В пересчете на один атом деление урана дает в 50–100 миллионов раз больше энергии, чем любая химическая реакция. В критическом реакторе деления нейтроны, образующиеся при делении атомов топлива, используются для того, чтобы вызвать еще большее количество делений. Международная группа ученых выяснила, как именно вращаются атомные ядра после их деления, сообщает МедиаПоток. В критическом реакторе деления нейтроны, образующиеся при делении атомов топлива, используются для того, чтобы вызвать еще большее количество делений.
Деление ядер: процесс расщепления атомного ядра. Ядерные реакции
Но если ядро похоже на жидкую каплю и может дробиться и сливаться, то с чем был связан шок от новости о делении урана? Газ, скапливающийся в ядерном топливе в результате реакций деления, может быстро выходить из него благодаря давлению атомов топлива. Ядро атома испускает альфа-частицу — ядро атома гелия. Деление тяжелых атомных ядер является источником энергии в ядерных реакторах и ядерном оружии. атом стоковые видео и кадры b-roll.
Цепная ядерная реакция: что это за процесс, виды цепных ядерных реакций
Кроме того, по мнению эксперта, они доказали свою высокую надежность и безопасность. Поэтому экспорт российских атомных технологий имеет значительный потенциал к расширению. Напомним, что по состоянию на август 2009 года в мире строилось 49 реакторов, причем только три из них принадлежат к реакторам третьего поколения. Причем они строились в трех странах из 13, где в целом в настоящее время ведется строительство АЭС. Вторая часть доклада Комарова касалась антикризисных мер, которые предпринимаются в российской атомной отрасли. По его словам, "мощная господдержка позволяет, в частности, сохранить динамику достройки АЭС".
Избыток нейтронов в центре ядра означает избыток протонов на периферии. Причем наиболее вероятным оказывается деление на осколки, массы которых относятся примерно как 2:3. Большинство крупных осколков имеют массовое число А в пределах 135—145, а мелкие от 90 до 100.
В результате реакции деления ядра урана U образуются два или три нейтрона. Одна из возможных реакций деления ядра урана протекает по схеме: Эта реакция протекает с образованием трех нейтронов. Возможна реакция с образованием двух нейтронов: 1. Задание ученикам: восстановить реакцию. Задание ученикам: подпишите элементы рисунка. При полном делении всех ядер, имеющихся в 1 г урана, выделяется столько энергии, сколько выделяется при сгорании 2,5 т нефти. Процесс деления атомного ядра можно объяснить на основе капельной модели ядра. Согласно этой модели сгусток нуклонов напоминает капельку заряженной жидкости.
Ядерные силы между нуклонами являются короткодействующими подобно силам, действующим между молекулами жидкости. Наряду с большими силами электростатического отталкивания между протонами, стремящимися разорвать ядро на части, действуют еще большие ядерные силы притяжения. Эти силы удерживают ядро от распада. Ядро урана-235 имеет форму шара. Ядро растягивается до тех пор, пока силы электрического отталкивания между половинками вытянутого ядра не начинают преобладать над силами ядерного притяжения, действующими в перешейке.
Ведь чем больше энергия связи ядра, тем большая энергия должна выделяться при образовании ядра и, следовательно, тем меньше внутренняя энергия образовавшейся вновь системы.
При делении ядра энергия связи, приходящаяся на каждый нуклон, увеличивается на 1 МэВ и общая выделяющаяся энергия должна быть огромной — порядка 200 МэВ на ядро. Не при какой другой ядерной реакции не связанной с делением столь больших энергий не выделяется. Сопоставим эту энергию с энергией, выделяемой при сгорании топлива. При делении 1 кг урана-235 выделится, энергия, равная. Этот расчет хорошо иллюстрирует преимущество ядерной энергетики. Непосредственные измерения энергии, выделяющейся при делении ядра урана U, подтвердили приведенные соображения и дали величину 200 МэВ.
Причем большая часть этой энергии 168 МэВ приходится на кинетическую энергию осколков. Выделяющаяся при делении ядра энергия имеет электростатическое, а не ядерное происхождение. Большая кинетическая энергия, которую имеют осколки, возникает вследствие их кулоновского отталкивания. Использование именно нейтронов для деления ядер обусловлено их электро нейтральностью. Отсутствие кулоновского отталкивания протонами ядра позволяет нейтронам беспрепятственно проникать в атомное ядро. Временный захват нейтрона нарушает хрупкую стабильность ядра, обусловленную тонким балансом сил кулоновского отталкивания и ядерного притяжения.
Избыток нейтронов в центре ядра означает избыток протонов на периферии. Причем наиболее вероятным оказывается деление на осколки, массы которых относятся примерно как 2:3. Большинство крупных осколков имеют массовое число А в пределах 135—145, а мелкие от 90 до 100.
Они продолжают распадаться, выделяя дополнительную энергию. Значение ядерного деления Ядерное деление имеет огромное значение в различных областях. Это основа для работы ядерных реакторов и атомных бомб, а также используется в медицинских и научных целях. Москва, Большой Саввинский пер. II; Адрес редакции: 119435, г.
Разница между ядерным делением и синтезом
Ученые знали, что цепная реакция возможна, если при делении выделяется больше нейтронов, чем поглощается. Такая реакция протекает с выделением большого количества энергии. Вот поиском способа провести самоподдерживающуюся цепную реакцию и занялись Ферми и его коллеги. Через пару лет они смогли перейти от теоретической проработки к экспериментам. Однако для этого нужно было построить ядерный реактор. Реактор действительно напоминал поленницу лучше не скажешь из брикетов прессованного оксида урана и графитовых блоков. По мере сооружения реактора ученые проводили измерения и отслеживали, насколько близко они подошли к критической массе, необходимой для начала реакции.
Ноддак и ее муж, Уолтер Ноддак , были известными химиками, которые были номинированы на Нобелевскую премию по химии за открытие рения, хотя в то время они также были связаны с противоречием по поводу открытия элемента 43, который они назвали «мазурием». Открытие технеция Эмилио Сегре и Карло Перье положило конец их притязаниям, но не произошло до 1937 года. Мейтнер была не боюсь сказать дорогой Ханхен, фон Physik Verstehst Du Nichts «Хан, в физике ты неааешь» , что Мейтнер или Кюри имели какие-либо ничего предубеждения против Ноддак из-за ее пола. То же самое относится и к Ноддак, которая не предлагала альтернативную ядерную модель и не проводила эксперименты в поддержку своего утверждения.
Хотя Ноддак была известным химиком-аналитиком, ей не хватало знаний в области физики, чтобы оценить масштабность того, что она предлагала. Бывшее здание химического института кайзера Вильгельма в Берлине. После Второй мировой войны он частью стал Берлинского свободного университета. Он был переименован в здании Отто Хана в 1956 году и в здании Хана-Мейтнера в 2010 году. Ноддак был не единственным критиком утверждения Ферми. Аристид фон Гросс предположил, что то, что обнаружил Ферми, было изотопом протактиния. Мейтнер очень хотела исследовать результаты Ферми, но она понимала, что требовался высококвалифицированный химик, и ей нужен был лучший, которого она знала: Хан, хотя они не сотрудничали в течение многих лет. Первоначально Хан не интересовался, но упоминание фон Гроссе о протактинии изменило его мнение. В то время мы с Лизой Мейтнер решили повторить эксперименты, Ферми, чтобы выяснить, был ли 13-минутный изотоп изотопом протактиния или нет. Это было логичное решение, поскольку они были первооткрывателями протактиния ».
К Хану и Мейтнер присоединился Фриц Штрассманн. Штрассманн получил докторскую степень по аналитической химии в Технический университет Ганновера в 1929 году и приехал в Химический институт кайзера Вильгельма учиться у Гана, полагаясь, что это улучшит его перспективы трудоустройства. Ему так нравилась работа и люди, что он остался там после истечения срока его стипендии в 1932 году. После, как нацистская партия пришла в власть в Германии в 1933 году, он отказал в выгодном предложении партии, поскольку для этого требовалось политическое правительство и член в нацистской партии, и он ушел из Общества немецких химиков , когда оно стало частью нацистского Немецкого рабочего фронта. Это необходимо для того, чтобы стать независимым исследователем в Германии, чтобы получить свою квалификацию. Мейтнер убедила Ханаять Штрассмана на деньги фонда директора по особым обстоятельствам. В 1935 году Штрассманн стал ассистентом с половинной оплаты. Вскоре он будет считаться соавтором документов, которые они подготовили. Закон 1933 года о восстановлении профессиональной гражданской службы удалил службы евреев с государством, включая академические круги. Мейтнер никогда не пыталась скрыть свое еврейское происхождение, но изначально была освобождена от этого воздействия по нескольким причинам: она работала до 1914 года, служила в армии во время мировой войны, была австрийкой, а не гражданином Германии, и кайзером Вильгельмом.
Институт был партнерством государства и промышленности. Однако она была уволена с должности адъюнкт-профессора в Берлинском университете на том основании, что ее служба в Первую мировую войну на фронте, и она не завершила свою подготовку до 1922 года. Карл Бош , директор из IG Farben , главный спонсора Химического института кайзера Вильгельма, заверила Мейтнер, что ее положение там безопасно, и она согласилась остаться. Мейтнер, Хан и Штрассманн стали ближе друг к другу, поскольку их антинацистская политика все больше отдаляла их от остальной части организации, но это дало им больше времени для исследований, поскольку управление было передано помощникам Гана и Мейтнер. Исследования Экспозиция ядерного деления в Немецком музее в Мюнхене. В течение многих лет это рекламировалось как стол и экспериментальный прибор, с помощью которого Отто Хан ядерное деление в 1938 году. Таблица и инструменты являются репрезентативными для использования, но не обязательно оригинальными, вместе с ними в одной комнате. Берлинская группа начала с облучения урановая, ученые заставили нас изменить экспозицию в 1988 году, чтобы отметить соль с нейтронами от радон-бериллиевого источника, подобного тому, который использовал Ферми. Они растворили его и добавили перренат калия , хлорид платины и гидроксид натрия. Оставшееся затем подкисляли сероводородом , что приводило к осаждению сульфида платины и сульфида рения.
Ферми отмечает четыре радиоактивных изотопа, самый долгоживущий из которых имеет период полураспада 13 и 90 минут, и они были обнаружены в осадке. Затем берлинская группа проверила протактиний, добавив раствор протактиний-234. Когда это было осаждено, было обнаружено, что он отделен от изотопов с периодом полураспада 13 и 90 минут, демонстрируя, что фон Гроссе был неправильным, и они не были изотопами протактиния. Более того, химические реакции исключили все элементы из ртути и выше в периодической таблице. Им удалось вызвать 90-минутную активность сульфидом осмия и 13-минутную активность сульфидом рения, что исключило их принадлежность к изотопам одного и того же элемента.
Для обеспечения безопасности выбирают такой режим работы реактора, в котором для поддержания стационарной цепной реакции необходимы запаздывающие нейтроны в каждом поколении. Для обеспечения заданного уровня мощности используются управляющие стержни и отражатели нейтронов, но задачу управления можно значительно упростить правильным расчетом реактора. Например, если реактор спроектировать так, чтобы при увеличении мощности или температуры реактивность уменьшалась, то он будет более устойчивым.
Например, при недостаточном замедлении из-за повышения температуры расширяется вода в реакторе, то есть уменьшается плотность замедлителя. В результате усиливается поглощение нейтронов в уране-238, поскольку они не успевают эффективно замедлиться. В некоторых реакторах используется фактор увеличения утечки нейтронов из реактора вследствие уменьшения плотности воды. Еще один способ стабилизации реактора основан на нагревании «резонансного поглотителя нейтронов», такого, как уран-238, который тогда сильнее поглощает нейтроны. Системы безопасности. Безопасность реактора обеспечивается тем или иным механизмом его остановки в случае резкого увеличения мощности. Это может быть механизм физического процесса или действие системы управления и защиты, либо то и другое. При проектировании водо-водяных реакторов предусматриваются аварийные ситуации, связанные с поступлением холодной воды в реактор, падением расхода теплоносителя и слишком большой реактивностью при пуске.
Поскольку интенсивность реакции возрастает с понижением температуры, при резком поступлении в реактор холодной воды повышаются реактивность и мощность. В системе защиты обычно предусматривается автоматическая блокировка, предотвращающая поступление холодной воды. При снижении расхода теплоносителя реактор перегревается, даже если его мощность не увеличивается. В таких случаях необходим автоматический останов. Кроме того, насосы теплоносителя должны быть рассчитаны на подачу охлаждающего теплоносителя, необходимую для остановки реактора. Аварийная ситуация может возникнуть при пуске реактора со слишком высокой реактивностью. Из-за низкого уровня мощности реактор не успевает нагреться настолько, чтобы сработала защита по температуре, пока не оказывается слишком поздно. Единственная надежная мера в таких случаях — осторожный пуск реактора.
Избежать перечисленных аварийных ситуаций довольно просто, если руководствоваться следующим правилом: все действия, способные увеличить реактивность системы, должны выполняться осторожно и медленно. Самое важное в вопросе о безопасности реактора — это абсолютная необходимость длительного охлаждения активной зоны реактора после прекращения в нем реакции деления. Дело в том, что радиоактивные продукты деления, остающиеся в топливных кассетах, выделяют тепло. Оно гораздо меньше тепла, выделяющегося в режиме полной мощности, но его достаточно, чтобы в отсутствие необходимого охлаждения расплавить твэлы. Кратковременное прекращение подачи охлаждающей воды привело к значительному повреждению активной зоны и аварии реактора в Три-Майл-Айленде США. Разрушение активной зоны реактора — это минимальный ущерб в случае подобной аварии. Хуже, если произойдет утечка опасных радиоактивных изотопов. Большинство промышленных реакторов снабжено герметическими страховочными корпусами, которые должны в случае аварии предотвратить выброс изотопов в окружающую среду.
Эта тенденция ядер продуктов деления к бета-распаду является фундаментальной причиной проблемы радиоактивных высокоактивных отходов ядерных реакторов. Продукты деления, как правило, являются бета-излучателями , испускающими быстро движущиеся электроны для сохранения электрического заряда , поскольку избыточные нейтроны превращаются в протоны в атомах продуктов деления. Раздел « Продукты деления по элементам » для описания продуктов деления, отсортированных по элементам. Цепные реакции Схема цепной реакции ядерного деления. Атом урана-235 поглощает нейтрон и делится на два новых атома осколки деления , высвобождая три новых нейтрона и некоторую энергию связи.
Один из этих нейтронов поглощается атомом урана-238 и не продолжает реакцию. Другой нейтрон просто теряется и ни с чем не сталкивается, также не продолжая реакцию. Однако один нейтрон действительно сталкивается с атомом урана-235, который затем делится и высвобождает два нейтрона и некоторую энергию связи. Оба этих нейтрона сталкиваются с атомами урана-235, каждый из которых делится и высвобождает от одного до трех нейтронов, которые затем могут продолжить реакцию. Основная статья: Ядерная цепная реакция Некоторые тяжелые элементы, такие как уран , торий и плутоний , подвергаются как самопроизвольному делению - форме радиоактивного распада, так и индуцированному делению - форме ядерной реакции.
Элементарные изотопы, которые подвергаются вынужденному делению при ударе свободным нейтроном , называются делящимися ; изотопы, которые подвергаются делению при ударе медленным тепловым нейтроном , также называются делящимися. Несколько особенно делящихся и легко доступных изотопов в частности, 233 U, 235 U и 239 Pu называют ядерным топливом, потому что они могут поддерживать цепную реакцию и могут быть получены в достаточно больших количествах, чтобы быть полезными. Все делящиеся и делящиеся изотопы подвергаются небольшому спонтанному делению, которое высвобождает несколько свободных нейтронов в любой образец ядерного топлива. Такие нейтроны быстро вырвутся из топлива и станут свободными нейтронами со средним временем жизни около 15 минут, прежде чем они распадутся на протоны и бета-частицы. Некоторые нейтроны будут воздействовать на ядра топлива и вызывать дальнейшие деления, высвобождая еще больше нейтронов.
Если в одном месте собрано достаточно ядерного топлива или если нейтроны улетучиваются, то количество этих только что испускаемых нейтронов превышает количество нейтронов, выходящих из сборки, и будет иметь место устойчивая цепная ядерная реакция. Сборка, которая поддерживает устойчивую цепную ядерную реакцию, называется критической сборкой или, если сборка почти полностью сделана из ядерного топлива, критической массой. Слово «критический» относится к пику в поведении дифференциального уравнения, которое определяет количество свободных нейтронов, присутствующих в топливе: если присутствует меньше критической массы, то количество нейтронов определяется радиоактивным распадом , но если если присутствует критическая масса или больше, то количество нейтронов контролируется физикой цепной реакции. Фактическая масса из критической массы ядерного топлива сильно зависит от геометрии и окружающих материалов. Не все делящиеся изотопы могут поддерживать цепную реакцию.
Например, 238 U, самая распространенная форма урана, расщепляется, но не расщепляется: он подвергается вынужденному делению при столкновении с энергичным нейтроном с кинетической энергией более 1 МэВ. Однако слишком мало нейтронов, образующихся при делении 238 U, достаточно энергичны, чтобы вызвать дальнейшее деление 238 U, поэтому цепная реакция с этим изотопом невозможна. Вместо этого бомбардировка 238 U медленными нейтронами заставляет его поглощать их превращаясь в 239 U и распадаться за счет бета-излучения до 239 Np, который затем снова распадается тем же процессом до 239 Pu; этот процесс используется для производства 239 Pu в реакторах-размножителях. Производство плутония на месте также способствует нейтронной цепной реакции в других типах реакторов после того, как было произведено достаточное количество плутония-239, поскольку плутоний-239 также является делящимся элементом, который служит топливом. Подсчитано, что до половины энергии, производимой стандартным реактором "без размножителя", производится за счет деления плутония-239, производимого на месте, в течение всего жизненного цикла топливной загрузки.
Делящиеся, неделящиеся изотопы могут использоваться в качестве источника энергии деления даже без цепной реакции. Бомбардировка 238 U быстрыми нейтронами вызывает деление с высвобождением энергии, пока присутствует внешний источник нейтронов. Это важный эффект во всех реакторах, где быстрые нейтроны делящегося изотопа могут вызывать деление близлежащих ядер 238 U, что означает, что некоторая небольшая часть 238 U «сгорает» во всех ядерных топливах, особенно в реакторах на быстрых нейтронах. Тот же самый эффект быстрого деления используется для увеличения энергии, выделяемой современным термоядерным оружием , путем покрытия оружия 238 U для реакции с нейтронами, высвобождаемыми ядерным синтезом в центре устройства. Но взрывные эффекты цепных реакций ядерного деления можно уменьшить, используя такие вещества, как замедлители, которые замедляют скорость вторичных нейтронов.
Реакторы критического деления являются наиболее распространенным типом ядерных реакторов. В критическом реакторе деления нейтроны, образующиеся при делении атомов топлива, используются, чтобы вызвать еще большее количество делений, чтобы поддерживать контролируемое количество высвобождения энергии. Устройства, которые производят спроектированные, но несамостоятельные реакции деления, являются подкритическими реакторами деления. Такие устройства используют радиоактивный распад или ускорители частиц для запуска деления. Критические реакторы деления строятся для трех основных целей, которые обычно предполагают различные инженерные компромиссы, чтобы использовать либо тепло, либо нейтроны, производимые цепной реакцией деления: Энергетические реакторы предназначены для производства тепла для ядерной энергетики в составе генерирующей станции или местной энергосистемы, такой как атомная подводная лодка.
Более известный реактор на быстрых нейтронах производит 239 Pu ядерное топливо из очень распространенного в природе 238 U не ядерного топлива. Реакторы-размножители, ранее испытанные с использованием 232 Th для образования делящегося изотопа 233 U ториевый топливный цикл , продолжают изучаться и разрабатываться. Хотя в принципе все реакторы деления могут работать на всех трех уровнях мощности, на практике задачи приводят к противоречивым инженерным целям, и большинство реакторов построено с учетом только одной из вышеперечисленных задач. Есть несколько ранних контрпримеров, таких как реактор Hanford N , который сейчас списан. Силовые реакторы обычно преобразуют кинетическую энергию продуктов деления в тепло, которое используется для нагрева рабочей жидкости и привода теплового двигателя, который вырабатывает механическую или электрическую энергию.
В паровой турбине в качестве рабочего тела обычно используется вода, но в некоторых конструкциях используются другие материалы, например, газообразный гелий. Исследовательские реакторы производят нейтроны, которые используются по-разному, при этом теплота деления рассматривается как неизбежный продукт отходов. Реакторы-размножители представляют собой специализированную форму исследовательских реакторов с оговоркой, что облучаемый образец обычно является самим топливом, смесью 238 U и 235 U. Для более подробного описания физики и принципов работы критических реакторов деления см. Описание их социальных, политических и экологических аспектов см.
В ядерной энергетике. Бомбы деления Гриб от атомной бомбы , сброшенной на Нагасаки, Япония , 9 августа 1945 года, вырос более чем в 18 км 11 миль над бомбы эпицентра. Приблизительно 39 000 человек были убиты атомной бомбой, из которых 23 145—28 113 были японскими фабричными рабочими, 2 000 - корейскими рабами и 150 - японскими комбатантами. Один из классов ядерного оружия , бомба деления не путать с термоядерной бомбой , иначе известная как атомная бомба или атомная бомба , представляет собой реактор деления, предназначенный для высвобождения как можно большего количества энергии как можно быстрее, прежде чем высвободится энергия вызывает взрыв реактора и остановку цепной реакции. Разработка ядерного оружия была мотивацией ранних исследований ядерного деления, которые Манхэттенский проект во время Второй мировой войны 1 сентября 1939 - 2 сентября 1945 выполнил большую часть ранних научных работ по цепным реакциям деления, кульминацией которых стали три события.
Первая бомба деления под кодовым названием «Гаджет» была взорвана во время испытаний Тринити в пустыне Нью-Мексико 16 июля 1945 года. Две другие бомбы деления под кодовым названием « Маленький мальчик » и « Толстяк » использовались в бою против в японских городов Хиросима и Нагасаки в 6 и 9 августа 1945 года , соответственно. Даже первые бомбы деления были в тысячи раз более взрывоопасными, чем сопоставимая масса химического взрывчатого вещества. Например, Маленький Мальчик весил в общей сложности около четырех тонн из которых 60 кг составляло ядерное топливо и имел длину 11 футов 3,4 м ; он также привел к взрыву мощностью около 15 килотонн в тротиловом эквиваленте , разрушившему большую часть города Хиросима. Современное ядерное оружие которое включает термоядерный синтез, а также одну или несколько стадий деления в сотни раз более энергетически по своему весу, чем первые атомные бомбы чистого деления см.
Хотя фундаментальная физика цепной реакции деления в ядерном оружии аналогична физике управляемого ядерного реактора, эти два типа устройств должны быть спроектированы совершенно по-разному см. Физику ядерного реактора. Ядерная бомба спроектирована так, чтобы высвободить всю свою энергию сразу, в то время как реактор спроектирован так, чтобы генерировать постоянный запас полезной энергии. Хотя перегрев реактора может привести и привел к расплавлению и паровым взрывам , гораздо меньшее обогащение урана делает невозможным взрыв ядерного реактора с такой же разрушительной силой, как у ядерного оружия. Также трудно извлечь полезную мощность из ядерной бомбы, хотя, по крайней мере, одна ракетная двигательная установка, Проект Орион , была предназначена для работы путем взрыва бомб деления за массивно защищенным и защищенным космическим кораблем.
Стратегическое значение ядерного оружия является одной из основных причин , почему технология ядерного деления является политически чувствительным. Жизнеспособные конструкции бомб деления, возможно, под силу многим, будучи относительно простыми с инженерной точки зрения. Однако сложность получения расщепляющегося ядерного материала для реализации проектов является ключом к относительной недоступности ядерного оружия для всех, кроме современных промышленно развитых правительств, имеющих специальные программы по производству расщепляющихся материалов см. Обогащение урана и ядерный топливный цикл. История Основная статья: Открытие ядерного деления Хан и Мейтнер в 1912 году Открытие ядерного деления произошло в 1938 году в зданиях Химического общества кайзера Вильгельма , ныне являющегося частью Свободного университета Берлина , после более чем четырех десятилетий работы в области науки о радиоактивности и разработки новой ядерной физики , описывающей компоненты атомы.
Деление атомного ядра
По этой причине существует несколько "подвидов" ряда элементов, которые называются изотопами. В качестве примера можно привести некоторые изотопы урана: Уран-238: 92 протона, 146 нейтронов Уран-235: 92 протона, 143 нейтронов Уран-234: 92 протона, 142 нейтронов Эти изотопы могут быть стабильными или нестабильными. Стабильные изотопы обладают относительно постоянным или неизменным числом нейтронов. Но если у химического элемента слишком много нейтронов, он становится нестабильным или делящимся.
Когда делящиеся изотопы пытаются стать стабильными, они освобождают избыток нейтронов и энергии. Именно эта энергия является источником взрывной силы ядерного оружия. Различают два типа ядерного оружия: Атомные бомбы: в них для создания взрыва используется эффект домино, заключающийся в многочисленных реакциях деления урана или плутония.
Водородные бомбы: они основаны на сочетании деления и синтеза урана или плутония при участии более легких элементов, таких как изотопы водорода. Но в чем же разница между реакциями деления и синтеза? Расщепление атомов: деление ядер Деление ядер — это процесс, который используется в ядерных реакторах.
Термоядерная реакция — реакция слияния синтеза лёгких ядер, протекающая при высоких температурах. Установки, на которых атомная энергия преобразуется в электрическую, называются атомными электростанциями.
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! Когда речь идет о процессах на глубинах в тысячи километров, следует иметь в виду, что, с одной стороны, они недоступны непосредственному экспериментальному исследованию, с другой — их не всегда возможно изучать и в лабораторных установках, где трудно создать аналогичные физические условия. Но в современной науке существует еще один универсальный инструмент познания — компьютерное моделирование. В 2005 г.
Для этого необходимо иметь определенное минимальное количество делящегося изотопа, который будет поддерживать реакцию. Это количество называют критической массой.
Чтобы достичь критической массы и повысить вероятность распада, требуется достаточное количество исходного материала. Поскольку в свободном виде субатомные частицы встречаются довольно редко, часто необходимо отделить их от атомов, содержащих эти частицы. Один из способов сделать это заключается в том, чтобы выстрелить одним атомом изотопа по другому такому же атому. Похожее на пушку орудие с урановым сердечником выстреливало атомы 235U в мишень из таких же атомов 235U. Атомы летели достаточно быстро, чтобы выделявшиеся из них нейтроны проникали в ядра других атомов 235U и расщепляли их.
Деление атома может дать миру необыкновенную власть
Хотя хранящиеся ядерные отходы не представляют непосредственной угрозы, если они хорошо изолированы, вопросы долгосрочного обращения с ними, а также возможность неправильного обращения и несчастных случаев делают хранение растущего количества ядерных отходов неоднозначной проблемой. Массивные контейнеры хранят отработанное ядерное топливо в надёжных и безопасных сухих хранилищах Одним из видов отходов можно считать и выбросы углерода. Хотя процесс деления и преобразования ядерной энергии в электричество относительно свободен от выбросов углерода, общий бюджет углерода, связанный с добычей и переработкой руды, необходимой для деления, и строительством конкретной электростанции, не равен нулю. По некоторым оценкам , этот показатель значительно выше - от 10 до 130 граммов CO2 в отдельных случаях. Таким образом, замена угольных электростанций на атомные позволит ежегодно сберегать в атмосфере несколько миллионов тонн CO2, не говоря уже о твёрдых частицах и других загрязняющих веществах. Углеродный след солнечных и ветряных электростанций более или менее сопоставим с нижним пределом для атомной энергетики. В целом, атомная энергия в лучшем случае не содержит столько же углерода, сколько солнечная и ветровая, хотя и связана с непопулярной проблемой отходов, которую мало кто хочет иметь у себя под боком.
Риски Прошло более трёх десятилетий с тех пор, как советская Украина дала миру представление о том, как может выглядеть наихудший сценарий ядерной аварии. Чернобыльская АЭС, расплавившаяся во время технических испытаний в 1986 году, превратилась в радиоактивные руины на фоне отравленного радиоактивными осадками ландшафта. Саркофаг над остатками четвёртого блока Чернобыльской АЭС В 2011 году после землетрясения в Японии произошла авария на атомной станции "Фукусима". Подобные разрушительные события достаточно редки, чтобы о них можно было писать в шокирующих заголовках. Однако, по некоторым оценкам , такие аварии могут происходить раз в 10-20 лет, что в каждом случае чревато распространением радиоактивных веществ на сотни и даже тысячи километров. Насколько это может быть опасно?
Трудно сказать, это зависит от множества факторов, связанных с плотностью населения, степенью облучения и концентрацией изотопов. По данным Всемирной организации здравоохранения, «перемещённое население Фукусимы страдает от психосоциальных и психических последствий переезда, разрыва социальных связей людей, потерявших жильё и работу, разрыва семейных связей и стигматизации». Иными словами, речь идёт не только о риске радиоактивности, о котором нам следует беспокоиться.
Спектр подразделяется на три области: инфракрасную, видимую и ультрафиолетовую. Они относятся различным диапазонам частот или длин волн. Спектры отличают способами их получения. Нагревая тела, их можно заставить испускать лучи, относящихся к различным областям излучения в зависимости от температуры нагрева. Спектры, полученные нагревом тел, называются спектрами испускания. Они бывают сплошными, линейчатыми и полосатыми. Есть другой способ получения спектра. Пропускают пары газов твердого тела через прозрачные тела. При этом прозрачное тело поглощает часть проходящего через него излучения, спектр, полученный таким способом, называется спектром поглощения. Спектры поглощения могут быть линейчатыми или полосатыми.
Самый большой атом — атом цезия, имеющий радиус 225 пикометров. Приставка пико означает десять в минус двенадцатой степени! То есть , если 32 метра уменьшить в тысячу миллиардов раз, мы получим размер радиус атома гелия. Ядро и электроны занимают крайне малую часть его объема. Для наглядности, рассмотрим такой пример. Если представить атом в виде олимпийского стадиона в Пекине а можно и не в Пекине, просто представьте себе большой стадион , то ядро этого атома будет представлять собой вишенку, находящуюся в центре поля. Орбиты электронов при этом находились бы где-то на уровне верхних трибун, а вишня весила бы 30 миллионов тонн. Впечатляет, не так ли? Если предсавить атом в виде стадиона, ядро будет размером с вишню в центре поля Откуда взялись атомы?
Единицы измерения эквивалентной дозы: Зиверт Зв — это единица измерения эквивалентной дозы, любого вида излучения, которое создает такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1 Гр рентгеновского или гамма-излучения. Бэр внесистемная единица — это такое количество энергии ионизирующего излучения, поглощенное 1 кг биологической ткани, при котором наблюдается тот же биологический эффект, что и при поглощенной дозе 1 рад рентгеновского или гамма-излучения. Наименование «бэр» образовано по первым буквам словосочетания «биологический эквивалент рентгена». До недавнего времени при расчёте эквивалентной дозы использовались «коэффициенты качества излучения» К — поправочные коэффициенты, учитывающие различное влияние на биологические объекты различную способность повреждать ткани организма разных излучений при одной и той же поглощённой дозе. Сейчас эти коэффициенты в Нормах радиационной безопасности НРБ-99 назвали — «взвешивающие коэффициенты для отдельных видов излучения при расчёте эквивалентной дозы WR ». Их значения составляют соответственно: рентгеновское, гамма, бета-излучение, электроны и позитроны — 1; протоны с Е более 2 Мэв — 5; нейтроны с Е менее 10 кэв — 5; нейтроны с Е от 10 кэв до 100 кэв — 10; альфа-частицы, осколки деления, тяжёлые ядра — 20 и т. Эффективная эквивалентная доза — эквивалентная доза, рассчитанная с учётом разной чувствительности различных тканей организма к облучению; равна эквивалентной дозе, полученной конкретным органом, тканью с учётом их веса , умноженной на соответствующий «коэффициент радиационного риска». Эти коэффициенты используются в радиационной защите для учёта различной чувствительности разных органов и тканей в возникновению стохастических эффектов от воздействия излучения. В НРБ-99 их называют «взвешивающими коэффициентами для тканей и органов при расчёте эффективной дозы». Для оценки полной эффективной эквивалентной дозы, полученной человеком, рассчитывают и суммируют указанные дозы для всех органов. Для измерения эквивалентной и эффективной эквивалентной доз в системе СИ используется та же единица — Зиверт Зв. Иными словами, это такая поглощённая доза, при которой в 1 кг вещества выделяется энергия в 1 Дж. Внесистемная единица — Бэр. Ещё в 50-х годах было установлено, что если при экспозиционной дозе в 1 рентген воздух поглощает приблизительно столько же энергии, что и биологическая ткань. Кроме того, для оценки воздействия ИИ используют понятия: Мощность дозы — доза, полученная за единицу времени сек. Фон — мощность экспозиционной дозы ионизирующего излучения в данном месте. Естественный фон — мощность экспозиционной дозы ионизирующего излучения, создаваемая всеми природными источниками ИИ. Источники поступления радионуклидов в окружающую среду 1. Естественные радионуклиды, которые сохранились до нашего времени с момента их образования возможно, со времени образования солнечной системы или Вселенной , так как у них велики периоды полураспада, а значит, велико время жизни. Радионуклиды осколочного происхождения, которые обра-зуются в результате деления ядер атомов. Образуются в ядерных реакторах, в которых осуществляется управляемая цепная реакция, а также при испытаниях ядерного оружия неуправляемая цепная реакция. Радионуклиды активационного происхождения образуются из обычных стабильных изотопов в результате активации, то есть при попадании в ядро стабильного атома субатомной частицы чаще — нейтрона , в результате чего стабильный атом становится радиоактивным. Получают активацией стабильных изотопов, помещая их в активную зону реактора, либо бомбардировкой стабильного изотопа в ускорителях элементарных частиц протонами, электронами и т. Области применения радионуклидных источников Источники ИИ находят применение в промышленности, сельском хозяйстве, научных исследованиях и медицине. Только в медицине используются приблизительно сто изотопов для различных медицинских исследований, постановки диагноза, стерилизации и радиотерапии. Во всем мире во многих лабораториях используются радиоактивные материалы для научных исследований. Термоэлектрические генераторы на радиоизотопах применяются для производства электроэнергии для автономного энергопитания различной аппаратуры в удаленных и труднодоступных районах радио-и световые маяки, метеостанции. Повсеместно в промышленности используются приборы, содержащие радиоактивные источники для контроля технологических процессов плотно-, уровне- и толщиномеры , приборы неразру-шающего контроля гамма-дефектоскопы , приборы для анализа состава вещества. Излучение используется для повышения размера и качества урожая. Эффекты радиации Радиоактивные частицы, обладая огромной энергией и скоростью, при прохождении через любое вещество сталкиваются с атомами и молекулами этого вещества и приводят к их разрушению, ионизации, к образованию «горячих» ионов и свободных радикалов. Из ионов и свободных радикалов образуются вредные для организма соединения, которые запускают целую цепь последовательных биохимических реакций и постепенно приводят к разрушению клеточных мембран стенок клеток и других структур. Радиация по-разному действует на людей в зависимости от пола и возраста, состояния организма, его иммунной системы и т. При воздействии радиации скрытый инкубационный, латентный период, то есть время задержки до наступления видимого эффекта, может продолжаться годами и даже десятилетиями. Воздействие радиации на организм человека и биологические объекты вызывает три различных отрицательных эффекта: генетический эффект для наследственных половых клеток организма. Он может проявиться и проявляется только в потомстве; генетико-стохастический эффект, проявляющийся для наследственного аппарата соматических клеток — клеток тела.
Ядерное деление
Никто не может сделать это на своей кухне». Короче говоря, у Хандла, вероятно, не было подходящих материалов, чтобы вызвать реакцию деления. Но что, если он - или ты - сделал? Как вы могли заставить их реагировать? Давайте представим, что у вас есть доступ к чистой U-235. Поскольку на вашей кухне нет ядерного реактора, в котором используется так называемый замедлитель для приведения нейтронов в контакт с ураном, ваш единственный вариант - собрать вместе критическую массу материала.
Так что просто возьми вок, полный U-235. Он будет готовить самостоятельно.
Свойства атомов Масса Массу атомов принято измерять в атомных единицах массы — а. В химии для измерения массы атомов используется понятие "моль". Размер Размеры атомов чрезвычайно малы. Так, самый маленький атом — это атом Гелия, его радиус — 32 пикометра. Самый большой атом — атом цезия, имеющий радиус 225 пикометров. Приставка пико означает десять в минус двенадцатой степени! То есть , если 32 метра уменьшить в тысячу миллиардов раз, мы получим размер радиус атома гелия. Ядро и электроны занимают крайне малую часть его объема.
Для наглядности, рассмотрим такой пример.
Таким образом, ядро атома, части которого вращаются в противоположных направлениях, может быть расколото лучом лазера на две части и эти части атома могут быть разнесены на значительное расстояние, что и удалось реализовать ученым в ходе своего эксперимента. Ученые утверждают, что используя подобный метод, можно создавать так называемые "квантовые мосты", являющиеся проводниками квантовой информации. Атом вещества разделяется на половинки, которые разводятся в стороны, пока не войдут в соприкосновение со смежными атомами. Образуется нечто вроде полотна дороги, пролет, соединяющий два столба моста, по которому может быть передана информация.
Это возможно благодаря тому, что разделенный таким образом атом продолжает оставаться единым целым на квантовом уровне из-за того, что части атома запутаны на квантовом уровне. Ученые Боннского университета собираются использовать такую технологию для моделирования и создания сложных квантовых систем.
Ирина Штерман Казахстан готов приобрести акции российского предприятия по обогащению урана По словам премьер-министра Казахстана Карима Масимова, "переговоры об этом находятся на финальной стадии".
Однако он воздержался назвать предприятия и размер пакета акций, сославшись на то, что не может раскрыть информацию до тех пор, пока не заключена сделка. Генеральный директор предприятия Александр Белоусов ознакомил гостей с работой завода по разделению изотопов и деятельностью Международного центра по обогащению урана, созданного на базе АЭХК по инициативе правительств России и Казахстана.
История науки: поленница для мирного атома
Международная группа ученых выяснила, как именно вращаются атомные ядра после их деления, сообщает МедиаПоток. И если Счётная палата хотела узнать, что творится в большом атомном хозяйстве Кириенко, последний немедленно жаловался на «притеснения» в президентские структуры. Таким образом, появляется возможность осуществления разветвляющейся, ускоряющейся цепной реакции деления ядер атомов с выделением огромного количества энергии. Новости Новости. Новости Новости.
Деление атомных ядер: История Лизы Мейтнер и Отто Ганна
В отличие от Европы США не собираются отказываться от мирного атома и по мере сил восстанавливают пробелы. Ядро атома, если это не водород, состоит из набора протонов и нейтронов. Возникшие после деления «осколки» (атомные ядра других химических элементов) разлетаются с большой скоростью, выделяя в ней тепловую энергию распада. Передавая при столкновениях с атомами среды топливной композиции свою кинетическую энергию, осколки деления тем самым повышают температуру в ней. В отличие от Европы США не собираются отказываться от мирного атома и по мере сил восстанавливают пробелы. Скачай это бесплатное вектор на тему Атомная электростанция, атомные реакторы, производство энергии. деление атома, атомный процесс.
Видео-стенд "Магия Деления ядра урана" в парке "Патриот"
Предыдущие исследования показали, что атомные ядра с большим количеством протонов и нейтронов нестабильны. Если не остановить процесс деления атомов, энергии будет слишком много, и произойдет взрыв. Но если ядро похоже на жидкую каплю и может дробиться и сливаться, то с чем был связан шок от новости о делении урана? В отличие от Европы США не собираются отказываться от мирного атома и по мере сил восстанавливают пробелы.