Ядерным (или атомным) реактором называется устройство, в котором осуществляется управляемая реакция деления ядер. В этом опыте взрывной характер деления атома урана следовал из того, что два продукта деления разлетались в противоположные стороны с очень большой скоростью. При расщеплении (делении) урана высвобождается три нейтрона, которые сталкиваются с другими атомами урана, в результате чего возникает цепная реакция.
Физика. 9 класс
В критическом реакторе деления нейтроны, образующиеся при делении атомов топлива, используются для того, чтобы вызвать еще большее количество делений. Видео-стенд из светодиодных панелей для экспозиции "Магия деления ядра Урана" в павильоне "Атом на службе Родины" парка "Патриот". В ядерном реакторе число нейтронов, участвующих в делении ядер, остается неизменным (k=1), реакция протекает стационарно и имеет управляемый характер.
Два атома заставили двигаться синхронно на расстоянии 33 км
| Деление ядер: процесс расщепления атомного ядра. Ядерные реакции | В этом опыте взрывной характер деления атома урана следовал из того, что два продукта деления разлетались в противоположные стороны с очень большой скоростью. |
| Понятие радиоактивности. Виды распада | уДачные советы. 03:00. |
| Деление ядра — Рувики: Интернет-энциклопедия | Если не остановить процесс деления атомов, энергии будет слишком много, и произойдет взрыв. |
| Закон деления атома - Обзор прессы - Энергетика и промышленность России | Ученым впервые в истории удалось зафиксировать, как соединяются и разъединяются атомы. |
Разделяя неразделимое
Ученые заметили, что эти лучи передают информацию о вращении изучаемых фрагментов. Кроме того, они ожидали, что если вращение, возникшее в результате деления, произойдет до разрыва, то все осколки в данной области почти наверняка будут иметь одинаковый спин, но противоположны друг другу. Но они обнаружили, что это не так. Вместо этого все их вращения были полностью независимы друг от друга. Это открытие убедительно свидетельствует о том, что вращение начинается после разрыва.
Исследователи также предполагают, что по мере того, как ядро удлиняется и расщепляется, образующиеся остатки могут напоминать слезу.
Чтобы достичь критической массы и повысить вероятность распада, требуется достаточное количество исходного материала. Поскольку в свободном виде субатомные частицы встречаются довольно редко, часто необходимо отделить их от атомов, содержащих эти частицы. Один из способов сделать это заключается в том, чтобы выстрелить одним атомом изотопа по другому такому же атому. Похожее на пушку орудие с урановым сердечником выстреливало атомы 235U в мишень из таких же атомов 235U.
Атомы летели достаточно быстро, чтобы выделявшиеся из них нейтроны проникали в ядра других атомов 235U и расщепляли их. При расщеплении, в свою очередь, высвобождались нейтроны, которые расщепляли следующие атомы 235U. Одиночная субатомная частица может попасть в атом 235U и расщепить его на два отдельных атома других элементов, при этом выделятся три нейтрона.
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. 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. 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. Цепная ядерная реакция — самоподдерживающая реакция деления тяжелых ядер, в которой непрерывно воспроизводятся нейтроны, делящие все новые и новые ядра.
В частности, его компания уже объявила о выпуске облигаций на сумму до 195 миллиардов рублей. Эти средства направят на развитие сырьевой базы и на воплощения в жизнь различных инновационных проектов. Кроме того - еще один способ приумножить выгоду - это альянсы с западными игроками. В настоящее время российские атомщики обсуждают партнерство с германским "Сименсом", а также продолжают сотрудничество с французской компанией "Алстом". Читайте также:.
Деление атомного ядра
Предыдущие исследования показали, что атомные ядра с большим количеством протонов и нейтронов нестабильны. Деле́ние ядра́ — процесс расщепления атомного ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, называемых осколками деления. Эти избыточные нейтроны, ударяясь о ядра других атомов урана-235, могут запустить цепную реакцию деления, что приводит к атомному взрыву. Реакция деления атомных ядер под действием так называемых медленных нейтронов лежит в основе работы ядерных реакторов.
1.2.2. Деление атомных ядер
Больше по теме: Как добывается радиоактивный уран и для чего он используется? Ядерные отходы С момента зарождения атомной энергетики ядерные отходы не причиняли вреда людям. Распространенное заблуждение заключается в том, что, поскольку определенные части ядерных отходов остаются радиоактивными в течение миллиардов лет, угроза должна сохраняться на протяжении всего периода. Но это не так. Радиация является неизбежной частью жизни на нашей планете. Ключевой фактор в понимании того, почему хранилища ядерных отходов не представляют угрозы для здоровья, связан с количеством материалов, которые были бы обнаружены в окружающей среде в случае утечки.
Читайте также: Эффект Вавилова-Черенкова: что нужно знать? Учитывая, что радиоактивные отходы долговечны, зараженная одежда и инструменты могут оставаться радиоактивными на протяжении тысяч лет. Первая атомная электростанция была запущена в 1954 году в районе города Обнинск Московской области. Всего исследователи выделяют три типа ядерных отходов, классифицируемых в соответствии с их радиоактивностью: низкий, средний и высокий уровни. Не пропустите: Как работает АЭС?
Опасны ли атомные станции? Утилизация ядерных отходов В мире существуют две основные стратегии обращения с отходами: некоторые страны десятилетиями перерабатывают отработанное ядерное топливо; другие выбирают прямую утилизацию об этом ниже. По сути, это стратегическое решение, принятое на национальном уровне и в основном обусловленное политическими и экономическими, а также технологическими соображениями.
Модель жидкой капли из атомного ядра предсказывает равного размера продуктов деления как результат деформации ядра. Более сложная модель ядерной оболочки необходима для механистического объяснения пути к более энергетически выгодному исходу, при котором один продукт деления немного меньше другого.
Теория деления, основанная на модели оболочек, была сформулирована Марией Гепперт Майер. Однако бинарный процесс происходит просто потому, что он наиболее вероятен. Тройной процесс менее распространен, но все же приводит к значительному накоплению газообразных гелия-4 и трития в топливных стержнях современных ядерных реакторов. Энергетика Вход Стадии бинарного деления в модели жидкой капли. В модели жидкой капли предсказывается, что два осколка деления будут одного размера.
Модель ядерной оболочки позволяет им различаться по размеру, что обычно наблюдается экспериментально. После того, как доли ядра были отодвинуты на критическое расстояние, за пределами которого сильная сила ближнего действия больше не может удерживать их вместе, процесс их разделения происходит за счет энергии дальнего действия электромагнитного отталкивания между фрагментами. В результате два осколка деления удаляются друг от друга с высокой энергией. Около 6 МэВ энергии деления поступает за счет простого связывания дополнительного нейтрона с тяжелым ядром посредством сильного взаимодействия; однако во многих делящихся изотопах этого количества энергии недостаточно для деления. Например, уран-238 имеет близкое к нулю сечение деления нейтронов с энергией менее одного МэВ.
Нейтроны такой высокой энергии способны делить U-238 напрямую см. Термоядерное оружие для применения, где быстрые нейтроны поставляются с помощью ядерного синтеза. Однако этот процесс не может происходить в значительной степени в ядерном реакторе, так как слишком малая часть нейтронов деления, произведенных любым типом деления, имеет достаточно энергии для эффективного деления U-238 нейтроны деления имеют модовую энергию 2 МэВ, но медиана составляет всего 0,75 МэВ, что означает, что половина из них имеет меньше этой недостаточной энергии. Однако среди тяжелых актинидных элементов те изотопы, которые имеют нечетное число нейтронов например, U-235 со 143 нейтронами , связывают дополнительный нейтрон с дополнительной энергией 1-2 МэВ по сравнению с изотопом того же элемента с четным количество нейтронов например, U-238 с 146 нейтронами. Эта дополнительная энергия связи становится доступной в результате механизма эффектов спаривания нейтронов.
Эта дополнительная энергия является результатом принципа исключения Паули, позволяющего дополнительному нейтрону занимать ту же ядерную орбиталь, что и последний нейтрон в ядре, так что они образуют пару. Таким образом, в таких изотопах кинетическая энергия нейтронов не требуется, поскольку вся необходимая энергия поступает за счет поглощения любого нейтрона, медленного или быстрого первые используются в ядерных реакторах с замедлителем, а вторые - в быстрых. Как отмечалось выше, подгруппа делящихся элементов, которые могут эффективно делиться с их собственными нейтронами деления таким образом, потенциально вызывая ядерную цепную реакцию в относительно небольших количествах чистого материала , называется « делящимися ». Примерами делящихся изотопов являются уран-235 и плутоний-239. Точный изотоп, который расщепляется, независимо от того, является ли он расщепляющимся или расщепляющимся, оказывает лишь небольшое влияние на количество выделяемой энергии.
Это можно легко увидеть, изучив кривую энергии связи изображение ниже и отметив, что средняя энергия связи нуклидов актинидов, начиная с урана, составляет около 7,6 МэВ на нуклон. Если посмотреть дальше влево на кривой энергии связи, где образуются кластеры продуктов деления , легко заметить, что энергия связи продуктов деления стремится к центру около 8,5 МэВ на нуклон. Таким образом, в любом случае деления изотопа в диапазоне масс актинида примерно 0,9 МэВ выделяется на нуклон исходного элемента. Этот профиль высвобождения энергии справедлив также для тория и различных второстепенных актинидов. Напротив, большинство химических реакций окисления таких как сжигание угля или тротила выделяют не более нескольких эВ за одно событие.
Таким образом, ядерное топливо содержит как минимум в десять миллионов раз больше полезной энергии на единицу массы, чем химическое топливо. Энергия ядерного деления выделяется в виде кинетической энергии продуктов деления и осколков, а также в виде электромагнитного излучения в форме гамма-лучей ; в ядерном реакторе энергия преобразуется в тепло, когда частицы и гамма-лучи сталкиваются с атомами, которые составляют реактор и его рабочую жидкость , обычно воду или иногда тяжелую воду или расплавленные соли. Анимация кулоновского взрыва в случае кластера положительно заряженных ядер, сродни кластеру осколков деления. Уровень оттенка цвета пропорционален большему заряду ядра. Электроны меньшего размера на этой шкале времени видны только стробоскопически, а уровень оттенка - это их кинетическая энергия.
В атомной бомбе это тепло может способствовать повышению температуры ядра бомбы до 100 миллионов кельвинов и вызывать вторичное излучение мягких рентгеновских лучей, которые преобразуют часть этой энергии в ионизирующее излучение. Однако в ядерных реакторах кинетическая энергия осколков деления остается низкотемпературной теплотой, которая сама по себе вызывает небольшую ионизацию или ее отсутствие. Были сконструированы так называемые нейтронные бомбы улучшенное радиационное оружие , которые выделяют большую часть своей энергии в виде ионизирующего излучения в частности, нейтронов , но все это термоядерные устройства, которые зависят от стадии ядерного синтеза для получения дополнительного излучения. Например, в уране-235 эта запаздывающая энергия делится на примерно 6,5 МэВ в бета, 8,8 МэВ в антинейтрино высвобождаемых одновременно с бета и, наконец, на дополнительные 6,3 МэВ в задержанном гамма-излучении возбужденного бета-излучения. В реакторе, который работает в течение некоторого времени, радиоактивные продукты деления будут накапливаться до устойчивых концентраций, так что их скорость распада равна скорости их образования, так что их относительный общий вклад в тепло реактора через бета-распад совпадает с этими радиоизотопными дробными вкладами в энергию деления.
Именно эта выходная доля остается, когда реактор внезапно останавливается подвергается аварийному останову. Однако в течение нескольких часов из-за распада этих изотопов выходная мощность распада намного меньше. Подробнее см. Остаточное тепло. Причина в том, что энергия, выделяемая в виде антинейтрино, не улавливается материалом реактора в виде тепла, а уходит прямо через все материалы включая Землю почти со скоростью света в межпланетное пространство поглощенное количество мизерно.
Нейтринное излучение обычно не классифицируется как ионизирующее излучение, потому что оно почти полностью не поглощается и, следовательно, не вызывает эффектов хотя очень редкое нейтринное событие является ионизирующим. Некоторые процессы с участием нейтронов примечательны тем, что поглощают или, наконец, выделяют энергию - например, кинетическая энергия нейтронов не дает тепла сразу, если нейтрон захватывается атомом урана-238 для образования плутония-239, но эта энергия выделяется, если плутоний-239 позже расщепляется. С другой стороны, так называемые запаздывающие нейтроны, испускаемые как продукты радиоактивного распада с периодом полураспада до нескольких минут от дочерних элементов деления, очень важны для управления реактором , поскольку они дают характерное время «реакции» для полной ядерной реакции. Без их существования ядерная цепная реакция стала бы критической и увеличивалась бы в размерах быстрее, чем ее можно было бы контролировать с помощью вмешательства человека. В этом случае первые экспериментальные атомные реакторы убежали бы в опасную и беспорядочную «быструю критическую реакцию», прежде чем их операторы смогли бы отключить их вручную по этой причине конструктор Энрико Ферми включил управляющие стержни с радиационным противодействием, подвешенные электромагнитами, которые могли автоматически упасть в центр Чикаго Пайл-1.
Если эти запаздывающие нейтроны захватываются без деления, они также выделяют тепло. Ядра-продукты и энергия связи Основные статьи: продукты деления и выход продуктов деления При делении предпочтительно получать осколки с четным числом протонов, что называется нечетно-четным эффектом распределения заряда осколков. Однако нечетно-четного эффекта на распределение массового числа фрагментов не наблюдается. Этот результат объясняется разрывом нуклонных пар. Происхождение активной энергии и кривая энергии связи «Кривая энергии связи»: график энергии связи на нуклон обычных изотопов.
Ядерное деление тяжелых элементов производит полезную энергию, потому что удельная энергия связи энергия связи на массу ядер промежуточной массы с атомными номерами и атомными массами, близкими к 62 Ni и 56 Fe , больше, чем удельная энергия связи нуклонов очень тяжелых ядер. Полная масса покоя продуктов деления Mp от одиночной реакции меньше, чем масса исходного ядра топлива M. Изменение удельной энергии связи в зависимости от атомного номера происходит из-за взаимодействия двух фундаментальных сил, действующих на составляющие нуклоны протоны и нейтроны , составляющие ядро. Ядра связаны ядерной силой притяжения между нуклонами, которая преодолевает электростатическое отталкивание между протонами. Однако ядерное взаимодействие действует только на относительно коротких расстояниях несколько диаметров нуклона , поскольку оно следует за экспоненциально убывающим потенциалом Юкавы, что делает его несущественным на больших расстояниях.
Электростатическое отталкивание имеет больший диапазон, поскольку оно затухает по правилу обратных квадратов, так что ядра размером более 12 нуклонов в диаметре достигают точки, в которой полное электростатическое отталкивание преодолевает ядерную силу и делает их спонтанно нестабильными. По той же причине более крупные ядра более восьми нуклонов в диаметре менее тесно связаны на единицу массы, чем более мелкие ядра; разбиение большого ядра на два или более ядер среднего размера высвобождает энергию. Также из-за малого радиуса действия сильной связывающей силы большие стабильные ядра должны содержать пропорционально больше нейтронов, чем самые легкие элементы, которые наиболее стабильны при соотношении протонов и нейтронов 1: 1. Ядра, содержащие более 20 протонов, не могут быть стабильными, если у них нет более равного количества нейтронов. Дополнительные нейтроны стабилизируют тяжелые элементы, потому что они усиливают сильную связь которая действует между всеми нуклонами , не увеличивая протон-протонное отталкивание.
В продуктах деления в среднем примерно такое же соотношение нейтронов и протонов, что и в их родительском ядре, и поэтому они обычно нестабильны к бета-распаду который превращает нейтроны в протоны , потому что они имеют пропорционально слишком много нейтронов по сравнению со стабильными изотопами аналогичной массы. Эта тенденция ядер продуктов деления к бета-распаду является фундаментальной причиной проблемы радиоактивных высокоактивных отходов ядерных реакторов. Продукты деления, как правило, являются бета-излучателями , испускающими быстро движущиеся электроны для сохранения электрического заряда , поскольку избыточные нейтроны превращаются в протоны в атомах продуктов деления.
Размыкаются контакты, выдергиваются чеки, и в блок автоматики поступает сигнал об отделении носителя от стартового сооружения, самолета-носителя, самоходной установки или подлодки. Другие приборы связаны со средой, в которой движется носитель, и измеряют ее параметры. Если это крылатая или баллистическая ракета, используются манометрические, барометрические или аэродинамические датчики. Первые выдают сигнал при достижении заданной разности наружного статического давления и давления в специальной емкости в приборе, сообщая о достижении заданного перепада высоты. Вторые реагируют на значение наружного статического воздушного давления. Третьи срабатывают при заданной разнице статического и полного давления, создаваемого напором встречного воздуха при заданной скорости носителя.
Сигналы датчиков вызывают включения или отключения электрических цепей в блоке автоматики. Ядерная боевая часть крылатой противокорабельной ракеты. Вид со стороны блока автоматики. Но если ракета не достигла контрольной высоты или не развила контрольную скорость, то блок автоматики не отключит эту ступень предохранения. И заряд не взорвется, как бы дальше ни развивалась история нештатного полета и падения ракеты. Похоже действуют гидроприборы, если носителем ядерного заряда является торпеда. Гидростатические приборы реагируют на заданное статическое давление морской воды, гидродинамические датчики измеряют перепад полного и статического давлений воды при движении торпеды. Есть и группы приборов, не связанных со средой, подобно скрытым в теле человека мышечным рецепторам. Это датчики линейных ускорений и инерционные включатели, которые включают или выключают электрические цепи блока автоматики при контрольных значениях перегрузки по трем осям.
Есть временные приборы, переключающие электрические цепи по истечении заданного времени. Только по мере верного прохождения этих последовательностей система предохранения и взведения постепенно повышает взрывоготовность заряда. И сразу обнуляет ее при значимых отклонениях фактических событий от планового сценария работы носителя. Кто нажмет на спусковой крючок Но вот все этапы движения носителем пройдены, он уже в непосредственной близости к цели. Все ступени предохранения сняты, и заряд готов взорваться в любое мгновение. Кто примет решение и даст главную команду на подрыв? Пусковая система, или исполнительная система подрыва. Ее задача — выработка главной команды на подрыв заряда, которую выполнит блок автоматики и его система подрыва заряда. Главная команда запустит процесс подрыва, поэтому система называется пусковой.
Исполнительная она потому, что при выполнении главного условия подрыва — достижения цели — следует только исполнение подрыва, больше ничего Пусковая система частично находится в блоке автоматики — ее логические блоки, формирующие главную команду. Снаружи блока автоматики размещены подсистемы исполнительных датчиков — и на поверхности носителя, и внутри него. Подсистемы исполнительных датчиков имеют свою иерархию и работают на разных физических принципах. В этом они схожи с датчиками системы предохранения и взведения. Схем и воплощений пусковых систем так же много, как и конструкций, несущих ядерный заряд. Возьмем как условный пример боеголовку баллистической ракеты. Ее цель обычно точка в пространстве на высоте 500—800 метров над земной поверхностью. Взрыв мощностью в сотни килотонн создаст на поверхности Земли наибольшие разрушения, если произойдет на высоте, зависящей от мощности заряда. Возможен и подрыв на земле, когда нужно поразить укрепленную подземную цель.
Хэндл, видимо, не знал, что его работа "Сделай сам" была незаконной. Его не поймали, пока он не отправил вопрос в радиационное управление Швеции, и ему ответили в форме полицейского визита. Пытливые умы хотят знать: как он получил эти химикаты? И если бы Ричард Хэндл оставил наедине со своими собственными устройствами, он мог разделить атомы на своей кухне? Кент Хансен, почетный профессор ядерной науки и техники в Массачусетском технологическом институте, так не считает. Во-первых, по словам Тома Юинга, ученого-ядерщика из Аргоннской национальной лаборатории за пределами Чикаго, у Хэндла не было подходящего сырья. Радий не делится и не расщепляется при бомбардировке нейтронами.
Чтобы заставить америций работать, вам нужен сложный ядерный реактор, а в обедненном уране содержится мало нужного количества для ядерного деления: U-235.
Физический обзор
- Дирижер атомного взрыва: тело и жизнь самой тайной части ядерного заряда
- Элементарно о частицах: физик Дмитрий Бузунов разложил на атомы вопросы школьников
- Что такое цепная ядерная реакция
- Спустя 80 лет ученые поняли, как атомные ядра начинают вращаться после деления
Деление ядер: процесс расщепления атомного ядра. Ядерные реакции
Он не готов к взрыву ни при эксплуатации, ни сразу после отделения от носителя. Ядерный заряд не даст атомного взрыва в любой нештатной ситуации. Даже если его уронить с высоты на скалы, сунуть в доменную печь, обстрелять из любого оружия, обложить взрывчаткой и взорвать, или близко сработает другой ядерный заряд. Карпенко Взрывобезопасность заряда обеспечивает система предохранения и взведения. Она исключает случайный или преждевременный подрыв заряда, взрыв из-за ложных данных, несанкционированных действий и любых нештатных причин. Она же переводит заряд в стадии все большей готовности к взрыву перед его срабатыванием. И эта система также входит в состав блока автоматики. Ядерный заряд полностью готов взорваться только непосредственно перед взрывом Для предохранения и взведения заряда в блоке автоматики используются комплексы различных коммутационных устройств. Это электромагнитные реле разных типов и электромагнитные выключатели.
Они образуют сложные электрические цепи с возможностью их включения и отключения. Кроме коммутационных, есть другие устройства, входящие в широкий спектр электромеханических приборов автоматики. Не все они размещены в самом блоке автоматики. У человека глаза и осязательные рецепторы находятся на поверхности тела. А вкусовые и слуховые рецепторы, будучи внутри тела, соединены с внешней средой каналами: ротовой полостью или слуховым каналом. Мышечные рецепторы не контактируют со средой. Данные от всех рецепторов поступают в мозг, где обрабатываются с принятием решений на их основе. Очень похоже работает и система взведения.
В блок автоматики, мозг ядерного заряда, стекаются данные от многих приборов и датчиков. Обрабатывая их, система взведения реализует алгоритмы повышения готовности заряда к взрыву. Так, чековые или концевые выключатели находятся на поверхности носителя ядерного заряда. Размыкаются контакты, выдергиваются чеки, и в блок автоматики поступает сигнал об отделении носителя от стартового сооружения, самолета-носителя, самоходной установки или подлодки. Другие приборы связаны со средой, в которой движется носитель, и измеряют ее параметры. Если это крылатая или баллистическая ракета, используются манометрические, барометрические или аэродинамические датчики. Первые выдают сигнал при достижении заданной разности наружного статического давления и давления в специальной емкости в приборе, сообщая о достижении заданного перепада высоты. Вторые реагируют на значение наружного статического воздушного давления.
Третьи срабатывают при заданной разнице статического и полного давления, создаваемого напором встречного воздуха при заданной скорости носителя. Сигналы датчиков вызывают включения или отключения электрических цепей в блоке автоматики. Ядерная боевая часть крылатой противокорабельной ракеты. Вид со стороны блока автоматики. Но если ракета не достигла контрольной высоты или не развила контрольную скорость, то блок автоматики не отключит эту ступень предохранения. И заряд не взорвется, как бы дальше ни развивалась история нештатного полета и падения ракеты. Похоже действуют гидроприборы, если носителем ядерного заряда является торпеда. Гидростатические приборы реагируют на заданное статическое давление морской воды, гидродинамические датчики измеряют перепад полного и статического давлений воды при движении торпеды.
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. Как работает АЭС? В основе этой реакции лежит деление атомов нейтронами.
После расщепления одного атома появляются новые нейтроны, которые и дальше разбивают атомы. Количество нейтронов постоянно растет, атомов делится все больше, растет температура. Охлаждая реактор, вода нагревается и превращается в пар.
В частности, очень интересен изотопный состав «солнечного элемента» — гелия. Природный гелий состоит из двух стабильных изотопов: 4He и 3He. Гелий-4 попадает в атмосферу в результате естественного распада урана и тория. В воздухе на миллион атомов гелия-4 приходится всего полтора атома гелия-3.
Но в базальтах срединно-океанических хребтов изотопа 3He больше уже в 8 раз, а в некоторых изверженных магматических горных породах — в 40! Как объяснить происхождение гелия с высоким содержанием изотопа 3He? Какие физические процессы могут быть ответственны за это? Обычный радиоактивный распад явно не годится, так как он продуцирует исключительно гелий-4. Попробуем привлечь на помощь ядерные реакции деления. Известно, что при работе реактора тяжелые ядра, поглощая нейтрон, становятся неустойчивыми и могут делиться на два крупных осколка с испусканием легких заряженных частиц и 2—3 нейтронов. В конечном продукте совокупности таких реакций доли обоих изотопов гелия хотя и отличаются, но представляют собой величины одного порядка.
Напомним, что в «стандартном» атмосферном гелии их концентрации различаются на шесть порядков! Таким образом, относительно высокое содержание гелия-3, наблюдаемое в магматических породах, поднявшихся на поверхность из земных недр, может служить косвенным свидетельством работы глубинного геореактора. Уран выпал в осадок? Прежде чем продолжить разговор, хочется еще раз подчеркнуть принципиальное различие между естественным радиоактивным распадом и ядерной реакцией деления, ибо разница эта не всегда очевидна на неискушенный взгляд. Обычная радиоактивность — это самопроизвольный распад атомных ядер; для реакции деления обязательно требуется взаимодействие с внешней частицей нейтроном. По этой причине для осуществления ядерной реакции нужна достаточная концентрация активного вещества; для спонтанного распада концентрация не имеет никакого значения. Если в недрах Земли действительно идут цепные реакции, значит, там должны присутствовать скопления радиоактивных элементов актиноидов.
Как и где именно они образовались? На этот счет существует множество разных точек зрения: от мантии до геометрического центра Земли. Анисичкин с соавторами предложили обоснованную гипотезу, согласно которой местом критической концентрации урана и тория могла быть поверхность твердого внутреннего ядра Земли. Эта концепция во многом базируется на работах по растворимости диоксида урана UO2 , проведенных в конце 1990-х гг. В экспериментах на аппарате высокого давления типа «разрезная сфера» А. Туркиным было показано, что растворимость UO2 в расплавах на основе железа с ростом давления уменьшается. Исследуемый диапазон давлений составлял 5—10 ГПа для сравнения: в центре Земли давление около 360 ГПа.
Поскольку в природе уран встречается преимущественно в виде оксидов, то логично сделать вывод: чем глубже, тем хуже будет растворяться уран! Этот важный экспериментальный факт наводит на мысль, что миграция актиноидов в теле Земли могла быть следующей. После образования планеты в океане магмы, состоящей, в основном, из расплавов железа и силикатов, присутствовали и соединения урана. Со временем магма остывала, и происходило гравитационное разделение вещества по плотности. Силикаты, кристаллизуясь, всплывали в магме, плотность которой за счет железа была выше. Соединения же тяжелых актиноидов, выделяясь из расплава по мере роста давления и кристаллизуясь, оседали на внутреннее твердое железоникелевое ядро планеты. Из сейсмологических исследований известно, что переходная зона между внешним жидким и внутренним твердым ядром Земли толщиной 2—3 км имеет мозаичную структуру.
При этом основными структурными элементами являются относительно тонкие взвешенные слои протяженностью до нескольких десятков километров. Возможно, именно они и являются областями концентрации тяжелых радиоактивных элементов. Не можешь найти — моделируй! Когда речь идет о процессах на глубинах в тысячи километров, следует иметь в виду, что, с одной стороны, они недоступны непосредственному экспериментальному исследованию, с другой — их не всегда возможно изучать и в лабораторных установках, где трудно создать аналогичные физические условия. Но в современной науке существует еще один универсальный инструмент познания — компьютерное моделирование. В 2005 г. Задача была не из легких, поскольку методы теории реакторов традиционно применяются для расчета процессов длительностью максимум в годы, а здесь потребовалось просчитывать интервалы в миллиарды лет!
Согласно их идее при кристаллизации магматического океана происходило «гравитационное разделение вещества по плотности», в результате которого силикаты, кристаллизуясь, всплывали, а соединения тяжелых актиноидов оседали на внутреннее ядро планеты. В дальнейшем сконцентрировавшаяся таким образом масса актиноидов, и в первую очередь соединения урана, играла роль ядерного реактора, генерирующего энергию, обусловленную цепными реакциями деления. К сожалению, в самой основе этой занимательной гипотезы лежит недоразумение. Кристаллизация каких-либо соединений актиноидов в виде самостоятельных минеральных фаз, которые могли бы погружаться в недра планеты, в магматическом океане невозможна. Прежде всего, это обусловлено исключительно низкими концентрациями урана и других актиноидов в протопланетном веществе. При кристаллизации расплава, который возникает на основе такого вещества, весь уран распределяется в кристаллической решетке породообразующих минералов или на их границах в виде примеси, как и многие другие редкие и рассеянные элементы. Конечно, образование скоплений редких элементов в природе возможно вспомним, например, самородное золото , только это происходит в коре и не в результате кристаллизации магматических расплавов, а за счет разгрузки гидротермальных растворов, транспортирующих эти элементы и сбрасывающих их при изменении физических условий.
В ходе геологических процессов зарождающиеся в недрах планеты магматические расплавы вследствие более низкой плотности по сравнению с твердым веществом перемещаются к поверхности.
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.
Как работает АЭС? В основе этой реакции лежит деление атомов нейтронами. После расщепления одного атома появляются новые нейтроны, которые и дальше разбивают атомы. Количество нейтронов постоянно растет, атомов делится все больше, растет температура. Охлаждая реактор, вода нагревается и превращается в пар.
Пар раскручивает турбину, которая вырабатывает электричество. Если не остановить процесс деления атомов, энергии будет слишком много, и произойдет взрыв. В реакторе есть стержни управления, которые поглощают нейтроны и тормозят реакцию. Его загружают в реактор в специальных картриджах, которые называются тепловыделяющими сборками. В одном реакторе их количество может доходить до нескольких сотен.
Топливные сборки доставляют на специальных платформах и загружают краном. Что произойдет, если перестать загружать уран в атомный реактор? А если не охлаждать реактор?
Деление атома может дать миру необыкновенную власть
В результате появляется пара более лёгких в сумме элементов осколков деления , чем исходные. На очередном этапе взаимодействия число вовлекаемых в процесс ядер может превышать их численность на прежнем этапе, тогда их количество растёт лавинообразно. Если их численность на каждом этапе удерживается на одном уровне, цепная ядерная реакция называется управляемой. Лавинообразное появление новых ядер в уране возможно только для изотопа 235U. Впервые о явлении заговорили в 1934 благодаря работам Жолио-Кюри. Они, в 1939 году, вместе с Коварски провели бомбардировку урана и, кроме осколков деления, обнаружили высвобождение 2-3 нейтронов. При попадании в другие ядра последние снова делятся с выделением уже 6-9 элементарных частиц. В процессе исследований и экспериментов Ферми, супруги Кюри, Штрассман, Фриш, Ган установили: попавший в ядро 235U нейтрон делит его в два-три раза.
Рассмотрим, какую ядерную реакцию называют цепной, каковы условия её возникновения, поддержания. Коснёмся темы использования явления человеком.
Что такое цепная ядерная реакция Ядерной реакцией называется процесс взаимодействия атомного ядра с элементарной частицей, вследствие которого образуется новое ядро и выделяется вторичная частица -ы , называемая гамма-квантом. Впервые её провёл Эрнест Резерфорд в 1919 году. Вследствие реакции азот 714N превращался в кислород 817O с выделением атома водорода. Протекают ядерные реакции не только с выделением, но и с поглощением энергии. Цепная ядерная реакция — это последовательность делений атомных ядер, каждое из которых вызывается высвобожденной на предыдущем шаге процесса частицей. Протекают только в тяжёлых химических элементах, инициируется появившимися при прошлом делении ядер.
Сила этого притяжения помогает удерживать электроны вокруг ядра, образуя атом и сохраняя его структуру. Нейтроны — частицы без электрического заряда. Их задача — «связывать» протоны друг с другом в ядре, не давая им отталкиваться. От нейтронов зависит стабильность атомов. В цепной ядерной реакции в контексте атомной энергетики нейтроны играют важную роль. Как устроена атомная электростанция Заставляют атомы в ядерном топливе делиться. Когда нейтрон сталкивается с атомным ядром, это вызывает деление атома, сопровождаясь высвобождением энергии и дополнительных нейтронов. Распространяют реакции. Высвобожденные нейтроны сталкиваются с другими атомами и вызывают их деление. Это порождает дополнительные нейтроны, которые вызывают деление других атомов, и так далее. Благодаря этому энергия в ядерных реакторах высвобождается постоянно. Как графитовые стержни замедляют нейтроны В ядерных реакциях нейтроны высвобождаются с высокой скоростью. Причина — в сильной связи протонов и нейтронов внутри ядра. При ядерной реакции значительная часть этой связанной энергии освобождается, и атомы движутся с огромной скоростью. В результате другие атомы не успевают захватить их и не могут продолжить цепную реакцию. Поэтому новые реакции случаются редко и с недостаточным уровнем энергии или тепла. При этом нейтроны с высокой скоростью в процессе деления высвобождают энергию. Это приводит к большим колебаниям температуры и нарушает стабильность условий внутри реактора. Это ставит производство электричества под вопрос. Наука научилась контролировать скорость нейтронов с помощью графитовых стержней. Эти элементы используют в ядерных реакторах, чтобы управлять ядерными реакциями.
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. 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.
Открытие ядерного деления
Предыдущие исследования показали, что атомные ядра с большим количеством протонов и нейтронов нестабильны. В конце 1938 года из Старого света пришла новость о том, что два немецких ученых, Отто Ган и Фриц Штрассман, открыли реакцию деления атомного ядра. Деление атомного ядра, процесс, при котором из одного атомного ядра возникают несколько (чаще всего два) более лёгких ядер (осколков деления).
Деление атома может дать миру необыкновенную власть
| Открытие ядерного деления | И если Счётная палата хотела узнать, что творится в большом атомном хозяйстве Кириенко, последний немедленно жаловался на «притеснения» в президентские структуры. |
| Деление атома - Coub - The Biggest Video Meme Platform | ЯДЕР ДЕЛЕНИЕ, ядерная реакция, в которой атомное ядро при бомбардировке нейтронами расщепляется на два или несколько осколков. |