Ведь деление ядер поистине поразительное явление: оносопровождается сильной радио-активностью, а полная ионизация от осколков деления превосходит в десятки раз ионизацию. Газ, скапливающийся в ядерном топливе в результате реакций деления, может быстро выходить из него благодаря давлению атомов топлива.
Физика. 9 класс
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? В какой-то момент реактор просто остановится, не будет давать достаточное количество энергии, и атомная станция перестанет работать. А если не охлаждать атомный реактор, то он перегреется и может повредиться.
В чем плюсы атомной энергетики? Угольные и дизельные электростанции сильно загрязняют окружающую среду. Существуют чистые источники энергии, основанные на использовании ветра, воды и солнца, но не везде можно поставить солнечную батарею или ветростанцию. Атомная энергия тоже чистая, но несет определенные риски. А вот управляемый термоядерный синтез сможет обеспечить чистую, безопасную, дешевую энергию. Это наше будущее.
Но почему многие школьники считают, что это еще и скучно? И как преподавать физику нескучно? Важно, чтобы ребенок понимал, какие процессы стоят за формулами. Когда на физике изучают радиоактивный распад, надо объяснять, что это касается атомных станций, рассказывать об интересных разработках, которые сейчас ведутся в атомной отрасли, о рисках, с которыми люди могут столкнуться в обычной жизни.
Достаточно вспомнить следы таких нуклидов как 131I, 133I, 90Sr, 137Сs. Но у стабильных ядер со средними значениями масс, к которым относятся осколки, это отношение значительно ближе к единице: например, у стабильного ядра 118Sn это отношение равно 1,36. Это означает, что ядра осколков сильно перегружены нейтронами, и они будут стремиться избавиться от этой перегрузки путем бета-распадов, при которых нейтроны превращаются в протоны. При этом, для того, чтобы первичный осколок превратился в стабильный нуклид, может потребоваться несколько последовательных бета-распадов, образующих целую цепочку, например: стабилен. Здесь под стрелочками приведены периоды полураспада нуклидов: s-секунды, h-часы, y-годы.
Заметим, что осколком деления принято называть только самое первое ядро, непосредственно возникающее при делении ядра урана в данном случае — 135Sb. Все остальные нуклиды, возникающие в результате бета-распадов, вместе с осколками и стабильными конечными нуклидами, называют продуктами деления. Поскольку вдоль цепочки массовое число не изменяется, то всего таких цепочек при делении ядер урана может образоваться столько, сколько может возникнуть массовых чисел, то есть примерно 90. А так как в каждой цепочке содержится в среднем 5 радиоактивных нуклидов, то всего среди продуктов деления можно насчитать около 450 радионуклидов с самыми различными периодами полураспада от долей секунды до миллионов лет. В ядерном реакторе накопление продуктов деления создает определенные проблемы, так как во-первых, они поглощают нейтроны и тем самым затрудняют протекание цепной реакции деления, а во-вторых, из-за их бета-распада возникает остаточное тепловыделение, которое может продолжаться очень долго после остановки реактора в остатках чернобыльского реактора тепловыделение продолжается и поныне. Значительную опасность радиоактивность продуктов деления создает и для человека.
Этот процесс может происходить самопроизвольно, но чаще всего он индуцируется бомбардировкой ядер частицами, такими как нейтроны. Основные характеристики ядерного деления: Расщепление: В ходе ядерного деления, тяжелое ядро, как правило, урана или плутония, разбивается на два более легких ядра. Например, при делении урана-235 возникают два ядра криптона и бария, а также нейтроны.
Энергия: Ядерное деление сопровождается высвобождением огромного количества энергии, как удерживаемой в ядерных бомбах, так и использованной в атомных реакторах для производства электроэнергии. Цепные реакции: Когда освобождающиеся нейтроны от одного деления вызывают деление других ядер, это может привести к цепной реакции, что является основой работы ядерных реакторов и атомных бомб. Ядерный синтез Ядерный синтез, с другой стороны, представляет собой процесс, при котором два или более легких ядра объединяются в одно более тяжелое ядро.
Поэтому в количестве, заметно превышающем критическую массу, представляет сильнейшее взрывчатое вещество, используемое для так называемой атомной бомбы. Чтобы атомная бомба не взрывалась при хранении, можно разделить ее урановый заряд на несколько удаленных друг от друга частей с массой, меньшей критической. Для производства взрыва необходимо эти части быстро сблизить.
По энергии взрыва урановый заряд в сотни тысяч раз превосходит обычные взрывчатые вещества, взятые в том же количестве. В момент взрыва температура в атомной бомбе поднимается до миллионов градусов. Ввиду этого взрыв атомной бомбы, если он происходит в подходящей среде, может вызвать вспышку термоядерной реакции см. К числу веществ, обладающих наиболее благоприятными свойствами для развития термоядерной реакции, относятся тяжелый водород дейтерий , сверхтяжелый водород тритий , литий и др. В смеси этих веществ могут идти, например, следующие ядерные реакции: Система из атомной бомбы и вещества, в котором при ее взрыве возникает мощная термоядерная реакция, получила название термоядерной или водородной бомбы. Сила взрыва водородной бомбы в сотни раз превосходит силу взрыва атомной бомбы.
Дело в том, что количество «взрывчатки» в атомной бомбе ограничено: масса каждой ее части должна быть меньше критической во избежание преждевременного взрыва. Для количества же «взрывчатки» водородное бомбы такого ограничения нет, так как дейтерий, тритий, их смесь и т. В отличие от реакции деления до настоящего времени еще не осуществлено использование термоядерной реакции для практического получения тепловой и электрической энергии. Однако интенсивные исследования в этом направлении ведутся в СССР и в других странах. Применение термоядерной реакции для получения энергии представляет огромный интерес, так как запасы сырья для этой реакции огромны дейтерий в составе воды в океанах!
КАК РАБОТАЕТ ЯДЕРНОЕ ОРУЖИЕ?
fission of an atom. Деление атома. Целью данного урока является изучение деления ядра атома урана и объяснение движения двух ядер, образовавшихся при его делении по готовой фотографии треков. Ядерное деление — это реакция, в ходе которой ядро атома расщепляется на два или более меньших ядра, при этом происходит высвобождение энергии. Приборы впервые зафиксируют деление ядер урана, а реактор из сложной металлической конструкции превратится в полноценную атомную установку, чтобы обеспечить половину.
Деление атома может дать миру необыкновенную власть
Тот же принцип цепной реакции деления, только без особенного контроля, работает и в атомной бомбе. Тот же принцип цепной реакции деления, только без особенного контроля, работает и в атомной бомбе. Ядерное деление — это реакция, в ходе которой ядро атома расщепляется на два или более меньших ядра, при этом происходит высвобождение энергии. В этом выпуске поговорим о том, с чего началось освоение ядерной энергии: о механизме ядерных реакций, об открытии цепных реакций деления атомных ядер и возможности. В отличие от вынужденного деления, основанного на захвате ядром нейтрона, запаздывающее деление основано на захвате электрона из собственного атома. ЯДЕР ДЕЛЕНИЕ, ядерная реакция, в которой атомное ядро при бомбардировке нейтронами расщепляется на два или несколько осколков.
Ядерная энергетика: как утилизировать уран?
После того, как расщепление было обнаружено, физики начали теоретизировать, почему образуется шейка и приводит к расщеплению ядра. Кроме того, они начали задаваться вопросом: началось ли вращение фрагментов до или после разрыва. В рамках этой новой попытки исследователи провели эксперименты, показавшие, что вращение начинается после разрыва. Работа включала изучение осколков, образовавшихся в результате деления нескольких типов нестабильных элементов, таких как уран-238 и торий-232. В рамках своего исследования они внимательно изучили гамма-лучи, выделяющиеся после деления.
Ученые заметили, что эти лучи передают информацию о вращении изучаемых фрагментов.
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.
Открытие деления ядер урана Большинство природных радиоактивных элементов сильно распылено. Поэтому добыча весовых количеств этих элементов уже представляет собой сложности.
Изучение продуктов распада еще труднее, поскольку все природные радиоактивные элементы имеют длительные периоды полураспада, и получение весовых количеств веществ, пригодных для исследования, происходит крайне медленно. Поэтому интенсивное изучение радиоактивных распадов началось лишь после открытия нейтрона в 1932 г. Нейтрон не имеет электрического заряда, и способен гораздо легче попадать в зону действия ядерных сил, чем заряженные протоны или альфа-частицы. Появляется возможность ускорить ядерные реакции, облучая пробу вещества нейтронами. В результате таких исследований в 1938 г О. 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.
В ядерном реакторе или ядерном оружии подавляющее большинство событий деления вызвано бомбардировкой другой частицей, нейтроном, который сам произведен предыдущими событиями деления. Эта энергия, возникающая в результате захвата нейтрона, является результатом ядерной силы притяжения, действующей между нейтроном и ядром. Аналогичный процесс происходит с делящимися изотопами такими как уран-238 , но для деления этим изотопам требуется дополнительная энергия, обеспечиваемая быстрыми нейтронами такими, как нейтроны , производимые ядерным синтезом в термоядерном оружии. 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.
Что такое цепная ядерная реакция и при чём здесь замедлители
Деление атомов. Деле́ние ядра́ — процесс расщепления атомного ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, называемых осколками деления. Недавно в атомной энергетике произошло событие, которое можно сравнить разве что с созданием вечного двигателя: четвертый энергоблок Белоярской АЭС с реактором.
Элементарно о частицах: физик Дмитрий Бузунов разложил на атомы вопросы школьников
| ЯДЕР ДЕЛЕНИЕ | На этой странице вы можете посмотреть видео «Деление атома: перспективы международного рынка атомной энергетики» с RuTube канала «РБК». |
| 1.2.2. Деление атомных ядер | Сколько воды можно нагреть на 10 °С, если использовать всю энергию, которая выделяется при делении 10 15 атомов урана. |
Сделай Сам: Как Разделить Атомы На Кухне
Возникшие после деления «осколки» (атомные ядра других химических элементов) разлетаются с большой скоростью, выделяя в ней тепловую энергию распада. Ученые из Германии продемонстрировали квантовую запутанность двух атомов, разделенных 33 км оптоволоконного кабеля. Недавно в атомной энергетике произошло событие, которое можно сравнить разве что с созданием вечного двигателя: четвертый энергоблок Белоярской АЭС с реактором. Деление атомных ядер может быть вызвано различными частицами, однако практически наиболее выгодно использовать для этой цели нейтроны.
Основы строения атома. Просто о сложном
1 Деление атомов как источник энергии. поделиться новостью. Деление атома. В радиоактивном веществе, которое содержится внутри атомной бомбы, реакция деления идёт постоянно в тлеющем режиме. В пересчете на один атом деление урана дает в 50–100 миллионов раз больше энергии, чем любая химическая реакция.