Продукты деления ядра урана нестабильны, так как в них содержится значительное избыточное число нейтронов.
§ 227. Деление урана
Даже если это так, идея, что в Земле могут идти — причем и в далеком прошлом, и в настоящее время! Красноречивый гелий Признаки работы природных реакторов ищут не только в земной коре, но и в недрах планеты. Одна из причин упорства исследователей заключается в том, что Земля излучает тепла примерно в 2,5 раза больше, чем должна отдавать в результате естественного распада радиоактивных элементов в коре радиогенное тепло и первичного нагрева. Тепловая энергия, получаемая от Солнца, в этом балансе не учитывается. Если такую большую разницу пытаться объяснить только радиогенным теплом из внутренних областей планеты, то Земля в целом должна иметь нереально большие запасы радиоактивных элементов. Но вот в цепных ядерных реакциях как раз выделяется тепла в несколько раз больше, чем при естественном радиоактивном распаде. Цепной механизм выделения энергии мог бы объяснить и упомянутый тепловой дисбаланс, и многие другие необычные явления. И если гипотетические реакторы расположены глубоко в недрах, то понятно, почему следы их активности не удалось найти в урановых месторождениях за исключением Окло. Искали где ближе, но, может, стоит «копнуть вглубь»?
Итак, предположим, что где-то в теле Земли действует такой реактор. По каким признакам его можно обнаружить? Один из методов поиска — анализ продуктов деления, мигрирующих из зоны реакции и достигающих земной поверхности. 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!
Хлопина и Э. Герлинга [200], основанный на спонтанном делении ядер урана с полупериодом 1010 лет.
Одним из продуктов деления является ксенон. Этот метод применим лишь для очень старых минералов, содержащих много урана, так как лишь в них скопления ксенона достаточны для измерений. Некоторые из этих изотопов образуются при спонтанном делении ядер урана.
Соотношение урана-235 и урана-238 не изменилось с момента образования Земли, что является прямым результатом их радиоактивности и распада на другие элементы. Период полураспада первого составляет 700 миллионов лет, а второго - 4,5 миллиарда лет, что говорит нам о том, что в прошлом уран-235 был доступен в гораздо более высоких концентрациях, чем сегодня. Возвращаясь к исследованным образцам, они выявили следовые количества других элементов, которые были внедрены в руду. Их процентное содержание было почти таким же, как в отработанном ядерном топливе, используемом на электростанциях. Физики заметили эту связь, тем самым подтвердив, что на руднике Окло, из которого был получен уран, в какой-то момент в далеком прошлом произошло спонтанное деление ядра. В ходе этого процесса уран-235 был истощен, что отразилось на изменении процентного содержания руды. О так называемом Феномен Окло стал очень громким, а сам рудник стал активно исследоваться, что привело к дальнейшим открытиям. Доказано, что в регионе, где имело место ядерное деление, было как минимум 16 различных объектов. В последующие годы был подробно описан процесс создания естественных реакторов, что было так же интересно, как и само открытие. Сложный процесс, поразивший ученых Около 2,4 миллиарда лет назад содержание кислорода в атмосфере Земли начало быстро увеличиваться, что позволило урану превратиться из его нерастворимой формы в оксид. Затем он растворялся в воде, а затем осаждался в последовательных слоях песчаника до тех пор, пока он не стал достаточно концентрированным, чтобы начать цепную реакцию. Ученые говорят, что вышеупомянутая вода , присутствующая в шахте, имела здесь особое значение , благодаря чему нейроны, выброшенные из яичек, были достаточно замедлены, чтобы быть реабсорбированы другими ядрами. В противном случае вместо деления был бы виден только отскок электронов от атомов. При делении ядер выделяется огромное количество энергии и, следовательно, тепла. В процессе выкипела вода, присутствующая в пещере, что привело к прекращению реакции. Когда вода вернулась, все началось заново. По словам исследователей, периоды бездействия и бездействия были очень короткими - первый длился около 30 минут, а второй - не менее 2,5 часов.
Во всяком случае, так мы считали 30 лет назад. Читайте дальше: «Выражаем искреннюю благодарность нашему руководителю проф. Курчатову, наметившему все основные контрольные опыты и принимавшему самое непосредственное участие в обсуждении результатов». Не сочтите эту фразу просто актом вежливости. Заслуга Игоря Васильевича не меньше нашей. Но руководитель, «наметивший все основные контрольные опыты и принимавший самое непосредственное участие в обсуждении результатов», наотрез отказался стать соавтором работы, сделанной руками его учеников. А мы действительно были его учениками — и я, и Георгий Николаевич — Г. В предвоенные годы ядерной физикой занимались сравнительно немногие. И еще меньше было людей, которые, как Курчатов, верили в прикладные возможности этой науки. Именно этим объясняю я тот, к примеру, факт, что почти все приборы для исследований — счетчики частиц, усилители импульсов — мы делали своими руками. Один из таких приборов стал темой моей дипломной работы, а руководителем ее был Игорь Васильевич. Бороды он еще не носил. Спустя года два — я продолжал заниматься прибористикой — Курчатов прислал ко мне на консультацию студента Флерова, задиристого и самолюбивого. Тема его диплома была близка моей, оба мы были молоды и вскоре стали работать сообща, хотя формально были сотрудниками разных институтов. А спустя какое-то время, кажется, это было в самом конце тридцать восьмого года, о ядре заговорили всерьез. Умы взбудоражило сообщение, что Ган и Штрассман в Германии открыли деление ядер урана нейтронами. Они пытались получить новый элемент, а натолкнулись на новое явление. Явление, интересное прежде всего своим энерговыделением — огромным количеством энергии, высвобождавшейся при каждом элементарном акте. Курчатов поручил нам с Флеровым повторить эти опыты, воспроизвести их. Уран был в виде урановой смолки , радон-бериллиевый источник нейтронов — тоже, а на регистрирующих приборах мы оба к тому времени собаку съели. Результаты Гана и Штрассмана заинтересовали не только Курчатова, заинтересовали прежде всего энергетической стороной дела. И естественно, многие физики задумались, а не могут ли эти ядра делиться сами по себе, спонтанно. Нильс Бор рассчитал даже время жизни урана по спонтанному делению и получил 1022 лет. Либби попробовал обнаружить спонтанное деление экспериментально, но сумел установить лишь нижний предел — 1014 лет — и прекратил опыты. Начиная свои опыты, мы не ставили целью открытие спонтанного деления, а искали энергетический «порог» деления урана, т. В нашем распоряжении была обычная ионизационная камера и обычная по тем временам регистрирующая радиоаппаратура, смонтированная собственноручно.
Распадается всего за 40 минут: открыт новый изотоп урана
Осколки «перегружены» нейтронами и являются радиоактивными. За время меньше 10-14 с из осколков вылетают 2-3 нейтрона которые называют мгновенными и гамма-кванты. Деление ядер урана сопровождается выделением энергии около 200 МэВ, или 1 МэВ на нуклон. Важно, что в результате деления ядра урана, вызванное нейтроном, возникают новые нейтроны, способные привести к делению следующих ядер урана.
Оценку выделяющей при делении ядра энергии можно сделать с помощью удельной энергии связи нуклонов в ядре.
Например: При полном делении всех ядер, содержащихся в 1 г урана, выделяется такая же энергия, как и при сгорании 3 т угля или 2,5 т нефти. Продукты деления ядра урана нестабильны, так как в них содержится значительное избыточное число нейтронов. При делении ядра , которое вызвано столкновением с нейтроном, освобождается 2 или 3 нейтрона. При благоприятных условиях эти нейтроны могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. На этом этапе появятся уже от 4 до 9 нейтронов, способных вызвать новые распады ядер урана и т.
Такой лавинообразный процесс называется цепной реакцией. Схема развития цепной реакции деления ядер уран: Скорость цепной ядерной реакции характеризуется коэффициентом размножения нейтронов k — это отношение числа нейтронов в данном этапе цепной ядерной реакции к их числу в предыдущем этапе. Для осуществления цепной реакции необходимо, чтобы так называемый коэффициент размножения нейтронов был больше единицы. Другими словами, в каждом последующем поколении нейтронов должно быть больше, чем в предыдущем. Коэффициент размножения определяется: числом нейтронов, образующихся в каждом элементарном акте; условиями, в которых протекает реакция — часть нейтронов может поглощаться другими ядрами или выходить из зоны реакции.
Самоподдерживающаяся цепная реакция в уране с повышенным содержанием может развиваться только тогда, когда масса урана превосходит так называемую критическую массу. Для чистого критическая масса составляет около 50 кг при минимальном объеме шара радиусом 9см. Критическую массу урана можно во много раз уменьшить, если использовать замедлители нейтронов, так как нейтроны, рождающиеся при распаде ядер урана, имеют слишком большие скорости, а вероятность захвата медленных нейтронов ядрами в сотни раз больше, чем быстрых. Наилучшим замедлителем нейтронов является тяжелая вода D2O.
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. 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.
Самопроизвольное деление Процессы спонтанного расщепления известны в природе, но они очень редки. Среднее время жизни указанного процесса составляет около 1017 лет, а, например, среднее время жизни альфа-распада того же радионуклида составляет около 1011 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. Вынужденное расщепление Гораздо более вероятным является индуцированное деление ядра урана.
Мы начали, как нас учили, как требовал Игорь Васильевич: прежде чем приступить к эксперименту, посмотри — и внимательно посмотри! Слушаем — у нас была ещё акустическая система. Видим всякие импульсы: это — от сети, это — от того-то. И вдруг — щелчок: как от деления ядра при облучении нейтронами! Тогда аспиранты решили позвонить своему научному руководителю, который, выслушав их, сказал: «Это, скорее всего, какая-то грязь. Но и там ничего не изменилось. Согласно другой точке зрения, физика Юрия Лукича Соколова, поначалу на еле слышимый щелкающий фон аспиранты даже не обратили внимания, так как он не портил статистику измерений, но именно Курчатов воспротивился данной точке зрения и предложил изготовить ещё более чувствительный прибор. Под контролем Курчатова начались интенсивные поиски агента, вызывающего деление. Было отвергнуто несколько догадок и, в конце концов, осталось единственное предположение, состоявшее в том, что деление происходит под воздействием космических лучей. Обратились за советом к специалисту по космическому излучению.
Что происходит с радиоактивной лавой под реактором в Чернобыле
Для осуществления ценной реакции пригодны лишь ядра Цепная реакция деления ядер урана. Крайне существенным является то обстоятельство, что нейтроны, испущенные при делении уранового ядра (так называемые вторичные нейтроны деления), способны вызывать деление новых ядер урана. Спонтанное деление ядер урана было впервые обнаружено в 1939 году в Ленинграде. (Фото РИА Новости). Скачок цен на углеводороды в Европе подхлестнул давние споры о судьбе атомных электростанций.
Как было открыто спонтанное деление
Первым открытым процессом деления ядра было вынужденное деление изотопа урана-235 нейтронами. В этом случае неизменным будет количество энергии, которая выделяется за единицу времени при делении ядер урана. (Фото РИА Новости). Скачок цен на углеводороды в Европе подхлестнул давние споры о судьбе атомных электростанций. Открытие деления урана.
§ 227. Деление урана
Поскольку масса покоя тяжёлого ядра урана больше суммы масс покоя осколков, образующихся в результате распада, то реакция деления протекает с выделением энергии. Для деления ядра урана-235 энергия примерно равна 200МэВ. Нейтроны, излучаемые ядрами урана, вызывают деление других ядер урана с появлением новых нейтронов — так происходит самоподдерживающаяся цепная реакция, благодаря которой мы получаем большое количество энергии. 19 января 2019 Ирина С. ответила: Явление деления ядер урана при облучении их нейтронами было открыто немецкими физиками Отто Ганом и Фрицем Штрассманом в 1939 году. Расследование показало, что концентрация урана-235 в руднике такая же, как в отработанной атомной станции, но деление ядер произошло 1,8 миллиарда лет назад. процессе деления путем Вывод Делиться на части могут только ядра некоторых тяжелых Цепные ядерные реакции При делении ядра урана освобождаются 2-3 нейтрона.