Деление ядер урана

1. ДЕЛЕНИЕ ЯДЕР УРАНА

Ядерная физика

2. 1938 - 1939 годы

1938 - 1939 годы
Немецкие ученые О. Ган и
Ф. Штрассман в 1938 году открыли
деление ядер урана. Но
правильное истолкование этого
факта, именно как деления ядра
урана, захватившего нейтрон,
было дано в 1939 году английским
физиком О.Фришем совместно с
австрийским физиком Л.
Мейтнером

3.

О. Ган и Ф. Штрассман
установили, что при
бомбардировке урана
нейтронами возникают
элементы средней части
периодической системы –
радиоактивные изотопы бария
(Z = 56), криптона (Z = 36) и др.

4. Деление ядер урана

Деление ядра возможно благодаря тому, что
масса покоя тяжелого ядра больше суммы масс
покоя осколков, возникающих при делении.
Возможность деления тяжелых ядер
объясняется тем, что удельная энергия связи
ядер атомов, занимающих в периодической
системе последние места, меньше удельной
энергии связи в ядрах элементов, находящихся
в середине периодической системы.
При делении ядра энергия связи должна быть
огромной – порядка 200 МэВ.

5. Две типичные реакции деления ядра урана имеют вид:

6. Схема развития цепной реакции

7. Цепная ядерная реакция

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. Такой лавинообразный
процесс называется цепной ядерной
реакцией.

8. Цепная ядерная реакция

Цепной ядерной реакцией называется
реакция, в которой частицы, вызывающие ее
(нейтроны), образуются как продукты этой
реакции.
Цепная ядерная реакция сопровождается
выделением огромной энергии. При делении
каждого ядра выделяется около 200МэВ. При
полном же делении всех ядер, имеющихся в 1 г
урана, выделяется энергия, эквивалентная
энергии, получаемой при сгорании 3 т угля или
2,5 нефти.

9.

Но для осуществления цепной ядерной
реакции нельзя использовать любые ядра,
делящиеся под влиянием нейтронов. В силу
ряда причин из ядер, встречающихся в
природе, пригодны лишь ядра изотопа урана
с массовым числом 235.
Для течения цепной ядерной реакции
необходимо, 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.

10.

Коэффициентом размножения нейтронов
называют отношение числа нейтронов в каком –
либо «поколении» к числу нейтронов
предшествующего «поколения».
Под сменой «поколений» понимают деление ядер,
при котором поглощаются нейтроны старого
«поколения» и рождаются новые нейтроны.
Если k больше или равно 1,то число нейтронов
увеличивается с течением времени или остается
постоянным и цепная реакция идет. При k меньше
1 число нейтронов убывает и цепная реакция
невозможна.
Естественный уран состоит в основном из двух
изотопов: уран-235 и уран-238.

11. Критическая масса

Наименьшая масса делящегося
вещества, при которой возможно
протекание цепной ядерной
реакции.
Для чистого (без замедлителя) урана-235, имеющего
форму шара, критическая масса равна 50 кг. При
этом радиус шара равен 9 см (уран очень тяжелое
вещество). Применяя замедлители нейтронов и
отражающую нейтроны оболочку из бериллия,
удалось снизить критическую массу до 250 г.

12. Виды цепных ядерных реакций

13. Ядерный (атомный) реактор

Устройство, в котором осуществляется
управляемая реакция деления ядер.
Основные элементы ядерного реактора:
Ядерное горючее -уран-235,плутоний-239, уран-238
Замедлители нейтронов –тяжелая или обычная
вода, графит и др.
Теплоноситель для вывода энергии, образующейся
при работе реактора- вода, жидкий натрий и др.
Устройство для регулирования скорости реакции
(вводимые в рабочее пространство реактора
стержни, содержащие кадмий или бор)

14.

Снаружи реактор окружают защитной оболочкой,
задерживающей гамма излучение и нейтроны.
Оболочку делают из бетона с железным
заполнителем.
Лучшим замедлителем является тяжелая вода.
Хорошим замедлителем считается графит, ядра
которого не поглощают нейтроны. Обычная вода
сама захватывает нейтроны и превращается в
тяжелую воду.
В ядерных реакторах, работающих на
естественном уране, используются замедлители
нейтронов для повышения коэффициента
размножения нейтронов.

15.

16. Термоядерная реакция

Реакция слияния легких ядер при очень
высокой температуре.
Для слияния ядер необходимо, чтобы они попали в
сферу действия ядерных сил. Этому сближению
препятствует отталкивание ядер, которое может
быть преодолено лишь за счет большой
кинетической энергии теплового движения ядер.
Термоядерные реакции играют большую роль в
эволюции Вселенной. Энергия излучения Солнца и
звезд имеет термоядерное происхождение.
Термоядерные реакции играют решающую роль в
эволюции химического состава вещества во
Вселенной.

17. Термоядерная реакция

Все термоядерные реакции сопровождаются
выделением энергии, обеспечивающей излучение
света звездами на протяжении миллиардов лет.
Осуществление управляемых термоядерных
реакций на Земле обеспечит человечеству новый,
практически неисчерпаемый источник энергии.
Наиболее перспективной в этом отношении
реакцией является реакция слияния дейтерия с
тритием.
Неуправляемые термоядерные реакции в
водородных бомбах могут человечество
уничтожить.

18. Слияние ядер дейтерия и трития

Энергия, которая выделяется при термоядерных
реакциях в несколько раз превышает энергию,
выделяющуюся в цепных реакциях деления ядер.
При слиянии легких ядер масса покоя
уменьшается и должна выделяться значительная
энергия. Легкие ядра могут сливаться с
выделением энергии. Пока удалось осуществить
лишь неуправляемую реакцию синтеза взрывного
типа в водородной (или термоядерной) бомбе.

19. Подумай и ответь!

1.Кто открыл деление ядер урана?
2.Что они установили?
3.Когда возможно деление ядра?
4.Что называют цепной ядерной реакцией?
5.Чем сопровождается цепная ядерная реакция?
6.От чего зависит коэффициент размножения
нейтронов k?
7.Какие изотопы урана используются для
осуществления цепной ядерной реакции?
8.Что такое критическая масса?

20.

9.Какие виды цепных ядерных реакций
существуют?
10.Что называют ядерным реактором?
11.Перечислите основные элементы
ядерного реактора.
12.Для чего в ядерном реакторе
используются замедлители нейтронов?
13. Что называют термоядерными
реакциями?
14.Почему реакция слияния легких ядер
происходит только при очень высоких
температурах?