Le reazioni di fissione nucleare si verificano con. Reazione a catena della fissione dei nuclei di uranio
Reazioni nucleari. L'interazione di una particella con un nucleo atomico, che porta alla trasformazione di questo nucleo in un nuovo nucleo con il rilascio di particelle secondarie o raggi gamma, è chiamata reazione nucleare.
La prima reazione nucleare fu effettuata da Rutherford nel 1919. Scoprì che la collisione delle particelle alfa con i nuclei degli atomi di azoto produceva protoni in rapido movimento. Ciò significava che il nucleo dell'isotopo dell'azoto, a seguito di una collisione con una particella alfa, si trasformava nel nucleo dell'isotopo dell'ossigeno:
.
Le reazioni nucleari possono verificarsi con il rilascio o l'assorbimento di energia. Utilizzando la legge della relazione tra massa ed energia, l'energia prodotta da una reazione nucleare può essere determinata trovando la differenza tra le masse delle particelle che entrano nella reazione e i prodotti della reazione:
Reazione a catena di fissione dei nuclei di uranio. Tra le varie reazioni nucleari, di particolare importanza nella vita della moderna società umana sono le reazioni a catena di fissione di alcuni nuclei pesanti.
La reazione di fissione dei nuclei di uranio bombardati da neutroni fu scoperta nel 1939. In seguito agli studi sperimentali e teorici condotti da E. Fermi, I. Joliot-Curie, O. Hahn, F. Strassmann, L. Meitner, O. Frisch, F. Joliot-Curie, si scoprì che quando un neutrone colpisce un nucleo di uranio, il nucleo si divide in due o tre parti.
La fissione di un nucleo di uranio libera circa 200 MeV di energia. L'energia cinetica del movimento dei nuclei dei frammenti rappresenta circa 165 MeV, il resto dell'energia viene portato via dai quanti gamma.
Conoscendo l'energia rilasciata durante la fissione di un nucleo di uranio, si può calcolare che l'energia prodotta dalla fissione di tutti i nuclei di 1 kg di uranio è di 80mila miliardi di joule. Si tratta di diversi milioni di volte di più di quanto viene rilasciato bruciando 1 kg di carbone o petrolio. Pertanto, è stata effettuata una ricerca su come rilasciare energia nucleare in quantità significative per scopi pratici.
F. Joliot-Curie fu il primo a suggerire la possibilità di reazioni nucleari a catena nel 1934. Nel 1939, insieme a H. Halban e L. Kowarski, scoprì sperimentalmente che durante la fissione di un nucleo di uranio, oltre ai frammenti nucleari , 2 -3 neutroni liberi. In condizioni favorevoli, questi neutroni possono colpire altri nuclei di uranio e provocarne la fissione. Quando si scindono tre nuclei di uranio, dovrebbero essere rilasciati 6-9 nuovi neutroni, cadranno in nuovi nuclei di uranio, ecc. Un diagramma dello sviluppo di una reazione a catena di fissione dei nuclei di uranio è presentato nella Figura 316.
Riso. 316
L'implementazione pratica delle reazioni a catena non è un compito così semplice come sembra nel diagramma. I neutroni rilasciati durante la fissione dei nuclei di uranio sono in grado di provocare la fissione solo dei nuclei dell'isotopo di uranio con un numero di massa di 235, ma la loro energia non è sufficiente per distruggere i nuclei di un isotopo di uranio con un numero di massa di 238. Nell'uranio naturale, la quota di uranio con numero di massa 238 è del 99,8% e la quota di uranio con numero di massa 235 è solo dello 0,7%. Pertanto, il primo modo possibile per effettuare una reazione a catena di fissione è associato alla separazione degli isotopi dell'uranio e alla produzione dell'isotopo nella sua forma pura in quantità sufficientemente grandi. Una condizione necessaria affinché avvenga una reazione a catena è la presenza di una quantità sufficientemente grande di uranio, poiché in un piccolo campione la maggior parte dei neutroni vola attraverso il campione senza colpire alcun nucleo. La massa minima di uranio in cui può verificarsi una reazione a catena è chiamata massa critica. La massa critica dell'uranio-235 è di diverse decine di chilogrammi.
Il modo più semplice per effettuare una reazione a catena nell'uranio-235 è il seguente: vengono realizzati due pezzi di uranio metallico, ciascuno con una massa leggermente inferiore a quella critica. Una reazione a catena non può verificarsi in ciascuno di essi separatamente. Quando questi pezzi vengono collegati rapidamente, si sviluppa una reazione a catena e viene rilasciata un'energia colossale. La temperatura dell'uranio raggiunge milioni di gradi, l'uranio stesso e qualsiasi altra sostanza nelle vicinanze si trasformano in vapore. La palla calda e gassosa si espande rapidamente, bruciando e distruggendo tutto sul suo cammino. Ecco come avviene un'esplosione nucleare.
È molto difficile utilizzare l'energia di un'esplosione nucleare per scopi pacifici, poiché il rilascio di energia è incontrollabile. Le reazioni a catena controllate della fissione dei nuclei di uranio vengono effettuate nei reattori nucleari.
Reattore nucleare. I primi reattori nucleari erano reattori a neutroni lenti (Fig. 317). La maggior parte dei neutroni rilasciati durante la fissione dei nuclei di uranio hanno un'energia di 1-2 MeV. La loro velocità è di circa 107 m/s, motivo per cui sono chiamati neutroni veloci. A tali energie, i neutroni interagiscono con l'uranio e i nuclei di uranio con approssimativamente la stessa efficienza. E poiché nell'uranio naturale ci sono 140 volte più nuclei di uranio rispetto ai nuclei di uranio, la maggior parte di questi neutroni vengono assorbiti dai nuclei di uranio e non si sviluppa una reazione a catena. I neutroni che si muovono a velocità prossime alla velocità del moto termico (circa 2·10 3 m/s) sono detti lenti o termici. I neutroni lenti interagiscono bene con i nuclei di uranio-235 e vengono assorbiti da essi 500 volte in modo più efficiente rispetto ai neutroni veloci. Pertanto, quando l'uranio naturale viene irradiato con neutroni lenti, la maggior parte di essi viene assorbita non nei nuclei dell'uranio-238, ma nei nuclei dell'uranio-235 e ne provoca la fissione. Di conseguenza, affinché si sviluppi una reazione a catena nell'uranio naturale, le velocità dei neutroni devono essere ridotte a quelle termiche.
Riso. 317
I neutroni rallentano a causa delle collisioni con i nuclei atomici del mezzo in cui si muovono. Per rallentare i neutroni in un reattore, viene utilizzata una sostanza speciale chiamata moderatore. I nuclei degli atomi della sostanza moderatrice devono avere una massa relativamente piccola, poiché quando si scontra con un nucleo leggero, un neutrone perde più energia rispetto a quando si scontra con uno pesante. I moderatori più comuni sono l'acqua ordinaria e la grafite.
Lo spazio in cui avviene la reazione a catena è chiamato nocciolo del reattore. Per ridurre la perdita di neutroni, il nocciolo del reattore è circondato da un riflettore di neutroni, che respinge una parte significativa dei neutroni che fuoriescono nel nocciolo. La stessa sostanza che funge da moderatore viene solitamente utilizzata come riflettore.
L'energia rilasciata durante il funzionamento del reattore viene rimossa utilizzando un refrigerante. Come refrigerante possono essere utilizzati solo liquidi e gas che non hanno la capacità di assorbire i neutroni. L'acqua normale è ampiamente utilizzata come refrigerante; a volte viene utilizzato anche il sodio metallico liquido;
Il reattore è controllato utilizzando speciali aste di controllo (o controllo) inserite nel nocciolo del reattore. Le barre di controllo sono costituite da composti di boro o cadmio, che assorbono i neutroni termici con altissima efficienza. Prima che il reattore entri in funzione, vengono completamente introdotti nel suo nocciolo. Assorbendo una parte significativa di neutroni, rendono impossibile lo sviluppo di una reazione a catena. Per avviare il reattore, le barre di controllo vengono gradualmente rimosse dal nocciolo finché il rilascio di energia non raggiunge un livello predeterminato. Quando la potenza supera il livello impostato, si attivano le macchine automatiche che immergono le aste di comando in profondità nel nucleo.
Energia nucleare. Per la prima volta nel nostro Paese l'energia nucleare è stata messa al servizio della pace. Il primo organizzatore e leader del lavoro sulla scienza e tecnologia atomica nell'URSS fu l'accademico Igor Vasilyevich Kurchatov (1903-1960).
Attualmente, la più grande in URSS e in Europa, prende il nome dalla centrale nucleare di Leningrado. IN E. Lenin ha una capacità di 4000 MW, cioè 800 volte la potenza della prima centrale nucleare.
Il costo dell’elettricità generata nelle grandi centrali nucleari è inferiore al costo dell’elettricità generata nelle centrali termoelettriche. Pertanto, l’energia nucleare si sta sviluppando a un ritmo accelerato.
I reattori nucleari vengono utilizzati come centrali elettriche sulle navi militari. La prima nave pacifica al mondo dotata di una centrale nucleare, la rompighiaccio a propulsione nucleare Lenin, fu costruita in Unione Sovietica nel 1959.
La rompighiaccio sovietica a propulsione nucleare Arktika, costruita nel 1975, divenne la prima nave di superficie al mondo a raggiungere il Polo Nord.
Reazione termonucleare. L'energia nucleare viene rilasciata non solo nelle reazioni nucleari di fissione di nuclei pesanti, ma anche nelle reazioni di combinazione di nuclei atomici leggeri.
Per connettere protoni con carica simile, è necessario superare le forze repulsive di Coulomb, cosa possibile a velocità sufficientemente elevate delle particelle in collisione. All'interno delle stelle esistono le condizioni necessarie per la sintesi dei nuclei di elio dai protoni. Sulla Terra, la reazione di fusione termonucleare è stata effettuata durante esplosioni termonucleari sperimentali.
La sintesi dell'elio dall'isotopo leggero dell'idrogeno avviene ad una temperatura di circa 108 K, e per la sintesi dell'elio dagli isotopi pesanti dell'idrogeno - deuterio e trizio - secondo lo schema
richiede un riscaldamento a circa 5 10 7 K.
Quando 1 g di elio viene sintetizzato da deuterio e trizio, viene rilasciata un'energia di 4,2·10 11 J. Questa energia viene rilasciata quando vengono bruciate 10 tonnellate di gasolio.
Le riserve di idrogeno sulla Terra sono praticamente inesauribili, quindi l'uso dell'energia di fusione termonucleare per scopi pacifici è uno dei compiti più importanti della scienza e della tecnologia moderne.
Si suppone che la reazione termonucleare controllata della sintesi dell'elio dagli isotopi pesanti dell'idrogeno mediante riscaldamento venga effettuata facendo passare una corrente elettrica attraverso il plasma. Un campo magnetico viene utilizzato per impedire al plasma riscaldato di entrare in contatto con le pareti della camera. Nell'installazione sperimentale Tokamak-10, i fisici sovietici riuscirono a riscaldare il plasma ad una temperatura di 13 milioni di gradi. L'idrogeno può essere riscaldato a temperature più elevate utilizzando la radiazione laser. Per fare ciò, i raggi luminosi di diversi laser devono essere focalizzati su una sfera di vetro contenente una miscela di isotopi pesanti di deuterio e trizio. Negli esperimenti su installazioni laser è già stato ottenuto plasma con una temperatura di diverse decine di milioni di gradi.
Reazione a catena nucleare. Come risultato di esperimenti sull'irradiazione neutronica dell'uranio, si è scoperto che sotto l'influenza dei neutroni, i nuclei di uranio sono divisi in due nuclei (frammenti) di circa la metà della massa e della carica; questo processo è accompagnato dall'emissione di più (due o tre) neutroni (Fig. 402). Oltre all’uranio, alcuni altri elementi tra gli ultimi elementi della tavola periodica di Mendeleev sono capaci di fissione. Questi elementi, come l'uranio, subiscono la fissione non solo sotto l'influenza dei neutroni, ma anche senza influenze esterne (spontaneamente). La fissione spontanea fu stabilita sperimentalmente dai fisici sovietici K. A. Petrzhak e Georgiy Nikolaevich Flerov (nato nel 1913) nel 1940. È un processo molto raro. Pertanto, in 1 g di uranio si verificano solo circa 20 fissioni spontanee all'ora.
Riso. 402. Fissione di un nucleo di uranio sotto l'influenza di neutroni: a) il nucleo cattura un neutrone; b) l'impatto di un neutrone su un nucleo fa oscillare quest'ultimo; c) il nucleo è diviso in due frammenti; allo stesso tempo vengono emessi molti più neutroni
A causa della reciproca repulsione elettrostatica, i frammenti di fissione si disperdono in direzioni opposte, acquisendo un'enorme energia cinetica (circa ). La reazione di fissione avviene quindi con un notevole rilascio di energia. I frammenti in rapido movimento ionizzano intensamente gli atomi del mezzo. Questa proprietà dei frammenti viene utilizzata per rilevare i processi di fissione utilizzando una camera di ionizzazione o una camera a nebbia. Una fotografia delle tracce di frammenti di fissione in una camera a nebbia è mostrata in Fig. 403. È estremamente significativo che i neutroni emessi durante la fissione di un nucleo di uranio (i cosiddetti neutroni di fissione secondaria) siano in grado di provocare la fissione di nuovi nuclei di uranio. Grazie a ciò è possibile realizzare una reazione a catena di fissione: una volta avvenuta, la reazione può, in linea di principio, proseguire da sola, coprendo un numero crescente di nuclei. Il diagramma di sviluppo di tale reazione cellulare crescente è mostrato in Fig. 404.
Riso. 403. Fotografia di tracce di frammenti di fissione di uranio in una camera a nebbia: frammenti () volano in direzioni opposte da un sottile strato di uranio depositato su una piastra che blocca la camera. L'immagine mostra anche molte tracce più sottili appartenenti ai protoni espulsi dai neutroni dalle molecole della macchina ad acqua contenuta nella camera
Realizzare in pratica una reazione a catena di fissione non è facile; l'esperienza dimostra che nella massa dell'uranio naturale non si verifica una reazione a catena. La ragione di ciò risiede nella perdita di neutroni secondari; nell'uranio naturale, la maggior parte dei neutroni fuoriesce senza provocare la fissione. Come hanno rivelato gli studi, la perdita di neutroni avviene nell'isotopo più comune dell'uranio - uranio - 238 (). Questo isotopo assorbe facilmente i neutroni mediante una reazione simile alla reazione dell'argento con i neutroni (vedi § 222); questo produce un isotopo artificialmente radioattivo. Si divide con difficoltà e solo sotto l'influenza di neutroni veloci.
L'isotopo contenuto in quantità nell'uranio naturale ha proprietà più favorevoli per una reazione a catena. È diviso sotto l'influenza di neutroni di qualsiasi energia: veloci e lenti, e minore è l'energia dei neutroni, meglio è. Il processo che compete con la fissione, il semplice assorbimento dei neutroni, è invece improbabile. Pertanto, nell'uranio-235 puro è possibile una reazione di fissione a catena, a condizione, tuttavia, che la massa dell'uranio-235 sia sufficientemente grande. Nell'uranio di piccola massa, la reazione di fissione viene interrotta a causa dell'emissione di neutroni secondari all'esterno della sua sostanza.
Riso. 404. Sviluppo di una preziosa reazione di fissione: è convenzionalmente accettato che quando un nucleo si fissa, vengono emessi due neutroni e non vi è alcuna perdita di neutroni, cioè ogni neutrone provoca una nuova fissione; cerchi - frammenti di fissione, frecce - neutroni di fissione
Infatti, a causa delle minuscole dimensioni dei nuclei atomici, un neutrone percorre una distanza considerevole (misurata in centimetri) attraverso la materia prima di scontrarsi accidentalmente con un nucleo. Se la dimensione del corpo è piccola, la probabilità di una collisione sulla strada verso l'uscita è piccola. Quasi tutti i neutroni della fissione secondaria vengono emessi attraverso la superficie del corpo senza provocare nuove fissioni, cioè senza continuare la reazione.
Da un grande corpo volano fuori principalmente neutroni formati nello strato superficiale. I neutroni che si formano all'interno del corpo hanno davanti a sé uno spessore sufficiente di uranio e, per la maggior parte, provocano nuove fissioni, continuando la reazione (fig. 405). Maggiore è la massa dell'uranio, minore è la proporzione del suo volume nello strato superficiale, da cui si perdono molti neutroni, e più favorevoli sono le condizioni per lo sviluppo di una reazione a catena.
Riso. 405. Sviluppo di una reazione a catena di fissione in. a) Con una massa bassa, la maggior parte dei neutroni di fissione vola via. b) In una grande massa di uranio, molti neutroni di fissione provocano la fissione di nuovi nuclei; il numero di divisioni aumenta di generazione in generazione. Cerchi - frammenti di fissione, frecce - neutroni di fissione
Aumentando gradualmente la quantità di , raggiungeremo una massa critica, cioè la massa più piccola, a partire dalla quale avrà luogo una reazione a catena di fissione non smorzata in . Con un ulteriore aumento di massa, la reazione inizierà a svilupparsi rapidamente (inizierà con fissioni spontanee). Quando la massa scende al di sotto del valore critico, la reazione si estingue.
Quindi, è possibile eseguire una reazione a catena di fissione. Se si dispone di una quantità sufficiente di pulito, separato da.
Come abbiamo visto nel §202, la separazione degli isotopi, sebbene complessa e costosa, è ancora un'operazione fattibile. In effetti, l’estrazione dall’uranio naturale è stata una delle modalità con cui è stata messa in pratica la reazione a catena della fissione.
Oltre a ciò, la reazione a catena è stata ottenuta in un altro modo che non richiedeva la separazione degli isotopi dell'uranio. Questo metodo è un po’ più complicato in linea di principio, ma più facile da implementare. Utilizza il rallentamento dei neutroni veloci della fissione secondaria alle velocità di movimento termico. Abbiamo visto che nell'uranio naturale i neutroni secondari immediati vengono assorbiti principalmente dall'isotopo. Poiché l'assorbimento non porta alla fissione, la reazione termina. Come mostrano le misurazioni, quando i neutroni vengono rallentati a velocità termiche, la capacità di assorbimento aumenta più della capacità di assorbimento. L'assorbimento dei neutroni da parte dell'isotopo, che porta alla fissione, ha la precedenza. Pertanto, se i neutroni di fissione vengono rallentati, impedendo loro di essere assorbiti nell'uranio, diventerà possibile una reazione a catena con l'uranio naturale.
Riso. 406. Un sistema di uranio naturale e un moderatore in cui può svilupparsi una reazione a catena di fissione
In pratica, questo risultato si ottiene posizionando nel moderatore barre calde di uranio naturale sotto forma di un raro reticolo (figura 406). Come moderatori vengono utilizzate sostanze che hanno una massa atomica bassa e assorbono debolmente i neutroni. Buoni moderatori sono la grafite, l'acqua pesante e il berillio.
Supponiamo che in una delle aste avvenga la fissione del nucleo di uranio. Poiché la barra è relativamente sottile, quasi tutti i neutroni secondari veloci sfuggiranno nel moderatore. Le aste si trovano piuttosto sparse nel reticolo. Il neutrone emesso, prima di colpire la nuova asta, subisce molte collisioni con i nuclei moderatori e rallenta alla velocità del movimento termico (figura 407). Dopo aver colpito la barra di uranio, il neutrone molto probabilmente verrà assorbito e causerà una nuova fissione, continuando così la reazione. La reazione a catena della fissione fu effettuata per la prima volta negli Stati Uniti nel 1942. un gruppo di scienziati guidati dal fisico italiano Enrico Fermi (1901-1954) in un sistema con uranio naturale. Questo processo fu implementato in modo indipendente nell’URSS nel 1946. L'accademico Igor Vasilievich Kurchatov (1903-1960) e il suo staff.
Riso. 407. Sviluppo di una preziosa reazione di fissione in un sistema di uranio naturale e un moderatore. Un neutrone veloce, fuoriuscendo da un'asta sottile, entra nel moderatore e viene rallentato. Una volta tornato nell'uranio, il neutrone rallentato viene molto probabilmente assorbito nell'uranio, provocando la fissione (simbolo: due cerchi bianchi). Alcuni neutroni vengono assorbiti nel , senza provocare la fissione (simbolo: cerchio nero)
La fissione dei nuclei di uranio fu scoperta nel 1938 dagli scienziati tedeschi O. Hahn e F. Strassmann. Sono riusciti a stabilire che quando i nuclei di uranio vengono bombardati da neutroni, si formano gli elementi della parte centrale della tavola periodica: bario, kripton, ecc. La corretta interpretazione di questo fatto è stata data dal fisico austriaco L. Meitner e dall'inglese fisico O. Frisch. Hanno spiegato l'aspetto di questi elementi con il decadimento dei nuclei di uranio che hanno catturato un neutrone in due parti approssimativamente uguali. Questo fenomeno è chiamato fissione nucleare e i nuclei risultanti sono chiamati frammenti di fissione.
Guarda anche
- Vasiliev A. Fissione dell'uranio: da Klaproth a Hahn // Quantistica. - 2001. - N. 4. - P. 20-21,30.
Modello a goccia del nucleo
Questa reazione di fissione può essere spiegata sulla base del modello delle goccioline del nucleo. In questo modello, il nucleo è considerato come una goccia di fluido incomprimibile caricato elettricamente. Oltre alle forze nucleari che agiscono tra tutti i nucleoni del nucleo, i protoni subiscono un'ulteriore repulsione elettrostatica, a seguito della quale si trovano alla periferia del nucleo. In uno stato non eccitato, le forze di repulsione elettrostatica sono compensate, quindi il nucleo ha una forma sferica (Fig. 1, a).
Dopo che il nucleo \(~^(235)_(92)U\) cattura un neutrone, si forma un nucleo intermedio \(~(^(236)_(92)U)^*\), che si trova in un ambiente eccitato stato. In questo caso, l'energia dei neutroni è distribuita uniformemente tra tutti i nucleoni e il nucleo intermedio stesso si deforma e inizia a vibrare. Se l'eccitazione è piccola, allora il nucleo (Fig. 1, b), liberandosi dall'energia in eccesso emettendo γ -quantico o neutrone, ritorna ad uno stato stabile. Se l'energia di eccitazione è sufficientemente elevata, la deformazione del nucleo durante le vibrazioni può essere così grande che in esso si forma una vita (Fig. 1, c), simile alla vita tra due parti di una goccia di liquido biforcata. Le forze nucleari che agiscono in una vita stretta non possono più resistere alla significativa forza di Coulomb di repulsione di parti del nucleo. La vita si rompe e il nucleo si divide in due “frammenti” (Fig. 1, d), che volano via in direzioni opposte.
Attualmente sono noti circa 100 isotopi diversi con numero di massa da circa 90 a 145, risultanti dalla fissione di questo nucleo. Due tipiche reazioni di fissione di questo nucleo sono:
\(~^(235)_(92)U + \ ^1_0n \ ^(\nearrow)_(\searrow) \ \begin(matrix) ^(144)_(56)Ba + \ ^(89)_( 36)Kr + \ 3^1_0n \\ ^(140)_(54)Xe + \ ^(94)_(38)Sr + \ 2^1_0n \end(matrice)\) .
Si noti che la fissione nucleare avviata da un neutrone produce nuovi neutroni che possono causare reazioni di fissione in altri nuclei. I prodotti di fissione dei nuclei di uranio-235 possono essere anche altri isotopi di bario, xeno, stronzio, rubidio, ecc.
Quando i nuclei degli atomi pesanti si scindono (\(~^(235)_(92)U\)), viene rilasciata un'energia molto grande - circa 200 MeV durante la fissione di ciascun nucleo. Circa l'80% di questa energia viene rilasciata come energia cinetica dei frammenti; il restante 20% deriva dall'energia della radiazione radioattiva da frammenti e dall'energia cinetica dei neutroni pronti.
Una stima dell'energia rilasciata durante la fissione nucleare può essere effettuata utilizzando l'energia di legame specifica dei nucleoni nel nucleo. Energia di legame specifica dei nucleoni nei nuclei con numero di massa UN≈ 240 dell'ordine di 7,6 MeV/nucleone, mentre nei nuclei con numero di massa UN= 90 – 145 l'energia specifica è circa 8,5 MeV/nucleone. Di conseguenza, la fissione di un nucleo di uranio libera energia dell'ordine di 0,9 MeV/nucleone, ovvero circa 210 MeV per atomo di uranio. La fissione completa di tutti i nuclei contenuti in 1 g di uranio libera la stessa energia della combustione di 3 tonnellate di carbone o 2,5 tonnellate di petrolio.
Guarda anche
- Varlamov A.A. Modello a goccioline del nucleo //Quantum. - 1986. - N. 5. - P. 23-24
Reazione a catena
Reazione a catena- una reazione nucleare in cui le particelle che causano la reazione si formano come prodotti di questa reazione.
Quando un nucleo di uranio-235 subisce una fissione, causata da una collisione con un neutrone, vengono rilasciati 2 o 3 neutroni. In condizioni favorevoli, questi neutroni possono colpire altri nuclei di uranio e provocarne la fissione. In questa fase appariranno da 4 a 9 neutroni, capaci di provocare nuovi decadimenti dei nuclei di uranio, ecc. Un tale processo simile a una valanga è chiamato reazione a catena. Un diagramma dello sviluppo di una reazione a catena di fissione dei nuclei di uranio è mostrato in Fig. 3.
L'uranio si presenta in natura sotto forma di due isotopi \[~^(238)_(92)U\] (99,3%) e \(~^(235)_(92)U\) (0,7%). Quando bombardati dai neutroni, i nuclei di entrambi gli isotopi possono dividersi in due frammenti. In questo caso la reazione di fissione \(~^(235)_(92)U\) avviene più intensamente con neutroni lenti (termici), mentre i nuclei \(~^(238)_(92)U\) reagiscono alla fissione solo con neutroni veloci con energie dell'ordine di 1 MeV. Altrimenti, l'energia di eccitazione dei nuclei risultanti \(~^(239)_(92)U\) risulta insufficiente per la fissione, e quindi si verificano reazioni nucleari invece della fissione:
\(~^(238)_(92)U + \ ^1_0n \to \ ^(239)_(92)U \to \ ^(239)_(93)Np + \ ^0_(-1)e\ ).
Isotopo dell'uranio \(~^(238)_(92)U\) β -radioattivo, emivita 23 minuti. Anche l'isotopo del nettunio \(~^(239)_(93)Np\) è radioattivo, con un'emivita di circa 2 giorni.
\(~^(239)_(93)Np \to \ ^(239)_(94)Pu + \ ^0_(-1)e\) .
L'isotopo del plutonio \(~^(239)_(94)Np\) è relativamente stabile, con un tempo di dimezzamento di 24.000 anni. La proprietà più importante del plutonio è che è fissile sotto l'influenza dei neutroni allo stesso modo di \(~^(235)_(92)U\). Pertanto, con l'aiuto di \(~^(239)_(94)Np\) è possibile eseguire una reazione a catena.
Il diagramma della reazione a catena discusso sopra rappresenta un caso ideale. In condizioni reali, non tutti i neutroni prodotti durante la fissione partecipano alla fissione di altri nuclei. Alcuni di essi vengono catturati dai nuclei non fissili di atomi estranei, altri volano fuori dall'uranio (perdita di neutroni).
Pertanto, non sempre si verifica una reazione a catena di fissione di nuclei pesanti e non per nessuna massa di uranio.
Fattore di moltiplicazione dei neutroni
Lo sviluppo di una reazione a catena è caratterizzato dal cosiddetto fattore di moltiplicazione dei neutroni A, che è misurato dal rapporto del numero N i neutroni che causano la fissione dei nuclei di una sostanza in uno degli stadi della reazione, al numero N Neutroni i-1 che hanno causato la fissione nella fase precedente della reazione:
\(~K = \dfrac(N_i)(N_(i - 1))\) .
Il coefficiente moltiplicativo dipende da una serie di fattori, in particolare dalla natura e dalla quantità della sostanza fissile, e dalla forma geometrica del volume che occupa. La stessa quantità di una determinata sostanza ha significati diversi A. A massimo se la sostanza ha forma sferica, poiché in questo caso la perdita di neutroni pronti attraverso la superficie sarà minima.
La massa di materiale fissile in cui avviene la reazione a catena con un fattore di moltiplicazione A= 1 è detto massa critica. Nei piccoli pezzi di uranio, la maggior parte dei neutroni vola via senza colpire alcun nucleo.
Il valore della massa critica è determinato dalla geometria del sistema fisico, dalla sua struttura e dall'ambiente esterno. Pertanto, per una palla di uranio puro \(~^(235)_(92)U\) la massa critica è di 47 kg (una palla con un diametro di 17 cm). La massa critica dell'uranio può essere ridotta molte volte utilizzando i cosiddetti moderatori di neutroni. Il fatto è che i neutroni prodotti durante il decadimento dei nuclei di uranio hanno velocità troppo elevate e la probabilità di catturare neutroni lenti da parte dei nuclei di uranio-235 è centinaia di volte maggiore di quelli veloci. Il miglior moderatore di neutroni è l'acqua pesante D 2 O. Quando interagisce con i neutroni, l'acqua ordinaria stessa si trasforma in acqua pesante.
Anche la grafite, i cui nuclei non assorbono neutroni, è un buon moderatore. Durante l'interazione elastica con deuterio o nuclei di carbonio, i neutroni vengono rallentati fino a raggiungere velocità termiche.
L'uso di moderatori di neutroni e di uno speciale guscio di berillio, che riflette i neutroni, consente di ridurre la massa critica a 250 g.
Al tasso di moltiplicazione A= 1 il numero di nuclei di fissione viene mantenuto a un livello costante. Questa modalità è fornita nei reattori nucleari.
Se la massa del combustibile nucleare è inferiore alla massa critica, allora viene utilizzato il fattore di moltiplicazione A < 1; каждое новое поколение вызывает все меньшее и меньшее число делений, и реакция без внешнего источника нейтронов быстро затухает.
Se la massa del combustibile nucleare è maggiore della massa critica, allora viene utilizzato il fattore di moltiplicazione A> 1 e ogni nuova generazione di neutroni provoca un numero crescente di fissioni. La reazione a catena si sviluppa come una valanga e ha il carattere di un'esplosione, accompagnata da un enorme rilascio di energia e da un aumento della temperatura ambiente fino a diversi milioni di gradi. Questo tipo di reazione a catena si verifica quando esplode una bomba atomica.
Bomba nucleare
Nel suo stato normale, una bomba nucleare non esplode perché la carica nucleare in essa contenuta è divisa in diverse piccole parti da partizioni che assorbono i prodotti di decadimento dell'uranio: i neutroni. La reazione a catena nucleare che provoca un’esplosione nucleare non può essere sostenuta in tali condizioni. Tuttavia, se i frammenti di una carica nucleare vengono combinati insieme, la loro massa totale diventerà sufficiente affinché inizi a svilupparsi una reazione a catena di fissione dell'uranio. Il risultato è un'esplosione nucleare. Inoltre, la potenza esplosiva sviluppata da una bomba nucleare relativamente piccola è equivalente alla potenza liberata durante l’esplosione di milioni e miliardi di tonnellate di TNT.
Riso. 5. Bomba atomica
Reazioni di fissione nucleare- reazioni di fissione, che consistono nel fatto che un nucleo pesante, sotto l'influenza di neutroni e, come si è scoperto successivamente, altre particelle, è diviso in diversi nuclei più leggeri (frammenti), molto spesso in due nuclei di massa simile.
Una caratteristica della fissione nucleare è che è accompagnata dall'emissione di due o tre neutroni secondari, chiamati neutroni di fissione. Poiché per i nuclei medi il numero di neutroni è approssimativamente uguale al numero di protoni ( N/Z ≈ 1), e per i nuclei pesanti il numero di neutroni supera significativamente il numero di protoni ( N/Z ≈ 1.6), i frammenti di fissione risultanti vengono sovraccaricati di neutroni, a seguito dei quali rilasciano neutroni di fissione. Tuttavia, l'emissione di neutroni di fissione non elimina completamente il sovraccarico dei nuclei frammentati con neutroni. Ciò fa sì che i frammenti diventino radioattivi. Possono subire una serie di trasformazioni β - -, accompagnate dall'emissione di quanti γ. Poiché il decadimento β - - è accompagnato dalla trasformazione di un neutrone in un protone, dopo una catena di trasformazioni β - - il rapporto tra neutroni e protoni nel frammento raggiungerà un valore corrispondente a un isotopo stabile. Ad esempio, durante la fissione di un nucleo di uranio U
U+ n→ Xe + Sr +2 N(265.1)
frammento di fissione Xe, a seguito di tre atti di decadimento β, si trasforma nell'isotopo stabile del lantanio La:
Eh → Cs → Ba → La.
I frammenti di fissione possono essere diversi, quindi la reazione (265.1) non è l'unica che porta alla fissione dell'U.
La maggior parte dei neutroni di fissione vengono emessi quasi istantaneamente ( T≤ 10 –14 s), e una parte (circa lo 0,7%) viene emessa dai frammenti di fissione qualche tempo dopo la fissione (0,05 s ≤ T≤ 60 s). I primi vengono chiamati immediato, secondo – in ritardo. In media, ogni evento di fissione produce 2,5 neutroni. Hanno uno spettro energetico relativamente ampio che va da 0 a 7 MeV, con un'energia media di circa 2 MeV per neutrone.
I calcoli mostrano che la fissione nucleare deve essere accompagnata anche dal rilascio di una grande quantità di energia. Infatti l'energia specifica di legame per i nuclei di massa media è di circa 8,7 MeV, mentre per i nuclei pesanti è di 7,6 MeV. Di conseguenza, quando un nucleo pesante si divide in due frammenti, dovrebbe essere liberata un'energia pari a circa 1,1 MeV per nucleone.
La teoria della fissione dei nuclei atomici (N. Bohr, Ya. I. Frenkel) si basa sul modello della goccia del nucleo. Il nucleo è considerato come una goccia di liquido incomprimibile elettricamente carico (con una densità pari a quella nucleare e obbediente alle leggi della meccanica quantistica), le cui particelle, quando un neutrone colpisce il nucleo, entrano in movimento oscillatorio, a seguito del quale il nucleo viene diviso in due parti, disperdendosi con enorme energia.
La probabilità della fissione nucleare è determinata dall'energia dei neutroni. Ad esempio, se i neutroni ad alta energia causano la fissione di quasi tutti i nuclei, allora i neutroni con un'energia di diversi megaelettronvolt causano la fissione solo dei nuclei pesanti ( UN>210), Neutroni aventi energia di attivazione(l'energia minima necessaria per effettuare una reazione di fissione nucleare) dell'ordine di 1 MeV, provoca la fissione dei nuclei di uranio U, torio Th, protoattinio Pa, plutonio Pu. I neutroni termici provocano la fissione dei nuclei di U, Pu e U, Th (gli ultimi due isotopi non si trovano in natura, sono ottenuti artificialmente).
I neutroni secondari emessi durante la fissione nucleare possono causare nuovi eventi di fissione, il che lo rende possibile reazione a catena di fissione- una reazione nucleare in cui le particelle che causano la reazione si formano come prodotti di questa reazione. La reazione a catena di fissione è caratterizzata da fattore di moltiplicazione K neutroni, che è uguale al rapporto tra il numero di neutroni in una data generazione e il loro numero nella generazione precedente. Una condizione necessaria per lo sviluppo di una reazione a catena di fissione è requisito k ≥ 1.
Si scopre che non tutti i neutroni secondari prodotti causano la successiva fissione nucleare, il che porta ad una diminuzione del fattore di moltiplicazione. Innanzitutto a causa delle dimensioni finite nucleo(lo spazio in cui avviene una reazione preziosa) e l'elevata capacità di penetrazione dei neutroni, alcuni di essi lasceranno la zona attiva prima di essere catturati da qualsiasi nucleo. In secondo luogo, alcuni neutroni vengono catturati dai nuclei di impurità non fissili, che sono sempre presenti nel nucleo. Inoltre, insieme alla fissione, possono verificarsi processi concorrenti di cattura radiativa e diffusione anelastica.
Il coefficiente di moltiplicazione dipende dalla natura della sostanza fissile e, per un dato isotopo, dalla sua quantità, nonché dalla dimensione e dalla forma della zona attiva. Vengono chiamate le dimensioni minime della zona attiva alla quale è possibile una reazione a catena dimensioni critiche. La massa minima di materiale fissile situato in un sistema di dimensioni critiche richiesta per l'attuazione reazione a catena, chiamato massa critica.
La velocità di sviluppo delle reazioni a catena è diversa. Permettere T - tempo medio
vita di una generazione, e N- il numero di neutroni in una data generazione. Nella generazione successiva il loro numero è uguale kN,T. e. aumento del numero di neutroni per generazione dN = kN – N = N(K - 1). L'aumento del numero di neutroni per unità di tempo, cioè la velocità di crescita della reazione a catena,
. (266.1)
Integrando la (266.1), otteniamo
,
Dove N0è il numero di neutroni nell'istante iniziale, e N- il loro numero alla volta T. N determinato dal segno ( K- 1). A K>1 sta arrivando reazione in via di sviluppo, il numero delle fissioni aumenta continuamente e la reazione può diventare esplosiva. A K=1 va reazione autosufficiente in cui il numero di neutroni non cambia nel tempo. A K <1 идет reazione evanescente
Le reazioni a catena includono quelle controllate e incontrollabili. L'esplosione di una bomba atomica, ad esempio, è una reazione incontrollata. Per evitare che una bomba atomica esploda durante lo stoccaggio, l'U (o Pu) al suo interno è diviso in due parti distanti l'una dall'altra con masse inferiori al limite critico. Quindi, con l'aiuto di una normale esplosione, queste masse si avvicinano, la massa totale della sostanza fissile diventa maggiore di quella critica e si verifica una reazione a catena esplosiva, accompagnata dal rilascio istantaneo di un'enorme quantità di energia e da una grande distruzione. . La reazione esplosiva inizia a causa dei neutroni disponibili dalla fissione spontanea o dai neutroni della radiazione cosmica. Nei reattori nucleari si verificano reazioni a catena controllate.
