Деление ядер урана. Цепная реакция. Ядерный реактор

1. Деление ядер урана.

• В 1934 г Энрико Ферми первым понял, что можно получить новые элементы в реакциях захвата нейтронов ядрами. Он обнаружил, что вероятность захвата нейтрона ядром достигает максимальной величины для медленных нейтронов. Возникла идея получить несуществующие в природе трансурановые элементы, облучая нейтронами ядра последнего элемента в таблице Менделеева урана –238. Ферми предположил, что ядро урана, захватив нейтрон, станет - радиоактивным и после испускания электрона превратится в ядро элемента с порядковым номером 93.

• В Берлине этой проблемой занялись химики О. Ган и Ф. Штрасман. В течении 4-х лет они исследовали продукты реакции урана с нейтронами. К концу 1938 г в ходе экспериментов неожиданно были обнаружены элементы середины таблицы Менделеева: барий и др. Но ученые не могли объяснить это явление. Деление ядер урана им казалось невозможным. Деление ядер было равносильно тому, что громадный валун раскалывается от легкого удара маленьким камушком.

• В начале января 1939 г теоретические исследования Лизы Мейтнер (австр.уч) и О. Фриша (англ.уч) подтвердили возможность деления ядер урана-235 на барий (Z=56) и криптон (Z=36). Деление возможно, т.к. масса покоя ядер продуктов деления меньше массы покоя ядра урана. В конце января Э. Ферми предположил, что при делении должно испускаться несколько нейтронов, которые могут вызвать последующие деления, т.е. в уране возможна цепная реакция.

1. Механизм деления ядра урана( капельная модель ядра)

• У возникающий при делении осколков нейтронов больше(), чем допустимо для ядер в середине таблицы Менделеева(). В результате несколько нейтронов(2-3) освобождается в процессе деления с энергией от нескольких МэВ до значений близких к нулю.

• Осколки сильно радиоактивны, так как содержат избыточное число нейтронов. В результате серии - распадов получаются стабильные изотопы.

• При делении ядра урана выделяется энергия около 200 МэВ. Большая часть этой энергии(166 МэВ) приходится на кинетическую энергию осколков. Кинетическая энергия нейтронов 5 МэВ. Энергия  - излучения 7 МэВ, энергия  -распадов осколков 22 МэВ.

• В 1940 г советские физики Флеров и Петржак открыли спонтанное деление ядер урана с периодом полураспада 10¹⁶ лет.

2. Цепные ядерные реакции.

• Любой из нейтронов, вылетающих из ядра в процессе деления, может вызвать в свою очередь деление соседнего ядра, которые тоже излучают нейтроны. В результате число делящихся очень быстро увеличивается, возникает цепная реакция.

• Ядерной цепной реакцией называется реакция, в которой частицы, вызывающие её, образуются как продукты этой же реакции.

• Коэффициент размножения нейтронов k – отношение числа нейтронов в каком – либо поколении к числу нейтронов в предыдущем поколении.

• Для осуществления цепной реакции необходимо, чтобы k1. k=1,01 – ядерный взрыв.

• В природном уране цепная реакция не идет k=0,64.

• Природный уран смесь двух изотопов: ; . На одно ядро урана –235 приходится 138 ядер урана –238.

• делится под влиянием быстрых и медленных нейтронов.

• делится только под влиянием быстрых нейтронов, причем деление вызывает только каждый пятый нейтрон, остальные захватываются, не производя деления.

2.1Критическая масса.

• Критической массой называется наименьшая масса делящегося вещества, при котором может протекать цепная реакция.

• При массе меньше критической велика утечка нейтронов через поверхность.

• Для чистого урана –235, имеющего форму шара критическая масса приблизительно равна 50 кг(шар радиусом 9 см).

• Применяя замедлители нейтронов и отражающую нейтроны оболочку из бериллия, можно снизить критическую массу до 250 г.

2.2 Образование плутония

• (период полураспада 23 мин); ;

• Нептуний -радиоактивен с периодом полураспада 2-е суток:.

Период полураспада плутония 24000 лет. В плутонии тоже возможна цепная реакция , как и в уране –235.

2. Ядерный реактор – устройство, в котором осуществляется управляемая реакция деления тяжелых ядер(k=1).

Основные элементы ядерного реактора:

• Ядерное топливо -, .

• Замедлитель нейтронов – вода, тяжелая вода, графит.

• Теплоноситель- вода, жидкий натрий.

• Вещество для регулирования скорости реакции – кадмий , бор

• Защита - оболочка из бетона, воды, железа.