Цепная ядерная реакция – самоподдерживающаяся реакция деления тяжёлых ядер, в которой непрерывно воспроизводятся нейтроны, делящие всё новые и новые ядра. В критическом реакторе деления нейтроны, образующиеся при делении атомов топлива, используются для того, чтобы вызвать еще большее количество делений. Деление атомных ядер тяжелых элементов возможно благодаря тому, что удельная энергия связи этих ядер меньше удельной энергии связи ядер элементов.
Деление атомного ядра
Известно около 280 стабильных и более 2000 радиоактивных изотопов у 116 природных и искусственно полученных элементов. Нуклид от латинского nucleus — «ядро» — совокупность атомов с определенными значениями заряда ядра и массового числа. Условные обозначения нуклида: , где X — буквенное обозначение элемента, Z — число протонов атомный номер , A — сумма числа протонов и нейтронов массовое число. Даже у самого первого в таблице Менделеева и самого лёгкого атома — водорода, в ядре которого только один протон а вокруг него вращается один электрон , имеется три изотопа. Таблица Менделеева Радиоактивные превращения Могут быть естественными, самопроизвольными спонтанными и искусственными. Спонтанные радиоактивные превращения — процесс случайный, статистический. Все радиоактивные превращения сопровождаются, как правило, выделением из ядра атома избытка энергии в виде электромагнитного излучения.
Гамма-излучение — это поток гамма-квантов, обладающих большой энергией и проникающей способностью. Рентгеновское излучение — это так же поток фотонов — обычно с меньшей энергией. Только «место рождения» рентгеновского излучения не ядро, а электронные оболочки. Основной поток рентгеновского излучения возникает в веществе при прохождении через него «радиоактивных частиц» «радиоактивного излучения» или «ионизирующего излучения». Основные разновидности радиоактивных превращений: радиоактивный распад; деление ядер атомов. Это испускание, выбрасывание с огромными скоростями из ядер атомов «элементарных» атомных, субатомных частиц, которые принято называть радиоактивным ионизирующим излучением.
При распаде один изотоп данного химического элемента превращается в другой изотоп того же элемента. Для естественных природных радионуклидов основными видами радиоактивного распада являются альфа- и бета-минус-распад. Названия «альфа» и «бета» были даны Эрнестом Резерфордом в 1900 году при изучении радиоактивных излучений. Для искусственных техногенных радионуклидов, кроме этого, характерны также нейтронный, протонный, позитронный бета-плюс и более редкие виды распада и ядерных превращений мезонный, К-захват, изомерный переход и др. Альфа-распад Это испускание из ядра атома альфа-частицы, которая состоит из 2 протонов и 2 нейтронов. Альфа распад В результате испускания альфа-частицы образуется новый элемент, который в таблице Менделеева расположен на 2 клетки левее, так как количество протонов в ядре, а значит, и заряд ядра, и номер элемента стали на две единицы меньше.
А масса образовавшегося изотопа оказывается на 4 единицы меньше. Альфа—распад — это характерный вид радиоактивного распада для естественных радиоактивных элементов шестого и седьмого периодов таблицы Д. Менделеева уран, торий и продукты их распада до висмута включительно и особенно для искусственных — трансурановых — элементов. То есть этому виду распада подвержены отдельные изотопы всех тяжёлых элементов, начиная с висмута. Альфа распад Так, например, при альфа-распаде урана всегда образуется торий, при альфа-распаде тория — радий, при распаде радия — радон, затем полоний и наконец — свинец. При этом из конкретного изотопа урана-238 образуется торий-234, затем радий-230, радон-226 и т.
Скорость альфа-частицы при вылете из ядра от 12 до 20 тыс. Бета-распад Бета-распад — наиболее распространённый вид радиоактивного распада и вообще радиоактивных превращений , особенно среди искусственных радионуклидов. У каждого химического элемента есть, по крайней мере, один бета-активный, то есть подверженный бета-распаду изотоп. Кроме К-40, значимыми естественными бета-активными радионуклидами являются также и все продукты распада урана и тория, то есть все элементы от таллия до урана. Бета-распад включает в себя такие виды радиоактивных превращений, как: бета-минус распад; бета-плюс распад; К-захват электронный захват. Бета-минус распад — это испускание из ядра бета-минус частицы — электрона, который образовался в результате самопроизвольного превращения одного из нейтронов в протон и электрон.
При этом бета-частица со скоростью до 270 тыс. И так как протонов в ядре стало на один больше, то ядро данного элемента превращается в ядро соседнего элемента справа — с большим номером. Бета минус распад При бета-минус распаде радиоактивный калий-40 превращается в стабильный кальций-40 стоящий в соседней клетке справа. А радиоактивный кальций-47 — в стоящий справа от него скандий-47 тоже радиоактивный , который, в свою очередь, также путём бета-минус распада превращается в стабильный титан-47.
Да, есть такое понятие, как изотопы. Если добавить еще один нейтрон, получим атомную массу 17. В природе такие разновидности кислорода встречаются редко, но люди научились их получать. Изотопы 17 и 18 менее стабильны, чем изотоп 16, а в таблице указаны лишь самые стабильные химические элементы. Изотопы углерода часто используют в медицине. Их часто используют в медицине для диагностики и лечения заболеваний небольшими дозами радиоактивного излучения, которое не приносит вреда. Активно применяют в онкологии. Гамма-лучи оказывают разрушающее действие на клетки злокачественных опухолей. Лучевое лечение безболезненно и удобно для больного. С помощью искусственных радиоактивных веществ можно не только лечить, но и диагностировать ранние признаки некоторых болезней, например опухоли мозга. Для этого пациенту вводят в организм раствор радиоактивного йода, который накапливается в пораженном участке. В месте нахождения опухоли специальный аппарат отметит наибольшую интенсивность излучения. Какой элемент чаще всего используется в атомной энергетике? Это основное топливо для атомных реакторов. То есть к 92 протонам урана добавляется разное количество нейтронов. Такой большой атом нестабилен и может развалиться. Это называется радиоактивным распадом.
Проведя определённое опыты физики выяснили, что вращение атомных ядер начинается именно после разрыва «шейки». Наука и обучение Автор u2ssa «Мнение автора может не совпадать с мнением редакции». Особенно если это кликбейт. Вы можете написать жалобу. Все главные новости.
Увиденное произвело на Карима Масимова огромное впечатление. Предприятие понравилось. Россия в настоящее время, несомненно, является мировым лидером в производстве услуг по обогащению урана, и интерес к такого рода предприятию, как АЭХК, очень высок.
Основы строения атома. Просто о сложном
Ганом и Ф. Штрассманом было установлено, что при облучении урана нейтронами образуются боле легкие элементы, с массовыми числами меньше, чем массовое число урана, как правило, в полтора раза, в основном четвертого-пятого периодов таблицы Менделеева. Были построены уравнения таких ядерных реакций, описаны их энергетические параметры. Открытие деления ядер урана. Механизм деления ядра В 1939 г физиками О. Фришем и Л. Мейтнером была предложена капельная модель ядра, в рамках которой был описан процесс деления ядра атома урана. В покое ядро урана можно представить в виде капли, состоящей из нуклонов протонов и нейтронов.
Протоны имеют одинаковый заряд и стремятся разлететься, однако, ядерные силы имеют большую мощность, и препятствуют этому.
В отличие от любой другой отрасли, производящей энергию, ядерный сектор берет на себя полную ответственность за утилизацию отходов. Так как ядерное топливо энергоемко, для производства огромного количества электроэнергии требуется его небольшой расход. Ядерный реактор — установка, в которой осуществляется самоподдерживающаяся управляемая цепная ядерная реакция деления. Интересный факт Типичный ядерный реактор использует около 200 тонн урана каждый год.
Сложные процессы позволяют повторно обогащать или перерабатывать некоторое количество урана и плутония, что значительно сокращает объем добычи, извлечения и обработки. В среднем отходы от реактора, обеспечивающего потребности человека в электроэнергии в течение года, размером примерно с кирпич. Для сравнения: угольная электростанция мощностью 1000 мегаватт ежегодно производит около 300 000 тонн золы и более 6 миллионов тонн углекислого газа. Прямая утилизация и хранение Прямая утилизация — это стратегия, при которой отработанное ядерное топливо классифицируется как отходы и утилизируется в подземных хранилищах без какой-либо переработки. Отработанное топливо помещают в канистры, которые, в свою очередь, помещают в туннели и впоследствии запечатывают камнями и глиной.
Отходы от переработки — так называемые продукты деления — также остаются в хранилище. Но свободных мест хранения остается все меньше например, в Финляндии. Что же до использованного урана, то его необходимо хранить в специальных контейнерах, похожих на большие плавательные бассейны. Вода охлаждает топливо и изолирует внешнюю поверхность от контакта с радиоактивностью, — уточняют специалисты. Хранение и переработка ядерных отходов строго регулируется правительствами На сегодняшний день переработка отходов в основном сосредоточена на извлечении плутония и урана, поскольку эти элементы можно использовать повторно в обычных реакторах.
Эти силы удерживают ядро от распада. Ядро урана-235 имеет форму шара. Ядро растягивается до тех пор, пока силы электрического отталкивания между половинками вытянутого ядра не начинают преобладать над силами ядерного притяжения, действующими в перешейке. После этого ядро разрывается на две части. В результате число делящихся ядер очень быстро увеличивается. Возникает цепная реакция. Цепной ядерной реакцией называется реакция, в которой нейтроны образуются как продукты этой реакции, способные вызывать деление других ядер. Следовательно, число нейтронов, рождающихся в каждом поколении, нарастает в геометрической прогрессии. В целом процесс носит лавинообразный характер, протекает весьма быстро и сопровождается выделением огромного количества энергии.
Скорость цепной реакции деления ядер характеризуют коэффициентом размножения нейтронов. Коэффициент размножения нейтронов k — отношение числа нейтронов в данном этапе цепной реакции к их числу в предыдущем этапе. Если k 1, то число нейтронов увеличивается с течением времени или остаётся постоянным и цепная реакция идет. Коэффициент размножения k может стать равным единице лишь при условии, что размеры реактора и соответственно масса урана превышают некоторые критические значения. Критической массой называют наименьшую массу делящегося вещества, при которой может протекать цепная реакция. Число нейтронов, образующихся при делении ядер, зависит от объема урановой среды. Чем больше этот объем, тем большее число нейтронов выделяется при делении ядер.
Оболочечные эффекты выражаются в увеличении или уменьшении плотности уровней энергии ядра; они присущи как сферически симметричным, так и деформированным состояниям ядер [17]. Учёт этих эффектов усложняет зависимость энергии от параметра деформации по сравнению с капельной моделью. Для большинства ядер актиноидов в этой зависимости появляется вторая потенциальная яма, соответствующая сильной деформации ядра. Глубина этой ямы меньше глубины первой ямы соответствующей основному состоянию ядра на 2—4 МэВ [18]. В общем случае деформация делящегося ядра описывается не одним, а несколькими параметрами. В таком многопараметрическом пространстве ядро может двигаться от начального состояния к точке разрыва различными путями. Такие пути называются модами или каналами деления [19]. Так, в делении 235U тепловыми нейтронами выделяют три моды [20] [21]. Каждая мода деления характеризуется своими значениями асимметрии масс осколков деления и их полной кинетической энергии.
Деление атомного ядра
Пределы деления атома: Согласно принципам квантовой механики, есть нижний предел, достигнутый в элементарных частицах, таких как кварки или лептоны. В критическом реакторе деления нейтроны, образующиеся при делении атомов топлива, используются, чтобы вызвать еще большее количество делений. В отличие от вынужденного деления, основанного на захвате ядром нейтрона, запаздывающее деление основано на захвате электрона из собственного атома.
Деление ядер урана. Цепная ядерная реакция
Понятие длины волны характеризует перемещение волновой поверхности за один период в зависимости от рода среды и частоты колебаний. Длиной волны называется расстояние между ближайшими точками на одном направлении, которые колеблется в одинаковой фазе и определяется формулой 2 Изображение спектра электромагнитного излучения, проходящего через щель, на плоскости экране, фотопластинке также называется спектром. В зависимости от изображения на плоскости спектры бывают линейчатые, полосатые и сплошные. Линейчатые спектры состоят из узких линий различных цветов, разделенных темными промежутками в цветном изображении. Полосатые спектры состоят из ряда светлых полос, разделенных темными промежутками. Примером сплошного спектра является спектр белого света, в котором каждый цвет плавно переходит в другой без темных промежутков. Спектр подразделяется на три области: инфракрасную, видимую и ультрафиолетовую. Они относятся различным диапазонам частот или длин волн. Спектры отличают способами их получения. Нагревая тела, их можно заставить испускать лучи, относящихся к различным областям излучения в зависимости от температуры нагрева.
Вот поиском способа провести самоподдерживающуюся цепную реакцию и занялись Ферми и его коллеги. Через пару лет они смогли перейти от теоретической проработки к экспериментам. Однако для этого нужно было построить ядерный реактор. Реактор действительно напоминал поленницу лучше не скажешь из брикетов прессованного оксида урана и графитовых блоков. По мере сооружения реактора ученые проводили измерения и отслеживали, насколько близко они подошли к критической массе, необходимой для начала реакции. Она была достигнута 1 декабря. В итоге реактор содержал 5,4 тонны металлического урана, 45 тонн оксида урана и 360 тонн графита.
Однако он воздержался назвать предприятия и размер пакета акций, сославшись на то, что не может раскрыть информацию до тех пор, пока не заключена сделка. Генеральный директор предприятия Александр Белоусов ознакомил гостей с работой завода по разделению изотопов и деятельностью Международного центра по обогащению урана, созданного на базе АЭХК по инициативе правительств России и Казахстана. Увиденное произвело на Карима Масимова огромное впечатление.
Количество положительно заряженных частей компенсирует количество отрицательных, таким образом, атом остается нейтральным. Но однозначной модели атома не существовало. Так как в тот период все еще господствовала классическая физика, то высказывались различные предположения. Модели атома Поначалу была предложена модель «булка с изюмом». Положительный заряд как бы заполнял собой все пространство атома, и в нем, как изюм в булке, распределялись отрицательные заряды. Знаменитый опыт Резерфорда определил следующее: в центре атома расположен очень тяжелый элемент с положительным зарядом ядро , а вокруг располагаются значительно более легкие электроны. Масса ядра в сотни раз тяжелее суммы всех электронов оно составляет 99,9 процентов от массы всего атома. Таким образом, родилась планетарная модель атома Бора. Однако некоторые из её элементов противоречили принятой на тот момент классической физике. Поэтому была разработана новая, квантовая механика. С ее появлением начался неклассический период науки. Атом и радиоактивность Из всего сказанного выше становится понятно, что ядро — это тяжелая, положительно заряженная часть атома, которая составляет его основную массу. Когда квантование энергии и положений электронов на орбите атома были хорошо изучены, пришло время понять природу атомного ядра. На помощь пришла гениальная и неожиданно открытая радиоактивность. Она помогла раскрыть сущность тяжелой центральной части атома, так как источник радиоактивности — деление ядер. На рубеже девятнадцатого и двадцатого столетия, открытия сыпались одно за другим. Теоретическое решение одной задачи вызывало необходимость ставить новые опыты. Результаты экспериментов порождали теории и гипотезы, которые требовалось подтвердить или опровергнуть. Зачастую величайшие открытия появлялись просто потому, что именно таким образом формула становилась удобной для вычислений как, например, квант Макса Планка. Еще в начале эры фотографии ученые знали: урановые соли засвечивают светочувствительную пленку, но они не подозревали, что в основе этого явления лежит деление ядер. Поэтому радиоактивность изучали, чтобы понять природу распада ядра. Очевидно, что излучение порождались квантовыми переходами, но было не до конца ясно, какими именно. Чета Кюри добывала чистые радий и полоний, обрабатывая практически вручную урановую руду, чтобы получить ответ на этот вопрос. Заряд радиоактивного излучения Резерфорд много сделал для изучения строения атома и внес вклад и в исследование того, как происходит деление ядра атома. Ученый поместил излучение, выделяющееся радиоактивным элементом, в магнитное поле и получил потрясающий результат. Оказалось, что радиация состоит из трех компонентов: одна была нейтральной, а две другие — положительно и отрицательно заряженными. Изучение деления ядра началось с определения его составляющих. Было доказано, что ядро может делиться, отдавать часть своего положительного заряда. Строение ядра Позже выяснилось, что атомное ядро состоит не только из положительно заряженных частиц протонов, но и нейтральных частиц нейтронов. Все вместе они называются нуклонами от английского «nucleus», ядро. Однако, ученые вновь натолкнулись на проблему: масса ядра то есть количество нуклонов не всегда соответствовала его заряду. Более сложные элементы могут иметь гораздо большее количество разных масс при одном и том же заряде. Такие вариации атомов называются изотопами. Причем некоторые изотопы оказались вполне устойчивыми, другие же быстро распадались, так как для них было характерно деление ядер.
Самое правильное деление атома
Деление атомного ядра, процесс, при котором из одного атомного ядра возникают несколько (чаще всего два) более лёгких ядер (осколков деления). это процесс, при котором атом распадается на два, образуя два атома меньшего размера и огромное количество энергии. Деление действительно назрело: военная часть тормозит развитие гражданки. В 1939 г физиками О. Фришем и Л. Мейтнером была предложена капельная модель ядра, в рамках которой был описан процесс деления ядра атома урана. Деление ядра является реакцией, в которой ядро из атома распадается на два или более мелких ядра.
Деление ядер: процесс расщепления атомного ядра. Ядерные реакции
При этом изменение одной частицы мгновенно изменит состояние ее партнера, независимо от того, насколько далеко они находятся друг от друга. Несмотря на кажущуюся невозможность, квантовая запутанность постоянно демонстрировалась в экспериментах на протяжении десятилетий, и ученые использовали ее причудливую природу для быстрой передачи данных на большие расстояния. В новом исследовании ученые из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана LMU и Саарского университета побили рекорд расстояния квантовой запутанности между двумя атомами, соединенных оптоволоконным кабелем.
Вторичные нейтроны деления. Нейтроны, вызывающие деление ядер, называются первичными, а нейтроны, возникающие при делении ядер — вторичными. Вторичные нейтроны деления испускаются осколками в самом начале их движения. Как уже отмечалось, осколки непосредственно после деления оказываются сильно перегруженными нейтронами; при этом энергия возбуждения осколков превышает энергию связи нейтронов в них, что и предопределяет возможность вылета нейтронов. Покидая ядро осколка, нейтрон уносит с собой часть энергии, в результате чего энергия возбуждения ядра осколка снижается. После того, как энергия возбуждения ядра осколка станет меньше энергии связи нейтрона в нём, вылет нейтронов прекращается.
При делении разных ядер образуется различное число вторичных нейтронов, обычно от 0 до 5 чаще всего 2-3. Для расчетов реакторов особое значение имеет среднее число вторичных нейтронов, испускаемых в расчете на один акт деления. Некоторые примеры приведены в таблице 1. Таблица 1.
Задание ученикам: восстановить реакцию. Задание ученикам: подпишите элементы рисунка. При полном делении всех ядер, имеющихся в 1 г урана, выделяется столько энергии, сколько выделяется при сгорании 2,5 т нефти. Процесс деления атомного ядра можно объяснить на основе капельной модели ядра. Согласно этой модели сгусток нуклонов напоминает капельку заряженной жидкости. Ядерные силы между нуклонами являются короткодействующими подобно силам, действующим между молекулами жидкости. Наряду с большими силами электростатического отталкивания между протонами, стремящимися разорвать ядро на части, действуют еще большие ядерные силы притяжения. Эти силы удерживают ядро от распада. Ядро урана-235 имеет форму шара. Ядро растягивается до тех пор, пока силы электрического отталкивания между половинками вытянутого ядра не начинают преобладать над силами ядерного притяжения, действующими в перешейке. После этого ядро разрывается на две части. В результате число делящихся ядер очень быстро увеличивается. Возникает цепная реакция. Цепной ядерной реакцией называется реакция, в которой нейтроны образуются как продукты этой реакции, способные вызывать деление других ядер. Следовательно, число нейтронов, рождающихся в каждом поколении, нарастает в геометрической прогрессии. В целом процесс носит лавинообразный характер, протекает весьма быстро и сопровождается выделением огромного количества энергии.
Тем не менее, привыкнув к воздействию сжигания ископаемого топлива на здоровье человека, мы мало задумываемся о влиянии на него твердых частиц, образующихся при сжигании угля, который сам по себе тоже не совсем свободен от радиоактивных веществ. Стоимость Для сравнения затрат на производство электроэнергии исследователи используют так называемую выровненную стоимость энергии, или LCOE. Это показатель средней себестоимости выработки электроэнергии, рассчитанный на весь срок службы объекта. Этот показатель зависит от множества факторов, связанных с местоположением и колебаниями ресурсов. Тем не менее, можно получить общее представление о LCOE в мире для сравнения технологий. Могут ли атомные электростанции спасти мир? Конечно, новые технологии всегда могут изменить ситуацию. Поиск лучших способов улавливания ядерных отходов может сделать их более безопасными или, по крайней мере, дать общественности уверенность в том, что в будущем они будут представлять меньшую угрозу. Альтернативы изотопам урана могут снять тревогу по поводу расплавов и возможности создания оружия в ядерных программах. Изменение технологий может повлиять на масштабы реакторов или даже полностью повысить их LCOE. Но, скорее всего, это будет слишком поздно. Анализ внедрения атомной и возобновляемой энергетики в более чем ста странах за последние 25 лет показал, что атомная энергетика не достигла таких же результатов по снижению выбросов углерода, как возобновляемые источники энергии. Более того, инвестиции в атомную энергетику - это невозвратные затраты, затрудняющие последующий переход на возобновляемые источники энергии. Все это не означает, что ядерной энергетике нет места в будущем производстве энергии. Например, освоение космоса может выиграть от развития технологий ядерного деления. Помимо производства энергии, бесценной отраслью является производство особых изотопов для медицины и научных исследований с использованием деления. Возможно, она не спасет нас от климатического кризиса, но ядерная эра дает другие технологические преимущества, которые останутся с нами надолго.
Деление атома может дать миру необыкновенную власть
Деление тяжелых атомных ядер является источником энергии в ядерных реакторах и ядерном оружии. Судите сами: когда-то советские ученые пришли, условно, к Сталину, и доложили, что из западных научных журналов исчезли статьи по делению ядра атома – реально перспективную. Ученые из Германии продемонстрировали квантовую запутанность двух атомов, разделенных 33 км оптоволоконного кабеля. В ТЕКСТЕ ОГОВОРКА: У ГРАФИТА НЕ 6 АТОМНАЯ МАССА, А 12!Для донатов и вопросов: ДЛЯ ДОНАТОВ ИСПОЛЬЗОВАТЬ. Ядерное деление — это реакция, в ходе которой ядро атома расщепляется на два или более меньших ядра, при этом происходит высвобождение энергии.
Основы строения атома. Просто о сложном
Эти избыточные нейтроны, ударяясь о ядра других атомов урана-235, могут запустить цепную реакцию деления, что приводит к атомному взрыву. И если Счётная палата хотела узнать, что творится в большом атомном хозяйстве Кириенко, последний немедленно жаловался на «притеснения» в президентские структуры. Делением атомных ядер называется процесс раскалывания ядра на две примерно равные части. В пересчете на один атом деление урана дает в 50–100 миллионов раз больше энергии, чем любая химическая реакция. Ученым впервые в истории удалось зафиксировать, как соединяются и разъединяются атомы.