Ядерні ланцюгові реакції
Ядерними реакціями називаються реакції, при яких відбувається зміна атомних ядер при взаємодії їх з елементарними частинками або один з одним. p align="justify"> У 1934р. італійський вчений Енріко Фермі зі своїми співробітниками почав дослідження з опромінювання елементів нейтронами, які як нейтральні частинки безперешкодно проникали в атомні ядра речовин, викликаючи їх розщеплення.
Багатьом вченим даний експеримент здавався безглуздим, тому що нейтронів було багато менша, ніж альфа-частинок і протонів. Але результати показали істотну ефективність даного розщеплення, яка компенсувала слабкість нейтронних джерел в порівнянні з джерелами альфа-частинок і протонів. p align="justify"> У 1939 р. німецькими вченими Отто Ганном і Фріцем Штрассманом була відкрита реакція поділу урану при бомбардуванні їх нейтронами.
Розглянемо механізм протікання даної реакції.
Поглинувши зайву нейтрон, ядро ​​збуджується і деформується, набуваючи витягнуту форму.
У ядрі діє два види сил: електростатичні сили відштовхування між протонами, які прагнуть розірвати ядро, і ядерні сили притягання між усіма нуклонами (з лат. nucleus протон і нейтрон), завдяки яким ядро ​​не розпадається.
Але ядерні сили - короткодіючі, тому у витягнутому ядрі вони вже не можуть утримати сильно віддалені один від одного частини ядра.
Під дією електростатичних сил відштовхування ядро ​​розривається на дві частини, які розлітаються в різні сторони з величезною швидкістю і випромінюють при цьому 2-3 нейтрона.
Виходить, що частина внутрішньої енергії ядра переходить у кінетичну енергію летючих уламків ядра і частинок.
При одночасному розподілі великої кількості ядер урану внутрішня енергія навколишнього середовища і її температура помітно зростають. Тобто реакція поділу ядер урану йде з виділенням енергії в навколишнє середовище. p align="justify"> При цьому не можна не відзначити, що в ядрах атомів міститься колосальна кількість енергії. Так при повному розподілі всіх ядер, що містяться в 1 г урану, виділилося б стільки ж енергії, скільки виділяється при згорянні 2,5 тонн нафти. p align="justify"> На малюнку показана схема ланцюгової реакції, при якій загальна кількість вільних нейтронів в шматку урану лавиноподібно збільшується з часом. Різко зростає число розпадаються ядер і енергія, що виділяється в одиницю часу. Саме тому дана реакція носить вибуховий характер. p align="justify"> У виробництві електроенергії використовують ланцюгові реакції, що не носять вибухового характеру, в яких число вільних нейтронів не змінюється з плином часу. p align="justify"> Це умова буде виконана, якщо коефіцієнт розмноження нейтронів k буде більше або дорівнює одиниці. p align="justify"> Коефіцієнтом розмноження нейтронів називають відношення числа нейтронів, що утворилися при поділі до поглинених нейтронів.
Якщо k більше або дорівнює 1, то число нейтронів збільшується з плином часу чи залишається постійним і ланцюгова реакція йде. Але для проведення реакції в стаціонарних умовах, k має дорівнювати суворо 1. В іншому випадку миттєво станеться вибух. p align="justify"> Якщо k строго менше 1, то нейтронів більше поглинається, ніж утвориться. З цього випливає, що загальне число нейтронів зменшується, і ланцюгова реакція не протікає. p align="justify"> Для здійснення подібних реакцій використовують такі чинники як: маса урану, що відображає оболонка, вміст домішок, сповільнювачі нейтронів, прискорювачі елементарних частинок.
Маса урану
атомний ядро ​​нейтрон реакція
Не кожен нейтрон, випромінений при розподілі ядра, викликає розподіл інших ядер. Якщо маса шматка урану занадто мала, те багато нейтрони вилетять за його межі, не встигнувши зустріти на своєму шляху ядро, викликати його поділ для утворення нових нейтронів, необхідних для продовження реакції. У цьому випадку ланцюгова реакція припиниться. p align="justify"> Щоб реакція не припинялася, потрібно збільшити масу урану до певного значення, званого критичним.
Значить найменша маса урану, при якій можливе протікання ланцюгової реакції, називається критичною, при значенні якій число нейтронів, що з'явилися при поділі ядер, стає дорівнює кількості втрачених нейтронів (поглинених ядрами без подальшого поділу і вилетіли за межі шматка ). p align="justify"> При таких параметрах загальне число нейтронів залишається постійним, і реакція може йти тривалий час, не припиняючись і не набуваючи вибухового характеру. br/>
Віддзеркалююча оболонка
Зменшити втрату нейтронів (які вилітають з урану, що не прореагувавши з ядрами) можна за допомогою спеціальної відбиває оболонки. Для цього шматок урану поміщають в оболонку, зроблену з речовини, добре відбиває нейтрони (наприклад, з берилію). Відбиваючись від стінок оболонки, нейтрони повертаються та вступають у взаємодію з ядрами атомів урану. br/>
Домішки
Якщо уран містить в собі надлишок домішок інших хімічних елементів, то вони поглинають більшу частину нейтронів і процес не протікає.
Уповільнювачі нейтронів
З найбільшою ймовірністю протікають реакції під дією повільних нейтронів, а при розподілі ядра утворюються швидкі нейтрони. Якщо швидкі нейтрони сповільнити, то більша частина буде захоплена ізотопами урану з подальшим поділом ядер. p align="justify"> В якості заступників використовуються такі речовини, як графіт, вода, важка вода (за рахунок дейтерію, ізотопу водню) і т.д. Ці речовини тільки сповільнюють нейтрони, майже не поглинаючи їх. br/>
Прискорювачі елементарних частинок
Перші реакції розщеплення здійснювалися при бомбардуванні речовин альфа-частинками і протонами. p align="justify"> Ядерні реакції відбуваються, коли частки або ядра потрапляють у сферу дії ядерних сил. Але тому однойменно заряджені частинки відштовхуються, те зближення позитивно заряджених часток з ядрами або ядер один з одним вимагає повідомлення часткам або ядрам великий кінетичної енергії. p> Дана енергія повідомляється протонам і на прискорювачах елементарних частинок.
Так у 1932р. на швидких протонах вдалося розщепити літій на дві:
В
