Деление атомных ядер может быть вызвано различными частицами, однако практически наиболее выгодно использовать для этой цели нейтроны. Лекция из курса: Физика атомного ядра и частиц.
Деление атома
В критическом реакторе деления нейтроны, образующиеся при делении атомов топлива, используются, чтобы вызвать еще большее количество делений. Когда нейтрон сталкивается с атомным ядром, это вызывает деление атома, сопровождаясь высвобождением энергии и дополнительных нейтронов. Тот же принцип цепной реакции деления, только без особенного контроля, работает и в атомной бомбе. Ядерным (или атомным) реактором называется устройство, в котором осуществляется управляемая реакция деления ядер. Цепная ядерная реакция – самоподдерживающаяся реакция деления тяжёлых ядер, в которой непрерывно воспроизводятся нейтроны, делящие всё новые и новые ядра.
Дирижер атомного взрыва: тело и жизнь самой тайной части ядерного заряда
Трудно сказать, это зависит от множества факторов, связанных с плотностью населения, степенью облучения и концентрацией изотопов. По данным Всемирной организации здравоохранения, "перемещенное население Фукусимы страдает от психосоциальных и психических последствий переезда, разрыва социальных связей людей, потерявших жилье и работу, разрыва семейных связей и стигматизации". Иными словами, речь идет не только о риске радиоактивного излучения, о котором мы должны беспокоиться. Тем не менее, привыкнув к воздействию сжигания ископаемого топлива на здоровье человека, мы мало задумываемся о влиянии на него твердых частиц, образующихся при сжигании угля, который сам по себе тоже не совсем свободен от радиоактивных веществ. Стоимость Для сравнения затрат на производство электроэнергии исследователи используют так называемую выровненную стоимость энергии, или LCOE. Это показатель средней себестоимости выработки электроэнергии, рассчитанный на весь срок службы объекта. Этот показатель зависит от множества факторов, связанных с местоположением и колебаниями ресурсов. Тем не менее, можно получить общее представление о LCOE в мире для сравнения технологий. Могут ли атомные электростанции спасти мир? Конечно, новые технологии всегда могут изменить ситуацию. Поиск лучших способов улавливания ядерных отходов может сделать их более безопасными или, по крайней мере, дать общественности уверенность в том, что в будущем они будут представлять меньшую угрозу.
Альтернативы изотопам урана могут снять тревогу по поводу расплавов и возможности создания оружия в ядерных программах. Изменение технологий может повлиять на масштабы реакторов или даже полностью повысить их LCOE. Но, скорее всего, это будет слишком поздно. Анализ внедрения атомной и возобновляемой энергетики в более чем ста странах за последние 25 лет показал, что атомная энергетика не достигла таких же результатов по снижению выбросов углерода, как возобновляемые источники энергии. Более того, инвестиции в атомную энергетику - это невозвратные затраты, затрудняющие последующий переход на возобновляемые источники энергии. Все это не означает, что ядерной энергетике нет места в будущем производстве энергии.
Почему так долго? Корпус реактора - это такая вещь, которую в случае поломки не починить. Если где-то что-то отвалится в процессе эксплуатации, это будет как минимум финансовая катастрофа.
А учитывая то, что работать реактор будет половину века с перерывами на ремонт 1 месяц в год под огромным давлением, штука эта и вправду невероятная и дорогая. Идем дальше В корпусе находится дистиллированная вода, но не просто вода, а смешанная с другими веществами. Самые важные добавки: аммиак и борная кислота. Зачем в воде нужен аммиак? Есть такая штука, как радиолиз воды. Это процесс при котором молекулы воды при воздействии нейтронов распадается на водород и кислород. Я думаю почти все знают, что нейтроны в реакторе делят уран. А вот, что нейтроны делят воду, многие не догадываются. В чем же проблема?
Посмотрите это короткое видео Кратко говоря, с наличием кислорода появляется коррозия металла и корпусу реактора, а так же другим материалам будет не сладко. Так зачем нужен аммиак? Под воздействием нейтронов он распадается на азот и водород: Так за счет появления большого количества водорода происходит обратный процесс радиолиза воды: водород и кислород взаимодействуют и превращаются в молекулы воды обратно. Иными словами, когда водорода или кислорода слишком много, больше уже появиться не может, а так как кислород нам не нужен, мы делаем очень много водорода, который не так вреден, но поменьше кислорода. Правда водород хорошо горит и все равно приходится очищать от него реакторную воду. А зачем борная кислота? Я думаю вы слышали о стержнях регулирования в реакторе, которые поглощают излишние количество нейтронов, таким образом управляя реактором. Так вот борная кислота делает тоже самое, только она жидкая и растворена в воде. Если нужно понизить мощность, воду разбавляют ею, если повысить, её удаляют.
Это называется борное регулирование. Кстати, в основном небольшие изменения мощности регулирует именно ей. Только пока она растворенная доплывёт до активной зоны, можно чай попить и покурить, поэтому сначала опускают стержни, а потом когда борная кислота доплыла до активной зоны, стержни подымают обратно. Теперь о топливе. В реакторе в воде находится топливо, которое помещено в герметичные трубки - твэлы. А само топливо выглядит как таблетки примерно размерном так 1 см на 1 см.
Затем фотоны отправлялись по оптоволоконным кабелям, чтобы встретиться на приемной станции в центре, где фотоны подвергались совместному измерению. Хотя фотоны и раньше запутывались на больших расстояниях, данное исследование устанавливает новый рекорд расстояния для запутывания двух атомов, которые могут функционировать как "узлы квантовой памяти".
Ведь за эти две недели Ирен Жолио-Кюри в любой день могла перехватить великий приз из его рук! Прежде чем рассказать о своем изумительном открытии кому бы то ни было, Ган написал Лизе Мейтнер в Стокгольм, подробно сообщая ей о своих экспериментах и невероятных результатах, с которыми столкнулись он и Штрассман. С волнением он ждал ее ответа — ведь она была одним из ведущих физиков мира, наблюдательным аналитиком и острым критиком. Сочтет ли Лиза его выводы смешными, как они казались им самим сначала? Обнаружит ли какие-то серьезные ошибки в методе, которые он просмотрел? Пострадает ли его репутация химика, которая создавалась в течение многих лет? Письмо Гана застало Лизу Мейтнер в отеле в маленьком городке Кунгельв — небольшом курортном местечке около Гетеборга, почти безлюдном в зимнее время, куда она приехала навестить своих друзей на рождественские каникулы. Вместе с нею был ее племянник, Отто Р. Фриш, который хотел провести с тетушкой ее первые каникулы в эмиграции и заодно серьезно поговорить с ней о будущих своих работах. Но судьба решила иначе. Новости, полученные от Гана, были равносильны атомному взрыву в мозгу Лизы Мейтнер. Она перечитала письмо несколько раз, и чем больше его читала, тем фантастичнее оно казалось. Действительно, здесь имела место аномалия: две науки противоречили друг другу — химики открыли факты, которые, как уверяли физики, противоречили природе. Однако за долгие годы совместной работы Лиза Мейтнер знала Гана как серьезного химика и почти полностью исключала возможность ошибки в скрупулезных опытах своих коллег. Если наблюдения Гана и Штрассмана верны, это могло лишь означать, что новое революционное открытие снова было сделано се- рендипно. Природа нового явления потрясла Лизу Мейтнер. Она знала, что барий может появиться лишь при расщеплении ядра атома урана, состоящего из 92 положительных атомных единиц протонов , на два более легких элемента, состоящих из 56 и 36 положительных частиц, что соответствует барию и инертному газу — криптону. Но все известные законы физики утверждали, что такое космическое расщепление противоречит основному закону природы. Если же такое расщепление произошло, то этот закон должен быть коренным образом изменен. Мейтнер была довольна присутствием племянника Отто, молодого физика со свежим умом,— вдвоем они обязательно найдут ответ на эту загадку.
Деление ядер урана. Цепная ядерная реакция
Изображение из открытых источников Тяжелые элементы также могут быть созданы путем ядерного синтеза. Самым «тяжелым» из них является железо с 26 протонами и 30 нейтронами. Ранее предполагалось, что более тяжелые элементы образовывались в редких сверхновых или при слиянии двух нейтронных звезд. Нейтронные звезды образуются, когда у массивных звезд заканчиваются запасы топлива, необходимого для ядерного синтеза. Их собственная гравитация заставляет их разрушаться. Звезды, масса которых в два раза превышает массу Солнца, сжимаются до размеров сферы диаметром около 20 километров. Этот коллапс происходит так быстро, что электроны и протоны сбиваются вместе настолько плотно, что образуются нейтроны, что и дало название новой звезде.
Но это мало помогало, поскольку для производства таблеток нужен заказчик, для которого их делать. Но именно в этом году совершается принципиальный перелом: на УМЗ запускается крупное производство не просто таблеток, а готовых топливных сборок со стопроцентной отгрузкой их в Китай. Однако, внимание, исходный гексафторид для загрузки китайских АЭС... И это такая технологически и политически красивая линия: казахстанская добыча - российское обогащение - казахстанское топливное производство - китайский атомно-энергетический цикл. А там, глядишь, и не только топливного. Впрочем, с похвалой мы, может быть, поторопились. Казахстан - чемпион мира по добыче сырого урана, хотя и делит половину ее с иностранцами. С обеспечением сырьевой базы все печально: на большинстве месторождений разведанных и законтрактованных запасов всего на несколько лет. А дальше что? Хотя идущих на втором месте по добыче канадцев такая стратегия могла только радовать.
Вода принимает состояние пара с высоким давлением, который направляется в турбину, соединенную с электрогенератором, после чего вода попадает в конденсатор. Отсутствие утечки радиации обусловлено работой теплоносителя I II по замкнутым циклам. Турбина атомной электростанции используется в качестве тепловой машины, которая определяет по второму закону термодинамики общую эффективность станций.
И если бы Ричард Хэндл оставил наедине со своими собственными устройствами, он мог разделить атомы на своей кухне? Кент Хансен, почетный профессор ядерной науки и техники в Массачусетском технологическом институте, так не считает. Во-первых, по словам Тома Юинга, ученого-ядерщика из Аргоннской национальной лаборатории за пределами Чикаго, у Хэндла не было подходящего сырья. Радий не делится и не расщепляется при бомбардировке нейтронами. Чтобы заставить америций работать, вам нужен сложный ядерный реактор, а в обедненном уране содержится мало нужного количества для ядерного деления: U-235. Подавляющее большинство урана в природе - это другой вид, U-238. Никто не может сделать это на своей кухне». Короче говоря, у Хандла, вероятно, не было подходящих материалов, чтобы вызвать реакцию деления.
Спустя 80 лет ученые поняли, как атомные ядра начинают вращаться после деления
И это такая технологически и политически красивая линия: казахстанская добыча - российское обогащение - казахстанское топливное производство - китайский атомно-энергетический цикл. А там, глядишь, и не только топливного. Впрочем, с похвалой мы, может быть, поторопились. Казахстан - чемпион мира по добыче сырого урана, хотя и делит половину ее с иностранцами. С обеспечением сырьевой базы все печально: на большинстве месторождений разведанных и законтрактованных запасов всего на несколько лет. А дальше что? Хотя идущих на втором месте по добыче канадцев такая стратегия могла только радовать.
Но вот в августе уран подорожал сразу на треть. Просто совпадение или сработало торможение добычи - станет ясно позднее. В любом случае провал по запасам - это непростительно.
Ядерный синтез Ядерный синтез, с другой стороны, представляет собой процесс, при котором два или более легких ядра объединяются в одно более тяжелое ядро. Этот процесс происходит при очень высоких температурах и давлениях, которые обычно встречаются в звездах, включая Солнце, и водородных бомбах. Основные характеристики ядерного синтеза: Слияние: При ядерном синтезе легкие ядра, как правило, водородные изотопы, сливаются в одно более тяжелое ядро. Например, в Солнце происходит синтез водорода в гелий. Энергия: Ядерный синтез также сопровождается высвобождением энергии, и это является источником основной части энергии, излучаемой Солнцем и другими звездами. Условия: Для синтеза водорода в гелий необходимы крайне высокие температуры и давления, которые поддерживаются внутри звезд.
Это характерное время реакции позволяет управлять ею с помощью механических исполнительных органов — управляющих стержней из материала, поглощающего нейтроны B, Cd, Hf, In, Eu, Gd и др. Постоянная времени регулирования должна быть порядка 0,1 с или больше. 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.
На следующий день в Вашингтоне, округ Колумбия , началась Пятая Вашингтонская конференция по теоретической физике под совместной эгидой Университета Джорджа Вашингтона и Вашингтонского института Карнеги. Там новости о ядерном делении распространились еще дальше, что способствовало большему количеству экспериментальных демонстраций. Реализована цепная реакция деления В этот период венгерский физик Лео Сцилард понял, что нейтронное деление тяжелых атомов можно использовать для создания цепной ядерной реакции. Такая реакция с использованием нейтронов была идеей, которую он впервые сформулировал в 1933 году, после прочтения уничижительных замечаний Резерфорда о выработке энергии в эксперименте 1932 года его команды с использованием протонов для расщепления лития. Однако Сциларду не удалось добиться цепной реакции, управляемой нейтронами, с легкими атомами, богатыми нейтронами. Теоретически, если в цепной реакции, управляемой нейтронами, количество образовавшихся вторичных нейтронов было больше одного, то каждая такая реакция могла бы запускать несколько дополнительных реакций, вызывая экспоненциально увеличивающееся количество реакций. Таким образом, существует вероятность того, что деление урана может дать огромное количество энергии для гражданских или военных целей например, для производства электроэнергии или атомных бомб. Сциллард теперь убеждал Ферми в Нью-Йорке и Фредерика Жолио-Кюри в Париже воздержаться от публикаций о возможности цепной реакции, чтобы нацистское правительство не узнало о возможностях накануне того, что позже будет известно как Всемирный банк. Вторая война. С некоторыми колебаниями Ферми согласился на самоцензуру. Но Жолио-Кюри этого не сделал, и в апреле 1939 года его команда в Париже, включая Ханса фон Хальбана и Лью Коварски , сообщила в журнале Nature, что количество нейтронов, испускаемых при делении ядер урана, было тогда заявлено как 3,5 на деление. Позже они исправили это до 2,6 на деление. Одновременная работа Сцилларда и Уолтера Зинна подтвердила эти результаты. Результаты предполагали возможность строительства ядерных реакторов впервые названных Сциллардом и Ферми «нейтронными реакторами» и даже ядерных бомб. Однако о системах деления и цепных реакций еще многое было неизвестно. Чертеж первого искусственного реактора Chicago Pile-1. Цепные реакции в то время были известным явлением в химии , но аналогичный процесс в ядерной физике с использованием нейтронов был предвиден еще в 1933 году Сцилардом, хотя Сцилард в то время не имел представления, с помощью каких материалов этот процесс может быть инициирован. Сцилард считал, что нейтроны были бы идеальными для такой ситуации, поскольку у них отсутствовал электростатический заряд. Узнав о нейтронах деления от деления урана, Силард сразу понял возможность ядерной цепной реакции с использованием урана. Летом Ферми и Сцилард предложили идею ядерного реактора котла для посредничества в этом процессе. В качестве топлива котел будет использовать природный уран. Ферми намного раньше показал, что нейтроны гораздо более эффективно захватываются атомами, если они имеют низкую энергию так называемые «медленные» или «тепловые» нейтроны , потому что по квантовым причинам атомы выглядят для нейтронов гораздо более крупными мишенями. Таким образом, чтобы замедлить вторичные нейтроны, высвобождаемые делящимися ядрами урана, Ферми и Сциллард предложили графитовый «замедлитель», с которым будут сталкиваться быстрые вторичные нейтроны высокой энергии, эффективно замедляя их. Имея достаточное количество урана и достаточно чистый графит, их «куча» теоретически могла бы выдержать цепную реакцию с медленными нейтронами. Это приведет к выделению тепла, а также к образованию радиоактивных продуктов деления. В августе 1939 года Сциллард и его коллеги из венгерских физиков-беженцев Теллер и Вигнер подумали, что немцы могут использовать цепную реакцию деления, и были побуждены попытаться привлечь внимание правительства Соединенных Штатов к этой проблеме. С этой целью они убедили немецко-еврейского беженца Альберта Эйнштейна присвоить свое имя письму, адресованному президенту Франклину Рузвельту. В письме Эйнштейна-Сциларда высказывалась мысль о возможности доставки урановой бомбы на корабле, которая разрушила бы «всю гавань и большую часть окружающей сельской местности». Президент получил письмо 11 октября 1939 года - вскоре после начала Второй мировой войны в Европе, но за два года до вступления в нее США. Рузвельт приказал, чтобы научный комитет был уполномочен наблюдать за работой с ураном, и выделил небольшую сумму денег на исследования котлов. В Англии Джеймс Чедвик на основе статьи Рудольфа Пайерлса предложил атомную бомбу, использующую природный уран, с массой, необходимой для критического состояния, 30-40 тонн. В Америке Дж. Роберт Оппенгеймер считал, что куб из дейтерида урана со стороной 10 см около 11 кг урана может «взорвать себя к черту». В этой конструкции все еще предполагалось, что для деления ядерной бомбы потребуется использовать замедлитель это оказалось не так, если делящийся изотоп был отделен. В декабре Вернер Гейзенберг представил военному министерству Германии доклад о возможности урановой бомбы. Большинство этих моделей все еще основывались на предположении, что бомбы будут приводиться в действие медленными нейтронными реакциями - и, таким образом, будут подобны реактору, испытывающему критический скачок мощности. В Бирмингеме, Англия, Фриш объединился с Пайерлсом , другим немецко-еврейским беженцем. Предполагая, что сечение деления 235 U быстрыми нейтронами такое же, как и сечение деления медленных нейтронов, они определили, что чистая бомба 235 U может иметь критическую массу всего 6 кг вместо тонн, и что результирующий взрыв будет огромный. Фактически это количество оказалось 15 кг, хотя несколько раз это количество использовалось в самой урановой бомбе Little Boy. В феврале 1940 г. По иронии судьбы в то время они все еще официально считались «вражескими пришельцами». Гленн Сиборг , Джозеф В. Кеннеди , Артур Валь и итало-еврейский беженец Эмилио Сегре вскоре после этого обнаружили 239 Pu в продуктах распада 239 U, образующегося при бомбардировке 238 U нейтронами, и определили, что это делящийся материал, такой как 235 U. Возможность выделить уран-235 была технически устрашающей, потому что уран-235 и уран-238 химически идентичны и различаются по массе всего на три нейтрона. Однако, если бы можно было выделить достаточное количество урана-235, это могло бы позволить цепную реакцию деления быстрых нейтронов. Это было бы чрезвычайно взрывоопасно, настоящая «атомная бомба». Открытие того, что плутоний-239 может быть произведен в ядерном реакторе, указывало на другой подход к созданию бомбы деления на быстрых нейтронах. Оба подхода были в высшей степени новаторскими и еще недостаточно изученными, и существовал значительный научный скептицизм в отношении идеи, что их можно разработать в короткие сроки. В сентябре Ферми собрал свой первый ядерный «котел» или реактор, пытаясь создать в уране медленную цепную реакцию, индуцированную нейтронами, но эксперимент не смог достичь критичности из-за отсутствия подходящих материалов или недостаточного количества подходящих материалов. Создание цепной реакции деления в топливе из природного урана оказалось далеко не тривиальным. В первых ядерных реакторах не использовался уран, обогащенный изотопами, и, как следствие, требовалось использовать большие количества высокоочищенного графита в качестве материалов замедления нейтронов. Использование обычной воды в отличие от тяжелой воды в ядерных реакторах требует обогащенного топлива - частичного отделения и относительного обогащения редкого изотопа 235 U от гораздо более распространенного изотопа 238 U. Обычно реакторы также требуют включения чрезвычайно химически чистых материалов замедлителя нейтронов, таких как дейтерий в тяжелой воде , гелий , бериллий или углерод, последний обычно в виде графита. Высокая чистота углерода требуется, поскольку многие химические примеси, такие как компонент бор-10 природного бора , являются очень сильными поглотителями нейтронов и, таким образом, отравляют цепную реакцию и преждевременно ее прекращают. Производство таких материалов в промышленных масштабах необходимо было решить для производства ядерной энергии и оружия. Вплоть до 1940 года общее количество металлического урана, производимого в США, не превышало нескольких граммов, и даже это было сомнительной чистотой; металлического бериллия не более нескольких килограммов; и концентрированный оксид дейтерия тяжелая вода не более нескольких килограммов. Наконец, углерод никогда не производился в таком количестве, как чистота, необходимая для замедлителя. Проблема получения больших количеств урана высокой чистоты была решена Фрэнком Спеддингом с использованием термитного или « Эймсовского » процесса. Лаборатория Эймса была основана в 1942 году для производства большого количества природного необогащенного металлического урана, необходимого для будущих исследований. Критический успех ядерной цепной реакции Чикаго Пайл-1 2 декабря 1942 г. В военное время в Германии неспособность оценить качества очень чистого графита привела к созданию реакторов, в которых использовалась тяжелая вода, что, в свою очередь, было отвергнуто немцами из-за атак союзников в Норвегии, где производилась тяжелая вода. Эти трудности - среди многих других - помешали нацистам построить ядерный реактор, способный стать критическим во время войны, хотя они никогда не прикладывали столько усилий, как Соединенные Штаты, к ядерным исследованиям, сосредоточиваясь на других технологиях см. Немецкий проект ядерной энергетики для более подробной информации. Манхэттенский проект и не только См. Также: Манхэттенский проект В Соединенных Штатах полномасштабные усилия по созданию атомного оружия были начаты в конце 1942 года.
Деление ядер урана. Цепная ядерная реакция
| Разделяя неразделимое | это ядерная реакция или радиоактивный распад, в котором ядро атома расщепляется на два или более меньших и более легких ядра. |
| 1.2.2. Деление атомных ядер | 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. |
| Ядерные реакции | Высвобождение дополнительных нейтронов в процессе деления может привести к распаду других соседних атомов U-235. |
| Разделяя неразделимое | Высвобождение дополнительных нейтронов в процессе деления может привести к распаду других соседних атомов U-235. |
Ученые 80 лет выясняли, как вращаются атомные ядра после деления
Градирни атомной электростанции во Франции С течением времени совершенствование технологий позволило повысить эффективность и безопасность, в некоторых случаях отказаться от замедления нейтронов, чтобы расщепляющийся материал мог захватывать более быстрые частицы. Сегодня в мире эксплуатируется около 440 атомных электростанций, из них только в США - около 100. Однако существуют издержки, которые могут ограничить возможности использования атомной энергии для спасения от климатического кризиса. В чём проблема ядерной энергетики? Когда речь идёт о поиске экономически эффективных альтернатив ископаемому топливу с низким выбросом парниковых газов, есть варианты и похуже, чем атомная энергетика.
Важно отметить, что есть варианты и получше - современные технологии возобновляемой энергетики, такие как солнечная и ветровая, которые с каждым годом становятся все дешевле. Проблемы атомной энергетики делятся на три категории - отходы, риск и стоимость. Приведём примеры каждой из них. Отходы Одна из самых больших озабоченностей общественности по поводу атомной энергетики в последние десятилетия связана с тем, что делать с урановым топливом после того, как оно настолько насытится делящимися продуктами, что перестанет быть эффективным для производства энергии.
Высокоактивные отходы содержат изотопы, радиоактивность которых может снизиться за тысячи лет до уровня, примерно соответствующего уровню радиоактивности руды, из которой они были получены. В настоящее время в мире хранится более четверти миллиона тонн высокорадиоактивных отходов, ожидающих захоронения или переработки. Так ли это плохо? 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.
Содди предсказал, что этот неизвестный элемент, на котором он назван после Дмитрий Менделеев , как «экатанталий», будет тем, что он назвал III, торий в группе IV и уран в группе VI. Вскоре Фаянс и Освальд Гельмут Геринг известру его как проду кт распа да бета-испу скающего продукта тория. Основываясь на законе радиоактивного вытеснения Фаянса и Содди , это был изотоп недостающего элемента, который они назвали «бревиум» в честь его короткого периода полураспада. Однако это был бета-излучатель и поэтому не мог быть материнским изотопом актиния. Это должен быть другой изотоп.
Отто Хан окончил Марбургский университет по специальности химик-органик, но работал исследователем после докторской степени в Университетском колледже Лондона под руководством сэра Уильяма Рамзи и Резерфорд в Университета Макгилла , где он изучал радиоактивные изотопы. В 1906 году он вернулся в Германию, где стал ассистентом Эмиля Фишера в Берлинском университете. В МакГилл он использовал систему сотрудничать с физиком, поэтому он объединился с Лиз Мейтнер , которая получила докторскую степень в Венском университете в 1906 году, переехала в Берлин для изучения физики у Макса Планка в Университета Фридриха Вильгельма. Мейтнер нашла Хана, который был ее ровесником, менее устрашающим, чем старшие и более выдающиеся коллеги. Хан и Мейтнер переехали в недавно созданный Институт химии кайзера Вильгельма в 1913 году и к 1920 году стали руководителями своих собственных лабораторий там со своими студентами, исследовательскими программами и оборудованием. Новые лаборатории открывали новые возможности, поскольку были загрязнены радиоактивными веществами, чтобы исследовать слабо радиоактивные вещества. Они разработали новую технику отделения тантала от урановой обманки, которая, как они надеялись, ускорит выделение нового изотопа. Хан был в немецкую армию, а Мейтнер добровольцем рентгенологом в госпиталях австрийской армии.
Она вернулась в Институт кайзера Вильгельма в октябре 1916 года, когда были призваны не только Хан, но и большинство студентов, лаборантов и техников. Поэтому Мейтнер пришлось делать все сама, и Хан, когда он вернулся домой в отпуск, лишь ненадолго помогал. К декабрю 1917 года ей действительно удалось доказать, что это отсутствующий изотоп. Она представила свои результаты для публикации в марте 1918 года. Хотя Фаянс и Геринг были первыми, кто представил этот элемент, представлен самым распространенным изотопом, а бревиум - нет. Фаянс согласился с тем, чтобы Мейтнер назвал элемент протактиний и присвоил ему химический символ Па. В июне 1918 года Содди и Джон Крэнстон объявили, что они извлекли образец изотопа, но в отличие от Мейтнер не смогла описать его характеристики. Они признали приоритет Мейтнер и согласились с названием.
Связь с ураном оставалась загадкой, поскольку ни один из известных изотопов урана не распался на протактиний. Он оставался нераскрытым, пока уран-235 не был обнаружен в 1929 году. Трансмутация Ирен Кюри и Фредерик Жолио в их парижской лаборатории в 1935 году. Патрик Блэкетт смог осуществить ядерную трансмутацию азот в кислороде в 1925 году, используя альфа-частицы, направленный на азот. В атомных ядерных реакциях первая реакция следующая:. Полностью искусственная ядерная реакция и ядерная трансмутация были осуществлены в апреле 1932 года Эрнестом Уолтоном и Джоном Кокрофтом , которые использовали искусственно ускоренные протоны против лития , чтобы разрушить это ядро. Этот подвиг был широко известен как «расщепление атома», но не был ядерным делением ; поскольку это не было инициирования процесса внутреннего процесса радиоактивного распада. Всего за несколько недель до подвига Кокрофта и Уолтона другой ученый из Кавендишской лаборатории , Джеймс Чедвик , открыл нейтрон , используя гениальное устройство, сделанное из сургуч , посредством реакции бериллия с альфа-части:.
Они отметили, что радиоактивность сохраняется после прекращения нейтронной эмиссии. Они не только открыли новую форму радиоактивного распада в виде излучения позитронов , они превратили один элемент в неизвестный до сих пор радиоактивный изотоп другого, тем самым вызвав радиоактивность там, где ее раньше не было. Радиохимия теперь больше не ограничивалась определенными тяжелыми элементами, а распространялась на всю таблицу Менделеева. Разетти посетил лабораторию Мейтнер в 1931 году, а затем в 1932 году, после открытия Чедвиком нейтрона. Мейтнер показал ему, как приготовить полоний-бериллиевый источник нейтронов. По возвращении в Рим Разетти построил счетчики Гейгера и камеру Вильсона , смоделированную по образцу Мейтнер. Ферми изначально намеревался использовать полоний в качестве источника альфа-частиц, как это сделали Чедвик и Кюри. Радон был более сильным воздействием альфа-частиц, но он также испускал бета- и гамма-лучи, что нанесло ущерб оборудованию для обнаружения в лаборатории.
Но Разетти отправился в пасхальные каникулы, не приготовив источник полония-бериллия, и Ферми понял, что, поскольку его интересуют продукты реакции, он может облучить свой образец в одной лаборатории и проверить его в другом в коридоре. Источник нейтронов легко приготовить путем смешивания порошкового бериллия в герметичной капсуле.
До этого не было известно, что уран, 92-й элемент, превращается в какую-либо разновидность радия, 88-й элемент, и это было само по себе уже знаменательным событием. Но и оно померкло перед удивительным открытием, которое последовало затем. Ган и Штрассман, при всем их неверии, тщательно изучали один из трех элементов, который сначала принимали за новый изотоп радия. Их исследования показали, что это новый радиоактивный изотоп бария, 56-го элемента, с атомным весом, немногим больше половины веса урана. И если созерцание невозможного, которое происходило перед их недоверчивым взором, не было само по себе неожиданностью, то появление в химическом «вареве» другого вещества казалось просто невероятным: вторым из трех новых разновидностей мнимого радия оказался радиоактивный изотоп лантана — 57-го элемента, соседа бария по периодической таблице элементов! Действительно, это был тот самый лантан, который впервые увидела Ирен Жолио-Кюри, когда наличие примеси привело ее к выводу, что это не лантан. Это было подобно тому, как если бы они положили в инкубатор страусиное яйцо, а вылупились бы цыпленок и голубь.
Сначала ученые не поверили своим глазам и были убеждены, что допустили какую-то ошибку, хотя их эксперименты отличались скрупулезной точностью. Однако когда они попытались обнаружить эту ошибку, то не смогли найти ни одного слабого звена в цепи своих доказательств. Тогда ученые провели целую серию хитроумных и тонких экспериментов, но каждый опыт давал все новые и новые убедительные доказательства того, что эти элементы действительно являются радиоактивными изотопами бария и лантана. Положение еще более усугубилось, когда у них появились серьезные основания считать третий из элементов новым радиоактивным изотопом церия, 58-го элемента. Сомнений в этом быть не могло: химические исследования подтверждали, что бомбардировка урана нейтронами очень малой энергии около одной четвертой электронвольта приводила к образованию трех радиоактивных видов легких элементов — бария, лантана и церия, соответственно 56, 57 и 58-го элементов. Откуда могли появиться эти три легких элемента? Ничто никогда не возникает из ничего, поэтому было ясно, что единственным источником этих элементов был атом урана. Это означало, что нейтрон расщепил ядро тяжелого атома урана на три почти равные части — барий, лантан и церий, каждый из которых являлся одним из осколков ядра урана. Так оно и было в действительности, как об этом через несколько недель узнал изумленный мир.
Но Ган и Штрассман были химиками и хорошо знали, что в соответствии с общепринятыми концепциями физики расщепление атома урана было невероятным. Для них, химиков, было слишком большой самоуверенностью бросать вызов таким прославленным именам в области физики, как Эйнштейн, Планк, Бор и Ферми. Как через несколько лет сказал мне Ган, «физики бы этого не позволили». Однако как химики они были уверены, что радиоактивные изотопы бария, лантана и церия, безусловно, созданы в результате бомбардировки урана нейтронами, хотя их истинная природа все еще оставалась неясной для физиков.
По мере быстрого роста города Шевченко двух турбин, работавших на паре из реактора, перед тем как он поступал на испарение морской воды, стало не хватать, их остановили. А взамен построили две ТЭЦ, вырабатывающие электроэнергию и тепло на природном газе. От атомного прошлого на нем осталась только обязанность хранить-охранять ту часть отходов, которую еще не придумали куда девать. Семипалатинский полигон. От него мы имеем Национальный ядерный центр в Курчатове, появившийся в начале 1990-х и нашедший себе применение на международном уровне в области радиационной экологии, поддержки режима нераспространения, технологий термоядерного синтеза и, обратите внимание, развития атомной энергетики в Казахстане. А еще в южной столице был, есть и, надеюсь, будет! Институт ядерной физики, располагающий ядерным реактором 1967 года рождения и другими мудреными штуками типа изохронного циклотрона, еще на два года старше и омоложенного аж в 1972-м. В свое время это была компания почти полного, хотя и с разрывами, топливно-энергетического цикла. Благо наши месторождения позволяют применять метод скважинного выщелачивания, замечательно отработанный и самый низкий по стоимости. Что же осталось от этого сейчас?
ГЛАВА 4 Открытие деления
1 Деление атомов как источник энергии. Деление атомов. Деле́ние ядра́ — процесс расщепления атомного ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, называемых осколками деления.
Спустя 80 лет ученые поняли, как атомные ядра начинают вращаться после деления
Новости Новости. Да, атомная электростанция объединила бы наш немалый, но разрозненный научный и производственный потенциал. Да, атомная электростанция объединила бы наш немалый, но разрозненный научный и производственный потенциал. Ученые из Германии продемонстрировали квантовую запутанность двух атомов, разделенных 33 км оптоволоконного кабеля. Международная группа ученых выяснила, как именно вращаются атомные ядра после их деления, сообщает МедиаПоток.
Деление атома
| Что такое цепная ядерная реакция и при чём здесь замедлители | В критическом реакторе деления нейтроны, образующиеся при делении атомов топлива, используются, чтобы вызвать еще большее количество делений. |
| ЯДЕР ДЕЛЕНИЕ | 1 Деление атомов как источник энергии. |
Физика атома и ядра. Слепцов И.А., Слепцов А.А.
| Цепная ядерная реакция: что это за процесс, виды цепных ядерных реакций | Цепная ядерная реакция – это процесс деления тяжелых ядер, при котором деление воспроизводится снова и снова. |
| Деление ядер урана. Цепная ядерная реакция | Исследователи обнаружили, что молекула дирхения проводит большую часть своего времени с четырехкратной связью, разделяя четыре электрона между двумя атомами. |
| 1.2.2. Деление атомных ядер | Ученые из Германии продемонстрировали квантовую запутанность двух атомов, разделенных 33 км оптоволоконного кабеля. |
Ядерные реакции
Деление тяжелых атомных ядер является источником энергии в ядерных реакторах и ядерном оружии. Делением атомных ядер называется процесс раскалывания ядра на две примерно равные части. И если Счётная палата хотела узнать, что творится в большом атомном хозяйстве Кириенко, последний немедленно жаловался на «притеснения» в президентские структуры. 1 Деление атомов как источник энергии.