Nükleer fisyon neden enerji açığa çıkarıyor? Fisyon enerjisi

Uranyum çekirdeğinin fisyonu, 1938 yılında Alman bilim adamları O. Hahn ve F. Strassmann tarafından keşfedildi. Uranyum çekirdekleri nötronlarla bombalandığında periyodik tablonun orta kısmındaki elementlerin oluştuğunu tespit etmeyi başardılar: baryum, kripton vb. Bu gerçeğin doğru yorumunu Avusturyalı fizikçi L. Meitner ve İngiliz fizikçi O. Frisch. Bu elementlerin görünümünü, bir nötronu yakalayan uranyum çekirdeklerinin yaklaşık olarak eşit iki parçaya bozunmasıyla açıkladılar. Bu olaya nükleer fisyon denir ve ortaya çıkan çekirdeklere fisyon fragmanları denir.

Ayrıca bakınız

  1. Vasiliev A. Uranyum fisyonu: Klaproth'tan Hahn'a // Kuantum. - 2001. - No. 4. - S. 20-21,30.

Çekirdeğin damlacık modeli

Bu fisyon reaksiyonu çekirdeğin damlacık modeline göre açıklanabilir. Bu modelde çekirdek, elektrik yüklü sıkıştırılamaz bir sıvı damlası olarak kabul edilir. Çekirdeğin tüm nükleonları arasında etkili olan nükleer kuvvetlere ek olarak, protonlar, çekirdeğin çevresine yerleştirilmelerinin bir sonucu olarak ek elektrostatik itme yaşarlar. Uyarılmamış bir durumda, elektrostatik itme kuvvetleri telafi edilir, böylece çekirdek küresel bir şekle sahiptir (Şekil 1, a).

\(~^(235)_(92)U\) çekirdeği bir nötron yakaladıktan sonra, uyarılmış durumda olan bir ara çekirdek \(~(^(236)_(92)U)^*\) oluşur. durum. Bu durumda nötron enerjisi tüm nükleonlar arasında eşit olarak dağılır ve ara çekirdeğin kendisi deforme olur ve titremeye başlar. Uyarma küçükse, o zaman çekirdek (Şekil 1, b), yayarak kendisini aşırı enerjiden kurtarır. γ -kuantum veya nötron, kararlı duruma döner. Uyarma enerjisi yeterince yüksekse, titreşimler sırasında çekirdeğin deformasyonu o kadar büyük olabilir ki, içinde çatallanan bir sıvı damlasının iki kısmı arasındaki bele benzer şekilde bir bel oluşur (Şekil 1, c). Nükleer kuvvetler dar bir belde hareket eden, çekirdeğin bazı kısımlarının önemli Coulomb itme kuvvetine artık dayanamaz. Bel kırılır ve çekirdek, zıt yönlere uçan iki "parçaya" (Şekil 1, d) ayrılır.

uran.swf Flash: Uranyum fisyonu Flash'ı büyüt Şek. 2.

Şu anda, bu çekirdeğin bölünmesinden kaynaklanan, kütle numaraları yaklaşık 90 ila 145 arasında olan yaklaşık 100 farklı izotop bilinmektedir. Bu çekirdeğin iki tipik fisyon reaksiyonu şunlardır:

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

Bir nötron tarafından başlatılan nükleer fisyonun, diğer çekirdeklerde fisyon reaksiyonlarına neden olabilecek yeni nötronlar ürettiğini unutmayın. Uranyum-235 çekirdeğinin fisyon ürünleri ayrıca baryum, ksenon, stronsiyum, rubidyum vb. izotopları da olabilir.

Ağır atomların çekirdekleri bölündüğünde (\(~^(235)_(92)U\)) çok büyük bir enerji açığa çıkar - her çekirdeğin bölünmesi sırasında yaklaşık 200 MeV. Bu enerjinin yaklaşık %80'i parçaların kinetik enerjisi olarak açığa çıkar; geri kalan %20 ise parçalardan gelen radyoaktif radyasyonun enerjisinden ve hızlı nötronların kinetik enerjisinden gelir.

Nükleer fisyon sırasında açığa çıkan enerjinin tahmini, çekirdekteki nükleonların spesifik bağlanma enerjisi kullanılarak yapılabilir. Kütle numaralı çekirdeklerdeki nükleonların spesifik bağlanma enerjisi A≈ 7,6 MeV/nükleon mertebesinde 240, kütle numaralı çekirdeklerde ise A= 90 – 145 özgül enerji yaklaşık 8,5 MeV/nükleondur. Sonuç olarak, bir uranyum çekirdeğinin bölünmesi, 0,9 MeV/nükleon düzeyinde veya uranyum atomu başına yaklaşık 210 MeV enerji açığa çıkarır. 1 gram uranyumun içerdiği tüm çekirdeklerin tamamen bölünmesi, 3 ton kömürün veya 2,5 ton petrolün yanmasıyla aynı enerjiyi açığa çıkarır.

Ayrıca bakınız

  1. Varlamov A.A. Çekirdeğin damlacık modeli // Kuantum. - 1986. - Sayı. 5. - S. 23-24

Zincirleme tepki

Zincirleme tepki- Reaksiyona neden olan parçacıkların bu reaksiyonun ürünleri olarak oluştuğu nükleer reaksiyon.

Bir nötronla çarpışmanın neden olduğu uranyum-235 çekirdeği fisyonları sırasında 2 veya 3 nötron açığa çıkar. Uygun koşullar altında bu nötronlar diğer uranyum çekirdeklerine çarparak onların bölünmesine neden olabilir. Bu aşamada, yeni uranyum çekirdeği bozunmalarına vb. neden olabilecek 4 ila 9 nötron ortaya çıkacaktır. Böyle çığ benzeri bir sürece zincirleme reaksiyon denir. Uranyum çekirdeklerinin fisyonunun zincirleme reaksiyonunun gelişiminin bir diyagramı Şekil 2'de gösterilmektedir. 3.

reakcia.swf Flash: zincirleme reaksiyon Flash'ı büyüt Şek. 4.

Uranyum doğada iki izotop \[~^(238)_(92)U\] (%99,3) ve \(~^(235)_(92)U\) (%0,7) formunda bulunur. Nötron bombardımanına uğradığında her iki izotopun çekirdeği de iki parçaya bölünebilir. Bu durumda, fisyon reaksiyonu \(~^(235)_(92)U\) en yoğun şekilde yavaş (termal) nötronlarla meydana gelirken, çekirdekler \(~^(238)_(92)U\) fisyona tepki verir. yalnızca 1 MeV düzeyinde enerjiye sahip hızlı nötronlarla. Aksi halde ortaya çıkan \(~^(239)_(92)U\) çekirdeğinin uyarılma enerjisi fisyon için yetersiz kalır ve fisyon yerine nükleer reaksiyonlar meydana gelir:

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

Uranyum izotopu \(~^(238)_(92)U\) β -radyoaktif, yarı ömrü 23 dakika. Neptunyum izotopu \(~^(239)_(93)Np\) da yaklaşık 2 günlük yarı ömre sahip radyoaktiftir.

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

Plütonyum izotopu \(~^(239)_(94)Np\) 24.000 yıllık yarı ömre sahip, nispeten kararlıdır. Plütonyumun en önemli özelliği \(~^(235)_(92)U\) ile aynı şekilde nötronların etkisi altında bölünebilmesidir. Bu nedenle \(~^(239)_(94)Np\) yardımıyla bir zincirleme reaksiyon gerçekleştirilebilir.

Yukarıda tartışılan zincir reaksiyon diyagramı ideal bir durumu temsil etmektedir. Gerçek koşullarda, fisyon sırasında üretilen nötronların tümü diğer çekirdeklerin fisyonuna katılmaz. Bazıları yabancı atomların bölünemeyen çekirdekleri tarafından yakalanır, diğerleri ise uranyumdan dışarı uçar (nötron sızıntısı).

Bu nedenle, ağır çekirdeklerin fisyonunun zincirleme reaksiyonu her zaman gerçekleşmez ve herhangi bir uranyum kütlesi için gerçekleşmez.

Nötron çarpım faktörü

Bir zincir reaksiyonunun gelişimi, nötron çoğalma faktörü olarak adlandırılan faktör ile karakterize edilir. İLE sayının oranıyla ölçülür N i reaksiyonun aşamalarından birinde bir maddenin çekirdeğinin bölünmesine neden olan nötronlar N Reaksiyonun önceki aşamasında fisyona neden olan i-1 nötronları:

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

Çarpma katsayısı bir dizi faktöre, özellikle bölünebilir maddenin doğasına ve miktarına ve kapladığı hacmin geometrik şekline bağlıdır. Belirli bir maddenin aynı miktarı farklı anlam İLE. İLE Madde küresel bir şekle sahipse maksimumdur, çünkü bu durumda yüzeyden hızlı nötron kaybı minimum düzeyde olacaktır.

Çarpma faktörü ile zincirleme reaksiyonun meydana geldiği bölünebilir malzemenin kütlesi İLE= 1'e kritik kütle denir. Küçük uranyum parçalarındaki nötronların çoğu herhangi bir çekirdeğe çarpmadan uçup gider.

Kritik kütle değeri geometri tarafından belirlenir fiziksel sistem, yapısı ve dış ortamı. Dolayısıyla, saf uranyumdan oluşan bir top \(~^(235)_(92)U\) için kritik kütle 47 kg'dır (17 cm çapında bir top). Uranyumun kritik kütlesi, nötron moderatörleri kullanılarak birçok kez azaltılabilir. Gerçek şu ki, uranyum çekirdeklerinin bozunması sırasında üretilen nötronların hızları çok yüksektir ve yavaş nötronları uranyum-235 çekirdekleri tarafından yakalama olasılığı hızlı olanlardan yüzlerce kat daha fazladır. En iyi nötron moderatörü ağır su D 2 O'dur. Nötronlarla etkileşime girdiğinde sıradan suyun kendisi ağır suya dönüşür.

Çekirdeği nötronları absorbe etmeyen grafit de iyi bir moderatördür. Döteryum veya karbon çekirdeği ile elastik etkileşim sırasında nötronlar termal hızlara yavaşlar.

Nötron moderatörlerinin ve nötronları yansıtan özel bir berilyum kabuğunun kullanılması, kritik kütlenin 250 g'a düşürülmesini mümkün kılar.

Çarpma oranında İLE= 1 bölünen çekirdeklerin sayısı sabit bir seviyede tutulur. Bu mod nükleer reaktörlerde sağlanır.

Nükleer yakıtın kütlesi kritik kütleden küçükse çarpım faktörü İLE < 1; каждое новое поколение вызывает все меньшее и меньшее число делений, и реакция без внешнего источника нейтронов быстро затухает.

Nükleer yakıtın kütlesi kritik kütleden büyükse çarpım faktörü İLE> 1 ve her yeni nesil nötron her şeye neden oluyor daha büyük sayı bölümler. Zincirleme reaksiyon çığ gibi büyür ve büyük bir enerji salınımı ve sıcaklıktaki artışla birlikte patlama karakterine sahiptir. çevre birkaç milyon dereceye kadar. Bu tür zincirleme reaksiyonlar atom bombası patladığında meydana gelir.

Atom bombası

Normal durumunda, bir nükleer bomba patlamaz çünkü içindeki nükleer yük, uranyum - nötronların bozunma ürünlerini emen bölümler tarafından birkaç küçük parçaya bölünmüştür. Nükleer patlamaya neden olan nükleer zincirleme reaksiyon bu koşullar altında sürdürülemez. Bununla birlikte, nükleer yükün parçaları bir araya getirilirse, bunların toplam kütlesi, uranyum fisyonunun zincirleme reaksiyonunun gelişmeye başlaması için yeterli olacaktır. Sonuç nükleer bir patlamadır. Üstelik nispeten küçük bir nükleer bombanın ürettiği patlama gücü, milyonlarca, milyarlarca ton TNT'nin patlaması sırasında açığa çıkan güce eşdeğerdir.

Pirinç. 5. Atom bombası

1.8. Nükleer fisyon

1.8.1. Ağır çekirdeklerin fisyon reaksiyonları. Nükleer fisyon mekanizması ve aktivasyon enerjisi. Nükleer fisyon ürünlerinin bileşimi ve fisyon enerjisi. Temel fisyon teorisi

Nükleer fisyon– iki (daha az sıklıkla üç) parça çekirdeğinin oluştuğu bir nükleer reaksiyon. Sürece ikincil nötronların, kuantumların emisyonu ve önemli miktarda enerjinin salınması eşlik ediyor.

Tarihsel referans. 1938'de Gunn ve F. Strassman, hassas radyokimyasal analizle, uranyumun nötronlarla ışınlanması durumunda, içinde periyodik tablonun ortasında yer alan baryum elementinin oluştuğunu gösterdi. Tepki şuna benziyordu

, (Q≈ 200 MeV). (1.82)

30'dan fazla uranyum-235 fisyon çıkış kanalı vardır. Fransa'daki F. Joliot-Curie ve işbirlikçileri ile İtalya'daki E. Fermi ve işbirlikçileri, çıkış kanalında birkaç nötronun emisyonunu keşfettiler. Almanya'daki O. Frisch ve L. Meitner, fisyon sırasında açığa çıkan muazzam miktarda enerjiye dikkat çekti. Bu, kendi kendini idame ettiren bir nükleer fisyon reaksiyonu fikrini ortaya atmaya hizmet etti. 1940 yılında Rusya'da kendiliğinden nükleer fisyon keşfedildi. Modern nükleer enerjinin temeli, nötronların etkisi altında uranyum ve plütonyum çekirdeklerinin bölünmesidir. Nükleer çağ 1938'de başladı.

Nükleer fisyon ayrıca protonların, γ kuantumun, α parçacıklarının vb. etkisi altında da meydana gelebilir. Uyarılmış bir çekirdeğin bir nötron tarafından zorla fisyonu ( N, F) diğer süreçlerle rekabet eder: ışınımsal nötron yakalamayla ( N, γ ), yani bir γ-kuantumun emisyonu ve bir nötronun çekirdek üzerinde saçılması ( N, N).

Nükleer fisyon olasılığı, fisyon kesitinin oranıyla belirlenir. σ Fçekirdeklerin toplam nötron yakalama kesitine oranı.

İzotoplar, sıfırdan başlayarak tüm enerjilerdeki nötronlara bölünür. Bu izotopların fisyon kesitleri sırasında, bölünebilir çekirdeğin enerji seviyelerine karşılık gelen rezonanslar ortaya çıkar (bkz. Şekil 1.13).

Nükleer fisyon mekanizması ve aktivasyon enerjisi

Nükleer fisyon süreci, Coulomb kuvvetlerinin etkisi altında homojen yüklü bir sıvı damlasının bölünmesi olarak açıklanmaktadır (M, Wheeler, 1939). Bir çekirdeğin bölünebilmesi için aktivasyon enerjisi adı verilen belirli bir kritik enerjiye sahip olması gerekir. Bir nötron yakalandıktan sonra uyarılmış bir bileşik çekirdek oluşur. Heyecanlanan çekirdek titreşmeye başlar. Çekirdeğin hacmi değişmez (nükleer madde pratikte sıkıştırılamaz), ancak çekirdeğin yüzeyi artar. Yüzey enerjisi artar, dolayısıyla yüzey gerilim kuvvetleri çekirdeği orijinal durumuna döndürme eğilimindedir. Coulomb enerjisi, protonlar arasındaki ortalama mesafenin artması nedeniyle mutlak değerde azalır. Coulomb kuvvetleri çekirdeği parçalama eğilimindedir. Çekirdek küresel bir şekilden elipsoidal bir şekle dönüşür, daha sonra çekirdeğin dört kutuplu bir deformasyonu meydana gelir, bir daralma oluşur, çekirdek kırılan, iki parça oluşturan ve bir çift nötron "sıçrayan" bir dambıl haline gelir.

Bir çekirdeğin fisyon yeteneğinin bir özelliği, çekirdeğin bağlanma enerjisi için yarı ampirik formülden alınan Coulomb enerjisinin yüzey enerjisine oranıdır.

, (1.83)

Nerede - bölünebilme parametresi.

Fizibilite parametresi >17 olan çekirdekler fisyon yapabilir; kritik fizibilite parametresi ()cr = 45 olanlar ise anında fisyon (çekirdeklerin kendiliğinden fisyonunun koşulu) olur. Bir çekirdeğin bölünebilmesi için fisyon bariyeri adı verilen bir enerji bariyerini aşması gerekir. Zorunlu fisyon durumunda çekirdek, bir nötronu yakaladığında bu enerjiyi alır.

Fisyon ürünlerinin bileşimi

Fisyon parçaları . Nükleer fisyonun ana türü iki parçaya bölünmektir. Parçalar kütleye göre asimetrik olarak iki ila üç oranında bölünür. Fisyon ürünlerinin verimi, belirli bir parçayı üreten fisyon sayısının oranı olarak belirlenir. Aİle tam sayı bölümler. Her fisyon olayı iki çekirdek ürettiğinden, tüm kütle numaraları için fisyon başına toplam verim %200'dür. Nükleer fisyon sırasında parça kütlelerinin dağılımı Şekil 2'de gösterilmektedir. 1.14. Şekil, termal nötronların toplam fisyon veriminin tipik bir çift kamburlu dağılım eğrisini göstermektedir. Parçaların dürtüleri eşit ve zıt işaretlidir. Parça hızları ~107 m/s'ye ulaşır.

Şekil 1.14. Termal nötronların etkisi altında uranyum-235 ve plütonyum-239'un fisyon ürünlerinin veriminin kütle numarasına bağımlılığı A.

Fisyon nötronları . Oluşum anında orijinal çekirdeğin parçaları büyük ölçüde deforme olmuştur. Aşırı potansiyel deformasyon enerjisi, parçaların uyarılma enerjisine dönüştürülür. Fisyon parçaları büyük bir yüke sahiptir ve orijinal çekirdek gibi nötronlar açısından aşırı zengindir. İkincil nötronlar ve γ kuantumları yayarak kararlı çekirdeklere dönüşürler. Parça çekirdeklerinin uyarılması, nötronların "buharlaşması" ile ortadan kaldırılır.

Hızlı fisyon nötronları, uyarılmış fragmanlar tarafından 4 10-14 saniyeden daha kısa bir sürede yayılan nötronlardır. Parçalardan izotropik olarak buharlaşırlar.

İÇİNDE laboratuvar koordinat sistemi(l.s.c.) fisyon nötronlarının enerji spektrumu Maxwell dağılımı tarafından iyi bir şekilde tanımlanmaktadır

, (1.84)

Nerede e– l cinsinden nötron enerjisi. s.k..gif" width="63 height=46" height="46"> – ortalama spektrum enerjisi.

Sayı v termal nötronların 1 fisyon eylemi başına ikincil nötron sayısı uranyum-235 içindir v= 2,43, plütonyum-239 v= 2,89. (örneğin, 100 fisyon olayı başına aynı anda 289 ikincil nötron üretilir).

γ kuantum emisyonu . Nötronlar parçalardan "buharlaştıktan" sonra, uyarılma enerjisini korurlar ve bu enerji, hızlı γ kuantum tarafından taşınır. γ-kuantanın emisyon süreci, nötronların emisyonunu takiben ~ 10-14 s'lik bir sürede gerçekleşir. Bölüm başına toplam etkin radyasyon enerjisi e toplam = 7,5 MeV..gif" width="67" height="28 src="> MeV. 1 bölüm başına ortalama γ-quanta sayısı.

Gecikmiş nötronlar – orijinal çekirdeğin bölünmesinden sonra ortaya çıkan nötronlar (10-2 saniyeden 102 saniyeye kadar). Gecikmiş nötron sayısı< 1% от полного количества нейтронов деления. Механизм испускания связан с β - enerjisi olan türdeki fisyon parçalarının bozunması β -bozunma nötronun bağlanma enerjisinden daha büyüktür. Bu durumda yasak var β -temel duruma geçiş ve nötron ayırma enerjisinin düşük olması. Çekirdeğin uyarılma enerjisi nötronun bağlanma enerjisinden daha büyüktür. Nötron, bir parça çekirdekten uyarılmış bir çekirdeğin oluşmasından hemen sonra yayılır. β -çürümek. Ancak zamanla bu durum ancak fragman çekirdeğinin yarı ömründen sonra ortaya çıkar.

Ağır bir çekirdeğin termal nötronlar tarafından 1 fisyon eylemi başına enerji dağılımı Tablo'da gösterilmektedir. 1.4.

Nükleer fisyon ürünlerinin enerjisi Tablo 1.4

Bir ışık parçasının kinetik enerjisi T osk l, MeB

Ağır bir parçanın kinetik enerjisi T osc t MeB

Fisyon nötronlarının kinetik enerjisi eN MeB

Anlık γ-kuantanın enerjisi Eγ m MeB

Enerji β - fisyon ürünü parçacıkları Eβ MeB

Fisyon ürünlerinin γ-radyasyonunun enerjisi Eγ pr MEB

Fisyon ürünlerinin antinötrino enerjisi ev MeB

Nötron yakalama nedeniyle γ radyasyonunun enerjisi EγN MeB

Nükleer fisyon sırasında açığa çıkan toplam enerji QΣMeB

Termal fisyon enerjisi

QT = T tamam ben + T peki t + eN+ Eγ M + Eβ + Eγ vesaire + Eγ = 204MeB.

Antinötrinolar tarafından taşınan enerji, termal enerji biçiminde salınmaz, bu nedenle, bir çekirdeğin termal bir nötron tarafından 1 bölünmesi için ~ 200 MeV vardır. 1 W ısıl güç ile 3.1.1010 bölme/sn meydana gelir. İÇİNDE kimyasal reaksiyonlar atom başına enerji ~1 eV'dir.

Temel fisyon teorisi

https://pandia.ru/text/78/550/images/image028_18.gif" width=31" height=27 src=> bölünmesi sırasında kütle numarasının korunduğunu varsayalım. A ve şarj et Z. Bu, yalnızca parçaları dikkate aldığımız anlamına gelir:

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

çekirdek 2'ye 3 oranında bölünür:

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

Reaksiyonun enerjisi parçacıkların enerjisine eşittir Q = T ok

Q = C2 [M – (M1 + M2 ) ],

Q= esv1+ esv2– eSt., (1.85)

Nerede eSt.– Çekirdeğin tüm kurucu nükleonlara göre toplam bağlanma enerjisi

, (1.86)

benzer şekilde e sv1, esv2– birinci ve ikinci parçaların bağlanma enerjileri.

(1.86) ve her iki formülün değiştirilmesi e sv1, e(1.85)'te св2 ve son terimi ihmal ederek şunu elde ederiz:

. (1.87)

(1.15) = 17.23 MeB'ye göre varsayarsak, https://pandia.ru/text/78/550/images/image026_22.gif" width="31" height="20"> Tock parçalarının kinetik enerjisini elde ederiz ≈178 MeB , tablo değerini yalnızca 10 MeV aşar.

1.8.2. Uranyum çekirdeğinin fisyonunun zincir reaksiyonları. Zincirleme reaksiyonda üreme formülü. Üreme oranları. Dört faktörün formülü

Nükleer fisyon zincir reaksiyonları nötronların ağır çekirdekleri, nötron sayısının arttığı ve maddenin kendi kendine devam eden nükleer fisyon sürecinin meydana geldiği nükleer reaksiyonlardır. Kimyasal ve nükleer dallanmış zincir reaksiyonları her zaman ekzotermiktir. Fisyon zincir reaksiyonu pratik olarak üç izotop üzerinde mümkündür ve yalnızca bir çekirdek bir birincil nötronla bölündüğünde, çıkış kanalında ikiden fazla ikincil nötronun yayılması nedeniyle mümkündür.

Üreme oranı İLE– nükleer zincir reaksiyonunun gelişiminin temel özelliği.

Nerede Hayır– üretilen nötronların sayısı Ben-nesil, Hayır–1 – (’de üretilen nötron sayısı) Ben–1)-nesil.

Nükleer zincir reaksiyonları teorisi de 1939'da kimyasal zincir reaksiyonları teorisine (1934) benzetilerek oluşturuldu. Kendi kendine devam eden bir nükleer zincir reaksiyonu şu durumlarda mümkündür: k>1 – süperkritik reaksiyon, k=1 – reaksiyon kritiktir. Eğer k<1 – реакция подкритическая, она затухает.

Zincir reaksiyonunda nötron çoğalmasının formülü

Reaksiyonun başlangıcında varsa N nötronlar, sonra bir nesilde sayıları olacak

Yani..gif" width = "108" yükseklik = "48">,

nerede τ – bir nesil nötronun ortalama ömrü

Değişkenleri ayırıp entegre edersek,

,

formül kullanarak Sonunda nötron sayısının zamanla arttığını anlıyoruz T pozitif bir üs ile üstel olarak

https://pandia.ru/text/78/550/images/image027_18.gif" width="37" height="23"> yavaş nötronlarla ve hızlı nötronlarla nükleer fisyonla.

Üreme oranları. Dört faktörün formülü

Uranyum + moderatör sisteminin boyutları sonsuz olsun. Doğum anında bir nötron neslinin emildiğini varsayalım. N termal nötronlar, bunların her biri https://pandia.ru/text/78/550/images/image058_8.gif" width="126" height="37">, (1.91)

burada σU orta dereceli termal nötronların uranyum tarafından emilmesi için kesittir,

σ3 - yavaş termal nötronlar için moderatörün absorpsiyon kesiti,

ρU, uranyum çekirdeklerinin konsantrasyonu, ρ3 ise moderatör çekirdeklerin konsantrasyonudur.

Böylece nükleer yakıt tarafından yakalanan termal nötronların sayısı ( NηεрF). Sonsuz bir ortamda nötron çarpım faktörü(dört faktörün formülü)

. (1.92)

Sonlu bir ortamda nötron çarpım faktörü

Kef=, (1.93)

Nerede - Bir nötronun çekirdekten sızıntıdan kurtulmasının toplam olasılığı.

Nihai bir sistemde sabit bir nükleer zincir reaksiyonunun meydana gelmesi için yeterlidir. Kef=1. Bu şuna karşılık gelir kritik(reaksiyonun oluşması için en küçük) aktif bölgenin boyutu. (Saf uranyum için bu, yarıçapı 8,5 cm ve kütlesi 47 kg olan bir toptur)..gif" width="25 height=23" height="23">>1.

İlk kontrollü nükleer zincir reaksiyonu 1942 yılında E. Fermi tarafından Chicago'da gerçekleştirildi. Nükleer reaktör vardı η = 1,35, ε ≈ 1,03, ε pf≈ 0,8, = 1,08, için İLE ef, 5†10 m'lik bir boyuta karşılık gelen θ0.93'ü gerektiriyordu.1946'da Moskova'da inşa edilen nükleer reaktör de benzer parametrelere sahipti.

Nükleer bölünme-- bölme işlemi atom çekirdeği fisyon fragmanları adı verilen benzer kütlelere sahip iki çekirdeğe bölünür. Fisyonun bir sonucu olarak başka reaksiyon ürünleri de ortaya çıkabilir: hafif çekirdekler (çoğunlukla alfa parçacıkları), nötronlar ve gama ışınları. Fisyon kendiliğinden (kendiliğinden) ve zorlanmış (diğer parçacıklarla, özellikle de nötronlarla etkileşimin bir sonucu olarak) olabilir. Ağır çekirdeklerin bölünmesi -- ekzotermik süreç bunun sonucunda reaksiyon ürünlerinin kinetik enerjisi ve radyasyon şeklinde büyük miktarda enerji açığa çıkar. Nükleer fisyon, nükleer reaktörlerde ve nükleer silahlarda enerji kaynağı olarak hizmet eder.

1938'de Alman bilim adamları O. Gann ve F. Strassmann, uranyumun nötronlarla ışınlanması durumunda, nükleer enerjinin pratik kullanımının temelini oluşturan periyodik tablonun ortasındaki elementlerin (baryum ve lantan) oluştuğunu keşfettiler.

Ağır çekirdeklerin bölünmesi nötronların yakalanmasıyla gerçekleşir. Bu durumda yeni parçacıklar yayılır ve çekirdeğin fisyon parçalarına aktarılan bağlanma enerjisi açığa çıkar.

Fizikçiler A. Meitner ve O. Frisch, bu fenomeni, bir nötronu yakalayan uranyum çekirdeğinin iki parçaya bölünmesiyle açıkladı. parça. İki yüzden fazla bölme seçeneği vardır, örneğin:

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

Bu durumda uranyum izotopu 235 U'nun çekirdeği başına 200 MeV enerji açığa çıkar.

Bu enerjinin çoğu parça çekirdeklerden gelir, geri kalanı ise fisyon nötronlarının kinetik enerjisinden ve radyasyon enerjisinden gelir.

Benzer şekilde enfekte olmuş protonları sentezlemek için, çarpışan parçacıkların yeterince yüksek hızlarında mümkün olan Coulomb itme kuvvetlerinin üstesinden gelmek gerekir. Gerekli koşullar Helyum çekirdeğinin protonlardan sentezi için yıldızların iç kısımlarında mevcuttur. Dünya üzerinde deneysel termonükleer patlamalar sırasında termonükleer füzyon reaksiyonu gerçekleştirildi.

Ağır çekirdekler için nötron ve proton sayısı N/Z oranı ? 1,6 olduğundan ve daha hafif çekirdek parçaları için birliğe yakın olduğundan, parçacıklar oluştukları anda nötronlarla aşırı yüklenir. kararlı bir durum, yayarlar ikincil nötronlar. İkincil nötronların emisyonu, ağır çekirdeklerin fisyon reaksiyonunun önemli bir özelliğidir, bu nedenle ikincil nötronlara da denir. fisyon nötronları. Her uranyum çekirdeği fisyonunda 2-3 fisyon nötronu yayılır. İkincil nötronlar yeni fisyon olaylarına neden olabilir, bu da fisyon zincirleme reaksiyonu- Reaksiyona neden olan parçacıkların bu reaksiyonun ürünleri olarak oluştuğu nükleer reaksiyon. Zincirleme reaksiyon karakterize edilir nötron çarpım faktörü k, reaksiyonun belirli bir aşamasındaki nötron sayısının önceki aşamadaki sayılarına oranına eşittir. eğer k< 1, цепная реакция не возникает (или прекращается), при k >1'de gelişen bir zincirleme reaksiyon var, bölünme sayısı çığ gibi artıyor ve reaksiyon patlayıcı hale gelebiliyor. K=1'de nötron sayısının sabit kaldığı, kendi kendine devam eden bir reaksiyon meydana gelir. Bu tam olarak nükleer reaktörlerde meydana gelen zincirleme reaksiyondur.

Çarpma katsayısı, bölünebilir maddenin doğasına ve belirli bir izotop için miktarına, boyutuna ve şekline bağlıdır. çekirdek- zincirleme reaksiyonun meydana geldiği alan. Çekirdeği parçalamak için yeterli enerjiye sahip olan nötronların tümü bir zincirleme reaksiyona katılmaz - bazıları her zaman çekirdekte mevcut olan bölünebilir olmayan yabancı maddelerin çekirdeğinde "sıkışıp kalır" ve bazıları boyutları olan çekirdeği terk eder. herhangi bir çekirdek tarafından yakalanmadan önce (nötron sızıntısı) sonludur. Minimum boyutlar Zincirleme reaksiyonun mümkün olduğu aktif bölgeye denir kritik boyutlar ve kritik boyutlarda bir sistemde bulunan bölünebilir maddelerin minimum kütlesine denir Kritik kitle. Yani, bir saf uranyum 92 235 U parçasında, çekirdek tarafından yakalanan her nötron, ortalama 2,5 ikincil nötron emisyonuyla fisyona neden olur, ancak bu tür uranyumun kütlesi 9 kg'dan azsa, nötronların çoğu uçar. Fisyona yol açmadan dışarı çıkar, böylece zincirleme bir reaksiyon oluşmaz. Bu nedenle çekirdeği bölünebilme yeteneğine sahip maddeler, kritik kütleden daha az, birbirinden izole edilmiş parçalar halinde depolanır. Bu tür birkaç parça, toplam kütleleri kritik kütleyi aşacak şekilde hızlı ve sıkı bir şekilde bağlanırsa, çığ benzeri bir nötron çoğalması başlayacak ve zincirleme reaksiyon, kontrol edilemeyen patlayıcı bir nitelik kazanacaktır. Atom bombasının tasarımı buna dayanmaktadır.

Ağır çekirdeklerin fisyon reaksiyonuna ek olarak, intranükleer enerjiyi serbest bırakmanın başka bir yolu da vardır - hafif çekirdeklerin füzyon reaksiyonu. Füzyon işlemi sırasında açığa çıkan enerji miktarı o kadar büyüktür ki, etkileşime giren çekirdeklerin yüksek konsantrasyonunda, zincirleme bir termonükleer reaksiyona neden olmak yeterli olabilir. Bu süreçte çekirdeğin hızlı termal hareketi reaksiyon enerjisiyle, reaksiyonun kendisi ise termal hareketle sağlanır. Gerekli kinetik enerjiye ulaşmak için reaktanın sıcaklığının çok yüksek olması gerekir (107 - 108 K). Bu sıcaklıkta madde, atom çekirdeği ve elektronlardan oluşan sıcak, tamamen iyonize plazma halindedir. Hafif elementlerin füzyonunun termonükleer reaksiyonunun uygulanmasıyla insanlık için tamamen yeni fırsatlar açılıyor. Bu reaksiyonu gerçekleştirmenin üç yolu düşünülebilir:

  • 1) Güneş'in ve diğer yıldızların derinliklerinde kendiliğinden meydana gelen yavaş bir termonükleer reaksiyon;
  • 2) bir hidrojen bombasının patlaması sırasında meydana gelen, kontrolsüz nitelikte hızlı, kendi kendine devam eden bir termonükleer reaksiyon;
  • 3) kontrollü termonükleer reaksiyon.

Kontrolsüz bir termonükleer reaksiyon, patlaması nükleer etkileşimin bir sonucu olarak ortaya çıkan bir hidrojen bombasıdır:

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

çekirdekte iki proton ve bir nötron içeren helyum izotopu He3'ün ve çekirdekte iki proton ve iki nötron içeren sıradan helyum He4'ün sentezine yol açar. Burada n bir nötron, p bir proton, D döteryum ve T trityumdur.



































İleri geri

Dikkat! Slayt önizlemeleri yalnızca bilgilendirme amaçlıdır ve sunumun tüm özelliklerini temsil etmeyebilir. Bu çalışmayla ilgileniyorsanız, lütfen tam sürümünü indirin.

Ders türü. Ders.

Hedef.

  • Didaktik. Atom çekirdeklerinin fisyon reaksiyonu kavramını verin, ağır atom çekirdeklerinin fisyonundan nükleer enerji elde etmenin fiziksel temellerini inceleyin; Kontrollü zincir reaksiyonlarını, yapısını ve çalışma prensibini göz önünde bulundurun nükleer reaktörler; Radyoaktif izotopların kullanımı ve radyoaktif radyasyonun biyolojik etkileri hakkında bilgi edinmek
  • eğitici. Bir takımda çalışma yeteneğini, ortak bir amaç için sorumluluk duygusunu geliştirmek, disipline olan ilgiyi ve bağımsız olarak yeni bilgi edinme arzusunu geliştirmek; oluşumuna katkıda bulunmak bilişsel ilgi, öğrenme sürecinde teknik becerilerin geliştirilmesi.
  • metodik. Bilgisayar teknolojilerinin uygulanması: sunumlar, etkileşimli dersler, sanal modeller.

Yöntemler: sözlü, görsel; buluşsal yöntem, konuşma; ön anket

Ders yapısı

No. 1 Dersin organizasyonel kısmı

1. Selamlama.

2. Öğrencilerin derse hazır olup olmadıklarının kontrol edilmesi.

2 numara. Dersin konusunu, amacını ve ana hedeflerini anlatın.

Ders taslağı

1. Nötronlarla ışınlama altında uranyum çekirdeklerinin bölünmesi.

1.1. Uranyum çekirdeğinin bölünmesi sırasında enerji salınımı.

1.2 Zincirleme reaksiyon ve oluşma koşulları.

  1. Nükleer reaktör. Nükleer enerji santrali.

    2. 2.1. Nükleer reaktörün ana elemanları ve çeşitleri.

    2.2. Nükleer enerjinin uygulanması.

  2. Radyoaktif radyasyonun biyolojik etkileri.

Numara 3. Öğrencilerin temel bilgilerinin güncellenmesi:

1.Çekirdek bileşimi.

2. Radyoaktivite.

3. Nükleer reaksiyonlar.

4. - çürüme.

5. çürüme.

6. Reaksiyonun enerji verimi.

7. Kütle kusuru.

8. Nükleer bağlanma enerjisi.

9. Spesifik nükleer bağlanma enerjisi.

Anket sayfası (formüller, yasalar ve kalıplara ilişkin bilgilerin test edilmesi) ( 3 numaralı slayt).

4 numara. Öğrencilerin öğrenme faaliyetleri için motivasyon

Dersin yapısal unsurları

1. Nötronlarla ışınlama altında uranyum çekirdeklerinin bölünmesi

Çok sayıda nükleon içeren atom çekirdekleri kararsızdır ve bozunabilir. 1938'de Alman bilim adamları Otto Gann ve Franz Strassmann, yavaş nötronların etkisi altında uranyum U çekirdeğinin fisyonunu gözlemlediler. Ancak bu gerçeğin doğru yorumu, yani bir nötronu yakalayan uranyum çekirdeğinin fisyonu olarak, 1939'un başında İngiliz fizikçi O. Frisch tarafından Avusturyalı fizikçi L. Meitner ile birlikte verildi. Nükleer fisyon bir nötronu yaklaşık olarak eşit iki parçaya (fisyon parçaları) emen ağır bir çekirdeğin fisyonunun nükleer reaksiyonu olarak adlandırılır.

Ağır çekirdeklerin fisyon olasılığı, spesifik bağlanma enerjisinin A kütle numarasına bağımlılığının bir grafiği kullanılarak da açıklanabilir (slayt No. 4).

Spesifik bağlanma enerjisinin kütle numarasına karşı grafiği

Kaplayan atom çekirdeğinin spesifik bağlanma enerjisi periyodik tablo son yerler (A 200), periyodik tablonun ortasında yer alan elementlerin çekirdeklerindeki spesifik bağlanma enerjisinden yaklaşık 1 MeV daha az (A 100). Bu nedenle, ağır çekirdeklerin periyodik tablonun orta kısmındaki elementlerin çekirdeklerine bölünmesi süreci “enerjik açıdan elverişlidir”. Fisyondan sonra sistem minimum iç enerjiye sahip bir duruma girer. Sonuçta, çekirdeğin bağlanma enerjisi ne kadar büyük olursa, çekirdeğin oluşumu sırasında salınması gereken enerji de o kadar büyük olur ve dolayısıyla daha az olur. içsel enerji yeni oluşturulan sistem.

Nükleer fisyon sırasında, her nükleon başına bağlanma enerjisi 1 MeV artar ve salınan toplam enerji çok büyük olmalıdır - çekirdek başına yaklaşık 200 MeV. Başka hiçbir nükleer reaksiyon (fisyonla ilgili olmayan) bu kadar büyük enerji açığa çıkarmaz. Bu enerjiyi yakıtın yanması sırasında açığa çıkan enerjiyle karşılaştıralım. 1 kg uranyum-235 bölündüğünde, eşit bir enerji . 1 kg kömür yakıldığında 2,9·10 6 J'ye eşit enerji açığa çıkacaktır, yani. 28 milyon kat daha az. Bu hesaplama nükleer enerjinin avantajını çok iyi göstermektedir.

Uranyum çekirdeğinin bölünmesi sırasında açığa çıkan enerjinin doğrudan ölçümleri, yukarıdaki düşünceleri doğruladı ve değeri verdi. 200 MeV. Üstelik bu enerjinin çoğu (168 MeV) parçaların kinetik enerjisine düşüyor.

Nükleer fisyon sırasında açığa çıkan enerji nükleer kökenli değil, elektrostatiktir. Parçaların sahip olduğu büyük kinetik enerji, Coulomb itmelerinden kaynaklanmaktadır.

Nötronların nükleer fisyon için kullanılması elektriksel nötrlüklerinden kaynaklanmaktadır. Nükleer protonlar tarafından Coulomb itmesinin olmaması, nötronların atom çekirdeğine serbestçe nüfuz etmesine izin verir. Geçici nötron yakalama, Coulomb itme kuvveti ile nükleer çekim kuvvetleri arasındaki hassas dengenin neden olduğu kırılgan nükleer stabiliteyi bozar. Uyarılmış çekirdeğin (U* ile gösterilir) nükleonlarının ortaya çıkan uzaysal titreşimleri kararsızdır. Çekirdeğin merkezindeki nötronların fazlalığı, çevredeki protonların fazlalığı anlamına gelir. Bunların karşılıklı itilmesi, U* izotopunun yapay radyoaktivitesine, yani onun fisyon fragmanları adı verilen daha küçük kütleli çekirdeklere bölünmesine yol açar. Üstelik en muhtemel olanı, kütleleri yaklaşık 2:3 oranında olan parçalara bölünmedir. Çoğu büyük parçanın kütle numarası vardır A 135-145 aralığında ve küçük olanlar 90 ila 100 arasındadır. Uranyum çekirdeğinin U fisyon reaksiyonu sonucunda iki veya üç nötron oluşur. Biri olası reaksiyonlar Uranyum çekirdeğinin bölünmesi aşağıdaki şemaya göre ilerler:

Bu reaksiyon üç nötronun oluşmasıyla ilerler. İki nötronun oluşmasıyla bir reaksiyon mümkündür:

1. Öğrencilere ödev: reaksiyonu geri yükleme .

2. Öğrenciler için ödev: resmin öğelerini etiketleyin .

1.1 Uranyum çekirdeğinin bölünmesi sırasında enerji salınımı

Nükleer fisyon sırasında açığa çıkan enerji nükleer kökenli değil, elektrostatiktir. Parçaların sahip olduğu büyük kinetik enerji, Coulomb itmelerinden kaynaklanmaktadır. 1 gram uranyumda bulunan tüm çekirdeklerin tamamen bölünmesiyle, 2,5 ton petrolün yanması sırasında açığa çıkan enerji kadar enerji açığa çıkar.

Bir atom çekirdeğinin fisyon süreci şu şekilde açıklanabilir: Çekirdeğin damlacık modeli. Bu modele göre, bir grup nükleon, yüklü bir sıvı damlacığına benzer. Nükleonlar arasındaki nükleer kuvvetler, sıvı moleküller arasındaki kuvvetlere benzer şekilde kısa menzillidir. Çekirdeği parçalara ayırmaya çalışan protonlar arasındaki büyük elektrostatik itme kuvvetlerinin yanı sıra, daha da büyük nükleer çekim kuvvetleri de vardır. Bu kuvvetler çekirdeğin parçalanmasını önler.

Uranyum-235 çekirdeği küresel bir şekle sahiptir. Fazladan bir nötron emdikten sonra çekirdek deforme olmaya başlar ve uzun bir şekil alır ( 5 numaralı slayt). Çekirdek, uzatılmış çekirdeğin yarıları arasındaki elektriksel itme kuvvetleri, kıstakta etki eden nükleer çekim kuvvetlerine üstün gelmeye başlayana kadar gerilir. Bundan sonra çekirdek iki parçaya ayrılır. Coulomb itici kuvvetlerinin etkisi altında bu parçalar ışık hızının 1/30'una eşit bir hızla uçup gider. ( 6 numaralı video parçası)

1.2 Zincir reaksiyonu ve oluşma koşulları

Fisyon sırasında bir çekirdekten yayılan nötronlardan herhangi biri, daha fazla fisyona neden olabilecek nötronlar da yayan komşu çekirdeğin fisyonuna neden olabilir. Sonuç olarak bölünebilir çekirdeklerin sayısı çok hızlı bir şekilde artar. Bir zincirleme reaksiyon meydana gelir. Nükleer zincir reaksiyonu bu reaksiyonun ürünleri olarak diğer çekirdeklerin bölünmesine neden olabilecek nötronların üretildiği bir reaksiyondur. ( 7 numaralı slayt).

Bu reaksiyonun özü, bir çekirdeğin bölünmesi sırasında yayılanların N nötronlar fisyona neden olabilir Nçekirdeklerin yayılmasına neden olur N 2 fisyona neden olacak yeni nötronlar N 2çekirdekler vb. Sonuç olarak, her nesilde doğan nötronların sayısı katlanarak artar. Genel olarak süreç çığ benzeri bir yapıya sahiptir, çok hızlı ilerler ve buna büyük miktarda enerjinin salınması eşlik eder.

Nükleer fisyon zincir reaksiyonunun hızı, nötron çoğalma faktörü ile karakterize edilir.

Nötron çarpım faktörü k, bir zincir reaksiyonunun belirli bir aşamasındaki nötron sayısının önceki aşamadaki sayılarına oranıdır.

Eğer k 1 ise nötron sayısı zamanla artar veya sabit kalır ve zincirleme reaksiyon meydana gelir.

Eğer k< 1, nötron sayısı azalır ve zincirleme reaksiyon imkansızdır.

Şu tarihte: k= 1 reaksiyon sabit ilerler: nötron sayısı değişmeden kalır. Üreme oranı k ancak reaktörün boyutları ve buna bağlı olarak uranyum kütlesi belirli kritik değerleri aşarsa birliğe eşit olabilir.

Kritik kütle, bir zincirleme reaksiyonun meydana gelebileceği bölünebilir malzemenin en küçük kütlesidir.

Bu eşitliktir k= 1 büyük bir doğrulukla korunmalıdır. Zaten k= 1,01 neredeyse anında bir patlama meydana gelecektir. Nükleer fisyon sırasında üretilen nötronların sayısı uranyum ortamının hacmine bağlıdır. Bu hacim ne kadar büyük olursa, nükleer fisyon sırasında salınan nötronların sayısı da o kadar fazla olur. Belirli bir kritik kütleye sahip belirli bir minimum kritik hacimdeki uranyumdan başlayarak, nükleer fisyon reaksiyonu kendi kendine devam eder hale gelir. Nükleer reaksiyonun seyrini etkileyen çok önemli bir faktör, bir nötron moderatörün varlığıdır. Gerçek şu ki, yavaş nötronların etkisi altında uranyum-235 çekirdeği fisyonu. Ve çekirdek fisyonunda hızlı nötronlar üretilir. Hızlı nötronlar yavaşlatılırsa çoğu uranyum-235 çekirdeği tarafından yakalanacak ve ardından nükleer fisyon meydana gelecektir. Moderatör olarak grafit, su, ağır su ve diğerleri gibi maddeler kullanılır.

Saf küresel uranyum U için kritik kütle yaklaşık 50 kg'dır. Bu durumda topun yarıçapı yaklaşık 9 cm'dir, bir nötron moderatörü ve nötronları yansıtan berilyum kabuğu kullanılarak kritik kütleyi 250 g'a düşürmek mümkün olmuştur.

(8 numaralı video parçası)

2. Nükleer reaktör

2.1. Bir nükleer reaktörün ana unsurları türleridir

Nükleer reaktör üreten bir cihazdır Termal enerji nükleer fisyonun kontrollü zincirleme reaksiyonunun bir sonucu olarak.

Uranyum çekirdeğinin fisyonunun ilk kontrollü zincirleme reaksiyonu 1942'de ABD'de İtalyan fizikçi Fermi'nin önderliğinde gerçekleştirildi. Nötron çarpım faktörlü zincir reaksiyonu k= 1.0006 28 dakika sürdü ve ardından reaktör kapatıldı.

Bir nükleer reaktörün ana unsurları şunlardır:

Nükleer yakıt, yakıt elemanları (yakıt elemanları) adı verilen dikey çubuklar şeklinde çekirdekte bulunur. Yakıt çubukları reaktör gücünü düzenlemek için tasarlanmıştır. Her bir yakıt çubuğunun kütlesi kritik kütleden önemli ölçüde daha azdır; bu nedenle bir çubukta zincirleme reaksiyon meydana gelemez. Tüm uranyum çubuklarının çekirdeğe daldırılmasından sonra başlar. Çekirdek, nötronları yansıtan bir malzeme tabakası (reflektör) ve nötronları ve diğer parçacıkları yakalayan koruyucu bir beton kabuk ile çevrelenmiştir.

Reaktör kadmiyum veya bor içeren çubuklar kullanılarak kontrol edilir. Reaktör çekirdeğinden uzatılan çubuklarla k > 1 ve tamamen geri çekildiğinde - İle< 1. Çubukları aktif bölge içinde hareket ettirerek zincir reaksiyonunun gelişimini istediğiniz zaman durdurabilirsiniz. Nükleer reaktörler bir bilgisayar kullanılarak uzaktan kontrol edilir.

Yavaş nötron reaktörü. U çekirdeğinin en verimli fisyonu, yavaş nötronların etkisi altında meydana gelir. Bu tür reaktörlere yavaş nötron reaktörleri denir. Fisyon reaksiyonuyla üretilen ikincil nötronlar hızlıdır. Zincir reaksiyonunda U çekirdekleri ile daha sonraki etkileşimlerinin en etkili olabilmesi için, çekirdeğe bir moderatör - bir madde (ağır su, grafit) sokularak yavaşlatılırlar.

Öğrencilere soru: Bu belirli maddeler neden kullanılıyor? Ağır su, fisyon sonucu açığa çıkan hızlı nötronlarla çarpıştığında momentumun korunumu yasasına göre onları yavaşlatan çok sayıda nötron içerir.

Hızlı nötron reaktörü. Dünya'da çok az miktarda doğal uranyum-235 vardır, bu da toplam uranyum kütlesinin yalnızca %0,715'idir. Doğal uranyumun büyük bir kısmı (%99,28) “nükleer yakıt” olarak uygun olmayan uranyum-238 izotopudur.

Termal (yani yavaş) nötron reaktörlerinde uranyumun yalnızca %1-2'si kullanılır. Uranyumun tam kullanımı, aynı zamanda yeni nükleer yakıtın plütonyum formunda üretilmesini de sağlayan hızlı nötron reaktörlerinde sağlanır.

Hızlı nötron reaktörlerinin avantajı, çalışma sırasında önemli miktarda plütonyum Pu'nun oluşmasıdır; Pu izotopunun en önemli özelliği, U izotopu gibi termal nötronların etkisi altında fisyon yapabilme yeteneğidir ve bu daha sonra bir iyon olarak kullanılabilir. nükleer yakıt. Bu reaktörlere bölünebilir malzeme ürettikleri için üreme reaktörleri adı verilir. Dolayısıyla nükleer enerjinin yakın gelecekte çok önemli bir görevi, konvansiyonel reaktörlerden, yalnızca enerji kaynağı olarak değil, aynı zamanda “plütonyum fabrikası” olarak da hizmet veren üreme reaktörlerine geçiştir. Uranyum-238'i plütonyuma dönüştüren bu reaktörler, "nükleer yakıt" tedarikini önemli ölçüde artırıyor.

Nükleer reaksiyonlar kullanılarak, uranyum ötesi elementler (uranyumdan sonra), yani uranyumdan daha ağır elementler elde edildi. Bu elementler doğada bulunmaz, yapay olarak elde edilir.

Yük numarası 92'den büyük olan ilk element, 1940 yılında Kaliforniya Üniversitesi'ndeki Amerikalı bilim adamları tarafından uranyumu nötronlarla ışınlayarak elde edildi. Neptunyum ve plütonyum üretimi örneğini kullanarak uranyum ötesi elementlerin üretimini ele alalım:

Neptunyumun yarı ömrü 2,3 gün, plütonyum ise 2,44·10 4 yıldır, dolayısıyla büyük miktarlarda birikebilir, bu da nükleer enerji kullanılırken büyük önem taşır. Bugüne kadar aşağıdaki transuranyum elementleri elde edilmiştir: amerikyum (95), berkelyum (97), kaliforniyum (98), aynştaynyum (99), fermiyum (100), m (101), nobelyum (102), lavrensiyum (103) , kurşatyum (104).

2.2. Nükleer enerjinin uygulamaları

Atom çekirdeğinin iç enerjisinin elektrik enerjisine dönüştürülmesi. Nükleer reaktör, termal nükleer enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren bir nükleer enerji santralinin (NPP) ana unsurudur. Nükleer fisyon sonucunda reaktörde termal enerji açığa çıkar. Bu enerji, buhar türbinini döndüren buhar enerjisine dönüştürülür. Buhar türbini de elektrik akımı üreten jeneratör rotorunu döndürür.

Böylece, enerji dönüşümü aşağıdaki şemaya göre gerçekleşir:

uranyum çekirdeğinin iç enerjisi nötronların ve nükleer parçacıkların kinetik enerjisi suyun iç enerjisi buharın iç enerjisi buharın kinetik enerjisi türbin rotoru ve jeneratör rotorunun kinetik enerjisi elektrik enerjisi.( 11 numaralı video parçası).

Öğrencilere ödev: Reaktörün ana elemanlarını etiketleyin.( 12 numaralı slayt)

Görev kontrol ediliyor ( 13 numaralı slayt)

Her fisyon olayı yaklaşık 3.2·10-11 J enerji açığa çıkarır. Bu durumda 3000 MW'lık bir güç, saniyede yaklaşık 1018 fisyon eylemine karşılık gelir. Çekirdek fisyonunda yakıt çubuklarının duvarları çok ısınır. Isı çekirdekten bir soğutucu – su ile uzaklaştırılır. Güçlü reaktörlerde bölge 300 °C sıcaklığa ısıtılır. Kaynamayı önlemek için, yaklaşık 107 Pa (100 atm) basınç altında çekirdekten su ısı alışverişine alınır. Isı eşanjöründe, birincil devrede dolaşan radyoaktif su (soğutucu), ikinci devrede dolaşan sıradan suya ısı verir. Aktarılan ısı, ikinci devredeki suyu buhara dönüştürür. 3 10 6 Pa basınç altında yaklaşık 230 °C sıcaklıktaki bu buhar, bir buhar türbininin kanatlarına yönlendirilir ve bir elektrik enerjisi jeneratörünün rotorunu döndürür. Nükleer enerjinin elektriğe dönüştürülmesi için kullanılması ilk kez 1954 yılında SSCB'de Obninsk'te gerçekleştirildi. 1980 yılında dünyanın ilk hızlı nötron reaktörü Beloyarsk NPP'de fırlatıldı.

Nükleer enerjinin geliştirilmesine yönelik başarılar ve beklentiler

Farklı ES türlerinin çalışmasının çevresel etkilerinin karşılaştırılması.

Hidroelektrik santralin çevresel etkisi ( 14 numaralı slayt):

  • geniş verimli toprak alanlarının su basması;
  • artan yeraltı suyu seviyeleri;
  • bölgelerin sular altında kalması ve önemli arazi alanlarının ekimden çıkarılması;
  • balıkların ve su kütlelerinin diğer sakinlerinin ölümüne yol açan su kütlelerinin “çiçeklenmesi”.

Termik santrallerin çevresel etkisi ( 15 numaralı slayt):

  • paylaştırma büyük miktar sıcaklık;
  • gaz emisyonlarından kaynaklanan atmosferik kirlilik;
  • Nükleer kirlilik;
  • Dünya yüzeyinin cüruf ve taş ocakları ile kirlenmesi.

Nükleer santrallerin çevresel etkisi( 16 numaralı slayt):

  • uranyum cevherlerinin madenciliği ve işlenmesi;
  • radyoaktif atıkların imhası;
  • önemli termal su kirliliğiısınmasından dolayı.

Açık 17 numaralı slayt Farklı santrallerin ürettiği elektriğin dağılımını gösteren bir tablo bulunmaktadır.

1986 olaylarını hatırlamamak mümkün değil ( 18 numaralı slayt). Patlamanın sonuçları ( 19-22 numaralı slayt)

Nükleer reaktörler nükleer denizaltılara ve buz kırıcılara (K 19) kurulur.

Nükleer silah

Bir nükleer bombada yüksek nötron çoğalma faktörüne sahip kontrolsüz bir zincirleme reaksiyon gerçekleştirilir. Neredeyse anında enerji salınımının (patlama) meydana gelebilmesi için reaksiyonun hızlı nötronlarla (moderatör kullanılmadan) ilerlemesi gerekir. Patlayıcı saf uranyum U veya plütonyum Pu'dur.

Bir bomba patladığında sıcaklık milyonlarca kelvin'e ulaşır. Bu sıcaklıkta basınç hızla yükselir ve güçlü bir patlama dalgası oluşur. Aynı zamanda güçlü radyasyon meydana gelir. Bir bomba patlamasından kaynaklanan zincirleme reaksiyon ürünleri oldukça radyoaktiftir ve yaşamı tehdit eder.

1945'te ABD kullandı atom bombaları Japonya'ya karşı ( 23-25 ​​numaralı video parçası). Atom silah testlerinin sonuçları ( 26 numaralı video parçası)

İlaç

1. Radyoaktif radyasyonun biyolojik etkileri.

Radyoaktif radyasyon, gama ve x-ışınlarını, elektronları, protonları, parçacıkları ve ağır elementlerin iyonlarını içerir. İyonlaştırıcı radyasyon olarak da adlandırılır çünkü canlı dokudan geçerek atomların iyonlaşmasına neden olur.

Radyoaktif maddelerden kaynaklanan zayıf emisyonların bile çok büyük bir etkisi vardır. güçlü etki tüm canlı organizmalarda hücrelerin yaşamsal fonksiyonlarını bozar. Yüksek radyasyon yoğunluğunda canlı organizmalar ölür. Radyasyonun tehlikesi, ölümcül dozlarda bile herhangi bir acıya neden olmamalarıyla daha da artmaktadır. Tıpta yenilikler ( 27-29 numaralı slayt)

Biyolojik nesneleri etkileyen etki mekanizması henüz yeterince araştırılmamıştır. Ancak bunun atomların ve moleküllerin iyonlaşmasına bağlı olduğu ve bunun kimyasal aktivitelerinde bir değişikliğe yol açtığı açıktır. Hücrelerin çekirdekleri, özellikle hızla bölünen hücreler, radyasyona karşı en duyarlı olanlardır. Bu nedenle radyasyon öncelikle kemik iliğini etkiler ve bu da kan oluşum sürecini bozar. Daha sonra sindirim sistemi hücrelerine ve diğer organlara zarar gelir.

Radyasyon dozu. İyonlaştırıcı radyasyonun etkilerinin doğası, emilen radyasyonun dozuna ve türüne bağlıdır.

Emilen radyasyonun dozu, ışınlanmış cisim tarafından emilen radyasyon enerjisinin kütlesine oranıdır: .

SI'da emilen radyasyonun dozu grilerle (1 Gy) ifade edilir:

1 Gy, 1 J iyonlaştırıcı radyasyon enerjisinin 1 kg ağırlığındaki ışınlanmış bir maddeye aktarıldığı emilen radyasyon dozuna eşittir.

Doğal arka plan radyasyonu (kozmik ışınlar, çevrenin ve insan vücudunun radyoaktivitesi), kişi başına yılda yaklaşık 2.10-3 Gy radyasyon dozuna karşılık gelir. Uluslararası Radyasyondan Korunma Komisyonu, radyasyonla çalışan kişiler için izin verilen maksimum yıllık dozu 0,05 Gy olarak belirlemiştir. Kısa sürede alınan 3 - 10 Gy'lik radyasyon dozu öldürücüdür.

Uygulamada, sistemik olmayan radyasyon dozu birimi yaygın olarak kullanılmaktadır - röntgen (1 R). 1 Gy yaklaşık 100 R'ye karşılık gelir.

Eşdeğer doz.

Aynı absorpsiyon dozunda farklı radyasyonun farklı biyolojik etkilere neden olması nedeniyle, bu etkileri değerlendirmek için eşdeğer doz (H) adı verilen bir miktar tanıtıldı.

Emilen radyasyonun eşdeğer dozu, emilen radyasyon dozu ile kalite faktörünün çarpımı olarak tanımlanır:

Eşdeğer dozun birimi sieverttir (1 Sv).

1Sv, emilen radyasyon dozunun 1 Gy'ye eşit olduğu eşdeğer doza eşittir .

Eşdeğer dozun değeri, canlı bir organizma için nispeten güvenli ve çok tehlikeli radyasyon dozlarını belirler.

İyonlaştırıcı radyasyonun canlı bir organizma üzerindeki etkileri değerlendirilirken vücudun bazı bölümlerinin (organlar, dokular) diğerlerinden daha hassas olduğu da dikkate alınır. Örneğin aynı eşdeğer dozda kanserin akciğerlerde oluşma olasılığı tiroid bezinden daha fazladır.

Başka bir deyişle, her organ ve dokunun belirli bir radyasyon risk katsayısı vardır (örneğin akciğerler için 0,12 ve tiroid bezi için - 0,03).

Emilen ve eşdeğer dozlar maruz kalma süresine bağlıdır. Diğer şeyler eşit olduğunda bu dozlar ne kadar büyük olursa o kadar fazla olur. daha fazla zamanışınlama.

Radyasyon tedavisine uygun gıda ürünleri ( 30 numaralı slayt).

Bazı canlı organizmalar için yarı öldürücü emilen doz* ( 31 numaralı slayt).

İyonize radyasyonun insanlar üzerindeki biyolojik etkisi (ile 32 numaralı kurşun).

Nüfusun radyasyona maruz kalma düzeyi ( 33 numaralı slayt).

Yapıların ve malzemelerin iyonize radyasyonuna karşı koruyucu etki ( 34 numaralı slayt)

2. Organizmaların radyasyondan korunması.

Herhangi bir radyasyon kaynağıyla çalışırken radyasyondan korunma önlemlerinin alınması gerekir.

En basit korunma yöntemi, personelin radyasyon kaynağından yeterince uzak bir mesafede uzaklaştırılmasıdır. Radyoaktif ilaç içeren ampuller elle tutulmamalıdır. Uzun saplı özel maşa kullanmalısınız.

Radyasyondan korunmak için emici malzemelerden yapılmış bariyerler kullanılır. Örneğin birkaç milimetre kalınlığındaki bir alüminyum tabakası radyasyona karşı koruma görevi görebilir. En zor korunma, yüksek nüfuz etme güçleri nedeniyle radyasyon ve nötronlara karşıdır. Işınları en iyi soğuran kurşundur. Yavaş nötronlar bor ve kadmiyum tarafından iyi emilir. Hızlı nötronlar ilk önce grafit kullanılarak yavaşlatılır.( 35 numaralı video parçası).

Yeni materyal sunarken öğrencilere yönelik sorular

1. Nötronlar neden atom çekirdeğini bombalamak için en uygun parçacıklardır?

2. Bir nötron uranyum çekirdeğine çarptığında ne olur?

3. Uranyum çekirdeği fisyonunda neden enerji açığa çıkar?

4. Nötron çoğalma faktörü neye bağlıdır?

5. Nükleer reaksiyonun kontrolü nedir?

6. Her bir uranyum çubuğunun kütlesinin kritik kütleden daha az olması neden gereklidir?

7. Kontrol çubukları ne için kullanılır? Nasıl kullanılıyorlar?

8. Nükleer reaktörde neden nötron moderatörü kullanılır?

9. Radyasyonun canlılar üzerindeki olumsuz etkilerinin nedeni nedir?

10. İyonlaştırıcı radyasyonun canlı bir organizma üzerindeki etkilerini değerlendirirken hangi faktörler dikkate alınmalıdır?

Numara 5. Dersi özetlemek

Ağır çekirdeklerin pratik amaçlar için kullanılan fisyon enerjisinin, orijinal çekirdek parçalarının kinetik enerjisi olduğu iyi bilinmektedir. Peki bu enerjinin kaynağı nedir? Hangi enerji parçaların kinetik enerjisine dönüştürülür?

Bu konudaki resmi görüşler son derece tutarsızdır. Dolayısıyla Mukhin, ağır bir çekirdeğin bölünmesi sırasında açığa çıkan büyük enerjinin, başlangıçtaki çekirdeğin ve parçaların kütle kusurlarındaki farklılıktan kaynaklandığını yazıyor ve bu mantığa dayanarak, çekirdek bölünmesi sırasındaki enerji verimine ilişkin bir tahmin elde ediyor. uranyum çekirdeğinin bölünmesi: “200 MeV. Ancak ayrıca Coulomb itme enerjisinin, parçaların kinetik enerjisine dönüştüğünü yazıyor; parçalar birbirine yakın olduğunda bu da aynı "200 MeV" oluyor. Bu tahminlerin her ikisinin de deneysel değere yakınlığı elbette etkileyici, ancak konuyla ilgili bir soru şu: parçaların kinetik enerjisine dönüşen şey kütle kusurlarındaki fark mı yoksa Coulomb itme enerjisi mi? Mürver hakkında bize ne anlatacağınıza siz karar vereceksiniz en ya da Kiev'deki adam hakkında!

Bu çıkmaz ikilemi teorisyenlerin kendileri yarattılar: Mantıklarına göre, kesinlikle hem kütle kusurlarındaki farklılığa hem de Coulomb itmesine ihtiyaç duyuyorlar. Birinden ya da diğerinden vazgeçtiğinizde, nükleer fizikteki geleneksel başlangıç ​​öncüllerinin değersizliği tamamen ortaya çıkacaktır. Mesela neden kütle kusurlarındaki farklılıktan bahsediyorlar? Daha sonra, ağır çekirdeklerin bölünmesi olgusunun olasılığını bir şekilde açıklamak için. Ağır çekirdeklerin bölünmesinin enerji açısından uygun olduğu için gerçekleştiğine bizi ikna etmeye çalışıyorlar. Ne tür mucizeler? Ağır bir çekirdek fisyona uğradığında nükleer bağların bir kısmı yok edilir ve nükleer bağların enerjileri MeV cinsinden hesaplanır! Çekirdekteki nükleonlar, atomik elektronlardan daha güçlü bağlı büyüklük sıralarına sahiptir. Ve deneyim bize sistemin tam olarak enerjisel avantaj alanında kararlı olduğunu öğretiyor - ve eğer enerjisel olarak parçalanması uygun olsaydı, hemen parçalanırdı. Ancak doğada uranyum cevheri yatakları var! Uranyum çekirdeğinin fisyonunun ne tür “enerji faydalarından” bahsedebiliriz?



Ağır bir çekirdeğin bölünmesinin avantajlı olduğu varsayımının saçmalığının çok çarpıcı olmaması için, teorisyenler kırmızı ringa balığı manevrasına giriştiler: bu "avantaj"dan, atoma atfedilebilecek ortalama bağlanma enerjisi cinsinden bahsediyorlar. nükleon başına. Gerçekten de, atom numarasının artmasıyla birlikte çekirdekteki kütle kusurunun büyüklüğü de artar, ancak nötron fazlalığı nedeniyle çekirdekteki nükleonların sayısı daha hızlı artar. Bu nedenle ağır çekirdekler için nükleon başına hesaplanan toplam bağlanma enerjisi, atom numarasının artmasıyla azalır. Ağır çekirdeklerin paylaşılması gerçekten faydalı görünüyor mu? Ne yazık ki bu mantık, nükleer bağların kapsadığı geleneksel fikirlere dayanıyor. TümÇekirdekteki nükleonlar. Bu varsayım altında, nükleon başına ortalama bağlanma enerjisi e 1, D çekirdeğinin bağlanma enerjisinin bölümüdür e Nükleon sayısına göre:

e 1 =D e/A, D e=(Zm p +( A'dan Z'ye)m n)C 2 -(M-de - Zm e)C 2 , (4.13.1)

Nerede Z- atom numarası, yani proton sayısı, A- nükleon sayısı, M P, m n Ve Ben– sırasıyla proton, nötron ve elektronun kütleleri, M atomun kütlesidir. Ancak çekirdekle ilgili geleneksel düşüncelerin yetersizliğini yukarıda zaten göstermiştik ( 4.11 ). Ve eğer önerilen modelin mantığına göre ( 4.12 ), nükleon başına bağlanma enerjisini hesaplarken, çekirdekteki geçici olarak nükleer bağlarla kaplanmayan nükleonları hesaba katmayın, o zaman (4.13.1)'den farklı bir formül elde edeceğiz. Mevcut bağlı nükleon sayısının 2 olduğunu varsayarsak Z (4.12 ) ve her birinin bağlantı süresinin yalnızca yarısı boyunca bağlı olduğunu ( 4.12 ), daha sonra nükleon başına ortalama bağlanma enerjisi için aşağıdaki formülü elde ederiz:

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

(4.13.1)'den yalnızca paydada farklılık gösterir. Düzleştirilmiş Özellikler e 1 (Z) Ve e 1 * (Z) üzerinde verilmektedir Şekil 4.13. Her zamanki programın aksine e 1 (Z), birçok ders kitabında yer alan grafik e 1 * (Z) çarpıcı bir özelliğe sahiptir: ağır çekirdekler için şunu gösterir: bağımsızlık Nükleon başına bağlanma enerjisi, nükleon sayısına bağlıdır. Bu, modelimizden ( 4.12 ) sağduyuya uygun olarak, ağır çekirdeklerin bölünmesinden herhangi bir "enerji faydasından" söz edilemeyeceği sonucu çıkar. Yani, parçaların kinetik enerjisi, orijinal çekirdeğin ve parçaların kütle kusurları arasındaki farkla belirlenemez.

Şekil 4.13

Aynı sağduyuya uygun olarak, Coulomb itmelerinin enerjisi, parçaların kinetik enerjisine dönüştürülemez: her iki teorik argümanı da sunduk ( 4.7 , 4.12 ) ve deneysel kanıtlar ( 4.12 ) çekirdeği oluşturan parçacıklar için Coulomb itmesinin olmadığı.

O halde ağır bir çekirdeğin parçalarının kinetik enerjisinin kaynağı nedir? Öncelikle şu soruyu cevaplamaya çalışacağız: nükleer bir zincir reaksiyonunda nükleer fisyonlara neden önceki fisyonlar sırasında yayılan nötronlar neden oluyor - üstelik termal nötronlar, yani. nükleer ölçekte ihmal edilebilecek düzeyde enerjiye sahiptir. Termal nötronların ağır çekirdekleri parçalama yeteneğine sahip olduğu gerçeğiyle, ağır çekirdeklerdeki şu anda "fazla" nötronların serbest olduğu yönündeki sonucumuzu uzlaştırmak zor görünüyor ( 4.12 ). Ağır çekirdek, kelimenin tam anlamıyla termal nötronlarla yüklüdür, ancak aynı zamanda hiç bozunmaz - her ne kadar ani bölünmesi, önceki fisyon sırasında yayılan tek termal nötronun içine girmesine neden olsa da.

Ağır çekirdeklerde geçici olarak serbest kalan termal nötronların ve ağır çekirdeklerin bölünmesi sırasında yayılan termal nötronların hala birbirinden farklı olduğunu varsaymak mantıklıdır. Her ikisinde de nükleer kesinti olmadığından, farklı olabilecekleri serbestlik derecesi, bileşiminde yer alan çiftlerin döngüsel dönüşümleri yoluyla nötrondaki iç iletişimi sağlayan süreç tarafından sahip olunmalıdır ( 4.10 ). Ve burada gördüğümüz tek özgürlük derecesi olasılıktır. zayıflama“kitlelerin büyümesine ilişkin” bu iç bağlantı ( 4.10 ), karşılık gelen g-kuantanın emisyonu ile nötrondaki döngüsel dönüşümlerin sıklığındaki azalma nedeniyle. Nötronların bu kadar zayıflamış bir duruma getirilmesi - örneğin, ağır çekirdeklerin bozunması sırasında, enerjinin bir formdan diğerine aşırı dönüşümlerinin meydana geldiği sırada - bize alışılmadık bir şey gibi görünmüyor. Nötronun zayıflamış hali, görünüşte nötronu üreten programın anormal işleyişinden kaynaklanmaktadır. fiziksel dünya– ve aynı zamanda bir nötronun bir protona ve bir elektrona bozunması daha kolaydır. Nükleer reaktörlerden yayılan nötronların ortalama 17 dakikalık ömrünün zayıflatılmış nötronlar için tipik olduğu görülmektedir. Bize göre zayıflatılmamış bir nötron, onu bağlayan algoritma çalıştığı sürece yaşayabilir ( 4.10 ), yani süresiz olarak.

Zayıflamış bir nötron ağır bir çekirdeği nasıl parçalıyor? Zayıflatılmamış nötronlarla karşılaştırıldığında, zayıflatılmış nötronların nükleon titreşimlerinin kesintiye uğrama süresi daha yüksektir. Çekirdeğe giren böyle bir nötronun nükleer kesintileri "açık"sa, böylece bir miktar protonla bağlantılı olduğu ortaya çıkarsa, o zaman yukarıda açıklanan üçlü bağların değiştirilmesinin senkronizasyonu N 0 -P + -N 0 (4.12 ) imkansız olacaktır. Sonuç olarak, karşılık gelen a-kompleksindeki bağların senkronizasyonu bozulacak ve bu da a-komplekslerini en uygun şekilde yeniden şekillendiren ve çekirdeğin dinamik yapısını sağlayan bir dizi bağ değiştirme başarısızlığına neden olacaktır ( 4.12 ). Mecazi anlamda konuşursak, çekirdekten, nükleer bağların güçlü bir şekilde kırılmasıyla değil, bunların anahtarlamalarının senkronizasyonunun ihlal edilmesiyle oluşturulan bir çatlak geçecektir. dikkat et ki kilit noktaçünkü açıklanan senaryo, zayıflamış bir nötrondaki nükleer bağın "açılmasıdır" ve bu "açılmanın" gerçekleşmesi için nötronun yeterince düşük bir kinetik enerjiye sahip olması gerekir. Birkaç yüz keV'lik kinetik enerjiye sahip nötronların neden yalnızca ağır bir çekirdeği harekete geçirdiğini, oysa enerjileri bir eV'nin yalnızca birkaç yüzde biri kadar olan termal nötronların onu etkili bir şekilde yok edebildiğini bu şekilde açıklıyoruz.

Ne görüyoruz? Çekirdek iki parçaya bölündüğünde, normal anahtarlama modunda olan nükleer bağlantılar ( 4.12 ), bu iki parçayı orijinal çekirdeğe bağladı. Bazı nükleonların içsel enerjilerinin nükleer bağların enerji miktarı kadar azaldığı ancak bu bağların artık mevcut olmadığı anormal bir durum ortaya çıkar. Otonom enerji dönüşümleri ilkesinin mantığına göre bu anormaldir ( 4.4 ), durum hemen şu şekilde düzeltilir: nükleonların kendi enerjileri olduğu gibi kalır ve çürümüş bağların eski enerjileri, nükleonların kinetik enerjisine ve nihayetinde parçaların kinetik enerjisine dönüştürülür. Bu nedenle, ağır bir çekirdeğin fisyon enerjisi, başlangıçtaki çekirdek ile parçalar arasındaki kütle kusurları farkıyla ya da parçaların Coulomb itme enerjisiyle belirlenmez. Parçaların kinetik enerjisi eski enerji Bu parçaları orijinal çekirdekte tutan nükleer bağlar. Bu sonuç çarpıcı ve az bilinen gerçek Nükleer fisyonu başlatan etkinin gücü ne olursa olsun, parçaların kinetik enerjisinin sabitliği. Böylece, uranyum çekirdeğinin fisyonu 450 MeV enerjili protonlar tarafından başlatıldığında, parçaların kinetik enerjisi 163 ± 8 MeV idi, yani. bir eV'nin yüzde biri enerjiye sahip termal nötronlar tarafından fisyonun başlatılmasıyla aynı miktarda!

Önerilen modele dayanarak, en olası seçeneğe göre, 92 U 235® 36 Kr 94 + 56 Ba 139'a göre bir uranyum çekirdeğinin fisyon enerjisinin yaklaşık bir tahminini yapacağız; buradaki parçalar 18 ve 28 a-komplekslerini içerir . Bu 18 ve 28 a-komplekslerinin orijinal çekirdeğe, her biri ortalama 20 MeV enerjiye sahip 8-10 değiştirilebilir bağ kullanılarak bağlandığını varsayarsak (bkz. Şekil 4.13), o zaman parçaların enerjisi 160-200 MeV olmalıdır, yani. Gerçeğe yakın bir değer.



 

Okumak faydalı olabilir: