تفاعلات الانشطار النووي.

يسمى تحول النوى أثناء التفاعل مع الجسيمات الأولية أو مع بعضها البعض التفاعلات النووية.التفاعلات النووية هي الطريقة الرئيسية لدراسة بنية النوى وخصائصها. التفاعلات النووية تخضع لقوانين الحفظ: شحنة كهربائية ، شحنة باريون ، شحنة ليبتون ، طاقة ، زخموغيرها. على سبيل المثال ، يتم تقليل قانون حفظ شحنة الباريون إلى حقيقة أن العدد الإجمالي للنوكلونات لا يتغير نتيجة لذلك التفاعل النووي.

يمكن للتفاعلات النووية إما إطلاق أو امتصاص الطاقة. س، وهي 10 6 أضعاف طاقة التفاعلات الكيميائية. إذا س> 0 يتم تحرير الطاقة (تفاعل طارد للحرارة). علي سبيل المثال،

في س < 0 – поглощение энергии (تفاعل إمتصاص الحرارة). علي سبيل المثال،

تتميز التفاعلات النووية مقطع عرضي للتفاعل الفعال(إذا كان نصف قطر النواة أكبر من الطول الموجي دي برولي للجسيم).

ناتج التفاعل النووي دبليوهي نسبة عدد أحداث التفاعل النووي D نلعدد الجسيمات نالسقوط على الهدف 1 سم 2 ، أي

,

أين نهو تركيز النوى.

تمر العديد من التفاعلات النووية ذات الطاقات المنخفضة بمرحلة التكوين نواة مركبة. وهكذا ، لكي يطير نيوترون عبر النواة بسرعة 10 7 m / s ، يلزم وقت من t = 10 –22 s. وقت التفاعل هو 10 - 16 - 10 - 12 ثانية أو (10 6-10 10) طن. هذا يعني أن عددًا كبيرًا من الاصطدامات ستحدث بين النوكليونات في النواة وتتشكل حالة وسيطة - نواة مركبة. يستخدم الوقت المميز t في تحليل العمليات التي تحدث في النواة.

مع انخفاض سرعة النيوترون ، يزداد وقت تفاعله مع النواة واحتمالية التقاطه بالنواة ، لأن المقطع العرضي الفعال يتناسب عكسياً مع سرعة الجسيم (). إذا كانت الطاقة الكلية للنيوترون والنواة الأولية تقعان في المنطقة التي توجد بها نطاقات الطاقة لنواة المركب ، فإن احتمال تكوين مستوى طاقة شبه ثابت لنواة المركب يكون مرتفعًا بشكل خاص. يزداد المقطع العرضي للتفاعلات النووية عند طاقات الجسيمات هذه بشكل حاد ، مكونًا الحد الأقصى للرنين. في مثل هذه الحالات ، يتم استدعاء التفاعلات النووية رنين. المقطع العرضي للرنين لالتقاط النيوترونات الحرارية (البطيئة) ( كيلو تي 0.025 فولت) يمكن أن تكون ~ 10 6 مرات أكبر من المقطع العرضي الهندسي للنواة

بعد التقاط الجسيم ، تكون نواة المركب في حالة إثارة لمدة تتراوح من 10 إلى 14 ثانية ، ثم تنبعث منها جسيمًا. هناك العديد من قنوات الاضمحلال الإشعاعي للنواة المركبة. من الممكن أيضًا إجراء عملية منافسة - الالتقاط الإشعاعي ، عندما تنتقل ، بعد أن تلتقطها نواة الجسيم ، إلى حالة مثارة ، وبعد ذلك ، بعد أن تنبعث g-quantum ، تنتقل إلى الحالة الأرضية. في هذه الحالة ، يمكن أيضًا تكوين نواة مركبة.

لا تساهم قوى التنافر كولوم بين الجسيمات الموجبة الشحنة للنواة (البروتونات) ، ولكنها تمنع خروج هذه الجسيمات من النواة. هذا بسبب التأثير حاجز الطرد المركزي. ويفسر ذلك حقيقة أن الطاقة الإيجابية تتوافق مع قوى التنافر. يزيد من ارتفاع وعرض الحاجز المحتمل كولوم. خروج الجسيم موجب الشحنة من النواة هو عملية الحاجز الفرعي. هو أقل احتمالا ، أعلى وأوسع الحاجز المحتمل. هذا مهم بشكل خاص للأنوية المتوسطة والثقيلة.

على سبيل المثال ، نواة اليورانيوم النظير ، بعد التقاط نيوترون ، تشكل نواة مركبة ، والتي تنقسم بعد ذلك إلى جزأين. تحت تأثير قوى التنافر Coulomb ، تتطاير هذه الأجزاء مع طاقة حركية عالية تصل إلى 200 ميغا إلكترون فولت ، لأن القوى الكهربائية في هذه الحالة تتجاوز قوى الجذب النووية. في هذه الحالة ، تكون الشظايا مشعة وهي في حالة إثارة. بالمرور إلى الحالة الأرضية ، تنبعث منها نيوترونات فورية ومتأخرة ، بالإضافة إلى كوانتا جي وجزيئات أخرى. تسمى النيوترونات المنبعثة ثانوية.

من بين جميع النوى التي يتم إطلاقها أثناء الانشطار ، يتم إطلاق 99٪ من النيوترونات على الفور ، وينخفض ​​~ 0.75٪ إلى جزء النيوترونات المتأخرة. على الرغم من ذلك ، تُستخدم النيوترونات المتأخرة في هندسة الطاقة النووية ، لأنها تجعل من الممكن صنعها التفاعلات النووية الخاضعة للرقابة. الأكثر احتمالا هو انشطار اليورانيوم إلى أجزاء ، إحداها أثقل مرة ونصف من الأخرى. يُفسَّر ذلك من خلال تأثير أصداف النيوترونات النووية ، حيث أنه من المربح أكثر على النواة أن تنقسم بحيث يكون عدد النيوترونات في كل جزء قريبًا من أحد الأعداد السحرية - 50 أو 82. مثل هذه الأجزاء يمكن أن تكون ، على سبيل المثال ، النوى و.

الفرق بين القيمة القصوى للطاقة الكامنة ه ص(ص) وتسمى قيمته للنواة المستقرة طاقة التفعيل. لذلك ، من أجل الانشطار النووي ، من الضروري نقل طاقة لا تقل عن طاقة التنشيط. يتم جلب هذه الطاقة عن طريق النيوترونات ، والتي يتم تكوين نوى مركبة مثارة عند امتصاصها.

أظهرت الدراسات أن نوى النظير تتعرض للانشطار بعد التقاط أي نيوترونات ، بما في ذلك النيوترونات الحرارية. من أجل انشطار نظير اليورانيوم ، يلزم وجود نيوترونات سريعة بطاقة تزيد عن 1 ميجا إلكترون فولت. يرتبط هذا الاختلاف في سلوك النوى بتأثير اقتران النوكليون.

الانشطار التلقائي للنواة المشعة ممكن أيضًا في غياب الإثارة الخارجية ، والتي لوحظت في عام 1940. في هذه الحالة ، يمكن أن يحدث الانشطار النووي عن طريق تسرب نواتج الانشطار عبر الحاجز المحتمل نتيجة لتأثير النفق. سمة مميزة أخرى للتفاعلات النووية التي تجري من خلال نواة مركبة ، في ظل ظروف معينة ، هي التناظر في مركز نظام الكتلة للتوزيع الزاوي للجسيمات المتوسعة التي تتشكل أثناء تحلل نواة المركب.

التفاعلات النووية المباشرة ممكنة أيضًا ، على سبيل المثال ،

الذي يستخدم لإنتاج النيوترونات.

أثناء انشطار النوى الثقيلة ، يتم إطلاق طاقة بمتوسط ​​~ 200 ميجا فولت لكل نواة انشطارية ، وهو ما يسمى الطاقة النووية أو الذرية. يتم إنتاج هذه الطاقة في المفاعلات النووية.

يحتوي اليورانيوم الطبيعي على 99.3٪ نظير و 0.7٪ نظير وهو الوقود النووي. نظائر اليورانيوم والثوريوم هي مواد خام يتم الحصول منها على النظائر والنظائر بشكل مصطنع ، وهي أيضًا وقود نووي ولا توجد بشكل طبيعي في الطبيعة. يتم الحصول على نظير البلوتونيوم ، على سبيل المثال ، في التفاعل

يتم الحصول على نظير اليورانيوم ، على سبيل المثال ، في التفاعل

أين يعني رد الفعل

.
نظائر النوى والانشطار فقط بواسطة نيوترونات سريعة ذات طاقات أكبر من 1 إلكترون فولت.

إن الكمية المهمة التي تميز النواة الانشطارية هي متوسط ​​عدد النيوترونات الثانوية ، والتي لها تنفيذ تفاعل سلسلة الانشطار النووي النوى الذريةيجب أن تكون على الأقل 1. يتم إعادة إنتاج النيوترونات في تفاعلات النوى الذرية هذه.

تفاعل تسلسليعمليا على اليورانيوم المخصب في المفاعلات النووية. في اليورانيوم المخصب ، يصل محتوى نظير اليورانيوم بفصل النظائر إلى 2-5٪. يسمى الحجم الذي تشغله المادة الانشطارية النواةمفاعل. بالنسبة لليورانيوم الطبيعي ، عامل الضرب الحراري للنيوترونات ك= 1.32. لتقليل سرعة النيوترونات السريعة إلى السرعة الحرارية ، يتم استخدام الوسطاء (الجرافيت ، الماء ، البريليوم ، إلخ).

يخرج أنواع مختلفةالمفاعلات النووية ، حسب الغرض والقوة. على سبيل المثال ، مفاعلات تجريبية للحصول على عناصر جديدة عبر اليورانيوم ، إلخ.

في الوقت الحاضر ، تستخدم صناعة الطاقة النووية المفاعلات المولدة (المفاعلات المولدة) ،حيث لا يتم توليد الطاقة فقط ، ولكن أيضًا التكاثر الموسع للمادة الانشطارية. يستخدمون اليورانيوم المخصب الذي يحتوي على نسبة عالية بما فيه الكفاية (تصل إلى 30٪) من نظير اليورانيوم.

هذه المفاعلات مربيتستخدم لتوليد الطاقة في محطات الطاقة النووية. العيب الرئيسي لمحطات الطاقة النووية هو تراكم النفايات المشعة. ومع ذلك ، بالمقارنة مع محطات الطاقة التي تعمل بالفحم ، فإن محطات الطاقة النووية أكثر صداقة للبيئة.

اكتشف العالمان الألمانيان أوتو هان وفريتز ستراسمان انشطار نوى اليورانيوم بقصفها بالنيوترونات عام 1939.

أوتو هان (1879-1968)
عالم فيزياء ألماني ، عالم رائد في مجال الكيمياء الإشعاعية. اكتشف انشطار اليورانيوم عددا من العناصر المشعة

فريتز ستراسمان (1902-1980)
عالم فيزيائي وكيميائي ألماني. تتعلق الأعمال بالكيمياء النووية والانشطار النووي. أعطى دليل كيميائي لعملية الانشطار

دعونا ننظر في آلية هذه الظاهرة. الشكل 162 ، يصور تقليديا نواة ذرة اليورانيوم. بعد أن تمتص النواة نيوترونًا إضافيًا ، تتأثر وتتشوه ، وتكتسب شكلًا ممدودًا (الشكل 162 ، ب).

أرز. 162- عملية انشطار نواة يورانيوم تحت تأثير نيوترون سقط فيها

أنت تعلم بالفعل أن هناك نوعين من القوى يعملان في النواة: قوى التنافر الكهروستاتيكي بين البروتونات ، والتي تميل إلى كسر النواة ، وقوى الجذب النووية بين جميع النوى ، والتي بسببها لا تتحلل النواة. لكن القوى النووية قصيرة المدى ، وبالتالي ، في نواة ممدودة ، لم تعد قادرة على الاحتفاظ بأجزاء من النواة بعيدة جدًا عن بعضها البعض. تحت تأثير قوى التنافر الكهروستاتيكي ، يتمزق النواة إلى جزأين (الشكل 162 ، ج) ، والتي تنتشر في جوانب مختلفةبسرعة كبيرة ويصدر 2-3 نيوترون في نفس الوقت.

اتضح أن جزءًا من الطاقة الداخلية للنواة يتم تحويله إلى طاقة حركية لشظايا وجسيمات متطايرة. تتباطأ الشظايا بسرعة في البيئة ، ونتيجة لذلك تتحول طاقتها الحركية إلى طاقة داخلية للوسيط (أي إلى طاقة التفاعل والحركة الحرارية للجسيمات المكونة لها).

في نفس الوقت التقسيم عدد كبيرنوى اليورانيوم ، الطاقة الداخلية للوسط المحيط باليورانيوم ، وبالتالي ترتفع درجة حرارته بشكل ملحوظ (أي ارتفاع درجة حرارة الوسط).

وهكذا ، فإن التفاعل الانشطاري لنواة اليورانيوم يستمر بإطلاق الطاقة فيها بيئة.

الطاقة الموجودة في نوى الذرات هائلة. على سبيل المثال ، مع الانشطار الكامل لجميع النوى الموجودة في 1 جرام من اليورانيوم ، سيتم إطلاق نفس كمية الطاقة التي يتم إطلاقها أثناء احتراق 2.5 طن من النفط. لتحويل الطاقة الداخلية للنواة الذرية إلى طاقة كهربائية ، تستخدم محطات الطاقة النووية ما يسمى ب سلسلة تفاعلات الانشطار النووي.

دعونا ننظر في آلية التفاعل المتسلسل للانشطار النووي لنظير اليورانيوم. تم تقسيم نواة ذرة اليورانيوم (الشكل 163) نتيجة التقاط النيوترون إلى قسمين ، بينما تنبعث منها ثلاثة نيوترونات. تسبب اثنان من هذه النيوترونات في تفاعل انشطار نواتين أخريين ، وبالتالي إنتاج أربعة نيوترونات. هذه ، بدورها ، تسببت في انشطار أربع نوى ، وبعدها تشكلت تسعة نيوترونات ، إلخ.

من الممكن حدوث تفاعل متسلسل بسبب حقيقة أنه أثناء انشطار كل نواة ، يتم تكوين 2-3 نيوترون ، والتي يمكن أن تشارك في انشطار نوى أخرى.

يوضح الشكل 163 مخططًا لتفاعل متسلسل يزداد فيه إجمالي عدد النيوترونات الحرة في قطعة من اليورانيوم مثل الانهيار الجليدي مع مرور الوقت. في المقابل ، يزيد عدد الانشطار النووي والطاقة المنبعثة لكل وحدة زمنية بشكل حاد. لذلك ، يكون رد الفعل هذا متفجرًا (يحدث في قنبلة ذرية).

أرز. 163- تفاعل متسلسل لانشطار نواة اليورانيوم

هناك خيار آخر ممكن ، حيث يتناقص عدد النيوترونات الحرة بمرور الوقت. في هذه الحالة ، يتوقف التفاعل المتسلسل. لذلك ، لا يمكن استخدام مثل هذا التفاعل لتوليد الكهرباء أيضًا.

للأغراض السلمية ، من الممكن استخدام الطاقة فقط لمثل هذا التفاعل المتسلسل الذي لا يتغير فيه عدد النيوترونات بمرور الوقت.

كيف نتأكد من أن عدد النيوترونات يظل ثابتًا طوال الوقت؟ لحل هذه المشكلة ، من الضروري معرفة العوامل التي تؤثر على الزيادة والنقصان في العدد الإجمالي للنيوترونات الحرة في قطعة من اليورانيوم التي يحدث فيها تفاعل متسلسل.

أحد هذه العوامل هو كتلة اليورانيوم. الحقيقة هي أنه ليس كل نيوترون ينبعث أثناء الانشطار النووي يتسبب في انشطار نوى أخرى (انظر الشكل 163). إذا كانت كتلة (وبالتالي حجم) قطعة من اليورانيوم صغيرة جدًا ، فإن العديد من النيوترونات ستخرج منها ، وليس لديها وقت للقاء النواة في طريقها ، مما يتسبب في انشطارها وبالتالي توليد جيل جديد من النيوترونات اللازمة لمواصلة التفاعل. في هذه الحالة ، سيتوقف التفاعل المتسلسل. لكي يستمر التفاعل ، من الضروري زيادة كتلة اليورانيوم إلى قيمة معينة تسمى حرج.

لماذا يصبح التفاعل المتسلسل ممكنًا مع زيادة الكتلة؟ كلما زادت كتلة القطعة ، زادت أبعادها وطول المسار الذي تسلكه النيوترونات فيها. في هذه الحالة ، يزداد احتمال لقاء النيوترونات بالنوى. وفقًا لذلك ، يزداد عدد الانشقاقات النووية وعدد النيوترونات المنبعثة.

عند الكتلة الحرجة لليورانيوم ، يصبح عدد النيوترونات الناتجة عن الانشطار النووي يساوي الرقمالنيوترونات المفقودة (أي التي تلتقطها النوى بدون انشطار وتخرج من القطعة).

لذلك ، يبقى عددهم الإجمالي دون تغيير. في هذه الحالة ، يمكن أن يستمر التفاعل المتسلسل لفترة طويلة ، دون توقف ودون اكتساب طابع متفجر.

• الكتلة الحرجة هي أصغر كتلة من اليورانيوم يمكن عندها التفاعل المتسلسل.

إذا كانت كتلة اليورانيوم أكثر من حرجة ، فعندئذٍ نتيجة للزيادة الحادة في عدد النيوترونات الحرة ، يؤدي التفاعل المتسلسل إلى انفجار ، وإذا كانت أقل من حرجة ، فلن يستمر التفاعل بسبب نقص النيوترونات الحرة.

من الممكن تقليل فقد النيوترونات (التي تخرج من اليورانيوم دون التفاعل مع النوى) ليس فقط عن طريق زيادة كتلة اليورانيوم ، ولكن أيضًا باستخدام غلاف عاكس خاص. للقيام بذلك ، يتم وضع قطعة من اليورانيوم في غلاف مصنوع من مادة تعكس النيوترونات جيدًا (على سبيل المثال ، البريليوم). تنعكس النيوترونات من هذه القشرة ، وتعود إلى اليورانيوم ويمكن أن تشارك في الانشطار النووي.

هناك العديد من العوامل الأخرى التي تعتمد عليها إمكانية حدوث تفاعل متسلسل. على سبيل المثال ، إذا كانت قطعة من اليورانيوم تحتوي على الكثير من الشوائب من عناصر كيميائية أخرى ، فإنها تمتص عظمالنيوترونات ويتوقف التفاعل.

يؤثر وجود ما يسمى بالوسطاء النيوتروني في اليورانيوم أيضًا على مسار التفاعل. الحقيقة هي أن نوى اليورانيوم 235 هي الأكثر احتمالا للانشطار تحت تأثير النيوترونات البطيئة. ينتج الانشطار النووي نيوترونات سريعة. إذا تم إبطاء النيوترونات السريعة ، فسيتم التقاط معظمها بواسطة نوى اليورانيوم 235 مع الانشطار اللاحق لهذه النوى. يتم استخدام مواد مثل الجرافيت والماء والماء الثقيل (الذي يتضمن الديوتيريوم ونظير الهيدروجين بعدد كتلته 2) وبعض المواد الأخرى كمواد وسيطة. هذه المواد تؤدي فقط إلى إبطاء النيوترونات ، تقريبًا بدون امتصاصها.

وبالتالي ، يتم تحديد إمكانية حدوث تفاعل متسلسل بواسطة كتلة اليورانيوم ، وكمية الشوائب فيه ، ووجود غلاف ومهدئ ، وبعض العوامل الأخرى.

تبلغ الكتلة الحرجة لقطعة كروية من اليورانيوم -235 حوالي 50 كجم. علاوة على ذلك ، يبلغ نصف قطرها 9 سم فقط ، لأن اليورانيوم كثافة عالية جدًا.

باستخدام وسيط وقشرة عاكسة وتقليل كمية الشوائب ، من الممكن تقليل الكتلة الحرجة لليورانيوم إلى 0.8 كجم.

أسئلة

1. لماذا يمكن أن يبدأ الانشطار النووي فقط عندما يتشوه بفعل النيوترون الممتص؟
2. ما الذي يتكون نتيجة الانشطار النووي؟
3. في أي طاقة يمر جزء من الطاقة الداخلية للنواة أثناء انشطارها ؛ الطاقة الحركية لشظايا نواة اليورانيوم أثناء تباطؤها في البيئة؟
4. كيف يتواصل تفاعل انشطار نواة اليورانيوم - بإطلاق الطاقة في البيئة أو ، على العكس من ذلك ، مع امتصاص الطاقة؟
5. صف آلية التفاعل المتسلسل باستخدام الشكل 163.
6. ما هي الكتلة الحرجة لليورانيوم؟
7. هل يمكن أن يحدث تفاعل متسلسل إذا كانت كتلة اليورانيوم أقل من الكتلة الحرجة ؛ أكثر أهمية؟ لماذا ا؟

الغرض: تكوين فهم الطلاب لانشطار نوى اليورانيوم.

• تحقق من المواد التي سبق دراستها ؛
• النظر في آلية انشطار نواة اليورانيوم ؛
• النظر في حالة حدوث تفاعل متسلسل ؛
• اكتشف العوامل التي تؤثر على مسار سلسلة من ردود الفعل ؛
• تطوير الكلام والتفكير لدى الطلاب ؛
• تطوير القدرة على التحليل والتحكم وتعديل الأنشطة الخاصة بهم في غضون وقت معين.

المعدات: الكمبيوتر ، نظام الإسقاط ، المواد التعليمية (اختبار "تكوين النواة") ، الأقراص "الدورة التفاعلية. الفيزياء 7-11kl ”(Fizikon) و“ 1C-repeater. الفيزياء "(1 ج).

تقدم الدرس

I. لحظة تنظيمية (2 ').

تحياتي ، إعلان خطة الدرس.

ثانيًا. تكرار مادة سبق دراستها (8 ').

العمل المستقل للطلاب - إجراء اختبار ( المرفقات 1 ). في الاختبار ، يجب أن تشير إلى إجابة واحدة صحيحة.

ثالثا. تعلم مادة جديدة (25 بوصة). تدوين الملاحظات خلال الدرس(تطبيق 2 ).

علمنا مؤخرًا أن بعض العناصر الكيميائية يتم تحويلها إلى عناصر كيميائية أخرى أثناء التحلل الإشعاعي. وماذا تعتقد سيحدث إذا تم توجيه جسيم ما إلى نواة ذرة عنصر كيميائي معين ، حسنًا ، على سبيل المثال ، نيوترون في نواة اليورانيوم؟ (استمع إلى اقتراحات الطلاب)

دعنا نتحقق من افتراضاتك (العمل مع النموذج التفاعلي "الانشطار النووي""دورة تفاعلية. الفيزياء 7-11 كيلو لتر " ).

ماذا كانت النتيجة؟

- عندما يصطدم نيوترون بنواة اليورانيوم ، نرى أنه نتيجة لذلك يتم تكوين شظيتين و2-3 نيوترون.

تم الحصول على نفس التأثير في عام 1939 من قبل العلماء الألمان أوتو هان وفريتز ستراسمان. ووجدوا أنه نتيجة لتفاعل النيوترونات مع نوى اليورانيوم ، تظهر نوى شظية مشعة ، وتشكل كتلها وشحناتها نصف الخصائص المقابلة لنواة اليورانيوم. الانشطار النووي الذي يحدث بهذه الطريقة يسمى الانشطار القسري ، على عكس الانشطار التلقائي الذي يحدث أثناء التحولات الإشعاعية الطبيعية.

تدخل النواة حالة من الإثارة وتبدأ في التشوه. لماذا ينقسم القلب إلى جزأين؟ ما هي القوى التي تسبب الكسر؟

ما هي القوى المؤثرة داخل النواة؟

- كهرباء ونووية.

حسنًا ، كيف تظهر القوى الكهروستاتيكية نفسها؟

- تعمل القوى الكهروستاتيكية بين الجسيمات المشحونة. الجسيم المشحون في النواة هو البروتون. نظرًا لأن البروتون مشحون بشكل إيجابي ، فهذا يعني أن القوى الطاردة تعمل فيما بينها.

صحيح ، لكن كيف تعبر القوى النووية عن نفسها؟

- القوى النووية هي قوى الجذب بين جميع النوى.

إذن ، تحت تأثير أي قوى تنكسر النواة؟

- (في حالة وجود أي صعوبات ، أطرح أسئلة توجيهية وأرشد الطلاب إلى الاستنتاج الصحيح) تحت تأثير قوى التنافر الكهروستاتيكية ، تنقسم النواة إلى جزأين ، يتشتتان في اتجاهات مختلفة ويصدران 2-3 نيوترون.

تنتشر الشظايا بسرعة عالية جدًا. اتضح أن جزءًا من الطاقة الداخلية للنواة يتم تحويله إلى طاقة حركية لشظايا وجسيمات متطايرة. يتم إطلاق الشظايا في البيئة. ما رأيك يحدث لهم؟

- شظايا تتباطأ في البيئة.

حتى لا نخالف قانون الحفاظ على الطاقة يجب أن نقول ماذا سيحدث للطاقة الحركية؟

- يتم تحويل الطاقة الحركية للشظايا إلى طاقة داخلية للوسط.

هل من الممكن ملاحظة أن الطاقة الداخلية للوسط قد تغيرت؟

نعم ، البيئة آخذة في الاحماء.

ولكن هل سيتأثر التغيير في الطاقة الداخلية بعامل مشاركة عدد مختلف من نوى اليورانيوم في الانشطار؟

- بالطبع ، مع الانشطار المتزامن لعدد كبير من نوى اليورانيوم ، تزداد الطاقة الداخلية للبيئة المحيطة باليورانيوم.

من مسار الكيمياء ، تعلم أن التفاعلات يمكن أن تحدث مع امتصاص الطاقة والإفراج. ماذا يمكننا أن نقول عن مسار تفاعل انشطار اليورانيوم؟

- يتزامن تفاعل انشطار نوى اليورانيوم مع إطلاق الطاقة في البيئة.

الطاقة الموجودة في نوى الذرات هائلة. على سبيل المثال ، مع الانشطار الكامل لجميع النوى الموجودة في 1 جرام من اليورانيوم ، سيتم إطلاق نفس كمية الطاقة التي يتم إطلاقها أثناء احتراق 2.5 طن من النفط. اكتشف ما سيحدث للشظايا كيف ستتصرف النيوترونات؟

– (أستمع إلى افتراضات الطلاب ، والتحقق من الافتراضات ، والعمل مع النموذج التفاعلي "Chain Reaction""1C مكرر. الفيزياء" ).

صحيح أن النيوترونات في طريقها يمكن أن تلتقي بنواة اليورانيوم وتسبب الانشطار. يسمى هذا التفاعل تفاعلًا متسلسلًا.

إذن ، ما هو الشرط لحدوث تفاعل متسلسل؟

- من الممكن حدوث تفاعل متسلسل بسبب حقيقة أنه أثناء انشطار كل نواة ، يتم تكوين 2-3 نيوترون ، والتي يمكن أن تشارك في انشطار نوى أخرى.

نرى أن العدد الإجمالي للنيوترونات الحرة في قطعة من اليورانيوم يزداد مثل الانهيار الجليدي مع مرور الوقت. إلى ماذا يمكن أن يؤدي هذا؟

- للانفجار.

- يزداد عدد الانشطار النووي ، وبالتالي الطاقة المنبعثة لكل وحدة زمنية.

ولكن بعد كل شيء ، هناك خيار آخر ممكن أيضًا ، حيث يتناقص عدد النيوترونات الحرة بمرور الوقت ، ولا تلتقي النواة بالنيوترون في طريقها. في هذه الحالة ماذا يحدث لرد الفعل المتسلسل؟

- سوف يتوقف.

هل يمكن استخدام طاقة هذه التفاعلات للأغراض السلمية؟

كيف يجب أن يستمر رد الفعل؟

يجب أن يستمر التفاعل بطريقة تجعل عدد النيوترونات ثابتًا بمرور الوقت.

كيف يمكن التأكد من أن عدد النيوترونات يظل ثابتًا طوال الوقت؟

- (اقتراحات اطفال)

لحل هذه المشكلة ، من الضروري معرفة العوامل التي تؤثر على الزيادة والنقصان في العدد الإجمالي للنيوترونات الحرة في قطعة من اليورانيوم التي يحدث فيها تفاعل متسلسل.

واحد من هذه العوامل كتلة اليورانيوم . الحقيقة هي أنه ليس كل نيوترون ينبعث أثناء الانشطار النووي يتسبب في انشطار نوى أخرى. إذا كانت كتلة (وبالتالي حجم) قطعة من اليورانيوم صغيرة جدًا ، فإن العديد من النيوترونات ستخرج منها ، وليس لديها وقت للقاء النواة في طريقها ، مما يتسبب في انشطارها وبالتالي توليد جيل جديد من النيوترونات اللازمة لمواصلة التفاعل. في هذه الحالة ، سيتوقف التفاعل المتسلسل. لكي يستمر التفاعل ، من الضروري زيادة كتلة اليورانيوم إلى قيمة معينة تسمى حرج.

لماذا يصبح التفاعل المتسلسل ممكنًا مع زيادة الكتلة؟

- كلما زادت كتلة القطعة ، زاد احتمال لقاء النيوترونات مع النوى. وفقًا لذلك ، يزداد عدد الانشقاقات النووية وعدد النيوترونات المنبعثة.

عند ما يسمى بالكتلة الحرجة لليورانيوم ، يصبح عدد النيوترونات التي ظهرت أثناء انشطار النوى مساويًا لعدد النيوترونات المفقودة (أي التي تلتقطها النوى بدون انشطار وتطير خارج القطعة).

لذلك ، يبقى عددهم الإجمالي دون تغيير. في هذه الحالة ، يمكن أن يستمر التفاعل المتسلسل لفترة طويلة ، دون توقف ودون اكتساب طابع متفجر.

الكتلة الحرجة هي أصغر كتلة من اليورانيوم يمكن عندها التفاعل المتسلسل.

كيف سيستمر التفاعل إذا كانت كتلة اليورانيوم أكبر من الكتلة الحرجة؟

- نتيجة للزيادة الحادة في عدد النيوترونات الحرة ، يؤدي التفاعل المتسلسل إلى انفجار.

ماذا لو كانت أقل خطورة؟

لا يستمر التفاعل بسبب نقص النيوترونات الحرة.

من الممكن تقليل فقد النيوترونات (التي تخرج من اليورانيوم دون التفاعل مع النوى) ليس فقط عن طريق زيادة كتلة اليورانيوم ، ولكن أيضًا باستخدام قذيفة عاكسة . للقيام بذلك ، يتم وضع قطعة من اليورانيوم في غلاف مصنوع من مادة تعكس النيوترونات جيدًا (على سبيل المثال ، البريليوم). تنعكس النيوترونات من هذه القشرة ، وتعود إلى اليورانيوم ويمكن أن تشارك في الانشطار النووي.

بالإضافة إلى الكتلة ووجود الغلاف العاكسة ، هناك العديد من العوامل الأخرى التي تعتمد عليها إمكانية حدوث تفاعل متسلسل. على سبيل المثال إذا قطعة من اليورانيوم يحتوي على كثير جدا الشوائب العناصر الكيميائية الأخرى ، تمتص معظم النيوترونات ويتوقف التفاعل.

العامل الآخر الذي يؤثر على مسار التفاعل هو التوفر في ما يسمى اليورانيوم وسيط النيوترون . الحقيقة هي أن نوى اليورانيوم 235 هي الأكثر احتمالا للانشطار تحت تأثير النيوترونات البطيئة. ينتج الانشطار النووي نيوترونات سريعة. إذا تم إبطاء النيوترونات السريعة ، فسيتم التقاط معظمها بواسطة نوى اليورانيوم 235 مع الانشطار اللاحق لهذه النوى ؛ يتم استخدام مواد مثل الجرافيت والموقد والماء الثقيل وبعض المواد الأخرى كمواد وسيطة. هذه المواد تؤدي فقط إلى إبطاء النيوترونات ، تقريبًا بدون امتصاصها.

إذن ، ما هي العوامل الرئيسية التي يمكن أن تؤثر على مسار التفاعل المتسلسل؟

- يتم تحديد إمكانية حدوث تفاعل متسلسل بواسطة كتلة اليورانيوم وكمية الشوائب فيه ووجود غلاف ومهدئ.

تبلغ الكتلة الحرجة لقطعة كروية من اليورانيوم -235 حوالي 50 كجم. في الوقت نفسه ، يبلغ نصف قطرها 9 سم فقط ، لأن اليورانيوم كثافة عالية جدًا.

باستخدام وسيط وقشرة عاكسة ، وعن طريق تقليل كمية الشوائب ، من الممكن تقليل الكتلة الحرجة لليورانيوم إلى 0.8 كجم.

في عام 1934 ، قرر E. Fermi الحصول على عناصر عبر اليورانيوم عن طريق تشعيع 238 U بالنيوترونات. كانت فكرة E.Fermi أنه نتيجة لانحلال β لنظير U 239 ، عنصر كيميائيمع العدد الذري Z = 93. ومع ذلك ، لم يكن من الممكن تحديد تكوين العنصر 93. بدلاً من ذلك ، نتيجة للتحليل الكيميائي الإشعاعي للعناصر المشعة الذي أجراه O. Hahn و F. Strassmann ، تبين أن أحد منتجات تشعيع اليورانيوم بالنيوترونات هو الباريوم (Z = 56) - عنصر كيميائي متوسط ​​الوزن الذري ، بينما ، وفقًا لافتراض نظرية فيرمي ، كان يجب الحصول على عناصر عبر اليورانيوم.
اقترح L.Mitner و O. Frisch أنه نتيجة لالتقاط نواة يورانيوم لنواة يورانيوم ، فإن النواة المركبة تنقسم إلى جزأين

92 U + n → 56 Ba + 36 Kr + xn.

تكون عملية انشطار اليورانيوم مصحوبة بظهور نيوترونات ثانوية (x> 1) التي يمكن أن تسبب انشطار نوى يورانيوم أخرى ، مما يفتح إمكانية حدوث تفاعل تسلسلي انشطاري - يمكن أن يؤدي نيوترون واحد إلى ظهور سلسلة متفرعة من انشطار نوى اليورانيوم. في هذه الحالة ، يجب أن يزيد عدد النوى المنفصلة أضعافًا مضاعفة. قام N. Bohr و J. Wheeler بحساب الطاقة الحرجة المطلوبة لنواة 236 U ، التي تشكلت نتيجة لالتقاط النيوترون بواسطة نظير 235 U ، للانقسام. هذه القيمة هي 6.2 MeV ، وهي أقل من طاقة الإثارة لنظير 236 U المتكون أثناء التقاط النيوترون الحراري 235 U. لذلك ، عندما يتم التقاط النيوترونات الحرارية ، يكون تفاعل سلسلة الانشطار 235 U ممكنًا. النظير الشائع 238 يو ، الطاقة الحرجة 5.9 ميغا فولت ، بينما عند التقاط نيوترون حراري ، تكون طاقة الإثارة لنواة 239 يو الناتجة 5.2 ميغا فولت فقط. لذلك ، فإن التفاعل المتسلسل لانشطار النظير الأكثر شيوعًا في الطبيعة 238 U تحت تأثير النيوترونات الحرارية أمر مستحيل. في حدث انشطار واحد ، يتم إطلاق طاقة قدرها 200 MeV (للمقارنة ، في تفاعلات كيميائيةالاحتراق في فعل واحد من التفاعل ، يتم تحرير طاقة 10 eV). فتحت إمكانيات تهيئة الظروف لتفاعل سلسلة الانشطار آفاقًا لاستخدام طاقة تفاعل متسلسل في الخلق المفاعلات النوويةو أسلحة ذرية. تم بناء أول مفاعل نووي من قبل E. حاليًا ، يتم توليد الطاقة الكهربائية في حوالي 440 مفاعلًا نوويًا في 30 دولة حول العالم.
في عام 1940 ، اكتشف G.Flerov و K. Petrzhak الانشطار التلقائي لليورانيوم. الأرقام التالية تشهد على مدى تعقيد التجربة. نصف العمر الجزئي فيما يتعلق بالانشطار التلقائي لنظير 238 U هو 10 16-10 17 سنة ، بينما فترة الاضمحلال لنظير 238 U هي 4.5 10 9 سنوات. قناة الاضمحلال الرئيسية لنظير 238 U هي انحلال ألفا. من أجل مراقبة الانشطار التلقائي لنظير 238 U ، كان من الضروري تسجيل حدث انشطار واحد على خلفية أحداث انحلال ألفا 10 7-10 8.
يتم تحديد احتمال الانشطار التلقائي بشكل أساسي من خلال نفاذية حاجز الانشطار. يزداد احتمال الانشطار التلقائي مع زيادة شحنة النواة ، منذ ذلك الحين. هذا يزيد من معامل الانقسام Z 2 / A. في نظائر Z.< 92-95 деление происходит преимущественно с образованием двух осколков деления с отношением масс тяжёлого и лёгкого осколков 3:2. В изотопах Z >100 ، يسود الانشطار المتماثل مع تكوين شظايا من نفس الكتلة. مع زيادة شحنة النواة ، تزداد نسبة الانشطار العفوي بالمقارنة مع انحلال ألفا.

النظائر المشعة	نصف الحياة	قنوات الاضمحلال
235 يو	7.04 10 8 سنوات	α (100٪) ، SF (7 10-9٪)
238 يو	4.47 10 9 سنوات	α (100٪) ، SF (5.5 10 -5٪)
240 بو	6.56 10 3 سنوات	α (100٪) ، SF (5.7 10 -6٪)
242 بو	3.75 10 5 سنوات	α (100٪) ، SF (5.5 10-4٪)
246 سم	4.76 10 3 سنوات	α (99.97٪) ، SF (0.03٪)
252 cf	2.64 سنة	α (96.91٪) ، SF (3.09٪)
254 cf	60.5 سنة	α (0.31٪) ، SF (99.69٪)
256 cf	12.3 سنة	α (7.04 10-8٪) ، SF (100٪)

الانشطار النووي. تاريخ

1934- وجد E. Fermi ، الذي يشع اليورانيوم بالنيوترونات الحرارية ، نوى مشعة بين نواتج التفاعل ، والتي لا يمكن تحديد طبيعتها.
تسيلارد طرح فكرة سلسلة من ردود الفعل النووية.

1939- اكتشف O. Hahn و F. Strassmann الباريوم بين نواتج التفاعل.
أعلن L.Mitner و O. Frisch لأول مرة أنه تحت تأثير النيوترونات ، تم تقسيم اليورانيوم إلى جزأين يمكن مقارنتهما في الكتلة.
أعطى N. Bohr و J. Wheeler تفسيرًا كميًا للانشطار النووي من خلال إدخال معلمة الانشطار.
طور يا فرنكل نظرية الإسقاط للانشطار النووي بواسطة النيوترونات البطيئة.
أثبت L. Szilard ، E. Wigner ، E. Fermi ، J. Wheeler ، F. Joliot-Curie ، Ya. Zeldovich ، Yu. Khariton إثبات إمكانية حدوث تفاعل سلسلة الانشطار النووي في اليورانيوم.

1940- اكتشف G. Flerov و K. Petrzhak ظاهرة الانشطار التلقائي لنواة اليورانيوم U.

1942- نفذ E. Fermi سلسلة تفاعل انشطاري مضبوط في المفاعل الذري الأول.

1945- الاختبار الأول أسلحة نووية(نيفادا ، الولايات المتحدة الأمريكية). تم إلقاء القنابل الذرية على مدينتي هيروشيما اليابانية (6 أغسطس) وناغازاكي (9 أغسطس).

1946- تحت قيادة I.V. كورتشاتوف ، أول مفاعل في أوروبا تم إطلاقه.

1954- تم إطلاق أول محطة للطاقة النووية في العالم (Obninsk ، اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية).

الانشطار النووي.منذ عام 1934 ، بدأ E.Fermi في استخدام النيوترونات لقصف الذرات. منذ ذلك الحين ، ارتفع عدد النوى المستقرة أو المشعة الناتجة عن التحول الاصطناعي إلى عدة مئات ، وتقريبًا جميع الأماكن النظام الدوريمليئة بالنظائر.
احتلت الذرات التي تنشأ في كل هذه التفاعلات النووية نفس المكان في الجدول الدوري مثل الذرة المقصوفة أو الأماكن المجاورة. لذلك ، فإن الدليل الذي قدمه هان وستراسمان عام 1938 على حقيقة أنه عندما تقصف النيوترونات العنصر الأخير في النظام الدوري−اليورانيوم−تتحلل إلى عناصر تقع في الأجزاء الوسطى من النظام الدوري. هناك أنواع مختلفة من الاضمحلال هنا. غالبًا ما تكون الذرات التي تنشأ غير مستقرة وتتلاشى على الفور. بعضها له فترات نصف عمر تقاس بالثواني ، لذلك كان على هان استخدام طريقة كوري التحليلية لإطالة هذه العملية السريعة. من المهم أن نلاحظ أن العناصر الموجودة أمام اليورانيوم والبروتكتينيوم والثوريوم ، تظهر أيضًا تحللًا مماثلاً تحت تأثير النيوترونات ، على الرغم من أن الطاقة النيوترونية الأعلى مطلوبة لبدء الانحلال مقارنةً باليورانيوم. إلى جانب هذا ، في عام 1940 ، اكتشف G.N. Flerov و K.A Petrzhak الانشطار التلقائي لنواة اليورانيوم مع أطول نصف عمر معروف حتى ذلك الحين: حوالي 2· 10 - 15 سنة ؛ تصبح هذه الحقيقة واضحة بسبب إطلاق النيوترونات في هذه العملية. لذلك كان من الممكن فهم سبب انتهاء النظام الدوري "الطبيعي" بالعناصر الثلاثة المسماة. أصبحت عناصر عبر اليورانيوم معروفة الآن ، لكنها غير مستقرة لدرجة أنها تتحلل بسرعة.
إن انشطار اليورانيوم عن طريق النيوترونات يجعل من الممكن الآن استخدام الطاقة الذرية ، والتي تصورها الكثيرون بالفعل على أنها "حلم جول فيرن".

لاو ، تاريخ الفيزياء

اكتشف عام 1939 O. Hahn و F. Strassmann ، إشعاع أملاح اليورانيوم بالنيوترونات الحرارية ، من بين نواتج التفاعل الباريوم (Z = 56)

أوتو جان (1879 – 1968)

الانشطار النووي هو انقسام النواة إلى نواتين (نادرًا ما تكون ثلاثة) ذات كتل متشابهة ، والتي تسمى شظايا الانشطار. أثناء الانشطار ، تنشأ أيضًا جسيمات أخرى - النيوترونات والإلكترونات وجسيمات ألفا. نتيجة للانشطار ، يتم إطلاق طاقة ~ 200 MeV. يمكن أن يكون الانشطار تلقائيًا أو مدفوعًا تحت تأثير الجسيمات الأخرى ، وغالبًا ما تكون النيوترونات.
السمة المميزةالانشطار هو أن شظايا الانشطار ، كقاعدة عامة ، تختلف اختلافًا كبيرًا في الكتلة ، أي يسود الانشطار غير المتماثل. وبالتالي ، في حالة الانشطار الأكثر احتمالًا لنظير اليورانيوم 236 U ، تكون نسبة كتلة الشظايا 1.46. يحتوي الجزء الثقيل على عدد كتلي 139 (زينون) ، بينما يحتوي الجزء الخفيف على عدد كتلي 95 (السترونشيوم). مع الأخذ في الاعتبار انبعاث اثنين من النيوترونين الفوريين ، فإن التفاعل الانشطاري المدروس له الشكل

جائزة نوبل في الكيمياء
1944 - أو.جان.
لاكتشاف التفاعل الانشطاري لنواة اليورانيوم بواسطة النيوترونات.

شظايا الانشطار

اعتماد متوسط ​​كتل الشظايا الخفيفة والثقيلة على كتلة النواة الانشطارية.

اكتشاف الانشطار النووي. 1939

أتيت إلى السويد ، حيث عانت ليز مايتنر من الوحدة ، وكابنة أخ مخلص ، قررت زيارتها في عيد الميلاد. عاشت في فندق Kungälv الصغير بالقرب من جوتنبرج. أمسكت بها في وجبة الإفطار. لقد نظرت في الرسالة التي تلقتها للتو من هان. كنت متشككًا جدًا بشأن محتوى الرسالة ، التي أبلغت عن تكوين الباريوم عن طريق تشعيع اليورانيوم بالنيوترونات. ومع ذلك ، فقد جذبتها هذه الفرصة. مشينا في الثلج ، مشيت ، تزلجت (قالت إنها يمكن أن تفعل هذا دون الوقوع ورائي ، وقد أثبتت ذلك). بحلول نهاية المسيرة ، تمكنا بالفعل من صياغة بعض الاستنتاجات ؛ النواة لم تنفصل ، ولم تنطلق منها القطع ، لكنها كانت عملية تشبه إلى حد ما نموذج الإسقاط لنواة بوهر ؛ كالقطرة ، يمكن للنواة أن تستطيل وتنقسم. بعد ذلك ، قمت بالتحقيق في كيفية تقليل الشحنة الكهربائية للنكليونات من التوتر السطحي ، والذي ، كما كنت قادرًا على تحديده ، ينخفض ​​إلى الصفر عند Z = 100 ، وربما يكون منخفضًا جدًا لليورانيوم. شاركت ليز مايتنر في تحديد الطاقة المنبعثة خلال كل تسوس بسبب عيب في الكتلة. كانت لديها فكرة واضحة جدًا عن منحنى الخلل الكتلي. اتضح أنه بسبب التنافر الإلكتروستاتيكي ، ستكتسب عناصر الانشطار طاقة حوالي 200 ميغا إلكترون فولت ، وهذا يتوافق فقط مع الطاقة المرتبطة بخلل في الكتلة. لذلك ، يمكن أن تستمر العملية بشكل كلاسيكي بحت دون تضمين مفهوم المرور عبر حاجز محتمل ، والذي ، بالطبع ، سيكون عديم الفائدة هنا.
قضينا يومين أو ثلاثة أيام معًا خلال عيد الميلاد. ثم عدت إلى كوبنهاغن ولم يكن لدي الوقت الكافي لإخبار بور بفكرتنا في نفس اللحظة التي كان فيها بالفعل يستقل الباخرة إلى الولايات المتحدة الأمريكية. أتذكر كيف صفع على جبهته بمجرد أن بدأت في الكلام وصرخت: "أوه ، أيها الحمقى نحن! كان يجب أن نلاحظ ذلك عاجلا ". لكنه لم ينتبه ، ولم يلاحظه أحد.
كتبت أنا وليز مايتنر مقالاً. في الوقت نفسه ، ظللنا على اتصال دائم عبر الهاتف البعيد المدى كوبنهاغن - ستوكهولم.

O. فريش ، مذكرات. UFN. 1968. T. 96 ، العدد 4 ، ص. 697.

الانشطار النووي العفوي

في التجارب الموضحة أدناه ، استخدمنا الطريقة التي اقترحها فريش لأول مرة لتسجيل عمليات الانشطار النووي. يتم توصيل غرفة التأين ذات الصفائح المطلية بطبقة من أكسيد اليورانيوم بمضخم خطي يتم ضبطه بطريقة لا يتم فيها تسجيل جسيمات ألفا المنبعثة من اليورانيوم بواسطة النظام ؛ النبضات من الشظايا ، والتي هي أكبر بكثير من النبضات من جسيمات ألفا ، تفتح الثيراترون الناتج وتعتبر مرحلًا ميكانيكيًا.
تم تصميم غرفة التأين بشكل خاص على شكل مكثف مسطح متعدد الطبقات بمساحة إجمالية تبلغ 15 لوحة من 1000 سم. 2 .
في التجارب الأولى مع مكبر صوت تم ضبطه لعد الأجزاء ، كان من الممكن مراقبة نبضات تلقائية (في حالة عدم وجود مصدر نيوتروني) على مرحل وراسم الذبذبات. كان عدد هذه النبضات صغيرًا (6 لكل ساعة) ، ومن المفهوم تمامًا ، لذلك ، أن هذه الظاهرة لا يمكن ملاحظتها بكاميرات من النوع المعتاد ...
نحن نميل إلى الاعتقاد بذلك يجب أن يُعزى التأثير الذي نلاحظه إلى الشظايا الناتجة عن الانشطار التلقائي لليورانيوم ...

يجب أن يُعزى الانشطار العفوي إلى أحد نظائر U غير المستحثة بنصف عمر مشتق من تقييم نتائجنا:

يو 238 – 10 16 ~ 10 17 سنوات،
يو 235 – 10 14 ~ 10 15 سنوات،
يو 234 – 10 12 ~ 10 13 سنوات.

اضمحلال النظائر 238 يو

الانشطار النووي العفوي

نصف عمر النظائر الانشطارية تلقائيًا Z = 92-100

تم بناء أول نظام تجريبي مع شبكة من اليورانيوم الجرافيت في عام 1941 تحت إشراف E. Fermi. كان مكعبًا من الجرافيت بضلع يبلغ طوله 2.5 مترًا ، ويحتوي على حوالي 7 أطنان من أكسيد اليورانيوم ، محاطًا بأوعية حديدية ، تم وضعها في المكعب على مسافات متساوية من بعضها البعض. تم وضع مصدر نيوتروني RaBe في الجزء السفلي من شعرية اليورانيوم الجرافيت. كان عامل الضرب في مثل هذا النظام ≈0.7. أكسيد اليورانيوم يحتوي من 2 إلى 5٪ شوائب. تم توجيه المزيد من الجهود نحو الحصول على مواد أنقى ، وبحلول مايو 1942 ، تم الحصول على أكسيد اليورانيوم ، حيث كانت الشوائب أقل من 1 ٪. لضمان تفاعل تسلسلي انشطاري ، كان من الضروري استخدام كمية كبيرة من الجرافيت واليورانيوم - بترتيب عدة أطنان. يجب أن تكون الشوائب أقل من بضعة أجزاء في المليون. تم تجميع المفاعل بحلول نهاية عام 1942 بواسطة فيرمي في جامعة شيكاغو ، وكان شكله شبه كروي غير مكتمل مقطوع من الأعلى. كانت تحتوي على 40 طناً من اليورانيوم و 385 طناً من الجرافيت. في مساء يوم 2 ديسمبر 1942 ، بعد إزالة قضبان امتصاص النيوترونات ، تم اكتشاف حدوث تفاعل نووي متسلسل داخل المفاعل. كان المعامل المقاس 1.0006. في البداية ، كان المفاعل يعمل عند مستوى طاقة 0.5 وات. بحلول 12 ديسمبر ، زادت قوتها إلى 200 واط. بعد ذلك ، تم نقل المفاعل إلى مكان أكثر أمانًا ، وزادت قوته إلى عدة كيلوواط. في هذه الحالة ، استهلك المفاعل 0.002 جم من اليورانيوم -235 يوميًا.

أول مفاعل نووي في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية

كان بناء أول مفاعل نووي للأبحاث من طراز F-1 في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية جاهزًا بحلول يونيو 1946.
بعد إجراء جميع التجارب اللازمة ، تم تطوير نظام التحكم والحماية للمفاعل ، وإنشاء أبعاد المفاعل ، وإجراء جميع التجارب اللازمة بنماذج المفاعل ، وتم تحديد كثافة النيوترونات على عدة نماذج ، وتم الحصول على كتل الجرافيت (ما يسمى بالنقاء النووي) وكتل اليورانيوم (بعد الفحوصات الفيزيائية النيوترونية) ، في نوفمبر 1946 بدأ بناء مفاعل F-1.
بلغ نصف القطر الكلي للمفاعل 3.8 م ، وتطلب 400 طن من الجرافيت و 45 طن من اليورانيوم. تم تجميع المفاعل في طبقات ، وفي الساعة 3 مساءً يوم 25 ديسمبر 1946 ، تم تجميع الطبقة الثانية والستين الأخيرة. بعد استخراج ما يسمى بقضبان الطوارئ ، تم رفع قضيب التحكم ، وبدأت كثافة النيوترونات في العد ، وفي الساعة 18:00 يوم 25 ديسمبر 1946 ، ظهر أول مفاعل في الاتحاد السوفياتي وبدأ العمل. لقد كان انتصارًا مثيرًا للعلماء - مبدعي المفاعل النووي ولكل الشعب السوفيتي. بعد عام ونصف ، في 10 يونيو 1948 ، وصل المفاعل الصناعي بالماء في القنوات إلى حالة حرجة وسرعان ما بدأ الإنتاج الصناعي لنوع جديد من الوقود النووي - البلوتونيوم.

الانشطار النووي هو انقسام ذرة ثقيلة إلى جزأين متساوي الكتلة تقريبًا ، مصحوبًا بإطلاق كمية كبيرة من الطاقة.

اكتشاف الانشطار النووي عهد جديد- العمر الذري. إن إمكانية استخدامه المحتمل ونسبة المخاطرة للاستفادة من استخدامه لم تؤد فقط إلى ظهور العديد من العوامل الاجتماعية والسياسية والاقتصادية و الانجازات العلميةولكن أيضا مشاكل خطيرة. حتى من وجهة نظر علمية بحتة ، خلقت عملية الانشطار النووي عددًا كبيرًا من الألغاز والمضاعفات ، وتفسيرها النظري الكامل هو مسألة مستقبلية.

تقاسم مربح

تختلف طاقات الربط (لكل نواة) باختلاف النوى. الأثقل لها طاقات ربط أقل من تلك الموجودة في منتصف الجدول الدوري.

وهذا يعني أنه بالنسبة للنواة الثقيلة التي يزيد عددها الذري عن 100 ، يكون من المفيد التقسيم إلى جزأين أصغر ، وبالتالي إطلاق الطاقة ، والتي يتم تحويلها إلى الطاقة الحركية للشظايا. هذه العملية تسمى الانقسام

وفقًا لمنحنى الثبات ، الذي يوضح اعتماد عدد البروتونات على عدد النيوترونات للنويدات المستقرة ، تفضل النوى الأثقل عددًا أكبر من النيوترونات (مقارنة بعدد البروتونات) على النوى الأخف. يشير هذا إلى أنه جنبًا إلى جنب مع عملية الانقسام ، ستنبعث بعض النيوترونات "الاحتياطية". بالإضافة إلى ذلك ، سوف يأخذون أيضًا بعض الطاقة المحررة. أظهرت دراسة الانشطار النووي لذرة اليورانيوم إطلاق 3-4 نيوترونات: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

العدد الذري (والكتلة الذرية) للجزء ليس النصف الكتلة الذريةالأبوين. عادة ما يكون الفرق بين كتل الذرات المتكونة نتيجة للانقسام حوالي 50 ذرة. صحيح أن سبب ذلك ليس واضحًا تمامًا بعد.

طاقات التجليد لكل من 238 U و 145 La و 90 Br هي 1803 و 1198 و 763 ميغا إلكترون فولت على التوالي. هذا يعني أنه نتيجة لهذا التفاعل ، يتم إطلاق الطاقة الانشطارية لنواة اليورانيوم ، والتي تساوي 1198 + 763-1803 = 158 إلكترون فولت.

الانقسام العفوي

عمليات الانقسام التلقائي معروفة في الطبيعة ، لكنها نادرة جدًا. يبلغ متوسط ​​عمر هذه العملية حوالي 10 و 17 عامًا ، وعلى سبيل المثال ، يبلغ متوسط ​​عمر تحلل ألفا لنفس النويدات المشعة حوالي 10 و 11 عامًا.

والسبب في ذلك هو أنه من أجل الانقسام إلى جزأين ، يجب أولاً أن يتم تشويه (شد) النواة إلى شكل بيضاوي ، ثم ، قبل الانقسام إلى جزأين ، تشكل "رقبة" في المنتصف.

الحاجز المحتمل

في الحالة المشوهة ، تعمل قوتان على القلب. أحدهما هو زيادة الطاقة السطحية (يفسر التوتر السطحي لقطرة سائل شكله الكروي) ، والآخر هو تنافر كولوم بين شظايا الانشطار. معًا ينتجون حاجزًا محتملاً.

كما في حالة اضمحلال ألفا ، من أجل حدوث الانشطار التلقائي لنواة ذرة اليورانيوم ، يجب أن تتغلب الشظايا على هذا الحاجز باستخدام نفق الكم. يبلغ الحاجز حوالي 6 ميغا إلكترون فولت ، كما في حالة تحلل ألفا ، لكن احتمال حفر جسيم ألفا عبر نفق أكبر بكثير من احتمال وجود ناتج انشطار ذري أثقل بكثير.

تقسيم قسري

الاحتمال الأكبر هو الانشطار المستحث لنواة اليورانيوم. في هذه الحالة ، يتم تشعيع النواة الأم بالنيوترونات. إذا قام الوالد بامتصاصها ، فإنها تلتصق ، وتطلق طاقة ملزمة على شكل طاقة اهتزازية يمكن أن تتجاوز 6 MeV المطلوبة للتغلب على الحاجز المحتمل.

عندما تكون طاقة النيوترون الإضافي غير كافية للتغلب على الحاجز المحتمل ، يجب أن يكون للنيوترون الساقط الحد الأدنى من الطاقة الحركية حتى يكون قادرًا على تحفيز انقسام الذرة. في حالة 238 يو ، تبلغ طاقة الارتباط للنيوترونات الإضافية حوالي 1 ميغا إلكترون فولت. وهذا يعني أن انشطار نواة اليورانيوم يتم تحريضه فقط بواسطة نيوترون بطاقة حركية أكبر من 1 إلكترون فولت. من ناحية أخرى ، فإن النظير 235 يو يحتوي على نيوترون واحد غير مزاوج. عندما تمتص النواة نواة إضافية ، فإنها تشكل زوجًا معها ، ونتيجة لهذا الاقتران ، تظهر طاقة ارتباط إضافية. هذا كافٍ لإطلاق كمية الطاقة اللازمة للنواة للتغلب على الحاجز المحتمل ويحدث الانشطار النظيري عند الاصطدام بأي نيوترون.

تسوس بيتا

على الرغم من أن التفاعل الانشطاري يصدر ثلاثة أو أربعة نيوترونات ، إلا أن الأجزاء لا تزال تحتوي على نيوترونات أكثر من نظيراتها المتساوية المستقرة. هذا يعني أن أجزاء الانقسام غير مستقرة بشكل عام ضد تسوس بيتا.

على سبيل المثال ، عندما يحدث انشطار اليورانيوم 238U ، يكون الأيزوبار المستقر مع A = 145 هو نيوديميوم 145Nd ، مما يعني أن جزء اللانثانوم 145La يتحلل في ثلاث خطوات ، في كل مرة ينبعث منها إلكترون ومضاد نيوترينو ، حتى يتم تكوين نوكليد مستقر. الأيزوبار المستقر مع A = 90 هو الزركونيوم 90 Zr ؛ لذلك ، يتحلل جزء الانقسام البروم 90 Br في خمس مراحل من سلسلة β-decay.

تُطلق سلاسل β-decay هذه طاقة إضافية ، يتم نقلها كلها تقريبًا بواسطة الإلكترونات ومضادات النوترينوات.

التفاعلات النووية: انشطار نوى اليورانيوم

من غير المحتمل انبعاث نيوترون مباشر من نوكليدة مع الكثير منها لضمان استقرار النواة. النقطة هنا هي أنه لا يوجد تنافر كولوم وبالتالي فإن الطاقة السطحية تميل إلى إبقاء النيوترون في ارتباط مع الأم. ومع ذلك ، هذا يحدث في بعض الأحيان. على سبيل المثال ، ينتج جزء انشطار 90 Br في مرحلة اضمحلال بيتا الأولى الكريبتون 90 ، والذي يمكن أن يكون في حالة مثارة مع طاقة كافية للتغلب على الطاقة السطحية. في هذه الحالة ، يمكن أن يحدث انبعاث النيوترونات مباشرة مع تكوين الكريبتون 89. لا يزال غير مستقر فيما يتعلق بالتحلل β حتى يتم تحويله إلى yttrium-89 مستقر ، بحيث يتحلل الكريبتون 89 في ثلاث خطوات.

انشطار نوى اليورانيوم: تفاعل متسلسل

يمكن امتصاص النيوترونات المنبعثة في تفاعل الانشطار بواسطة نواة أخرى ، والتي تخضع بعد ذلك للانشطار المستحث. في حالة اليورانيوم 238 ، تنتج النيوترونات الثلاثة طاقة أقل من 1 ميغا إلكترون فولت (الطاقة المنبعثة أثناء انشطار نواة اليورانيوم - 158 ميغا إلكترون فولت - يتم تحويلها بشكل أساسي إلى الطاقة الحركية لشظايا الانشطار. ) ، لذلك لا يمكنها التسبب في مزيد من الانشطار لهذه النيوكليدة. ومع ذلك ، عند التركيز الكبير للنظير النادر 235 يو ، يمكن التقاط هذه النيوترونات الحرة بواسطة نوى 235 يو ، والتي يمكن أن تسبب بالفعل الانشطار ، لأنه في هذه الحالة لا توجد عتبة طاقة لا يتم تحفيز الانشطار تحتها.

هذا هو مبدأ التفاعل المتسلسل.

أنواع التفاعلات النووية

لنفترض أن k هو عدد النيوترونات المنتجة في عينة من المادة الانشطارية في المرحلة n من هذه السلسلة ، مقسومًا على عدد النيوترونات المنتجة في المرحلة n - 1. سيعتمد هذا الرقم على عدد النيوترونات المنتجة في المرحلة n - 1 والتي يتم امتصاصها من النواة ، والتي قد تضطر إلى الانقسام.

إذا كان ك< 1, то цепная реакция просто выдохнется и процесс остановится очень быстро. Именно это и происходит в природной в которой концентрация 235 U настолько мала, что вероятность поглощения одного из нейтронов этим изотопом крайне ничтожна.

إذا كان k> 1 ، فإن التفاعل المتسلسل سينمو حتى يتم استخدام كل المواد الانشطارية. ويتحقق ذلك عن طريق تخصيب الخام الطبيعي للحصول على تركيز كبير بما فيه الكفاية من اليورانيوم 235. بالنسبة للعينة الكروية ، تزداد قيمة k مع زيادة احتمالية امتصاص النيوترون ، والتي تعتمد على نصف قطر الكرة. لذلك ، يجب أن تتجاوز الكتلة U كمية معينة من أجل حدوث انشطار نواة اليورانيوم (تفاعل متسلسل).

إذا كان k = 1 ، فسيحدث تفاعل محكوم. يستخدم هذا في المفاعلات النووية. يتم التحكم في العملية عن طريق توزيع قضبان الكادميوم أو البورون بين اليورانيوم ، والتي تمتص معظم النيوترونات (هذه العناصر لديها القدرة على التقاط النيوترونات). يتم التحكم في انشطار نواة اليورانيوم تلقائيًا عن طريق تحريك القضبان بطريقة تجعل قيمة k تساوي واحدًا.