Физика Физика 9 класс 9 класс

Деление ядер урана при бомбардировке их нейтронами было от­крыто в 1939 г. немецкими учеными Отто Ганом и Фрицем Штрассманом. Отто Ган Фриц Штрассман Под действи­ем электростатических сил отталкивания ядро разрывается на две части, которые разлетаются в разные стороны с огромной скоростью и излучают при этом 2 3 нейтрона. Рассмотрим механизм этого явления. На рисунке 173, а условно изображено ядро атома урана 92 U 235 Поглотив лишний нейтрон, яд­ро возбуждается и деформируется, приобретая вытянутую форму n n n n 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.

Часть внутренней энергии ядра переходит в кинетическую энергию разлетающихся осколков и частиц. Осколки быстро тормозятся в окружающей среде, в результате чего их кине­тическая энергия преобразуется во внутреннюю энергию среды (т.е. в энергию взаимодействия и теплового движения составляющих ее частиц). При одновременном делении большого количества ядер урана внутренняя энергия окружающей уран среды и соответственно ее температура заметно возрастают (т. е. среда нагревается). Таким образом, реакция деления ядер урана идет с выделе­нием энергии в окружающую среду. Энергия, заключенная в ядрах атомов, колоссальна. Например, при полном делении всех ядер, имеющихся в 1 г урана, выделилось бы столько же энергии, сколько выделяется при сгорании 2,5 т нефти.

92 U кг 3000 т каменного угля Е 1 = Е 2 Е1Е1 Е2Е2 В 1 кг урана содержится столько энергии, сколько можно получить при сжигании 3000 т каменного угля (примерно железнодорожный состав из 60 вагонов).

n На атомных электростанциях используют так называемые цепные реакции деления ядер. Рассмотрим механизм протекания цепной реакции деления ядра изотопа урана 92 U 235. Ядро атома урана в результате захвата нейтрона разделилось на две час­ти, излучив при этом три нейтрона. Два из этих нейтронов вызвали реакцию деления еще двух ядер, при этом образовалось уже четыре нейтрона. Эти, в свою очередь, вызвали деление четырех ядер, после чего образовалось девять нейтронов и т. д.

На рисунке показана схема цепной реакции, при которой общее число свободных нейтронов в куске урана лавинообразно увеличи­вается со временем. Соответственно резко возрастает число делений ядер и энергия, выделяющаяся в единицу времени. Поэтому такая ре­акция носит взрывной характер (она протекает в атомной бомбе). Цепная реакция возможна благодаря тому, что при делении каж­дого ядра образуется 23 нейтрона, которые могут принять участие в делении других ядер. Возможен другой вариант, при котором число свободных нейтро­нов уменьшается со временем. В этом случае цепная реакция прекра­ щается. Следовательно, такую реакцию тоже нельзя использовать для производства электроэнергии. В мирных целях возможно использовать энергию только такой цепной реакции, в которой число нейтронов не меняется с течением времени.

Для решения этой проблемы нужно знать, какие факто­ры влияют на увеличение и на уменьшение общего числа свободных нейтронов в куске урана, в котором протекает цепная реакция. Масса урана Количество примесей в уране Замедлитель Другие факторы Как же добиться того, чтобы число нейтронов все время оставалось постоянным? Оболочка Факторы

Масса урана Одним из таких факторов является масса урана. Дело в том, что не каждый нейтрон, излученный при делении ядра, вызывает де­ление других ядер. Если масса (и соответственно размеры) куска урана слишком мала, то многие нейтроны вылетят за его пре­ делы, не успев встретить на своем пути ядро, вызвать его деление и породить таким образом новое поколение нейтронов, необходимых для продолжения реакции. В этом случае цепная реакция прекра­ тится. Чтобы реакция не прекращалась, нужно увеличить массу урана до определенного значения, называемого критическим. Почему при увеличении массы цепная реакция становится возможной? Чем больше масса куска, тем больше его размеры и тем длиннее путь, который проходят в нем нейтроны. При этом вероятность встречи нейтронов с ядрами возрастает. Соответственно увеличивается число делений ядер и число излучаемых нейтронов. При некоторой так называемой критической массе урана число нейтронов, появившихся при делении ядер, становится равным числу потерянных нейтронов (т. е. захваченных ядрами без деления и вылетевших за пределы куска). Поэтому их общее число остается неизменным. При этом цепная реакция может идти длительное время, не прекращаясь и не приоб­ретая взрывного характера. Наименьшая масса урана, при которой возможно про­текание цепной реакции, называется критической массой. Если масса урана больше критической, то в результате резкого увеличения числа свободных нейтронов цепная реакция приводит к взрыву, а если меньше критической, то реакция не протекает из-за недостатка свободных нейтронов.

Количество примесей в уране Уменьшить потерю нейтронов (которые вылетают из урана, не прореагировав с ядрами) 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 (например, из бериллия). Отражаясь от этой оболочки, нейтроны возвращаются в уран и могут принять участие в делении ядер. Помимо массы и наличия отражающей оболочки существует еще несколько факторов, от которых зависит возможность протекания цепной реакции. Например, если кусок урана содержит слишком много примесей других химических элементов, то они поглощают большую часть нейтронов и реакция прекращается. Оболочка

Замедлитель Еще одним фактором, влияющим на ход реакции, является нали­чие в уране так называемого замедлителя нейтронов. Дело в том, что ядра урана-235 с наибольшей вероятностью 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 используются такие вещества, как графит, вода, тяжелая вода (в состав которой входит дейтерий изотоп водорода с массовым числом 2) и некоторые другие. Эти веще­ ства только замедляют нейтроны, почти не поглощая их. Опасность! Высокое давление! Ввести регулировочные стержни!

Таким образом, возможность протекания цепной реакции опре­ деляется массой урана, количеством примесей в нем, наличи­ем оболочки и замедлителя и некоторыми другими факторами. Критическая масса шарообразного куска урана-235 приблизительно равна 50 кг. При этом его радиус составляет всего 9 см, поскольку уран имеет очень большую плотность. Применяя замедлитель и отражающую оболочку и уменьшая коли­чество примесей, удается снизить критическую массу урана до 0,8 кг. Плутониевый шар (макет), окружённый отражающими нейтроны блоками из карбида вольфрама. Реконструкция прибора 1945 года для определения критической массы.