Ядерное деление и синтез

Энергетический выход ядерных реакций

В ядерной реакции по распаду лития при столкновении с быстрым протоном кинетическая энергия двух образующихся ядер гелия оказалась больше кинетической энергии протона, который вступил в реакцию. И разница между ними составила 7,3 МэВ. Это говорит о том, что превращение ядер сопровождается изменением их внутренней энергии, т. е. изменение энергии связи. В рассмотренной реакции удельная энергия связи в ядрах гелия больше удельной энергии связи в ядре лития. Поэтому часть внутренней энергии ядра лития превращается в кинетическую энергию разлетающихся α-частиц.

Изменение энергии связи ядер означает, что суммарная энергия покоя участвующих в реакциях ядер и частиц не остается постоянной. Ведь энергия покоя ядра выражается через энергию связи. В соответствии с законом сохранения энергии изменение кинетической энергии в процессе ядерной реакции равно изменению энергии покоя участвующих в реакции ядер и частиц.

Энергетический выход ядерной реакции — разность энергий покоя ядер и частиц до реакции и после реакции.

Q = (MA + MB – MC – MD)c2 = ΔMc2

где MA и MB – массы исходных продуктов, MC и MD – массы конечных продуктов реакции.

Энергетический выход ядерной реакции равен изменению кинетической энергии частиц, участвующих в реакции. Причем:

  • Если суммарная кинетическая энергия ядер и частиц после реакции больше, чем до реакции, то энергия выделяется.
  • Если суммарная кинетическая энергия ядер и частиц после реакции меньше, чем до реакции, то энергия поглощается.

Выделяющаяся при ядерных реакциях энергия может быть колоссальной. Но использовать ее при столкновениях ускоренных частиц (или ядер) с неподвижными ядрами мишени практически нельзя. Это связано с тем, что основная часть ускоренных частиц пролетает мимо ядер мишени, не приводя к возникновению реакции.

Пример №2. В результате деления ядра урана 235.92U, захватившего нейтрон, образуются ядра бария 142.56Ba и криптона 9136Kr, а также три свободных нейтрона. Удельная энергия связи ядер бария 8,38 МэВ/нуклон, криптона – 8,55 МэВ/нуклон и урана – 7,59 МэВ/нуклон. Чему равна энергия, выделенная из одного ядра урана?

Составим схему реакции:

235.92U+1n→142.56Ba+9136Kr+31n

Из условия задачи известно, сколько энергии имеет каждый нуклон. Нуклон — это 1 протон или нейтрон. Каждый элемент до и после реакции имеет определенные массовые числа:

AU=235

ABa=142

AKr=91

Следовательно, чтобы найти выделившуюся энергию, нужно умножить количество нуклонов на их энергии, а затем найти разность энергий до и после реакции:

Q=EсвUAU−EсвBaABa−EсвKrAKr

Q=7,59·235−8,38·142−8,55·91=−184,36(МэВ)

Отрицательное число получилось в связи с тем, что суммарная энергия связи ядер образовавшихся элементов больше энергии связи ядра атома урана. Это говорит о том, что энергия при проведении этой реакции будет выделяться в количестве 184,36 МэВ.

Определения

Ядерный синтез — это реакция, в которой два или более ядер объединяются, образуя новый элемент с более высоким атомным номером (больше протонов в ядре). Энергия, выделяемая при синтезе, связана с E = mc 2 (Знаменитое уравнение энергии-массы Эйнштейна). На Земле наиболее вероятной реакцией синтеза является дейтерий-тритиевая реакция. Дейтерий и тритий — изотопы водорода.

21Дейтерий + 31Тритий = 42Он + 1п + 17,6 МэВ

]

Деление ядра — это расщепление массивного ядра на фотоны в виде гамма-лучей, свободных нейтронов и других субатомных частиц. В типичной ядерной реакции с участием 235U и нейтрон:

23592U + п = 23692U

с последующим

23692U = 14456Ba + 8936Кр + 3п + 177 МэВ

Сравнительная таблица

Таблица сравнения ядерного деления и ядерного синтеза
Ядерное деление Термоядерная реакция
Определение Деление — это разделение большого атома на два или несколько меньших. Слияние — это слияние двух или более более легких атомов в более крупный.
Естественное протекание процесса Реакции деления в природе обычно не бывает. Слияние происходит в звездах, таких как Солнце.
Побочные продукты реакции При делении образуется много высокорадиоактивных частиц. В результате реакции синтеза образуется мало радиоактивных частиц, но если использовать «спусковой механизм» деления, то в результате будут возникать радиоактивные частицы.
Условия Требуются критическая масса вещества и высокоскоростные нейтроны. Требуется высокая плотность, высокая температура окружающей среды.
Требования к энергии Требуется мало энергии, чтобы разделить два атома в реакции деления. Чрезвычайно высокая энергия требуется, чтобы подвести два или более протонов достаточно близко, чтобы ядерные силы преодолели их электростатическое отталкивание.
Высвобожденная энергия Энергия, выделяемая при делении, в миллион раз больше, чем выделяется при химических реакциях, но ниже, чем энергия, выделяемая при ядерном синтезе. Энергия, выделяемая при синтезе, в три-четыре раза больше, чем энергия, выделяемая при делении.
Ядерное оружие Один из классов ядерного оружия — это бомба деления, также известная как атомная бомба или атомная бомба. Один из классов ядерного оружия — водородная бомба, в которой для «запуска» реакции синтеза используется реакция деления.
Производство энергии Деление используется на атомных электростанциях. Fusion — это экспериментальная технология производства энергии.
Топливо Уран — основное топливо, используемое на электростанциях. Изотопы водорода (дейтерий и тритий) являются основным топливом, используемым на экспериментальных термоядерных электростанциях.

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.

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».

Л. Берия

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:

Термоядерные реакции

Масса покоя ядра урана больше суммы масс покоя осколков, на которые делится ядро. Для легких ядер дело обстоит как раз наоборот. Так, масса покоя ядра гелия значительно меньше суммы масс покоя двух ядер тяжелого водорода, на которые можно разделить ядро гелия. Поэтому при слиянии легких ядер масса покоя уменьшается. Следовательно, должна выделяться значительная энергия. Подобного рода реакции слияния легких ядер могут протекать только при очень высоких температурах. Поэтому они называются термоядерными.

Термоядерные реакции — это реакции слияния легких ядер при очень высокой температуре.

Ядра сливаются только при сближении на расстоянии около 10-12 см — тогда они попадают в сферу действия ядерных сил. Этому сближению препятствует кулоновское отталкивание ядер, которое может быть преодолено лишь за счет большой кинетической энергии теплового движения ядер.

Энергия, которая выделяется при термоядерных реакциях в расчете на один нуклон, превышает удельную энергию, выделяющуюся при цепных реакциях деления ядер. Так, при слиянии тяжелого водорода — дейтерия — со сверхтяжелым изотопом водорода — тритием — выделяется около 3,5 МэВ на один нуклон. При делении же урана выделяется примерно 1 МэВ энергии на один нуклон.

Термоядерные реакции играют большую роль в эволюции Вселенной. Энергия излучения Солнца и звезд имеет термоядерное происхождение. По современным представлениям, на ранней стадии развития звезда в основном состоит из водорода. Температура внутри звезды столь велика, что в ней протекают реакции слияния ядер водорода с образованием гелия. Затем при слиянии ядер гелия образуются и более тяжелые элементы.

Если человечество научится управлять термоядерными реакциями, то на Земле появится неисчерпаемый источник энергии. Но пока это невозможно, так как нет таких веществ, которые могли бы выдержать температуру, при которых могут сливаться ядра. Однако неуправляемые реакции проведены уже были. Речь идет о термоядерных бомбах, которые могут уничтожить все человечество.

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.

Радиоактивность с течением времени

Продукты деления имеют период полураспада 90 лет ( самарий-151 ) или меньше, за исключением семи долгоживущих продуктов деления с периодом полураспада 211100 лет ( технеций-99 ) или более. Следовательно, общая радиоактивность смеси чистых продуктов деления быстро снижается в течение первых нескольких сотен лет (контролируемая короткоживущими продуктами), прежде чем стабилизируется на низком уровне, который мало меняется в течение сотен тысяч лет (контролируемом семью долгоживущими продуктами). живые продукты).

Такое поведение чистых продуктов деления с удаленными актинидами контрастирует с распадом топлива, которое все еще содержит актиниды . Это топливо производится в так называемом «открытом» (т.е. без ядерной переработки ) ядерном топливном цикле . Некоторые из этих актинидов имеют период полураспада в недостающем диапазоне от 100 до 200 000 лет, что вызывает некоторые трудности с планами хранения в этом временном диапазоне необработанного топлива открытого цикла.

Сторонники ядерных топливных циклов, которые стремятся потреблять все свои актиниды путем деления, такие как интегральный быстрый реактор и реактор на расплавленных солях , используют этот факт, чтобы заявить, что в течение 200 лет их топливные отходы не более радиоактивны, чем исходная урановая руда .

Продукты деления испускают бета-излучение , в то время как актиниды в основном испускают альфа-излучение . Многие из них также излучают гамма-излучение .

Нуклонная модель ядра. Заряд ядра. Массовое число ядра

Элементарные частицы:

  • протон
    Обозначение – ​\( p \)​, заряд ​\( q_p \)​ = 1,6·10-19 Кл, масса ​\( m_p \)​ = 1,67·10-27 кг.
  • нейтрон
    Обозначение – ​\( n \)​, заряд отсутствует, масса \( m_n \) = 1,66·10-27 кг.
  • электрон
    Обозначение – ​\( e \)​, заряд ​\( q_e \)​ = –1,6·10-19 Кл, масса ​\( m_e \)​ = 9,1·10-31 кг.

Нуклон – это частица, входящая в состав атомного ядра.

Атомное ядро любого химического элемента состоит из протонов и нейтронов.

Массовое число – это число, которое определяет количество протонов и нейтронов в ядре и равно округленному до целого значению массы атомного ядра в а.е.м.

Обозначение – ​\( A \)​, единица измерения – 1 атомная единица массы (а.е.м.).

Массовое число равно сумме количества протонов и нейтронов в ядре:

где ​\( A \)​ – массовое число; ​\( Z \)​ – количество протонов в ядре; ​\( N \)​ – количество нейтронов в ядре.

Зарядовое число – это число, которое показывает количество протонов в ядре.

Зарядовое число равно сумме зарядов протонов, входящих в состав ядра, выраженной в элементарных электрических зарядах.

Элементарный электрический заряд равен заряду электрона:

​\( Z \)​ – порядковый номер химического элемента в периодической таблице Менделеева.

Если некоторый химический элемент обозначить ​\( {}^A_ZX \)​, это означает, что в его ядре ​\( Z \)​ – протонов и ​\( N=A-Z \)​ – нейтронов.

Измерения массы атомов показали, что практически все химические элементы имеют изотопы.

Изотопы – это атомы одного и того же химического элемента, имеющие одинаковое количество протонов, но отличающиеся количеством нейтронов в ядре.

Изотопы имеют:

  • одинаковый атомный номер ​\( Z \)​ (одинаковое число протонов);
  • различные массовые числа ​\( A \)​ (различное число нуклонов);
  • одинаковое строение электронных оболочек;
  • близкие химические свойства.

Изотопы бывают:

  • стабильные – это изотопы, которые сохраняются сколь угодно долго;
  • радиоактивные – это изотопы, которые превращаются в ядра других элементов с течением времени.

Изотопы водорода: водород имеет два стабильных изотопа – водород ​\( {}^1_1H \)​, дейтерий ​\( {}^2_1H \)​ и один радиоактивный изотоп тритий ​\( {}^3_1H \)​.

Общее понятие о ядерных реакциях

Существуют явления, в которых ядро атома того или иного элемента вступает во взаимодействие с другим ядром или какой-либо элементарной частицей, то есть обменивается с ними энергией и импульсом. Подобные процессы и называются ядерными реакциями. Результатом их может стать изменение состава ядра или образование новых ядер с испусканием определенных частиц. При этом возможны такие варианты, как:

  • превращение одного химического элемента в другой;
  • деление ядра;
  • синтез, то есть слияние ядер, при котором образуется ядро более тяжелого элемента.

Начальная фаза реакции, определяемая типом и состоянием вступающих в нее частиц, называется входным каналом. Выходные каналы – это возможные пути, по которым реакция будет протекать.

Ядерная угроза

В 1945 году мир был потрясен трагедией японских городов Хиросимы и Нагасаки. Правительство Соединенных Штатов сбросило две атомные бомбы на Японию, мотивируя это стремлением положить конец Второй мировой войне.

Последствия данного события оказались шокирующими. Атомная бомба доказала свою эффективность, практически до основания разрушив оба города. Мощность взрывов была колоссальной. За годы войны уже был проведен ряд испытаний ядерного оружия, но впервые оно было применено против населения.

Атомный взрыв не только унес огромное количество жизней. Выжившие после сброса бомбы ощутили на себе страшные последствия спустя несколько лет. Радиация привела к появлению лучевой болезни — недуга, проявившегося не только у людей, оказавшихся вблизи взрыва, но и у детей, родившихся в дальнейшем у этих людей.

Атомные взрывы приводят к большим выбросам ионизирующего излучения. Радиация способна сохранять свои ионизирующие свойства на протяжении десятков и сотен лет, распространяясь через атмосферу, загрязняя воды, выпадая в виде осадков.

Ядерное оружие являет серьезную угрозу. Гонка вооружений, продолжавшаяся практически всю вторую половину 20 века, поставила планету перед возможностью Третьей мировой войны. В настоящее время многие страны имеют ядерное оружие, ставя под угрозу жизнь всего человечества.

Не только ядерное вооружение может таить опасность. Объекты мирного назначения также могут привести к печальным последствиям при недостатке контроля. Трагедия на Чернобыльской АЭС в 1976 году наглядно демонстрирует, что может произойти, если недооценивать ядерную мощь.

Реакции ядерного синтеза и ядерного распада являются важными достижениями науки. Открытия в данной сфере могут использоваться как во зло, так и во благо. Правильное отношение к ядерным процессам позволяет минимизировать риски использования атомного потенциала.

Пример

Истории ведомы серьезные ядерные и радиационные аварии. В 2011 году три реактора в Фукусиме I перегрелись, разрушились и вызвали серию взрывов.

При ядерном делении атомное ядро расщепляется на множество мелких деталей. Реакция часто формирует свободные нейтроны и фотоны, а также выпускает огромный энергетический запас. Созданные два ядра часто сопоставимы, но немного отличаются по размерам, с массовым соотношение 3 к 2.

Индуцированное событие ядерного деления. Нейтрон впитывается атомным ядром урана-235, который расщепляется на стремительно перемещающиеся легкие элементы и свободные нейтроны

Когда уран-235 или плутоний-239 поглощают нейтрон, то могут привести к ядерному делению. Тяжелое ядро распадается на два или больше, выплескивая кинетическую энергию, гамма-лучи и освобожденные нейтроны. Часть последних может поглотиться и привести к следующим событиям деления.

Выделенную при ядерной реакции тепловую энергию можно трансформировать в электрическую. Нейтронные яды в модераторах помогают управлять ядерной цепной реакцией. Обычно в реакторах есть автоматические или ручные системы закрытия процесса деления.

Реакторное ядро генерирует тепло несколькими способами. При столкновении ядер кинетическая энергия превращается в тепловую. Тепло формируется и из-за радиоактивного распада продуктов деления и материалов, активированных поглощением нейтронов.

В качестве ядерного реактивного хладагента используют воду, но это может быть жидкий металл, газ или расплавленная соль. Тепло выделяют из реактора, а потом применяют для выработки пара. Выходная мощность настраивается через контроль количества нейтронов. Стержни изготавливают из нейтронного ядра. Установка стержня глубже в реактор сократит выходную мощность.

Узел регулирующего стержня над топливным элементом

Опасные ядерные и радиационные аварии уже происходили. Это трагедия на Чернобыльской АЭС (1986), Фукусима-Дайити (2011), SL-1 (1961).

Ядерная безопасность обязана предотвращать ядерные и радиационные аварии или же ограничить их последствия. Атомная энергетика сделала многое, чтобы улучшить условия безопасности, но нет никакой гарантии, что авария не произойдет.

Ядро
  • Ядерный размер и плотность
  • Ядерная стабильность
  • Энергетические и ядерные силы
Радиоактивность
  • Природная радиоактивность
  • Детектор излучения
  • Ряды радиоактивного распада
  • Альфа-распад
  • Бета-распад
  • Гамма-распад
  • Углерод-14
  • Расчеты с периодами полураспада
Законы квантового туннелирования и сохранения
  • Квантовое туннелирование
  • Сохранение нуклеонового числа и других законов
Применение ядерной физики
  • Медицинская визуализация и диагностика
  • Дозиметрия
  • Биологические эффекты радиации
  • Терапевтическое использование радиации
  • Радиация от еды
  • Меченый атом
  • Термоядерная реакция
  • Ядерное деление в реакторах
  • Эмиссионная томография
  • Ядерное оружие
  • Компьютерная томография и МРТ

Энергия связи и стабильность ядер

Наибольшей устойчивостью, то есть наивысшей удельной энергией связи, отличаются ядра с массовым числом от 50 до 90, например, железо. Такой «пик стабильности» обусловлен нецентральным характером ядерных сил. Поскольку каждый нуклон взаимодействует только с соседями, на поверхности ядра он связан слабее, нежели внутри. Чем меньше в ядре взаимодействующих нуклонов, тем меньше и энергия связи, поэтому легкие ядра менее стабильны. В свою очередь, с ростом количества частиц в ядре возрастают кулоновские силы отталкивания между протонами, так что энергия связи тяжелых ядер тоже уменьшается.

Таким образом, для легких ядер наиболее вероятными, то есть энергетически выгодными, являются реакции слияния с формированием устойчивого ядра средней массы, для тяжелых же – напротив, процессы распада и деления (нередко многоступенчатые), в результате которых также образуются более стабильные продукты. Этим реакциям свойственен положительный и часто очень высокий энергетический выход, сопровождающий увеличение энергии связи.

Ниже мы рассмотрим некоторые примеры ядерных реакций.

Совет 1: Как определить заряд ядра атома

В таблице Д.И.Менделеева, как в многоэтажном многоквартирном доме «живут» химические элементы, каждый из которых занимает свою собственную квартиру. Таким образом, каждый из элементов имеет определенный порядковый номер, указанный в таблице.

Нумерация химических элементов начинается слева направо, причем сверху. В таблице горизонтальные ряды называются периодами, а вертикальные столбцы – группами.

Это немаловажно, потому что по номеру группы или периода можно также дать характеристику некоторым параметрам атома. Атом представляет собой химически неделимую частицу, но при этом состоящую из более мелких составных частей, к которым можно отнести протоны (положительно заряженные частицы), электроны (заряжены отрицательно) и нейтроны (нейтральные частицы)

Атом представляет собой химически неделимую частицу, но при этом состоящую из более мелких составных частей, к которым можно отнести протоны (положительно заряженные частицы), электроны (заряжены отрицательно) и нейтроны (нейтральные частицы).

Основная масса атома сосредоточена в ядре (за счет протонов и нейтронов), вокруг которого вращаются электроны. В целом атом электронейтрален, то есть в нем количество положительных зарядов совпадает с количеством отрицательных, следовательно, число протонов и электронов одинаково.

Положительный заряд ядраатома имеет место быть как раз за счет протонов.

Необходимо запомнить, что порядковый номер химического элемента количественно совпадает с зарядом ядраатома. Поэтому, чтобы определить заряд ядраатома необходимо посмотреть, под каким номером находится данный химический элемент.

Пример № 1. Определить заряд ядраатома углерода (С). Начинаем анализировать химический элемент углерод, ориентируясь на таблицу Д.И.Менделеева. Углерод находится в «квартире» № 6. Следовательно, он имеет заряд ядра +6 за счет 6 протонов (положительно заряженных частиц), которые располагаются в ядре. Учитывая, что атом электронейтрален, значит, электронов тоже будет 6.

Пример № 3. Определить заряд ядраатома серебра (Ag). Серебро имеет порядковый номер — № 47. Значит, заряд ядраатома серебра + 47 (за счет 47 протонов). Электронов также 47.

Цепные реакции

Деление урана-235, а также таких ядер, как уран-233 и плутоний-239, характеризуется одной важной особенностью – наличием среди продуктов реакции свободных нейтронов. Эти частицы, проникая в другие ядра, в свою очередь, способны инициировать их деление опять-таки с вылетом новых нейтронов и так далее

Подобный процесс именуется цепной ядерной реакцией.

Течение цепной реакции зависит от того, как соотносится число вылетающих нейтронов очередного поколения с количеством их в предыдущем поколении. Это отношение k = Ni/Ni–1 (здесь N – количество частиц, i – порядковый номер поколения) носит название коэффициента размножения нейтронов. При k < 1 цепная реакция не идет. При k > 1 число нейтронов, а значит, и делящихся ядер, возрастает лавинообразно. Пример цепной ядерной реакции такого типа – взрыв атомной бомбы. При k = 1 процесс протекает стационарно, примером чему служит реакция, управляемая при помощи поглощающих нейтроны стержней, в ядерных реакторах.