Особое место среди ядерных реакций занимают цепные реакции деления некоторых тяжелых элементов. Так, например, вынужденное деление ядер урана нейтронами сопровождается вылетом нескольких нейтронов, которые, взаимодействуя с соседними ядрами урана, вызывают их деление. Так как суммарная энергия связи ядер-осколков меньше, чем энергия связи урана, то цепная реакция сопровождается выделением огромной энергии в виде кинетической энергии осколков, энергии гамма-квантов и энергии вторичных электронов.
Необходимым условием протекания цепной ядерной реакции является то, что коэффициент размножения нейтронов k>1 или k=1 и наличие критической массы вещества.
Для осуществления управляемой цепной реакции используют ядерный реактор, который является источником энергии на АЭС и морском флоте.
«Ослепительная зеленоватая вспышка, взрыв, сознание подавлено, волна горячего ветра, и в следующий момент все вокруг загорается. Тишина, наступившая вслед за грохотом, ни с чем не сравнимой, дотоле неслыханной силы, нарушается треском разгорающегося огня. Под обломками рухнувшего дома лежат оглушенные люди, в пламени гибнут женщины, гибнут в огненном кольце очнувшиеся и пытающиеся спастись люди… Миг – и с людей свалилась вспыхнувшая одежда, вздулись руки, лицо, грудь: лопаются багровые волдыри, и лохмотьями сползают на землю… Оглушенные и обожженные люди, обезумев, сбились ревущей толпой… …Ни с чем не сравнимая, трагическая картина: люди утратили последние признаки человеческого разума… …На искалеченных людей хлынули черные потоки дождя, потом ветер принес удушающий смрад…»
Что это? Очередной фильм ужасов! Нет, это свидетельства очевидцев страшного преступления американской военщины, совершенного в августе 1945 года над японским городом Нагасаки. В результате бомбардировки японских городов Хиросима и Нагасаки погибли около 100 тыс. человек, еще десятки тысяч умерли позднее от лучевой болезни. Вот так впервые человек распорядился ядерной энергией.
Открытие деления ядер урана
А история эта началась еще в 30-х годы XX века. Немецкие ученые О.Ган и Ф.Штрассман в 1938 г. обнаружили, что при бомбардировке урана нейтронами возникают ядра, примерно вдвое более легкие, чем исходное ядро урана.
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.Бором. 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.
Обратите внимание:
При делении ядер, содержащихся в 1 г урана, выделяется энергии 8×1010Дж, или 22000 кВт×ч. Естественный уран состоит:
из урана-235 (0,7%) и урана-238 (97,3%).
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. Т.к. суммарная энергия связи ядер-осколков меньше, чем энергия связи ядра урана, то цепная реакция сопровождается выделением огромной энергии в виде кинетической энергии осколков, энергии квантов и энергии вторичных нейтронов.
Цепная ядерная реакция — самоподдерживающая реакция деления тяжелых ядер, в которой непрерывно воспроизводятся нейтроны, делящие все новые и новые ядра.
Скорость нарастания цепной реакции характеризуют величиной, называемой коэффициентом размножения нейтронов, который характеризует быстроту роста числа нейтронов и равен отношению числа нейтронов в одном каком-либо поколении цепной реакции Ni к породившему их числу нейтронов предшествующего поколения Ni-1:
При k=1 число нейтронов, участвующих в делении ядер, остается неизменны, реакция протекает стационарно, имеет управляемый характер.
При k>1 число нейтронов увеличивается, интенсивность реакции возрастает.
При k>1,006 может принять неуправляемый характер.
При k=1,01 происходит взрыв.
С целью уменьшения вылета нейтронов с куска урана увеличивают массу урана. Минимальное значение массы урана, при котором возможна цепная реакция, называется критической массой.
В зависимости от устройства установок и типа горючего критическая масса изменяется от 200 г (прт наличии отражателя нейтронов) до 50 кг.
Образование плутония
Плутоний (Pu) – серебристо-белый радиоактивный металл группы актиноидов, теплый на ощупь (из-за своей радиоактивности. В природе встречается в очень малых количествах в уранитовой смолке и других рудах урана и церия, в значительном количестве получают искусственно.
Для осуществления цепной ядерной реакции требуется уран-235, но в природном уране данный изотоп составляет только 0,7%, а 99,3% приходятся на уран-238. Поэтому встал вопрос, как использовать в ядерной энергетике уран-238. Оказывается, если использовать обогащенный уран (смесь содержащая не менее 15% изотопа-235), то изотоп урана-238 превращается в b-радиоактивный изотоп урана-239.
В процессе радиоактивных превращений образуется изотоп нептуния, а затем плутония, который в дальнейшем используется в качестве ядерного топлива. При этом при делении 1 кг урана получается 1,5 кг плутония. Т.о. в реакторах размножителях можно воспроизводить ядерное топливо в количестве, превосходящем израсходованное.
Ядерная энергетика
Для осуществления управляемой цепной реакции используют ядерный реактор, который является источником энергии на АЭС и морском флоте. В ядерном реакторе число нейтронов, участвующих в делении ядер, остается неизменным (k=1), реакция протекает стационарно и имеет управляемый характер. Впервые управляемая цепная реакция деления ядер урана была осуществлена в 1942 г. в США под руководством Э. Ферми в уран-графитовом реакторе.
В нашей стране первый ядерный реактор был запущен 25 декабря 1946 г. коллективом физиков, которыми руководил И. В. Курчатов.
Ядерный реактор — устройство, в котором осуществляется управляемая цепная реакция.
В ядерном реакторе число нейтронов, участвующих в делении ядер, остается неизменным (k=1), реакция протекает стационарно и имеет управляемый характер.
Ядра урана, особенно ядра изотопа U-235, наиболее эффективно захватывают медленные нейтроны. Вероятность захвата медленных нейтронов с последующим делением ядер в сотни раз больше, чем быстрых. Поэтому в ядерных реакторах, работающих на естественном уране, используются замедлители нейтронов для повышения коэффициента размножения нейтронов.
Основными элементами ядерного реактора являются: ядерное горючее U-235, Pu-239, замедлитель нейтронов (тяжелая или обычная вода, графит и др.), теплоноситель для вывода энергии, образующейся при работе реактора (вода, жидкий натрий и др.), регулирующие стержни (вводимые в рабочее пространство реактора стержни, содержащие кадмий или бор — вещества, которые хорошо поглощают нейтроны). Снаружи реактор окружают защитной оболочкой, задерживающей гамма-излучение и нейтроны. Оболочку делают из бетона с железным заполнителем.
По назначению реакторы делятся:
- Исследовательские. 2. Энергетические. 3. Воспроизводящие (реакторы на быстрых нейтронах). 4. Транспортные. 5. Реакторы для промышленного получения изотопов различных химических элементов.
В реакторах на быстрых нейтронах ядерным горючим является обогащенная смесь, содержащая не менее 15 % изотопа U-235. Преимущество таких реакторов состоит в том, что при их работе ядра урана-238, поглощая нейтроны, посредством двух последовательных β – -распадов превращаются в ядра плутония, которые затем можно использовать в качестве ядерного топлива. Коэффициент воспроизводства таких реакторов достигает 1,5, т. е. на 1 кг урана-235 получается до 1,5 кг плутония. В обычных реакторах также образуется плутоний, но в гораздо меньших количествах.
Применение ядерных реакторов
- Атомная подводная лодка
- Атомный крейсер «Адмирал Кузнецов»
- Атомный ледокол
- Бомбардировщик ТУ-95 ЛАЛ с ядерной силовой установкой
- ИСЗ с ядерным двигателем
- Опреснительная установка
Преимущества АЭС
· ядерные реакторы не потребляют кислород и органическое топливо;
· отсутствует загрязнение окружающей среды золой и другими вредными для человека продуктами сгорания топлива;
· биосфера надежно защищена от радиоактивного воздействия при нормальном режиме эксплуатации АЭС.
Опасные факторы воздействия на окружающую среду
· нарушение теплового баланса в окрестности АЭС;
· проблема захоронения радиоактивных отходов и демонтажа отслуживших срок реакторов;
· радиоактивное загрязнение местности при аварийных выбросах;
· опасность экологических катастроф.
Ядерное оружие
Первая атомная бомба была испытана в США 16 июля 1945 г. Мощность взрыва составила 20 кт. Мощность взрыва атомной бомбы характеризуется тротиловым эквивалентом, т.е. при таком взрыве выделяется такая же энергия, как и при взрыве 20000 т тринитротолуола.
В августе 1945 года впервые атомное оружие было применено на мирных жителях, в результате чего города Хиросима и Нагасаки практически были стерты в лица земли ударными волнами. В результате преступных действий американской военщины в японских городов Хиросима и Нагасаки погибли около 100 тыс. человек, еще десятки тысяч умерли позднее от лучевой болезни. Так одно из самых замечательных открытий XX в. было использовано в атомном оружие, ставшим главным аргументом в «холодной войне» между СССР и США.
Американские правящие круги, спекулируя на временной монополии США в области ядерного оружия, пытались использовать его для устрашения свободолюбивых народов. Однако атомные «секреты» уже в 1947 были раскрыты советскими учёными во главе с академиком И. В. Курчатовым, а в августе 1949 в СССР произведён экспериментальный взрыв атомного устройства, что привело к полному краху атомного шантажа.
Стоит отметить особую заслугу в организации работ по ядерной программе Л. Берии. Как заявил И. В. Курчатов «Если бы не Берия, атомной бомбы не было».
До сих пор Россия говорит на равных с ведущими державами благодаря этому человеку, на плечах которого поднялась вся ядерная программа СССР. За выдающиеся организаторские заслуги только два человека в стране были удостоены звания почетного гражданина Советского Союза – И. Курчатов и Л. Берия.
Холодная война закончилась, но ядерное оружие по-прежнему остаётся одним из главных гарантов суверенитета России. И пока мы в состоянии производить самое грозное в мире оружие, наши стратегические ресурсы под надёжной защитой.
Опорный конспект:
