1 Деление атомов как источник энергии. В пересчете на один атом деление урана дает в 50–100 миллионов раз больше энергии, чем любая химическая реакция.
Что такое ядерное деление и как оно происходит
## $a: Физика деления атомных ядер $h: [Текст]: $b: Сборник статей $c: Под ред. д-ра физ.-мат. наук Н. А. Перфилова и канд. физ.-мат. наук В. П. Эйсмонта. Новости Новости. Было установлено, что все химические свойства веществ определяются строением электронных оболочек атомов. Как сообщает ToDay News Ufa, в течение 80-ти лет ученые — физики старались выяснить принцип вращения атомных ядер после деления. МЦОУ - это единственный реализованный проект в мире, который гарантирует любой стране, встающей на путь развития атомной энергетики. Внутри Чернобыльской атомной электростанции в массах уранового топлива начались реакции деления.
Деление атома: перспективы международного рынка атомной энергетики
Ирина Штерман Казахстан готов приобрести акции российского предприятия по обогащению урана По словам премьер-министра Казахстана Карима Масимова, "переговоры об этом находятся на финальной стадии". Однако он воздержался назвать предприятия и размер пакета акций, сославшись на то, что не может раскрыть информацию до тех пор, пока не заключена сделка. Генеральный директор предприятия Александр Белоусов ознакомил гостей с работой завода по разделению изотопов и деятельностью Международного центра по обогащению урана, созданного на базе АЭХК по инициативе правительств России и Казахстана.
Поставленный эксперимент подтвердил наличие быстрых нейтронов. Вынужденное деление ядер урана нейтронами сопровождается вылетом нескольких нейтронов, которые, взаимодействуя с соседними ядрами урана, вызывают их деление.
Цепная ядерная реакция — самоподдерживающая реакция деления тяжелых ядер, в которой непрерывно воспроизводятся нейтроны, делящие все новые и новые ядра. С целью уменьшения вылета нейтронов с куска урана увеличивают массу урана. Минимальное значение массы урана, при котором возможна цепная реакция, называется критической массой. В зависимости от устройства установок и типа горючего критическая масса изменяется от 200 г прт наличии отражателя нейтронов до 50 кг.
Образование плутония Плутоний Pu — серебристо-белый радиоактивный металл группы актиноидов, теплый на ощупь из-за своей радиоактивности. В природе встречается в очень малых количествах в уранитовой смолке и других рудах урана и церия, в значительном количестве получают искусственно. Поэтому встал вопрос, как использовать в ядерной энергетике уран-238. В процессе радиоактивных превращений образуется изотоп нептуния, а затем плутония, который в дальнейшем используется в качестве ядерного топлива.
При этом при делении 1 кг урана получается 1,5 кг плутония. Ядерная энергетика Для осуществления управляемой цепной реакции используют ядерный реактор, который является источником энергии на АЭС и морском флоте. Впервые управляемая цепная реакция деления ядер урана была осуществлена в 1942 г. Ферми в уран-графитовом реакторе.
Это рекордное расстояние для такого вида связи. Квантовый интернет становится к нам все ближе. Обсудить Квантовая запутанность - явление, когда две частицы имеют одно и то же состояние, положение и тд.
В течение всего срока службы новая атомная электростанция может выбрасывать в атмосферу примерно 4 г CO2 на каждый киловатт-час произведенной электроэнергии. По некоторым оценкам, этот показатель значительно выше - от 10 до 130 граммов CO2 в отдельных случаях. Таким образом, замена угольных электростанций на атомные позволит ежегодно экономить миллионы тонн СО2, не говоря уже о твердых частицах и других загрязняющих веществах. По тем же причинам экологически чистые возобновляемые источники энергии, такие как ветряные турбины и солнечные батареи, также не имеют нулевых выбросов в силу их производства и установки. Углеродный след солнечных и ветряных электростанций более или менее сопоставим с нижним пределом для атомной энергетики. В целом, атомная энергетика в лучшем случае не содержит столько же углерода, сколько солнечная и ветровая, хотя и связана с непопулярной проблемой отходов. Риск Прошло более трех десятилетий с тех пор, как советская Украина дала миру представление о том, как может выглядеть наихудший сценарий ядерной аварии. Чернобыльская АЭС, расплавившаяся во время технических испытаний в 1986 году, превратилась в радиоактивные руины на фоне отравленного радиоактивными осадками ландшафта. В 2011 году после землетрясения на японской АЭС "Фукусима" также произошла авария. Подобные разрушительные события достаточно редки для того, чтобы о них можно было писать в шокирующих заголовках. Однако, по некоторым оценкам, такие аварии могут происходить раз в 10-20 лет, что чревато распространением радиоактивных веществ на сотни и даже тысячи километров. Насколько это может быть опасно? Трудно сказать, это зависит от множества факторов, связанных с плотностью населения, степенью облучения и концентрацией изотопов. По данным Всемирной организации здравоохранения, "перемещенное население Фукусимы страдает от психосоциальных и психических последствий переезда, разрыва социальных связей людей, потерявших жилье и работу, разрыва семейных связей и стигматизации". Иными словами, речь идет не только о риске радиоактивного излучения, о котором мы должны беспокоиться. Тем не менее, привыкнув к воздействию сжигания ископаемого топлива на здоровье человека, мы мало задумываемся о влиянии на него твердых частиц, образующихся при сжигании угля, который сам по себе тоже не совсем свободен от радиоактивных веществ. Стоимость Для сравнения затрат на производство электроэнергии исследователи используют так называемую выровненную стоимость энергии, или LCOE.
Разница между ядерным делением и синтезом
Такая реакция протекает с выделением большого количества энергии. Вот поиском способа провести самоподдерживающуюся цепную реакцию и занялись Ферми и его коллеги. Через пару лет они смогли перейти от теоретической проработки к экспериментам. Однако для этого нужно было построить ядерный реактор. Реактор действительно напоминал поленницу лучше не скажешь из брикетов прессованного оксида урана и графитовых блоков. По мере сооружения реактора ученые проводили измерения и отслеживали, насколько близко они подошли к критической массе, необходимой для начала реакции. Она была достигнута 1 декабря.
Обычно используют три вида субатомных частиц. Эти субатомные частицы обладают массой и положительным электрическим зарядом. Количество протонов в атоме определяет, атомом какого элемента он является. Масса этих субатомных частиц равна массе протона, но они нейтральны не имеют электрического заряда. Эти частицы являются свободными от электронов ядрами атомов гелия. Они состоят из двух протонов и двух нейтронов.
Все думали, что необходимы энергичные нейтроны, как в случае с альфа-частями и протонами, но это было необходимо для преодолеть кулоновский барьер ; нейтронно заряженные нейтроны с большей вероятностью будут захвачены ядром, если они проводят больше времени в его окрестностях. Несколько дней спустя Ферми задумался над любопытством, которое подметила его группа: кажется, что уран по-разному реагирует в разных частях лаборатории; нейтронное облучение, проведенное на деревянном столе, вызвало радиоактивность, чем на мраморном столе в той же комнате. Ферми подумал об этом и попытался использовать кусок парафинового воска между нейтронов и нейтраном. Это привело к резкому увеличению активности.
Он рассудил, что нейтроны рассасываются из-за столкновения с атомами водорода в парафине и дереве. Текущая модель ядра в 1934 году была моделью жидкой капли , впервые предложенной Джорджем Гамовым в 1930 году. Его простая и элегантная модель усовершенствована и развита Карл Фридрих фон Вайцзеккер и после открытия нейтрона Вернером Гейзенбергом в 1935 году и Нильсом Бором в 1936 году он полностью согласился с наблюдениями. В модели нуклоны были вместе в минимально возможном удерживаемом объеме сфере с помощью сильной ядерной силы , которая была способна преодолеть более дальнобойное кулоновское электрическое отталкивание.
Discovery Возражения Ферми получил в 1938 Нобелевскую премию по физике за свои «демонстрации» о существовании новых радиоактивных элементов, образующихся при нейтронном облучении, и за связанное с ним открытие ядерных ядер, вызываемых медленными нейтронами ». Однако не всех убедил анализ результатов Ферми. Ида Ноддак предположила в сентябре 1934 года, что вместо создания нового, более тяжелого элемента 93, что: С равным успехом можно было предположить, что когда нейтроны используются для ядерного распада, существуют некоторые совершенно новые ядерные реакции. В результате было обнаружено, что эти элементы изменяют массу лишь на небольшую часть.
Когда тяжелые ядра бомбардируются нейтронами, возможно, ядроадаются на несколько больших фрагментов, которые, конечно, будут изотопами известных элементов, но не будут соседями пораженного элемента. Статья Ноддака была прочитана команду Ферми. Тем не менее, процитированное возражение опускается до некоторой степени и является лишь одним из нескольких пробелов, которые отметила в заявлении. Модель жидкой капли Бора еще не была сформулирована, поэтому не было теоретического метода вычислить, было ли физически возможно для элементов урана разбиться на большие.
Ноддак и ее муж, Уолтер Ноддак , были известными химиками, которые были номинированы на Нобелевскую премию по химии за открытие рения, хотя в то время они также были связаны с противоречием по поводу открытия элемента 43, который они назвали «мазурием». Открытие технеция Эмилио Сегре и Карло Перье положило конец их притязаниям, но не произошло до 1937 года. Мейтнер была не боюсь сказать дорогой Ханхен, фон Physik Verstehst Du Nichts «Хан, в физике ты неааешь» , что Мейтнер или Кюри имели какие-либо ничего предубеждения против Ноддак из-за ее пола. То же самое относится и к Ноддак, которая не предлагала альтернативную ядерную модель и не проводила эксперименты в поддержку своего утверждения.
Хотя Ноддак была известным химиком-аналитиком, ей не хватало знаний в области физики, чтобы оценить масштабность того, что она предлагала. Бывшее здание химического института кайзера Вильгельма в Берлине. После Второй мировой войны он частью стал Берлинского свободного университета. Он был переименован в здании Отто Хана в 1956 году и в здании Хана-Мейтнера в 2010 году.
Ноддак был не единственным критиком утверждения Ферми. Аристид фон Гросс предположил, что то, что обнаружил Ферми, было изотопом протактиния. Мейтнер очень хотела исследовать результаты Ферми, но она понимала, что требовался высококвалифицированный химик, и ей нужен был лучший, которого она знала: Хан, хотя они не сотрудничали в течение многих лет. Первоначально Хан не интересовался, но упоминание фон Гроссе о протактинии изменило его мнение.
В то время мы с Лизой Мейтнер решили повторить эксперименты, Ферми, чтобы выяснить, был ли 13-минутный изотоп изотопом протактиния или нет. Это было логичное решение, поскольку они были первооткрывателями протактиния ». К Хану и Мейтнер присоединился Фриц Штрассманн. Штрассманн получил докторскую степень по аналитической химии в Технический университет Ганновера в 1929 году и приехал в Химический институт кайзера Вильгельма учиться у Гана, полагаясь, что это улучшит его перспективы трудоустройства.
Ему так нравилась работа и люди, что он остался там после истечения срока его стипендии в 1932 году. После, как нацистская партия пришла в власть в Германии в 1933 году, он отказал в выгодном предложении партии, поскольку для этого требовалось политическое правительство и член в нацистской партии, и он ушел из Общества немецких химиков , когда оно стало частью нацистского Немецкого рабочего фронта. Это необходимо для того, чтобы стать независимым исследователем в Германии, чтобы получить свою квалификацию. Мейтнер убедила Ханаять Штрассмана на деньги фонда директора по особым обстоятельствам.
В 1935 году Штрассманн стал ассистентом с половинной оплаты. Вскоре он будет считаться соавтором документов, которые они подготовили. Закон 1933 года о восстановлении профессиональной гражданской службы удалил службы евреев с государством, включая академические круги.
Ядро атома водорода называется «протон», что в переводе с древнегреческого означает «первый, основной». Вокруг ядра атома водорода движется один электрон. Зная порядковый номер любого химического элемента в периодической системе Менделеева, можно представить себе строение атомов. Следовательно, в ядре атома кислорода восемь протонов, а на электронных оболочках находится восемь электронов. Его атомная масса равна 16. Протонов у кислорода восемь, значит, и нейтронов у него восемь. В таблице Менделеева мы видим, что каждый элемент существует в единичном экземпляре. Может ли быть несколько вариантов кислорода или углерода? Да, есть такое понятие, как изотопы. Если добавить еще один нейтрон, получим атомную массу 17. В природе такие разновидности кислорода встречаются редко, но люди научились их получать. Изотопы 17 и 18 менее стабильны, чем изотоп 16, а в таблице указаны лишь самые стабильные химические элементы. Изотопы углерода часто используют в медицине. Их часто используют в медицине для диагностики и лечения заболеваний небольшими дозами радиоактивного излучения, которое не приносит вреда. Активно применяют в онкологии. Гамма-лучи оказывают разрушающее действие на клетки злокачественных опухолей. Лучевое лечение безболезненно и удобно для больного.
Ученые 80 лет выясняли, как вращаются атомные ядра после деления
Новости, полученные от Гана, были равносильны атомному взрыву в мозгу Лизы Мейтнер. В критическом реакторе деления нейтроны, образующиеся при делении атомов топлива, используются, чтобы вызвать еще большее количество делений. Международная группа ученых выяснила, как именно вращаются атомные ядра после их деления, сообщает МедиаПоток. В этом опыте взрывной характер деления атома урана следовал из того, что два продукта деления разлетались в противоположные стороны с очень большой скоростью.
Открытие ядерного деления
Но если ядро похоже на жидкую каплю и может дробиться и сливаться, то с чем был связан шок от новости о делении урана? Ядерным (или атомным) реактором называется устройство, в котором осуществляется управляемая реакция деления ядер. Исследователи обнаружили, что молекула дирхения проводит большую часть своего времени с четырехкратной связью, разделяя четыре электрона между двумя атомами. Ядерное деление-это реакция, при которой ядро атома распадается на два или более меньших ядра.
Физика атома и ядра (курс лекций)
- Ученые 80 лет выясняли, как вращаются атомные ядра после деления
- Ядерное деление - Образование - 2024
- Понятие радиоактивности. Виды распада
- Механизм деления ядра
- Что такое цепная ядерная реакция
Открыт механизм вращения осколков деления ядер атомов
Скачай это бесплатное вектор на тему Атомная электростанция, атомные реакторы, производство энергии. деление атома, атомный процесс. ## $a: Физика деления атомных ядер $h: [Текст]: $b: Сборник статей $c: Под ред. д-ра физ.-мат. наук Н. А. Перфилова и канд. физ.-мат. наук В. П. Эйсмонта. РУВИКИ: Интернет-энциклопедия — Деление ядра — процесс расщепления атомного ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, называемых осколками деления. входящие в G7, договорились объединиться с целью вытеснить Россию с международного рынка а Смотрите видео онлайн «Деление атома: перспективы международного рынка.
Физика деления атомных ядер : Сборник статей
Альфа-распад сдвигает два элемента вниз; бета-распад сдвигает один элемент вверх. Содди и Казимир Фаянс независимо друг от друга наблюдали в 1913 году, что альфа-распад заставил атомы сместиться В результате реорганизации периодической таблицы радий был помещен в группу II, актиний в группе вернула его в исходное положение в периодической таблице , в то время как потеря двух бета-частиц вернула его в исходное положение. Содди предсказал, что этот неизвестный элемент, на котором он назван после Дмитрий Менделеев , как «экатанталий», будет тем, что он назвал III, торий в группе IV и уран в группе VI. Вскоре Фаянс и Освальд Гельмут Геринг известру его как проду кт распа да бета-испу скающего продукта тория. Основываясь на законе радиоактивного вытеснения Фаянса и Содди , это был изотоп недостающего элемента, который они назвали «бревиум» в честь его короткого периода полураспада.
Однако это был бета-излучатель и поэтому не мог быть материнским изотопом актиния. Это должен быть другой изотоп. Отто Хан окончил Марбургский университет по специальности химик-органик, но работал исследователем после докторской степени в Университетском колледже Лондона под руководством сэра Уильяма Рамзи и Резерфорд в Университета Макгилла , где он изучал радиоактивные изотопы. В 1906 году он вернулся в Германию, где стал ассистентом Эмиля Фишера в Берлинском университете.
В МакГилл он использовал систему сотрудничать с физиком, поэтому он объединился с Лиз Мейтнер , которая получила докторскую степень в Венском университете в 1906 году, переехала в Берлин для изучения физики у Макса Планка в Университета Фридриха Вильгельма. Мейтнер нашла Хана, который был ее ровесником, менее устрашающим, чем старшие и более выдающиеся коллеги. Хан и Мейтнер переехали в недавно созданный Институт химии кайзера Вильгельма в 1913 году и к 1920 году стали руководителями своих собственных лабораторий там со своими студентами, исследовательскими программами и оборудованием. Новые лаборатории открывали новые возможности, поскольку были загрязнены радиоактивными веществами, чтобы исследовать слабо радиоактивные вещества.
Они разработали новую технику отделения тантала от урановой обманки, которая, как они надеялись, ускорит выделение нового изотопа. Хан был в немецкую армию, а Мейтнер добровольцем рентгенологом в госпиталях австрийской армии. Она вернулась в Институт кайзера Вильгельма в октябре 1916 года, когда были призваны не только Хан, но и большинство студентов, лаборантов и техников. Поэтому Мейтнер пришлось делать все сама, и Хан, когда он вернулся домой в отпуск, лишь ненадолго помогал.
К декабрю 1917 года ей действительно удалось доказать, что это отсутствующий изотоп. Она представила свои результаты для публикации в марте 1918 года. Хотя Фаянс и Геринг были первыми, кто представил этот элемент, представлен самым распространенным изотопом, а бревиум - нет. Фаянс согласился с тем, чтобы Мейтнер назвал элемент протактиний и присвоил ему химический символ Па.
В июне 1918 года Содди и Джон Крэнстон объявили, что они извлекли образец изотопа, но в отличие от Мейтнер не смогла описать его характеристики. Они признали приоритет Мейтнер и согласились с названием. Связь с ураном оставалась загадкой, поскольку ни один из известных изотопов урана не распался на протактиний. Он оставался нераскрытым, пока уран-235 не был обнаружен в 1929 году.
Трансмутация Ирен Кюри и Фредерик Жолио в их парижской лаборатории в 1935 году. Патрик Блэкетт смог осуществить ядерную трансмутацию азот в кислороде в 1925 году, используя альфа-частицы, направленный на азот. В атомных ядерных реакциях первая реакция следующая:. Полностью искусственная ядерная реакция и ядерная трансмутация были осуществлены в апреле 1932 года Эрнестом Уолтоном и Джоном Кокрофтом , которые использовали искусственно ускоренные протоны против лития , чтобы разрушить это ядро.
Этот подвиг был широко известен как «расщепление атома», но не был ядерным делением ; поскольку это не было инициирования процесса внутреннего процесса радиоактивного распада. Всего за несколько недель до подвига Кокрофта и Уолтона другой ученый из Кавендишской лаборатории , Джеймс Чедвик , открыл нейтрон , используя гениальное устройство, сделанное из сургуч , посредством реакции бериллия с альфа-части:. Они отметили, что радиоактивность сохраняется после прекращения нейтронной эмиссии. Они не только открыли новую форму радиоактивного распада в виде излучения позитронов , они превратили один элемент в неизвестный до сих пор радиоактивный изотоп другого, тем самым вызвав радиоактивность там, где ее раньше не было.
Радиохимия теперь больше не ограничивалась определенными тяжелыми элементами, а распространялась на всю таблицу Менделеева. Разетти посетил лабораторию Мейтнер в 1931 году, а затем в 1932 году, после открытия Чедвиком нейтрона. Мейтнер показал ему, как приготовить полоний-бериллиевый источник нейтронов. По возвращении в Рим Разетти построил счетчики Гейгера и камеру Вильсона , смоделированную по образцу Мейтнер.
Ферми изначально намеревался использовать полоний в качестве источника альфа-частиц, как это сделали Чедвик и Кюри. Радон был более сильным воздействием альфа-частиц, но он также испускал бета- и гамма-лучи, что нанесло ущерб оборудованию для обнаружения в лаборатории.
А зачем борная кислота? Я думаю вы слышали о стержнях регулирования в реакторе, которые поглощают излишние количество нейтронов, таким образом управляя реактором. Так вот борная кислота делает тоже самое, только она жидкая и растворена в воде.
Если нужно понизить мощность, воду разбавляют ею, если повысить, её удаляют. Это называется борное регулирование. Кстати, в основном небольшие изменения мощности регулирует именно ей. Только пока она растворенная доплывёт до активной зоны, можно чай попить и покурить, поэтому сначала опускают стержни, а потом когда борная кислота доплыла до активной зоны, стержни подымают обратно. Теперь о топливе.
В реакторе в воде находится топливо, которое помещено в герметичные трубки - твэлы. А само топливо выглядит как таблетки примерно размерном так 1 см на 1 см. Видите внутри таблеток просверлены отверстия? Напишите в комментариях, как вы думаете зачем они. Лично мне факт их наличия кажется забавным, хоть и логичным.
Таблетка - это диоксид урана. Есть и другие виды. Простой металлический уран не используется, потому что плавится, трескается и т. А теперь самое важное. Что же происходит в реакторе с физической точки зрения?
Есть два изотопа урана: 235 и 238. Да вы и сами же знаете, что 235 делится, а 238 нет, поэтому используют обогащенный уран с большим содержанием именно ядер урана-235. Когда 1 сторонний нейтрон попадёт в ядро урана, ядро распадётся на два случайных осколка. Кинетическая энергия этих осколков нагревает воду, что нам и необходимо. А еще вылетит в среднем 2-3 новых нейтрона, которые будут делить новые ядра урана-235.
И такой процесс будет продолжаться, пока есть необходимая среда. Для наглядности вот вам картинка. Только вот есть проблема. Делений в течении времени всё больше и больше, а мощность все выше и выше.
Замеры следов магнитного поля в горных породах различного возраста показали, что на протяжении геологической истории Земли оно меняло знак много-много раз. Инверсии происходили через интервалы времени от десятков тысяч до миллионов лет средний период — 250 тыс. Почему происходит смена магнитных полюсов? Магнитное поле планеты формируется благодаря циркуляции расплавленного железа во внешнем ядре.
Движение электропроводящей жидкости в магнитном поле создает самоподдерживающуюся систему, своего рода геодинамо. Но для образования мощных переменных течений в ядре, приводящих к изменению магнитного поля, необходимы и мощные нестационарные источники тепла. Вполне подходящими кандидатами на эту роль опять-таки являются природные ядерные реакторы Вполне естественно предположить, что при работе реактора из-за тепловыделения возникают конвективные потоки, вызывающие разрыхление активной зоны. В какой-то момент цепная реакция деления останавливается. Когда выделение тепла прекращается и конвективные потоки ослабевают, уран медленно оседает — цепная реакция возобновляется. Таким образом, геореактор может работать и в импульсном режиме. Определяющим показателем хода цепной реакции является коэффициент размножения нейтронов k, который равен отношению числа нейтронов, вновь образовавшихся в реакциях деления, к количеству нейтронов, поглощенных в ходе реакции либо покинувших активную зону. Тогда в каждом новом поколении нейтронов становится все больше, и они, в свою очередь, вызывают все больше делений ядер.
Возникает лавинообразный процесс. Согласно проведенным расчетам максимально возможный коэффициент размножения ведет себя следующим образом: вначале он падает в течение 1 млрд лет, однако затем более-менее стабилизируется и остается больше единицы вплоть до настоящего времени. Представляется, что более вероятен импульсный сценарий работы реактора, когда периоды активности перемежаются периодами «простоя». Так, как это было в маленьком природном реакторе Окло, но только с большей продолжительностью циклов. По мнению авторов, временные характеристики рассчитанного импульсного режима можно соотнести с рядом периодических явлений, наблюдаемых на поверхности Земли, таких как глобальные изменения климата или смена магнитных полюсов. Откуда летят геонейтрино? Сторонники точки зрения, что Земля является ядерным реактором, сегодня связывают особые надежды с электронным антинейтрино. Нейтрино практически не реагируют с веществом и поэтому обладают огромной проникающей способностью, почти без потерь проходя через все тело Земли.
Их регистрация — сложная научная и техническая задача. В течение двух лет ученые зафиксировали 152 события, но после отсечения фона осталось всего 25 — по одному в месяц. Главными источниками фона оказались промышленные реакторы Японии и Южной Кореи. Полное число антинейтрино может быть частично связано с мощностью действующего геореактора и частично — с естественным распадом различных нестабильных ядер в недрах Земли. Из данных KamLAND следует, что полная плотность потока геонейтрино составляет примерно 16 млн частиц в секунду на кв. Это соответствует источнику тепла, порождаемого ядерными реакциями, мощностью от 24 до 60 ТВт. Первое из двух чисел оказалось близким к величине «избыточного» тепла, излучаемого Землей, о котором шла речь выше. И многие специалисты склоняются к мнению, что это объяснение наиболее правдоподобно.
Энергетические спектры нейтрино, образующихся при делении разных ядер, отличаются. Русов с коллегами выполнили компьютерное моделирование и определили спектральные составляющие геонейтрино от различных внутренних источников — урана-238, тория-232, плутония-239. Суммарную мощность геореактора они оценили в 30 ТВт. Результаты этой работы также свидетельствуют в пользу импульсного режима размножения. Этой темой активно занимаются и геологи, и химики, и физики, и математики. Так, в Институте геологии и минералогии СО РАН разработана модель термохимического плюма — канала, заполненного магматическим расплавом, который простирается из земных недр до поверхности Н. Добрецов, А. Кирдяшкин, А.
Кирдяшкин, 2001, 2004. Данные по удельным расходам излияния магм мантийных плюмов за последние 150 млн лет, а также их корреляция с инверсиями магнитного поля Земли Larson, Olson, 1991 подтверждают наш тезис, что плюмы зарождаются на ядро-мантийной границе. Плюм формируется при обязательном наличии теплового потока из жидкого ядра. Изучение тепло- и массообмена на подошве термохимического плюма и взаимодействия канала плюма со свободными конвективными течениями в мантии приводит к заключению, что источник тепла действительно расположен в ядре, как и предполагают авторы гипотезы глубинного геореактора. Что касается изотопного состава гелия, то повышенное содержание гелия-3, обнаруженное в плюмах, указывает на то, что в ядре Земли идут какие-то процессы, связанные с ядерными превращениями. Но, к сожалению, мы очень мало знаем о том, что происходило в начальный момент формирования планеты, и существовал ли, как считают авторы, «океан магмы». Поэтому вопрос о скоплениях актиноидов в ядре еще предстоит разрешить. Причиной же климатических изменений, о которых упоминают авторы статьи, на мой взгляд, не могут быть колебания температуры в ядре Земли.
Ведь глубинные температурные флуктуации передаются на поверхность мантийными конвективными течениями примерно через 100 млн лет, а плюмы могут донести эти изменения за 1—5 млн лет. За это время флуктуации с периодом всего 100 тыс. В любом случае модель природного ядерного реактора на границе внутреннего и внешнего ядра интересна геологам уже тем, что не противоречит имеющимся знаниям в области геодинамики и фактам плюмового магматизма.
В покое ядро урана можно представить в виде капли, состоящей из нуклонов протонов и нейтронов. Протоны имеют одинаковый заряд и стремятся разлететься, однако, ядерные силы имеют большую мощность, и препятствуют этому. В тяжелых элементах протонов очень много, и энергия ядерных сил лишь немного превышает энергию кулоновского отталкивания в сфере их действия напомним, ядерные силы, в отличие от кулоновских — короткодействующие. Если в ядро попадает нейтрон, обладающий некоторой энергией, он передает ее ядру, в ядре, точно так же, как в реальной капле, возникают деформации, оно теряет сферическую форму, и часть ядра может оказаться в зоне, где ядерные силы резко убывают. Капельная модель деления ядра урана. Поскольку доля нейтронов в устойчивых ядрах для легких элементов меньше, получается, что при делении ядра урана один или несколько нейтронов оказываются «лишними», они покидают зону распада, и могут попасть в другие ядра урана, являясь инициаторами цепной реакции деления. В такой реакции нейтрон, попавший в ядро, вызывает его деление, в результате которого возникают новые нейтроны, которые в свою очередь также вызывают новые деления ядер, и так далее.
Цепная реакция деления. В ядрах урана возможно и спонтанное деление, без возбуждения нейтроном.
Даня Тылохин
- Ядерный синтез
- Физика атома и ядра (курс лекций)
- Ядерные реакции
- Физический обзор
- Содержание
- Ядерная энергетика: как утилизировать уран? -
Деление ядра атома урана
Джона Аристотеля Филлипса , будучи невероятно простыми, но ядерное топливо для реализации этой конструкции, как считается, трудно получить, поскольку оно является редким см. Обогащение урана и ядерный топливный цикл. История В 1919 году Эрнест Резерфорд стал первым человеком, который сознательно разделил атом, бомбардируя азот естественными альфа-частицами из радиоактивного материала и наблюдая за протоном, испускаемым с энергией выше, чем альфа-частица. В 1932 году Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон, работая под руководством Резерфорда, сначала полностью искусственно расщепили ядро, используя ускоритель частиц для бомбардировки лития протонами, в результате чего образовались две альфа-частицы. Впервые изученные Энрико Ферми и его коллегами в 1934 году, они не получили должного толкования лишь несколько лет спустя. Мейтнер, австрийская еврейка, потеряла гражданство в результате аншлюса в 1938 году. Она сбежала и оказалась в Швеции, но продолжала сотрудничать по почте и через встречи с Ханом в Швеции.
По совпадению ее племянник Отто Роберт Фриш, тоже беженец, также был в Швеции, когда Мейтнер получила письмо от Хана, в котором описывалось его химическое доказательство того, что часть продукта бомбардировки урана нейтронами была барием атомный вес бария вдвое меньше, чем у урана. Фриш был настроен скептически, но Мейтнер считала, что Хан был слишком хорошим химиком, чтобы совершить ошибку. По словам Фриша: Это была ошибка? Нет, сказала Лиз Мейтнер; Хан был слишком хорошим химиком для этого. Но как можно было образовать барий из урана? Никаких более крупных фрагментов, чем протоны или ядра гелия альфа-частицы , никогда не отделяли от ядер, и для того, чтобы отколоть большое количество, не было достаточно энергии.
Может быть, капля могла бы более постепенно разделиться на две более мелкие капли, сначала вытянувшись, затем сузившись и, наконец, разорвавшись, а не разбившись на две части? Мы знали, что существуют сильные силы, которые будут сопротивляться такому процессу, так же как поверхностное натяжение обычной жидкой капли имеет тенденцию сопротивляться ее разделению на две меньшие. Но ядра отличались от обычных капель в одном важном отношении: они были электрически заряжены, а это, как известно, противодействовало поверхностному натяжению. Но возникла другая проблема. После разделения две капли разошлись бы друг от друга за счет их взаимного электрического отталкивания и приобрели бы высокую скорость и, следовательно, очень большую энергию, всего около 200 МэВ; откуда могла взяться эта энергия? Итак, вот источник этой энергии; все подошло!
Основное открытие и химическое доказательство Отто Гана и Фрица Штрассмана того, что изотоп бария был получен нейтронной бомбардировкой урана, было опубликовано в статье в Германии в Journal. Naturwissenschaften, 6 января 1939 г. Фундаментальную идею этого эксперимента предложил Фришу Джордж Плачек. Первая газета появилась 11 февраля, вторая - 28 февраля. Присуждение Нобелевской премии по химии 1944 года одному только Хану - давняя полемика. Четыре года спустя Бор должен был бежать в Швецию из оккупированной нацистами Дании на маленькой лодке вместе с тысячами других датских евреев в ходе крупномасштабной операции.
Незадолго до отъезда Бора из Дании Фриш и Мейтнер предоставили ему свои расчеты. Розенфельд сразу же по прибытии рассказал всем в Принстонском университете, и от них новость устно распространилась среди соседних физиков, включая Энрико Ферми из Колумбийского университета. Ферми во время путешествия, чтобы получить Нобелевскую премию за свою более раннюю работу. В результате бесед между Ферми, Джоном Р. Даннингом и Дж. Пеграмом в Колумбии были предприняты поиски мощных импульсов ионизации, которые можно было бы ожидать от летающих фрагментов ядра урана.
Перед завершением встречи в Вашингтоне было начато несколько других экспериментов для подтверждения деления, и было сообщено о положительном экспериментальном подтверждении. Группа Фредерика Жолио-Кюри в Париже обнаружила, что вторичные нейтроны высвобождаются при делении урана, что делает возможной цепную реакцию. Лео Сциллард и Уолтер Зинн независимо друг от друга подтвердили, что при делении ядер урана испускаются два нейтрона. Сцилард, еврей по происхождению из Венгрии, также бежал из континентальной Европы после прихода Гитлера и в конечном итоге оказался в США. Летом Ферми и Сцилард предложили идею ядерного реактора котла с природным ураном в качестве топлива и графитом в качестве замедлителя энергии нейтронов.
В таком реакторе кипение воды происходит непосредственно в активной зоне реактора и образующийся пар поступает в турбину. В большинстве кипящих реакторов вода используется и как замедлитель, но иногда применяется графитовый замедлитель. Реактор с жидкометаллическим охлаждением. В таком реакторе для переноса теплоты, выделяющейся в процессе деления в реакторе, используется жидкий металл, циркулирующий по трубам.
Почти во всех реакторах этого типа теплоносителем служит натрий. Пар, образующийся на другой стороны труб первого контура, подается на обычную турбину. В реакторе с жидкометаллическим охлаждением могут использоваться нейтроны со сравнительно высокой энергией реактор на быстрых нейтронах либо нейтроны, замедленные в графите или оксиде бериллия. В качестве реакторов-размножителей более предпочтительны реакторы на быстрых нейтронах с жидкометаллическим охлаждением, поскольку в этом случае отсутствуют потери нейтронов, связанные с замедлением. Газоохлаждаемый реактор. В таком реакторе теплота, выделяющаяся в процессе деления, переносится в парогенератор газом — диоксидом углерода или гелием. Замедлителем нейтронов обычно служит графит. Газоохлаждаемый реактор может работать при гораздо более высоких температурах, нежели реактор с жидким теплоносителем, а потому пригоден для системы промышленного теплоснабжения и для электростанций с высоким кпд. Небольшие газоохлаждаемые реакторы отличаются повышенной безопасностью в работе, в частности отсутствием риска расплавления реактора.
Гомогенные реакторы. В активной зоне гомогенных реакторов используется однородная жидкость, содержащая делящийся изотоп урана. Жидкость обычно представляет собой расплавленное соединение урана. Она закачивается в большой сферический сосуд, работающий под давлением, где в критической массе происходит цепная реакция деления. Затем жидкость подается в парогенератор. Гомогенные реакторы не получили распространения из-за конструктивных и технологических трудностей. Нейтроны, возникающие в процессе деления, исчезают в результате поглощения. Кроме того, возможна утечка нейтронов вследствие диффузии через вещество, аналогичной диффузии одного газа сквозь другой. Чтобы управлять ядерным реактором, нужно иметь возможность регулировать коэффициент размножения нейтронов k, определяемый как отношение числа нейтронов в одном поколении к числу нейтронов в предыдущем поколении.
Благодаря явлению запаздывающих нейтронов время «рождения» нейтронов увеличивается от 0,001 с до 0,1 с. Это характерное время реакции позволяет управлять ею с помощью механических исполнительных органов — управляющих стержней из материала, поглощающего нейтроны B, Cd, Hf, In, Eu, Gd и др. Постоянная времени регулирования должна быть порядка 0,1 с или больше. Для обеспечения безопасности выбирают такой режим работы реактора, в котором для поддержания стационарной цепной реакции необходимы запаздывающие нейтроны в каждом поколении. Для обеспечения заданного уровня мощности используются управляющие стержни и отражатели нейтронов, но задачу управления можно значительно упростить правильным расчетом реактора.
Они также придумали способ контролировать цепную реакцию, гарантируя, что экспоненциальное производство нейтронов не выйдет из-под контроля, и в этом случае процесс может стать взрывоопасным. В течение следующего десятилетия технологические достижения в делении ядер будут применяться для производства новых классов сверхоружия. Только после Второй мировой войны инженеры снова обратили внимание на возможность применения процесса ядерного деления для непрерывного производства тепла для выработки электроэнергии. Подобно тому, как пар, полученный при сжигании ископаемого топлива в котле, вращает турбину, соединенную с электрогенератором, пар из «атомного котла» также можно использовать для выработки электроэнергии.
Достижения в области технологий со временем продолжали повышать эффективность и безопасность, в некоторых случаях отказываясь от замедлителей, замедляющих нейтроны, позволяя делящемуся материалу захватывать «более быстрые» частицы. Сегодня в мире насчитывается около 440 действующих атомных электростанций, из них почти 100 только в Соединенных Штатах. В совокупности эти станции производят около 10 процентов электроэнергии в мире, что на 7 процентов меньше, чем в 1993 году. В эпоху, когда производство примерно 60 процентов электроэнергии в мире приводит к выбросу парниковых газов со скоростью, угрожающей катастрофическим глобальным потеплением, атомная энергетика представляет собой сравнительно более чистую альтернативу. Но есть затраты, способные ограничить то, сколько мы должны использовать ядерную энергию для спасения от климатического кризиса. В чем проблема атомной энергетики? Когда дело доходит до поиска экономически эффективных альтернатив ископаемым видам топлива с низким уровнем выбросов, мы можем добиться большего, чем ядерная энергия. Важно отметить, что мы могли бы также добиться большего успеха с технологиями возобновляемых источников энергии, такими как солнечная и ветровая энергия, которые с каждым годом становятся все дешевле. Проблемы ядерной энергетики можно разделить на три категории: отходы, риск и стоимость.
Вот несколько примеров каждой из них. Напрасные затраты Одно из самых больших общественных опасений по поводу ядерной энергетики в последние десятилетия было о том, что делать с урановым топливом, когда оно настолько забито расщепляющимися продуктами, что больше не может эффективно производить энергию. Эти высокоактивные отходы содержат изотопы, для снижения радиоактивности которых до уровня, примерно соответствующего уровню радиоактивности руды, из которой они были получены, могут потребоваться тысячи лет. В настоящее время в мире хранится более четверти миллиона тонн высокорадиоактивных отходов, ожидающих захоронения или переработки.
Вторичные нейтроны деления. Нейтроны, вызывающие деление ядер, называются первичными, а нейтроны, возникающие при делении ядер — вторичными. Вторичные нейтроны деления испускаются осколками в самом начале их движения. Как уже отмечалось, осколки непосредственно после деления оказываются сильно перегруженными нейтронами; при этом энергия возбуждения осколков превышает энергию связи нейтронов в них, что и предопределяет возможность вылета нейтронов.
Покидая ядро осколка, нейтрон уносит с собой часть энергии, в результате чего энергия возбуждения ядра осколка снижается. После того, как энергия возбуждения ядра осколка станет меньше энергии связи нейтрона в нём, вылет нейтронов прекращается. При делении разных ядер образуется различное число вторичных нейтронов, обычно от 0 до 5 чаще всего 2-3. Для расчетов реакторов особое значение имеет среднее число вторичных нейтронов, испускаемых в расчете на один акт деления. Некоторые примеры приведены в таблице 1. Таблица 1.
Два атома заставили двигаться синхронно на расстоянии 33 км
Каждый атом возбуждался лазерным импульсом, который заставлял его испускать фотон, квантово запутанный с атомом. Затем фотоны отправлялись по оптоволоконным кабелям, чтобы встретиться на приемной станции в центре, где фотоны подвергались совместному измерению. Хотя фотоны и раньше запутывались на больших расстояниях, данное исследование устанавливает новый рекорд расстояния для запутывания двух атомов, которые могут функционировать как "узлы квантовой памяти".
Сложнейшая техническая операция включает загрузку топлива и тщательное тестирование систем безопасности.
Она продлится несколько месяцев. Все должно закончиться тем, что сами ядерщики называют «биением атомного сердца». Так называемый физический пуск символизирует его рождение нового реактора.
Но деление атомов сразу после церемонии не начнется.
Риски Прошло более трёх десятилетий с тех пор, как советская Украина дала миру представление о том, как может выглядеть наихудший сценарий ядерной аварии. Чернобыльская АЭС, расплавившаяся во время технических испытаний в 1986 году, превратилась в радиоактивные руины на фоне отравленного радиоактивными осадками ландшафта. Саркофаг над остатками четвёртого блока Чернобыльской АЭС В 2011 году после землетрясения в Японии произошла авария на атомной станции "Фукусима". Подобные разрушительные события достаточно редки, чтобы о них можно было писать в шокирующих заголовках. Однако, по некоторым оценкам , такие аварии могут происходить раз в 10-20 лет, что в каждом случае чревато распространением радиоактивных веществ на сотни и даже тысячи километров.
Насколько это может быть опасно? Трудно сказать, это зависит от множества факторов, связанных с плотностью населения, степенью облучения и концентрацией изотопов. По данным Всемирной организации здравоохранения, «перемещённое население Фукусимы страдает от психосоциальных и психических последствий переезда, разрыва социальных связей людей, потерявших жильё и работу, разрыва семейных связей и стигматизации». Иными словами, речь идёт не только о риске радиоактивности, о котором нам следует беспокоиться. Тем не менее, привыкнув к воздействию сжигания ископаемого топлива на здоровье человека, мы мало задумываемся о влиянии на него твёрдых частиц, образующихся при сжигании угля. Который сам по себе тоже не совсем свободен от радиоактивных веществ.
Стоимость Для сравнения затрат на производство электроэнергии исследователи используют так называемую нормированную стоимость энергии , или LCOE [levelized cost of energy]. Это показатель средней себестоимости выработки электроэнергии, рассчитанный на весь срок службы объекта. Этот показатель зависит от множества факторов, связанных с местоположением и колебаниями поставок ресурсов. Тем не менее, можно получить общее представление о LCOE в мире для сравнения технологий. Могут ли атомные электростанции спасти мир?
Хотя процесс деления и преобразования ядерной энергии в электричество относительно свободен от выбросов углерода, общий бюджет углерода, связанный с добычей и переработкой руды, необходимой для деления, и строительством конкретной электростанции, не равен нулю. В течение всего срока службы новая атомная электростанция может выбрасывать в атмосферу примерно 4 г CO2 на каждый киловатт-час произведенной электроэнергии. По некоторым оценкам, этот показатель значительно выше - от 10 до 130 граммов CO2 в отдельных случаях. Таким образом, замена угольных электростанций на атомные позволит ежегодно экономить миллионы тонн СО2, не говоря уже о твердых частицах и других загрязняющих веществах. По тем же причинам экологически чистые возобновляемые источники энергии, такие как ветряные турбины и солнечные батареи, также не имеют нулевых выбросов в силу их производства и установки. Углеродный след солнечных и ветряных электростанций более или менее сопоставим с нижним пределом для атомной энергетики. В целом, атомная энергетика в лучшем случае не содержит столько же углерода, сколько солнечная и ветровая, хотя и связана с непопулярной проблемой отходов. Риск Прошло более трех десятилетий с тех пор, как советская Украина дала миру представление о том, как может выглядеть наихудший сценарий ядерной аварии. Чернобыльская АЭС, расплавившаяся во время технических испытаний в 1986 году, превратилась в радиоактивные руины на фоне отравленного радиоактивными осадками ландшафта. В 2011 году после землетрясения на японской АЭС "Фукусима" также произошла авария. Подобные разрушительные события достаточно редки для того, чтобы о них можно было писать в шокирующих заголовках. Однако, по некоторым оценкам, такие аварии могут происходить раз в 10-20 лет, что чревато распространением радиоактивных веществ на сотни и даже тысячи километров. Насколько это может быть опасно? Трудно сказать, это зависит от множества факторов, связанных с плотностью населения, степенью облучения и концентрацией изотопов. По данным Всемирной организации здравоохранения, "перемещенное население Фукусимы страдает от психосоциальных и психических последствий переезда, разрыва социальных связей людей, потерявших жилье и работу, разрыва семейных связей и стигматизации". Иными словами, речь идет не только о риске радиоактивного излучения, о котором мы должны беспокоиться. Тем не менее, привыкнув к воздействию сжигания ископаемого топлива на здоровье человека, мы мало задумываемся о влиянии на него твердых частиц, образующихся при сжигании угля, который сам по себе тоже не совсем свободен от радиоактивных веществ.