Уравнение реакции деление урана 235

Деление ядра урана. Цепная реакция. Описание процесса

Деление ядра – это расщепление тяжелого атома на два фрагмента примерно равной массы, сопровождаемое выделением большого количества энергии.

Открытие ядерного деления начало новую эру – «атомный век». Потенциал возможного его использования и соотношение риска к пользе от его применения не только породили множество социологических, политических, экономических и научных достижений, но также и серьезные проблемы. Даже с чисто научной точки зрения процесс ядерного деления создал большое число головоломок и осложнений, и полное теоретическое его объяснение является делом будущего.

Делиться – выгодно

Энергии связи (на нуклон) у разных ядер различаются. Более тяжелые обладают меньшей энергией связи, чем расположенные в середине периодической таблицы.

Это означает, что тяжелым ядрам, у которых атомное число больше 100, выгодно делиться на два меньших фрагмента, тем самым высвобождая энергию, которая превращается в кинетическую энергию осколков. Этот процесс называется расщеплением атомного ядра.

В соответствии с кривой стабильности, которая показывает зависимость числа протонов от числа нейтронов для стабильных нуклидов, более тяжелые ядра предпочитают большее число нейтронов (по сравнению с количеством протонов), чем более легкие. Это говорит о том, что наряду с процессом расщепления будут испускаться некоторые «запасные» нейтроны. Кроме того, они будут также принимать на себя часть выделяющейся энергии. Изучение деления ядра атома урана показало, что при этом выделяется 3–4 нейтрона: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

Атомное число (и атомная масса) осколка не равна половине атомной массы родителя. Разница между массами атомов, образовавшихся в результате расщепления, обычно составляет около 50. Правда, причина этого еще не совсем понятна.

Энергии связи 238 U, 145 La и 90 Br равны 1803, 1198 и 763 МэВ соответственно. Это означает, что в результате данной реакции высвобождается энергия деления ядра урана, равная 1198 + 763-1803 = 158 МэВ.

Самопроизвольное деление

Процессы спонтанного расщепления известны в природе, но они очень редки. Среднее время жизни указанного процесса составляет около 10 17 лет, а, например, среднее время жизни альфа-распада того же радионуклида составляет около 10 11 лет.

Причина этого заключается в том, что для того, чтобы разделиться на две части, ядро должно сначала подвергнуться деформации (растянуться) в эллипсоидальную форму, а затем, перед окончательным расщеплением на два фрагмента, образовать «горлышко» посредине.

Потенциальный барьер

В деформированном состоянии на ядро действуют две силы. Одна из них – возросшая поверхностная энергия (поверхностное натяжение капли жидкости объясняет ее сферическую форму), а другая – кулоновское отталкивание между осколками деления. Вместе они производят потенциальный барьер.

Как и в случае альфа-распада, чтобы произошло спонтанное деление ядра атома урана, фрагменты должны преодолеть этот барьер с помощью квантового туннелирования. Величина барьера составляет около 6 МэВ, как и в случае с альфа-распадом, но вероятность туннелирования α-частицы значительно больше, чем гораздо более тяжелого продукта расщепления атома.

Вынужденное расщепление

Гораздо более вероятным является индуцированное деление ядра урана. В этом случае материнское ядро ​​облучается нейтронами. Если родитель его поглощает, то они связываются, высвобождая энергию связи в виде колебательной энергии, которая может превысить 6 МэВ, необходимых для преодоления потенциального барьера.

Там, где энергии дополнительного нейтрона недостаточно для преодоления потенциального барьера, падающий нейтрон должен обладать минимальной кинетической энергией для того, чтобы иметь возможность индуцировать расщепление атома. В случае 238 U энергии связи дополнительных нейтронов не хватает около 1 МэВ. Это означает, что деление ядра урана индуцируется только нейтроном с кинетической энергией больше 1 МэВ. С другой стороны, изотоп 235 U имеет один непарный нейтрон. Когда ядро ​​поглощает дополнительный, он образует с ним пару, и в результате этого спаривания появляется дополнительная энергия связи. Этого достаточно для освобождения количества энергии, необходимого для того, чтобы ядро преодолело потенциальный барьер и деление изотопа происходило при столкновении с любым нейтроном.

Бета-распад

Несмотря на то что при реакции деления испускаются три или четыре нейтрона, осколки по-прежнему содержат больше нейтронов, чем их стабильные изобары. Это означает, что фрагменты расщепления, как правило, неустойчивы по отношению к бета-распаду.

Например, когда происходит деление ядра урана 238 U, стабильным изобаром с А = 145 является неодим 145 Nd, что означает, что фрагмент лантан 145 La распадается в три этапа, каждый раз излучая электрон и антинейтрино, пока не будет образован стабильный нуклид. Стабильным изобаром с A = 90 является цирконий 90 Zr, поэтому осколок расщепления бром 90 Br распадается в пять этапов цепи β-распада.

Эти цепи β-распада выделяют дополнительную энергию, которая почти вся уносится электронами и антинейтрино.

Ядерные реакции: деление ядер урана

Прямое излучение нейтрона из нуклида со слишком большим их количеством для обеспечения стабильности ядра маловероятно. Здесь дело заключается в том, что нет кулоновского отталкивания, и поэтому поверхностная энергия имеет тенденцию к удержанию нейтрона в связи с родителем. Тем не менее это иногда происходит. Например, фрагмент деления 90 Br в первой стадии бета-распада производит криптон-90, который может быть находиться в возбужденном состоянии с достаточной энергией, чтобы преодолеть поверхностную энергию. В этом случае излучение нейтронов может происходить непосредственно с образованием криптона-89. Этот изобар по-прежнему неустойчив по отношению к β-распаду, пока не перейдет в стабильный иттрий-89, так что криптон-89 распадается в три этапа.

Деление ядер урана: цепная реакция

Нейтроны, испускаемые в реакции расщепления, могут быть поглощены другим ядром-родителем, которое затем само подвергается индуцированному делению. В случае урана-238 три нейтрона, которые возникают, выходят с энергией менее 1 МэВ (энергия, выделяющаяся при делении ядра урана – 158 МэВ – в основном переходит в кинетическую энергию осколков расщепления), поэтому они не могут вызвать дальнейшее деление этого нуклида. Тем не менее при значительной концентрации редкого изотопа 235 U эти свободные нейтроны могут быть захвачены ядрами 235 U, что действительно может вызвать расщепление, так как в этом случае отсутствует энергетический порог, ниже которого деление не индуцируется.

Таков принцип цепной реакции.

Типы ядерных реакций

Пусть k – число нейтронов, произведенное в образце делящегося материала на стадии n этой цепи, поделенное на число нейтронов, образованных на стадии n — 1. Это число будет зависеть от того, сколько нейтронов, полученных на стадии n — 1, поглощаются ядром, которое может подвергнуться вынужденному делению.

• Если k 235 U настолько мала, что вероятность поглощения одного из нейтронов этим изотопом крайне ничтожна.

• Если k > 1, то цепная реакция будет расти до тех пор, пока весь делящийся материал не будет использован (атомная бомба). Это достигается путем обогащения природной руды до получения достаточно большой концентрации урана-235. Для сферического образца величина k увеличивается с ростом вероятности поглощения нейтронов, которая зависит от радиуса сферы. Поэтому масса U должна превышать некоторую критическую массу, чтобы деление ядер урана (цепная реакция) могло происходить.

• Если k = 1, то имеет место управляемая реакция. Это используется в ядерных реакторах. Процесс контролируется распределением среди урана стержней из кадмия или бора, которые поглощают большую часть нейтронов (эти элементы обладают способностью захватывать нейтроны). Деление ядра урана контролируется автоматически путем перемещения стержней таким образом, чтобы величина k оставалась равной единице.

Деление ядер урана. Цепная ядерная реакция

Особое место среди ядерных реакций занимают цепные реакции деления некоторых тяжелых элементов. Так, например, вынужденное деление ядер урана нейтронами сопровождается вылетом нескольких нейтронов, которые, взаимодействуя с соседними ядрами урана, вызывают их деление. Так как суммарная энергия связи ядер-осколков меньше, чем энергия связи урана, то цепная реакция сопровождается выделением огромной энергии в виде кинетической энергии осколков, энергии гамма-квантов и энергии вторичных электронов.

Необходимым условием протекания цепной ядерной реакции является то, что коэффициент размножения нейтронов k>1 или k=1 и наличие критической массы вещества.

Для осуществления управляемой цепной реакции используют ядерный реактор, который является источником энергии на АЭС и морском флоте.

«Ослепительная зеленоватая вспышка, взрыв, сознание подавлено, волна горячего ветра, и в следующий момент все вокруг загорается. Тишина, наступившая вслед за грохотом, ни с чем не сравнимой, дотоле неслыханной силы, нарушается треском разгорающегося огня. Под обломками рухнувшего дома лежат оглушенные люди, в пламени гибнут женщины, гибнут в огненном кольце очнувшиеся и пытающиеся спастись люди… Миг – и с людей свалилась вспыхнувшая одежда, вздулись руки, лицо, грудь: лопаются багровые волдыри, и лохмотьями сползают на землю… Оглушенные и обожженные люди, обезумев, сбились ревущей толпой… …Ни с чем не сравнимая, трагическая картина: люди утратили последние признаки человеческого разума… …На искалеченных людей хлынули черные потоки дождя, потом ветер принес удушающий смрад…»

Что это? Очередной фильм ужасов! Нет, это свидетельства очевидцев страшного преступления американской военщины, совершенного в августе 1945 года над японским городом Нагасаки. В результате бомбардировки японских городов Хиросима и Нагасаки погибли около 100 тыс. человек, еще десятки тысяч умерли позднее от лучевой болезни. Вот так впервые человек распорядился ядерной энергией.

Открытие деления ядер урана

А история эта началась еще в 30-х годы XX века. Немецкие ученые О.Ган и Ф.Штрассман в 1938 г. обнаружили, что при бомбардировке урана нейтронами возникают ядра, примерно вдвое более легкие, чем исходное ядро урана.

На фотографии треки осколков, образовавшихся при делении ядра урана в камере Вильсона.

Механизм деления ядра урана

Эмигранты из нацисткой Германии Л.Мейтнер и О.Фриш в 1939 г. Сумели объяснить механизм деления ядра урана на основе капельной модели ядра, предложенной Н.Бором. Ядро, поглотившее нейтрон, находится в возбужденном состоянии и подобно капле ртути при толчке начинает колебаться, изменяя свою форму. Когда энергия возбуждения станет больше энергии связи, то за счет кулоновских сил ядро разорвется на две части, которые разлетятся в противоположные стороны.

Кинетическая энергия новых ядер обусловлена кулоновскими силами. Если суммарная энергия связи ядер-осколков меньше, чем энергия связи ядра урана, то реакция сопровождается выделением огромной энергии в виде кинетической энергии осколков, энергии гамма-квантов и энергии вторичных нейтронов. Обнаружено, что при бомбардировке нейтронами урана-235 образуется 80 различных ядер.

Обратите внимание:

При делении ядер, содержащихся в 1 г урана, выделяется энергии 8×1010Дж, или 22000 кВт×ч. Естественный уран состоит:
из урана-235 (0,7%) и урана-238 (97,3%).

Цепная реакция деления урана

В январе 1939 года Ферми высказал мысль, что при делении урана-235 следует ожидать испускания быстрых нейтронов и что, если число вылетевших нейтронов будет больше, чем число поглощенных, путь к цепной реакции будет открыт. Поставленный эксперимент подтвердил наличие быстрых нейтронов.

Вынужденное деление ядер урана нейтронами сопровождается вылетом нескольких нейтронов, которые, взаимодействуя с соседними ядрами урана, вызывают их деление. Т.к. суммарная энергия связи ядер-осколков меньше, чем энергия связи ядра урана, то цепная реакция сопровождается выделением огромной энергии в виде кинетической энергии осколков, энергии квантов и энергии вторичных нейтронов.

Цепная ядерная реакция – самоподдерживающая реакция деления тяжелых ядер, в которой непрерывно воспроизводятся нейтроны, делящие все новые и новые ядра.

Скорость нарастания цепной реакции характеризуют величиной, называемой коэффициентом размножения нейтронов, который характеризует быстроту роста числа нейтронов и равен отношению числа нейтронов в одном каком-либо поколении цепной реакции Ni к породившему их числу нейтронов предшествующего поколения Ni-1:

При k=1 число нейтронов, участвующих в делении ядер, остается неизменны, реакция протекает стационарно, имеет управляемый характер.

При k>1 число нейтронов увеличивается, интенсивность реакции возрастает.

При k>1,006 может принять неуправляемый характер.

При k=1,01 происходит взрыв.

С целью уменьшения вылета нейтронов с куска урана увеличивают массу урана. Минимальное значение массы урана, при котором возможна цепная реакция, называется критической массой.

В зависимости от устройства установок и типа горючего критическая масса изменяется от 200 г (прт наличии отражателя нейтронов) до 50 кг.

Образование плутония

Плутоний (Pu) – серебристо-белый радиоактивный металл группы актиноидов, теплый на ощупь (из-за своей радиоактивности. В природе встречается в очень малых количествах в уранитовой смолке и других рудах урана и церия, в значительном количестве получают искусственно.

Для осуществления цепной ядерной реакции требуется уран-235, но в природном уране данный изотоп составляет только 0,7%, а 99,3% приходятся на уран-238. Поэтому встал вопрос, как использовать в ядерной энергетике уран-238. Оказывается, если использовать обогащенный уран (смесь содержащая не менее 15% изотопа-235), то изотоп урана-238 превращается в b-радиоактивный изотоп урана-239.

В процессе радиоактивных превращений образуется изотоп нептуния, а затем плутония, который в дальнейшем используется в качестве ядерного топлива. При этом при делении 1 кг урана получается 1,5 кг плутония. Т.о. в реакторах размножителях можно воспроизводить ядерное топливо в количестве, превосходящем израсходованное.

Ядерная энергетика

Для осуществления управляемой цепной реакции используют ядерный реактор, который является источником энергии на АЭС и морском флоте. В ядерном реакторе число нейтронов, участвующих в делении ядер, остается неизменным (k=1), реакция протекает стационарно и имеет управляемый характер. Впервые управляемая цепная реакция деления ядер урана была осуществлена в 1942 г. в США под руководством Э. Ферми в уран-графитовом реакторе.

В нашей стране первый ядерный реактор был запущен 25 декабря 1946 г. коллективом физиков, которыми руководил И. В. Курчатов.

Ядерный реактор – устройство, в котором осуществляется управляемая цепная реакция.

В ядерном реакторе число нейтронов, участвующих в делении ядер, остается неизменным (k=1), реакция протекает стационарно и имеет управляемый характер.

Ядра урана, особенно ядра изотопа U-235, наиболее эффективно захватывают медленные нейтроны. Вероятность захвата медленных нейтронов с последующим делением ядер в сотни раз больше, чем быстрых. Поэтому в ядерных реакторах, работающих на естественном уране, используются замедлители нейтронов для повышения коэффициента размножения нейтронов.

Основными элементами ядерного реактора являются: ядерное горючее U-235, Pu-239, замедлитель нейтронов (тяжелая или обычная вода, графит и др.), теплоноситель для вывода энергии, образующейся при работе реактора (вода, жидкий натрий и др.), регулирующие стержни (вводимые в рабочее пространство реактора стержни, содержащие кадмий или бор — вещества, которые хорошо поглощают нейтроны). Снаружи реактор окружают защитной оболочкой, задерживающей гамма-излучение и нейтроны. Оболочку делают из бетона с железным заполнителем.

По назначению реакторы делятся:

1. Исследовательские. 2. Энергетические. 3. Воспроизводящие (реакторы на быстрых нейтронах). 4. Транспортные. 5. Реакторы для промышленного получения изотопов различных химических элементов.

В реакторах на быстрых нейтронах ядерным горючим является обогащенная смесь, содержащая не менее 15 % изотопа U-235. Преимущество таких реакторов состоит в том, что при их работе ядра урана-238, поглощая нейтроны, посредством двух последовательных β – -распадов превращаются в ядра плутония, которые затем можно использовать в качестве ядерного топлива. Коэффициент воспроизводства таких реакторов достигает 1,5, т. е. на 1 кг урана-235 получается до 1,5 кг плутония. В обычных реакторах также образуется плутоний, но в гораздо меньших количествах.

Применение ядерных реакторов

1. Атомная подводная лодка
2. Атомный крейсер “Адмирал Кузнецов”
3. Атомный ледокол
4. Бомбардировщик ТУ-95 ЛАЛ с ядерной силовой установкой
5. ИСЗ с ядерным двигателем
6. Опреснительная установка

Преимущества АЭС

· ядерные реакторы не потребляют кислород и органическое топливо;

· отсутствует загрязнение окружающей среды золой и другими вредными для человека продуктами сгорания топлива;

· биосфера надежно защищена от радиоактивного воздействия при нормальном режиме эксплуатации АЭС.

Опасные факторы воздействия на окружающую среду

· нарушение теплового баланса в окрестности АЭС;

· проблема захоронения радиоактивных отходов и демонтажа отслуживших срок реакторов;

· радиоактивное загрязнение местности при аварийных выбросах;

· опасность экологических катастроф.

Ядерное оружие

Первая атомная бомба была испытана в США 16 июля 1945 г. Мощность взрыва составила 20 кт. Мощность взрыва атомной бомбы характеризуется тротиловым эквивалентом, т.е. при таком взрыве выделяется такая же энергия, как и при взрыве 20000 т тринитротолуола.

В августе 1945 года впервые атомное оружие было применено на мирных жителях, в результате чего города Хиросима и Нагасаки практически были стерты в лица земли ударными волнами. В результате преступных действий американской военщины в японских городов Хиросима и Нагасаки погибли около 100 тыс. человек, еще десятки тысяч умерли позднее от лучевой болезни. Так одно из самых замечательных открытий XX в. было использовано в атомном оружие, ставшим главным аргументом в “холодной войне” между СССР и США.

Американские правящие круги, спекулируя на временной монополии США в области ядерного оружия, пытались использовать его для устрашения свободолюбивых народов. Однако атомные “секреты” уже в 1947 были раскрыты советскими учёными во главе с академиком И. В. Курчатовым, а в августе 1949 в СССР произведён экспериментальный взрыв атомного устройства, что привело к полному краху атомного шантажа.

Первая советская атомная бомба

Стоит отметить особую заслугу в организации работ по ядерной программе Л. Берии. Как заявил И. В. Курчатов «Если бы не Берия, атомной бомбы не было».

Л. Берия

До сих пор Россия говорит на равных с ведущими державами благодаря этому человеку, на плечах которого поднялась вся ядерная программа СССР. За выдающиеся организаторские заслуги только два человека в стране были удостоены звания почетного гражданина Советского Союза – И. Курчатов и Л. Берия.

Холодная война закончилась, но ядерное оружие по-прежнему остаётся одним из главных гарантов суверенитета России. И пока мы в состоянии производить самое грозное в мире оружие, наши стратегические ресурсы под надёжной защитой.

Деление ядер урана. Цепная реакция (Зарицкий А.Н.)

Этот видеоурок доступен по абонементу

У вас уже есть абонемент? Войти

На данном уроке мы узнаем об открытии явления деления ядер урана, рассмотрим этот процесс и механизм превращения энергии во время этого процесса. Также рассмотрим процесс, который называется цепной ядерной реакцией, и различные варианты его протекания.