Ділення ядер урану. Ланцюгова реакція
Ділення ядер урану при бомбардуванні їх нейтронами було відкрито в 1939 р німецькими вченими Отто Ганом і Фріцем Штрассманом.
Oттo Ган (1879-1968)
Німецький фізик, вчений-новатор в області радіохімії. Відкрив розщеплення урану, ряд радіоактивних елементів
Фріц Штрассман (1902-1980)
Німецький фізик і хімік. Роботи відносяться до ядерної хімії, ядерного поділу. Дав хімічне доказ процесу поділу
Розглянемо механізм цього явища. На малюнку 162, а умовно зображено ядро атома урану. Поглинувши зайвий нейтрон, ядро збуджується і деформується, набуваючи витягнуту форму (рис. 162, б).
Ви вже знаєте, що в ядрі діє два види сил: електростатичні сили відштовхування між протонами, які прагнуть розірвати ядро, і ядерні сили притягання між усіма нуклонами, завдяки яким ядро не розпадається. Але ядерні сили – короткодіючі, тому у витягнутому ядрі вони вже не можуть утримати сильно віддалені одна від одної частини ядра. Під дією електростатичних сил відштовхування ядро розривається на дві частини (рис. 162, в), які розлітаються в різні боки з величезною швидкістю і випромінюють при цьому 2-3 нейтрона.
Виходить, що частина внутрішньої енергії ядра переходить у кінетичну енергію осколків, що розлітаються і частинок. Осколки швидко гальмуються в навколишньому середовищі, в результаті чого їх кінетична енергія перетворюється у внутрішню енергію середовища (т. Е. В енергію взаємодії та теплового руху складових її частинок).
При одночасному поділі великої кількості ядер урану внутрішня енергія навколишнього уран середовища і відповідно її температура помітно зростають (т. Е. Середа нагрівається).
Таким чином, реакція поділу ядер урану йде з виділенням енергії в навколишнє середовище.
Енергія, укладена в ядрах атомів, колосальна. Наприклад, при повному розподілі всіх ядер, наявних в 1 г урану, виділилося б стільки ж енергії, скільки виділяється при згорянні 2,5 т нафти. Для перетворення внутрішньої енергії атомних ядер в електричну на атомних електростанціях використовують так звані ланцюгові реакції поділу ядер.
Розглянемо механізм протікання ланцюгової реакції поділу ядра ізотопу урану. Ядро атома урану (рис. 163) в результаті захоплення нейтрона розділилося на дві частини, випромінюючи при цьому три нейтрона. Два з цих нейтронів викликали реакцію поділу ще двох ядер, при цьому утворилося вже чотири нейтрона. Ці, в свою чергу, викликали поділ чотирьох ядер, після чого утворилося дев’ять нейтронів і т. Д.
Ланцюгова реакція можлива завдяки тому, що при розподілі кожного ядра утворюється 2-3 нейтрона, які можуть взяти участь у розподілі інших ядер.
На малюнку 163 показано схема ланцюгової реакції, при якій загальна кількість вільних нейтронів в шматку урану лавиноподібно збільшується з часом. Відповідно різко зростає число поділок ядер і енергія, що виділяється в одиницю часу. Тому така реакція носить вибуховий характер (вона протікає в атомній бомбі).
Ланцюгова реакція поділу ядер урану
Рис. 163. Ланцюгова реакція поділу ядер урану
Можливий інший варіант, при якому число вільних нейтронів зменшується з часом. У цьому випадку ланцюгова реакція припиняється. Отже, таку реакцію теж не можна використовувати для виробництва електроенергії.
У мирних цілях можливо використовувати енергію тільки такий ланцюгової реакції, в якій число нейтронів не змінюється з часом.
Як же домогтися того, щоб число нейтронів весь час залишалося постійним? Для вирішення цієї проблеми потрібно знати, які чинники впливають на збільшення і на зменшення загального числа вільних нейтронів в шматку урану, в якому протікає ланцюгова реакція.
Одним з таких факторів є маса урану. Справа в тому, що не кожен нейтрон, ізлученний при розподілі ядра, викликає поділ інших ядер (див. Рис. 163). Якщо маса (і відповідно розміри) шматка урану занадто мала, то багато нейтрони вилетять за його межі, не встигнувши зустріти на своєму шляху ядро, викликати його поділ і породити таким чином нове покоління нейтронів, необхідних для продовження реакції. У цьому випадку ланцюгова реакція припиниться. Щоб реакція не припинялася, потрібно збільшити масу урану до певного значення, званого критичним.
Чому при збільшенні маси ланцюгова реакція стає можливою? Чим більше маса шматка, тим більше його розміри і тим довший шлях, який проходять в ньому нейтрони. При цьому ймовірність зустрічі нейтронів з ядрами зростає. Відповідно збільшується число поділок ядер і число випромінюваних нейтронів.
При критичній масі урану число нейтронів, що з’явилися при поділі ядер, стає рівним числу втрачених нейтронів (т. Е. Захоплених ядрами без поділу і вилетіли за межі шматка).
Тому їх загальне число залишається незмінним. При цьому ланцюгова реакція може йти тривалий час, не припиняючись і не набуваючи вибухового характеру.
Найменша маса урану, при якій можливе протікання ланцюгової реакції, називається критичною масою
Якщо маса урану більше критичної, то в результаті різкого збільшення числа вільних нейтронів ланцюгова реакція призводить до вибуху, а якщо менше критичної, то реакція не протікає через нестачу вільних нейтронів.
Зменшити втрату нейтронів (які вилітають з урану, що не прореагувавши з ядрами) можна не тільки за рахунок збільшення маси урану, а й за допомогою спеціальної відбиває оболонки. Для цього шматок урану поміщають в оболонку, зроблену з речовини, добре відбиває нейтрони (наприклад, з берилію). Відбиваючись від цієї оболонки, нейтрони повертаються в уран і можуть взяти участь у поділі ядер.
Існує ще кілька факторів, від яких залежить можливість протікання ланцюгової реакції. Наприклад, якщо шматок урану містить занадто багато домішок інших хімічних елементів, то вони поглинають більшу частину нейтронів і реакція припиняється.
Наявність в урані так званого сповільнювач нейтронів також впливає на хід реакції. Справа в тому, що ядра урану-235 з найбільшою ймовірністю діляться під дією повільних нейтронів. А при розподілі ядер утворюються швидкі нейтрони. Якщо швидкі нейтрони сповільнити, то більша їх частина захопили ядрами урану-235 з наступним поділом цих ядер. В якості сповільнювачів використовуються такі речовини, як графіт, вода, важка вода (до складу якої входить дейтерій – ізотоп водню з масовим числом 2), і деякі інші. Ці речовини тільки сповільнюють нейтрони, майже не поглинаючи їх.
Таким чином, можливість протікання ланцюгової реакції визначається масою урану, кількістю домішок в ньому, наявністю оболонки і сповільнювач і деякими іншими факторами.
Критична маса кулястого шматка урану-235 приблизно дорівнює 50 кг. При цьому його радіус складає всього 9 см, оскільки уран має дуже велику щільність.
Застосовуючи сповільнювач і яка відображає оболонку і зменшуючи кількість домішок, вдається знизити критичну масу урану до 0,8 кг.
Питання
Чому розподіл ядра може початися тільки тоді, коли воно деформується під дією поглиненого їм нейтрона?
Що утворюється в результаті поділу ядра?
В яку енергію переходить частина внутрішньої енергії ядра при його розподілі; кінетична енергія осколків ядра урану при їх гальмуванні в навколишньому середовищі?
Як йде реакція поділу ядер урану – з виділенням енергії в навколишнє середовище або, навпаки, з поглинанням енергії?
Розкажіть про механізм протікання ланцюгової реакції, використовуючи малюнок 163.
Що називається критичною масою урану?
Чи можливо протікання ланцюгової реакції, якщо маса урану менше критичної; більше критичної? Чому?
(2 votes, average: 4.50 out of 5)