Атомные ядра, содержащие большое число нуклонов, неустойчивы и могут распадаться. В 1939 г. немецкие ученые Отто Ган и Франц Штрассман наблюдали деление ядра урана под действием медленных нейтронов. Использование именно нейтронов для деления ядер обусловлено их электронейтральностью. Отсутствие кулоновского отталкивания протонами ядра позволяет нейтронам беспрепятственно проникать в атомное ядро. Временный захват нейтрона нарушает хрупкую стабильность ядра, обусловленную тонким балансом сил кулоновского отталкивания и ядерного притяжения.

Делением ядра называется ядерная реакция деления тяжелого ядра, возбужденного захватом нейтрона, на две приблизительно равные части, называемые осколками деления. Делением ядра называется ядерная реакция деления тяжелого ядра, возбужденного захватом нейтрона, на две приблизительно равные части, называемые осколками деления. При одновременном делении большого количества ядер урана внутренняя энергия окружающей уран среды и соответственно ее температура заметно возрастают. Таким образом, реакция деления ядер урана идет с выделением энергии в окружающую среду.

В ядре действует два вида сил: электростатические силы отталкивания между протонами, стремящиеся разорвать ядро и ядерные силы притяжения между всеми нуклонами, благодаря которым ядро не распадается. Ядро урана-235 имеет форму шара. Поглотив лишний нейтрон, ядро возбуждается и начинает деформироваться, приобретая вытянутую форму. Ядро растягивается до тех пор, пока силы отталкивания между половинками вытянутого ядра не начинаю преобладать над силами притяжения, действующими в перешейке. После этого ядро разрывается на две части. Механизм деления ядра. В результате реакции деления ядра урана- 235 образуется два или три нейтрона.

Ядерная реакция – это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, сопровождающийся изменением состава и структуры ядра и выделением вторичных частиц или γ-квантов. Ядерная реакция – это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, сопровождающийся изменением состава и структуры ядра и выделением вторичных частиц или γ-квантов. При делении ядра урана-235, которое вызвано столкновением с нейтроном, освобождается 2 или 3 нейтрона. При благоприятных условиях эти нейтроны могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. На этом этапе появятся уже от 4 до 9 нейтронов, способных вызвать новые распады ядер урана и т. д. Суть этой реакции заключается в том, что испущенные при делении одного ядра N нейтронов могут вызвать деление N ядер, в результате чего будет испущено N 2 новых нейтронов, которые вызовут деление N 2 ядер, и т.д. Такой лавинообразный процесс называется цепной реакцией. Скорость цепной реакции деления ядер характеризуют коэффициентом размножения нейтронов.

Схема развития цепной реакции деления ядер урана

Коэффициент размножения нейтронов k - отношение числа нейтронов в данном этапе цепной реакции к их числу в предыдущем этапе. Если k 1, то число нейтронов увеличивается с течением временим или остается постоянным и цепная реакция идет. Если k <1, то число нейтронов убывает и цепная реакция невозможна. При k =1 реакция протекает стационарно: число нейтронов сохраняется неизменным. Это равенство необходимо поддерживать с большой точностью. Уже при k =1,01 почти мгновенно произойдет взрыв. Наименьшая масса урана, при которой возможно протекание цепной реакции, называется критической массой.

Факторы возможности протекания цепной реакции. Масса урана. Если масса урана больше критической, то в результате резкого увеличения числа свободный нейтронов цепная реакция приводит к взрыву, а если меньше критической, то реакция не протекает из-за недостатка свободных нейтронов. Отражающая оболочка. Уменьшить потерю нейтронов можно не только за счет увеличения массы урана, но и с помощью специальной отражающей оболочки. Для этого кусок урана помещают в оболочку, сделанную из вещества, хорошо отражающего нейтроны. Отражаясь от этой оболочки, нейтроны возвращаются в уран и могут принять участие в делении ядер. Количество примесей. Если кусок урана содержит слишком много примесей других химических элементов, то они поглощают большую часть нейтронов и реакция прекращается. Замедлитель нейтронов. Ядра урана-235 делятся под действием медленных нейтронов. А при делении ядер образуются быстрые нейтроны. Если быстрые нейтроны замедлить, то большая их часть захватится ядрами урана-235 с последующим делением этих ядер. В качестве замедлителей используют такие вещества, как графит, вода, тяжелая вода и некоторые другие.

Ядерный реактор - это устройство, предназначенное для превращения энергии атомного ядра в электрическую энергию. В ядре реактора находится радиоактивное вещество (обычно, уран или плутоний). Управление ядерной реакцией заключается в регулировании скорости размножения свободных нейтронов в уране, чтобы их число оставалось неизменным. Реактор, работающий на уране-235, называется реактором на медленных нейтронах. Он назван так, потому что уран- 235 наиболее эффективно делиться под действием медленных нейтронов.

Устройство и принцип действия ядерного реактора Ядерный реактор - это устройство, предназначенное для превращения энергии атомного ядра в электрическую энергию. В ядре реактора находится радиоактивное вещество (обычно, уран или плутоний). Энергия, выделяемая за счет α- распада этих атомов, нагревает воду. Получающийся водяной пар устремляется в паровую турбину; за счет ее вращения в электрогенераторе вырабатывается электрический ток. Теплая вода после соответствующей очистки выливается в расположенный рядом водоем; оттуда же в реактор поступает холодная вода. Специальный герметичный кожух защищает окружающую среду от смертоносного излучения. Специальные стержни поглощают нейтроны. С их помощью можно управлять ходом реакции. Задвинув стержни обратно, можно приостановить цепную реакцию.

Ядерный реактор является основным элементом атомной электростанции (АЭС), преобразующей тепловую ядерную энергию в электрическую. В результате деления ядер в реакторе выделяется тепловая энергия. Эта энергия преобразуется в энергию пара, вращающего паровую турбину. Паровая турбина в свою очередь вращает ротор генератора, вырабатывающего электрический ток. Таким образом, преобразование происходит по следующей схеме: внутренняя энергия ядер урана кинетическая энергия нейтронов и осколков ядер внутренняя энергия воды внутренняя энергия пара кинетическая энергия пара кинетическая энергия ротора турбины и ротора генератора электрическая энергия.

Задачи 1. Почему энергия связи атома водорода равна нулю ? 2. Какую роль выполняют графит и вода в ядерных реакторах? 3. Определите дефект масс и энергию связи ядра атома урана ? 4. Какова энергия связи ядра углерода ? 5. Выделяется или поглощается энергия при следующей ядерной реакции: ? 6. Какой энергетический выход ядерной реакции ?