Цепная реакция деления ядер урана — это реакция, в которой частицы (нейтроны), вызывающие эту реакцию, образуются как продукты этой реакции.

Цепная реакция сопровождается выделением огромной энергии. При делении каждого ядра выделяется энергия около 200 МэВ. При полном же делении всех ядер, имеющихся в 1 г урана, выделяется энергия

2,3 • 10⁴кВт . ч. Это эквивалентно энергии, получаемой при сгорании 3 т угля или 2,5 т нефти. При делении одного ядра урана выделение энергии составляет примерно 200 МэВ. При делении 1 кг ядер урана выделяется примерно 8·10¹³ Дж. Это в 2,5 млн. раз больше выделения энергии при сжигании 1 кг каменного угля.

Для течения цепной реакции нет необходимости, чтобы каждый нейтрон обязательно вызывал деление ядра. Необходимо лишь, чтобы среднее число освобожденных нейтронов в данной массе урана не уменьшалось с течением времени.

Это условие будет выполнено, если коэффициент размножения нейтронов k больше или равен единице. Коэффициентом размножения нейтронов называют отношение числа нейтронов в каком-либо «поколении» к числу нейтронов предшествующего «поколения».

При k< 1 реакция гаснет. При k >1 – неуправляемая реакция - взрыв (достаточно 1,01).

При k =1 – управляемая реакция в ядерных реакторах (на АЭС).

Цепная реакция деления ядер урана не осуществляется в природном уране, поскольку природный уран на 99,3% состоит из изотопа урана-238 и только на 0,7% из изотопа урана-235. Способность к делению под действием нейтронов, испущенных в процессе деления, обнаруживается только у ядер урана-235. Поэтому необходимое условие для осуществления цепной реакции деления - разделение изотопов урана. Однако и после разделения изотопов цепная реакция происходит не в любом количестве урана-235. В малом количестве урана большинство нейтронов покидают образец, не встретив на своем пути ни одного ядра урана, так как размеры ядер очень малы и вероятность попадания в них невелика. Цепная реакция может развиваться в том случае, если количество урана больше некоторого минимального значения - критической массы. При этом важна и форма образца. Для шара из урана-235 критическая масса имеет значение около 50 кг. Радиус шара 9 см.

Энергия цепных реакций деления ядер урана и плутония используется при взрывах атомных бомб. При ядерном взрыве происходит чрезвычайно быстрое (доли мкс) выделение энергии, при этом температура в зоне реакции достигает десятков миллионов градусов, а давление - около миллиарда атмосфер.

Впервые решил задачу об управлении цепной реакцией деления ядер физик Э. Ферми. Им был изобретен ядерный реактор в 1942 г. У нас в стране реактор был запущен в 1946 г. под руководством И. В. Курчатова.

Масса покоя ядра урана больше суммы масс покоя осколков, на которые делится ядро. Для легких ядер дело обстоит как раз наоборот. Так, масса покоя ядра гелия значительно меньше суммы масс покоя двух ядер тяжелого водорода, на которые можно разделить ядро гелия.

Это означает, что при слиянии легких ядер масса покоя уменьшается и, следовательно, должна выделяться значительная энергия. Однако, чтобы ядра вступили в реакцию, они должны сблизиться на расстояние действия ядерных сил порядка 2∙10^-15 м, преодолев электрическое отталкивание их положительных зарядов. Для этого средняя кинетическая энергия теплового движения молекул должна превосходить потенциальную энергию кулоновского взаимодействия. Подобного рода реакции слияния легких ядер могут протекать только при очень высоких температурах. Поэтому они называются термоядерными.

Реакция слияния легких ядер при очень высокой температуре (>10⁷–10⁸ К), сопровождающаяся выделением энергии, называется термоядерной реакцией. Для слияния необходимо, чтобы расстояние между ядрами приблизительно было равно 10^-12 см, т. е. чтобы они попали в сферу действия ядерных сил. Однако этому препятствуют кулоновские силы. Они могут быть преодолены при большой кинетической энергиитеплового движения ядер.

Энергия, которая выделяется при термоядерных реакциях в расчете на один нуклон, превышает удельную энергию, выделяющуюся при цепных реакциях деления ядер. Так, при слиянии тяжелого водорода — дейтерия — со сверхтяжелым изотопом водорода — тритием — выделяется около 3,5 МэВ на один нуклон, а при делении ядра урана на один нуклон приходится ≈0,9 МэВ.

Примертермоядерной реакции.

Термоядерные реакции играют большую роль в эволюции Вселенной. Энергия излучения Солнца и звезд имеет термоядерное происхождение. В центральных областях Солнца температура достигает 15 млн. К. При синтезе 1кг гелия из водорода выделяется энергия примерно 6,3·10¹⁴ Дж. Солнце выделяет в одну секунду энергию, которая приблизительно равна 4·10²⁶ Дж, следовательно, в нем за одну секунду осуществляется синтез примерно 6·10¹¹ кг гелия из водорода.

В настоящее время в России и ряде других стран ведутся работы по осуществлению управляемой термоядерной реакции. Пока же удалось осуществить лишь неуправляемую реакцию синтеза взрывного типа в водородной (или термоядерной) бомбе.

Осуществление управляемых термоядерных реакций способно решить энергетическую проблему человечества. Неуправляемые термоядерные реакции в водородных бомбах могут человечество уничтожить.

Примеры решения задач.

⇐ Предыдущая 1 2 3 45

Цепная реакция деления ядер урана — это реакция, в ко­торой частицы (нейтроны), вызывающие эту реакцию, образуются как продукты этой реакции.

Цепная реакция деления ядер урана — это реакция, в которой частицы (нейтроны), вызывающие эту реакцию, образуются как продукты этой реакции.