реакция деления урана является цепной так как
Деление ядер урана. Цепная реакция
Урок 50. Физика 9 класс (ФГОС)
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока «Деление ядер урана. Цепная реакция»
Особый тип ядерных реакций представляют ядерные реакции деления элементов, расположенных в конце периодической системы химических элементов. В результате таких реакций выделяется огромное количество энергии. Почему это происходит? Обратимся к графику удельной энергии связи нуклонов.
Для тяжёлых ядер, например таких, как уран-235, удельная энергия связи, приходящаяся на нуклон, составляет примерно 7,6 МэВ. Ядра химических элементов из середины периодической системы элементов Менделеева обладают максимальной удельной энергией связи — до 8,8 МэВ на нуклон. Таким образом, при расщеплении тяжёлого ядра на два три более лёгких осколка энергия связи, приходящаяся на каждый нуклон, увеличится на величину порядка 1 МэВ. А исходя из закона сохранения энергии, такое же количество энергии выделится при делении ядра. Следовательно, в ходе ядерной реакции, приводящей к появлению ядер с большей удельной энергией связи, должна выделяться энергия. Так, например, число нуклонов в каждом ядре изотопа урана равно 235. Значит, реакция расщепления одного ядра приводит к выделению более 200 МэВ энергии. Даже учитывая всевозможные потери, это число несравнимо с энергией в 1 эВ, выделяемой в химических реакциях окисления.
Выводы теоретиков нашли своё подтверждение в ходе многочисленных экспериментов в середине 20 века. Основной вопрос заключался в том, как заставить ядро делиться? Бомбардировка α-частицами или протонами неэффективна ввиду их сильного отталкивания ядром. Поскольку электроны представляют собой слишком лёгкие снаряды, то выбор пал на нейтроны. Они достаточно тяжёлые (по сравнению с электронами) и в то же время электрически нейтральны. Вследствие этого нейтроны могут беспрепятственно подлетать к ядру-мишени, двигаясь со сколь угодно малой скоростью. А попав в сферу действия ядерных сил притяжения, нейтрон проникает в ядро. В 1934 году Энрико Ферми, обстреливавший уран нейтронами, предположил, что при этом образуются трансурановые элементы, порядковый номер которых больше 92. И это предположение было общепризнанным, а распад тяжёлых ядер на более лёгкие элементы считался невозможным вплоть до 1938 года. В этом году немецкие учёные Отто Ган и Фриц Штрассман при поиске трансурановых элементов облучали уран нейтронами и в продуктах реакции нашли следы бария. 17 декабря 1938 года они провели решающий опыт, на основании которого Ган заключил, что ядро урана «лопается», распадаясь на более лёгкие элементы.
Вскоре после этого Отто Фриш и Лиза Мейтнер дали физическое объяснение процесса деления ядра урана, о чём Фриш незамедлительно сообщил Нильсу Бору, который на знаменитой конференции по теоретической физике в Вашингтоне 26 января 1939 года сообщил об открытии деления урана. Интересно, что многие физики, принимавшие участие в этой конференции, не дожидаясь конца доклада, один за другим стали покидать заседание, чтобы проверить сообщение в своих лабораториях.
В 1940 году советские физики Георгий Николаевич Флёров и Константин Антонович Петржак обнаружили новый вид радиоактивных превращений — спонтанное деление ядер урана-238. Но для данного изотопа самопроизвольное деление — это очень редкий процесс. Например, в одном грамме такого урана происходит всего около 20 таких делений в час. Поэтому, что бы распалась хотя бы половина изначального количества ядер в данной массе, может потребоваться около 4,5 миллиардов лет.
При работе же крупной ядерной установки одновременно делится очень большое число ядер урана, поэтому выделяется огромная энергия. Но где взять необходимое для такого деления ядер число нейтронов? Эти нейтроны поставляет сам уран. Вспомните, что при делении изотопа урана-235, кроме двух тяжёлых осколков деления, выделяются и два-три нейтрона…
Теперь представим себе, что у нас есть некоторое количество ядер урана. Образовавшиеся в результате первого деления нейтроны смогут разделить новые ядра урана. Так, при определённых условиях процесс, начавшись однажды с одного нейтрона, может принять характер цепной реакции: за одним делением последуют другие и так далее.
Ядерная реакция деления, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой же реакции, называется цепной.
Но осуществление цепной реакции деления — это очень сложная техническая задача. Например, в природном уране на долю изотопа урана-235 приходится всего лишь 0,7 %, а более 99 % — это изотоп урана-238. Вызвать же деление урана при попадании в него нейтрона можно только у изотопов с массовым числом 235, так как ядро урана-238 поглощает нейтрон, а деление не происходит.
Итак, какие же условия необходимы для цепных ядерных реакций?
Во-первых, число вторичных нейтронов должно быть больше одного. А энергия нейтронов, выделяющихся при делении, должна быть достаточной чтобы вызвать деление ядер. Ещё должны отсутствовать примеси, поглощающие нейтроны. А также необходимо иметь минимальное количество вещества, чтобы нейтроны успели возбудить ядро до выхода из области деления ядер.
Минимальная масса вещества, необходимая для осуществления цепной реакции, называется критической массой. Если масса образца недостаточна, то нейтроны деления пролетают через него практически без возбуждения новых ядер.
Для урана критическая масса составляет примерно 48 кг — это шарик, радиус которого примерно равен 8,5 сантиметрам. А для изотопа плутония-239 критическая масса составляет уже 17 кг, что соответствует шарику радиусом 6 сантиметров.
Если же масса урана будет меньше критической, то многие нейтроны вылетят за его пределы, не успев встретить на своём пути ядро, вызвать его деление и породить таким образом новое поколение нейтронов.
Уменьшить потерю нейтронов, которые вылетают из урана не прореагировав с ядрами, можно не только за счёт увеличения массы, но и с помощью специальных отражателей. Так, например, если между слоями урана положить многочисленные тонкие полиэтиленовые плёнки и окружить его бериллиевой оболочкой, то критическая масса снижается до 242 грамм, а это шарик радиусом всего 1,5 сантиметра.
Полиэтиленовые плёнки в данном случае будут служить так называемыми замедлителями нейтронов. Зачем это нужно? Дело в том, что изотоп урана-235 очень хорошо делится именно под действием медленных нейтронов. А при делении ядра образуются нейтроны быстрые — их скорость достигает 10 6 м/с.
Поэтому, если их замедлить, то они с большей вероятностью захватятся ядром урана и вызовут акт деления. Чаще всего в качестве замедлителей выступают графит и тяжёлая вода, в состав которой входит дейтерий.
Таким образом, возможность протекания цепной реакции определяется массой урана, количеством примесей в нём, наличием оболочки и замедлителя, а также некоторыми другими факторами.
В заключении урока отметим, что управляемая цепная реакция деления ядер осуществляется в специальных технических устройствах, которые называют ядерными реакторами.
Урок 47. Физика 11 класс
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.
Получите невероятные возможности
«Чудеса науки современной далеко
превосходят чудеса древней мифологии»
В 1932 году была предложена протонно-нейтронная модель атомного ядра. Тогда возник вопрос о том, какие силы удерживают нуклоны в ядре, несмотря на кулоновские силы отталкивания? Ученые пришли к выводу, что это фундаментально новый вид сил, который назвали ядерными силами. Ядерные силы являются самыми мощными силами в природе, но действуют только в пределах атомного ядра. Из этого следовало, что в ядре заключена энергия, которую впоследствии назвали энергией связи. Выяснилось, что суммарная масса всех нуклонов, из которых состоит ядро, больше массы самого ядра. Такую разницу назвали дефектом масс. Именно с этим связано понятие энергии связи. Оказалось, что часть массы нуклонов превращается в энергию связи в соответствии с уравнением Эйнштейна. Тогда ученые немедленно задались вопросом: а нельзя ли получить энергию при расщеплении ядра? Именно об этом будет идти речь в данной теме.
Итак, ядерные реакции – это изменения атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами или друг с другом. Ранее приводилисьпримеры ядерных реакций, когда изучали открытие протона и нейтрона. Напомним, что для стимуляции этих реакций использовалась бомбардировка a-частицами. Надо сказать, что есть более эффективные методы для осуществления ядерных реакций: например, сообщать большую кинетическую энергию частицам с помощью ускорителей. В частности, вместо a-частицы можно использовать ускоренный протон. Во-первых, он будет обладать энергий примерно в 10 тысяч раз большей, чем a-частица, а во-вторых, на него будет действовать вдвое меньшая сила отталкивания со стороны ядра, поскольку заряда протона вдвое меньше, чем заряд a-частицы. Наконец, можно ускорять и другие частицы, имеющую массу, значительно превышающую массу a-частицы.
В 1932 году удалось провести такого рода реакцию: при бомбардировке ядра атома лития протонами возникало две a-частицы. Было установлено, что кинетическая энергия этих a-частиц на 7,3 МэВ превышала кинетическую энергию протона.
Дело в том, что удельная энергия связи в ядрах гелия больше, чем удельная энергия связи в ядре лития. Именно поэтому, часть энергии ядра лития превратилась в кинетическую энергию a-частиц. Из этого следует, что изменение кинетической энергии в процессе ядерной реакции равно изменению энергии покоя участвующих в реакции ядер и частиц. Разность энергий покоя ядер и частиц до и после реакции называется энергетическим выходом.
Энергетический выход ядерной реакции может быть как положительным, так и отрицательным (то есть, энергия может выделяться, а может поглощаться). В связи с этим, реакции делятся на экзотермические и эндотермические.
Рассмотрим еще один тип ядерных реакций – реакции на нейтронах. С помощью нейтронов гораздо удобнее осуществлять ядерные реакции, поскольку нейтроны не имеют заряда, а, следовательно, ядро их не отталкивает. Первым, кто начал изучать такие реакции, был Энрико Ферми. Например, при попадании нейтрона в ядро алюминия, из него выбивается a-частица и образуется ядро натрия.
Но самое главное, что обнаружил Ферми – это то, что нейтроны не обязательно должны быть быстрыми. Медленные нейтроны в определенных случаях оказались ещё более эффективными, поэтому нейтроны целесообразно замедлять до реакции. Под медленным нейтроном подразумевается нейтрон, скорость которого сравнима со скоростью теплового движения, поэтому такие нейтроны иногда называют тепловыми.
Рассмотрим важный вопрос: деление ядер урана. Впервые это явление было открыто Фрицем Штрассманом и Отто Ганом в 1938 году. Они обнаружили, что при бомбардировке урана нейтронами образуются такие элементы как барий и криптон. Правильно истолковать этот факт смогли Лиза Мейтнер и Отто Фриш, которые в 1939 году пришли к выводу, что ядра урана делятся. Происходит это следующим образом: в ядро урана попадает нейтрон, который дестабилизирует его. Энергия, которую добавляет нейтрон в ядро, приводит к неким пульсациям, то есть движению нуклонов. В результате ядро деформируется и становится немного продолговатым. И тут возникает следующее: ядерные силы еще продолжают действовать, сжимая ядро, то есть, стараясь удержать нуклоны вместе. В то же время, в продолговатых концах ядра кулоновские силы начинают его еще больше растягивать. В результате, ядро разделяется на два осколка, каждый из которых содержит избыточное число нейтронов. Поэтому, каждый осколок испускает один или два нейтрона. Было вычислено, что при делении ядра урана выделяется энергия примерно равная 200 МэВ. Если подсчитать, какая энергия выделиться при делении ядер урана, содержащихся в одном моле вещества, то получим просто громадное число. Для выделения такого количества энергии, нужно сжечь десятки тонн такого топлива, как бензин или керосин, в то время как масса одного моля урана составляет менее 250 г.
Рассмотрим теперь цепные реакции более подробно. Начнем с того, что естественный уран состоит из двух изотопов: уран 235 (U-235) и уран 238 (U-238). При этом, U-235 составляет всего 0,7 % от общего количества урана. Ядра этого изотопа делятся под влиянием любых нейтронов: как быстрых, так и медленных. Ядра U-238 делятся только при условии, что нейтроны обладают энергией не менее 1 МэВ. Такой энергией обладают примерно 60% нейтронов, образующихся при делении, при этом только 20% нейтронов производят деление U-238. Остальные нейтроны просто захватываются ядрами. Таким образом, используя чистый U-238, невозможно получить цепную реакцию. В связи с подобными рассуждениями вводится понятие «коэффициент размножения нейтронов». Это отношение числа нейтронов, вызывающих деление ядер вещества на одном из этапов реакции, к числу нейтронов, вызвавших деление на предыдущем этапе реакции. Коэффициент размножения зависит от природы делящегося вещества. Очевидно, что, коэффициент размножения зависит от количества делящегося вещества. Также, коэффициент размножения зависит от объёма, занимаемого вещества и от его геометрической формы. Дело в том, что некоторые нейтроны могут вылететь наружу, не испытав соударения с ядрами. В связи с этим, коэффициент размножения будет максимален, если вещество имеет шарообразную форму.
При коэффициенте размножения меньше единицы, реакция очень быстро затухает, поскольку число нейтронов, захваченных ядрами, превышает число появляющихся нейтронов. При коэффициенте размножения равным единице устанавливается стабильное течение цепной реакции (поскольку образуется ровно столько же нейтронов, сколько захватывается). Масса делящегося вещества, в котором цепная реакция идет с коэффициентом размножения, равным единице, называется критической массой. Если же коэффициент размножения хоть чуть-чуть превысит единицу, реакция станет неуправляемой. Количество нейтронов будет расти с огромной скоростью, в результате чего все больше и больше ядер урана будут подвергнуты делению. Это приведет к выбросу огромного количества энергии, то есть к ядерному взрыву. Именно такая неуправляемая реакция используется для создания ядерного оружия.
Известно, что сегодня активно развивается ядерная энергетика. Рассмотрим схему работы ядерного реактора. Ядерный реактор – это устройство, в котором осуществляется управляемая реакция деления ядер.
Активная зона реактора посредством труб соединяется с теплообменником, образуя так называемый первый замкнутый контур. Насосы обеспечивают циркуляцию воды в этом контуре. При этом вода, нагретая в активной зоне за счет внутренней энергии атомных ядер, проходя через теплообменник, нагревает воду в змеевике второго контура, превращая ее в пар. Таким образом, вода в активной зоне реактора служит не только замедлителем нейтронов, но и теплоносителем, отводящим тепло.
– Ядерные реакции – это изменения атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами или друг с другом.
– Важнейшей характеристикой цепной реакции является коэффициент размножения нейтронов. Он определяется как отношение числа нейтронов, вызывающих деление ядер вещества на одном из этапов реакции, к числу нейтронов, вызвавших деление на предыдущем этапе реакции.
– Если коэффициент размножения нейтронов меньше единицы, то реакция практически сразу затухает.
– При определенном значении массы делящегося вещества (которое называется критической массой), коэффициент размножения равен единице. В этом случае цепная реакция протекает стационарно.
– Если же коэффициент размножения превышает единицу, то это приводит к неуправляемой реакции и выбросу огромного количества энергии в виде взрыва.
– Для осуществления управляемой реакции деления ядер нужно специальное устройство. Такое устройство называется ядерным реактором.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
По назначению реакторы делятся:
Применение ядерных реакторов
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 советская атомная бомба
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».
