A nehéz magok hasadéka
1940-ben a szovjet tudósok Flerov és Petrzhak felfedezték az urán és tórium magok spontán (spontán) hasadását. Felezési ideje az év. 1939-ben a német tudósok, Strassmann és Gan felfedezték a neutronok által bombázott uránmagok hasítási folyamatát. Ugyanakkor a Mendeleyev tábla (latan és bárium) középső elemei alakulnak ki. Ez a folyamat megindította az új típusú nukleáris reakciók tanulmányozását - a nehéz magok hasadási reakcióit neutronok hatására. A nehéz magok hasadásának figyelemre méltó tulajdonsága, hogy két vagy három neutron felszabadulását kísérik, nevezett hasad neutronok. Mivel a protonok számának és a neutronok számának aránya egy közepes atomon egyenlő egy (), és nehéz (), a képződő fragmensek neutronokkal vannak túlterheltek, ezért a hasadási neutronok felszabadulnak. A kapott fragmensek radioaktívak, és számos pozitron transzformációnak vannak kitéve, amelyet sugárzás kísér. Így folytatódik a hasadványfrakciók stabilabb elemekké történő átalakulásának folyamata. Az emittált neutronok energiája 0 és 7 MeV között változik. A magok hasadása nagy mennyiségű energiának felszabadulását eredményezi, mivel a magok fajlagos kötési energiája átlagos tömege 8,7 MeV, míg a nehéz 7,6 MeV. Ezért, amikor az atom két részre oszlik, egy atomonként 1.1 MeV-os energiát kell szabadítani. Kísérletileg megállapítást nyert, hogy az uránmag maghasadás 200 MV energiát szabadít fel. A maghasadás valószínűségét a neutronenergia határozza meg. A nagy energiájú neutronok gyakorlatilag minden magot hasadnak. Alacsonyabb energiájú neutronok - nehéz. Az uránt és a plutóniumot neutronok osztják fel bármilyen energiával, de különösen lassú (termikus) neutronokkal (energia-eV-vel).
Láncos maghasadás reakció
A maghasadás során kibocsátott másodlagos neutronok (2,5 darab per maghasadás) új hasadási eseményeket okozhatnak, ami lehetővé teszi láncreakció végrehajtását. A láncvágási reakciót a K neutronszorzási együttható jellemzi, ami megegyezik az adott generációban lévő neutronok számának az előző generációs számhoz viszonyított arányával. A hasadás láncreakciójának kialakításához szükséges feltétel szükséges. Kevesebb reakcióval lehetetlen. Ha a reakció állandó számú neutronnal történik (a felszabadított energia állandó ereje). Ez önfenntartó reakció. At - csillapított reakció. A reprodukciós együttható függ a hasadóanyag jellegétől, a mag méretétől és alakjától. A láncreakció végrehajtásához szükséges hasadóanyag minimális tömegét kritikusnak kell tekinteni. A kritikus tömeg 9 kg, míg az urán gömb sugara 4 cm.
Nukleáris bombázás
Kezelt láncreakció. Nukleáris reaktorok.
A neutronok szorzási tényezőjének megváltoztatásával szabályozott láncreakció valósítható meg. Az a berendezés, amelyben az ellenőrzött reakció megvalósul, atomreaktor. A hasadóanyag természetes vagy dúsított urán. A neutronok urániummagok által történő sugárzásának megakadályozására viszonylag kis hasadóanyag-blokkokat helyeznek el egymástól bizonyos távolságban, és a rések megteltek olyan anyaggal, amely lassítja a neutronokat (moderátor). A neutronok lelassulnak rugalmas szórással. Ebben az esetben a lassított részecske által elvesztett energia függ az ütköző részecskék tömegarányától. A maximális energia mennyisége elvész, ha a részecskéknek ugyanakkora tömegük van. Ezt az állapotot deutérium, grafit és berillium kielégíti. Az első urán-grafit reaktort 1942-ben indították el a Chicagói Egyetemen, az eminens olasz fizikus Fermi vezetésével. A reaktor működési elvének megmagyarázásához vegyük fontolóra egy tipikus reaktor tervét a 3. ábrán a termikus neutronokon.
A reaktormagban vannak 1 üzemanyagelemek és egy 2 moderátor, amely lelassítja a neutronokat a termikus sebességekhez. A tüzelőanyag-elemek (üzemanyagelemek) olyan hasadóanyagokból álló tömbök, amelyek hermetikus héjba vannak zárva, gyengén elnyelő neutronok. A magok hasadása során felszabaduló energia következtében a tüzelőanyag-rudakat felmelegítik, ezért hűtésre kerülnek a hűtőfolyadék áramlásába (3-hűtőfolyadékcsatorna). Az aktív zónát olyan reflektor veszi körül, amely csökkenti a neutronszivárgást. A láncreakció vezérlését speciális 5 szabályozó rudak végzik olyan anyagokból, amelyek erősen felszívják a neutronokat. A reaktor paramétereit úgy számítjuk ki, hogy teljesen beillesztett rudakkal a reakció biztosan nem megy. A rudak fokozatos eltávolításával megnövekszik a neutronok szorzási tényezője, és egyes pozícióikban egységbe kerül. Ezen a ponton a reaktor működésbe lép. Amint a reaktor működik, a magban lévő hasadóanyag mennyisége csökken, és magzati törzsek keletkeznek, köztük erős neutronabszorberek is. Annak érdekében, hogy a reakció ne szűnjön meg, az ellenőrző rudakat fokozatosan kivonjuk a magból egy automatikus eszköz segítségével. A reakciók ilyen szabályozása lehetséges az elhasznált magok késleltetett neutronjainak meglétével, legfeljebb 1 perc késleltetéssel. Amikor a nukleáris üzemanyag ég, a reakció leáll. A reaktor új elindítását megelőzően az égetett nukleáris üzemanyag visszanyerhető, és újabb betöltődik. A reaktorban vannak vészhelyzeti rudak, amelyek bevezetése azonnal megszünteti a reakciót. Az atomreaktor a behatoló sugárzás erős forrása, amely megközelítőleg meghaladja az egészségügyi szabványokat. Ezért minden reaktornak van egy biológiai védőburkolata - védőanyagok (pl. Beton, ólom, víz) képernyője - a reflektor mögött és távirányító mögött.
Első ízben a Szovjetunióban békés célú atomenergiát használtak. Az Obninsk 1954-ben Kurchatov vezetésével üzembe helyezte az első, 5 MW kapacitású atomerőművet.
Azonban a termikus neutronok uránreaktorai korlátozott mértékben képesek megoldani az áramellátás feladatát, amelyet az urán mennyisége határoz meg.
A nukleáris energia fejlesztésének legígéretesebb módja a gyors neutron reaktorok, az úgynevezett tenyésztési reaktorok fejlesztése. Egy ilyen reaktor több nukleáris üzemanyagot termel, mint amennyit fogyaszt. A reakció gyors neutronokon zajlik, ezért nemcsak, de részt vehet benne. amely átalakul. Ez utóbbi vegyileg elválasztható. Ezt a folyamatot a nukleáris üzemanyag reprodukciójának nevezik. Speciális tenyésztési tenyésztési reaktorokban a nukleáris üzemanyag reprodukciós sebessége meghaladja az egyet. A tenyésztők aktív zónája az izotópokkal dúsított urán ötvözete. egy nehézfémmel, amely elnyeli a kis neutronokat. A tenyésztési reaktorokban nincs lassulás. Az ilyen reaktorok vezérlése a reflektor mozgatásával vagy a hasadóanyag tömegének megváltoztatásával.
A könnyű magok termonukleáris fúziós reakciója
Amikor a magok egyesülnek, hatalmas energiát szabadít fel, mivel a nehezebb magok kötési energiája nagyobb, mint a tüdőben. Az egyesülő magok pozitív töltést hordoznak, így hatalmas erőt keltenek a Coulomb repulzióval szemben. Az ilyen repulzió energiája két maghoz egyenlő:
Ez az energia megfelel a K. hőmérsékletnek. Amikor a magok megközelítik a távolságot m, akkor a nukleonok vonzása nukleáris ereje megkezdõdik.
A Coulomb repulzív erők leküzdéséhez a magok viszonylagos mozgásának energiáját megemelik a hőmérséklet növelésével. Ezért a könnyű magok szintézisét termonukleárisnak nevezzük, mert magas hőmérsékleten folytatódik.
A K hőmérsékleten a következő reakciók fordulnak elő: