Neden fisyon reaksiyonu? Ders özeti "Uranyum çekirdeğinin bölünmesi

>> Uranyum çekirdeğinin bölünmesi

§ 107 URANYUM ÇEKİRDEĞİNİN FİZYONU

Sadece bazılarının çekirdekleri parçalara ayrılabilir ağır elementler. Çekirdek fisyonunda iki veya üç nötron ve -ışın yayılır. Aynı zamanda çok fazla enerji açığa çıkar.

Uranyum fisyonunun keşfi. Uranyum çekirdeğinin fisyonu, 1938'de Alman bilim adamları O. Hahn iF tarafından keşfedildi. Strasmann. Uranyum nötronlarla bombardıman edildiğinde orta kısımdaki elementlerin ortaya çıktığını buldular. periyodik tablo: baryum, kripton vb. Ancak bu gerçeğin, bir uranyum çekirdeğinin bir nötronu yakalayan fisyonu olarak doğru yorumu, 1939'un başında İngiliz fizikçi O. Frisch tarafından Avusturyalı fizikçi L. Meitner ile birlikte verildi.

Nötron yakalama çekirdeğin stabilitesini bozar. Çekirdek heyecanlanır ve kararsız hale gelir, bu da onun parçalara bölünmesine yol açar. Nükleer fisyon mümkündür çünkü ağır bir çekirdeğin kalan kütlesi, fisyondan kaynaklanan parçaların geri kalan kütlelerinin toplamından daha büyüktür. Bu nedenle, fisyona eşlik eden durgun kütledeki azalmaya eşdeğer bir enerji açığa çıkar.

Ağır çekirdeklerin fisyon olasılığı, bağımlılık grafiği kullanılarak da açıklanabilir. özgül enerji A kütle numarasından bağlantı (bkz. Şekil 13.11). Periyodik tabloda yer alan elementlerin atomlarının çekirdeklerinin spesifik bağlanma enerjisi son yerler(A 200), periyodik tablonun ortasında yer alan elementlerin çekirdeklerindeki spesifik bağlanma enerjisinden (A 100) yaklaşık 1 MeV daha azdır. Bu nedenle, ağır çekirdeklerin periyodik tablonun orta kısmındaki elementlerin çekirdeklerine bölünmesi süreci enerjik olarak uygundur. Fisyondan sonra sistem minimum iç enerjiye sahip bir duruma girer. Sonuçta çekirdeğin bağlanma enerjisi ne kadar büyük olursa, çekirdeğin ortaya çıkmasıyla açığa çıkması gereken enerji de o kadar büyük olur ve dolayısıyla yeni oluşan sistemin iç enerjisi de o kadar az olur.

Nükleer fisyon sırasında, nükleon başına bağlanma enerjisi 1 MeV artar ve açığa çıkan toplam enerji, 200 MeV civarında çok büyük olmalıdır. Başka hiçbir nükleer reaksiyon (fisyonla ilgili olmayan) bu kadar büyük enerji açığa çıkarmaz.

Uranyum çekirdeğinin bölünmesi sırasında açığa çıkan enerjinin doğrudan ölçümleri yukarıdaki düşünceleri doğruladı ve 200 MeV değerini verdi. Üstelik bu enerjinin çoğu (168 MeV) parçaların kinetik enerjisine düşüyor. Şekil 13.13'te bir bulut odasında bölünebilir uranyum parçalarının izlerini görüyorsunuz.

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

Nükleer fisyon mekanizması. Atom çekirdeğinin fisyon süreci şu şekilde açıklanabilir: damlama modeliçekirdekler. Bu modele göre, bir grup nükleon, yüklü bir sıvı damlacığına benzer (Şekil 13.14, a). Nükleonlar arasındaki nükleer kuvvetler, sıvı moleküller arasındaki kuvvetler gibi kısa menzillidir. İle birlikte büyük kuvvetlerÇekirdeği parçalara ayırma eğiliminde olan protonlar arasındaki elektrostatik itme daha da büyüktür nükleer kuvvetler cazibe. Bu kuvvetler çekirdeğin parçalanmasını önler.

Uranyum-235 çekirdeğinin şekli küreseldir. Fazladan bir nötron emdikten sonra heyecanlanır ve deforme olmaya başlar ve uzun bir şekil alır (Şekil 13.14, b). Çekirdek, uzatılmış çekirdeğin yarımları arasındaki itici kuvvetler, kıstak içinde hareket eden çekici kuvvetlere üstün gelmeye başlayana kadar gerilecektir (Şekil 13.14, c). Bundan sonra iki parçaya ayrılır (Şekil 13.14, d).

Etkisi altında Coulomb kuvvetleri itme kuvvetiyle bu parçalar ışık hızının 1/30'u kadar bir hızla dağılır.

Fisyon sırasında nötron emisyonu. Nükleer fisyonun temel gerçeği, fisyon süreci sırasında iki ila üç nötronun emisyonudur. Bunu mümkün kılan şey buydu pratik kullanım intranükleer enerji.

Emisyonun neden oluştuğunu anlayın serbest nötronlar aşağıdaki hususlara dayanarak mümkündür. Kararlı çekirdeklerdeki nötron sayısının proton sayısına oranının arttıkça arttığı bilinmektedir. atom numarası. Bu nedenle, fisyon sırasında ortaya çıkan parçalardaki göreceli nötron sayısı, periyodik tablonun ortasında bulunan atom çekirdekleri için izin verilenden daha fazladır. Sonuç olarak, fisyon işlemi sırasında çok sayıda nötron açığa çıkar. Onların enerjisi var farklı anlamlar- birkaç milyon elektron volttan sıfıra yakın çok küçük elektron voltlara kadar.

Fisyon genellikle kütleleri yaklaşık 1,5 kat farklı olan parçalar halinde meydana gelir. Bu parçalar aşırı miktarda nötron içerdikleri için oldukça radyoaktiftir. Bir dizi ardışık bozunma sonucunda, sonunda kararlı izotoplar elde edilir.

Sonuç olarak, uranyum çekirdeğinin kendiliğinden fisyonunun da olduğunu not ediyoruz. Açıktı Sovyet fizikçileri G.N. Flerov ve K.A. Petrzhak, 1940. Kendiliğinden fisyonun yarı ömrü 10 16 yıldır. Bu iki milyon kere daha fazla dönem Uranyumun bozunması sırasında yarılanma ömrü.

Nükleer fisyon reaksiyonuna enerji salınımı eşlik eder.

Uranyum çekirdeğinin nötronlarla bombardıman edildiğinde fisyonu, 1939'da Alman bilim adamları Otto Hahn ve Fritz Strassmann tarafından keşfedildi.

Otto Hahn'ın (1879-1968)
Alman fizikçi, radyokimya alanında öncü bilim adamı. Uranyumun ve bir dizi radyoaktif elementin fisyonunu keşfetti

Fritz Strasmann (1902-1980)
Alman fizikçi ve kimyager. Eserler nükleer kimya ile ilgilidir. nükleer fisyon. Fisyon sürecinin kimyasal kanıtını verdi

Bu fenomenin mekanizmasını ele alalım. Şekil 162a geleneksel olarak bir uranyum atomunun çekirdeğini göstermektedir. Fazladan bir nötronu emen çekirdek uyarılır ve deforme olur ve uzun bir şekil alır (Şekil 162, b).

Pirinç. 162. Uranyum çekirdeğinin içine giren bir nötronun etkisi altında fisyon süreci

Çekirdekte iki tür kuvvetin iş başında olduğunu zaten biliyorsunuz: Çekirdeği parçalamaya çalışan protonlar arasındaki elektrostatik itme kuvvetleri ve çekirdeğin çürümemesini sağlayan tüm nükleonlar arasındaki nükleer çekim kuvvetleri. Ancak nükleer kuvvetler kısa menzillidir, dolayısıyla uzun bir çekirdekte, çekirdeğin birbirinden çok uzak kısımlarını artık tutamazlar. Elektrostatik itici kuvvetlerin etkisi altında çekirdek, birbirinden ayrılan iki parçaya (Şekil 162, c) ayrılır. farklı taraflar muazzam bir hızda ve 2-3 nötron yayar.

O kısım çıkıyor iç enerjiçekirdek, uçan parçaların ve parçacıkların kinetik enerjisine dönüştürülür. Parçalar çevrede hızlı bir şekilde yavaşlayarak onların kinetik enerji ortamın iç enerjisine (yani onu oluşturan parçacıkların etkileşim enerjisine ve termal hareket enerjisine) dönüştürülür.

Eş zamanlı bölme ile büyük miktar uranyum çekirdeği, uranyumu çevreleyen ortamın iç enerjisi ve buna bağlı olarak sıcaklığı gözle görülür şekilde artar (yani ortam ısınır).

Böylece uranyum çekirdeğinin fisyon reaksiyonu enerjinin açığa çıkmasıyla gerçekleşir. çevre.

Atom çekirdeğinde bulunan enerji muazzamdır. Örneğin 1 gram uranyumun tüm çekirdeklerinin tamamen bölünmesiyle, 2,5 ton petrolün yanması sırasında açığa çıkan enerji kadar enerji açığa çıkacaktır. İç enerjiyi dönüştürmek için atom çekirdeği nükleer santrallerdeki elektrik enerjisinde sözde kullanıyorlar nükleer fisyon zincir reaksiyonları.

Uranyum izotop çekirdeğinin fisyonunun zincirleme reaksiyonunun mekanizmasını ele alalım. Nötron yakalamanın bir sonucu olarak bir uranyum atomunun çekirdeği (Şekil 163) iki parçaya bölünerek üç nötron yayar. Bu nötronlardan ikisi, iki çekirdeğin daha fisyon reaksiyonuna neden olarak dört nötron üretti. Bunlar da dört çekirdeğin bölünmesine neden oldu, ardından dokuz nötron üretildi vb.

Her çekirdeğin fisyonunun, diğer çekirdeklerin fisyonunda yer alabilecek 2-3 nötron üretmesi nedeniyle bir zincirleme reaksiyon mümkündür.

Şekil 163'te bir zincirleme reaksiyon diyagramı gösterilmektedir; toplam sayı Bir uranyum parçasındaki serbest nötronlar zamanla çığ gibi artıyor. Buna göre nükleer fisyon sayısı ve birim zamanda açığa çıkan enerji keskin bir şekilde artmaktadır. Bu nedenle, böyle bir reaksiyon doğası gereği patlayıcıdır (atom bombasında meydana gelir).

Pirinç. 163. Uranyum çekirdeğinin fisyonunun zincirleme reaksiyonu

Serbest nötron sayısının zamanla azaldığı başka bir seçenek de mümkündür. Bu durumda zincirleme reaksiyon durur. Dolayısıyla böyle bir reaksiyon elektrik üretiminde de kullanılamaz.

İÇİNDE barışçıl amaçlarla Enerjiyi yalnızca nötron sayısının zamanla değişmediği bir zincirleme reaksiyonda kullanmak mümkündür.

Nötron sayısının her zaman sabit kalmasını nasıl sağlayabiliriz? Bu sorunu çözmek için, zincirleme reaksiyonun meydana geldiği bir uranyum parçasındaki serbest nötronların toplam sayısındaki artış ve azalmayı hangi faktörlerin etkilediğini bilmeniz gerekir.

Bu faktörlerden biri uranyumun kütlesidir. Gerçek şu ki, nükleer fisyon sırasında yayılan her nötron diğer çekirdeklerin fisyonuna neden olmaz (bkz. Şekil 163). Bir uranyum parçasının kütlesi (ve buna bağlı olarak boyutları) çok küçükse, o zaman birçok nötron ondan uçacak, yolda çekirdekle buluşacak zamanı olmayacak, bölünmesine neden olacak ve böylece yeni bir nesil üretecek. Reaksiyonun devamı için nötronlar gereklidir. Bu durumda zincirleme reaksiyon duracaktır. Reaksiyonun devam edebilmesi için uranyum kütlesinin belirli bir değere kadar arttırılması gerekir. kritik.

Kütle arttıkça zincirleme reaksiyon neden mümkün oluyor? Parçanın kütlesi ne kadar büyük olursa, boyutları da o kadar büyük olur ve daha uzun yol Nötronların içinden geçtiği. Bu durumda nötronların çekirdeklerle karşılaşma olasılığı artar. Buna bağlı olarak nükleer fisyonların sayısı ve yayılan nötronların sayısı artar.

Uranyumun kritik kütlesinde, nükleer fisyon sırasında üretilen nötronların sayısı sayıya eşit kayıp nötronlar (yani çekirdekler tarafından fisyon olmadan yakalanır ve parçanın dışına yayılır).

Bu nedenle toplam sayıları değişmeden kalır. Bu durumda zincirleme bir reaksiyon meydana gelebilir uzun zaman durmadan veya patlayıcı hale gelmeden.

• Zincirleme reaksiyonun meydana gelebileceği en küçük uranyum kütlesine kritik kütle denir.

Uranyumun kütlesi kritik kütleden büyükse, serbest nötronların sayısındaki keskin bir artış sonucunda zincirleme reaksiyon bir patlamaya yol açar ve kritik kütleden azsa reaksiyon gerçekleşmez. serbest nötron eksikliği nedeniyle devam edin.

Nötronların (çekirdeklerle reaksiyona girmeden uranyumdan uçup giden) kaybı, yalnızca uranyumun kütlesinin arttırılmasıyla değil, aynı zamanda özel bir yansıtıcı kabuk kullanılarak da azaltılabilir. Bunu yapmak için, nötronları iyi yansıtan bir maddeden (örneğin berilyum) yapılmış bir kabuğa bir parça uranyum yerleştirilir. Bu kabuktan yansıyan nötronlar uranyuma geri döner ve nükleer fisyonda yer alabilir.

Zincirleme reaksiyon olasılığının bağlı olduğu başka faktörler de vardır. Örneğin, bir uranyum parçası çok fazla yabancı madde içeriyorsa kimyasal elementler, sonra emerler çoğu nötronlar ve reaksiyon durur.

Uranyumda nötron moderatörünün varlığı da reaksiyonun gidişatını etkiler. Gerçek şu ki uranyum-235 çekirdeği büyük olasılıkla yavaş nötronların etkisi altında fisyon. Ve çekirdekler bölündüğünde oluşurlar hızlı nötronlar. Hızlı nötronlar yavaşlatılırsa, çoğu uranyum-235 çekirdekleri tarafından yakalanacak ve ardından bu çekirdekler bölünecek. Grafit, su, ağır su (kütle numarası 2 olan bir hidrojen izotopu olan döteryum içerir) ve diğerleri gibi maddeler moderatör olarak kullanılır. Bu maddeler nötronları neredeyse absorbe etmeden sadece yavaşlatır.

Bu nedenle, bir zincirleme reaksiyonun meydana gelme olasılığı, uranyumun kütlesi, içindeki yabancı maddelerin miktarı, bir kabuğun ve moderatörün varlığı ve diğer bazı faktörler tarafından belirlenir.

Küresel bir uranyum-235 parçasının kritik kütlesi yaklaşık 50 kg'dır. Üstelik uranyumun yoğunluğu çok yüksek olduğundan yarıçapı yalnızca 9 cm'dir.

Bir moderatör ve yansıtıcı bir kabuk kullanarak ve yabancı maddelerin miktarını azaltarak, uranyumun kritik kütlesini 0,8 kg'a düşürmek mümkündür.

Sorular

1. Nükleer fisyon neden ancak kendisi tarafından emilen bir nötronun etkisi altında deforme olduğunda başlayabilir?
2. Nükleer fisyon sonucu ne oluşur?
3. Çekirdeğin iç enerjisinin bir kısmı bölünmesi sırasında hangi enerjiye dönüşür? Uranyum çekirdeğinin parçalarının ortamda yavaşladıklarında kinetik enerjisi?
4. Uranyum çekirdeklerinin fisyon reaksiyonu nasıl ilerliyor - enerjinin çevreye salınmasıyla mı yoksa tersine enerjinin emilmesiyle mi?
5. Şekil 163'ü kullanarak zincirleme reaksiyonun mekanizmasını açıklayın.
6. Uranyumun kritik kütlesi nedir?
7. Uranyumun kütlesi kritik kütleden azsa zincirleme bir reaksiyonun meydana gelmesi mümkün müdür? daha mı kritik? Neden?

2. Reaksiyonun enerji çıkışına hangi enerji denir? Bir fisyon reaksiyonunun enerji verimi nasıl tahmin edilir?

3. Zincirleme reaksiyonun hızını hangi değer karakterize eder? Zincirleme reaksiyonun gelişmesi için gerekli koşulu yazınız.

4. Kendi kendine devam eden fisyon reaksiyonu hangisidir? Ne zaman ortaya çıkar?

5. Kritik çekirdek boyutunu ve kritik kütleyi değerlendirin.

N, çekirdeklerin konsantrasyonudur. Bir nötronun birim zaman başına çekirdeklerle çarpışma sayısı n.

Nükleer fisyon reaksiyonları- nötronların etkisi altındaki ağır bir çekirdeğin ve daha sonra ortaya çıktığı gibi diğer parçacıkların birkaç daha hafif çekirdeğe (parçalara), çoğunlukla benzer kütleye sahip iki çekirdeğe bölünmesinden oluşan fisyon reaksiyonları.

Nükleer fisyonun bir özelliği, buna iki veya üç ikincil nötronun emisyonunun eşlik etmesidir. fisyon nötronları. Orta çekirdekler için nötron sayısı yaklaşık olarak proton sayısına eşit olduğundan ( N/Z ≈ 1) ve ağır çekirdekler için nötron sayısı proton sayısını önemli ölçüde aşıyor ( N/Z ≈ 1.6), daha sonra ortaya çıkan fisyon parçaları nötronlarla aşırı yüklenir ve bunun sonucunda fisyon nötronlarını serbest bırakırlar. Bununla birlikte, fisyon nötronlarının emisyonu, parça çekirdeklerinin nötronlarla aşırı yüklenmesini tamamen ortadan kaldırmaz. Bu, parçaların radyoaktif hale gelmesine neden olur. γ kuantum emisyonunun eşlik ettiği bir dizi β - - dönüşümüne maruz kalabilirler. β - bozunmasına bir nötronun bir protona dönüşümü eşlik ettiğinden, bir β - dönüşüm zincirinden sonra parçadaki nötronlar ve protonlar arasındaki oran, kararlı bir izotopa karşılık gelen bir değere ulaşacaktır. Örneğin, bir uranyum çekirdeğinin bölünmesi sırasında U

Ü+ n → Xe + Sr +2 N(265.1)

fisyon parçası Xe, üç β bozunması eyleminin bir sonucu olarak, dönüşür kararlı izotop Lantana La:

heh → C'ler → Ba → La.

Fisyon parçaları çeşitli olabilir, dolayısıyla U'nun bölünmesine yol açan tek reaksiyon (265.1) değildir.

Fisyon nötronlarının çoğu neredeyse anında yayılır ( T≤ 10 –14 s) ve bir kısmı (yaklaşık %0,7) fisyondan bir süre sonra (0,05 s ≤) fisyon fragmanları tarafından yayılır. T≤ 60 sn). Bunlardan ilki denir ani, ikinci - gecikme. Ortalama olarak her fisyon olayı 2,5 nötron üretir. Nötron başına yaklaşık 2 MeV ortalama enerjiye sahip, 0 ila 7 MeV arasında değişen nispeten geniş bir enerji spektrumuna sahiptirler.

Hesaplamalar, nükleer fisyona büyük miktarda enerjinin açığa çıkmasının da eşlik etmesi gerektiğini gösteriyor. Aslında çekirdekler için spesifik bağlanma enerjisi ortalama ağırlık yaklaşık 8,7 MeV'dir, ağır çekirdekler için ise 7,6 MeV'ye eşittir. Sonuç olarak, ağır bir çekirdek iki parçaya bölündüğünde, nükleon başına yaklaşık 1,1 MeV'ye eşit bir enerji açığa çıkmalıdır.

Atom çekirdeğinin fisyon teorisi (N. Bohr, Ya. I. Frenkel), çekirdeğin damlacık modeline dayanmaktadır. Çekirdek, elektrik yüklü sıkıştırılamaz bir sıvı damlası olarak kabul edilir (yoğunluğu nükleer yoğunluğa eşit olan ve yasalara uyan) kuantum mekaniği), bir nötron çekirdeğe çarptığında parçacıkları salınım hareketi Bunun sonucunda çekirdek iki parçaya bölünür ve muazzam bir enerjiyle birbirinden ayrılır.

Nükleer fisyonun olasılığı nötronların enerjisine göre belirlenir. Örneğin, yüksek enerjili nötronlar hemen hemen tüm çekirdeklerin bölünmesine neden oluyorsa, o zaman birkaç mega elektron voltluk enerjiye sahip nötronlar yalnızca ağır çekirdeklerin bölünmesine neden olur ( A>210), Nötronlar aktivasyon enerjisi(nükleer fisyon reaksiyonunu gerçekleştirmek için gereken minimum enerji) 1 MeV düzeyinde, uranyum U, toryum Th, protaktinyum Pa, plütonyum Pu çekirdeklerinin bölünmesine neden olur. Termal nötronlar U, Pu ve U, Th'nin çekirdeklerini böler (son iki izotop doğada oluşmaz, yapay olarak elde edilir).

Nükleer fisyon sırasında yayılan ikincil nötronlar yeni fisyon olaylarına neden olabilir. fisyon zincirleme reaksiyonu- Reaksiyona neden olan parçacıkların bu reaksiyonun ürünleri olarak oluştuğu nükleer reaksiyon. Fisyon zincir reaksiyonu şu şekilde karakterize edilir: çarpma faktörü k nötronlar, hangi orana eşit Belirli bir nesildeki nötron sayısının önceki nesildeki sayısına oranı. Gerekli bir koşul Bir fisyon zincirleme reaksiyonunun geliştirilmesi için gereksinim k ≥ 1.

Üretilen tüm ikincil nötronların daha sonra nükleer fisyona neden olmadığı, bunun da çarpma faktörünün azalmasına yol açtığı ortaya çıktı. Öncelikle sonlu boyutlardan dolayı çekirdek(değerli bir reaksiyonun meydana geldiği alan) ve nötronların yüksek nüfuz etme kabiliyeti nedeniyle, bazıları herhangi bir çekirdek tarafından yakalanmadan aktif bölgeyi terk edecektir. İkinci olarak, bazı nötronlar, çekirdekte her zaman mevcut olan bölünebilir olmayan safsızlıkların çekirdekleri tarafından yakalanır. Ayrıca, fisyonla birlikte, ışınım yakalama ve elastik olmayan saçılma gibi rakip süreçler de gerçekleşebilir.

Çarpma katsayısı bölünebilir maddenin doğasına bağlıdır ve Belirli bir izotopun– aktif bölgenin büyüklüğü ve şeklinin yanı sıra miktarına da bağlıdır. Zincirleme reaksiyonun mümkün olduğu aktif bölgenin minimum boyutlarına denir. kritik boyutlar. Kritik boyutlardaki bir sistemin uygulanması için gerekli olan bölünebilir malzemenin minimum kütlesi zincirleme reaksiyon, isminde kritik kütle.

Zincir reaksiyonların gelişme hızı farklıdır. İzin vermek T - ortalama süre

bir neslin yaşamı ve N- belirli bir nesildeki nötron sayısı. Gelecek nesilde sayıları eşit kN,T. e. nesil başına nötron sayısındaki artış dN = kN – N = N(k- 1). Birim zamandaki nötron sayısının yani zincir reaksiyonunun büyüme hızının artması,

. (266.1)

(266.1)'i entegre ederek şunu elde ederiz:

,

Nerede Hayır 0– nötron sayısı başlangıç ​​anı zaman ve N- aynı anda sayıları T. N işaretiyle belirlenir ( k– 1). Şu tarihte: k>1 geliyor tepki geliştirme, Fisyonların sayısı sürekli olarak artar ve reaksiyon patlayıcı hale gelebilir. Şu tarihte: k=1 gider kendi kendine devam eden reaksiyon Nötron sayısının zamanla değişmediği. Şu tarihte: k <1 идет solma reaksiyonu

Zincirleme reaksiyonlar kontrollü ve kontrolsüz olanları içerir. Örneğin atom bombasının patlaması kontrolsüz bir reaksiyondur. Depolama sırasında bir atom bombasının patlamasını önlemek için, içindeki U (veya Pu), kütleleri kritik değerin altında olacak şekilde birbirinden uzak iki parçaya bölünür. Daha sonra sıradan bir patlamanın yardımıyla bu kütleler birbirine yaklaşır, bölünebilir maddenin toplam kütlesi kritik olandan daha büyük hale gelir ve büyük miktarda enerjinin anında salınması ve büyük yıkımın eşlik ettiği patlayıcı bir zincirleme reaksiyon meydana gelir. . Patlayıcı reaksiyon, kendiliğinden fisyondan elde edilen nötronlar veya kozmik radyasyondan gelen nötronlar nedeniyle başlar. Nükleer reaktörlerde kontrollü zincirleme reaksiyonlar meydana gelir.

Nötronların madde ile etkileşiminin incelenmesi, yeni bir tür nükleer reaksiyonun keşfedilmesine yol açtı. 1939'da O. Hahn ve F. Strassmann, uranyum çekirdeklerinin nötronlar tarafından bombardımanından kaynaklanan kimyasal ürünleri araştırdılar. Reaksiyon ürünleri arasında, kütlesi uranyumun kütlesinden çok daha az olan bir kimyasal element olan baryum keşfedildi. Sorun, nötronların uranyum tarafından emilmesi durumunda çekirdeğin iki parçaya bölündüğünü gösteren Alman fizikçiler L. Meitner ve O. Frisch tarafından çözüldü:

Nerede k > 1.

Uranyum çekirdeğinin bölünmesi sırasında, ~0,1 eV enerjiye sahip bir termal nötron, ~200 MeV enerji açığa çıkarır. Önemli olan, bu sürece diğer uranyum çekirdeklerinin bölünmesine neden olabilecek nötronların ortaya çıkmasının eşlik etmesidir. fisyon zincirleme reaksiyonu . Böylece, bir nötron dallanmış bir nükleer fisyon zincirine yol açabilir ve fisyon reaksiyonuna katılan çekirdeklerin sayısı katlanarak artacaktır. Fisyon zincir reaksiyonunun kullanılmasına yönelik umutlar açıldı iki yönde:

· kontrollü nükleer reaksiyon bölümler- Yaratılış nükleer reaktörler;

· kaçak nükleer fisyon reaksiyonu- nükleer silahların yaratılması.

1942 yılında ilk nükleer reaktör. SSCB'de ilk reaktör 1946'da fırlatıldı. Şu anda termal ve elektrik enerjisi Dünyanın farklı ülkelerinde faaliyet gösteren yüzlerce nükleer reaktörde üretiliyor.

Şekil 2'den görülebileceği gibi. 4.2, artan değerle A spesifik bağlanma enerjisi şu seviyeye kadar artar: A» 50. Bu davranış bir dizi güçle açıklanabilir; Tek bir nükleonun bağlanma enerjisi, bir veya iki nükleon tarafından değil de birkaç başka nükleon tarafından çekildiğinde artar. Ancak kütle numarası değeri büyük olan elementlerde A» 50 spesifik bağlanma enerjisi arttıkça giderek azalır A. Bunun nedeni, nükleer çekici kuvvetlerin kısa menzilli olması ve etki yarıçapının tek bir nükleonun büyüklüğü mertebesinde olmasıdır. Bu yarıçapın dışında elektrostatik itme kuvvetleri baskındır. İki proton birbirinden 2,5 × 10 - 15 m'den daha fazla ayrılırsa, aralarında nükleer çekim yerine Coulomb itme kuvvetleri hakim olur.

Spesifik bağlanma enerjisinin bu davranışının bir sonucu olarak A iki sürecin varlığıdır - nükleer füzyon ve fisyon . Bir elektron ile bir protonun etkileşimini ele alalım. Bir hidrojen atomu oluştuğunda 13,6 eV'lik bir enerji açığa çıkar ve hidrojen atomunun kütlesi, kütlelerin toplamından 13,6 eV daha azdır. serbest elektron ve proton. Benzer şekilde, iki hafif çekirdeğin kütlesi, D'deki birleşmelerinden sonraki kütleyi aşıyor M. Eğer onları bağlarsanız, birleşerek D enerjisini açığa çıkaracaklar Bayan 2. Bu süreç denir nükleer füzyon . Kütle farkı %0,5'i aşabilir.

Ağır bir çekirdek iki hafif çekirdeğe bölünürse kütlesi ana çekirdeğin kütlesinden %0,1 daha az olacaktır. Ağır çekirdekler genellikle bölüm enerjinin açığa çıkmasıyla daha hafif iki çekirdeğe dönüşür. Enerji atom bombası ve bir nükleer reaktör enerjiyi temsil eder , nükleer fisyon sırasında açığa çıkan . Enerji hidrojen bombası ne zaman açığa çıkan enerjidir? nükleer füzyon. Alfa bozunması, ana çekirdeğin bulunduğu oldukça asimetrik bir fisyon olarak düşünülebilir. M küçük bir alfa parçacığına ve büyük bir artık çekirdeğe bölünür. Alfa bozunması ancak reaksiyonun gerçekleşmesi durumunda mümkündür.

ağırlık M kütlelerin ve alfa parçacığının toplamından daha büyük olduğu ortaya çıktı. Tüm çekirdekler Z> 82 (kurşun) .At Z> 92 (uranyum) alfa bozunumu yarı ömürlerinin Dünya'nın yaşından önemli ölçüde daha uzun olduğu ortaya çıkar ve bu tür elementler doğada oluşmaz. Ancak yapay olarak oluşturulabilirler. Örneğin plütonyum ( Z= 94) nükleer reaktördeki uranyumdan elde edilebilir. Bu prosedür yaygınlaştı ve 1 g başına yalnızca 15 dolara mal oldu. Şu ana kadar elementleri elde etmek mümkün oldu. Z= 118, ancak çok daha yüksek bir fiyata ve kural olarak ihmal edilebilir miktarlarda. Radyokimyacıların elde etmeyi öğrenecekleri ümit edilebilir. küçük miktarlar, yeni öğeler Z> 118.

Eğer büyük bir uranyum çekirdeği iki nükleon grubuna bölünebilseydi, o zaman bu nükleon grupları kendilerini daha güçlü bir bağa sahip çekirdekler halinde yeniden düzenleyeceklerdi. Yeniden yapılanma süreci sırasında enerji açığa çıkacak. Kendiliğinden nükleer fisyona enerjinin korunumu kanunu tarafından izin verilmektedir. Bununla birlikte, doğal olarak oluşan çekirdeklerde fisyon reaksiyonlarının önündeki potansiyel bariyer o kadar yüksektir ki, kendiliğinden fisyon olasılığı, alfa bozunması olasılığından çok daha azdır. 238 U çekirdeğinin kendiliğinden fisyona göre yarı ömrü 8×1015 yıldır. Bu, Dünya'nın yaşının bir milyon katından fazladır. Bir nötron ağır bir çekirdeğe çarparsa daha yükseğe hareket edebilir. enerji seviyesi Elektrostatik potansiyel bariyerinin tepesine yakın bir yerde, sonuç olarak fisyon olasılığı artacaktır. Uyarılmış durumdaki bir çekirdek önemli bir açısal momentuma sahip olabilir ve oval bir şekil alabilir. Çekirdeğin çevresindeki alanlar bariyere daha kolay nüfuz eder çünkü kısmen bariyerin arkasındadırlar. Çekirdekte oval şekil bariyerin rolü daha da zayıflıyor. Bir çekirdek tarafından yakalandığında veya yavaş nötronçok ile devletler kısa süreliğine hayat bölünmeye göredir. Uranyum çekirdeği ile tipik fisyon ürünleri arasındaki kütle farkı öyledir ki, uranyumun fisyonu ortalama olarak 200 MeV'lik bir enerji açığa çıkarır. Uranyum çekirdeğinin geri kalan kütlesi 2,2×10 5 MeV'dir. Bu kütlenin yaklaşık %0,1'i enerjiye dönüştürülür, bu da 200 MeV'nin 2,2 × 10 5 MeV değerine oranına eşittir.

Enerji derecelendirmesi,bölüm tarafından serbest bırakıldı,adresinden alınabilir Weizsäcker formülleri :

Çekirdek iki parçaya bölündüğünde yüzey enerjisi ve Coulomb enerjisi değişir. , yüzey enerjisi artar ve Coulomb enerjisi azalır. Fisyon sırasında açığa çıkan enerji ile fisyon mümkündür e > 0.

.

Burada A 1 = A/2, Z 1 = Z/2. Bundan, fisyonun enerji açısından uygun olduğunu anlıyoruz. Z 2 /A> 17. Büyüklük Z 2 /A isminde bölünebilme parametresi . Enerji e Bölünme sırasında salınan, arttıkça artar Z 2 /A.

Bölünme işlemi sırasında çekirdek şekil değiştirir - sırayla aşağıdaki aşamalardan geçer (Şekil 9.4): bir top, bir elipsoid, bir dambıl, iki armut biçimli parça, iki küresel parça.

Fisyon meydana geldikten ve parçalar birbirlerinden yarıçaplarından çok daha büyük bir mesafeye yerleştirildikten sonra, parçaların potansiyel enerjisi belirlenir. Coulomb etkileşimi aralarında sıfıra eşit kabul edilebilir.

Çekirdeğin şeklinin evrimi nedeniyle değişimi potansiyel enerji yüzey ve Coulomb enerjilerinin toplamındaki değişiklikle belirlenir . Deformasyon sırasında çekirdeğin hacminin değişmediği varsayılmaktadır. Bu durumda çekirdeğin yüzey alanı arttıkça yüzey enerjisi de artar. Nükleonlar arasındaki ortalama mesafe arttıkça Coulomb enerjisi azalır. Küçük elipsoidal deformasyonlarda yüzey enerjisindeki artış Coulomb enerjisindeki azalmadan daha hızlı gerçekleşir.

Ağır çekirdeklerin olduğu bölgede deformasyon arttıkça yüzey ve Coulomb enerjilerinin toplamı da artar. Küçük elipsoidal deformasyonlarda yüzey enerjisindeki artış, çekirdeğin şeklinde daha fazla değişiklik olmasını ve dolayısıyla fisyonun önlenmesini sağlar. Potansiyel bir bariyerin varlığı, çekirdeklerin anında kendiliğinden bölünmesini önler. Bir çekirdeğin anında bölünebilmesi için ona fisyon bariyerinin yüksekliğini aşan bir enerji verilmesi gerekir. N.

Bariyer yüksekliği N daha fazla daha az tutum Başlangıç ​​çekirdeğindeki Coulomb ve yüzey enerjisi. Bu oran ise bölünebilme parametresi arttıkça artar. Z 2 /A.Çekirdek ne kadar ağır olursa bariyerin yüksekliği de o kadar düşük olur N, kütle numarasının artmasıyla bölünebilirlik parametresi arttığından:

Daha ağır çekirdeklerin genellikle fisyona neden olmak için daha az enerji aktarması gerekir. Weizsäcker formülünden fisyon bariyerinin yüksekliğinin sıfır olduğu sonucu çıkıyor. Onlar. damlacık modeline göre, doğada neredeyse anında çekirdek bulunmaması gerekir (karakteristik için) nükleer zaman yaklaşık 10–22 s) kendiliğinden bölünür. Atom çekirdeğinin varlığı (" istikrar adası ") atom çekirdeğinin kabuk yapısıyla açıklanmaktadır. Çekirdeklerin kendiliğinden fisyonu , bunun için bariyer yüksekliği N bakış açısından sıfıra eşit değil klasik fizik imkansız. Kuantum mekaniği açısından böyle bir bölünme, parçaların potansiyel bir bariyerden geçmesi sonucu mümkündür ve buna denir. kendiliğinden fisyon . Kendiliğinden fisyon olasılığı, fizibilite parametresinin artmasıyla artar, yani. fisyon bariyer yüksekliğinin azalmasıyla.

Çekirdeklerin zorla fisyonu Çekirdeğe katkıda bulundukları enerji fisyon bariyerini aşmak için yeterliyse, fotonlar, nötronlar, protonlar, döteronlar, α parçacıkları vb. gibi herhangi bir parçacık neden olabilir.

Termal nötronların fisyon sırasında oluşturduğu parçaların kütleleri eşit değildir. Çekirdek, parçanın nükleonlarının ana kısmının istikrarlı bir sihirli çekirdek oluşturacağı şekilde bölünme eğilimindedir. Şek. Şekil 9.5 bölünme sırasındaki kütle dağılımını göstermektedir. Kütle sayılarının en olası kombinasyonu 95 ve 139'dur.

Çekirdekteki nötron sayısının proton sayısına oranı 1,55 iken kararlı elemanlar Fisyon parçalarının kütlesine yakın bir kütleye sahip olan bu oran 1,25 - 1,45'tir. Sonuç olarak, fisyon parçaları nötronlarla aşırı yüklenmiştir ve β bozunumuna (radyoaktif) karşı kararsızdır.

Fisyon sonucunda ~200 MeV enerji açığa çıkar. Bunun yaklaşık %80'i parçaların enerjisinden gelir. Bir fisyon eylemi sırasında ikiden fazlası oluşur fisyon nötronları ile ortalama enerji~ 2MeV.

1 g herhangi bir madde içerir . 1 g uranyumun fisyonuna ~ 9 × 10 10 J salınımı eşlik eder. Bu, 1 g kömürün (2,9 × 10 4 J) yakılmasıyla elde edilen enerjiden neredeyse 3 milyon kat daha fazladır. Elbette 1 gr uranyum, 1 gr kömürden çok daha pahalıdır ancak kömür yakılarak elde edilen 1 J enerjinin maliyeti, uranyum yakıtına göre 400 kat daha yüksektir. 1 kWh enerji üretmenin maliyeti kömür santrallerinde 1,7 sent, nükleer santrallerde ise 1,05 sent.

Sayesinde zincirleme reaksiyon nükleer fisyon işlemi yapılabilir kendi kendini idame ettirebilen . Her fisyonda 2 veya 3 nötron salınır (Şekil 9.6). Bu nötronlardan biri başka bir uranyum çekirdeğinin bölünmesine neden olmayı başarırsa, süreç kendi kendine devam edecek.

Bu gereksinimi karşılayan bölünebilir madde koleksiyonuna denir. kritik montaj . Bu türden ilk toplantıya çağrıldı nükleer reaktör 1942 yılında Enrico Fermi başkanlığında Chicago Üniversitesi arazisinde inşa edilmiştir. İlk nükleer reaktör 1946 yılında I. Kurchatov önderliğinde Moskova'da fırlatıldı. Birinci nükleer santral 5 MW kapasiteli SSCB'de 1954 yılında Obninsk'te piyasaya sürüldü (Şekil 9.7).

Yığın ve ayrıca şunları da yapabilirsiniz süperkritik . Bu durumda fisyon sırasında oluşan nötronlar birçok ikincil fisyona neden olacaktır. Nötronlar 108 cm/s'yi aşan hızlarda hareket ettiğinden, süperkritik bir düzenek saniyenin binde birinden daha kısa bir sürede tamamen reaksiyona girebilir (veya birbirinden ayrılabilir). Böyle bir cihaz denir atom bombası . Plütonyum veya uranyumdan oluşan bir nükleer yük, genellikle bir patlamanın yardımıyla süperkritik bir duruma aktarılır. Kritik altı kütle kimyasal patlayıcılarla çevrilidir. Patladığında plütonyum veya uranyum kütlesi anında sıkışmaya maruz kalır. Kürenin yoğunluğu önemli ölçüde arttığından, nötronların emilme hızı, nötronların dışarı kaçması nedeniyle kaybolma oranından daha yüksek olduğu ortaya çıkıyor. Süperkritikliğin koşulu budur.

Şek. Şekil 9.8 Hiroşima'ya atılan Little Boy atom bombasının diyagramını göstermektedir. Bombadaki nükleer patlayıcı, kütlesi kritik kütleden daha az olan iki parçaya bölündü. Patlama için gereken kritik kütle, her iki parçanın geleneksel patlayıcılar kullanılarak "silah yöntemiyle" birbirine bağlanmasıyla oluşturuldu.

1 ton trinitrotoluenin (TNT) patlaması 10 9 cal veya 4 × 10 9 J açığa çıkarır. 1 kg plütonyum tüketen bir atom bombasının patlaması yaklaşık 8 × 10 13 J enerji açığa çıkarır.

Veya bu, 1 ton TNT'nin patlamasından neredeyse 20.000 kat daha fazladır. Böyle bir bombaya 20 kilotonluk bomba denir. Modern bombalar Megatonlarca patlayıcı, geleneksel TNT patlayıcılardan milyonlarca kat daha güçlüdür.

Plütonyum üretimi, 238 U'nun nötronlarla ışınlanmasına dayanır ve bu, beta bozunmasının bir sonucu olarak 239 Np'ye ve ardından başka bir beta bozunmasından sonra 239 Pu'ya dönüşen 239 U izotopunun oluşumuna yol açar. Düşük enerjili bir nötron emildiğinde, hem 235 U hem de 239 Pu izotopları fisyona uğrar. Fisyon ürünleri, fisyon sonucunda yaklaşık 200 MeV enerjinin açığa çıkmasına neden olan daha güçlü bağlanma (nükleon başına ~1 MeV) ile karakterize edilir.

Tüketilen her gram plütonyum veya uranyum, muazzam radyoaktiviteye sahip neredeyse bir gram radyoaktif fisyon ürünü üretir.

Demoları görüntülemek için uygun köprüye tıklayın: