Kernspaltungsreaktionen.

Die Umwandlung von Kernen bei der Wechselwirkung mit Elementarteilchen oder untereinander nennt man Kernreaktionen. Kernreaktionen sind die wichtigste Methode zur Untersuchung der Struktur von Kernen und ihrer Eigenschaften. Kernreaktionen gehorchen den Erhaltungsgesetzen: elektrische Ladung, Baryonenladung, Leptonenladung, Energie, Impuls usw. Beispielsweise läuft das Gesetz der Erhaltung der Baryonenladung darauf hinaus, dass sich die Gesamtzahl der Nukleonen dadurch nicht ändert Kernreaktion.

Kernreaktionen können unter Freisetzung oder Aufnahme von Energie ablaufen Q, was 10 6 mal höher ist als die Energie chemischer Reaktionen. Wenn Q> 0 Energie wird freigesetzt (exotherme Reaktion). Zum Beispiel,

Bei Q < 0 – поглощение энергии (endotherme Reaktion). Zum Beispiel,

Kernreaktionen werden charakterisiert effektiver Reaktionsquerschnitt(wenn der Radius des Kerns größer ist als die de Broglie-Wellenlänge des Teilchens).

Kernreaktionsleistung W– Verhältnis der Anzahl der Kernreaktionsereignisse D N zur Anzahl der Teilchen N, fallende 1 cm 2 Ziele, d.h.

,

Wo N– Konzentration der Kerne.

Viele Kernreaktionen bei niedrigen Energien durchlaufen die Entstehungsphase zusammengesetzter Kern. Damit ein Neutron mit einer Geschwindigkeit von 10 7 m/s durch den Kern fliegt, ist eine Zeit in der Größenordnung von t = 10 –22 s erforderlich. Die Reaktionszeit beträgt 10 - 16 –10 - 12 s oder (10 6 –10 10)t. Dies bedeutet, dass es zu einer großen Anzahl von Kollisionen zwischen den Nukleonen im Kern kommt und sich ein Zwischenzustand bildet – ein zusammengesetzter Kern. Die charakteristische Zeit t wird bei der Analyse von im Kern ablaufenden Prozessen verwendet.

Mit abnehmender Neutronengeschwindigkeit nimmt die Zeit seiner Wechselwirkung mit dem Kern und die Wahrscheinlichkeit seines Einfangens durch den Kern zu, da der effektive Wirkungsquerschnitt umgekehrt proportional zur Teilchengeschwindigkeit ist (). Liegt die Gesamtenergie des Neutrons und des Ausgangskerns in dem Bereich, in dem sich die Energiebänder des Verbundkerns befinden, ist die Wahrscheinlichkeit der Bildung eines quasistationären Energieniveaus des Verbundkerns besonders hoch. Der Wirkungsquerschnitt für Kernreaktionen nimmt bei solchen Teilchenenergien stark zu und es bilden sich Resonanzmaxima. In solchen Fällen spricht man von Kernreaktionen resonant. Resonanzquerschnitt für den thermischen (langsamen) Neutroneneinfang ( kT» 0,025 eV) kann etwa 10 6 mal größer sein als der geometrische Querschnitt des Kerns

Nach dem Einfangen eines Teilchens befindet sich der zusammengesetzte Kern etwa 10–14 s lang in einem angeregten Zustand und emittiert dann ein Teilchen. Es sind mehrere Kanäle des radioaktiven Zerfalls eines zusammengesetzten Kerns möglich. Ein konkurrierender Prozess ist ebenfalls möglich – der Strahlungseinfang, bei dem ein Teilchen, nachdem es von einem Kern eingefangen wurde, in einen angeregten Zustand übergeht und dann, nachdem es ein g-Quantum emittiert hat, in den Grundzustand übergeht. Dies kann auch einen zusammengesetzten Kern bilden.

Die Coulomb-Abstoßungskräfte zwischen positiv geladenen Teilchen des Kerns (Protonen) fördern nicht den Austritt dieser Teilchen aus dem Kern, sondern behindern ihn vielmehr. Dies ist auf den Einfluss zurückzuführen Zentrifugalbarriere. Dies erklärt sich aus der Tatsache, dass abstoßende Kräfte positiver Energie entsprechen. Es erhöht die Höhe und Breite der Coulomb-Potentialbarriere. Der Austritt eines positiv geladenen Teilchens aus dem Kern ist Sub-Barriere-Prozess. Je höher und breiter die potenzielle Barriere ist, desto unwahrscheinlicher ist sie. Dies ist besonders wichtig für mittlere und schwere Kerne.

Beispielsweise bildet ein Uranisotopenkern nach dem Einfangen eines Neutrons einen zusammengesetzten Kern, der sich dann in zwei Teile aufspaltet. Unter dem Einfluss der Coulomb-Abstoßungskräfte fliegen diese Teile mit einer hohen kinetischen Energie von ~200 MeV auseinander, da in diesem Fall die elektrischen Kräfte die nuklearen Anziehungskräfte übertreffen. In diesem Fall sind die Fragmente radioaktiv und befinden sich in einem angeregten Zustand. Beim Übergang in den Grundzustand emittieren sie schnelle und verzögerte Neutronen sowie G-Quanten und andere Teilchen. Die emittierten Neutronen werden als sekundär bezeichnet.

Von allen Kernen, die bei der Spaltung freigesetzt werden, werden etwa 99 % der Neutronen sofort freigesetzt, und der Anteil verzögerter Neutronen beträgt etwa 0,75 %. Dennoch werden verzögerte Neutronen in der Kernenergie eingesetzt, da sie dies ermöglichen kontrollierte Kernreaktionen. Am wahrscheinlichsten ist, dass Uran in Fragmente zerfällt, von denen eines etwa eineinhalb Mal schwerer ist als das andere. Dies wird durch den Einfluss nuklearer Neutronenhüllen erklärt, da es für die Kernspaltung energetisch günstiger ist, so dass die Anzahl der Neutronen in jedem Fragment nahe einer der magischen Zahlen liegt – 50 oder 82. Solche Fragmente können z Beispiel, Kerne und.

Differenz zwischen dem maximalen potenziellen Energiewert E r(R) und sein Wert at für stabile Kerne wird genannt Aktivierungsenergie. Daher ist es für die Kernspaltung notwendig, ihr eine Energie zu verleihen, die nicht geringer als die Aktivierungsenergie ist. Diese Energie wird durch Neutronen erzeugt, bei deren Absorption sich angeregte Verbindungskerne bilden.

Untersuchungen haben gezeigt, dass Isotopenkerne nach dem Einfangen von Neutronen, auch thermischen, gespalten werden. Für die Spaltung eines Uranisotops werden schnelle Neutronen mit einer Energie von mehr als 1 MeV benötigt. Dieser Unterschied im Verhalten von Kernen hängt mit dem Effekt der Nukleonenpaarung zusammen.

Eine spontane Spaltung radioaktiver Kerne ist auch ohne äußere Erregung möglich, was 1940 beobachtet wurde. In diesem Fall kann die Kernspaltung durch Austreten von Spaltprodukten durch eine potenzielle Barriere infolge des Tunneleffekts erfolgen. Ein weiteres charakteristisches Merkmal von Kernreaktionen, die unter bestimmten Bedingungen durch einen zusammengesetzten Kern ablaufen, ist die Symmetrie im Schwerpunktsystem der Winkelverteilung der Streupartikel, die während des Zerfalls des zusammengesetzten Kerns gebildet werden.

Auch direkte Kernreaktionen sind möglich, zum Beispiel

welches zur Erzeugung von Neutronen verwendet wird.

Bei der Spaltung schwerer Kerne wird für jeden spaltbaren Kern eine Energie von durchschnittlich etwa 200 MeV freigesetzt, was als Energie bezeichnet wird Kern- oder Atomenergie. Diese Energie wird in gewonnen Kernreaktoren.

Natürliches Uran enthält 99,3 % Isotope und 0,7 % Isotope, bei denen es sich um Kernbrennstoff handelt. Isotope von Uran und Thorium sind Rohstoffe, aus denen Isotope und Isotope künstlich hergestellt werden, die auch Kernbrennstoffe sind und in ihrem natürlichen Zustand in der Natur nicht vorkommen. Bei der Reaktion entsteht beispielsweise ein Isotop von Plutonium

Bei der Reaktion entsteht beispielsweise ein Isotop des Urans

Wo bedeutet Reaktion

.
Kernisotope werden nur durch schnelle Neutronen mit Energien > 1 MeV gespalten.

Eine wichtige Größe, die einen spaltbaren Kern charakterisiert, ist die durchschnittliche Anzahl sekundärer Neutronen, die z Implementierung einer Kernspaltungskettenreaktion Atomkerne muss mindestens 1 sein. Bei solchen Reaktionen von Atomkernen entstehen Neutronen.

Kettenreaktion praktisch mit angereichertem Uran durchgeführt Kernreaktoren. Bei angereichertem Uran wird der Uranisotopengehalt durch Isotopentrennung auf 2–5 % gebracht. Das von einem spaltbaren Stoff eingenommene Volumen wird genannt Kern Reaktor. Für natürliches Uran beträgt der thermische Neutronenvervielfachungsfaktor k=1,32. Um die Geschwindigkeit schneller Neutronen auf die Geschwindigkeit thermischer Neutronen zu reduzieren, werden Moderatoren (Graphit, Wasser, Beryllium usw.) verwendet.

Es gibt verschiedene Arten Kernreaktoren je nach Zweck und Leistung. Zum Beispiel Versuchsreaktoren zur Herstellung neuer Transurane usw.

Derzeit wird Kernenergie genutzt Brutreaktoren (Brutreaktoren), in dem nicht nur Energie erzeugt wird, sondern auch eine erweiterte Reproduktion spaltbarer Materie stattfindet. Sie verwenden angereichertes Uran mit einem relativ hohen Gehalt (bis zu 30 %) des Uranisotops.

Solche Reaktoren sind Züchter zur Energieerzeugung in Kernkraftwerken verwendet. Der Hauptnachteil von Kernkraftwerken ist die Ansammlung radioaktiver Abfälle. Allerdings sind Kernkraftwerke im Vergleich zu Kohlekraftwerken umweltfreundlicher.

Die Spaltung von Urankernen beim Beschuss mit Neutronen wurde 1939 von den deutschen Wissenschaftlern Otto Hahn und Fritz Strassmann entdeckt.

Otto Hahn (1879-1968)
Deutscher Physiker, Pionier auf dem Gebiet der Radiochemie. Entdeckte die Spaltung von Uran und einer Reihe radioaktiver Elemente

Fritz Strassmann (1902-1980)
Deutscher Physiker und Chemiker. Die Arbeiten beziehen sich auf Kernchemie und Kernspaltung. Hat den chemischen Beweis des Spaltungsprozesses erbracht

Betrachten wir den Mechanismus dieses Phänomens. Abbildung 162a zeigt konventionell den Kern eines Uranatoms. Nachdem der Kern ein zusätzliches Neutron absorbiert hat, wird er angeregt und deformiert und nimmt eine längliche Form an (Abb. 162, b).

Reis. 162. Der Prozess der Spaltung eines Urankerns unter dem Einfluss eines in ihn eindringenden Neutrons

Sie wissen bereits, dass im Kern zwei Arten von Kräften wirken: elektrostatische Abstoßungskräfte zwischen Protonen, die dazu neigen, den Kern zu zerreißen, und nukleare Anziehungskräfte zwischen allen Nukleonen, dank derer der Kern nicht zerfällt. Aber Kernkräfte haben eine kurze Reichweite, sodass sie in einem länglichen Kern nicht mehr Teile des Kerns festhalten können, die sehr weit voneinander entfernt sind. Unter dem Einfluss elektrostatischer Abstoßungskräfte zerbricht der Kern in zwei Teile (Abb. 162, c), die auseinanderfliegen verschiedene Seiten mit enormer Geschwindigkeit und emittieren 2-3 Neutronen.

Es stellt sich heraus, dass ein Teil der inneren Energie des Kerns in die kinetische Energie fliegender Fragmente und Partikel umgewandelt wird. Die Fragmente werden in der Umgebung schnell abgebremst, wodurch ihre kinetische Energie in die innere Energie der Umgebung umgewandelt wird (d. h. in die Energie der Wechselwirkung und der thermischen Bewegung ihrer Partikelbestandteile).

Mit gleichzeitiger Teilung große Menge Urankerne erhöhen die innere Energie der das Uran umgebenden Umgebung und dementsprechend seine Temperatur merklich (d. h. die Umgebung erwärmt sich).

Somit erfolgt die Spaltungsreaktion von Urankernen unter Freisetzung von Energie Umfeld.

Die in den Atomkernen enthaltene Energie ist enorm. Beispielsweise würde bei der vollständigen Spaltung aller in 1 g Uran vorhandenen Kerne die gleiche Energiemenge freigesetzt werden wie bei der Verbrennung von 2,5 Tonnen Öl. Um die innere Energie von Atomkernen in elektrische Energie umzuwandeln, nutzen Kernkraftwerke sogenannte Kettenreaktionen der Kernspaltung.

Betrachten wir den Mechanismus der Kettenreaktion der Kernspaltung des Uranisotops. Der Kern eines Uranatoms (Abb. 163) spaltete sich durch den Neutroneneinfang in zwei Teile und emittierte drei Neutronen. Zwei dieser Neutronen verursachten die Spaltungsreaktion zweier weiterer Kerne, wodurch vier Neutronen entstanden. Diese wiederum führten zur Spaltung von vier Kernen, wodurch neun Neutronen erzeugt wurden usw.

Eine Kettenreaktion ist möglich, da bei der Spaltung jedes Kerns 2-3 Neutronen entstehen, die an der Spaltung anderer Kerne teilnehmen können.

Abbildung 163 zeigt das Diagramm einer Kettenreaktion, bei der die Gesamtzahl der freien Neutronen in einem Stück Uran mit der Zeit exponentiell ansteigt. Dementsprechend steigt die Zahl der Kernspaltungen und die pro Zeiteinheit freigesetzte Energie stark an. Daher ist eine solche Reaktion explosiver Natur (sie findet in einer Atombombe statt).

Reis. 163. Kettenreaktion der Spaltung von Urankernen

Möglich ist auch eine andere Möglichkeit, bei der die Zahl der freien Neutronen mit der Zeit abnimmt. In diesem Fall stoppt die Kettenreaktion. Daher kann eine solche Reaktion auch nicht zur Stromerzeugung genutzt werden.

Für friedliche Zwecke ist es möglich, nur die Energie einer Kettenreaktion zu nutzen, bei der sich die Anzahl der Neutronen im Laufe der Zeit nicht ändert.

Wie können wir sicherstellen, dass die Anzahl der Neutronen immer konstant bleibt? Um dieses Problem zu lösen, müssen Sie wissen, welche Faktoren die Zunahme und Abnahme der Gesamtzahl freier Neutronen in einem Stück Uran beeinflussen, in dem eine Kettenreaktion stattfindet.

Ein solcher Faktor ist die Masse von Uran. Tatsache ist, dass nicht jedes bei der Kernspaltung emittierte Neutron die Spaltung anderer Kerne bewirkt (siehe Abb. 163). Wenn die Masse (und dementsprechend die Abmessungen) eines Uranstücks zu klein ist, fliegen viele Neutronen aus ihm heraus, haben keine Zeit, auf ihrem Weg auf den Kern zu treffen, verursachen dessen Spaltung und erzeugen so eine neue Generation von Uran Neutronen, die zur Fortsetzung der Reaktion erforderlich sind. In diesem Fall wird die Kettenreaktion gestoppt. Damit die Reaktion weitergeht, ist es notwendig, die Uranmasse auf einen bestimmten Wert zu erhöhen, den sogenannten kritisch.

Warum wird mit zunehmender Masse eine Kettenreaktion möglich? Je größer die Masse des Stücks ist, desto größer sind seine Abmessungen und desto länger ist der Weg, den Neutronen darin zurücklegen. In diesem Fall steigt die Wahrscheinlichkeit, dass Neutronen auf Kerne treffen. Dementsprechend nimmt die Zahl der Kernspaltungen und die Zahl der emittierten Neutronen zu.

Bei der kritischen Masse von Uran beträgt die Anzahl der bei der Kernspaltung erzeugten Neutronen gleich der Zahl verlorene Neutronen (d. h. von Kernen ohne Spaltung eingefangen und außerhalb des Stücks emittiert).

Daher bleibt ihre Gesamtzahl unverändert. In diesem Fall kann die Kettenreaktion lange Zeit andauern, ohne anzuhalten und ohne explosiv zu werden.

• Die kleinste Uranmasse, bei der eine Kettenreaktion stattfinden kann, wird als kritische Masse bezeichnet

Wenn die Uranmasse größer als die kritische Masse ist, führt die Kettenreaktion infolge eines starken Anstiegs der Anzahl freier Neutronen zu einer Explosion, und wenn sie kleiner als die kritische Masse ist, findet keine Reaktion statt aufgrund eines Mangels an freien Neutronen fortfahren.

Der Verlust von Neutronen (die aus Uran herausfliegen, ohne mit Kernen zu reagieren) kann nicht nur durch eine Erhöhung der Uranmasse, sondern auch durch den Einsatz einer speziellen reflektierenden Hülle reduziert werden. Dazu wird ein Stück Uran in eine Hülle aus einem Stoff gegeben, der Neutronen gut reflektiert (zum Beispiel Beryllium). Von dieser Hülle reflektiert, kehren Neutronen zum Uran zurück und können an der Kernspaltung teilnehmen.

Es gibt mehrere andere Faktoren, von denen die Möglichkeit einer Kettenreaktion abhängt. Wenn beispielsweise ein Stück Uran zu viele Verunreinigungen anderer chemischer Elemente enthält, werden diese absorbiert die meisten Neutronen und die Reaktion stoppt.

Auch die Anwesenheit eines sogenannten Neutronenmoderators im Uran beeinflusst den Reaktionsverlauf. Tatsache ist, dass Uran-235-Kerne am wahrscheinlichsten unter dem Einfluss langsamer Neutronen spalten. Und bei der Kernspaltung entstehen schnelle Neutronen. Wenn schnelle Neutronen abgebremst werden, werden die meisten von ihnen von Uran-235-Kernen eingefangen und anschließend gespalten. Als Moderatoren werden Stoffe wie Graphit, Wasser, schweres Wasser (darunter Deuterium, ein Wasserstoffisotop mit der Massenzahl 2) und einige andere verwendet. Diese Stoffe bremsen Neutronen nur ab, ohne sie nahezu zu absorbieren.

Somit wird die Möglichkeit einer Kettenreaktion durch die Masse des Urans, die Menge der darin enthaltenen Verunreinigungen, das Vorhandensein einer Hülle und eines Moderators sowie einige andere Faktoren bestimmt.

Die kritische Masse eines kugelförmigen Stücks Uran-235 beträgt etwa 50 kg. Außerdem beträgt sein Radius nur 9 cm, da Uran eine sehr hohe Dichte hat.

Durch die Verwendung eines Moderators und einer reflektierenden Hülle sowie die Reduzierung der Menge an Verunreinigungen ist es möglich, die kritische Masse von Uran auf 0,8 kg zu reduzieren.

Fragen

1. Warum kann die Kernspaltung erst beginnen, wenn sie unter dem Einfluss eines von ihr absorbierten Neutrons deformiert wird?
2. Was entsteht bei der Kernspaltung?
3. In welche Energie wandelt sich ein Teil der inneren Energie des Kerns bei seiner Teilung um? kinetische Energie von Fragmenten eines Urankerns, wenn sie in der Umgebung abgebremst werden?
4. Wie läuft die Spaltungsreaktion von Urankernen ab – mit der Energieabgabe an die Umwelt oder umgekehrt mit der Energieaufnahme?
5. Erklären Sie den Mechanismus einer Kettenreaktion anhand von Abbildung 163.
6. Was ist die kritische Masse von Uran?
7. Kann es zu einer Kettenreaktion kommen, wenn die Uranmasse unter der kritischen Masse liegt? kritischer? Warum?

Ziel: Den Schülern ein Verständnis für die Spaltung von Urankernen vermitteln.

• Überprüfen Sie zuvor untersuchtes Material.
• Betrachten Sie den Mechanismus der Spaltung des Urankerns.
• Betrachten Sie die Bedingung für das Auftreten einer Kettenreaktion;
• Finden Sie die Faktoren heraus, die den Verlauf der Kettenreaktion beeinflussen.
• die Sprache und das Denken der Schüler entwickeln;
• die Fähigkeit entwickeln, die eigenen Aktivitäten innerhalb einer bestimmten Zeit zu analysieren, zu steuern und anzupassen.

Ausrüstung: Computer, Projektionssystem, didaktisches Material (Test „Kernelkomposition“), Disketten „Interaktiver Kurs“. Physik 7-11 Klassen“ (Physikon) und „1C-Tutor. Physik“ (1C).

Fortschritt der Lektion

I. Organisatorischer Moment (2’).

Begrüßung, Bekanntgabe des Unterrichtsplans.

II. Wiederholung zuvor gelernten Materials (8’).

Selbstständiges Arbeiten der Studierenden – Abschluss des Tests ( Anhang 1 ). Der Test erfordert eine richtige Antwort.

III. Neues Material lernen (25’). Im Verlauf der Lektion machen wir uns Notizen(Anhang 2 ).

Wir haben kürzlich erfahren, dass sich einige chemische Elemente beim radioaktiven Zerfall in andere chemische Elemente umwandeln. Was wird Ihrer Meinung nach passieren, wenn Sie ein Teilchen in den Kern eines Atoms eines chemischen Elements schicken, beispielsweise ein Neutron in den Kern von Uran? (Auf die Vorschläge der Schüler hören)

Lassen Sie uns Ihre Annahmen überprüfen (Arbeiten mit dem interaktiven Modell „Kernspaltung“„Interaktiver Kurs. Physik 7-11kl“ ).

Was war das Ergebnis?

– Wenn ein Neutron auf einen Urankern trifft, sehen wir, dass dadurch 2 Fragmente und 2-3 Neutronen entstehen.

Der gleiche Effekt wurde 1939 von den deutschen Wissenschaftlern Otto Hahn und Fritz Strassmann erzielt. Sie entdeckten, dass durch die Wechselwirkung von Neutronen mit Urankernen radioaktive Fragmentkerne entstehen, deren Massen und Ladungen etwa halb so groß sind wie die entsprechenden Eigenschaften von Urankernen. Eine auf diese Weise stattfindende Kernspaltung wird als Zwangsspaltung bezeichnet, im Gegensatz zur spontanen Spaltung, die bei natürlichen radioaktiven Umwandlungen auftritt.

Der Kern wird erregt und beginnt sich zu verformen. Warum zerfällt der Kern in zwei Teile? Unter welchen Kräften kommt es zum Bruch?

Welche Kräfte wirken im Kern?

– Elektrostatisch und nuklear.

Okay, aber wie manifestieren sich elektrostatische Kräfte?

– Zwischen geladenen Teilchen wirken elektrostatische Kräfte. Das geladene Teilchen im Kern ist das Proton. Da das Proton positiv geladen ist, wirken zwischen ihnen abstoßende Kräfte.

Stimmt, aber wie manifestieren sich Nuklearkräfte?

– Kernkräfte sind die Anziehungskräfte zwischen allen Nukleonen.

Unter dem Einfluss welcher Kräfte platzt der Kern?

– (Wenn Schwierigkeiten auftreten, stelle ich Leitfragen und führe die Schüler zu den richtigen Schlussfolgerungen) Unter dem Einfluss elektrostatischer Abstoßungskräfte zerfällt der Kern in zwei Teile, die in verschiedene Richtungen auseinanderfliegen und 2-3 Neutronen aussenden.

Die Bruchstücke fliegen mit sehr hoher Geschwindigkeit davon. Es stellt sich heraus, dass ein Teil der inneren Energie des Kerns in die kinetische Energie fliegender Fragmente und Partikel umgewandelt wird. Die Fragmente gelangen in die Umwelt. Was passiert Ihrer Meinung nach mit ihnen?

– Die Fragmente werden in der Umgebung abgebremst.

Um den Energieerhaltungssatz nicht zu verletzen, müssen wir sagen, was mit der kinetischen Energie geschieht.

– Die kinetische Energie der Fragmente wird in innere Energie der Umgebung umgewandelt.

Können Sie feststellen, dass sich die innere Energie des Mediums verändert hat?

– Ja, die Umgebung erwärmt sich.

Wird die Änderung der inneren Energie dadurch beeinflusst, dass unterschiedlich viele Urankerne an der Spaltung beteiligt sind?

– Natürlich nimmt mit der gleichzeitigen Spaltung einer großen Anzahl von Urankernen die innere Energie der das Uran umgebenden Umgebung zu.

Aus Ihrem Chemiestudium wissen Sie, dass Reaktionen sowohl bei der Aufnahme von Energie als auch bei der Freisetzung ablaufen können. Was können wir über den Verlauf der Spaltungsreaktion von Urankernen sagen?

– Durch die Spaltungsreaktion von Urankernen wird Energie an die Umwelt abgegeben.

Die in den Atomkernen enthaltene Energie ist enorm. Beispielsweise würde bei der vollständigen Spaltung aller in 1 g Uran vorhandenen Kerne die gleiche Energiemenge freigesetzt werden, die bei der Verbrennung von 2,5 Tonnen Öl freigesetzt wird. Wir haben herausgefunden, was mit den Fragmenten passieren wird, Wie werden sich Neutronen verhalten?

– (Anhören der Annahmen der Schüler, Überprüfen der Annahmen durch Arbeiten mit dem interaktiven „Kettenreaktions“-Modell„1C-Repeater. Physik" ).

Richtig, Neutronen können auf ihrem Weg auf Urankerne treffen und eine Spaltung verursachen. Diese Reaktion wird als Kettenreaktion bezeichnet.

Was ist also die Voraussetzung für das Auftreten einer Kettenreaktion?

– Eine Kettenreaktion ist möglich, da bei der Spaltung jedes Kerns 2-3 Neutronen entstehen, die an der Spaltung anderer Kerne teilnehmen können.

Wir sehen, dass die Gesamtzahl der freien Neutronen in einem Stück Uran mit der Zeit lawinenartig zunimmt. Wozu könnte das führen?

- Zur Explosion.

– Die Zahl der Kernspaltungen nimmt zu und damit auch die pro Zeiteinheit freigesetzte Energie.

Es ist aber auch eine andere Möglichkeit möglich, bei der die Zahl der freien Neutronen mit der Zeit abnimmt und das Neutron auf seinem Weg nicht auf den Kern trifft. In diesem Fall Was passiert mit der Kettenreaktion?

- Es wird aufhören.

Ist es möglich, die Energie solcher Reaktionen für friedliche Zwecke zu nutzen?

Wie soll die Reaktion ablaufen?

– Die Reaktion muss so ablaufen, dass die Anzahl der Neutronen über die Zeit konstant bleibt.

Wie können wir sicherstellen, dass die Anzahl der Neutronen immer konstant bleibt?

- (Vorschläge der Jungs)

Um dieses Problem zu lösen, müssen Sie wissen, welche Faktoren die Zunahme und Abnahme der Gesamtzahl freier Neutronen in einem Stück Uran beeinflussen, in dem eine Kettenreaktion stattfindet.

Einer dieser Faktoren ist Masse Uran . Tatsache ist, dass nicht jedes bei der Kernspaltung emittierte Neutron die Spaltung anderer Kerne verursacht. Wenn die Masse (und dementsprechend die Abmessungen) eines Uranstücks zu klein ist, fliegen viele Neutronen aus ihm heraus, haben keine Zeit, auf ihrem Weg auf den Kern zu treffen, verursachen dessen Spaltung und erzeugen so eine neue Generation von Uran Neutronen, die zur Fortsetzung der Reaktion erforderlich sind. In diesem Fall wird die Kettenreaktion gestoppt. Damit die Reaktion weitergeht, ist es notwendig, die Uranmasse auf einen bestimmten Wert zu erhöhen, den sogenannten kritisch.

Warum wird mit zunehmender Masse eine Kettenreaktion möglich?

– Je größer die Masse des Stücks ist, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass Neutronen auf Kerne treffen. Dementsprechend nimmt die Zahl der Kernspaltungen und die Zahl der emittierten Neutronen zu.

Bei einer bestimmten sogenannten kritischen Masse von Uran entspricht die Anzahl der bei der Kernspaltung erzeugten Neutronen der Anzahl der verlorenen Neutronen (d. h. von Kernen ohne Spaltung eingefangen und außerhalb des Stücks emittiert).

Daher bleibt ihre Gesamtzahl unverändert. In diesem Fall kann die Kettenreaktion lange Zeit andauern, ohne anzuhalten und ohne explosiv zu werden.

Die kleinste Uranmasse, bei der eine Kettenreaktion stattfinden kann, wird als kritische Masse bezeichnet.

Wie läuft die Reaktion ab, wenn die Uranmasse größer als die kritische Masse ist?

– Durch einen starken Anstieg der Zahl freier Neutronen kommt es zu einer Kettenreaktion, die zu einer Explosion führt.

Was ist, wenn es weniger als kritisch ist?

– Die Reaktion läuft mangels freier Neutronen nicht ab.

Der Verlust von Neutronen (die aus Uran herausfliegen, ohne mit Kernen zu reagieren) kann nicht nur durch eine Erhöhung der Uranmasse, sondern auch durch den Einsatz einer speziellen Technologie verringert werden reflektierende Schale . Dazu wird ein Stück Uran in eine Hülle aus einem Stoff gegeben, der Neutronen gut reflektiert (zum Beispiel Beryllium). Von dieser Hülle reflektiert, kehren Neutronen zum Uran zurück und können an der Kernspaltung teilnehmen.

Neben der Masse und dem Vorhandensein einer reflektierenden Hülle gibt es noch mehrere andere Faktoren, von denen die Möglichkeit einer Kettenreaktion abhängt. Zum Beispiel, wenn ein Stück Uran enthält zu viel Verunreinigungen Andere chemische Elemente absorbieren dann die meisten Neutronen und die Reaktion kommt zum Stillstand.

Ein weiterer Faktor, der den Reaktionsverlauf beeinflusst, ist Verfügbarkeit im sogenannten Uran Neutronenmoderator . Tatsache ist, dass Uran-235-Kerne am wahrscheinlichsten unter dem Einfluss langsamer Neutronen spalten. Und bei der Kernspaltung entstehen schnelle Neutronen. Wenn schnelle Neutronen abgebremst werden, werden die meisten von ihnen von Uran-235-Kernen eingefangen und anschließend werden Substanzen wie Graphit, Herd, schweres Wasser und einige andere als Moderatoren verwendet. Diese Stoffe verlangsamen Neutronen nur, ohne sie nahezu zu absorbieren.

Was sind also die Hauptfaktoren, die den Verlauf einer Kettenreaktion beeinflussen können?

– Die Möglichkeit einer Kettenreaktion wird durch die Masse des Urans, die Menge der darin enthaltenen Verunreinigungen, das Vorhandensein einer Hülle und eines Moderators bestimmt.

Die kritische Masse eines kugelförmigen Stücks Uran-235 beträgt etwa 50 kg. Außerdem beträgt sein Radius nur 9 cm, da Uran eine sehr hohe Dichte hat.

Durch die Verwendung eines Moderators und einer reflektierenden Hülle sowie die Reduzierung der Menge an Verunreinigungen ist es möglich, die kritische Masse von Uran auf 0,8 kg zu reduzieren.

Im Jahr 1934 beschloss E. Fermi, Transurane durch Bestrahlung von 238 U mit Neutronen zu gewinnen. Die Idee von E. Fermi war, dass infolge des β-Zerfalls des Isotops 239 U chemisches Element mit der Seriennummer Z = 93. Die Entstehung des 93. Elements konnte jedoch nicht nachgewiesen werden. Stattdessen wurde als Ergebnis der radiochemischen Analyse radioaktiver Elemente durch O. Hahn und F. Strassmann gezeigt, dass eines der Produkte der Uranbestrahlung mit Neutronen Barium (Z = 56) ist – ein chemisches Element mit mittlerem Atomgewicht , während nach der Annahme der Fermi-Theorie Transuran-Elemente gewonnen werden sollten.
L. Meitner und O. Frisch schlugen vor, dass der zusammengesetzte Kern durch den Einfang eines Neutrons durch einen Urankern in zwei Teile zerfällt

92 U + n → 56 Ba + 36 Kr + xn.

Der Spaltungsprozess von Uran geht mit dem Auftreten sekundärer Neutronen (x > 1) einher, die die Spaltung anderer Urankerne bewirken können, was die Möglichkeit einer Spaltungskettenreaktion eröffnet – ein Neutron kann zu einem verzweigten Kern führen Kette der Spaltung von Urankernen. In diesem Fall sollte die Zahl der gespaltenen Kerne exponentiell zunehmen. N. Bohr und J. Wheeler berechneten die kritische Energie, die erforderlich ist, damit sich der 236 U-Kern, der durch den Neutroneneinfang durch das 235 U-Isotop entsteht, spaltet. Dieser Wert beträgt 6,2 MeV und ist damit geringer als die Anregungsenergie des 236 U-Isotops, das beim Einfangen eines thermischen Neutrons durch 235 U entsteht. Daher ist beim Einfangen thermischer Neutronen eine Spaltkettenreaktion von 235 U möglich Beim häufigsten Isotop 238 U beträgt die kritische Energie 5,9 MeV, während beim Einfangen eines thermischen Neutrons die Anregungsenergie des resultierenden 239 U-Kerns nur 5,2 MeV beträgt. Daher erweist sich die Kettenreaktion der Spaltung des häufigsten Isotops in der Natur, 238 U, unter dem Einfluss thermischer Neutronen als unmöglich. Bei einem Spaltungsereignis wird Energie ≈ 200 MeV freigesetzt (zum Vergleich in chemische Reaktionen Bei der Verbrennung in einem Reaktionsvorgang wird Energie ≈ 10 eV freigesetzt. Die Möglichkeit, Bedingungen für eine Spaltungskettenreaktion zu schaffen, hat Perspektiven eröffnet, die Energie der Kettenreaktion zu nutzen Kernreaktoren Und Atomwaffen. Der erste Kernreaktor wurde 1942 von E. Fermi in den USA gebaut. In der UdSSR wurde 1946 der erste Kernreaktor unter der Leitung von I. Kurchatov in Betrieb genommen. 1954 nahm in Obninsk das erste Kernkraftwerk der Welt seinen Betrieb auf. Derzeit wird in rund 440 Kernreaktoren in 30 Ländern elektrische Energie erzeugt.
1940 entdeckten G. Flerov und K. Petrzhak die spontane Spaltung von Uran. Die Komplexität des Experiments wird durch die folgenden Zahlen belegt. Die partielle Halbwertszeit im Verhältnis zur spontanen Spaltung des 238 U-Isotops beträgt 10 16 –10 17 Jahre, während die Zerfallszeit des 238 U-Isotops 4,5∙10 9 Jahre beträgt. Der Hauptzerfallskanal des 238 U-Isotops ist der α-Zerfall. Um die spontane Spaltung des 238 U-Isotops zu beobachten, war es notwendig, ein Spaltungsereignis vor einem Hintergrund von 10 7 –10 8 α-Zerfallsereignissen zu registrieren.
Die Wahrscheinlichkeit einer spontanen Spaltung wird hauptsächlich durch die Durchlässigkeit der Spaltbarriere bestimmt. Die Wahrscheinlichkeit einer spontanen Spaltung steigt mit zunehmender Kernladung, weil in diesem Fall erhöht sich der Teilungsparameter Z 2 /A. In Isotopen Z< 92-95 деление происходит преимущественно с образованием двух осколков деления с отношением масс тяжёлого и лёгкого осколков 3:2. В изотопах Z >100 überwiegt die symmetrische Spaltung unter Bildung von Fragmenten gleicher Masse. Mit zunehmender Kernladung nimmt der Anteil der spontanen Spaltung im Vergleich zum α-Zerfall zu.

Isotop	Halbwertszeit	Zerfallskanäle
235U	7.04·10 8 Jahre	α (100 %), SF (7·10 -9 %)
238 U	4,47 10 9 Jahre	α (100 %), SF (5,5·10 -5 %)
240 Pu	6,56·10 3 Jahre	α (100 %), SF (5,7·10 -6 %)
242 Pu	3,75 10 5 Jahre	α (100 %), SF (5,5·10 -4 %)
246 cm	4,76·10 3 Jahre	α (99,97 %), SF (0,03 %)
252 Vgl	2,64 Jahre	α (96,91 %), SF (3,09 %)
254 Vgl	60,5 Jahre	α (0,31 %), SF (99,69 %)
256 Vgl	12,3 Jahre	α (7,04·10 -8 %), SF (100 %)

Kernspaltung. Geschichte

1934- E. Fermi entdeckte bei der Bestrahlung von Uran mit thermischen Neutronen unter den Reaktionsprodukten radioaktive Kerne, deren Natur nicht bestimmt werden konnte.
L. Szilard vertrat die Idee einer nuklearen Kettenreaktion.

1939− O. Hahn und F. Strassmann entdeckten Barium unter den Reaktionsprodukten.
L. Meitner und O. Frisch gaben als erste bekannt, dass Uran unter dem Einfluss von Neutronen in zwei Fragmente vergleichbarer Masse geteilt wurde.
N. Bohr und J. Wheeler gaben eine quantitative Interpretation der Kernspaltung, indem sie den Spaltungsparameter einführten.
Ya. Frenkel entwickelte die Tröpfchentheorie der Kernspaltung durch langsame Neutronen.
L. Szilard, E. Wigner, E. Fermi, J. Wheeler, F. Joliot-Curie, Y. Zeldovich und Y. Khariton begründeten die Möglichkeit einer Kettenreaktion der Kernspaltung in Uran.

1940− G. Flerov und K. Pietrzak entdeckten das Phänomen der spontanen Spaltung von Uran-U-Kernen.

1942− E. Fermi führte im ersten Atomreaktor eine kontrollierte Spaltkettenreaktion durch.

1945− Erster Test Atomwaffen(Nevada, USA). Amerikanische Truppen warfen Atombomben auf die japanischen Städte Hiroshima (6. August) und Nagasaki (9. August).

1946− Unter der Leitung von I.V. Kurtschatow, der erste Reaktor Europas, wurde in Betrieb genommen.

1954− Das weltweit erste Kernkraftwerk wurde in Betrieb genommen (Obninsk, UdSSR).

Kernspaltung.Seit 1934 begann E. Fermi, Neutronen zum Beschuss von Atomen einzusetzen. Seitdem ist die Zahl der stabilen oder radioaktiven Kerne, die durch künstliche Transformation gewonnen wurden, auf viele Hundert und fast überall gestiegen Periodensystem gefüllt mit Isotopen.
Die bei all diesen Kernreaktionen entstehenden Atome besetzten im Periodensystem denselben Platz wie das beschossene Atom oder benachbarte Plätze. Daher sorgte der Beweis von Hahn und Strassmann im Jahr 1938, dass beim Beschuss mit Neutronen das letzte Element des Periodensystems für großes Aufsehen sorgte−Uran−Die Zerlegung erfolgt in Elemente, die sich in den mittleren Teilen des Periodensystems befinden. Hier gibt es verschiedene Arten von Verfall. Die entstehenden Atome sind meist instabil und zerfallen sofort weiter; Einige haben Halbwertszeiten, die in Sekunden gemessen werden, daher musste Hahn Curies Analysemethode verwenden, um einen so schnellen Prozess zu verlängern. Es ist wichtig zu beachten, dass die vorgelagerten Elemente Uran, Protactinium und Thorium, ebenfalls einen ähnlichen Zerfall zeigen, wenn sie Neutronen ausgesetzt werden, obwohl für den Zerfall höhere Neutronenenergien erforderlich sind als im Fall von Uran. Gleichzeitig entdeckten G.N. Flerov und K.A. Petrzhak die spontane Spaltung eines Urankerns mit der größten bis dahin bekannten Halbwertszeit: etwa 2· 10 15 Jahre; Dieser Sachverhalt wird durch die dabei freigesetzten Neutronen deutlich. Dadurch konnte verstanden werden, warum das „natürliche“ Periodensystem mit den drei genannten Elementen endet. Mittlerweile sind Transurane bekannt geworden, allerdings sind sie so instabil, dass sie schnell zerfallen.
Die Spaltung von Uran mittels Neutronen ermöglicht nun die Nutzung der Atomenergie, die sich viele bereits als „den Traum von Jules Verne“ vorgestellt haben.

M. Laue, „Geschichte der Physik“

1939 entdeckten O. Hahn und F. Strassmann bei der Bestrahlung von Uransalzen mit thermischen Neutronen Barium (Z = 56) unter den Reaktionsprodukten

Otto Gann (1879 – 1968)

Unter Kernspaltung versteht man die Spaltung eines Kerns in zwei (seltener drei) Kerne mit ähnlicher Masse, die als Spaltfragmente bezeichnet werden. Bei der Spaltung entstehen auch andere Teilchen – Neutronen, Elektronen, α-Teilchen. Bei der Spaltung wird Energie von etwa 200 MeV freigesetzt. Die Spaltung kann spontan oder erzwungen unter dem Einfluss anderer Teilchen, am häufigsten Neutronen, erfolgen.
Charakteristisches Merkmal Spaltung besteht darin, dass sich Spaltfragmente in der Regel deutlich in der Masse unterscheiden, d. h. die asymmetrische Spaltung überwiegt. Somit beträgt bei der wahrscheinlichsten Spaltung des Uranisotops 236 U das Verhältnis der Massen der Fragmente 1,46. Das schwere Fragment hat eine Massenzahl von 139 (Xenon) und das leichte Fragment hat eine Massenzahl von 95 (Strontium). Unter Berücksichtigung der Emission zweier schneller Neutronen hat die betrachtete Spaltungsreaktion die Form

Nobelpreis für Chemie
1944 – O. Gan.
Zur Entdeckung der Spaltungsreaktion von Urankernen durch Neutronen.

Spaltfragmente

Abhängigkeit der durchschnittlichen Massen leichter und schwerer Fragmentgruppen von der Masse des spaltbaren Kerns.

Entdeckung der Kernspaltung. 1939

Ich kam in Schweden an, wo Lise Meitner unter Einsamkeit litt, und beschloss, wie ein hingebungsvoller Neffe, sie zu Weihnachten zu besuchen. Sie lebte in dem kleinen Hotel Kungälv in der Nähe von Göteborg. Ich habe sie beim Frühstück gefunden. Sie dachte an den Brief, den sie gerade von Gan erhalten hatte. Ich war sehr skeptisch gegenüber dem Inhalt des Briefes, in dem von der Entstehung von Barium bei der Bestrahlung von Uran mit Neutronen berichtet wurde. Sie fühlte sich jedoch von der Gelegenheit angezogen. Wir gingen durch den Schnee, sie zu Fuß, ich auf Skiern (sie sagte, dass sie es schaffen würde, ohne hinter mir zurückzufallen, und sie hat es bewiesen). Am Ende des Spaziergangs konnten wir bereits einige Schlussfolgerungen formulieren; Der Kern spaltete sich nicht und es flogen auch keine Stücke davon ab, aber dieser Vorgang erinnerte eher an Bohrs Tröpfchenmodell des Kerns; Wie ein Tropfen könnte sich der Kern verlängern und teilen. Ich habe dann untersucht, wie die elektrische Ladung der Nukleonen die Oberflächenspannung verringert, die meiner Meinung nach bei Z = 100 Null ist und für Uran wahrscheinlich sehr niedrig ist. Lise Meitner arbeitete daran, die Energie zu bestimmen, die bei jedem Zerfall aufgrund eines Massendefekts freigesetzt wird. Sie war sich über die Massendefektkurve sehr im Klaren. Es stellte sich heraus, dass die Spaltelemente aufgrund der elektrostatischen Abstoßung eine Energie von etwa 200 MeV annehmen würden, was genau der Energie entsprach, die mit dem Massendefekt verbunden ist. Daher könnte der Prozess rein klassisch ablaufen, ohne sich auf das Konzept der Durchquerung einer potenziellen Barriere zu berufen, was hier natürlich nutzlos wäre.
Über Weihnachten verbrachten wir zwei, drei Tage zusammen. Dann kehrte ich nach Kopenhagen zurück und hatte kaum Zeit, Bohr über unsere Idee zu informieren, als er bereits an Bord eines Schiffes ging, das in die USA fuhr. Ich erinnere mich, wie er sich, sobald ich zu sprechen begann, auf die Stirn schlug und ausrief: „Oh, was waren wir doch für Idioten!“ Das hätten wir früher bemerken müssen. Aber er bemerkte es nicht und niemand bemerkte es.
Lise Meitner und ich haben einen Artikel geschrieben. Gleichzeitig blieben wir ständig per Ferngespräch von Kopenhagen nach Stockholm in Kontakt.

O. Frisch, Memoiren. UFN. 1968. T. 96, Heft 4, S. 697.

Spontane Kernspaltung

In den nachfolgend beschriebenen Experimenten verwendeten wir die erstmals von Frisch vorgeschlagene Methode zur Aufzeichnung von Kernspaltungsvorgängen. Eine Ionisationskammer mit Platten, die mit einer Uranoxidschicht beschichtet sind, ist mit einem linearen Verstärker verbunden, der so konfiguriert ist, dass vom Uran emittierte α-Partikel vom System nicht erkannt werden; Impulse von Fragmenten, die viel größer sind als Impulse von α-Teilchen, entsperren das Ausgangs-Thyratron und gelten als mechanisches Relais.
Eine Ionisationskammer wurde speziell in Form eines mehrschichtigen Flachkondensators mit einer Gesamtfläche von 15 Platten pro 1000 cm2 entwickelt. Die Platten, die im Abstand von 3 mm voneinander angeordnet waren, waren mit einer Schicht aus Uranoxid 10 beschichtet -20 mg/cm 2 .
In den allerersten Experimenten mit einem Verstärker, der für die Zählung von Fragmenten konfiguriert war, war es möglich, spontane (ohne Neutronenquelle) Impulse auf einem Relais und einem Oszilloskop zu beobachten. Die Anzahl dieser Impulse war gering (6 in 1 Stunde), und es ist daher verständlich, dass dieses Phänomen mit Kameras des üblichen Typs nicht beobachtet werden konnte ...
Wir neigen dazu, das zu denken Der von uns beobachtete Effekt sollte Fragmenten zugeschrieben werden, die aus der spontanen Spaltung von Uran resultieren ...

Die spontane Spaltung sollte einem der nicht angeregten U-Isotope zugeschrieben werden, deren Halbwertszeiten sich aus einer Auswertung unserer Ergebnisse ergaben:

U 238 – 10 16 ~ 10 17 Jahre,
U 235 – 10 14 ~ 10 15 Jahre,
U 234 – 10 12 ~ 10 13 Jahre.

Isotopenzerfall 238 U

Spontane Kernspaltung

Halbwertszeiten spontan spaltbarer Isotope Z = 92 - 100

Die erste Versuchsanlage mit einem Uran-Graphit-Gitter wurde 1941 unter der Leitung von E. Fermi gebaut. Es handelte sich um einen Graphitwürfel mit einer Kantenlänge von 2,5 m, der etwa 7 Tonnen Uranoxid enthielt, eingeschlossen in Eisengefäßen, die in gleichen Abständen voneinander im Würfel platziert waren. Am Boden des Uran-Graphit-Gitters wurde eine RaBe-Neutronenquelle platziert. Der Reproduktionskoeffizient in einem solchen System betrug ≈ 0,7. Uranoxid enthielt 2 bis 5 % Verunreinigungen. Weitere Anstrengungen zielten darauf ab, reinere Materialien zu erhalten, und im Mai 1942 wurde Uranoxid gewonnen, dessen Verunreinigung weniger als 1 % betrug. Um eine Spaltkettenreaktion sicherzustellen, mussten große Mengen an Graphit und Uran eingesetzt werden – in der Größenordnung von mehreren Tonnen. Die Verunreinigungen mussten weniger als ein paar Teile pro Million betragen. Der Reaktor, der Ende 1942 von Fermi an der Universität von Chicago zusammengebaut wurde, hatte die Form eines unvollständigen, von oben abgeschnittenen Sphäroids. Es enthielt 40 Tonnen Uran und 385 Tonnen Graphit. Am Abend des 2. Dezember 1942 wurde nach der Entfernung der Neutronenabsorberstäbe festgestellt, dass im Reaktor eine nukleare Kettenreaktion ablief. Der gemessene Koeffizient betrug 1,0006. Der Reaktor arbeitete zunächst mit einer Leistung von 0,5 W. Bis zum 12. Dezember wurde seine Leistung auf 200 Watt erhöht. Anschließend wurde der Reaktor an einen sichereren Ort verlegt und seine Leistung auf mehrere kW erhöht. Gleichzeitig verbrauchte der Reaktor 0,002 g Uran-235 pro Tag.

Der erste Kernreaktor in der UdSSR

Das Gebäude für den ersten Kernforschungsreaktor der UdSSR, F-1, war im Juni 1946 fertig.
Nachdem alle notwendigen Experimente durchgeführt, ein Steuerungs- und Schutzsystem für den Reaktor entwickelt, die Abmessungen des Reaktors festgelegt, alle notwendigen Experimente mit Reaktormodellen durchgeführt und die Neutronendichte bestimmt wurden Nach mehreren Modellen wurden Graphitblöcke (die sogenannte Kernreinheit) und (nach neutronenphysikalischen Untersuchungen) Uranblöcke erhalten, im November 1946 begann man mit dem Bau des F-1-Reaktors.
Der Gesamtradius des Reaktors betrug 3,8 m. Es wurden 400 Tonnen Graphit und 45 Tonnen Uran benötigt. Der Reaktor wurde schichtweise zusammengebaut und am 25. Dezember 1946 um 15:00 Uhr wurde die letzte, 62. Schicht zusammengebaut. Nach dem Entfernen der sogenannten Notstäbe wurde der Steuerstab angehoben, die Neutronendichtezählung begann und am 25. Dezember 1946 um 18:00 Uhr erwachte der erste Reaktor in der UdSSR zum Leben und nahm seine Arbeit auf. Es war ein aufregender Sieg für die Wissenschaftler, die den Kernreaktor entwickelten, und für das gesamte sowjetische Volk. Und anderthalb Jahre später, am 10. Juni 1948, erreichte der Industriereaktor mit Wasser in den Kanälen einen kritischen Zustand und bald begann die industrielle Produktion eines neuen Kernbrennstofftyps, Plutonium.

Unter Kernspaltung versteht man die Spaltung eines schweren Atoms in zwei etwa gleich schwere Bruchstücke unter Freisetzung großer Energiemengen.

Die Entdeckung der Kernspaltung begann neue Ära- „Atomzeitalter“. Das Potenzial seiner möglichen Nutzung und das Risiko-Nutzen-Verhältnis seiner Nutzung führten nicht nur zu vielen soziologischen, politischen, wirtschaftlichen und wissenschaftliche Errungenschaften, aber auch ernste Probleme. Selbst aus rein wissenschaftlicher Sicht hat der Prozess der Kernspaltung zahlreiche Rätsel und Komplikationen aufgeworfen, und seine vollständige theoretische Erklärung ist eine Frage der Zukunft.

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Die Bindungsenergien (pro Nukleon) unterscheiden sich für verschiedene Kerne. Schwerere haben eine niedrigere Bindungsenergie als diejenigen, die in der Mitte des Periodensystems stehen.

Das bedeutet, dass schwere Kerne mit einer Ordnungszahl über 100 von der Aufspaltung in zwei kleinere Fragmente profitieren und dabei Energie freisetzen, die in kinetische Energie der Fragmente umgewandelt wird. Dieser Vorgang wird als Spaltung bezeichnet

Gemäß der Stabilitätskurve, die die Anzahl der Protonen gegenüber der Anzahl der Neutronen für stabile Nuklide zeigt, bevorzugen schwerere Kerne eine höhere Anzahl von Neutronen (im Verhältnis zur Anzahl der Protonen) als leichtere Kerne. Dies deutet darauf hin, dass beim Spaltungsprozess einige „Ersatzneutronen“ emittiert werden. Darüber hinaus absorbieren sie auch einen Teil der freigesetzten Energie. Eine Untersuchung der Kernspaltung eines Uranatoms ergab, dass 3-4 Neutronen freigesetzt werden: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

Die Ordnungszahl (und Atommasse) des Fragments ist nicht gleich der Hälfte Atommasse Elternteil. Der Unterschied zwischen den Massen der durch die Spaltung entstehenden Atome beträgt normalerweise etwa 50. Der Grund dafür ist jedoch noch nicht ganz klar.

Die Bindungsenergien von 238 U, 145 La und 90 Br betragen 1803, 1198 bzw. 763 MeV. Dies bedeutet, dass als Ergebnis dieser Reaktion die Spaltungsenergie des Urankerns freigesetzt wird, die 1198 + 763-1803 = 158 MeV entspricht.

Spontane Spaltung

Spontane Spaltungsprozesse sind in der Natur bekannt, aber sehr selten. Die durchschnittliche Lebensdauer dieses Prozesses beträgt etwa 10 17 Jahre, und beispielsweise beträgt die durchschnittliche Lebensdauer des Alpha-Zerfalls desselben Radionuklids etwa 10 11 Jahre.

Der Grund dafür ist, dass der Kern, um in zwei Teile zu spalten, zunächst eine Verformung (Streckung) in eine ellipsoide Form erfahren muss und dann, bevor er schließlich in zwei Fragmente spaltet, in der Mitte einen „Hals“ bildet.

Potenzielle Barriere

Im verformten Zustand wirken zwei Kräfte auf den Kern. Das eine ist eine erhöhte Oberflächenenergie (die Oberflächenspannung eines Flüssigkeitstropfens erklärt seine Kugelform) und das andere ist die Coulomb-Abstoßung zwischen Spaltfragmenten. Zusammen bilden sie eine potenzielle Barriere.

Wie beim Alpha-Zerfall müssen die Fragmente diese Barriere mithilfe von Quantentunneln überwinden, damit der Kern eines Uranatoms spontan gespalten werden kann. Der Barrierewert beträgt etwa 6 MeV, wie beim Alpha-Zerfall, aber die Wahrscheinlichkeit, dass ein Alpha-Teilchen tunnelt, ist viel größer als die des viel schwereren Atomspaltungsprodukts.

Zwangsaufteilung

Viel wahrscheinlicher ist die induzierte Spaltung des Urankerns. Dabei wird der Mutterkern mit Neutronen bestrahlt. Wenn das Elternteil es absorbiert, verbinden sie sich und geben Bindungsenergie in Form von Schwingungsenergie frei, die die zur Überwindung der Potentialbarriere erforderlichen 6 MeV überschreiten kann.

Reicht die Energie des zusätzlichen Neutrons nicht aus, um die Potentialbarriere zu überwinden, muss das einfallende Neutron eine minimale kinetische Energie haben, um eine Atomspaltung induzieren zu können. Im Fall von 238 U fehlt die Bindungsenergie zusätzlicher Neutronen um etwa 1 MeV. Dies bedeutet, dass die Spaltung eines Urankerns nur durch ein Neutron mit einer kinetischen Energie von mehr als 1 MeV induziert wird. Andererseits hat das 235 U-Isotop ein ungepaartes Neutron. Wenn ein Kern einen weiteren absorbiert, paart er sich mit diesem, und diese Paarung führt zu zusätzlicher Bindungsenergie. Dies reicht aus, um die Energiemenge freizusetzen, die der Kern benötigt, um die Potentialbarriere zu überwinden, und bei der Kollision mit einem Neutron kommt es zur Isotopenspaltung.

Beta-Zerfall

Auch wenn bei der Spaltreaktion drei oder vier Neutronen entstehen, enthalten die Fragmente immer noch mehr Neutronen als ihre stabilen Isobaren. Dies bedeutet, dass Spaltungsfragmente dazu neigen, gegenüber dem Beta-Zerfall instabil zu sein.

Wenn beispielsweise der Urankern 238 U gespalten wird, ist die stabile Isobare mit A = 145 Neodym 145 Nd, was bedeutet, dass das Lanthan 145 La-Fragment in drei Stufen zerfällt und jedes Mal ein Elektron und ein Antineutrino emittiert, bis a Es entsteht ein stabiles Nuklid. Eine stabile Isobare mit A = 90 ist Zirkonium 90 Zr, daher zerfällt das Spaltfragment von Brom 90 Br in fünf Stufen der β-Zerfallskette.

Diese β-Zerfallsketten setzen zusätzliche Energie frei, die fast vollständig von Elektronen und Antineutrinos abtransportiert wird.

Kernreaktionen: Spaltung von Urankernen

Eine direkte Neutronenemission von einem Nuklid mit zu vielen Neutronen, um die Kernstabilität zu gewährleisten, ist unwahrscheinlich. Der Punkt hier ist, dass es keine Coulomb-Abstoßung gibt und daher die Oberflächenenergie dazu neigt, das Neutron an das Elternteil gebunden zu halten. Dies kommt jedoch manchmal vor. Beispielsweise erzeugt das Spaltfragment von 90 Br im ersten Stadium des Betazerfalls Krypton-90, das sich in einem angeregten Zustand mit genügend Energie befinden kann, um die Oberflächenenergie zu überwinden. In diesem Fall kann die Neutronenemission direkt mit der Bildung von Krypton-89 einhergehen. ist immer noch instabil gegenüber dem β-Zerfall, bis es zu stabilem Yttrium-89 wird, sodass Krypton-89 in drei Schritten zerfällt.

Spaltung von Urankernen: Kettenreaktion

Bei der Spaltungsreaktion emittierte Neutronen können von einem anderen Mutterkern absorbiert werden, der dann selbst eine induzierte Spaltung durchläuft. Im Fall von Uran-238 entstehen drei Neutronen mit einer Energie von weniger als 1 MeV (die bei der Spaltung des Urankerns freigesetzte Energie – 158 MeV – wird hauptsächlich in die kinetische Energie der Spaltfragmente umgewandelt). ), so dass sie keine weitere Spaltung dieses Nuklids bewirken können. Bei einer signifikanten Konzentration des seltenen Isotops 235 U können diese freien Neutronen jedoch von 235 U-Kernen eingefangen werden, was tatsächlich zur Spaltung führen kann, da es in diesem Fall keine Energieschwelle gibt, unterhalb derer keine Spaltung induziert wird.

Dies ist das Prinzip einer Kettenreaktion.

Arten von Kernreaktionen

Sei k die Anzahl der Neutronen, die in einer Probe spaltbaren Materials auf der Stufe n dieser Kette erzeugt werden, geteilt durch die Anzahl der auf der Stufe n - 1 erzeugten Neutronen. Diese Zahl hängt davon ab, wie viele auf der Stufe n - 1 erzeugte Neutronen absorbiert werden durch den Kern, der einer erzwungenen Teilung unterliegen kann.

Wenn k< 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.

Wenn k > 1, dann wächst die Kettenreaktion, bis das gesamte spaltbare Material aufgebraucht ist. Dies wird durch die Anreicherung von natürlichem Erz erreicht, um eine ausreichend große Konzentration an Uran-235 zu erhalten. Bei einer kugelförmigen Probe steigt der Wert von k mit zunehmender Wahrscheinlichkeit der Neutronenabsorption, die vom Radius der Kugel abhängt. Daher muss die Masse U einen bestimmten Betrag überschreiten, damit es zur Spaltung von Urankernen (Kettenreaktion) kommen kann.

Wenn k = 1, dann findet eine kontrollierte Reaktion statt. Dies wird in Kernreaktoren verwendet. Der Prozess wird durch die Verteilung von Cadmium- oder Borstäben im Uran gesteuert, die die meisten Neutronen absorbieren (diese Elemente haben die Fähigkeit, Neutronen einzufangen). Die Spaltung des Urankerns wird automatisch durch Bewegen der Stäbe gesteuert, sodass der Wert von k gleich eins bleibt.