیست. با این حال، اگر قطعات بار هسته ای به هم متصل شوند، جرم کل آنها برای شروع واکنش زنجیره ای شکافت اورانیوم کافی خواهد بود. نتیجه یک انفجار هسته ای است. در عین حال، قدرت انفجاری که توسط یک بمب هسته ای نسبتاً کوچک ایجاد می شود، معادل قدرت آزاد شده در هنگام انفجار میلیون ها و میلیاردها تن TNT است.

برنج. 5. بمب اتمی

1.8. همجوشی هستهای

1.8.1. واکنش های شکافت هسته های سنگین مکانیسم شکافت هسته ای و انرژی فعال سازی ترکیب محصولات شکافت هسته ای و انرژی شکافت. نظریه اولیه شکافت

همجوشی هستهای- یک واکنش هسته ای که در آن دو (به ندرت سه) هسته قطعه تشکیل می شود. این فرآیند با انتشار نوترون های ثانویه، کوانتوم ها و آزاد شدن مقدار قابل توجهی انرژی همراه است.

مرجع تاریخی در سال 1938 گان و اف. استراسمن با تجزیه و تحلیل دقیق رادیوشیمیایی نشان دادند که وقتی اورانیوم با نوترون تابش می شود، عنصر باریم در آن تشکیل می شود که در وسط جدول تناوبی قرار دارد. واکنش به نظر می رسید

، (Q≈ 200 MeV). (1.82)

بیش از 30 کانال خروجی شکافت اورانیوم-235 وجود دارد. F. Joliot-Curie با همکاران در فرانسه و E. Fermi با همکاران در ایتالیا انتشار چندین نوترون را در کانال خروجی کشف کردند. O. Frisch و L. Meitner در آلمان به مقدار عظیم انرژی آزاد شده در طول شکافت اشاره کردند. این به ارائه ایده یک واکنش شکافت هسته ای خودپایدار کمک کرد. در سال 1940، شکافت هسته ای خود به خود در روسیه نیز کشف شد. اساس انرژی هسته‌ای مدرن، شکافت هسته‌های اورانیوم و پلوتونیوم تحت تأثیر نوترون‌ها است. عصر هسته ای در سال 1938 آغاز شد.

شکافت هسته‌ای می‌تواند تحت تأثیر پروتون‌ها، کوانتوم‌های γ، ذرات α و غیره نیز رخ دهد. شکافت اجباری یک هسته برانگیخته توسط یک نوترون. n, f) با فرآیندهای دیگر رقابت می کند: با جذب نوترون تابشی ( n, γ ، یعنی گسیل یک کوانتوم γ و پراکندگی یک نوترون بر روی یک هسته ( n, n).

احتمال شکافت هسته ای با نسبت سطح مقطع شکافت تعیین می شود σ fهسته به سطح مقطع جذب نوترون کل.

ایزوتوپ‌ها با نوترون‌های تمام انرژی‌ها تقسیم می‌شوند که از صفر شروع می‌شوند. در طول مقطع شکافت این ایزوتوپ ها، رزونانس هایی مطابق با سطوح انرژی هسته شکافت ظاهر می شود (شکل 1.13 را ببینید).

مکانیسم شکافت هسته ای و انرژی فعال سازی

فرآیند شکافت هسته ای به عنوان تقسیم یک قطره مایع باردار همگن تحت تأثیر نیروهای کولن توضیح داده می شود (M, Wheeler, 1939). برای جدا شدن، هسته باید انرژی حیاتی خاصی به نام انرژی فعال سازی به دست آورد. پس از گرفتن یک نوترون، یک هسته برانگیخته ترکیبی تشکیل می شود. هسته برانگیخته شروع به نوسان می کند. حجم هسته تغییر نمی کند (مواد هسته ای عملا تراکم ناپذیر است)، اما سطح هسته افزایش می یابد. انرژی سطح افزایش می یابد، بنابراین، نیروهای کشش سطحی تمایل دارند که هسته را به حالت اولیه خود بازگردانند. انرژی کولن به دلیل افزایش میانگین فاصله بین پروتون ها در مقدار مطلق کاهش می یابد. نیروهای کولن تمایل به شکستن هسته دارند. هسته از شکل کروی به شکل بیضی تبدیل می شود، سپس تغییر شکل چهارقطبی هسته رخ می دهد، انقباض تشکیل می شود، هسته به دمبل تبدیل می شود، که می شکند، دو قطعه را تشکیل می دهد و "پاشیده می شود" - یک جفت نوترون.

یکی از ویژگی های توانایی هسته برای شکافت، نسبت انرژی کولن به انرژی سطحی است که از فرمول نیمه تجربی انرژی اتصال هسته گرفته شده است.

, (1.83)

جایی که - پارامتر تقسیم پذیری.

هسته هایی با پارامتر شکافت بیش از 17 می توانند شکافت کنند، با پارامتر شکافت بحرانی ()cr = 45 بلافاصله شکافت می شوند (شرط شکافت خود به خودی هسته ها). برای اینکه یک هسته شکافته شود، باید بر یک مانع انرژی به نام سد شکافت غلبه کند. در مورد شکافت اجباری، هسته این انرژی را با گرفتن یک نوترون دریافت می کند.

ترکیب محصولات شکافت

خرده های شکافت . نوع اصلی شکافت هسته ای شکافت به دو قطعه است. قطعات بر اساس جرم به صورت نامتقارن به نسبت دو به سه تقسیم می شوند. بازده محصولات شکافت به عنوان نسبت تعداد شکافت هایی که یک قطعه تولید می کنند با داده های داده شده تعریف می شود. آبه شماره کاملتقسیمات از آنجایی که هر شکافت دو هسته تولید می کند، بازده کل در هر شکافت برای همه اعداد جرمی 200٪ است. توزیع جرم قطعه در طول شکافت هسته ای در شکل نشان داده شده است. 1.14. شکل یک منحنی دو قوز معمولی را برای توزیع کل بازده شکافت توسط نوترون های حرارتی نشان می دهد. ممان پاره ها با علامت برابر و مخالف هستند. سرعت قطعه به ~ 107 متر بر ثانیه می رسد.

شکل 1.14. وابستگی بازده محصولات شکافت اورانیوم 235 و پلوتونیوم 239 تحت تأثیر نوترون های حرارتی به عدد جرمی آ.

نوترون های شکافت . در لحظه تشکیل، قطعات هسته اصلی به شدت تغییر شکل می دهند. انرژی پتانسیل اضافی تغییر شکل به انرژی تحریک قطعات تبدیل می شود. قطعات شکافت بار زیادی دارند و مانند هسته اصلی با نوترون غنی شده اند. آنها به هسته های پایدار می روند و نوترون های ثانویه و γ-کوانتوم ها را بیرون می اندازند. تحریک هسته های قطعه با "تبخیر" نوترون ها حذف می شود.

نوترون های شکافت سریع، نوترون هایی هستند که توسط قطعات برانگیخته شده در زمان کمتر از 4 10-14 ثانیه ساطع می شوند. آنها به صورت همسانگرد از قطعات تبخیر می شوند.

که در سیستم مختصات آزمایشگاهی(l.s.c.) طیف انرژی نوترون های شکافت به خوبی توسط توزیع ماکسول توصیف شده است.

, (1.84)

جایی که Eانرژی نوترون در l است. s.k..gif" width="63 height=46" height="46"> – انرژی طیف متوسط.

عدد vنوترون های ثانویه در هر 1 عمل شکافت توسط نوترون های حرارتی برای اورانیوم 235 است. v= 2.43، پلوتونیوم-239 v= 2.89. (به عنوان مثال، 289 نوترون ثانویه به طور همزمان برای 100 رویداد شکافت تولید می شود).

انتشار γ-کوانتا . پس از "تبخیر" نوترون ها از قطعات، آنها هنوز انرژی برانگیختگی دارند که توسط γ-کوانتوم های سریع منتقل می شود. فرآیند انتشار γ-کوانتا در یک زمان ~ 10-14 ثانیه پس از انتشار نوترون رخ می دهد. مجموع انرژی تابشی موثر در هر تقسیم E total = 7.5 MeV..gif" width="67" height="28 src="> MeV. میانگین تعداد γ-quanta در هر تقسیم.

نوترون های تاخیری - نوترون هایی که پس از شکافت هسته های اصلی (از 10-2 ثانیه تا 102 ثانیه) ظاهر می شوند. تعداد نوترون های تاخیری< 1% от полного количества нейтронов деления. Механизм испускания связан с β - فروپاشی قطعات شکافت از نوع، که انرژی β - واپاشی بیشتر از انرژی اتصال نوترون. در این مورد ممنوعیت وجود دارد β - انتقال به حالت پایه و انرژی جداسازی نوترون کم. انرژی برانگیختگی هسته بیشتر از انرژی اتصال نوترون است. نوترون بلافاصله پس از تشکیل یک هسته برانگیخته از هسته قطعه در نتیجه آن به بیرون پرواز می کند. β -پوسیدگی با این حال، با گذشت زمان، این تنها پس از نیمه عمر هسته قطعه رخ می دهد.

توزیع انرژی در هر عمل شکافت یک هسته سنگین توسط نوترون های حرارتی در جدول نشان داده شده است. 1.4.

انرژی محصولات شکافت هسته ای جدول 1.4

	انرژی جنبشی یک قطعه نور تی osk l، MeV
	انرژی جنبشی یک قطعه سنگین تی osc t MeV
	انرژی جنبشی نوترون های شکافت En MeV
	انرژی γ-کوانتومی سریع Eg m MeV
	انرژی β - ذرات محصولات شکافت Eβ MeV
	انرژی تابش γ محصولات شکافت Eg pr MeV
	انرژی ضد نوترینویی محصول شکافت Ev MeV
	انرژی تابش γ ناشی از جذب نوترون Egn MeV
	کل انرژی آزاد شده در طول شکافت هسته ای سΣ MeV

انرژی شکافت حرارتی

QT = تی osk l + تی osc t + En+ Egمتر + Eb + Egو غیره + Eg = 204 مگا ولت

انرژی منتقل شده توسط پادنوترینو به صورت انرژی گرمایی آزاد نمی شود، بنابراین، ~ 200 مگا ولت بر روی 1 عمل شکافت هسته توسط یک نوترون حرارتی می افتد. با توان حرارتی 1 وات، 3.1.1010 تقسیم در ثانیه رخ می دهد. که در واکنش های شیمیاییانرژی یک اتم ~ 1 eV است.

نظریه اولیه شکافت

فرض کنید در فرآیند تقسیم https://pandia.ru/text/78/550/images/image028_18.gif" width="31" height="27 src="> عدد جرمی حفظ شود آو شارژ کنید ز. این بدان معنی است که ما فقط خرده ها را در نظر می گیریم:

آ 1+ آ 2 = آ , ز 1+ ز 2 = ز,

هسته به نسبت 2 به 3 تقسیم می شود:

آ 1 / آ 2 = ز 1 / ز 2=2/3.

انرژی واکنش برابر با انرژی قطعات است س = تیخوب

س = ج2 [م – (م1 + م2 ) ],

س= Esv1+ Esv2– ESt., (1.85)

جایی که ESt.کل انرژی اتصال هسته نسبت به تمام نوکلئون های تشکیل دهنده آن است

, (1.86)

به همین ترتیب E sv1، Esv2انرژی های اتصال قطعه اول و دوم هستند.

جایگزین کردن (1.86) و هر دو فرمول برای E sv1، E s2 در (1.85) و با غفلت از جمله آخر، به دست می آوریم

. (1.87)

با فرض (1.15) = 17.23 MeV، https://pandia.ru/text/78/550/images/image026_22.gif" width="31" height="20"> انرژی جنبشی قطعات Tock ≈ را به دست می آوریم. 178 مگا ولت، که تنها 10 مگا ولت از مقدار جدول بیشتر است.

1.8.2. واکنش های زنجیره ای شکافت هسته های اورانیوم. فرمول تولید مثل در یک واکنش زنجیره ای نرخ تولید مثل فرمول چهار عامل

واکنش های زنجیره ای شکافت هسته ایهسته‌های سنگین توسط نوترون‌ها واکنش‌های هسته‌ای هستند که در آن تعداد نوترون‌ها افزایش می‌یابد و فرآیند شکافت هسته‌ای ماده رخ می‌دهد. واکنش‌های زنجیره‌ای شاخه‌دار شیمیایی و هسته‌ای همیشه گرمازا هستند. یک واکنش زنجیره‌ای شکافت عملاً روی سه ایزوتوپ امکان‌پذیر است و تنها به این دلیل امکان‌پذیر است که در طول شکافت یک هسته توسط یک نوترون اولیه، بیش از دو نوترون ثانویه در کانال خروجی به بیرون پرواز می‌کنند.

ضریب ضرب به- مشخصه اصلی توسعه یک واکنش زنجیره ای هسته ای.

جایی که نیتعداد نوترون های تولید شده در آن است من-نسل، نی-1 تعداد نوترون های تولید شده در ( من–1)-generation.

تئوری واکنش های زنجیره ای هسته ای نیز در سال 1939 با قیاس با نظریه واکنش های زنجیره ای شیمیایی (1934) ایجاد شد. یک واکنش زنجیره ای هسته ای خودپایدار زمانی امکان پذیر است که ک>1 - واکنش فوق بحرانی، ک=1 - واکنش انتقادی. اگر ک<1 – реакция подкритическая, она затухает.

فرمول ضرب نوترون ها در یک واکنش زنجیره ای

اگر در ابتدای واکنش وجود داشته باشد nنوترون، سپس در یک نسل تعداد آنها تبدیل خواهد شد

i.e..gif" width="108" height="48">،

جایی که τ است متوسط عمر یک نسل نوترون

اگر متغیرها را از هم جدا کنیم و ادغام کنیم به دست می آید

با استفاده از فرمول ، در نهایت به این نتیجه می رسیم که با گذشت زمان تعداد نوترون ها افزایش می یابد تیبه صورت تصاعدی با توان مثبت

https://pandia.ru/text/78/550/images/image027_18.gif" width="37" height="23"> نوترون های آهسته و شکافت هسته ای توسط نوترون های سریع.

نرخ تولید مثل فرمول چهار عامل

اجازه دهید سیستم اورانیوم + تعدیل کننده ابعاد بی نهایت داشته باشد. اجازه دهید فرض کنیم که در لحظه تولد نسلی از نوترون ها، nنوترون های حرارتی که هر کدام https://pandia.ru/text/78/550/images/image058_8.gif" width="126" height="37">، (1.91) تشکیل می شوند.

که σU سطح مقطع جذب نوترون های حرارتی کند شده توسط اورانیوم است،

σ3 سطح مقطع جذب نوترون های حرارتی کند توسط تعدیل کننده است.

ρU غلظت هسته های اورانیوم، ρ3 غلظت هسته های تعدیل کننده است.

بنابراین، تعداد نوترون های حرارتی جذب شده توسط سوخت هسته ای ( nηερf). ضریب ضرب نوترون در محیط بی نهایت(فرمول چهار عامل)

. (1.92)

ضریب ضرب نوترون در محیط نهایی

کف=, (1.93)

جایی که - احتمال اینکه یک نوترون از نشت هسته فرار کند.

برای اینکه یک واکنش زنجیره ای هسته ای ثابت در سیستم نهایی رخ دهد، کافی است کف=1. این مطابقت دارد بحرانی(کوچکترین برای واکنش) اندازه منطقه فعال. (برای اورانیوم خالص این یک توپ با شعاع 8.5 سانتی متر و جرم 47 کیلوگرم است)..gif" width="25 height=23" height="23">>1.

اولین واکنش زنجیره ای هسته ای کنترل شده توسط E. Fermi در شیکاگو در سال 1942 انجام شد. راکتور هسته ای داشت η = 1.35، ε ≈ 1.03، ε pf≈ 0.8، = 1.08، برای بهراکتور هسته ای که در سال 1946 در مسکو ساخته شد، پارامترهای مشابهی داشت.

تقسیم به هسته-- فرآیند تقسیم هسته اتمیبه دو هسته با جرم مشابه، به نام قطعات شکافت. در نتیجه شکافت، سایر محصولات واکنش نیز می توانند ظاهر شوند: هسته های سبک (عمدتاً ذرات آلفا)، نوترون ها و کوانتوم های گاما. شکافت می تواند خود به خود (خود به خود) و اجباری (در نتیجه برهمکنش با ذرات دیگر، در درجه اول با نوترون) باشد. شکافت هسته های سنگین -- فرآیند گرمازا، در نتیجه مقدار زیادی انرژی به صورت انرژی جنبشی محصولات واکنش و همچنین تشعشع آزاد می شود. شکافت هسته ای به عنوان منبع انرژی در راکتورهای هسته ای و سلاح های هسته ای عمل می کند.

در سال 1938، دانشمندان آلمانی O. Gann و F. Strassmann کشف کردند که هنگام تابش اورانیوم با نوترون، عناصری از وسط سیستم تناوبی، باریم و لانتانیم تشکیل می شوند که اساس استفاده عملی از انرژی هسته ای را ایجاد کردند.

شکافت هسته‌های سنگین زمانی اتفاق می‌افتد که نوترون‌ها گرفته می‌شوند. در این حالت ذرات جدیدی ساطع می شود و انرژی اتصال هسته آزاد می شود که به قطعات شکافت منتقل می شود.

فیزیکدانان A. Meitner و O. Frisch این پدیده را با این واقعیت توضیح دادند که هسته اورانیومی که نوترون را گرفته است به دو قسمت تقسیم می شود. ترکش ها. بیش از دویست گزینه تقسیم وجود دارد، به عنوان مثال:

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

در این حالت، 200 مگا ولت انرژی به ازای هر هسته ایزوتوپ اورانیوم 235 U آزاد می شود.

بیشتر این انرژی توسط هسته های قطعه دریافت می شود، بقیه توسط انرژی جنبشی نوترون های شکافت و انرژی تابش به حساب می آید.

برای سنتز پروتون های آلوده مشابه، لازم است بر نیروهای دافعه کولن غلبه کنیم، که در سرعت های به اندازه کافی بالا ذرات در حال برخورد امکان پذیر است. شرایط لازمبرای سنتز هسته های هلیوم از پروتون ها در فضای داخلی ستارگان موجود است. در زمین، یک واکنش همجوشی گرما هسته ای در انفجارهای آزمایشی گرما هسته ای انجام شده است.

از آنجایی که برای هسته های سنگین نسبت تعداد نوترون ها و پروتون ها N / Z ≈ 1.6 است و برای هسته های سبک تر - قطعات نزدیک به وحدت است، قطعات در لحظه ظهور خود با نوترون ها بیش از حد بارگذاری می شوند تا وارد یک شوند. حالت پایدار، منتشر می کنند ثانوینوترون ها انتشار نوترون های ثانویه یکی از ویژگی های مهم واکنش شکافت هسته های سنگین است، بنابراین نوترون های ثانویه نیز نامیده می شوند. نوترون های شکافت. در طول شکافت هر هسته اورانیوم، 2-3 نوترون شکافتی ساطع می شود. نوترون های ثانویه می توانند رویدادهای شکافت جدیدی ایجاد کنند که اجرای آن را ممکن می سازد واکنش زنجیره ای شکافت- یک واکنش هسته ای که در آن ذرات عامل واکنش به عنوان محصولات این واکنش تشکیل می شوند. واکنش زنجیره ای مشخص می شود ضریب ضرب نوترون k،برابر است با نسبت تعداد نوترون ها در این مرحله از واکنش به تعداد آنها در مرحله قبل. اگر ک< 1, цепная реакция не возникает (или прекращается), при k >1 یک واکنش زنجیره ای در حال توسعه وجود دارد، تعداد تقسیمات مانند یک بهمن افزایش می یابد و واکنش می تواند انفجاری شود. در k=1 یک واکنش خودپایدار رخ می دهد که در آن تعداد نوترون ها ثابت می ماند. این نوع واکنش زنجیره ای است که در راکتورهای هسته ای انجام می شود.

ضریب ضرب به ماهیت ماده شکافت پذیر و برای یک ایزوتوپ معین به کمیت آن و همچنین به اندازه و شکل بستگی دارد. هسته- فضایی که واکنش زنجیره ای در آن انجام می شود. همه نوترون‌هایی که انرژی کافی برای شکافت هسته‌ای دارند در یک واکنش زنجیره‌ای شرکت نمی‌کنند - برخی از آنها در هسته‌های ناخالصی‌های غیرقابل شکافت که همیشه در هسته وجود دارند گیر می‌کنند و برخی هسته را ترک می‌کنند که ابعاد آن محدود است. قبل از اینکه توسط یک هسته اسیر شود (نشت نوترون). حداقل ابعادمنطقه فعال، که در آن یک واکنش زنجیره ای امکان پذیر است، نامیده می شود ابعاد بحرانی، و حداقل جرم مواد شکافت پذیر در سیستم اندازه بحرانی نامیده می شود جرم بحرانی.بنابراین، در یک قطعه اورانیوم خالص 92 235 U، هر نوترون جذب شده توسط هسته باعث شکافت با انتشار 2.5 نوترون ثانویه می شود، اما اگر جرم چنین اورانیوم کمتر از 9 کیلوگرم باشد، بیشتر نوترون ها پرواز می کنند. بدون ایجاد شکافت، به طوری که واکنش زنجیره ای رخ نمی دهد. بنابراین، موادی که هسته آنها قابلیت شکافت را دارند به شکل قطعات جدا شده از یکدیگر، کوچکتر از جرم بحرانی ذخیره می شوند. اگر چندین قطعه از این قبیل به سرعت و محکم به هم متصل شوند، به طوری که جرم کل آنها از جرم بحرانی فراتر رود، یک ضرب نوترون مانند بهمن آغاز می شود و واکنش زنجیره ای ویژگی انفجاری غیرقابل کنترلی پیدا می کند. این اساس بمب اتمی است.

علاوه بر واکنش شکافت هسته های سنگین، راه دیگری برای آزادسازی انرژی درون هسته ای وجود دارد - واکنش همجوشی هسته های سبک. مقدار آزاد شدن انرژی در طول فرآیند همجوشی به قدری زیاد است که در غلظت بالایی از هسته های متقابل، ممکن است برای وقوع یک واکنش زنجیره ای گرما هسته ای کافی باشد. در این فرآیند، حرکت حرارتی سریع هسته ها توسط انرژی واکنش حفظ می شود و خود واکنش با حرکت حرارتی حفظ می شود. برای دستیابی به انرژی جنبشی مورد نیاز، دمای واکنش دهنده باید بسیار بالا باشد (107 - 108 K). در این دما، ماده در حالت پلاسمای داغ و کاملاً یونیزه، متشکل از هسته‌های اتمی و الکترون‌ها قرار دارد. با اجرای یک واکنش گرما هسته ای برای سنتز عناصر سبک، امکانات کاملا جدیدی در برابر بشریت باز می شود. سه راه برای انجام این واکنش وجود دارد:

1) واکنش حرارتی آهسته ای که به طور خود به خود در روده های خورشید و سایر ستارگان رخ می دهد.
2) یک واکنش گرما هسته ای سریع خودپایه با ماهیت کنترل نشده، که در حین انفجار یک بمب هیدروژنی رخ می دهد.
3) واکنش حرارتی کنترل شده.

یک واکنش گرما هسته ای کنترل نشده یک بمب هیدروژنی است که انفجار آن در نتیجه تعامل هسته ای رخ می دهد:

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

منجر به سنتز ایزوتوپ هلیوم He3، حاوی دو پروتون و یک نوترون در هسته، و هلیوم معمولی He4، حاوی دو پروتون و دو نوترون در هسته می‌شود. در اینجا n یک نوترون و p یک پروتون، D دوتریوم و T تریتیوم است.

عقب به جلو

توجه! پیش نمایش اسلاید فقط برای اهداف اطلاعاتی است و ممکن است گستره کامل ارائه را نشان ندهد. اگر به این کار علاقه مند هستید، لطفا نسخه کامل آن را دانلود کنید.

نوع کلاس.سخنرانی.

هدف.

اموزشی. برای ارائه مفهوم واکنش شکافت هسته های اتمی، مطالعه پایه های فیزیکی برای به دست آوردن انرژی هسته ای در طول شکافت هسته های اتمی سنگین. واکنش های زنجیره ای کنترل شده، دستگاه و اصل عملکرد را در نظر بگیرید راکتورهای هسته ای; اطلاعاتی در مورد استفاده از ایزوتوپ های رادیواکتیو و اثرات بیولوژیکی تشعشعات رادیواکتیو بیاموزید
آموزشی. پرورش توانایی کار در یک تیم، احساس مسئولیت برای یک هدف مشترک، پرورش علاقه به نظم و انضباط، تمایل به کسب دانش جدید به تنهایی؛ به شکل گیری کمک می کند علاقه شناختی، توسعه مهارت های فنی در فرآیند یادگیری.
روشمند. کاربرد فناوری های کامپیوتری: ارائه ها، سخنرانی های تعاملی، مدل های مجازی.

مواد و روش ها:کلامی، بصری؛ اکتشافی، مکالمه؛ بررسی پیشانی

ساختار درس

بخش سازمانی شماره 1 درس

1. احوالپرسی.

2. بررسی در دسترس بودن دانش آموزان و آمادگی آنها برای درس.

شماره 2. موضوعات پیام، اهداف و اهداف اصلی درس.

طرح سخنرانی

1. شکافت هسته اورانیوم تحت تابش نوترون.

1.1. آزاد شدن انرژی در طی شکافت هسته های اورانیوم.

1.2. واکنش زنجیره ای و شرایط وقوع آن.

راکتور هسته ای. نیروگاه هسته ای.

2.1. عناصر اصلی یک راکتور هسته ای و انواع آن.

2.2. استفاده از انرژی هسته ای.

اثر بیولوژیکی تشعشعات رادیواکتیو.

شماره 3. به روز رسانی دانش پایه دانش آموزان:

1. ترکیب هسته.

2. رادیواکتیویته.

3. واکنش های هسته ای.

4. - پوسیدگی.

5. پوسیدگی.

6. بازده انرژی واکنش.

7. نقص انبوه.

8. انرژی اتصال هسته.

9. انرژی اتصال ویژه هسته.

برگه نظرسنجی (آزمایش دانش فرمول ها، قوانین، الگوها) ( اسلاید شماره 3).

شماره 4. انگیزه فعالیت آموزشی دانش آموزان

عناصر ساختاری درس

1. شکافت هسته اورانیوم تحت تابش نوترون

هسته های اتمی حاوی تعداد زیادی نوکلئون ناپایدار هستند و می توانند تجزیه شوند. در سال 1938، دانشمندان آلمانی اتو گان و فرانتس استراسمن، شکافت هسته اورانیوم U را تحت تأثیر نوترون های آهسته مشاهده کردند. با این حال، تفسیر صحیح این واقعیت، دقیقاً به عنوان شکافت هسته اورانیوم که یک نوترون را گرفت، در آغاز سال 1939 توسط فیزیکدان انگلیسی O. Frisch به همراه فیزیکدان اتریشی L. Meitner ارائه شد. همجوشی هستهایواکنش هسته ای شکافت یک هسته سنگین که یک نوترون را به دو قسمت تقریباً مساوی جذب می کند (قطعات شکافت) نامیده می شود.

امکان شکافت هسته های سنگین را نیز می توان با استفاده از نمودار وابستگی انرژی اتصال ویژه به جرم عدد A توضیح داد (اسلاید شماره 4).

نمودار انرژی اتصال ویژه در مقابل عدد جرمی

انرژی اتصال ویژه هسته اتم های اشغال شده در سیستم دوره ایآخرین مکان ها (آ 200)، حدود 1 مگا ولت کمتر از انرژی اتصال ویژه در هسته عناصر واقع در وسط سیستم تناوبی است. (آ 100). بنابراین، فرآیند شکافت هسته های سنگین به هسته های عناصر در قسمت میانی سیستم تناوبی "از نظر انرژی مطلوب" است. پس از شکافت، سیستم به حالتی با حداقل انرژی داخلی می رود. به هر حال، هر چه انرژی اتصال هسته بیشتر باشد، انرژی بیشتری باید در طول تشکیل هسته آزاد شود و در نتیجه کمتر انرژی درونیسیستم تازه تشکیل شده

در طول شکافت یک هسته، انرژی اتصال به هر نوکلئون 1 مگا ولت افزایش می یابد و کل انرژی آزاد شده باید بسیار زیاد باشد، در حدود 200 مگا ولت در هر هسته. هیچ واکنش هسته ای دیگری (که مربوط به شکافت نیست) چنین انرژی بزرگی را آزاد نمی کند. اجازه دهید این انرژی را با انرژی آزاد شده در طی احتراق سوخت مقایسه کنیم. هنگام شکافت 1 کیلوگرم اورانیوم 235، انرژی برابر با . هنگام سوزاندن 1 کیلوگرم زغال سنگ، انرژی برابر با 2.9·10 6 ژول آزاد می شود، یعنی. 28 میلیون برابر کمتر این محاسبه به خوبی مزیت انرژی هسته ای را نشان می دهد.

اندازه گیری مستقیم انرژی آزاد شده در طول شکافت هسته اورانیوم U ملاحظات فوق را تأیید کرد و مقدار را نشان داد. 200 مگا ولت. علاوه بر این، بیشتر این انرژی (168 مگا ولت) روی انرژی جنبشی قطعات می افتد.

انرژی آزاد شده در طی شکافت هسته ای منشا الکترواستاتیکی دارد تا هسته ای. انرژی جنبشی زیادی که این قطعات دارند به دلیل دافعه کولنی آنها ایجاد می شود.

استفاده از نوترون ها برای شکافت هسته ای به دلیل خنثی بودن الکتریکی آنها است. عدم وجود دافعه کولن توسط پروتون های هسته ای به نوترون ها اجازه می دهد تا آزادانه به هسته اتم نفوذ کنند. گرفتن موقت یک نوترون به دلیل تعادل ظریف نیروهای دافعه کولن و جاذبه هسته ای، ثبات شکننده هسته را نقض می کند. نوسانات فضایی در حال ظهور نوکلئون های هسته برانگیخته (ما U* را نشان می دهیم) ناپایدار هستند. بیش از حد نوترون در مرکز هسته به معنای افزایش پروتون در محیط است. دافعه متقابل آنها منجر به رادیواکتیویته مصنوعی ایزوتوپ U* می شود، یعنی شکافت آن به هسته هایی با جرم کوچکتر، به نام قطعات شکافت. علاوه بر این، محتمل ترین تقسیم به قطعاتی است که نسبت جرم آنها تقریباً 2:3 است. اکثر قطعات بزرگ دارای عدد جرمی هستند آ در 135-145، و کوچک از 90 تا 100. در نتیجه واکنش شکافت هسته اورانیوم U، دو یا سه نوترون تشکیل می شود. یکی از واکنش های احتمالیشکافت هسته ای اورانیوم طبق این طرح انجام می شود:

این واکنش با تشکیل سه نوترون ادامه می یابد. واکنش با تشکیل دو نوترون ممکن است:

1. وظیفه دانش آموزان: بازگرداندن واکنش .

2. تکلیف به دانش آموزان: عناصر طراحی را امضا کنید .

1.1 آزاد شدن انرژی در طی شکافت هسته های اورانیوم

انرژی آزاد شده در طی شکافت هسته ای منشا الکترواستاتیکی دارد تا هسته ای. انرژی جنبشی زیادی که این قطعات دارند به دلیل دافعه کولنی آنها ایجاد می شود. با شکافت کامل تمام هسته های موجود در 1 گرم اورانیوم، به اندازه ای که در طی احتراق 2.5 تن نفت آزاد می شود، انرژی آزاد می شود.

فرآیند شکافت هسته اتم را می توان بر اساس توضیح داد مدل رها کردن هستهطبق این مدل، دسته ای از نوکلئون ها شبیه یک قطره مایع باردار هستند. نیروهای هسته ای بین نوکلئون ها کوتاه برد هستند، مانند نیروهایی که بین مولکول های مایع عمل می کنند. همراه با نیروهای قوی دافعه الکترواستاتیکی بین پروتون ها، که تمایل دارند هسته را از هم جدا کنند، نیروهای جاذبه هسته ای حتی بیشتر نیز وجود دارد. این نیروها از متلاشی شدن هسته جلوگیری می کنند.

هسته اورانیوم 235 کروی است. با جذب یک نوترون اضافی، هسته شروع به تغییر شکل می کند و شکل کشیده ای به دست می آورد. اسلاید شماره 5). هسته کشیده می شود تا زمانی که نیروهای دافعه الکتریکی بین نیمه های هسته دراز بر نیروهای جاذبه هسته ای که در تنگه عمل می کنند غلبه کنند. پس از آن، هسته به دو قسمت پاره می شود. تحت تأثیر نیروهای دافعه کولن، این قطعات با سرعتی معادل 1/30 سرعت نور از هم جدا می شوند. ( کلیپ ویدیویی شماره 6)

1.2 واکنش زنجیره ای و شرایط وقوع آن

هر یک از نوترون‌هایی که در طی فرآیند شکافت از هسته ساطع می‌شوند، می‌توانند به نوبه خود باعث شکافت هسته مجاور شوند، که همچنین نوترون‌هایی را منتشر می‌کند که می‌تواند باعث شکافت بیشتر شود. در نتیجه تعداد هسته های شکافت پذیر بسیار سریع افزایش می یابد. یک واکنش زنجیره ای رخ می دهد. واکنش زنجیره ای هسته ایواکنشی نامیده می شود که در آن نوترون ها به عنوان محصولات این واکنش تشکیل می شوند که قادر به ایجاد شکافت هسته های دیگر هستند. ( اسلاید شماره 7).

ماهیت این واکنش این است که در طی شکافت یک هسته منتشر می شود ننوترون ها می توانند باعث شکافت شوند نهسته ها، که منجر به انتشار N 2نوترون های جدیدی که باعث شکافت می شوند N 2هسته ها و غیره. در نتیجه، تعداد نوترون های تولید شده در هر نسل به طور تصاعدی افزایش می یابد. به طور کلی، این فرآیند ماهیتی شبیه بهمن دارد، بسیار سریع پیش می رود و با آزاد شدن مقدار زیادی انرژی همراه است.

سرعت یک واکنش زنجیره ای شکافت هسته ای با ضریب ضرب نوترون مشخص می شود.

ضریب ضرب نوترون k نسبت تعداد نوترون ها در یک مرحله معین از واکنش زنجیره ای به تعداد آنها در مرحله قبل است.

اگر ک 1، سپس تعداد نوترون ها با گذشت زمان افزایش می یابد یا ثابت می ماند و واکنش زنجیره ای ادامه می یابد.

اگر ک< 1، سپس تعداد نوترون ها کاهش می یابد و یک واکنش زنجیره ای غیرممکن است.

در ک= 1 واکنش ثابت پیش می رود: تعداد نوترون ها بدون تغییر باقی می ماند. ضریب ضرب کتنها در صورتی که ابعاد راکتور و بر این اساس، جرم اورانیوم از مقادیر بحرانی خاصی فراتر رود، می تواند برابر با وحدت باشد.

جرم بحرانی کوچکترین جرمی از مواد شکافت پذیر است که در آن یک واکنش زنجیره ای می تواند ادامه یابد.

این برابری است ک= 1 باید با دقت زیادی حفظ شود. در حال حاضر در ک= 1.01 یک انفجار تقریباً بلافاصله رخ می دهد. تعداد نوترون های تولید شده در طول شکافت هسته ای به حجم محیط اورانیوم بستگی دارد. هر چه این حجم بیشتر باشد، تعداد نوترون های آزاد شده در طول شکافت هسته ای بیشتر است. با شروع از حداقل حجم بحرانی معینی از اورانیوم که دارای جرم بحرانی معینی است، واکنش شکافت هسته‌ای خودپایدار می‌شود. عامل بسیار مهمی که بر روند واکنش هسته ای تأثیر می گذارد، وجود تعدیل کننده نوترونی است. واقعیت این است که هسته های اورانیوم 235 تحت تأثیر نوترون های کند تقسیم می شوند. شکافت هسته ای نوترون های سریعی تولید می کند. اگر سرعت نوترون‌های سریع کاهش یابد، بیشتر آن‌ها توسط هسته‌های اورانیوم 235 با شکافت هسته‌ای بعدی دستگیر خواهند شد. از موادی مانند گرافیت، آب، آب سنگین و برخی دیگر به عنوان تعدیل کننده استفاده می شود.

برای اورانیوم خالص U، که کروی است، جرم بحرانی تقریباً 50 کیلوگرم است. در این حالت شعاع توپ تقریباً 9 سانتی متر است.با استفاده از یک تعدیل کننده نوترون و یک پوسته بریلیومی که نوترون ها را منعکس می کند، می توان جرم بحرانی را تا 250 گرم کاهش داد.

(کلیپ ویدیویی شماره 8)

2. راکتور هسته ای

2.1. عناصر اصلی یک راکتور هسته ای، انواع آن

راکتور هسته ای وسیله ای است که در آن انرژی حرارتیدر نتیجه یک واکنش زنجیره ای شکافت هسته ای کنترل شده.

اولین واکنش زنجیره ای کنترل شده شکافت هسته اورانیوم در سال 1942 در ایالات متحده آمریکا تحت رهبری فیزیکدان ایتالیایی فرمی انجام شد. واکنش زنجیره ای با ضریب ضرب نوترون k= 10006 به مدت 28 دقیقه طول کشید و پس از آن راکتور خاموش شد.

عناصر اصلی یک راکتور هسته ای عبارتند از:

سوخت هسته ای در ناحیه فعال به شکل میله های عمودی به نام عناصر سوخت (TVEL) قرار دارد. میله های سوخت برای کنترل قدرت راکتور طراحی شده اند. جرم هر میله سوخت بسیار کمتر از جرم بحرانی است، بنابراین یک واکنش زنجیره ای نمی تواند در یک میله رخ دهد. پس از غوطه ور شدن در منطقه فعال تمام میله های اورانیوم شروع می شود. هسته توسط لایه ای از ماده احاطه شده است که نوترون ها را منعکس می کند (بازتابنده) و یک پوسته محافظ از بتن که نوترون ها و سایر ذرات را به دام می اندازد.

رآکتور توسط میله های حاوی کادمیوم یا بور کنترل می شود. با میله هایی که از هسته راکتور کشیده شده اند k > 1، و هنگامی که به طور کامل جمع شد - به< 1. با فشار دادن میله ها به داخل منطقه فعال، می توان در هر زمانی پیشرفت یک واکنش زنجیره ای را متوقف کرد. رآکتورهای هسته ای با استفاده از کامپیوتر از راه دور کنترل می شوند.

راکتور روی نوترون های کند. مؤثرترین شکافت هسته های U تحت تأثیر نوترون های آهسته رخ می دهد. به این راکتورها راکتورهای نوترونی کند می گویند. نوترون های ثانویه تولید شده در واکنش شکافت سریع هستند. برای اینکه تعامل بعدی آنها با هسته های U در یک واکنش زنجیره ای مؤثرتر باشد، با وارد کردن یک تعدیل کننده به هسته - یک ماده (آب سنگین، گرافیت) سرعت آنها کاهش می یابد.

سوال از دانش آموزان: چرا از این مواد استفاده می شود؟ آب سنگین - حاوی تعداد زیادی نوترون است که در برخورد با نوترون های سریع آزاد شده در نتیجه شکافت، سرعت آنها را مطابق با قانون بقای حرکت کاهش می دهد.

راکتور نوترونی سریع اورانیوم طبیعی 235 بسیار کمی روی زمین وجود دارد که تنها 0.715 درصد از کل جرم اورانیوم را تشکیل می دهد. بخش اصلی اورانیوم طبیعی (99.28 درصد) ایزوتوپ اورانیوم 238 است که به عنوان "سوخت هسته ای" نامناسب است.

در راکتورهای نوترونی حرارتی (یعنی آهسته)، اورانیوم تنها 1-2٪ استفاده می شود. استفاده کامل از اورانیوم در راکتورهای نوترونی سریع به دست می آید که بازتولید سوخت هسته ای جدید به شکل پلوتونیوم را نیز فراهم می کند.

مزیت راکتورهای نوترونی سریع این است که در حین کار مقدار قابل توجهی پلوتونیوم Pu تشکیل می شود، مهمترین خاصیت ایزوتوپ Pu توانایی آن در شکافت تحت تأثیر نوترون های حرارتی است، مانند ایزوتوپ U، که سپس می توان از آن به عنوان ایزوتوپ استفاده کرد. سوخت هسته ای. این راکتورها راکتورهای اصلاح کننده نامیده می شوند زیرا مواد شکافت پذیر را تولید می کنند. بنابراین، یک وظیفه بسیار مهم انرژی هسته ای در آینده نزدیک، انتقال از راکتورهای معمولی به راکتورهای پرورش دهنده (پرورش کننده) است که نه تنها به عنوان منابع انرژی، بلکه به عنوان "کارخانه های پلوتونیوم" نیز خدمت می کنند. این راکتورها با پردازش اورانیوم 238 به پلوتونیوم، ذخایر "سوخت هسته ای" را به طور چشمگیری افزایش می دهند.

با کمک واکنش های هسته ای عناصر ترانس اورانیوم (به دنبال اورانیوم) یعنی عناصر سنگین تر از اورانیوم به دست آمد. این عناصر در طبیعت وجود ندارند، آنها به صورت مصنوعی به دست می آیند.

اولین عنصر با تعداد بار بیشتر از 92 در سال 1940 توسط دانشمندان آمریکایی در دانشگاه کالیفرنیا بدست آمد، زمانی که آنها اورانیوم را با نوترون تابش کردند. تولید عناصر ترانس اورانیوم را با استفاده از مثال بدست آوردن نپتونیوم و پلوتونیوم در نظر بگیرید:

نیمه عمر نپتونیوم 2.3 روز، پلوتونیوم 2.44·10 4 سال است و می توان آن را در مقادیر زیادی انباشته کرد که در استفاده از انرژی هسته ای اهمیت زیادی دارد. تا به امروز عناصر ترانس اورانیوم زیر بدست آمده است: آمریکیوم (95)، برکلیم (97)، کالیفرنیوم (98)، انیشتینیم (99)، فرمیم (100)، متر (101)، نوبلیم (102)، لارنسیم (103) ، کورچاتویوم ( 104).

2.2. کاربردهای انرژی هسته ای

تبدیل انرژی درونی هسته اتم به انرژی الکتریکی. راکتور هسته ای عنصر اصلی یک نیروگاه هسته ای (NPP) است که انرژی هسته ای حرارتی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. در نتیجه شکافت هسته ای، انرژی حرارتی در راکتور آزاد می شود. این انرژی به انرژی بخار تبدیل می شود که یک توربین بخار را می چرخاند. توربین بخار به نوبه خود روتور ژنراتوری را می چرخاند که برق تولید می کند.

بنابراین، تبدیل انرژی بر اساس طرح زیر انجام می شود:

انرژی داخلی هسته های اورانیوم انرژی جنبشی نوترون ها و قطعات هسته ای انرژی داخلی آب انرژی داخلی انرژی جنبشی بخار انرژی جنبشی بخار انرژی جنبشی روتور توربین و روتور ژنراتور انرژی الکتریکی. کلیپ ویدیویی شماره 11).

وظیفه دانش آموزان: عناصر اصلی راکتور را امضا کنید. اسلاید شماره 12)

بررسی شغل ( اسلاید شماره 13)

هر رویداد شکافت انرژی حدود 3.2·10 -11 J را آزاد می کند. سپس قدرت 3000 مگاوات مربوط به حدود 10 18 رویداد شکافت در ثانیه است. در طول شکافت هسته ای، دیواره میله های سوخت بسیار داغ می شود. گرما توسط یک خنک کننده - آب از هسته خارج می شود. در راکتورهای قدرتمند، منطقه تا دمای 300 درجه سانتیگراد گرم می شود. برای جلوگیری از جوشیدن، آب با فشار حدود 107 Pa (100 اتمسفر) از هسته به تبادل گرما خارج می شود. در مبدل حرارتی، آب رادیواکتیو (خنک کننده) که در مدار اولیه در گردش است، گرما را به آب معمولی در گردش در مدار دوم می دهد. گرمای منتقل شده آب موجود در مدار ثانویه را به بخار تبدیل می کند. این بخار با دمای حدود 230 درجه سانتی گراد تحت فشار 3 10 6 Pa به پره های توربین بخار هدایت می شود و روتور مولد برق را می چرخاند. استفاده از انرژی هسته ای برای تبدیل آن به انرژی الکتریکی برای اولین بار در سال 1954 در اتحاد جماهیر شوروی در شهر اوبنینسک اجرا شد. در سال 1980، اولین راکتور نوترونی سریع جهان در نیروگاه هسته‌ای بلویارسک راه‌اندازی شد.

موفقیت ها و چشم انداز توسعه انرژی هسته ای

مقایسه اثرات زیست محیطی عملکرد ES در انواع مختلف.

اثرات زیست محیطی HPP ( اسلاید شماره 14):

سیل مناطق وسیعی از زمین های حاصلخیز؛
افزایش سطح آب زیرزمینی؛
باتلاق کردن مناطق و حذف مناطق قابل توجهی از زمین از محصولات کشاورزی.
"شکوفایی" بدنه های آبی، که منجر به مرگ ماهی ها و سایر ساکنان بدنه های آبی می شود.

اثرات زیست محیطی TPP ( اسلاید شماره 15):

انتخاب تعداد زیادیگرما؛
آلودگی هوا توسط گازهای گلخانه ای؛
آلودگی هسته ای؛
آلودگی سطح زمین با سرباره و معادن.

اثرات زیست محیطی نیروگاه های هسته ای ( اسلاید شماره 16):

استخراج و فرآوری سنگ معدن اورانیوم؛
دفع زباله های رادیواکتیو؛
حرارتی قابل توجه آلودگی آببه دلیل گرمایش

بر اسلاید شماره 17جدولی که توزیع برق تولید شده توسط نیروگاه های مختلف را نشان می دهد.

غیرممکن است که وقایع راک 1986 را به یاد نیاوریم ( اسلاید شماره 18). عواقب انفجار اسلاید №19-22)

راکتورهای هسته ای روی زیردریایی های هسته ای و یخ شکن ها نصب می شوند (K 19).

سلاح اتمی

یک واکنش زنجیره ای کنترل نشده با ضریب ضرب نوترون بالا در یک بمب هسته ای رخ می دهد. برای اینکه یک آزاد شدن تقریباً آنی انرژی (انفجار) رخ دهد، واکنش باید روی نوترون‌های سریع (بدون استفاده از تعدیل‌کننده) انجام شود. ماده منفجره اورانیوم خالص U یا پلوتونیوم Pu است.

هنگامی که یک بمب منفجر می شود، دما به میلیون ها کلوین می رسد. در این دما، فشار به شدت افزایش می یابد و یک موج انفجار قوی تشکیل می شود. در همان زمان، تشعشعات قدرتمندی تولید می شود. محصولات واکنش زنجیره ای ناشی از انفجار بمب بسیار رادیواکتیو و تهدید کننده زندگی هستند.

در سال 1945، ایالات متحده درخواست کرد بمب های اتمیمقابل ژاپن ( کلیپ ویدیویی شماره 23-25). پیامدهای آزمایش سلاح اتمی ( کلیپ تصویری شماره 26)

دارو

1. اثر بیولوژیکی تشعشعات رادیواکتیو.

پرتوهای رادیواکتیو شامل تابش گاما و اشعه ایکس، الکترون ها، پروتون ها، ذرات، یون های عناصر سنگین است. به آن تابش یونیزه نیز می گویند، زیرا با عبور از بافت زنده باعث یونیزه شدن اتم ها می شود.

حتی انتشار ضعیف مواد رادیواکتیو بسیار است تاثیر قویبر روی همه موجودات زنده، اختلال در فعالیت حیاتی سلول ها. در شدت تابش بالا، موجودات زنده می میرند. خطر تشعشعات با این واقعیت تشدید می شود که آنها حتی در دوزهای کشنده نیز هیچ دردی ایجاد نمی کنند. نوآوری در پزشکی ( اسلاید شماره 27-29)

مکانیسم اثری که بر اجسام بیولوژیکی تأثیر می گذارد هنوز به خوبی شناخته نشده است. اما واضح است که به یونیزاسیون اتم ها و مولکول ها کاهش می یابد و این منجر به تغییر در فعالیت شیمیایی آنها می شود. حساس ترین به تابش هسته سلول ها هستند، به ویژه سلول هایی که به سرعت در حال تقسیم هستند. بنابراین، اول از همه، تشعشعات بر مغز استخوان تأثیر می گذارد که روند خون سازی را مختل می کند. در مرحله بعدی آسیب به سلول های دستگاه گوارش و سایر اندام ها وارد می شود.

دوز تابش ماهیت تاثیر پرتوهای یونیزان به دوز تابش جذب شده و نوع آن بستگی دارد.

دز تابش جذب شده نسبت انرژی تابشی جذب شده توسط جسم تحت تابش به جرم آن است: .

در SI، دوز تابش جذب شده به رنگ خاکستری (1 گری) بیان می شود:

1 گری برابر است با دز تابشی جذب شده که در آن 1 ژول انرژی تابش یونیزان به ماده تابیده شده با وزن 1 کیلوگرم منتقل می شود.

پس زمینه تابش طبیعی (پرتوهای کیهانی، رادیواکتیویته محیط و بدن انسان) حدود 2·10-3 گری برای هر نفر در سال است. کمیسیون بین المللی حفاظت در برابر تشعشع حداکثر دوز مجاز سالانه 0.05 گری را برای افرادی که با تشعشع کار می کنند تعیین کرده است. دوز تشعشع 3 تا 10 گری دریافت شده در زمان کوتاه کشنده است.

در عمل، یک واحد خارج از سیستم دوز تابش، رونتگن (1 R)، به طور گسترده استفاده می شود. 1 گری تقریباً برابر با 100 R است.

دوز معادل

با توجه به اینکه در یک دز جذب، پرتوهای مختلف اثرات بیولوژیکی متفاوتی ایجاد می کنند، کمیتی به نام دوز معادل (H) برای ارزیابی این اثرات معرفی شد.

دوز معادل تابش جذب شده به عنوان حاصل ضرب دوز تابش جذب شده و فاکتور کیفیت تعریف می شود:

واحد معادل دوز سیورت (1 Sv) است.

1Sv برابر است با دوز معادل که در آن دوز تابش جذب شده 1 گری است. .

مقدار دوز معادل دوزهای تشعشعی را تعیین می کند که برای یک موجود زنده نسبتاً ایمن و بسیار خطرناک است.

هنگام ارزیابی اثرات پرتوهای یونیزان بر روی یک موجود زنده، همچنین در نظر گرفته می شود که برخی از قسمت های بدن (ارگان ها، بافت ها) حساس تر از سایرین هستند. به عنوان مثال، در دوز مشابه، سرطان ریه بیشتر از سرطان تیروئید است.

به عبارت دیگر، هر اندام و بافت دارای ضریب خطر تشعشع مشخصی است (به عنوان مثال برای ریه ها 0.12 و برای غده تیروئید - 0.03 است).

دوزهای جذب شده و معادل آن به زمان مواجهه بستگی دارد. سایر موارد برابر هستند، این دوزها بزرگتر هستند زمان بیشترتابش

محصولات غذایی قابل درمان با اشعه ( اسلاید شماره 30).

دوز جذبی نیمه کشنده* برای برخی موجودات زنده ( اسلاید شماره 31).

اثر بیولوژیکی پرتوهای یونیزه بر انسان (با اسلاید شماره 32).

سطح قرار گرفتن در معرض پرتوهای جمعیت ( اسلاید شماره 33).

اقدامات حفاظتی در برابر تشعشعات یونیزه سازه ها و مواد ( اسلاید شماره 34)

2. حفاظت از موجودات در برابر تشعشعات.

هنگام کار با هر منبع تشعشعی باید اقدامات حفاظتی در برابر تشعشع انجام شود.

ساده ترین روش حفاظت، حذف پرسنل از منبع تشعشع در فاصله کافی است. آمپول های حاوی مواد رادیواکتیو نباید با دست مصرف شوند. استفاده از انبرهای مخصوص دسته بلند ضروری است.

برای محافظت در برابر تشعشع، از موانع ساخته شده از مواد جاذب استفاده می شود. به عنوان مثال، یک لایه آلومینیومی به ضخامت چند میلی متر می تواند به عنوان محافظت در برابر تشعشع عمل کند. سخت ترین محافظت در برابر تشعشعات و نوترون ها به دلیل قدرت نفوذ بالا. بهترین جاذب اشعه سرب است. نوترون های آهسته به خوبی توسط بور و کادمیوم جذب می شوند. نوترون های سریع با استفاده از گرافیت از قبل تعدیل می شوند. کلیپ ویدیویی شماره 35).

سوالات به دانش آموزان در هنگام ارائه مطالب جدید

1. چرا نوترون ها راحت ترین ذرات برای بمباران هسته های اتمی هستند؟

2. وقتی نوترون به هسته اورانیوم برخورد می کند چه اتفاقی می افتد؟

3- چرا در حین شکافت هسته های اورانیوم انرژی آزاد می شود؟

4. چه چیزی ضریب ضرب نوترون را تعیین می کند؟

5. کنترل واکنش هسته ای چیست؟

6. چرا لازم است که جرم هر میله اورانیوم کمتر از جرم بحرانی باشد؟

7. میله های کنترل برای چیست؟ چگونه مورد استفاده قرار می گیرند؟

8. چرا از تعدیل کننده نوترونی در راکتور هسته ای استفاده می شود؟

9. علت تأثیرات منفی تشعشعات بر موجودات زنده چیست؟

10. هنگام ارزیابی اثرات پرتوهای یونیزان بر موجود زنده چه عواملی را باید در نظر گرفت؟

شماره 5. جمع بندی درس

به خوبی شناخته شده است که انرژی شکافت هسته های سنگین که برای اهداف عملی استفاده می شود، انرژی جنبشی قطعات هسته های اصلی است. اما منشا این انرژی چیست، یعنی. چه انرژی به انرژی جنبشی قطعات تبدیل می شود؟

دیدگاه های رسمی در مورد این موضوع بسیار متناقض است. بنابراین، موخین می نویسد که انرژی بزرگ آزاد شده در طول شکافت یک هسته سنگین به دلیل تفاوت در نقص جرم در هسته اصلی و قطعات است - و بر اساس این منطق، او تخمینی از بازده انرژی در طول شکافت هسته به دست می آورد. هسته اورانیوم: 200 مگا ولت. اما سپس می نویسد که انرژی دافعه کولن آنها به انرژی جنبشی قطعات تبدیل می شود - که وقتی قطعات به یکدیگر نزدیک شوند، همان 200 مگا ولت است. نزدیکی هر دوی این تخمین ها به مقدار تجربی، البته، چشمگیر است، اما این سوال مهم است: آیا تفاوت در نقص های جرمی یا انرژی دافعه کولن همچنان به انرژی جنبشی قطعات تبدیل می شود؟ شما قبلاً تصمیم می گیرید در مورد چه چیزی به ما بگویید - در مورد بزرگتر دریا در مورد دایی در کیف!

نظریه پردازان خود این معضل بن بست را ایجاد کرده اند: طبق منطق آنها، آنها قطعاً هم به تفاوت در عیوب جرم و هم به دفع کولن نیاز دارند. یکی یا دیگری را رد کنید، و بی ارزش بودن مفروضات اولیه سنتی در فیزیک هسته ای کاملاً آشکار می شود. مثلاً چرا از تفاوت عیوب جرمی صحبت می کنند؟ سپس، تا به نحوی امکان پدیده شکافت هسته های سنگین را توضیح دهیم. آنها سعی می کنند ما را متقاعد کنند که شکافت هسته های سنگین به این دلیل اتفاق می افتد که از نظر انرژی مطلوب است. معجزه چیست؟ در طول شکافت یک هسته سنگین، برخی از پیوندهای هسته ای از بین می روند - و انرژی پیوندهای هسته ای بر حسب MeV محاسبه می شود! نوکلئون های موجود در یک هسته مرتبه های قدر قوی تر از الکترون های اتمی هستند. و تجربه به ما می‌آموزد که سیستم دقیقاً در زمینه سودآوری انرژی پایدار است - و اگر از هم پاشیدگی آن از نظر انرژی سودآور بود، بلافاصله از هم می‌پاشد. اما ذخایر سنگ معدن اورانیوم در طبیعت وجود دارد! درباره چه نوع "سودآوری انرژی" شکافت هسته ای اورانیوم می توان صحبت کرد؟

مبادا این فرضیه که شکافت یک هسته سنگین سودمند است چندان قابل توجه نباشد، نظریه پردازان مانور انحرافی را آغاز کرده اند: آنها در مورد این "مزیت" بر حسب میانگین انرژی اتصال قابل انتساب به آن صحبت می کنند. در هر نوکلئون. در واقع، با افزایش عدد اتمی، اندازه نقص جرمی در هسته نیز افزایش می‌یابد، اما تعداد نوکلئون‌ها در هسته سریع‌تر افزایش می‌یابد - به دلیل نوترون‌های اضافی. بنابراین، برای هسته های سنگین، مجموع انرژی اتصال، محاسبه مجدد در هر نوکلئون، با افزایش عدد اتمی کاهش می یابد. به نظر می رسد که اشتراک گذاری واقعا برای هسته های سنگین مفید است؟ افسوس، این منطق مبتنی بر ایده های سنتی است که روابط هسته ای تحت پوشش آنها قرار می گیرد همهنوکلئون ها در هسته با این فرض، میانگین انرژی اتصال در هر نوکلئون E 1 ضریب بخش انرژی اتصال هسته ای D است Eبرای تعداد نوکلئون ها:

E 1=D E/آ، دی E=(Zm p +( A-Z)m n)ج 2 -(مدر - Zme)ج 2 , (4.13.1)

جایی که ز- عدد اتمی، یعنی تعداد پروتون ها آ- تعداد نوکلئون ها، مترپ ، m nو منبه ترتیب جرم پروتون، نوترون و الکترون است، مدر جرم اتم است. با این حال، ما قبلاً ناکافی بودن ایده های سنتی در مورد هسته را در بالا نشان داده ایم ( 4.11 ). و اگر طبق منطق مدل پیشنهادی ( 4.12 ، هنگام محاسبه انرژی اتصال به ازای هر نوکلئون، نوکلئون هایی را در هسته که به طور موقت توسط پیوندهای هسته ای پوشانده نشده اند، در نظر نگیرید، سپس فرمولی متفاوت با (4.13.1) دریافت خواهیم کرد. اگر تعداد نوکلئون های محدود فعلی را 2 فرض کنیم ز (4.12 ، و اینکه هر یک از آنها فقط نیمی از زمان اتصال به یکدیگر متصل می شوند ( 4.12 ) سپس برای میانگین انرژی اتصال در هر نوکلئون فرمول را بدست می آوریم

E 1*=D E/ز , (4.13.2)

که با (4.13.1) فقط در مخرج تفاوت دارد. ویژگی های صاف E 1 (ز) و E 1 * (ز) داده می شود شکل 4.13. برخلاف برنامه معمول E 1 (ز)، در بسیاری از کتاب های درسی، نمودار قرار داده شده است E 1 * (ز) یک ویژگی قابل توجه دارد: نشان می دهد، برای هسته های سنگین، استقلالانرژی اتصال در هر نوکلئون بر روی تعداد نوکلئون ها. بنابراین از مدل ما ( 4.12 ) نتیجه می شود که هیچ گونه "مزیت انرژی" شکافت هسته های سنگین - مطابق با عقل سلیم - وجود ندارد. یعنی انرژی جنبشی قطعات نمی تواند به دلیل تفاوت در عیوب جرمی هسته اولیه و قطعات باشد.

شکل 4.13

مطابق با همان عقل سلیم، انرژی دفع کولن آنها را نمی توان به انرژی جنبشی قطعات تبدیل کرد: ما به عنوان استدلال های نظری آورده ایم ( 4.7 , 4.12 ) و شواهد تجربی ( 4.12 ) که دافعه کولنی برای ذرات تشکیل دهنده هسته وجود ندارد.

پس منشا انرژی جنبشی قطعات یک هسته سنگین چیست؟ ابتدا، بیایید سعی کنیم به این سوال پاسخ دهیم: چرا در یک واکنش زنجیره ای هسته ای، شکافت هسته ای به طور موثر توسط نوترون های ساطع شده در طول شکافت قبلی ایجاد می شود - علاوه بر این، توسط نوترون های حرارتی، به عنوان مثال. داشتن انرژی هایی که در مقیاس هسته ای ناچیز است. با توجه به این واقعیت که نوترون های حرارتی توانایی شکستن هسته های سنگین را دارند، به نظر می رسد دشوار است که نتیجه گیری ما مبنی بر اینکه نوترون های "بیش از حد" - در حال حاضر - در هسته های سنگین آزاد هستند را با هم تطبیق دهیم. 4.12 ). یک هسته سنگین به معنای واقعی کلمه با نوترون های حرارتی پر شده است، اما به هیچ وجه تجزیه نمی شود - اگرچه شکافت فوری آن باعث می شود که یک نوترون حرارتی منفرد منتشر شده در شکافت قبلی به آن برخورد کند.

منطقی است که فرض کنیم نوترون‌های حرارتی آزاد موقت در هسته‌های سنگین و نوترون‌های حرارتی ساطع شده در طول شکافت هسته‌های سنگین هنوز با یکدیگر متفاوت هستند. از آنجایی که هر دو هیچ وقفه هسته ای ندارند، درجه آزادی که در آن می توانند متفاوت باشند باید فرآیندی داشته باشد که جفت داخلی در نوترون را فراهم می کند - از طریق تبدیل چرخه ای جفت های تشکیل دهنده آن. 4.10 ). و تنها درجه آزادی که در اینجا می بینیم امکان آن است تضعیف شدناین اتصال داخلی "در افزایش جرم" ( 4.10 ، به دلیل کاهش فراوانی تبدیلات چرخه ای در نوترون - با انتشار g-quanta مربوطه. رساندن نوترون ها به چنین حالت ضعیفی - برای مثال، در هنگام فروپاشی هسته های سنگین، زمانی که تبدیل شدید انرژی از یک شکل به شکل دیگر - به نظر ما چیز غیرعادی نمی رسد. وضعیت ضعیف نوترون ظاهراً به دلیل عملکرد غیرعادی برنامه ای است که نوترون را در دنیای فیزیکی- و در عین حال تجزیه نوترون به پروتون و الکترون آسان تر است. به نظر می رسد که میانگین طول عمر 17 دقیقه اندازه گیری شده برای نوترون های ساطع شده از راکتورهای هسته ای نمونه ای از نوترون های ضعیف شده است. یک نوترون تضعیف نشده، به نظر ما، تا زمانی که الگوریتم متصل کننده آن کار می کند، قادر به زندگی است. 4.10 ، یعنی به طور نامحدود.

چگونه یک نوترون ضعیف شده یک هسته سنگین را از بین می برد؟ در مقایسه با نوترون های تضعیف نشده، دوره وقفه های ضربان نوکلئون برای نوترون های ضعیف افزایش یافته است. اگر چنین نوترونی که وارد هسته شده است، وقفه های هسته ای "روشن" داشته باشد، به طوری که با مقداری پروتون مرتبط شود، آنگاه همزمانی پیوندهای سوئیچینگ سه گانه توصیف شده در بالا. n 0 -پ + -n 0 (4.12 ) غیر ممکن خواهد بود. در نتیجه، همزمانی پیوند در کمپلکس مربوطه مختل می شود، که باعث ایجاد توالی شکست سوئیچینگ پیوند می شود که به طور بهینه کمپلکس های a را تغییر می دهد و ساختار دینامیکی هسته را تضمین می کند. 4.12 ). به بیان تصویری، شکافی از هسته عبور می کند که نه در اثر شکستن نیروی پیوندهای هسته ای، بلکه در اثر نقض همزمانی سوئیچینگ آنها ایجاد می شود. توجه کنید که نقطه کلیدیزیرا سناریوی توصیف شده "روشن شدن" نوترون ضعیف شده پیوند هسته ای است - و برای اینکه این "روشن شدن" اتفاق بیفتد، نوترون باید انرژی جنبشی به اندازه کافی کمی داشته باشد. به این ترتیب توضیح می دهیم که چرا نوترون هایی با انرژی جنبشی چند صد کو تنها یک هسته سنگین را تحریک می کنند، در حالی که نوترون های حرارتی با انرژی تنها چند صدم الکترون ولت می توانند به طور موثر آن را از هم جدا کنند.

ما چه می بینیم؟ هنگامی که هسته به دو قطعه تقسیم می شود، آن پیوندهای هسته ای "به طور تصادفی" فرو می ریزند، که در حالت عادی تغییرشان ( 4.12 )، این دو قطعه را در هسته اصلی به هم مرتبط کرد. یک وضعیت غیرعادی ایجاد می شود که در آن انرژی های خود برخی از نوکلئون ها با انرژی پیوندهای هسته ای کاهش می یابد، اما خود این پیوندها دیگر وجود ندارند. این احتمال، با توجه به منطق اصل تبدیلات انرژی خودمختار ( 4.4 ، وضعیت بلافاصله به صورت زیر اصلاح می شود: انرژی های خود نوکلئون ها به همان شکلی که هستند باقی می مانند و انرژی های قبلی پیوندهای شکسته به انرژی جنبشی نوکلئون ها - و در نهایت به انرژی جنبشی نوکلئون ها تبدیل می شوند. قطعات بنابراین، انرژی شکافت یک هسته سنگین نه به دلیل تفاوت بین عیوب جرمی هسته اولیه و قطعات، و نه به دلیل انرژی دفع کولن قطعات. انرژی جنبشی قطعات است انرژی سابقپیوندهای هسته ای که این قطعات را در هسته اصلی نگه می داشتند. حمایت از این نتیجه گیری قابل توجه است و واقعیت کمی شناخته شدهثبات انرژی جنبشی قطعات - صرف نظر از قدرت ضربه ای که شکافت هسته را آغاز می کند. بنابراین، هنگامی که شکافت هسته‌های اورانیوم توسط پروتون‌هایی با انرژی 450 مگا ولت آغاز شد، انرژی جنبشی قطعات 8 ± 163 مگا ولت بود، یعنی. به اندازه زمانی که شکافت توسط نوترون های حرارتی آغاز می شود، با انرژی در صدم ولت!

بر اساس مدل پیشنهادی، اجازه دهید تخمین تقریبی انرژی شکافت هسته اورانیوم را با توجه به محتمل ترین نوع، 92 U 235 ® 36 Kr 94 + 56 Ba 139 انجام دهیم که در آن قطعات شامل 18 و 28 a-کمپلکس هستند. . با فرض اینکه این مجتمع‌های 18 و 28 a در هسته اصلی توسط 8 تا 10 پیوند قابل تعویض، هر یک با انرژی متوسط 20 مگا ولت به هم متصل شده‌اند (شکل 2 را ببینید). شکل 4.13سپس انرژی قطعات باید 160-200 مگا ولت باشد، یعنی. ارزش نزدیک به مقدار واقعی

شاید خواندن آن مفید باشد: