Kernspaltung und Kernfusion. Kernspaltung: der Vorgang der Spaltung eines Atomkerns

Unter Kernspaltung versteht man die Spaltung eines schweren Atoms in zwei Bruchstücke etwa gleicher Masse mit gleichzeitiger Freisetzung große Menge Energie.

Die Entdeckung der Kernspaltung begann neue Ära- „Atomzeitalter“. Das Potenzial seiner möglichen Nutzung und das Risiko-Nutzen-Verhältnis seiner Nutzung haben nicht nur zu vielen soziologischen, politischen, wirtschaftlichen und wissenschaftlichen Fortschritten geführt, sondern auch zu ernsthaften Problemen. Auch mit sauber wissenschaftlicher Punkt Aus unserer Sicht hat der Prozess der Kernspaltung eine Vielzahl von Rätseln und Komplikationen mit sich gebracht, und seine vollständige theoretische Erklärung liegt in der Zukunft.

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Die Bindungsenergien (pro Nukleon) unterscheiden sich für verschiedene Kerne. Schwerere haben eine niedrigere Bindungsenergie als diejenigen, die in der Mitte des Periodensystems stehen.

Das bedeutet, dass schwere Kerne mit einer Ordnungszahl über 100 von der Aufspaltung in zwei kleinere Fragmente profitieren und dabei Energie freisetzen, die in kinetische Energie der Fragmente umgewandelt wird. Dieser Vorgang wird als Spaltung bezeichnet

Gemäß der Stabilitätskurve, die die Anzahl der Protonen gegenüber der Anzahl der Neutronen für stabile Nuklide zeigt, bevorzugen schwerere Kerne eine höhere Anzahl von Neutronen (im Verhältnis zur Anzahl der Protonen) als leichtere Kerne. Dies deutet darauf hin, dass beim Spaltungsprozess einige „Ersatzneutronen“ emittiert werden. Darüber hinaus absorbieren sie auch einen Teil der freigesetzten Energie. Eine Untersuchung der Kernspaltung eines Uranatoms ergab, dass 3-4 Neutronen freigesetzt werden: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

Die Ordnungszahl (und Atommasse) des Fragments ist nicht gleich der Hälfte Atommasse Elternteil. Der Unterschied zwischen den Massen der durch die Spaltung entstehenden Atome beträgt normalerweise etwa 50. Der Grund dafür ist jedoch noch nicht ganz klar.

Die Bindungsenergien von 238 U, 145 La und 90 Br betragen 1803, 1198 bzw. 763 MeV. Dies bedeutet, dass als Ergebnis dieser Reaktion die Spaltungsenergie des Urankerns freigesetzt wird, die 1198 + 763-1803 = 158 MeV entspricht.

Spontane Spaltung

Spontane Spaltungsprozesse sind in der Natur bekannt, aber sehr selten. Die durchschnittliche Lebensdauer dieses Prozesses beträgt etwa 10 17 Jahre, und beispielsweise beträgt die durchschnittliche Lebensdauer des Alpha-Zerfalls desselben Radionuklids etwa 10 11 Jahre.

Der Grund dafür ist, dass der Kern, um sich in zwei Teile zu teilen, zunächst eine Verformung (Streckung) in eine ellipsoide Form erfahren muss und dann, bevor er schließlich in zwei Fragmente zerfällt, in der Mitte einen „Hals“ bildet.

Potenzielle Barriere

Im verformten Zustand wirken zwei Kräfte auf den Kern. Das eine ist eine erhöhte Oberflächenenergie (die Oberflächenspannung eines Flüssigkeitstropfens erklärt seine Kugelform) und das andere ist die Coulomb-Abstoßung zwischen Spaltfragmenten. Zusammen bilden sie eine potenzielle Barriere.

Wie beim Alpha-Zerfall müssen die Fragmente diese Barriere mithilfe von Quantentunneln überwinden, damit der Kern eines Uranatoms spontan gespalten werden kann. Der Barrierewert beträgt etwa 6 MeV, wie beim Alpha-Zerfall, aber die Wahrscheinlichkeit, dass ein Alpha-Teilchen tunnelt, ist viel größer als die des viel schwereren Atomspaltungsprodukts.

Zwangsaufteilung

Viel wahrscheinlicher ist die induzierte Spaltung des Urankerns. Dabei wird der Mutterkern mit Neutronen bestrahlt. Wenn die Eltern es absorbieren, verbinden sie sich und geben Bindungsenergie in Form von Schwingungsenergie frei, die die zur Überwindung der Potentialbarriere erforderlichen 6 MeV überschreiten kann.

Reicht die Energie des zusätzlichen Neutrons nicht aus, um die Potentialbarriere zu überwinden, muss das einfallende Neutron eine minimale kinetische Energie haben, um eine Atomspaltung induzieren zu können. Im Fall von 238 U fehlt die Bindungsenergie zusätzlicher Neutronen um etwa 1 MeV. Dies bedeutet, dass die Spaltung eines Urankerns nur durch ein Neutron mit einer kinetischen Energie von mehr als 1 MeV induziert wird. Andererseits hat das 235 U-Isotop ein ungepaartes Neutron. Wenn ein Kern einen weiteren absorbiert, paart er sich mit diesem und diese Paarung führt zu zusätzlicher Bindungsenergie. Dies reicht aus, um die Energiemenge freizusetzen, die der Kern benötigt, um die Potentialbarriere zu überwinden, und bei der Kollision mit einem Neutron kommt es zur Isotopenspaltung.

Beta-Zerfall

Auch wenn bei der Spaltreaktion drei oder vier Neutronen entstehen, enthalten die Fragmente immer noch mehr Neutronen als ihre stabilen Isobaren. Dies bedeutet, dass Spaltungsfragmente dazu neigen, gegenüber dem Beta-Zerfall instabil zu sein.

Wenn beispielsweise die Spaltung des Urankerns 238 U stattfindet, ist die stabile Isobare mit A = 145 Neodym 145 Nd, was bedeutet, dass das Lanthan 145 La-Fragment in drei Stufen zerfällt und jedes Mal ein Elektron und ein Antineutrino emittiert, bis a Es entsteht ein stabiles Nuklid. Eine stabile Isobare mit A = 90 ist Zirkonium 90 Zr, daher zerfällt das Spaltfragment von Brom 90 Br in fünf Stufen der β-Zerfallskette.

Diese β-Zerfallsketten setzen zusätzliche Energie frei, die fast vollständig von Elektronen und Antineutrinos abtransportiert wird.

Kernreaktionen: Spaltung von Urankernen

Eine direkte Neutronenemission von einem Nuklid mit zu vielen Neutronen, um die Kernstabilität zu gewährleisten, ist unwahrscheinlich. Der Punkt hier ist, dass es keine Coulomb-Abstoßung gibt und daher die Oberflächenenergie dazu neigt, das Neutron an das Elternteil gebunden zu halten. Dies kommt jedoch manchmal vor. Beispielsweise erzeugt das Spaltfragment von 90 Br im ersten Stadium des Betazerfalls Krypton-90, das sich in einem angeregten Zustand mit genügend Energie befinden kann, um die Oberflächenenergie zu überwinden. In diesem Fall kann die Neutronenemission direkt mit der Bildung von Krypton-89 einhergehen. ist immer noch instabil gegenüber dem β-Zerfall, bis es zu stabilem Yttrium-89 wird, sodass Krypton-89 in drei Schritten zerfällt.

Spaltung von Urankernen: Kettenreaktion

Bei der Spaltungsreaktion emittierte Neutronen können von einem anderen Mutterkern absorbiert werden, der dann selbst eine induzierte Spaltung durchläuft. Im Fall von Uran-238 haben die drei erzeugten Neutronen eine Energie von weniger als 1 MeV (die bei der Spaltung eines Urankerns freigesetzte Energie – 158 MeV – wird hauptsächlich in die kinetische Energie der Spaltfragmente umgewandelt). ), so dass sie keine weitere Spaltung dieses Nuklids bewirken können. Bei einer signifikanten Konzentration des seltenen Isotops 235 U können diese freien Neutronen jedoch von 235 U-Kernen eingefangen werden, was tatsächlich zur Spaltung führen kann, da es in diesem Fall keine Energieschwelle gibt, unterhalb derer keine Spaltung induziert wird.

Dies ist das Prinzip einer Kettenreaktion.

Arten von Kernreaktionen

Sei k die Anzahl der Neutronen, die in einer Probe spaltbaren Materials auf der Stufe n dieser Kette erzeugt werden, geteilt durch die Anzahl der auf der Stufe n - 1 erzeugten Neutronen. Diese Zahl hängt davon ab, wie viele auf der Stufe n - 1 erzeugte Neutronen absorbiert werden durch den Kern, der einer erzwungenen Teilung unterliegen kann.

Wenn k< 1, то цепная реакция просто выдохнется и процесс остановится очень быстро. Именно это и происходит в природной в которой концентрация 235 U настолько мала, что вероятность поглощения одного из нейтронов этим изотопом крайне ничтожна.

Wenn k > 1, dann wächst die Kettenreaktion, bis das gesamte spaltbare Material aufgebraucht ist. Dies wird durch die Anreicherung von natürlichem Erz erreicht, um eine ausreichend große Konzentration an Uran-235 zu erhalten. Bei einer kugelförmigen Probe steigt der Wert von k mit zunehmender Wahrscheinlichkeit der Neutronenabsorption, die vom Radius der Kugel abhängt. Daher muss die Masse U einen bestimmten Betrag überschreiten, damit es zur Spaltung von Urankernen (Kettenreaktion) kommen kann.

Wenn k = 1, dann findet eine kontrollierte Reaktion statt. Dies wird in Kernreaktoren verwendet. Der Prozess wird durch die Verteilung von Cadmium- oder Borstäben im Uran gesteuert, die die meisten Neutronen absorbieren (diese Elemente haben die Fähigkeit, Neutronen einzufangen). Die Spaltung des Urankerns wird automatisch durch Bewegen der Stäbe gesteuert, sodass der Wert von k gleich eins bleibt.

Wie dieser Prozess entdeckt und beschrieben wurde. Seine Verwendung als Energiequelle und Atomwaffe wird aufgedeckt.

„Unteilbares“ Atom

Das 21. Jahrhundert ist voll von Ausdrücken wie „Atomenergie“, „Atomtechnologie“ und „radioaktiver Abfall“. Hin und wieder wird in den Schlagzeilen der Zeitungen über die Möglichkeit einer radioaktiven Kontamination des Bodens, der Ozeane und des Eises der Antarktis berichtet. Allerdings hat der Durchschnittsmensch oft keine sehr gute Vorstellung davon, was dieses Wissenschaftsgebiet ist und wie es im Alltag hilft. Es lohnt sich vielleicht, mit der Geschichte zu beginnen. Von der ersten Frage an, die ein wohlgenährter und gekleideter Mann stellte, interessierte er sich dafür, wie die Welt funktioniert. Wie das Auge sieht, warum das Ohr hört, wie sich Wasser von Stein unterscheidet – das beschäftigt die Weisen seit jeher. Schon im alten Indien und Griechenland vermuteten einige neugierige Geister, dass es ein minimales Teilchen (es wurde auch „unteilbar“ genannt) gab, das die Eigenschaften eines Materials hatte. Mittelalterliche Chemiker bestätigten die Vermutung der Weisen, und die moderne Definition eines Atoms lautet wie folgt: Ein Atom ist das kleinste Teilchen einer Substanz, das Träger seiner Eigenschaften ist.

Teile eines Atoms

Die Entwicklung der Technik (insbesondere der Fotografie) hat jedoch dazu geführt, dass das Atom nicht mehr als das kleinstmögliche Teilchen der Materie gilt. Und obwohl ein einzelnes Atom elektrisch neutral ist, erkannten Wissenschaftler schnell, dass es aus zwei Teilen mit unterschiedlichen Ladungen besteht. Die Anzahl der positiv geladenen Teile gleicht die Anzahl der negativ geladenen Teile aus, sodass das Atom neutral bleibt. Es gab jedoch kein eindeutiges Modell des Atoms. Da damals noch die klassische Physik vorherrschte, wurden verschiedene Annahmen getroffen.

Atommodelle

Zunächst wurde das Modell „Rosinenbrötchen“ vorgeschlagen. Die positive Ladung schien den gesamten Raum des Atoms auszufüllen, und negative Ladungen waren darin verteilt, wie Rosinen in einem Brötchen. Der berühmte hat Folgendes festgestellt: Im Zentrum des Atoms befindet sich ein sehr schweres Element mit positiver Ladung (Kern), um das herum befinden sich viel leichtere Elektronen. Die Masse des Kerns ist hunderte Male schwerer als die Summe aller Elektronen (sie macht 99,9 Prozent der Masse des gesamten Atoms aus). So entstand Bohrs Planetenmodell des Atoms. Einige seiner Elemente widersprachen jedoch der damals akzeptierten klassischen Physik. Daher wurde eine neue, die Quantenmechanik, entwickelt. Mit ihrem Aufkommen begann die nichtklassische Periode der Wissenschaft.

Atom und Radioaktivität

Aus all dem, was oben gesagt wurde, wird deutlich, dass der Kern der schwere, positiv geladene Teil des Atoms ist, der seine Masse ausmacht. Als die Positionen der Elektronen in der Umlaufbahn eines Atoms gut untersucht waren, war es an der Zeit, die Natur zu verstehen Atomkern. Die geniale und unerwartet entdeckte Radioaktivität kam zur Rettung. Es half dabei, das Wesen des schweren zentralen Teils des Atoms aufzudecken, da die Quelle der Radioaktivität die Kernspaltung ist. An der Wende vom 19. zum 20. Jahrhundert kam es zu einer Entdeckung nach der anderen. Die theoretische Lösung eines Problems erforderte die Durchführung neuer Experimente. Die Ergebnisse der Experimente führten zu Theorien und Hypothesen, die bestätigt oder widerlegt werden mussten. Oft größten Entdeckungen erschien einfach deshalb, weil die Formel auf diese Weise für Berechnungen praktisch wurde (wie zum Beispiel das Max-Planck-Quanten). Schon zu Beginn der Ära der Fotografie wussten Wissenschaftler, dass Uransalze lichtempfindliche Filme beleuchten, ahnten jedoch nicht, dass dieses Phänomen auf der Kernspaltung beruhte. Daher wurde die Radioaktivität untersucht, um die Natur des Kernzerfalls zu verstehen. Es ist offensichtlich, dass die Strahlung durch Quantenübergänge erzeugt wurde, es war jedoch nicht ganz klar, welche genau. Um diese Frage zu beantworten, förderten die Curies reines Radium und Polonium und verarbeiteten Uranerz fast von Hand.

Radioaktive Ladung

Rutherford hat viel zur Erforschung der Struktur des Atoms beigetragen und zur Untersuchung der Spaltung des Atomkerns beigetragen. Der Wissenschaftler platzierte die von einem radioaktiven Element freigesetzte Strahlung in einem Magnetfeld und erzielte ein erstaunliches Ergebnis. Es stellte sich heraus, dass Strahlung aus drei Komponenten besteht: Eine war neutral und die anderen beiden waren positiv und negativ geladen. Die Erforschung der Kernspaltung begann mit der Identifizierung ihrer Bestandteile. Es wurde nachgewiesen, dass der Kern sich teilen und einen Teil seiner positiven Ladung abgeben kann.

Kernstruktur

Später stellte sich heraus, dass der Atomkern nicht nur aus positiv geladenen Protonenteilchen, sondern auch aus neutralen Neutronenteilchen besteht. Zusammen nennt man sie Nukleonen (vom englischen „nucleus“, Nukleus). Allerdings stießen die Wissenschaftler erneut auf ein Problem: Die Masse des Kerns (also die Anzahl der Nukleonen) entsprach nicht immer seiner Ladung. Im Wasserstoff hat der Kern eine Ladung von +1 und die Masse kann drei, zwei oder eins betragen. Das nächste Helium im Periodensystem hat eine Kernladung von +2, während sein Kern 4 bis 6 Nukleonen enthält. Komplexere Elemente können eine viel größere Anzahl haben verschiedene Massen mit der gleichen Ladung. Diese Variationen von Atomen werden Isotope genannt. Darüber hinaus erwiesen sich einige Isotope als recht stabil, während andere schnell zerfielen, da sie durch Kernspaltung gekennzeichnet waren. Nach welchem ​​Prinzip entsprach die Anzahl der Nukleonen der Stabilität der Kerne? Warum führte die Zugabe von nur einem Neutron zu einem schweren und völlig stabilen Kern zu dessen Spaltung und der Freisetzung von Radioaktivität? Seltsamerweise wurde die Antwort auf diese wichtige Frage noch nicht gefunden. Es stellte sich experimentell heraus, dass stabile Konfigurationen von Atomkernen einer bestimmten Anzahl von Protonen und Neutronen entsprechen. Wenn der Kern 2, 4, 8, 50 Neutronen und/oder Protonen enthält, ist der Kern auf jeden Fall stabil. Diese Zahlen werden sogar Magie genannt (und erwachsene Wissenschaftler nannten sie so). Kernphysiker). Somit hängt die Spaltung von Kernen von ihrer Masse ab, also von der Anzahl der in ihnen enthaltenen Nukleonen.

Tropfen, Muschel, Kristall

Derzeit ist es nicht möglich, den Faktor zu bestimmen, der für die Stabilität des Kerns verantwortlich ist. Es gibt viele Theorien zu diesem Modell. Die drei bekanntesten und am weitesten entwickelten widersprechen sich in verschiedenen Fragen oft. Dem ersten zufolge ist der Kern ein Tropfen einer speziellen Kernflüssigkeit. Wie Wasser zeichnet es sich durch Fließfähigkeit, Oberflächenspannung, Koaleszenz und Zerfall aus. Im Schalenmodell gibt es auch bestimmte Energieniveaus im Kern, die mit Nukleonen gefüllt sind. Der dritte behauptet, dass der Kern ein Medium ist, das in der Lage ist, spezielle Wellen (De-Broglie-Wellen) zu brechen, und dass der Brechungsindex bei einer bestimmten kritischen Masse dieses bestimmten chemischen Elements bei einer bestimmten kritischen Masse dieses bestimmten chemischen Elements ist. Allerdings konnte noch kein Modell vollständig beschreiben, warum , beginnt die Spaltung des Kerns.

Wie kommt es zum Verfall?

Radioaktivität wurde, wie oben erwähnt, in Substanzen entdeckt, die in der Natur vorkommen: Uran, Polonium, Radium. Beispielsweise ist frisch gefördertes, reines Uran radioaktiv. Der Spaltungsprozess erfolgt in diesem Fall spontan. Ohne irgendetwas äußere Einflüsse eine bestimmte Menge von Uranatome emittieren Alphateilchen und verwandeln sich spontan in Thorium. Es gibt einen Indikator namens Halbwertszeit. Es zeigt an, in welchem ​​Zeitraum etwa die Hälfte der ursprünglichen Stückzahl übrig bleibt. Jedes radioaktive Element hat seine eigene Halbwertszeit – von Sekundenbruchteilen für Kalifornien bis zu Hunderttausenden von Jahren für Uran und Cäsium. Es gibt aber auch induzierte Radioaktivität. Wenn die Atomkerne mit Protonen oder Alphateilchen (Heliumkernen) mit hoher kinetischer Energie beschossen werden, können sie „spalten“. Der Mechanismus der Transformation unterscheidet sich natürlich von dem, wie die Lieblingsvase Ihrer Mutter zerbricht. Es lässt sich jedoch eine gewisse Analogie erkennen.

Atomenergie

Bisher haben wir die praktische Frage nicht beantwortet: Woher kommt die Energie bei der Kernspaltung? Zunächst muss klargestellt werden, dass bei der Bildung eines Kerns besondere Kernkräfte wirken, die als starke Wechselwirkung bezeichnet werden. Da der Kern aus vielen positiven Protonen besteht, bleibt die Frage, wie sie zusammenhalten, da elektrostatische Kräfte sie ziemlich stark voneinander abstoßen müssen. Die Antwort ist ebenso einfach wie nicht: Der Kern wird durch den sehr schnellen Austausch spezieller Teilchen zwischen Nukleonen – Pi-Mesonen – zusammengehalten. Diese Verbindung ist unglaublich kurzlebig. Sobald der Austausch der Pi-Mesonen aufhört, zerfällt der Kern. Es ist auch sicher bekannt, dass die Masse des Kerns geringer ist als die Summe aller seiner Nukleonenbestandteile. Dieses Phänomen wird Massendefekt genannt. Tatsächlich ist die fehlende Masse die Energie, die aufgewendet wird, um die Integrität des Kerns aufrechtzuerhalten. Sobald ein Teil vom Atomkern getrennt wird, wird diese Energie an ihn abgegeben Atomkraftwerke in Wärme umgewandelt. Das heißt, die Kernspaltungsenergie ist ein klarer Beweis für Einsteins berühmte Formel. Erinnern wir uns daran, dass die Formel besagt: Energie und Masse können ineinander umgewandelt werden (E=mc 2).

Theorie und Praxis

Jetzt erzählen wir Ihnen, wie diese rein theoretische Entdeckung im wirklichen Leben genutzt wird, um Gigawatt Strom zu erzeugen. Zunächst ist zu beachten, dass kontrollierte Reaktionen eine erzwungene Kernspaltung nutzen. Am häufigsten handelt es sich dabei um Uran oder Polonium, die von schnellen Neutronen beschossen werden. Zweitens kann man nicht umhin zu verstehen, dass die Kernspaltung mit der Entstehung neuer Neutronen einhergeht. Dadurch kann die Zahl der Neutronen in der Reaktionszone sehr schnell ansteigen. Jedes Neutron kollidiert mit neuen, noch intakten Kernen und spaltet diese, was zu einer erhöhten Wärmefreisetzung führt. Dabei handelt es sich um eine Kettenreaktion der Kernspaltung. Ein unkontrollierter Anstieg der Neutronenzahl in einem Reaktor kann zu einer Explosion führen. Genau das geschah 1986 im Kernkraftwerk Tschernobyl. Daher befindet sich in der Reaktionszone immer eine Substanz, die überschüssige Neutronen absorbiert und so eine Katastrophe verhindert. Dabei handelt es sich um Graphit in Form langer Stäbe. Durch Eintauchen der Stäbe in die Reaktionszone kann die Geschwindigkeit der Kernspaltung verlangsamt werden. Die Gleichung wird speziell für jeden aktiven radioaktiven Stoff und die ihn beschießenden Teilchen (Elektronen, Protonen, Alphateilchen) erstellt. Die endgültige Energieausbeute wird jedoch nach dem Erhaltungssatz berechnet: E1+E2=E3+E4. Das heißt, die Gesamtenergie des ursprünglichen Kerns und Teilchens (E1 + E2) muss gleich der Energie des resultierenden Kerns und der in freier Form freigesetzten Energie (E3 + E4) sein. Die Gleichung für eine Kernreaktion zeigt auch, welche Substanz beim Zerfall entsteht. Zum Beispiel für Uran U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg. Isotope chemischer Elemente werden hier nicht angegeben, aber das ist wichtig. Beispielsweise gibt es bis zu drei Möglichkeiten der Uranspaltung, bei der unterschiedliche Isotope von Blei und Neon entstehen. In fast hundert Prozent der Fälle entstehen bei der Kernspaltung radioaktive Isotope. Das heißt, beim Zerfall von Uran entsteht radioaktives Thorium. Thorium kann zu Protactinium, dieses zu Actinium usw. zerfallen. Sowohl Wismut als auch Titan können in dieser Serie radioaktiv sein. Sogar Wasserstoff, der zwei Protonen im Kern enthält (die Norm ist ein Proton), wird anders genannt – Deuterium. Mit diesem Wasserstoff gebildetes Wasser wird als schwer bezeichnet und füllt den Primärkreislauf in Kernreaktoren.

Unfriedliches Atom

Ausdrücke wie „Wettrüsten“, „Kalter Krieg“, „ nukleare Bedrohung» für den modernen Menschen mag historisch und irrelevant erscheinen. Aber es gab einmal eine Zeit, in der fast überall auf der Welt in jeder Pressemitteilung berichtet wurde, wie viele Arten von Atomwaffen erfunden worden seien und wie man mit ihnen umgehe. Die Menschen bauten unterirdische Bunker und lagerten Vorräte für den Fall eines nuklearen Winters. Ganze Familien arbeiteten daran, das Tierheim zu errichten. Auch die friedliche Nutzung nuklearer Spaltungsreaktionen kann zur Katastrophe führen. Es scheint, dass Tschernobyl die Menschheit gelehrt hat, in diesem Bereich vorsichtig zu sein, doch die Elemente des Planeten erwiesen sich als stärker: Das Erdbeben in Japan beschädigte die sehr zuverlässigen Befestigungen des Kernkraftwerks Fukushima. Die Energie einer Kernreaktion lässt sich viel einfacher zur Zerstörung nutzen. Technologen müssen lediglich die Kraft der Explosion begrenzen, um nicht versehentlich den gesamten Planeten zu zerstören. Die „humansten“ Bomben, wenn man sie so nennen kann, belasten die Umgebung nicht mit Strahlung. Im Allgemeinen nutzen sie am häufigsten eine unkontrollierte Kettenreaktion. Was man in Kernkraftwerken um jeden Preis vermeiden will, wird mit Bomben auf sehr primitive Weise erreicht. Für jedes natürlich radioaktive Element gibt es eine bestimmte kritische Masse an reiner Substanz, in der spontan eine Kettenreaktion beginnt. Bei Uran beispielsweise sind es nur fünfzig Kilogramm. Da Uran sehr schwer ist, handelt es sich nur um eine kleine Metallkugel mit einem Durchmesser von 12 bis 15 Zentimetern. Die ersten Atombomben, die auf Hiroshima und Nagasaki abgeworfen wurden, wurden nach genau diesem Prinzip hergestellt: Zwei ungleiche Teile reinen Urans vermischten sich einfach und erzeugten eine schreckliche Explosion. Moderne Waffen sind wahrscheinlich anspruchsvoller. Wir sollten jedoch die kritische Masse nicht vergessen: Zwischen kleinen Mengen reiner radioaktiver Substanz während der Lagerung müssen Barrieren vorhanden sein, die eine Verbindung der Teile verhindern.

Strahlungsquellen

Alle Elemente mit einer atomaren Kernladung von mehr als 82 sind radioaktiv. Fast alles ist leichter chemische Elemente haben radioaktive Isotope. Je schwerer der Kern, desto kürzer ist seine Lebensdauer. Einige Elemente (z. B. Kalifornien) können nur künstlich gewonnen werden – durch Kollision schwerer Atome mit leichteren Teilchen, meist in Beschleunigern. Da sie sehr instabil sind, Erdkruste Sie sind nicht da: Während der Entstehung des Planeten zerfielen sie sehr schnell in andere Elemente. Es können Stoffe mit leichteren Kernen wie Uran abgebaut werden. Dieser Prozess ist langwierig; selbst sehr ergiebige Erze enthalten weniger als ein Prozent abbaubares Uran. Der dritte Weg deutet vielleicht darauf hin, dass ein neues geologisches Zeitalter bereits begonnen hat. Das ist Beute radioaktive Elemente aus radioaktivem Abfall. Nach der Verarbeitung des Brennstoffs in einem Kraftwerk, auf einem U-Boot oder auf einem Flugzeugträger entsteht eine Mischung aus dem ursprünglichen Uran und der Endsubstanz, dem Ergebnis der Spaltung. Derzeit handelt es sich dabei um festen radioaktiven Abfall, und die dringende Frage ist, wie er so vergraben werden kann, dass er nicht kontaminiert wird Umfeld. Es besteht jedoch die Möglichkeit, dass aus diesen Abfällen in naher Zukunft fertige konzentrierte radioaktive Stoffe (z. B. Polonium) gewonnen werden.

Freisetzung von Energie bei der Kernspaltung. Wie bei anderen Kernreaktionen entspricht die bei der Spaltung freigesetzte Energie dem Unterschied in den Massen der wechselwirkenden Teilchen und der Endprodukte. Da bei der Spaltung von Uran die Bindungsenergie eines Nukleons in Uran und die Bindungsenergie eines Nukleons in Bruchstücken zunimmt, muss Energie freigesetzt werden

Somit wird bei der Kernspaltung enorme Energie freigesetzt, der überwiegende Teil davon wird in Form der kinetischen Energie der Spaltfragmente freigesetzt.

Verteilung der Spaltprodukte nach Masse. Der Urankern teilt sich in den meisten Fällen asymmetrisch. Die beiden Kernfragmente haben jeweils unterschiedliche Geschwindigkeiten und unterschiedliche Massen.

Die Fragmente lassen sich anhand ihrer Masse in zwei Gruppen einteilen; eines in der Nähe von Krypton und das andere in der Nähe von Xenon. Die Massen der Fragmente verhalten sich zueinander im Durchschnitt wie folgt: Aus den Gesetzen der Energie- und Impulserhaltung lässt sich ableiten, dass die kinetischen Energien der Fragmente umgekehrt proportional zu ihren Massen sein sollten:

Die Ausbeutekurve des Spaltprodukts ist symmetrisch relativ zur vertikalen Geraden, die durch den Punkt verläuft. Die signifikante Breite der Maxima zeigt die Vielfalt der Spaltwege an.

Reis. 82. Massenverteilung der Uranspaltungsprodukte

Die aufgeführten Eigenschaften beziehen sich hauptsächlich auf die Spaltung unter dem Einfluss thermischer Neutronen; Bei der Spaltung unter dem Einfluss von Neutronen mit Energien von mehreren oder mehr zerfällt der Kern in zwei massesymmetrischere Fragmente.

Eigenschaften von Spaltprodukten. Bei der Spaltung eines Uranatoms werden sehr viele Hüllenelektronen abgestreift und die Spaltfragmente sind annähernd mehrfach ionisierte positive Ionen, die beim Durchgang durch die Substanz die Atome stark ionisieren. Daher sind die Reichweiten der Fragmente in der Luft gering und liegen bei etwa 2 cm.

Es lässt sich leicht feststellen, dass die bei der Spaltung entstehenden Fragmente radioaktiv sein müssen und zur Emission von Neutronen neigen. Tatsächlich variiert bei stabilen Kernen das Verhältnis der Anzahl von Neutronen und Protonen in Abhängigkeit von A wie folgt:

(siehe Scan)

Durch Spaltung entstandene Kerne liegen in der Mitte der Tabelle und enthalten daher mehr Neutronen, als für ihre Stabilität akzeptabel ist. Sie können sowohl durch Zerfall als auch durch direkte Neutronenemission von überschüssigen Neutronen befreit werden.

Verzögerte Neutronen. Eine mögliche Spaltungsoption erzeugt radioaktives Brom. In Abb. In Abb. 83 zeigt ein Diagramm seines Zerfalls, an dessen Ende stabile Isotope stehen

Ein interessantes Merkmal dieser Kette besteht darin, dass Krypton entweder durch -Zerfall oder, wenn es in einem angeregten Zustand aufgrund der direkten Emission eines Neutrons gebildet wurde, von einem überschüssigen Neutron befreit werden kann. Diese Neutronen erscheinen 56 Sekunden nach der Spaltung (die Lebensdauer bezieht sich auf den Übergang in einen angeregten Zustand, obwohl sie selbst fast augenblicklich Neutronen emittieren.

Reis. 83. Schema des Zerfalls von radioaktivem Brom, das im angeregten Zustand bei der Uranspaltung entsteht

Sie werden verzögerte Neutronen genannt. Mit der Zeit nimmt die Intensität verzögerter Neutronen exponentiell ab, wie beim normalen radioaktiven Zerfall.

Die Energie dieser Neutronen entspricht der Anregungsenergie des Kerns. Obwohl sie nur 0,75 % aller bei der Spaltung emittierten Neutronen ausmachen, spielen verzögerte Neutronen eine wichtige Rolle in der Kettenreaktion.

Schnelle Neutronen.Über 99 % der Neutronen werden innerhalb kürzester Zeit freigesetzt; man nennt sie prompte Neutronen.

Bei der Untersuchung des Spaltprozesses stellt sich die grundlegende Frage: Wie viele Neutronen werden bei einem Spaltvorgang erzeugt? Diese Frage ist wichtig, denn wenn ihre Anzahl im Durchschnitt groß ist, können sie zur Spaltung nachfolgender Kerne verwendet werden, d. h. es besteht die Möglichkeit, eine Kettenreaktion auszulösen. Um dieses Problem in den Jahren 1939-1940 zu lösen. arbeitete in fast allen größten Nuklearlabors der Welt.

Reis. 84. Energiespektrum von Neutronen, die bei der Spaltung von Uran-235 erhalten werden

Verteilung der Spaltungsenergie. Direkte Messungen der Fragmentenergie und der von anderen Spaltprodukten mitgeführten Energie ergaben die folgende ungefähre Energieverteilung

Der Inhalt des Artikels

Kernspaltung, eine Kernreaktion, bei der ein Atomkern beim Beschuss mit Neutronen in zwei oder mehr Fragmente zerfällt. Die Gesamtmasse der Fragmente ist normalerweise geringer als die Summe der Massen des ursprünglichen Kerns und des bombardierenden Neutrons. „Fehlende Messe“ M verwandelt sich in Energie E nach Einsteins Formel E = mc 2 wo C- Lichtgeschwindigkeit. Da die Lichtgeschwindigkeit sehr hoch ist (299.792.458 m/s), entspricht eine kleine Masse einer enormen Energie. Diese Energie kann in Strom umgewandelt werden.

Die bei der Kernspaltung freigesetzte Energie wird beim Abbremsen der Spaltfragmente in Wärme umgewandelt. Die Geschwindigkeit der Wärmefreisetzung hängt von der Anzahl der Kerne ab, die sich pro Zeiteinheit teilen. Wann nicht großes Volumen In kurzer Zeit kommt es zu einer großen Kernspaltung, dann hat die Reaktion den Charakter einer Explosion. Dies ist das Funktionsprinzip Atombombe. Wenn eine relativ kleine Anzahl von Kernen über einen längeren Zeitraum in ein großes Volumen aufgeteilt wird, wird dadurch nutzbare Wärme freigesetzt. Darauf basieren Kernkraftwerke. In Kernkraftwerken wird die in Kernreaktoren bei der Kernspaltung freigesetzte Wärme zur Erzeugung von Dampf genutzt, der Turbinen zugeführt wird, die elektrische Generatoren antreiben.

Für die praktische Nutzung von Spaltprozessen sind Uran und Plutonium am besten geeignet. Sie besitzen Isotope (Atome eines bestimmten Elements mit unterschiedlicher Massenzahl), die sich bei der Aufnahme von Neutronen auch bei sehr niedrigen Energien spalten.

Der Schlüssel zur praktischen Nutzung der Spaltungsenergie war die Tatsache, dass einige Elemente während des Spaltungsprozesses Neutronen emittieren. Obwohl bei der Kernspaltung ein Neutron absorbiert wird, wird dieser Verlust durch die Entstehung neuer Neutronen während des Spaltungsprozesses ausgeglichen. Wenn das Gerät, in dem die Spaltung stattfindet, eine ausreichend große („kritische“) Masse hat, kann aufgrund neuer Neutronen eine „Kettenreaktion“ aufrechterhalten werden. Die Kettenreaktion kann durch Anpassen der Anzahl der Neutronen gesteuert werden, die eine Spaltung verursachen können. Ist sie größer als eins, nimmt die Spaltungsintensität zu, ist sie kleiner als eins, nimmt sie ab.

HISTORISCHE REFERENZ

Die Geschichte der Entdeckung der Kernspaltung beginnt mit der Arbeit von A. Becquerel (1852–1908). Erforschung der Phosphoreszenz im Jahr 1896 Verschiedene Materialien, entdeckte er, dass uranhaltige Mineralien spontan Strahlung aussendeten, die dazu führte, dass eine fotografische Platte schwarz wurde, selbst wenn ein undurchsichtiger Feststoff zwischen dem Mineral und der Platte platziert wurde. Verschiedene Experimentatoren haben herausgefunden, dass diese Strahlung aus Alphateilchen (Heliumkernen), Betateilchen (Elektronen) und Gammaquanten (harte elektromagnetische Strahlung) besteht.

Die erste vom Menschen künstlich herbeigeführte Kernumwandlung wurde 1919 von E. Rutherford durchgeführt, der Stickstoff durch Bestrahlung von Stickstoff mit Alpha-Uranteilchen in Sauerstoff umwandelte. Diese Reaktion ging mit der Absorption von Energie einher, da die Masse ihrer Produkte – Sauerstoff und Wasserstoff – die Masse der in die Reaktion eintretenden Teilchen – Stickstoff und Alphateilchen – übersteigt. Die Freisetzung von Kernenergie gelang erstmals 1932 J. Cockcroft und E. Walton, die Lithium mit Protonen beschossen. Bei dieser Reaktion war die Masse der in die Reaktion eintretenden Kerne etwas größer als die Masse der Produkte, wodurch Energie freigesetzt wurde.

1932 entdeckte J. Chadwick das Neutron, ein neutrales Teilchen mit einer Masse, die ungefähr der Kernmasse eines Wasserstoffatoms entspricht. Physiker auf der ganzen Welt begannen, die Eigenschaften dieses Teilchens zu untersuchen. Es wurde angenommen, dass ein Neutron, dem die elektrische Ladung entzogen ist und das nicht von einem positiv geladenen Kern abgestoßen wird, mit größerer Wahrscheinlichkeit Kernreaktionen auslösen würde. Spätere Ergebnisse bestätigten diese Vermutung. In Rom bestrahlten E. Fermi und seine Kollegen fast alle Elemente mit Neutronen Periodensystem und beobachtete Kernreaktionen unter Bildung neuer Isotope. Ein Beweis für die Bildung neuer Isotope war „künstliche“ Radioaktivität in Form von Gamma- und Betastrahlung.

Erste Hinweise auf die Möglichkeit einer Kernspaltung.

Fermi ist für die Entdeckung vieler heute bekannter Neutronenreaktionen verantwortlich. Insbesondere versuchte er, das Element mit der Seriennummer 93 (Neptunium) zu erhalten, indem er Uran (Element mit der Seriennummer 92) mit Neutronen beschoss. Gleichzeitig zeichnete er die Elektronen auf, die durch den Einfang von Neutronen in der vorgeschlagenen Reaktion emittiert wurden

238 U + 1 n ® 239 Np + B–,

wobei 238 U das Isotop von Uran-238 ist, 1 n ein Neutron ist, 239 Np Neptunium ist und B- – Elektron. Die Ergebnisse waren jedoch gemischt. Um die Möglichkeit auszuschließen, dass die aufgezeichnete Radioaktivität zu Isotopen von Uran oder anderen Elementen gehört, die im Periodensystem vor Uran standen, war eine chemische Analyse der radioaktiven Elemente erforderlich.

Die Ergebnisse der Analyse zeigten, dass die unbekannten Elemente übereinstimmen Seriennummer 93, 94, 95 und 96. Fermi kam daher zu dem Schluss, dass er Transuranelemente erhalten hatte. O. Hahn und F. Strassman in Deutschland stellten jedoch nach einer gründlichen chemischen Analyse fest, dass unter den Elementen, die bei der Bestrahlung von Uran mit Neutronen entstehen, radioaktives Barium vorhanden war. Dies bedeutete, dass einige der Urankerne wahrscheinlich in zwei große Fragmente zerfielen.

Bestätigung der Möglichkeit einer Teilung.

Danach führten Fermi, J. Dunning und J. Pegram von der Columbia University Experimente durch, die zeigten, dass tatsächlich Kernspaltung stattfindet. Die Spaltung von Uran durch Neutronen wurde durch Methoden von Proportionalzählern, einer Nebelkammer und der Ansammlung von Spaltfragmenten bestätigt. Die erste Methode zeigte, dass bei der Annäherung einer Neutronenquelle an eine Uranprobe hochenergetische Impulse ausgesandt werden. In der Nebelkammer konnte man beobachten, wie ein Urankern unter Beschuss mit Neutronen in zwei Bruchstücke zerfiel. Mit der letztgenannten Methode konnte festgestellt werden, dass die Fragmente, wie theoretisch vorhergesagt, radioaktiv waren. All dies zusammengenommen bewies überzeugend, dass es tatsächlich zur Spaltung kommt, und ermöglichte eine sichere Beurteilung der bei der Spaltung freigesetzten Energie.

Da das zulässige Verhältnis der Neutronenzahl zur Protonenzahl in stabilen Kernen mit abnehmender Kerngröße abnimmt, sollte der Anteil der Neutronen in Fragmenten geringer sein als im ursprünglichen Urankern. Es gab also allen Grund zu der Annahme, dass der Spaltungsprozess mit der Emission von Neutronen einhergeht. Dies wurde bald von F. Joliot-Curie und seinen Kollegen experimentell bestätigt: Die Zahl der während des Spaltungsprozesses emittierten Neutronen war größer als die Zahl der absorbierten Neutronen. Es stellte sich heraus, dass auf jedes absorbierte Neutron etwa zweieinhalb neue Neutronen kommen. Die Möglichkeit einer Kettenreaktion und die Aussicht auf die Schaffung einer außergewöhnlich leistungsstarken Energiequelle und deren Nutzung für militärische Zwecke wurden sofort offensichtlich. Danach wurde in einer Reihe von Ländern (insbesondere in Deutschland und den USA) unter strenger Geheimhaltung mit der Entwicklung einer Atombombe begonnen.

Entwicklungen während des Zweiten Weltkriegs.

Von 1940 bis 1945 wurde die Richtung der Entwicklung durch militärische Erwägungen bestimmt. Im Jahr 1941 wurden geringe Mengen Plutonium gewonnen und eine Reihe nuklearer Parameter von Uran und Plutonium ermittelt. In den USA unterstanden die wichtigsten hierfür notwendigen Produktions- und Forschungsbetriebe dem Manhattan Military Engineering District, dem am 13. August 1942 das Uranprojekt übertragen wurde. An der Columbia University (New York) führte eine Gruppe von Mitarbeitern unter der Leitung von E. Fermi und W. Zinn die ersten Experimente durch, in denen sie die Vermehrung von Neutronen in einem Gitter aus Urandioxid- und Graphitblöcken – einem atomaren „Kessel“ – untersuchten. . Im Januar 1942 wurde diese Arbeit an die University of Chicago übertragen, wo im Juli 1942 Ergebnisse erzielt wurden, die die Möglichkeit einer sich selbst erhaltenden Kettenreaktion zeigten. Zunächst wurde der Reaktor mit einer Leistung von 0,5 W betrieben, nach 10 Tagen wurde die Leistung jedoch auf 200 W erhöht. Die Möglichkeit, große Mengen Kernenergie zu erzeugen, wurde erstmals am 16. Juli 1945 mit der Explosion der ersten Atombombe auf dem Testgelände Alamogordo (New Mexico) demonstriert.

KERNREAKTOREN

Ein Kernreaktor ist eine Anlage, in der eine kontrollierte, selbsterhaltende Kettenreaktion der Kernspaltung möglich ist. Reaktoren können nach dem verwendeten Brennstoff (spaltbare und Rohisotope), nach der Art des Moderators, nach der Art der Brennelemente und nach der Art des Kühlmittels klassifiziert werden.

Spaltbare Isotope.

Es gibt drei spaltbare Isotope: Uran-235, Plutonium-239 und Uran-233. Uran-235 wird durch Isotopentrennung gewonnen; Plutonium-239 – in Reaktoren, in denen Uran-238 in Plutonium umgewandelt wird, 238 U ® 239 U ® 239 Np ® 239 Pu; Uran-233 – in Reaktoren, in denen Thorium-232 zu Uran verarbeitet wird. Kernbrennstoff Die Auswahl eines Leistungsreaktors erfolgt unter Berücksichtigung seiner nuklearen und chemischen Eigenschaften sowie der Kosten.

Die folgende Tabelle zeigt die Hauptparameter spaltbarer Isotope. Der Gesamtquerschnitt charakterisiert die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung jeglicher Art zwischen einem Neutron und einem bestimmten Kern. Der Spaltungsquerschnitt charakterisiert die Wahrscheinlichkeit einer Kernspaltung durch ein Neutron. Die Energieabgabe pro absorbiertem Neutron hängt davon ab, welcher Anteil der Kerne nicht am Spaltungsprozess beteiligt ist. Die Anzahl der bei einem Spaltungsereignis emittierten Neutronen ist im Hinblick auf die Aufrechterhaltung einer Kettenreaktion wichtig. Die Anzahl neuer Neutronen pro absorbiertem Neutron ist wichtig, da sie die Intensität der Spaltung charakterisiert. Der Anteil verzögerter Neutronen, die nach der Spaltung emittiert werden, hängt von der im Material gespeicherten Energie ab.

EIGENSCHAFTEN SPALTBARER ISOTOPEN

EIGENSCHAFTEN SPALTBARER ISOTOPEN
Isotop	Uran-235		Uran-233		Plutonium-239
Neutronenenergie	1 MeV	0,025 eV	1 MeV	0,025 eV	1 MeV	0,025 eV
Vollständiger Abschnitt	6,6 ± 0,1	695 ± 10	6,2 ± 0,3	600 ± 10	7,3 ± 0,2	1005 ± 5
Spaltungsabschnitt	1,25 ± 0,05	581 ± 6	1,85 ± 0,10	526 ± 4	1,8 ± 0,1	751 ± 10
Anteil der Kerne, die nicht an der Spaltung beteiligt sind	0,077 ± 0,002	0,174 ± 0,01	0,057 ± 0,003	0,098 ± 0,004	0,08 ± 0,1	0,37 ± 0,03
Anzahl der bei einem Spaltungsereignis emittierten Neutronen	2,6 ± 0,1	2,43 ± 0,03	2,65 ± 0,1	2,50 ± 0,03	3,03 ± 0,1	2,84 ± 0,06
Anzahl der Neutronen pro absorbiertem Neutron	2,41 ± 0,1	2,07 ± 0,02	2,51 ± 0,1	2,28 ± 0,02		2,07 ± 0,04
Anteil verzögerter Neutronen, %	(0,64 ± 0,03)	(0,65 ± 0,02)	(0,26 ± 0,02)	(0,26 ± 0,01)	(0,21 ± 0,01)	(0,22 ± 0,01)
Spaltungsenergie, MeV
Alle Abschnitte werden in Scheunen (10 -28 m2) angeboten.

Die Tabellendaten zeigen, dass jedes spaltbare Isotop seine eigenen Vorteile hat. Beispielsweise wird beim Isotop mit dem größten Wirkungsquerschnitt für thermische Neutronen (mit einer Energie von 0,025 eV) bei Verwendung eines Neutronenmoderators weniger Brennstoff benötigt, um die kritische Masse zu erreichen. Weil das größte Zahl Neutronen pro absorbiertem Neutron treten in einem schnellen Plutoniumreaktor (1 MeV) auf. Im Brutmodus ist es besser, Plutonium in einem schnellen Reaktor oder Uran-233 in einem thermischen Reaktor zu verwenden als Uran-235 in einem thermischen Reaktor. Uran-235 ist im Hinblick auf die einfache Kontrolle bevorzugter, da es einen größeren Anteil an verzögerten Neutronen aufweist.

Rohstoffisotope.

Es gibt zwei Rohstoffisotope: Thorium-232 und Uran-238, aus denen die spaltbaren Isotope Uran-233 und Plutonium-239 gewonnen werden. Die Technologie zur Nutzung von Rohstoffisotopen hängt von verschiedenen Faktoren ab, beispielsweise der Notwendigkeit einer Anreicherung. IN Uranerz enthält 0,7 % Uran-235 und Thorium enthält keine spaltbaren Isotope. Daher muss Thorium ein angereichertes spaltbares Isotop hinzugefügt werden. Wichtig ist auch die Anzahl neuer Neutronen pro absorbiertem Neutron. Unter Berücksichtigung dieses Faktors müssen wir bei thermischen Neutronen (abgebremst auf eine Energie von 0,025 eV) Uran-233 den Vorzug geben, da unter solchen Bedingungen die Anzahl der emittierten Neutronen und damit der Umrechnungsfaktor größer ist die Anzahl neuer spaltbarer Kerne pro „verbrauchtem“ spaltbarem Kern.

Verzögerer.

Der Moderator dient dazu, die Energie der beim Spaltungsprozess emittierten Neutronen von etwa 1 MeV auf thermische Energien von etwa 0,025 eV zu reduzieren. Da die Moderation hauptsächlich durch elastische Streuung an den Kernen nicht spaltbarer Atome erfolgt, muss die Masse der Moderatoratome möglichst gering sein, damit das Neutron maximale Energie auf sie übertragen kann. Darüber hinaus müssen die Moderatoratome einen (im Vergleich zum Streuquerschnitt) kleinen Einfangquerschnitt haben, da das Neutron viele Male mit den Moderatoratomen kollidieren muss, bevor es auf thermische Energie abgebremst wird.

Der beste Moderator ist Wasserstoff, da seine Masse fast der Masse des Neutrons entspricht und das Neutron daher bei der Kollision mit Wasserstoff die größte Energiemenge verliert. Gewöhnlicher (leichter) Wasserstoff absorbiert Neutronen jedoch zu stark, daher sind Deuterium (schwerer Wasserstoff) und schweres Wasser trotz ihrer etwas größeren Masse geeignetere Moderatoren, da sie weniger Neutronen absorbieren. Beryllium kann als guter Moderator angesehen werden. Kohlenstoff hat einen so kleinen Neutronenabsorptionsquerschnitt, dass er Neutronen effektiv verlangsamt, obwohl zum Verlangsamen viel mehr Kollisionen erforderlich sind als bei Wasserstoff.

Durchschnitt N Die elastischen Kollisionen, die erforderlich sind, um ein Neutron mit Wasserstoff, Deuterium, Beryllium und Kohlenstoff von 1 MeV auf 0,025 eV zu verlangsamen, betragen ungefähr 18, 27, 36 bzw. 135. Der ungefähre Charakter dieser Werte ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass Kollisionen bei Energien unter 0,3 eV aufgrund der chemischen Energie der Bindungen im Moderator wahrscheinlich nicht elastisch sind. Bei niedrigen Energien kann das Atomgitter Energie auf Neutronen übertragen oder bei einer Kollision die effektive Masse verändern und so den Moderationsprozess stören.

Kühlmittel.

Die in Kernreaktoren verwendeten Kühlmittel sind Wasser, schweres Wasser, flüssiges Natrium, flüssiges Natriumkalium (NaK), Helium, Kohlendioxid und organische Flüssigkeiten wie Terphenyl. Diese Stoffe sind gute Kühlmittel und haben kleine Neutronenabsorptionsquerschnitte.

Wasser ist ein hervorragender Moderator und Kühlmittel, absorbiert jedoch zu viele Neutronen und hat bei einer Betriebstemperatur von 336 °C einen zu hohen Dampfdruck (14 MPa). Der bekannteste Moderator ist schweres Wasser. Seine Eigenschaften ähneln denen von gewöhnlichem Wasser und der Neutronenabsorptionsquerschnitt ist kleiner. Natrium ist ein ausgezeichnetes Kühlmittel, aber als Neutronenmoderator nicht wirksam. Aus diesem Grund wird es in Reaktoren für schnelle Neutronen eingesetzt, in denen durch die Spaltung mehr Neutronen entstehen. Natrium hat zwar eine Reihe von Nachteilen: Es induziert Radioaktivität, hat eine geringe Wärmekapazität, ist chemisch aktiv und verfestigt sich beim Erhitzen Zimmertemperatur. Eine Natrium-Kalium-Legierung hat ähnliche Eigenschaften wie Natrium, bleibt jedoch bei Raumtemperatur flüssig. Helium ist ein ausgezeichnetes Kühlmittel, seine spezifische Wärmekapazität ist jedoch gering. Kohlendioxid ist ein gutes Kühlmittel und wird häufig in graphitmoderierten Reaktoren verwendet. Terphenyl hat gegenüber Wasser den Vorteil, dass es bei Betriebstemperatur einen niedrigen Dampfdruck aufweist, sich jedoch zersetzt und polymerisiert, wenn es den hohen Temperaturen und Strahlungsströmen in Reaktoren ausgesetzt wird.

Brennelemente.

Das Brennelement (Brennelement) ist ein Brennstoffkern mit einer versiegelten Hülle. Die Hülle verhindert das Austreten von Spaltprodukten und die Wechselwirkung von Brennstoff mit dem Kühlmittel. Das Hüllenmaterial muss Neutronen schwach absorbieren und akzeptable mechanische, hydraulische und thermische Leitfähigkeitseigenschaften aufweisen. Bei den Brennelementen handelt es sich meist um gesinterte Uranoxid-Pellets in Aluminium-, Zirkonium- oder Edelstahlrohren; Tabletten aus Uranlegierungen mit Zirkonium, Molybdän und Aluminium, beschichtet mit Zirkonium oder Aluminium (im Falle einer Aluminiumlegierung); Graphittabletten mit dispergiertem Urankarbid, beschichtet mit undurchdringlichem Graphit.

Alle diese Brennelemente haben ihre Verwendungsmöglichkeiten, für Druckwasserreaktoren werden jedoch Uranoxidpellets in Edelstahlrohren am meisten bevorzugt. Urandioxid reagiert nicht mit Wasser, weist eine hohe Strahlungsbeständigkeit auf und zeichnet sich durch einen hohen Schmelzpunkt aus.

Für gasgekühlte Hochtemperaturreaktoren scheinen Graphitbrennstoffzellen durchaus geeignet zu sein, sie haben jedoch einen gravierenden Nachteil: Durch Diffusion oder Defekte im Graphit können gasförmige Spaltprodukte durch ihre Hülle eindringen.

Organische Kühlmittel sind mit Zirkonium-Brennelementen unverträglich und erfordern daher den Einsatz von Aluminiumlegierungen. Die Aussichten für organisch gekühlte Reaktoren hängen von der Entwicklung von Aluminiumlegierungen oder pulvermetallurgischen Produkten ab, die die Festigkeit (bei Betriebstemperaturen) und Wärmeleitfähigkeit aufweisen, die für den Einsatz von Rippen erforderlich sind, die die Wärmeübertragung auf das Kühlmittel verbessern. Da der Wärmeaustausch zwischen dem Kraftstoff und dem organischen Kühlmittel aufgrund der Wärmeleitfähigkeit gering ist, ist es wünschenswert, Oberflächensieden zu nutzen, um die Wärmeübertragung zu erhöhen. Mit dem Oberflächensieden werden neue Probleme verbunden sein, die jedoch gelöst werden müssen, wenn die Verwendung organischer Flüssigkeiten von Vorteil sein soll.

REAKTORTYPEN

Theoretisch sind mehr als 100 möglich verschiedene Typen Reaktoren, die sich in Brennstoff, Moderator und Kühlmittel unterscheiden. Die meisten herkömmlichen Reaktoren verwenden Wasser, entweder unter Druck oder siedend, als Kühlmittel.

Druckwasserreaktor.

In solchen Reaktoren dient Wasser als Moderator und Kühlmittel. Das erhitzte Wasser wird unter Druck in einen Wärmetauscher gepumpt, wo die Wärme auf das Wasser im Sekundärkreislauf übertragen wird, der Dampf erzeugt, der die Turbine dreht.

Siedereaktor.

In einem solchen Reaktor siedet Wasser direkt im Reaktorkern und der entstehende Dampf gelangt in die Turbine. Die meisten Siedewasserreaktoren verwenden auch Wasser als Moderator, manchmal wird jedoch auch ein Graphitmoderator verwendet.

Flüssigmetallgekühlter Reaktor.

In einem solchen Reaktor wird durch Rohre zirkulierendes flüssiges Metall verwendet, um die beim Spaltungsprozess im Reaktor freigesetzte Wärme zu übertragen. Fast alle Reaktoren dieser Art verwenden Natrium als Kühlmittel. Der auf der anderen Seite der Primärkreislaufrohre erzeugte Dampf wird einer konventionellen Turbine zugeführt. Ein mit flüssigem Metall gekühlter Reaktor kann Neutronen mit relativ hoher Energie (Schnellneutronenreaktor) oder in Graphit oder Berylliumoxid moderierte Neutronen verwenden. Flüssigmetallgekühlte Reaktoren für schnelle Neutronen sind als Brutreaktoren vorzuziehen, da in diesem Fall keine mit der Moderation verbundenen Neutronenverluste auftreten.

Gasgekühlter Reaktor.

In einem solchen Reaktor wird die beim Spaltungsprozess freigesetzte Wärme durch Gas – Kohlendioxid oder Helium – an einen Dampferzeuger übertragen. Der Neutronenmoderator ist üblicherweise Graphit. Ein gasgekühlter Reaktor kann bei viel höheren Temperaturen betrieben werden als ein flüssigkeitsgekühlter Reaktor und eignet sich daher für industrielle Heizsysteme und hocheffiziente Kraftwerke. Kleine gasgekühlte Reaktoren zeichnen sich durch eine erhöhte Betriebssicherheit aus, insbesondere besteht keine Gefahr einer Reaktorschmelze.

Homogene Reaktoren.

Der Kern homogener Reaktoren verwendet eine homogene Flüssigkeit, die ein spaltbares Uranisotop enthält. Die Flüssigkeit ist normalerweise eine geschmolzene Uranverbindung. Es wird in einen großen kugelförmigen Druckbehälter gepumpt, wo eine Spaltkettenreaktion bei einer kritischen Masse stattfindet. Anschließend wird die Flüssigkeit dem Dampferzeuger zugeführt. Homogene Reaktoren haben sich aufgrund konstruktiver und technologischer Schwierigkeiten nicht durchgesetzt.

REAKTIVITÄT UND KONTROLLE

Die Möglichkeit einer sich selbst erhaltenden Kettenreaktion in einem Kernreaktor hängt davon ab, wie viel Neutronen aus dem Reaktor austreten. Bei der Spaltung entstehende Neutronen verschwinden durch Absorption. Darüber hinaus ist aufgrund der Diffusion durch eine Substanz ein Neutronenaustritt möglich, ähnlich der Diffusion eines Gases durch ein anderes.

Managen Kernreaktor, müssen Sie in der Lage sein, den Neutronenvervielfachungsfaktor zu regulieren k, definiert als das Verhältnis der Anzahl der Neutronen in einer Generation zur Anzahl der Neutronen in der vorherigen Generation. Bei k= 1 (kritischer Reaktor) findet eine stationäre Kettenreaktion mit konstanter Intensität statt. Bei k> 1 (überkritischer Reaktor) nimmt die Intensität des Prozesses zu und bei k r = 1 – (1/ k) heißt Reaktivität.)

Aufgrund des Phänomens verzögerter Neutronen erhöht sich die „Geburtszeit“ von Neutronen von 0,001 s auf 0,1 s. Das charakteristische Zeit Die Reaktion ermöglicht die Steuerung mithilfe mechanischer Aktuatoren – Steuerstäbe aus neutronenabsorbierendem Material (B, Cd, Hf, In, Eu, Gd usw.). Die Regelzeitkonstante sollte in der Größenordnung von 0,1 s oder mehr liegen. Um die Sicherheit zu gewährleisten, wird ein Reaktorbetriebsmodus gewählt, bei dem in jeder Generation verzögerte Neutronen benötigt werden, um eine stationäre Kettenreaktion aufrechtzuerhalten.

Um ein bestimmtes Leistungsniveau sicherzustellen, werden Steuerstäbe und Neutronenreflektoren verwendet, aber die Steueraufgabe kann durch die richtige Auslegung des Reaktors erheblich vereinfacht werden. Wenn ein Reaktor beispielsweise so ausgelegt ist, dass die Reaktivität mit zunehmender Leistung oder Temperatur abnimmt, ist er stabiler. Reicht die Abbremsung beispielsweise aufgrund einer Temperaturerhöhung nicht aus, dehnt sich das Wasser im Reaktor aus, d.h. die Dichte des Moderators nimmt ab. Dadurch nimmt die Absorption von Neutronen in Uran-238 zu, da diese keine Zeit haben, effektiv abzubremsen. Einige Reaktoren nutzen den Faktor der zunehmenden Neutronenleckage aus dem Reaktor aufgrund der Abnahme der Wasserdichte. Eine andere Möglichkeit, einen Reaktor zu stabilisieren, besteht darin, einen „resonanten Neutronenabsorber“ wie Uran-238 zu erhitzen, der dann Neutronen stärker absorbiert.

Sicherheitssysteme.

Die Sicherheit des Reaktors wird durch den einen oder anderen Mechanismus gewährleistet, der ihn bei einem starken Leistungsanstieg stoppt. Dies kann der Mechanismus eines physikalischen Prozesses oder der Betrieb eines Kontroll- und Schutzsystems oder beides sein. Bei der Auslegung von Druckwasserreaktoren werden Notfallsituationen berücksichtigt, die mit dem Eindringen von kaltem Wasser in den Reaktor, einem Rückgang des Kühlmittelflusses und einer zu hohen Reaktivität beim Anfahren verbunden sind. Da die Intensität der Reaktion mit sinkender Temperatur zunimmt, nehmen Reaktivität und Leistung zu, wenn plötzlich kaltes Wasser in den Reaktor gelangt. Das Schutzsystem umfasst in der Regel eine automatische Sperre, um das Eindringen von kaltem Wasser zu verhindern. Wenn der Kühlmittelfluss abnimmt, überhitzt der Reaktor, auch wenn seine Leistung nicht steigt. In solchen Fällen ist eine automatische Abschaltung erforderlich. Darüber hinaus müssen Kühlmittelpumpen so ausgelegt sein, dass sie das zum Abschalten des Reaktors erforderliche Kühlmittel liefern. Beim Anfahren eines Reaktors mit zu hoher Reaktivität kann es zu einer Notsituation kommen. Aufgrund der geringen Leistung hat der Reaktor keine Zeit, sich so weit aufzuheizen, dass der Temperaturschutz funktioniert, bis es zu spät ist. Die einzig zuverlässige Maßnahme ist in solchen Fällen ein vorsichtiges Anfahren des Reaktors.

Das Vermeiden der aufgeführten Notfallsituationen ist ganz einfach, wenn Sie die folgende Regel beachten: Alle Aktionen, die die Reaktionsfähigkeit des Systems erhöhen können, müssen sorgfältig und langsam ausgeführt werden. Die wichtigste Frage im Hinblick auf die Reaktorsicherheit ist die unbedingte Notwendigkeit einer langfristigen Kühlung des Reaktorkerns, nachdem die Spaltungsreaktion in ihm aufgehört hat. Tatsache ist, dass die in den Brennstoffkassetten verbleibenden radioaktiven Spaltprodukte Wärme erzeugen. Es ist viel weniger als die bei voller Leistung erzeugte Wärme, reicht aber aus, um die Brennstäbe ohne die notwendige Kühlung zum Schmelzen zu bringen. Eine kurze Unterbrechung der Kühlwasserversorgung führte zu erheblichen Kernschäden und einem Reaktorunfall auf Three Mile Island (USA). Bei einem solchen Unfall stellt die Zerstörung des Reaktorkerns einen minimalen Schaden dar. Noch schlimmer wäre es, wenn gefährliche radioaktive Isotope austreten würden. Die meisten Industriereaktoren sind mit hermetisch abgeschlossenen Sicherheitsbehältern ausgestattet, die im Falle eines Unfalls verhindern sollen, dass Isotope in die Umwelt gelangen.

Zusammenfassend stellen wir fest, dass die Möglichkeit der Zerstörung eines Reaktors weitgehend von seiner Konstruktion und Konstruktion abhängt. Reaktoren können so ausgelegt werden, dass eine Reduzierung des Kühlmittelflusses nicht zu größeren Problemen führt. Diese sind Verschiedene Arten gasgekühlte Reaktoren.

>> Spaltung von Urankernen

§ 107 Spaltung von Urankernen

Nur die Kerne einiger schwerer Elemente können in Teile geteilt werden. Bei der Kernspaltung werden zwei oder drei Neutronen und -strahlen emittiert. Gleichzeitig wird viel Energie freigesetzt.

Entdeckung der Uranspaltung. Die Spaltung von Urankernen wurde 1938 von den deutschen Wissenschaftlern O. Hahn iF entdeckt. Straßmann. Sie stellten fest, dass beim Beschuss von Uran mit Neutronen Elemente des mittleren Teils des Periodensystems entstehen: Barium, Krypton usw. Die korrekte Interpretation dieser Tatsache als Spaltung eines Urankerns, der ein Neutron einfängt, wurde jedoch am gegeben Anfang 1939 vom englischen Physiker O. Frisch zusammen mit dem österreichischen Physiker L. Meitner.

Der Neutroneneinfang stört die Stabilität des Kerns. Der Kern wird angeregt und instabil, was zu seiner Teilung in Fragmente führt. Eine Kernspaltung ist möglich, weil die Ruhemasse eines schweren Kerns größer ist als die Summe der Ruhemassen der bei der Spaltung entstehenden Bruchstücke. Daher kommt es zu einer Energiefreisetzung, die der mit der Spaltung einhergehenden Abnahme der Ruhemasse entspricht.

Die Möglichkeit der Spaltung schwerer Kerne lässt sich auch anhand einer grafischen Darstellung der spezifischen Bindungsenergie über der Massenzahl A erklären (siehe Abb. 13.11). Die spezifische Bindungsenergie der Kerne von Atomen von Elementen, die die letzten Plätze im Periodensystem einnehmen (A 200), ist etwa 1 MeV geringer als die spezifische Bindungsenergie in den Kernen von Elementen, die sich in der Mitte des Periodensystems befinden (A 100). . Daher ist der Prozess der Spaltung schwerer Kerne in Kerne von Elementen im mittleren Teil des Periodensystems energetisch günstig. Nach der Spaltung geht das System in einen Zustand mit minimaler innerer Energie über. Denn je größer die Bindungsenergie des Kerns ist, desto größer ist die Energie, die bei der Entstehung des Kerns freigesetzt werden soll, und desto geringer ist folglich die innere Energie des neu gebildeten Systems.

Bei der Kernspaltung erhöht sich die Bindungsenergie pro Nukleon um 1 MeV und die insgesamt freigesetzte Energie muss enorm sein – in der Größenordnung von 200 MeV. Keine andere Kernreaktion (die nicht mit der Kernspaltung zusammenhängt) setzt so große Energien frei.

Direkte Messungen der bei der Spaltung eines Urankerns freigesetzten Energie bestätigten die obigen Überlegungen und ergaben einen Wert von 200 MeV. Darüber hinaus entfällt der größte Teil dieser Energie (168 MeV) auf die kinetische Energie der Fragmente. In Abbildung 13.13 sehen Sie die Spuren spaltbarer Uranfragmente in einer Nebelkammer.

Die bei der Kernspaltung freigesetzte Energie ist eher elektrostatischen als nuklearen Ursprungs. Die große kinetische Energie der Fragmente entsteht durch ihre Coulomb-Abstoßung.

Mechanismus der Kernspaltung. Der Spaltungsprozess des Atomkerns lässt sich anhand des Tröpfchenmodells des Atomkerns erklären. Nach diesem Modell ähnelt ein Nukleonenbündel einem Tröpfchen einer geladenen Flüssigkeit (Abb. 13.14, a). Kernkräfte zwischen Nukleonen haben eine kurze Reichweite, wie die Kräfte, die zwischen flüssigen Molekülen wirken. Zusammen mit den großen Kräften der elektrostatischen Abstoßung zwischen Protonen, die dazu neigen, den Kern in Stücke zu reißen, wirken noch größere nukleare Anziehungskräfte. Diese Kräfte verhindern, dass der Kern zerfällt.

Der Uran-235-Kern hat eine kugelförmige Form. Nachdem es ein zusätzliches Neutron absorbiert hat, wird es angeregt und beginnt sich zu verformen, wobei es eine längliche Form annimmt (Abb. 13.14, b). Der Kern wird gedehnt, bis die abstoßenden Kräfte zwischen den Hälften des länglichen Kerns beginnen, die anziehenden Kräfte im Isthmus zu überwiegen (Abb. 13.14, c). Danach zerfällt es in zwei Teile (Abb. 13.14, d).

Unter dem Einfluss der Coulomb-Abstoßungskräfte fliegen diese Fragmente mit einer Geschwindigkeit auseinander, die 1/30 der Lichtgeschwindigkeit entspricht.

Emission von Neutronen bei der Spaltung. Eine grundlegende Tatsache der Kernspaltung ist die Emission von zwei bis drei Neutronen während des Spaltvorgangs. Dadurch wurde die praktische Nutzung intranuklearer Energie möglich.

Anhand der folgenden Überlegungen lässt sich verstehen, warum freie Neutronen emittiert werden. Es ist bekannt, dass das Verhältnis der Neutronenzahl zur Protonenzahl in stabilen Kernen mit zunehmender Zahl zunimmt Ordnungszahl. Daher entstehen die Fragmente bei der Spaltung relative Zahl Es gibt mehr Neutronen, als für die Atomkerne in der Mitte des Periodensystems zulässig sind. Dadurch werden bei der Spaltung mehrere Neutronen freigesetzt. Ihre Energie hat unterschiedliche Bedeutungen- von mehreren Millionen Elektronenvolt bis zu sehr kleinen, nahe Null.

Die Spaltung erfolgt normalerweise in Fragmente, deren Massen sich um etwa das 1,5-fache unterscheiden. Diese Fragmente sind stark radioaktiv, da sie einen Überschuss an Neutronen enthalten. Als Ergebnis einer Reihe aufeinanderfolgender Zerfälle werden schließlich stabile Isotope erhalten.

Zusammenfassend stellen wir fest, dass es auch zu einer spontanen Spaltung von Urankernen kommt. Es wurde 1940 von den sowjetischen Physikern G. N. Flerov und K. A. Petrzhak entdeckt. Die Halbwertszeit der spontanen Spaltung beträgt 10 16 Jahre. Das ist zwei Millionen Mal länger als die Halbwertszeit von Uran.

Die Reaktion der Kernspaltung geht mit der Freisetzung von Energie einher.

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