De ce fisiunea nucleară eliberează energie? Energia de fisiune

Fisiunea nucleelor de uraniu a fost descoperită în 1938 de oamenii de știință germani O. Hahn și F. Strassmann. Ei au reușit să stabilească că atunci când nucleele de uraniu sunt bombardate cu neutroni, se formează elemente din partea de mijloc a tabelului periodic: bariu, cripton etc. Interpretarea corectă a acestui fapt a fost dată de fizicianul austriac L. Meitner și fizician englez O. Frisch. Ei au explicat apariția acestor elemente prin degradarea nucleelor de uraniu care au capturat un neutron în două părți aproximativ egale. Acest fenomen se numește fisiune nucleară, iar nucleele rezultate se numesc fragmente de fisiune.

Vezi si

Vasiliev A. Fisiunea uraniului: de la Klaproth la Hahn // Quantum. - 2001. - Nr 4. - P. 20-21,30.

Model de picături a nucleului

Această reacție de fisiune poate fi explicată pe baza modelului de picături al nucleului. În acest model, miezul este considerat ca o picătură de fluid incompresibil încărcat electric. Pe lângă forțele nucleare care acționează între toți nucleonii nucleului, protonii experimentează o repulsie electrostatică suplimentară, ca urmare a căreia se află la periferia nucleului. Într-o stare neexcitată, forțele de repulsie electrostatică sunt compensate, astfel încât nucleul are formă sferică (Fig. 1, a).

După ce nucleul \(~^(235)_(92)U\) captează un neutron, se formează un nucleu intermediar \(~(^(236)_(92)U)^*\), care se află într-o stare excitată. stat. În acest caz, energia neutronilor este distribuită uniform între toți nucleonii, iar nucleul intermediar în sine este deformat și începe să vibreze. Dacă excitația este mică, atunci nucleul (Fig. 1, b), eliberându-se de excesul de energie prin emiterea γ -cuantică sau neutronă, revine la o stare stabilă. Dacă energia de excitație este suficient de mare, atunci deformarea miezului în timpul vibrațiilor poate fi atât de mare încât se formează o talie în el (Fig. 1, c), similară cu talia dintre două părți ale unei picături de lichid bifurcate. Forțele nucleare, acționând într-o talie îngustă, nu mai poate rezista forței Coulombice semnificative de repulsie a unor părți ale nucleului. Talia se rupe, iar miezul se rupe în două „fragmente” (Fig. 1, d), care zboară în direcții opuse.

uran.swf Flash: Fisiunea uraniului Mărire Flash Fig. 2.

În prezent, sunt cunoscuți aproximativ 100 de izotopi diferiți cu numere de masă de la aproximativ 90 la 145, care rezultă din fisiunea acestui nucleu. Două reacții de fisiune tipice ale acestui nucleu sunt:

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

Rețineți că fisiunea nucleară inițiată de un neutron produce noi neutroni care pot provoca reacții de fisiune în alte nuclee. Produșii de fisiune ai nucleelor de uraniu-235 pot fi și alți izotopi de bariu, xenon, stronțiu, rubidiu etc.

Când nucleele atomilor grei se fisionează (\(~^(235)_(92)U\)), se eliberează energie foarte mare - aproximativ 200 MeV în timpul fisiunii fiecărui nucleu. Aproximativ 80% din această energie este eliberată ca energie cinetică a fragmentelor; restul de 20% provine din energia radiațiilor radioactive din fragmente și din energia cinetică a neutronilor prompti.

O estimare a energiei eliberate în timpul fisiunii nucleare poate fi făcută folosind energia de legare specifică a nucleonilor din nucleu. Energia de legare specifică a nucleonilor din nucleele cu număr de masă A≈ 240 de ordinul a 7,6 MeV/nucleon, în timp ce în nuclee cu numere de masă A= 90 – 145 energia specifică este de aproximativ 8,5 MeV/nucleon. În consecință, fisiunea unui nucleu de uraniu eliberează energie de ordinul a 0,9 MeV/nucleon, sau aproximativ 210 MeV per atom de uraniu. Fisiunea completă a tuturor nucleelor conținute în 1 g de uraniu eliberează aceeași energie ca și arderea a 3 tone de cărbune sau a 2,5 tone de petrol.

Vezi si

Varlamov A.A. Modelul picăturilor nucleului //Quantum. - 1986. - Nr. 5. - P. 23-24

Reacție în lanț

Reacție în lanț- o reacție nucleară în care particulele care provoacă reacția se formează ca produse ale acestei reacții.

Când un nucleu de uraniu-235 se fisiune, care este cauzat de o coliziune cu un neutron, sunt eliberați 2 sau 3 neutroni. În condiții favorabile, acești neutroni pot lovi alte nuclee de uraniu și pot provoca fisiunea acestora. În această etapă, vor apărea de la 4 la 9 neutroni, capabili să provoace noi dezintegrari ale nucleelor de uraniu etc. Un astfel de proces asemănător avalanșei se numește reacție în lanț. O diagramă a dezvoltării unei reacții în lanț de fisiune a nucleelor de uraniu este prezentată în Fig. 3.

reakcia.swf Flash: reacție în lanț Mărire Flash Fig. 4.

Uraniul se găsește în natură sub formă de doi izotopi \[~^(238)_(92)U\] (99,3%) și \(~^(235)_(92)U\) (0,7%). Când sunt bombardate de neutroni, nucleele ambilor izotopi se pot împărți în două fragmente. În acest caz, reacția de fisiune \(~^(235)_(92)U\) are loc cel mai intens cu neutroni lenți (termici), în timp ce nucleele \(~^(238)_(92)U\) reacţionează la fisiune. numai cu neutroni rapizi cu energii de ordinul a 1 MeV. În caz contrar, energia de excitație a nucleelor rezultate \(~^(239)_(92)U\) se dovedește a fi insuficientă pentru fisiune, iar apoi au loc reacții nucleare în loc de fisiune:

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

Izotop de uraniu \(~^(238)_(92)U\) β -radioactiv, timp de înjumătățire 23 minute. Izotopul de neptuniu \(~^(239)_(93)Np\) este și el radioactiv, cu un timp de înjumătățire de aproximativ 2 zile.

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

Izotopul plutoniului \(~^(239)_(94)Np\) este relativ stabil, cu un timp de înjumătățire de 24.000 de ani. Cea mai importantă proprietate a plutoniului este că este fisionabil sub influența neutronilor în același mod ca \(~^(235)_(92)U\). Prin urmare, cu ajutorul lui \(~^(239)_(94)Np\) se poate realiza o reacție în lanț.

Diagrama reacției în lanț discutată mai sus reprezintă un caz ideal. În condiții reale, nu toți neutronii produși în timpul fisiunii participă la fisiunea altor nuclee. Unele dintre ele sunt captate de nucleele nefisibile ale atomilor străini, altele zboară din uraniu (scurgere de neutroni).

Prin urmare, o reacție în lanț de fisiune a nucleelor grele nu are loc întotdeauna și nu pentru orice masă de uraniu.

Factorul de multiplicare a neutronilor

Dezvoltarea unei reacții în lanț este caracterizată de așa-numitul factor de multiplicare a neutronilor LA, care se măsoară prin raportul numărului N i neutroni care provoacă fisiunea nucleelor unei substanțe într-una dintre etapele reacției, la numărul N i-1 neutroni care au provocat fisiunea în etapa anterioară a reacției:

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

Coeficientul de multiplicare depinde de o serie de factori, în special de natura și cantitatea substanței fisionabile și de forma geometrică a volumului pe care îl ocupă. Aceeași cantitate dintr-o substanță dată are sens diferit LA. LA maxim dacă substanța are formă sferică, deoarece în acest caz pierderea de neutroni prompti prin suprafață va fi minimă.

Masa de material fisionabil în care are loc reacția în lanț cu un factor de multiplicare LA= 1 se numește masă critică. În bucăți mici de uraniu, majoritatea neutronilor zboară fără să lovească niciun nucleu.

Valoarea masei critice este determinata de geometrie sistem fizic, structura sa și mediul extern. Astfel, pentru o bila de uraniu pur \(~^(235)_(92)U\) masa critica este de 47 kg (o bila cu diametrul de 17 cm). Masa critică a uraniului poate fi redusă de multe ori prin utilizarea așa-numiților moderatori de neutroni. Cert este că neutronii produși în timpul dezintegrarii nucleelor de uraniu au viteze prea mari, iar probabilitatea de a capta neutroni lenți de către nucleele de uraniu-235 este de sute de ori mai mare decât cele rapide. Cel mai bun moderator de neutroni este apa grea D 2 O. Când interacționează cu neutronii, apa obișnuită se transformă în apă grea.

Grafitul, ale cărui nuclee nu absorb neutronii, este, de asemenea, un bun moderator. În timpul interacțiunii elastice cu deuteriu sau nuclee de carbon, neutronii sunt încetiniți la viteze termice.

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

La rata de multiplicare LA= 1 numarul de nuclee de fisiune se mentine la un nivel constant. Acest mod este furnizat în reactoare nucleare.

Dacă masa combustibilului nuclear este mai mică decât masa critică, atunci factorul de multiplicare LA < 1; каждое новое поколение вызывает все меньшее и меньшее число делений, и реакция без внешнего источника нейтронов быстро затухает.

Dacă masa combustibilului nuclear este mai mare decât masa critică, atunci factorul de multiplicare LA> 1 și fiecare nouă generație de neutroni provoacă totul număr mai mare diviziuni. Reacția în lanț crește ca o avalanșă și are caracterul unei explozii, însoțită de o eliberare uriașă de energie și o creștere a temperaturii mediu inconjurator până la câteva milioane de grade. Acest tip de reacție în lanț are loc atunci când o bombă atomică explodează.

Bombă nucleară

În starea sa normală, o bombă nucleară nu explodează deoarece sarcina nucleară din ea este împărțită în mai multe părți mici prin partiții care absorb produsele de descompunere ai uraniului - neutroni. Reacția nucleară în lanț care provoacă o explozie nucleară nu poate fi susținută în astfel de condiții. Cu toate acestea, dacă fragmentele unei sarcini nucleare sunt combinate împreună, masa lor totală va deveni suficientă pentru ca o reacție în lanț de fisiune a uraniului să înceapă să se dezvolte. Rezultatul este o explozie nucleară. Mai mult, puterea de explozie dezvoltată de o bombă nucleară relativ mică este echivalentă cu puterea eliberată în timpul exploziei a milioane și miliarde de tone de TNT.

Orez. 5. Bombă atomică

1.8. Fisiune nucleara

1.8.1. Reacții de fisiune ale nucleelor grele. Mecanismul de fisiune nucleară și energia de activare. Compoziția produselor de fisiune nucleară și a energiei de fisiune. Teoria elementară a fisiunii

Fisiune nucleara– o reacție nucleară în care se formează doi (mai rar trei) nuclee fragmentare. Procesul este însoțit de emisia de neutroni secundari, cuante și eliberarea unei cantități semnificative de energie.

Referință istorică. În 1938, Gunn și F. Strassman au arătat printr-o analiză radiochimică precisă că atunci când uraniul este iradiat cu neutroni, în el se formează elementul bariu, care se află la mijlocul tabelului periodic. Reacția arăta ca

, (Q≈ 200 MeV). (1,82)

Există mai mult de 30 de canale de ieșire de fisiune uraniu-235. F. Joliot-Curie și colaboratorii săi din Franța și E. Fermi și colaboratorii săi din Italia au descoperit emisia mai multor neutroni în canalul de ieșire. O. Frisch și L. Meitner din Germania au remarcat cantitatea enormă de energie eliberată în timpul fisiunii. Acest lucru a servit pentru a prezenta ideea unei reacții de fisiune nucleară auto-susținută. În 1940, în Rusia a fost descoperită fisiunea nucleară spontană. Baza energiei nucleare moderne este fisiunea nucleelor de uraniu și plutoniu sub influența neutronilor. Era nucleară a început în 1938.

Fisiunea nucleară poate avea loc și sub influența protonilor, a cuantei γ, a particulelor α etc. Fisiunea forțată a unui nucleu excitat de către un neutron ( n, f) concurează cu alte procese: cu captarea neutronilor radiativi ( n, γ ), adică emisia unui cuantum γ și împrăștierea unui neutron pe un nucleu ( n, n).

Probabilitatea fisiunii nucleare este determinată de raportul dintre secțiunea transversală a fisiunii σ f nuclee la secțiunea transversală totală de captare a neutronilor.

Izotopii, , sunt împărțiți de neutroni de toate energiile, începând de la zero. În timpul secțiunilor transversale de fisiune ale acestor izotopi, apar rezonanțe care corespund nivelurilor de energie ale nucleului fisionabil (vezi Fig. 1.13).

Mecanismul de fisiune nucleară și energia de activare

Procesul de fisiune nucleară este explicat ca fisiunea unei picături de lichid încărcat omogen sub acțiunea forțelor Coulomb (M, Wheeler, 1939). Pentru a se scinda, un nucleu trebuie să dobândească o anumită energie critică, numită energie de activare. După capturarea unui neutron, se formează un nucleu compus excitat. Nucleul excitat începe să vibreze. Volumul miezului nu se modifică (materia nucleară este practic incompresibilă), dar suprafața miezului crește. Energia de suprafață crește, prin urmare, forțele de tensiune superficială tind să readucă miezul la starea inițială. Energia Coulomb scade în valoare absolută datorită creșterii distanței medii dintre protoni. Forțele Coulomb au tendința de a rupe nucleul. Nucleul se schimbă de la o formă sferică la una elipsoidală, apoi are loc o deformare cvadrupol a nucleului, se formează o constricție, nucleul se transformă într-o gantere, care se rupe, formând două fragmente și „stropi” - o pereche de neutroni.

O caracteristică a capacității unui nucleu de a fisiune este raportul dintre energia Coulomb și energia de suprafață, luat din formula semi-empirică pentru energia de legare a nucleului

, (1.83)

Unde - parametrul de divizibilitate.

Nucleii cu un parametru de fisibilitate >17 pot fi fisiune; cei cu un parametru critic de fisibilitate ()cr = 45 fisiune imediată (condiție pentru fisiunea spontană a nucleelor). Pentru ca un nucleu să se despartă, trebuie să depășească o barieră energetică numită barieră de fisiune. În cazul fisiunii forțate, nucleul primește această energie atunci când captează un neutron.

Compoziția produselor de fisiune

Fragmente de fisiune . Principalul tip de fisiune nucleară este fisiunea în două fragmente. Fragmentele sunt împărțite în masă asimetric într-un raport de două la trei. Randamentul produselor de fisiune este determinat ca raportul dintre numărul de fisiuni care produc un fragment cu un anumit A La număr întreg diviziuni. Deoarece fiecare eveniment de fisiune produce două nuclee, randamentul total pe fisiune pentru toate numerele de masă este de 200%. Distribuția maselor de fragmente în timpul fisiunii nucleare este prezentată în Fig. 1.14. Figura prezintă o curbă tipică de distribuție cu dublu cocoaș a randamentului total de fisiune de către neutroni termici. Impulsurile fragmentelor sunt egale și opuse ca semn. Vitezele fragmentelor ajung la ~107 m/s.

Fig.1.14. Dependența randamentelor produselor de fisiune de uraniu-235 și plutoniu-239 sub influența neutronilor termici de numărul de masă A.

Neutroni de fisiune . În momentul formării, fragmentele nucleului original sunt foarte deformate. Energia potențială de deformare în exces este convertită în energie de excitație a fragmentelor. Fragmentele de fisiune au o sarcină mare și sunt supra-imbogățite în neutroni, la fel ca nucleul original. Se transformă în nuclee stabile, emitând neutroni secundari și cuante γ. Excitația nucleelor fragmentelor este eliminată prin „evaporarea” neutronilor.

Neutronii de fisiune promptă sunt neutroni emiși de fragmente excitate într-un timp mai mic de 4 10-14 sec. Se evaporă izotrop din fragmente.

ÎN sistemul de coordonate al laboratorului(l.s.c.) spectrul energetic al neutronilor de fisiune este bine descris de distribuția Maxwelliană

, (1.84)

Unde E– energia neutronilor în l. s.k..gif" width="63 height=46" height="46"> – energia medie a spectrului.

Număr v neutroni secundari la 1 act de fisiune de către neutroni termici este pentru uraniu-235 v= 2,43, plutoniu-239 v= 2,89. (de exemplu, 289 de neutroni secundari sunt produși simultan la 100 de evenimente de fisiune).

Emisia de γ cuante . După ce neutronii „se evaporă” din fragmente, ei rețin energia de excitație, care este transportată de quanta γ promptă. Procesul de emisie a γ-quantilor are loc într-un timp de ~ 10-14 s după emisia de neutroni. Energia radiației efective totale pe diviziune E total = 7,5 MeV..gif" width="67" height="28 src="> MeV. Numărul mediu de γ-quante pe 1 diviziune.

Neutroni întârziați – neutroni care apar după fisiunea nucleelor originare (de la 10-2 sec la 102 sec). Numărul de neutroni întârziați< 1% от полного количества нейтронов деления. Механизм испускания связан с β -dezintegrarea fragmentelor de fisiune de tipul , , a căror energie β -dezintegrarea este mai mare decât energia de legare a neutronului. În acest caz există o interdicție β -tranziție la starea fundamentală și energie scăzută de separare a neutronilor. Energia de excitație a nucleului este mai mare decât energia de legare a neutronului. Neutronul este emis instantaneu după formarea unui nucleu excitat dintr-un nucleu fragment, ca urmare a β -descompunere. Cu toate acestea, în timp, acest lucru are loc numai după timpul de înjumătățire al nucleului fragmentului.

Distribuția energiei pe 1 act de fisiune a unui nucleu greu de către neutroni termici este prezentată în tabel. 1.4.

Energia produselor de fisiune nucleară Tabel 1.4

	Energia cinetică a unui fragment de lumină T osk l, MeB
	Energia cinetică a unui fragment greu T osc t MeB
	Energia cinetică a neutronilor de fisiune En MeB
	Energia γ-quantilor instantanee Eγ m MeB
	Energie β - particule de produs de fisiune Eβ MeB
	Energia radiației γ a produselor de fisiune Eγ pr MeB
	Energia antineutrino a produselor de fisiune Ev MeB
	Energia radiației γ datorită captării neutronilor Eγn MeB
	Energia totală eliberată în timpul fisiunii nucleare QΣ MeB

Energia de fisiune termică

QT = T osk l + T osk t + En+ Eγ m + Eβ + Ey etc + Eγ = 204 MeB.

Energia transportată de antineutrini nu este eliberată sub formă de energie termică, deci pentru 1 act de fisiune a unui nucleu de către un neutron termic există ~ 200 MeV. Cu o putere termică de 1 W apar 3.1.1010 diviziuni/sec. ÎN reacții chimice energia per atom este de ~1 eV.

Teoria elementară a fisiunii

Să presupunem că în timpul împărțirii https://pandia.ru/text/78/550/images/image028_18.gif" width="31" height="27 src="> numărul de masă este păstrat A si incarca Z. Aceasta înseamnă că luăm în considerare doar cioburi:

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

nucleul este împărțit într-un raport de 2 la 3:

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

Energia reacției este egală cu energia fragmentelor Q = T ock

Q = c2 [M – (M1 + M2 ) ],

Q= Esv1+ Esv2– ESf., (1.85)

Unde ESf.– energia totală de legare a nucleului în raport cu toți nucleonii săi constitutivi

, (1.86)

în mod similar E sv1, Esv2– energiile de legare ale primului și celui de-al doilea fragment.

Înlocuind (1.86) și ambele formule pentru E sv1, Eсв2 în (1.85) și neglijând ultimul termen, obținem

. (1.87)

Presupunând conform (1.15) = 17,23 MeB, https://pandia.ru/text/78/550/images/image026_22.gif" width="31" height="20"> obținem energia cinetică a fragmentelor Tock ≈178 MeB , care depășește valoarea tabelului cu doar 10 MeV.

1.8.2. Reacții în lanț de fisiune a nucleelor de uraniu. Formula pentru reproducere într-o reacție în lanț. Ratele de reproducere. Formula a patru factori

Reacții în lanț de fisiune nucleară nucleele grele de neutroni sunt reacții nucleare în care numărul de neutroni crește și are loc un proces auto-susținut de fisiune nucleară a materiei. Reacțiile chimice și nucleare ramificate în lanț sunt întotdeauna exoterme. Reacția în lanț de fisiune este fezabilă în practic trei izotopi și este posibilă doar pentru că atunci când un nucleu este fisionat de un neutron primar, mai mult de doi neutroni secundari sunt emiși în canalul de ieșire.

Rata de reproducere LA– principala caracteristică a dezvoltării unei reacții nucleare în lanț.

Unde Ni– numărul de neutroni produși în i-generaţie, Ni–1 – numărul de neutroni produși în ( i–1)-generație.

Teoria reacțiilor nucleare în lanț a fost creată și în 1939 prin analogie cu teoria reacțiilor chimice în lanț (1934). O reacție nucleară în lanț auto-susținută este posibilă atunci când K>1 – reacție supercritică, K=1 – reacția este critică. Dacă K<1 – реакция подкритическая, она затухает.

Formula pentru multiplicarea neutronilor într-o reacție în lanț

Dacă la începutul reacţiei există n neutroni, apoi într-o generație numărul lor va deveni

Adică..gif" width="108" height="48">,

unde τ – durata medie de viață a unei generații de neutroni

Dacă separăm variabilele și integrăm, obținem

folosind formula , ajungem în sfârșit că numărul de neutroni crește cu timpul t exponențial cu un exponent pozitiv

https://pandia.ru/text/78/550/images/image027_18.gif" width="37" height="23"> cu neutroni lenți și fisiune nucleară cu neutroni rapizi.

Ratele de reproducere. Formula a patru factori

Fie ca sistemul uraniu + moderator să aibă dimensiuni infinite. Să presupunem că, în momentul nașterii, o generație de neutroni este absorbită n neutroni termici, fiecare dintre care formează https://pandia.ru/text/78/550/images/image058_8.gif" width="126" height="37">, (1,91)

unde σU este secțiunea transversală pentru absorbția neutronilor termici moderati de către uraniu,

σ3 – secțiunea transversală de absorbție a moderatorului pentru neutroni termici lenți,

ρU este concentrația nucleelor de uraniu, ρ3 este concentrația nucleelor moderatoare.

Astfel, numărul de neutroni termici captați de combustibilul nuclear este ( nηεрf). Factorul de multiplicare a neutronilor într-un mediu infinit(formula celor patru factori)

. (1.92)

Factorul de multiplicare a neutronilor într-un mediu finit

Kef=, (1.93)

Unde - probabilitatea totală ca un neutron să scape de scurgere din miez.

Pentru ca o reacție nucleară staționară în lanț să aibă loc într-un sistem final, este suficient Kef=1. Aceasta corespunde critic(cea mai mică pentru ca reacția să aibă loc) dimensiunea zonei active. (Pentru uraniu pur, aceasta este o minge cu o rază de 8,5 cm și o masă de 47 kg)..gif" width="25 height=23" height="23">>1.

Prima reacție nucleară controlată în lanț a fost efectuată de E. Fermi la Chicago în 1942. Reactorul nuclear avea η = 1,35, ε ≈ 1,03, ε pf≈ 0,8, = 1,08, pentru LA ef necesita θ0,93, ceea ce corespunde unei dimensiuni de 5÷10 m. Reactorul nuclear construit la Moscova în 1946 avea parametri similari.

Divizia nucleară-- procesul de scindare nucleul atomicîn două nuclee cu mase similare, numite fragmente de fisiune. Ca urmare a fisiunii, pot apărea și alți produși de reacție: nuclee ușoare (în principal particule alfa), neutroni și cuante gamma. Fisiunea poate fi spontană (spontană) și forțată (ca rezultat al interacțiunii cu alte particule, în primul rând cu neutronii). Fisiunea nucleelor grele -- proces exotermic, în urma căreia se eliberează o cantitate mare de energie sub formă de energie cinetică a produselor de reacție, precum și radiație. Fisiunea nucleară servește ca sursă de energie în reactoarele nucleare și în armele nucleare.

În 1938, oamenii de știință germani O. Gann și F. Strassmann au descoperit că atunci când uraniul este iradiat cu neutroni, se formează elemente din mijlocul tabelului periodic - bariu și lantan, care au pus bazele utilizării practice a energiei nucleare.

Fisiunea nucleelor grele are loc prin captarea neutronilor. În acest caz, noi particule sunt emise și energia de legare a nucleului, transferată fragmentelor de fisiune, este eliberată.

Fizicienii A. Meitner și O. Frisch au explicat acest fenomen prin faptul că nucleul de uraniu care a captat un neutron este împărțit în două părți, numite fragmente. Există mai mult de două sute de opțiuni de divizare, de exemplu:

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

În acest caz, se eliberează 200 MeV de energie per nucleu al izotopului de uraniu 235 U.

Cea mai mare parte a acestei energii provine din nucleele fragmentelor, restul provine din energia cinetică a neutronilor de fisiune și energia radiațiilor.

Pentru a sintetiza protoni infectați în mod similar, este necesar să depășim forțele de respingere Coulomb, ceea ce este posibil la viteze suficient de mari ale particulelor care se ciocnesc. Conditiile necesare pentru sinteza nucleelor de heliu din protoni sunt disponibile în interiorul stelelor. Pe pământ, reacția de fuziune termonucleară a fost efectuată în timpul exploziilor termonucleare experimentale.

Deoarece pentru nucleele grele raportul dintre numărul de neutroni și protoni N/Z este ? 1,6, iar pentru nucleele mai ușoare - fragmente este aproape de unitate, fragmentele în momentul apariției lor sunt supraîncărcate cu neutroni, pentru a trece la o stare stabilă, emit secundar neutroni. Emisia de neutroni secundari este o caracteristică importantă a reacției de fisiune a nucleelor grele, de aceea neutronii secundari sunt numiți și neutroni de fisiune. Când fiecare nucleu de uraniu fisiază, sunt emiși 2-3 neutroni de fisiune. Neutronii secundari pot provoca noi evenimente de fisiune, ceea ce face posibil reacție în lanț de fisiune- o reacție nucleară în care particulele care provoacă reacția se formează ca produse ale acestei reacții. Reacția în lanț este caracterizată factorul de multiplicare a neutronilor k, egal cu raportul dintre numărul de neutroni dintr-o etapă dată a reacției și numărul lor din etapa anterioară. Dacă k< 1, цепная реакция не возникает (или прекращается), при k >1 există o reacție în lanț în curs de dezvoltare, numărul de diviziuni crește ca o avalanșă și reacția poate deveni explozivă. La k=1, are loc o reacție de auto-susținere, în care numărul de neutroni rămâne constant. Aceasta este exact reacția în lanț care are loc în reactoarele nucleare.

Coeficientul de multiplicare depinde de natura substanței fisionabile și pentru un izotop dat - de cantitatea acestuia, precum și de dimensiunea și forma. miez- spaţiul în care are loc reacţia în lanţ. Nu toți neutronii care au suficientă energie pentru fisiunea nucleului participă la o reacție în lanț - unii dintre ei „se blochează” în nucleele de impurități nefisibile care sunt întotdeauna prezente în miez, iar unii părăsesc nucleul, ale căror dimensiuni sunt finite, înainte de a fi captate de orice nucleu (scurgere de neutroni). Dimensiuni minime se numesc zonă activă în care este posibilă o reacție în lanț dimensiuni critice, iar masa minimă a substanțelor fisionabile situate într-un sistem de dimensiuni critice se numește masa critica. Deci, într-o bucată de uraniu pur 92 235 U, fiecare neutron captat de nucleu provoacă fisiune cu emisia în medie a 2,5 neutroni secundari, dar dacă masa unui astfel de uraniu este mai mică de 9 kg, atunci majoritatea neutronilor zboară. afară fără a provoca fisiune, astfel încât să nu apară o reacție în lanț. Prin urmare, substanțele ale căror nuclee sunt capabile de fisiune sunt stocate sub formă de bucăți izolate unele de altele, mai puțin decât o masă critică. Dacă mai multe astfel de piese sunt conectate rapid și strâns, astfel încât masa lor totală să depășească masa critică, va începe o multiplicare asemănătoare avalanșelor a neutronilor, iar reacția în lanț va dobândi o natură explozivă incontrolabilă. Designul bombei atomice se bazează pe aceasta.

Pe lângă reacția de fisiune a nucleelor grele, există o altă modalitate de a elibera energie intranucleară - reacția de fuziune a nucleelor ușoare. Cantitatea de energie eliberată în timpul procesului de fuziune este atât de mare încât la o concentrație mare de nuclee care interacționează, poate fi suficientă pentru a provoca o reacție termonucleară în lanț. În acest proces, mișcarea termică rapidă a nucleelor este menținută de energia de reacție, iar reacția în sine este menținută prin mișcarea termică. Pentru a obține energia cinetică necesară, temperatura reactivului trebuie să fie foarte ridicată (107 - 108 K). La această temperatură, substanța se află într-o stare de plasmă fierbinte, complet ionizată, constând din nuclee atomice și electroni. Oportunități complet noi se deschid pentru umanitate odată cu implementarea reacției termonucleare de fuziune a elementelor ușoare. Ne putem imagina trei moduri de a realiza această reacție:

1) o reacție termonucleară lentă care are loc spontan în adâncurile Soarelui și ale altor stele;
2) o reacție termonucleară rapidă, auto-susținută, de natură necontrolată, care are loc în timpul exploziei unei bombe cu hidrogen;
3) reacție termonucleară controlată.

O reacție termonucleară necontrolată este o bombă cu hidrogen, a cărei explozie are loc ca urmare a interacțiunii nucleare:

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

ducând la sinteza izotopului de heliu He3, care conține doi protoni și un neutron în nucleu, și a heliului obișnuit He4, care conține doi protoni și doi neutroni în nucleu. Aici n este un neutron și p este un proton, D este deuteriu și T este tritiu.

Inapoi inainte

Atenţie! Previzualizările diapozitivelor au doar scop informativ și este posibil să nu reprezinte toate caracteristicile prezentării. Dacă sunteți interesat de această lucrare, vă rugăm să descărcați versiunea completă.

Tipul de lecție. Lectura.

Ţintă.

Didactic. Dați conceptul de reacție de fisiune a nucleelor atomice, studiați baza fizică a obținerii energiei nucleare din fisiunea nucleelor atomice grele; luați în considerare reacțiile în lanț controlate, structura și principiul de funcționare reactoare nucleare; aflați informații despre utilizarea izotopilor radioactivi și efectele biologice ale radiațiilor radioactive
Educational. Cultivați capacitatea de a lucra în echipă, simțul responsabilității pentru o cauză comună, cultivați interesul pentru disciplină și dorința de a dobândi noi cunoștințe în mod independent; contribuie la formare interes cognitiv, dezvoltarea abilităților tehnice în procesul de învățare.
Metodic. Aplicarea tehnologiilor informatice: prezentări, prelegeri interactive, modele virtuale.

Metode: verbal, vizual; euristic, conversație; sondaj frontal

Structura lecției

Nr. 1 Parte organizatorică a lecției

1. Salutare.

2. Verificarea prezenței elevilor și a pregătirii acestora pentru lecție.

nr. 2. Comunicați subiectul, scopul și obiectivele principale ale lecției.

Schema cursului

1. Fisiunea nucleelor de uraniu sub iradiere cu neutroni.

1.1. Eliberarea de energie în timpul fisiunii nucleelor de uraniu.

1.2 Reacția în lanț și condițiile de apariție a acesteia.

Reactor nuclear. Centrală nucleară.

2.1. Elementele principale ale unui reactor nuclear și tipurile sale.

2.2. Aplicarea energiei nucleare.

Efectele biologice ale radiațiilor radioactive.

Numarul 3. Actualizarea cunoștințelor de bază ale elevilor:

1.Compoziția miezului.

2.Radioactivitate.

3. Reacții nucleare.

4. - decădere.

5. decădere.

6. Randamentul energetic al reacției.

7. Defect de masă.

8. Energie de legare nucleară.

9. Energie nucleară specifică de legare.

Fișa de sondaj (testarea cunoștințelor de formule, legi, modele) ( diapozitivul numărul 3).

nr. 4. Motivația pentru activitățile de învățare ale elevilor

Elementele structurale ale lecției

1. Fisiunea nucleelor de uraniu sub iradiere cu neutroni

Nucleele atomice care conțin un număr mare de nucleoni sunt instabile și se pot descompune. În 1938, oamenii de știință germani Otto Gann și Franz Strassmann au observat fisiunea nucleului U de uraniu sub influența neutronilor lenți. Totuși, interpretarea corectă a acestui fapt, și anume ca fisiunea unui nucleu de uraniu care a captat un neutron, a fost dată la începutul anului 1939 de fizicianul englez O. Frisch împreună cu fizicianul austriac L. Meitner. Fisiune nucleara se numește reacția nucleară de fisiune a unui nucleu greu care a absorbit un neutron în două părți aproximativ egale (fragmente de fisiune).

Posibilitatea de fisiune a nucleelor grele poate fi explicată și folosind un grafic al dependenței energiei specifice de legare de numărul de masă A (diapozitivul nr. 4).

Graficul energiei specifice de legare în funcție de numărul de masă

Energia specifică de legare a nucleelor atomice care ocupă tabelul periodic ultimele locuri (A 200), cu aproximativ 1 MeV mai puțin decât energia specifică de legare în nucleele elementelor situate la mijlocul tabelului periodic (A 100). Prin urmare, procesul de fisiune a nucleelor grele în nuclee de elemente din partea de mijloc a tabelului periodic este „favorabil din punct de vedere energetic”. După fisiune, sistemul intră într-o stare cu energie internă minimă. La urma urmei, cu cât energia de legare a nucleului este mai mare, cu atât este mai mare energia care ar trebui eliberată în timpul formării nucleului și, prin urmare, cu atât mai puțin energie interna sistemul nou format.

În timpul fisiunii nucleare, energia de legare pentru fiecare nucleon crește cu 1 MeV, iar energia totală eliberată trebuie să fie enormă - aproximativ 200 MeV per nucleu. Nicio altă reacție nucleară (care nu are legătură cu fisiunea) nu eliberează energii atât de mari. Să comparăm această energie cu energia eliberată în timpul arderii combustibilului. La fisiunea a 1 kg de uraniu-235, o energie egală cu . Când se arde 1 kg de cărbune, se va elibera energie egală cu 2,9·10 6 J, adică. de 28 de milioane de ori mai puțin. Acest calcul ilustrează bine avantajul energiei nucleare.

Măsurătorile directe ale energiei eliberate în timpul fisiunii nucleului de uraniu U au confirmat considerațiile de mai sus și au dat valoarea 200 MeV. Mai mult, cea mai mare parte din această energie (168 MeV) cade pe energia cinetică a fragmentelor.

Utilizarea neutronilor pentru fisiunea nucleară se datorează neutralității lor electrice. Absența respingerii coulombiane de către protonii nucleari permite neutronilor să pătrundă liber în nucleul atomic. Captarea temporară a neutronilor perturbă stabilitatea nucleară fragilă cauzată de echilibrul delicat al forțelor de repulsie și atracție nucleară Coulomb. Vibrațiile spațiale rezultate ale nucleonilor nucleului excitat (notate cu U*) sunt instabile. Un exces de neutroni în centrul nucleului înseamnă un exces de protoni la periferie. Repulsia lor reciprocă duce la radioactivitatea artificială a izotopului U*, adică la divizarea acestuia în nuclee de masă mai mică, numite fragmente de fisiune. Mai mult, cea mai probabilă este împărțirea în fragmente, ale căror mase sunt într-un raport de aproximativ 2:3. Majoritatea fragmentelor mari au un număr de masă A în intervalul 135-145, iar mici de la 90 la 100. Ca urmare a reacției de fisiune a nucleului de uraniu U se formează doi sau trei neutroni. Unul dintre posibile reacții Fisiunea unui nucleu de uraniu are loc după următoarea schemă:

Această reacție are loc cu formarea a trei neutroni. Este posibilă o reacție cu formarea a doi neutroni:

1. Temă elevilor: restabilirea reacției .

2. Temă pentru studenți: etichetați elementele imaginii .

1.1 Eliberarea de energie în timpul fisiunii nucleelor de uraniu

Energia eliberată în timpul fisiunii nucleare este de origine mai degrabă electrostatică decât nucleară. Energia cinetică mare pe care o au fragmentele provine din cauza repulsiei lor coulombice. Odată cu fisiunea completă a tuturor nucleelor prezente în 1 g de uraniu, se eliberează atâta energie cât se eliberează în timpul arderii a 2,5 tone de petrol.

Procesul de fisiune a unui nucleu atomic poate fi explicat pe baza model de picături a nucleului. Conform acestui model, o grămadă de nucleoni seamănă cu o picătură de lichid încărcat. Forțele nucleare dintre nucleoni sunt cu rază scurtă, similare cu forțele care acționează între moleculele lichide. Alături de forțele mari de repulsie electrostatică dintre protoni, care încearcă să rupă nucleul în bucăți, există și forțe nucleare de atracție și mai mari. Aceste forțe împiedică nucleul să se dezintegreze.

Nucleul de uraniu-235 are formă sferică. După ce a absorbit un neutron în plus, nucleul începe să se deformeze, dobândind o formă alungită ( diapozitivul numărul 5). Miezul este întins până când forțele de repulsie electrică dintre jumătățile nucleului alungit încep să prevaleze asupra forțelor de atracție nucleară care acționează în istm. După aceasta, miezul se rupe în două părți. Sub influența forțelor de respingere Coulomb, aceste fragmente zboară cu o viteză egală cu 1/30 din viteza luminii. ( fragment video nr. 6)

1.2 Reacția în lanț și condițiile de apariție a acesteia

Oricare dintre neutronii emiși dintr-un nucleu în timpul fisiunii poate provoca, la rândul său, fisiunea unui nucleu vecin, care emite și neutroni care pot provoca o fisiune ulterioară. Ca urmare, numărul de nuclee fisionabile crește foarte repede. Are loc o reacție în lanț. Reacția nucleară în lanț este o reacție în care neutronii sunt produși ca produse ale acestei reacții care poate provoca fisiunea altor nuclee. ( diapozitivul numărul 7).

Esența acestei reacții este aceea că cele emise în timpul fisiunii unui nucleu N neutronii pot provoca fisiune N nuclee, rezultând emisia de N 2 noi neutroni care vor provoca fisiunea N 2 nuclee etc. În consecință, numărul de neutroni născuți în fiecare generație crește exponențial. În general, procesul este de natură asemănătoare avalanșelor, decurge foarte rapid și este însoțit de eliberarea unei cantități uriașe de energie.

Viteza reacției în lanț de fisiune nucleară este caracterizată de factorul de multiplicare a neutronilor.

Factorul de multiplicare a neutronilor k este raportul dintre numărul de neutroni dintr-o etapă dată a unei reacții în lanț și numărul lor din etapa anterioară.

Dacă k 1, atunci numărul de neutroni crește în timp sau rămâne constant și are loc reacția în lanț.

Dacă k< 1, atunci numărul de neutroni scade și o reacție în lanț este imposibilă.

La k= 1 reacția decurge staționar: numărul de neutroni rămâne neschimbat. Rata de reproducere k poate deveni egală cu unitatea numai dacă dimensiunile reactorului și, în consecință, masa uraniului depășesc anumite valori critice.

Masa critică este cea mai mică masă de material fisionabil la care poate avea loc o reacție în lanț.

Aceasta este egalitatea k= 1 trebuie menținut cu mare precizie. Deja la k= 1,01 o explozie va avea loc aproape instantaneu. Numărul de neutroni produși în timpul fisiunii nucleare depinde de volumul mediului de uraniu. Cu cât acest volum este mai mare, cu atât este mai mare numărul de neutroni eliberați în timpul fisiunii nucleare. Pornind de la un anumit volum critic minim de uraniu având o anumită masă critică, reacția de fisiune nucleară devine autosusținută. Un factor foarte important care influențează cursul unei reacții nucleare este prezența unui moderator de neutroni. Faptul este că nucleele de uraniu-235 se fisionează sub influența neutronilor lenți. Și atunci când nucleele se fisionează, sunt produși neutroni rapizi. Dacă neutronii rapizi sunt încetiniți, cei mai mulți dintre ei vor fi capturați de nucleele de uraniu-235, urmate de fisiunea nucleară. Substanțe precum grafitul, apa, apa grea și altele sunt folosite ca moderatori.

Pentru uraniul U sferic pur, masa critică este de aproximativ 50 kg. În acest caz, raza bilei este de aproximativ 9 cm. Folosind un moderator de neutroni și o înveliș de beriliu care reflectă neutronii, a fost posibil să se reducă masa critică la 250 g.

(fragment video nr. 8)

2. Reactor nuclear

2.1. Principalele elemente ale unui reactor nuclear sunt tipurile sale

Un reactor nuclear este un dispozitiv care produce energie termală ca urmare a unei reacții controlate în lanț de fisiune nucleară.

Prima reacție controlată în lanț de fisiune a nucleelor de uraniu a fost efectuată în 1942 în SUA sub conducerea fizicianului italian Fermi. Reacție în lanț cu factor de multiplicare a neutronilor k= 1.0006 a durat 28 de minute, după care reactorul a fost oprit.

Principalele elemente ale unui reactor nuclear sunt:

Combustibilul nuclear este situat în miez sub formă de tije verticale numite elemente de combustibil (elemente de combustibil). Barele de combustibil sunt proiectate pentru a regla puterea reactorului. Masa fiecărei bare de combustibil este semnificativ mai mică decât masa critică; prin urmare, o reacție în lanț nu poate avea loc într-o tijă. Începe după ce toate tijele de uraniu sunt scufundate în miez. Miezul este înconjurat de un strat de material care reflectă neutronii (reflector) și de o carcasă de protecție din beton care prinde neutroni și alte particule.

Reactorul este controlat cu tije care conțin cadmiu sau bor. Cu tijele extinse din miezul reactorului k > 1, iar când este complet retras - La< 1. Prin mutarea tijelor în interiorul zonei active, puteți opri în orice moment dezvoltarea reacției în lanț. Reactoarele nucleare sunt controlate de la distanță folosind un computer.

Reactor cu neutroni lent. Cea mai eficientă fisiune a nucleelor U are loc sub influența neutronilor lenți. Astfel de reactoare sunt numite reactoare cu neutroni lenți. Neutronii secundari produși printr-o reacție de fisiune sunt rapizi. Pentru ca interacțiunea lor ulterioară cu nucleele U din reacția în lanț să fie cea mai eficientă, acestea sunt încetinite prin introducerea unui moderator - o substanță (apă grea, grafit) în miez.

Întrebare pentru elevi: De ce sunt folosite aceste substanțe specifice? Apa grea conține un număr mare de neutroni, care, atunci când se ciocnesc cu neutronii rapizi eliberați ca urmare a fisiunii, îi încetinesc în conformitate cu legea conservării impulsului.

Reactor rapid cu neutroni. Există foarte puțin uraniu natural-235 pe Pământ, doar 0,715% din masa totală a uraniului. Cea mai mare parte a uraniului natural (99,28%) este izotopul uraniului-238, care este nepotrivit ca „combustibil nuclear”.

În reactoarele cu neutroni termici (adică lente), se utilizează doar 1-2% din uraniu. Utilizarea deplină a uraniului se realizează în reactoare cu neutroni rapidi, care asigură, de asemenea, reproducerea de combustibil nuclear nou sub formă de plutoniu.

Avantajul reactoarelor cu neutroni rapizi este că în timpul funcționării se formează o cantitate semnificativă de plutoniu Pu; cea mai importantă proprietate a izotopului Pu este capacitatea sa de a fisiune sub influența neutronilor termici, cum ar fi izotopul U, care poate fi apoi folosit ca combustibil nuclear. Aceste reactoare sunt numite reactoare de reproducere deoarece reproduc material fisionabil. Prin urmare, o sarcină foarte importantă a energiei nucleare în viitorul apropiat este tranziția de la reactoare convenționale la reactoare de reproducere, care servesc nu numai ca surse de energie, ci și ca „fabrici de plutoniu”. Prin procesarea uraniului-238 în plutoniu, aceste reactoare cresc dramatic aprovizionarea cu „combustibil nuclear”.

Cu ajutorul reacțiilor nucleare s-au obținut elemente transuraniu (în urma uraniului), adică elemente mai grele decât uraniul. Aceste elemente nu există în natură, sunt obținute artificial.

Primul element cu un număr de încărcare mai mare de 92 a fost obținut în 1940 de oamenii de știință americani de la Universitatea din California, când au iradiat uraniu cu neutroni. Să luăm în considerare producția de elemente transuraniu folosind exemplul producției de neptuniu și plutoniu:

Timpul de înjumătățire al neptuniului este de 2,3 zile, plutoniul este de 2,44·10 4 ani, deci poate fi acumulat în cantități mari, ceea ce este de mare importanță atunci când se utilizează energia nucleară. Până în prezent, s-au obținut următoarele elemente transuraniu: americiu (95), berkeliu (97), californiu (98), einsteiniu (99), fermiu (100), m (101), nobeliu (102), lawrencium (103) , curchatium ( 104).

2.2. Aplicații ale energiei nucleare

Conversia energiei interne a nucleelor atomice în energie electrică. Un reactor nuclear este elementul principal al unei centrale nucleare (CNP), care transformă energia nucleară termică în energie electrică. Ca urmare a fisiunii nucleare, în reactor este eliberată energie termică. Această energie este transformată în energie de abur care rotește o turbină cu abur. Turbina cu abur, la rândul său, rotește rotorul generatorului, care produce curent electric.

Astfel, conversia energiei are loc conform următoarei scheme:

energia internă a nucleelor de uraniu energia cinetică a neutronilor și a fragmentelor nucleare energia internă a apei energia internă a aburului energia cinetică a aburului energia cinetică a rotorului turbinei și a rotorului generatorului energia electrică.( fragment video nr. 11).

Temă pentru studenți: etichetați elementele principale ale reactorului.( diapozitivul numărul 12)

Verificarea sarcinii ( diapozitivul numărul 13)

Fiecare eveniment de fisiune eliberează energie de aproximativ 3,2·10 -11 J. Apoi o putere de 3000 MW corespunde la aproximativ 10 18 acte de fisiune pe secundă. Când nucleii se fisionează, pereții barelor de combustibil devin foarte fierbinți. Căldura este îndepărtată din miez de un lichid de răcire - apa. În reactoarele puternice, zona este încălzită la o temperatură de 300 °C. Pentru a evita fierberea, apa este îndepărtată din miez în schimbul de căldură sub o presiune de aproximativ 10 7 Pa (100 atm). În schimbătorul de căldură, apa radioactivă (lichid de răcire) care circulă în circuitul primar eliberează căldură apei obișnuite care circulă în al doilea circuit. Căldura transferată transformă apa din al doilea circuit în abur. Acest abur cu o temperatură de aproximativ 230 °C sub o presiune de 3 10 6 Pa este direcționat către paletele unei turbine cu abur și rotește rotorul unui generator de energie electrică. Utilizarea energiei nucleare pentru a o transforma în energie electrică a fost efectuată pentru prima dată în 1954 în URSS la Obninsk. În 1980, primul reactor cu neutroni rapidi din lume a fost lansat la CNE Beloyarsk

Realizări și perspective pentru dezvoltarea energiei nucleare

Compararea efectelor asupra mediului ale funcționării diferitelor tipuri de SE.

Impactul asupra mediului al centralei hidroelectrice ( diapozitivul nr. 14):

inundarea unor suprafețe mari de teren fertil;
creșterea nivelului apelor subterane;
mlaștinarea teritoriilor și îndepărtarea unor suprafețe semnificative de teren din cultură;
„înflorirea” corpurilor de apă, ceea ce duce la moartea peștilor și a altor locuitori ai corpurilor de apă.

Impactul asupra mediului al centralelor termice ( diapozitivul numărul 15):

alocare cantitate mare căldură;
poluarea atmosferică prin emisii gazoase;
Poluarea nucleară;
poluarea suprafetei terestre cu zgura si cariere.

Impactul asupra mediului al centralelor nucleare ( diapozitivul numărul 16):

exploatarea și prelucrarea minereurilor de uraniu;
eliminarea deșeurilor radioactive;
termică semnificativă poluarea apei, datorita incalzirii sale.

Pe diapozitivul nr. 17 Există un tabel care arată distribuția energiei electrice generate de diferite centrale electrice.

Este imposibil să nu ne amintim evenimentele din 1986 ( diapozitivul nr. 18). Consecințele exploziei ( diapozitivul nr. 19-22)

Reactoarele nucleare sunt instalate pe submarine nucleare și spărgătoare de gheață (K 19).

Arme nucleare

O reacție în lanț necontrolată cu un factor mare de multiplicare a neutronilor este efectuată într-o bombă nucleară. Pentru a se produce o eliberare aproape instantanee de energie (explozie), reacția trebuie să se desfășoare cu neutroni rapizi (fără folosirea moderatorilor). Explozivul este uraniu pur U sau plutoniu Pu.

Când o bombă explodează, temperatura ajunge la milioane de kelvin. La această temperatură, presiunea crește brusc și se formează o undă puternică de explozie. În același timp, apar radiații puternice. Produșii reacției în lanț de la o explozie a unei bombe sunt foarte radioactivi și pun viața în pericol.

În 1945 SUA au folosit bombe atomiceîmpotriva Japoniei ( fragment video nr. 23-25). Consecințele testelor cu arme atomice ( fragment video nr. 26)

Medicament

1. Efectele biologice ale radiațiilor radioactive.

Radiațiile radioactive includ raze gamma și X, electroni, protoni, particule și ioni ai elementelor grele. Se mai numește și radiații ionizante deoarece, trecând prin țesutul viu, provoacă ionizarea atomilor.

Chiar și emisiile slabe de la substanțele radioactive au un foarte impact puternic asupra tuturor organismelor vii, perturbând funcțiile vitale ale celulelor. La intensitate mare de radiație, organismele vii mor. Pericolul radiațiilor este agravat de faptul că acestea nu provoacă nicio durere chiar și la doze letale. Inovații în medicină ( diapozitivul nr. 27-29)

Mecanismul de acțiune care afectează obiectele biologice nu a fost încă suficient studiat. Dar este clar că se reduce la ionizarea atomilor și moleculelor și acest lucru duce la o schimbare a activității lor chimice. Nucleii celulelor sunt cei mai sensibili la radiații, în special celulele care se divid rapid. Prin urmare, în primul rând, radiațiile afectează măduva osoasă, ceea ce perturbă procesul de formare a sângelui. Urmează deteriorarea celulelor tractului digestiv și a altor organe.

Doza de radiații. Natura efectelor radiațiilor ionizante depinde de doza de radiație absorbită și de tipul acesteia.

Doza de radiație absorbită este raportul dintre energia radiației absorbită de corpul iradiat și masa acestuia: .

În SI, doza de radiație absorbită este exprimată în gri (1 Gy):

1 Gy este egal cu doza de radiație absorbită la care 1 J de energie de radiație ionizantă este transferată unei substanțe iradiate cu o greutate de 1 kg.

Radiația naturală de fond (razele cosmice, radioactivitatea mediului și a corpului uman) se ridică la o doză de radiație de aproximativ 2·10 -3 Gy de persoană pe an. Comisia Internațională pentru Protecția împotriva Radiațiilor a stabilit o doză anuală maximă admisă de 0,05 Gy pentru persoanele care lucrează cu radiații. O doză de radiații de 3 - 10 Gy primită într-un timp scurt este letală.

În practică, unitatea nesistemică a dozei de radiație este utilizată pe scară largă - roentgen (1 R). 1 Gy corespunde aproximativ 100 R.

Doza echivalentă.

Datorită faptului că la aceeași doză de absorbție, radiații diferite provoacă efecte biologice diferite, pentru evaluarea acestor efecte a fost introdusă o cantitate numită doză echivalentă (H).

Doza echivalentă de radiație absorbită este definită ca produsul dintre doza de radiație absorbită și factorul de calitate:

Unitatea de doză echivalentă este sievert (1 Sv).

1Sv este egal cu doza echivalentă la care doza de radiație absorbită este egală cu 1 Gy .

Valoarea dozei echivalente determină dozele de radiații relativ sigure și foarte periculoase pentru un organism viu.

Atunci când se evaluează efectele radiațiilor ionizante asupra unui organism viu, se ține cont și de faptul că unele părți ale corpului (organe, țesuturi) sunt mai sensibile decât altele. De exemplu, la aceeași doză echivalentă, cancerul este mai probabil să apară în plămâni decât în glanda tiroidă.

Cu alte cuvinte, fiecare organ și țesut are un anumit coeficient de risc de radiații (pentru plămâni, de exemplu, este 0,12, iar pentru glanda tiroidă - 0,03).

Dozele absorbite și echivalente depind de timpul de expunere. Cu alte lucruri egale, aceste doze sunt mai mari, cu atât mai multe mai mult timp iradiere.

Produse alimentare care pot fi tratate cu radiații ( diapozitivul nr. 30).

Doză absorbită semi-letală* pentru unele organisme vii ( diapozitivul numărul 31).

Efectul biologic al radiațiilor ionizate asupra oamenilor (cu plumb #32).

Nivelul de expunere la radiații a populației ( diapozitivul numărul 33).

Efect de protecție împotriva radiațiilor ionizate a structurilor și materialelor ( slide nr. 34)

2. Protecția organismelor împotriva radiațiilor.

Când lucrați cu orice sursă de radiații, este necesar să luați măsuri de protecție împotriva radiațiilor.

Cea mai simplă metodă de protecție este îndepărtarea personalului de la sursa de radiații la o distanță suficient de mare. Fiolele care conțin medicamente radioactive nu trebuie manipulate cu mâna. Trebuie să folosiți clești speciale cu mâner lung.

Pentru a proteja împotriva radiațiilor, se folosesc bariere din materiale absorbante. De exemplu, un strat de aluminiu gros de câțiva milimetri poate servi drept protecție împotriva radiațiilor. Cea mai dificilă protecție este împotriva radiațiilor și neutronilor datorită puterii lor mari de penetrare. Cel mai bun absorbant de raze este plumbul. Neutronii lenți sunt bine absorbiți de bor și cadmiu. Neutronii rapizi sunt mai întâi încetiniți folosind grafit.( fragment video nr. 35).

Întrebări pentru studenți în timpul prezentării de material nou

1. De ce sunt neutronii cele mai convenabile particule pentru bombardarea nucleelor atomice?

2. Ce se întâmplă când un neutron lovește un nucleu de uraniu?

3. De ce se eliberează energie la fisiunea nucleelor de uraniu?

4. De ce depinde factorul de multiplicare a neutronilor?

5. Care este controlul unei reacții nucleare?

6. De ce este necesar ca masa fiecărei bare de uraniu să fie mai mică decât masa critică?

7. Pentru ce sunt folosite tijele de control? Cum se folosesc?

8. De ce este folosit un moderator de neutroni într-un reactor nuclear?

9. Care este motivul efectelor negative ale radiațiilor asupra organismelor vii?

10. Ce factori trebuie luați în considerare la evaluarea efectelor radiațiilor ionizante asupra unui organism viu?

nr. 5. Rezumând lecția

Este bine cunoscut faptul că energia de fisiune a nucleelor grele, care este folosită în scopuri practice, este energia cinetică a fragmentelor nucleelor originale. Dar care este originea acestei energii, i.e. ce energie este transformată în energie cinetică a fragmentelor?

Părerile oficiale cu privire la această problemă sunt extrem de inconsecvente. Astfel, Mukhin scrie că energia mare eliberată în timpul fisiunii unui nucleu greu se datorează diferenței dintre defectele de masă ale nucleului inițial și ale fragmentelor - și, pe baza acestei logici, obține o estimare a randamentului energetic în timpul fisiunea unui nucleu de uraniu: „200 MeV. Dar mai departe el scrie că energia respingerii lor Coulomb este convertită în energia cinetică a fragmentelor - care, atunci când fragmentele sunt aproape unul de celălalt, este același „200 MeV”. Apropierea ambelor estimări față de valoarea experimentală este, desigur, impresionantă, dar o întrebare relevantă este: este diferența dintre defectele de masă sau energia de repulsie Coulomb care se transformă în energia cinetică a fragmentelor? Tu vei decide despre ce ne spui - despre socul la sau despre tipul din Kiev!

Teoreticienii înșiși au creat această dilemă fără margini: conform logicii lor, cu siguranță necesită atât diferența de defecte de masă, cât și repulsia coulombiană. Renunțați la una sau la alta și lipsa de valoare a premiselor inițiale tradiționale în fizica nucleară va deveni complet evidentă. De exemplu, de ce vorbesc despre diferența de defecte de masă? Apoi, pentru a explica cumva însăși posibilitatea fenomenului de fisiune a nucleelor grele. Ei încearcă să ne convingă că fisiunea nucleelor grele are loc pentru că este favorabilă din punct de vedere energetic. Ce fel de minuni? Când un nucleu greu se fisiază, unele dintre legăturile nucleare sunt distruse - iar energiile legăturilor nucleare sunt calculate în MeV! Nucleonii din nucleu sunt legați cu ordine de mărime mai puternice decât electronii atomici. Și experiența ne învață că sistemul este stabil tocmai în zona avantajului energetic - și dacă ar fi favorabil din punct de vedere energetic ca acesta să se dezintegreze, s-ar dezintegra imediat. Dar zăcăminte de minereuri de uraniu există în natură! Despre ce fel de „beneficii energetice” ale fisiunii nucleelor de uraniu putem vorbi?

Pentru ca absurditatea ipotezei despre avantajul fisiunii unui nucleu greu să nu fie prea izbitoare, teoreticienii s-au angajat într-o manevră de hering roșu: ei vorbesc despre acest „avantaj” în ceea ce privește energia medie de legare atribuită pe nucleon. Într-adevăr, odată cu creșterea numărului atomic, crește și mărimea defectului de masă din nucleu, dar numărul de nucleoni din nucleu crește mai repede - din cauza excesului de neutroni. Prin urmare, pentru nucleele grele, energia totală de legare, calculată pe nucleon, scade odată cu creșterea numărului atomic. S-ar părea că este cu adevărat benefic ca nucleele grele să se împartă? Din păcate, această logică se bazează pe ideile tradiționale pe care legăturile nucleare le acoperă Toate nucleonii din nucleu. În această ipoteză, energia de legare medie per nucleon E 1 este coeficientul energiei de legare a nucleului D E după numărul de nucleoni:

E 1 =D E/A, D E=(Zm p +( A-Z)m n)c 2 -(M la - Zm e)c 2 , (4.13.1)

Unde Z- numărul atomic, adică numărul de protoni, A- numărul de nucleoni, m p, m nȘi pe mine– mase, respectiv, ale unui proton, neutron și electron, M at este masa atomului. Cu toate acestea, am ilustrat deja inadecvarea ideilor tradiționale despre nucleul de mai sus ( 4.11 ). Și dacă, conform logicii modelului propus ( 4.12 ), atunci când se calculează energia de legare per nucleon, nu se ține cont de acei nucleoni din nucleu care temporar nu sunt acoperiți de legături nucleare, atunci vom obține o formulă diferită de (4.13.1). Dacă presupunem că numărul curent de nucleoni legați este 2 Z (4.12 ), și că fiecare dintre ele este conectat doar pentru jumătate din durata conexiunii ( 4.12 ), apoi pentru energia de legare medie per nucleon obținem formula

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

care diferă de (4.13.1) doar la numitor. Caracteristici netezite E 1 (Z) Și E 1 * (Z) sunt date pe Fig.4.13. Spre deosebire de programul obișnuit E 1 (Z), plasat în multe manuale, diagramă E 1 * (Z) are o caracteristică izbitoare: demonstrează, pentru nucleele grele, independenţă energia de legare per nucleon asupra numărului de nucleoni. Aceasta înseamnă că din modelul nostru ( 4.12 ) rezultă că nu se poate vorbi de vreun „beneficiu energetic” din fisiunea nucleelor grele – conform bunului simț. Adică, energia cinetică a fragmentelor nu poate fi determinată de diferența dintre defectele de masă ale nucleului original și ale fragmentelor.

Fig.4.13

În conformitate cu același bun simț, energia respingerii lor coulombiane nu poate fi convertită în energia cinetică a fragmentelor: am prezentat ambele argumente teoretice ( 4.7 , 4.12 ), și dovezi experimentale ( 4.12 ) că nu există repulsie coulombiană pentru particulele care alcătuiesc nucleul.

Atunci care este originea energiei cinetice a fragmentelor unui nucleu greu? În primul rând, vom încerca să răspundem la întrebarea: de ce, într-o reacție nucleară în lanț, fisiunile nucleare sunt cauzate efectiv de neutronii emiși în timpul fisiunilor anterioare - în plus, neutronii termici, de exemplu. având energii neglijabile la scară nucleară. Cu faptul că neutronii termici au capacitatea de a sparge nucleele grele, ar părea dificil să împacăm concluzia noastră că neutronii „în exces” în prezent din nucleele grele sunt liberi ( 4.12 ). Nucleul greu este literalmente încărcat cu neutroni termici, dar în același timp nu se descompune deloc - deși fisiunea sa imediată face ca singurul neutron termic emis în timpul fisiunii anterioare să intre în el.

Este logic să presupunem că neutronii termici liberi temporar din nucleele grele și neutronii termici emiși în timpul fisiunii nucleelor grele sunt încă diferiți unul de celălalt. Întrucât ambele nu au întreruperi nucleare, gradul de libertate în care pot diferi trebuie să fie posedat de procesul care asigură comunicarea internă în neutron - prin transformări ciclice ale perechilor incluse în componența acestuia ( 4.10 ). Și singurul grad de libertate pe care îl vedem aici este posibilitatea slăbire această conexiune internă „cu privire la creșterea maselor” ( 4.10 ), datorită scăderii frecvenței transformărilor ciclice în neutron - cu emisia de g-quante corespunzătoare. Aducerea neutronilor într-o stare atât de slăbită - de exemplu, în timpul dezintegrarii nucleelor grele, când au loc transformări extreme de energie de la o formă la alta - nu ni se pare ceva neobișnuit. Starea slăbită a neutronului se datorează aparent funcționării anormale a programului, care generează neutronul în lume fizică– și, în același timp, este mai ușor pentru un neutron să se descompună într-un proton și un electron. Se pare că durata medie de viață de 17 minute măsurată pentru neutronii emiși din reactoarele nucleare este tipică neutronilor atenuați. Un neutron neatenuat poate trăi, în opinia noastră, atâta timp cât algoritmul care îl conectează funcționează ( 4.10 ), adică pe termen nelimitat.

Cum dezintegrează un neutron slăbit un nucleu greu? Comparativ cu neutronii neatenuați, neutronii slăbiți au o perioadă crescută de întrerupere a pulsațiilor nucleonilor. Dacă un astfel de neutron, care intră în nucleu, are întreruperi nucleare „pornite”, astfel încât se dovedește a fi conectat cu un proton, atunci sincronismul descris mai sus de comutare a legăturilor în triplu n 0 -p + -n 0 (4.12 ) va fi imposibil. Ca urmare, sincronismul legăturilor din complexul a corespunzător va fi perturbat, ceea ce va provoca o succesiune de eșecuri ale comutărilor de legături care remodelează în mod optim complexele a și asigură structura dinamică a nucleului ( 4.12 ). Figurat vorbind, o fisură va trece prin miez, generată nu de ruperea forțată a legăturilor nucleare, ci de încălcări ale sincronismului comutării acestora. observa asta punct-cheie căci scenariul descris este „pornirea” unei legături nucleare într-un neutron slăbit - și pentru ca această „pornire” să aibă loc, neutronul trebuie să aibă o energie cinetică suficient de scăzută. Așa explicăm de ce neutronii cu o energie cinetică de câteva sute de keV excită doar un nucleu greu, în timp ce neutronii termici cu energii de doar câteva sutimi de eV îl pot distruge efectiv.

Ce vedem? Când nucleul se împarte în două fragmente, acele conexiuni nucleare care, în modul normal de comutare ( 4.12 ), a legat aceste două fragmente în nucleul original. Apare o situație anormală în care energiile intrinseci ale unor nucleoni sunt reduse cu cantitatea de energie a legăturilor nucleare, dar aceste legături în sine nu mai există. Acest lucru este anormal, conform logicii principiului transformărilor energetice autonome ( 4.4 ), situația se corectează imediat după cum urmează: energiile proprii ale nucleonilor rămân așa cum sunt, iar energiile anterioare ale legăturilor degradate sunt convertite în energia cinetică a nucleonilor - și, în cele din urmă, în energia cinetică a fragmentelor. Astfel, energia de fisiune a unui nucleu greu este determinată nu de diferența de defecte de masă dintre nucleul inițial și fragmente și nici de energia de repulsie coulombiană a fragmentelor. Energia cinetică a fragmentelor este fosta energie legături nucleare care țineau aceste fragmente în nucleul original. Această concluzie este susținută de izbitoare și fapt puțin cunoscut constanța energiei cinetice a fragmentelor – indiferent de forța impactului care inițiază fisiunea nucleară. Astfel, când fisiunea nucleelor de uraniu a fost inițiată de protoni cu o energie de 450 MeV, energia cinetică a fragmentelor a fost de 163 ± 8 MeV, adică. aceeași cantitate ca atunci când fisiunea este inițiată de neutroni termici, cu energii de sutimi de eV!

Pe baza modelului propus, vom face o estimare aproximativă a energiei de fisiune a unui nucleu de uraniu după varianta cea mai probabilă, 92 U 235 ® 36 Kr 94 + 56 Ba 139, în care fragmentele includ 18 și 28 a-complexe. . Dacă presupunem că aceste 18 și 28 de complexe a au fost legate în nucleul original folosind 8-10 legături comutabile, cu o energie medie de 20 MeV fiecare (vezi. Fig.4.13), atunci energia fragmentelor ar trebui să fie de 160-200 MeV, adică. o valoare apropiată de cea reală.

Ar putea fi util să citiți: