Деление тяжелых ядер

​

Делиться на части могут только ядра некоторых тяже­лых элементов. При делении ядер испускаются два-три нейтрона и у-лучи. Одновременно выделяется большая энергия.

 

Открытие деления урана

Деление ядер урана было открыто в 1938 г. немецкими уче­ными О. Ганом (1879—1968) и Ф. Штрассманом (1902—1980). Они установили, что при бомбардировке урана нейтронами возникают элементы средней части периодической системы: барий, криптон и др. Однако правильное истолкование этого факта, именно как деления ядра урана, захватившего нейт­рон, было дано в начале 1939 г. английским физиком О. Фришем (1904—1979) совместно с австрийским физиком Л. Мейтнер (1878—1968).

Деление ядра возможно благодаря тому, что масса покоя тя­желого ядра больше суммы масс покоя осколков, возникаю­щих при делении. Из-за этого происходит выделение энергии, эквивалентной уменьшению массы покоя, сопровождающему деление. Но полная масса сохраняется, так как масса дви­жущихся с большой скоростью осколков превышает их массу покоя.

Возможность деления тяжелых ядер можно также объяс­нить с помощью графика зависимости удельной энергии связи от массового числа Удельная энергия связи ядер атомов, занимающих в периодической системе последние места (А * 200), примерно на 1 МэВ/нуклон меньше удельной энергии связи в ядрах элементов, находящихся в середине пе­риодической системы (А « 100). Поэтому процесс деления тя­желых ядер на ядра элементов средней части периодической системы является «энергетически выгодным». Система после деления переходит в состояние с минимальной внутренней энергией. Ведь чем больше энергия связи ядра, тем большая энергия должна выделяться при образовании ядра и, следовательно, тем меньше внутренняя энергия образовавшейся вновь системы.

При делении ядра энергия свя­зи, приходящаяся на каждый нук­лон, увеличивается на 1 МэВ и об­щая выделяющаяся энергия долж­на быть огромной — порядка 200 МэВ. Ни при какой другой ядерной реакции (не связанной с делением) столь больших энергий не выделяется.    

   

  Деление ядер урана

 Среди ядерных превращений особо важное значение имеет реакция деле­ния тяжелых ядер, поскольку при этом выделяется огромная энергия.

В качестве примера рассмотрим один из случаев деления ядра изотопа урана              при попадании в него нейтрона:

​

​

В этом случае ядро урана распадается на ядро криптона, ядро бария и три ней­трона. Эти вторичные нейтроны могут «расщепить» другие ядра, в результате чего образуются новые нейтроны и т. д. (рисунок 9.10). Если число нейтронов, вызвавших деление ядер урана, в каждом следующем «поколении» не меньше, чем в предыду­щем, то возникает самоподдерживающаяся ядерная цепная реакция.

Оценим энергию, которая выделяется при делении одного ядра урана. Удельная энергия связи в ядрах атомов элементов, расположенных в средней части периодической системы, составляет примерно 8,2—8,7 МэВ/нуклон, а для тяжелых ядер — 7,6 МэВ/нуклон (рисунок 9.3). Поэтому при делении «рыхлого» ядра урана на два ядра, по­лучивших название осколков де­ления, должна освобождаться удель­ная энергия, приблизительно равная 1 МэВ/нуклон. Ядро изотопа урана 292U содержит 235 нуклонов, поэтому при его делении должна выделяться энергия порядка 200 МэВ, а при де­лении ядер, содержащихся в изотопе урана         массой 1 г, выделяется энергия 8 Ю10 Дж, что эквивалентно энергии, выделяющейся при сгорании 2,5 т угля.

Основная часть этой энергии пред­ставляет собой кинетическую энергию осколков деления.

Цепная реакция может протекать только в том слу­чае, если масса ядерного горючего превышает крити­ческую массу, поскольку в образцах малых размеров большинство нейтронов вылетает наружу, не попав ни в одно ядро.

Наименьшая масса вещества, при которой может протекать цепная ядерная реакция, называется крити­ческой массой.

Критическая масса для урана равна 50 кг, для плутония  — 11 кг.

Цепная реакция деления ядер может быть неуправ­ляемой и управляемой.

В результате неуправляемой цепной реакции в атомной бомбе энергия

вы­деляется мгновенно. До взрыва в бомбе находятся куски урана, масса

которых меньше критической. Если их объединить, то общая масса

урана превысит кри­тическую и произойдет взрыв.

Управляемая цепная реакция деления тяжелых ядер протекает в ядерных реакторах.

Ядерный реактор — сложнейшая в техническом отношении установка. Схема ядерного реактора, предназначенного для получения энергии, освобож­дающейся в цепной реакции, изображена на рисунке  9.11.

Активная зона 1 содержит ядерное топливо, здесь протекает реакция де­ления и выделяется энергия.

Отражатель нейтронов 2 представляет собой слой вещества, который рас­положен вокруг активной зоны; он возвращает в нее большую часть вылетаю­щих нейтронов. Применение отражателя позволяет уменьшить массу де­лящегося вещества в активной зоне.

Управляющие стержни 3 изготовлены из материалов (кадмий, карбид бора и др.), которые сильно поглощают нейтроны. Перемещение этих стержней при­водит к изменению числа нейтронов в активной зоне. Вдвигая или выдвигая управляющие стержни, можно регу­лировать интенсивность (скорость) реакции.

По мере выгорания топлива стерж­ни выдвигают, уменьшая поглоще­ние нейтронов. При аварийной си­туации стержни быстро вдвигают в зону реакции для предотвращения взрыва.

Поскольку реактор является мощ­ным источником излучения, которое
опасно для живых организмов, его окружают массивной радиационной за­щитой 4, в достаточной степени ослабляющей потоки нейтронов и у-излучения.

Энергия, выделяемая в активной зоне 1 реактора, выводится теплоносите­лем, циркулирующим в контуре 5. В качестве теплоносителя применяют воду и другие вещества. В теплообменнике 6 теплоноситель эту энергию отдает воде, которая нагревается и превращается в пар, вращающий турбину 7, соединен­ную с генератором 8.

Управление работой реактора всегда осуществляется дистанционно с вы­несенного пульта.

В 1942 г. в США под руководством Э. Ферми был сооружен первый ядер- ный реактор. В нашей стране первый ядерный реактор построен в 1946 г. под руководством И. В. Курчатова. В 1954 г. была введена в эксплуатацию первая в мире атомная электростанция мощностью 5 МВт в г. Обнинске.

Атомные электростанции (АЭС) имеют преимущества перед другими ти­пами электростанций. Производство энергии на АЭС не связано с процессами горения и, следовательно, с потреблением кислорода, необходимого биосфере Земли. АЭС не сжигает органическое топливо и потому не выбрасывает в атмо­сферу углекислый газ, оксиды серы и азота, не способствует возникновению парникового эффекта и кислотных дождей. Твердые отходы АЭС составляют несколько тонн в год против тысяч тонн на тепловых электростанциях (ТЭС), работающих на угле. АЭС требует значительно меньше топлива и тем самым в меньшей степени загружает транспорт, необходимый для перевозки топ-лива.

Вместе с тем атомные электростанции имеют серьезные недостатки по сравнению с тепловыми электростанциями. Это дороговизна добычи и перера­ботки сырья, большие расходы на обслуживание АЭС. К тому же происходит ухудшение экологической обстановки той местности, где располагается АЭС. Представляют опасность для живой природы места переработки урановой руды, а также захоронения радиоактивных отходов.

Главные задачи, возникающие при эксплуатации АЭС, — обеспечение ра­диационной безопасности и ликвидация радиоактивных отходов.

​

Вопросы для самоконтроля:

​

1. Что такое ядерная цепная реакция?

2. Посему при делении ядер урана возможна цепная реакция?

3. Что такое критическая масса?

4. В каком виде выделяется энергия при делении ядер урана?

5. Каковы основные части ядерного реактора?

6. Каковы преимущества и недостатки АЭС по сравнению с ТЭС, работающей на органическом топливе?

​