Pamokos santrauka "Urano branduolių dalijimasis. Grandininė reakcija"

Branduolio dalijimasis- atomo branduolio padalijimo į du (rečiau tris) panašios masės branduolius, vadinamus dalijimosi fragmentais, procesas. Dėl dalijimosi gali atsirasti ir kitų reakcijos produktų: lengvųjų branduolių (daugiausia alfa dalelių), neutronų ir gama spindulių. Skilimas gali būti spontaniškas (spontaniškas) ir priverstinis (dėl sąveikos su kitomis dalelėmis, pirmiausia su neutronais). Sunkiųjų branduolių dalijimasis yra egzoterminis procesas, dėl kurio išsiskiria didelis kiekis energijos reakcijos produktų kinetinės energijos, taip pat spinduliuotės pavidalu. Branduolio dalijimasis naudojamas kaip energijos šaltinis branduoliniuose reaktoriuose ir branduoliniuose ginkluose. Skilimo procesas gali vykti tik tada, kai dalijimosi branduolio pradinės būsenos potenciali energija viršija dalijimosi fragmentų masių sumą. Kadangi sunkiųjų branduolių specifinė surišimo energija mažėja didėjant jų masei, ši sąlyga tenkinama beveik visiems branduoliams, kurių masės skaičius .

Tačiau, kaip rodo patirtis, net ir sunkiausi branduoliai spontaniškai dalijasi su labai maža tikimybe. Tai reiškia, kad yra energijos barjeras ( dalijimosi barjeras), užkertamas kelias dalijimui. Branduolio dalijimosi procesui apibūdinti, įskaitant dalijimosi barjero apskaičiavimą, naudojami keli modeliai, tačiau nė vienas iš jų negali visiškai paaiškinti proceso.

Tai, kad dalijantis sunkiųjų branduolių energija išsiskiria, tiesiogiai išplaukia iš specifinės rišimosi energijos ε priklausomybės. = E šviesa (A,Z)/A iš masės skaičiaus A. Dalijantis sunkiajam branduoliui, susidaro lengvesni branduoliai, kuriuose nukleonai yra stipriau surišti, dalijimosi metu išsiskiria dalis energijos. Paprastai branduolio dalijimąsi lydi 1–4 neutronų emisija. Dalijimosi energiją Q išreikškime pradinio ir galutinio branduolių rišimosi energija. Pradinio branduolio, susidedančio iš Z protonų ir N neutronų, turinčio masę M(A,Z) ir surišimo energiją E st (A,Z), energiją užrašome tokia forma:

M(A,Z)c 2 = (Zm p + Nm n)c 2 - E St (A,Z).

Branduolio (A,Z) padalijimą į 2 fragmentus (A 1,Z 1) ir (A 2,Z 2) lydi N n susidarymas. = A – A 1 – A 2 greiti neutronai. Jei branduolys (A,Z) skyla į fragmentus, kurių masės yra M 1 (A 1 ,Z 1), M 2 (A 2 ,Z 2) ir surišimo energija E св1 (A 1,Z 1), E св2 (A 2) , Z 2), tada dalijimosi energijai turime išraišką:

Q div = (M(A,Z) – )c 2 = E St 1 (A 1 ,Z 1) + E St (A 2 ,Z 2) – E St (A,Z),

A = A 1 + A 2 + N n, Z = Z 1 + Z 2.

23. Elementarioji dalijimosi teorija.

1939 metais N. Boras Ir J. Wheeleris, ir Taip, Frenkel Ilgai prieš tai, kai dalijimasis buvo išsamiai ištirtas eksperimentiškai, buvo pasiūlyta šio proceso teorija, pagrįsta branduolio kaip įkrauto skysčio lašo idėja.

Dalijimosi metu išsiskiriančią energiją galima gauti tiesiogiai iš Weizsäcker formulės.

Apskaičiuokime energijos kiekį, išsiskiriantį dalijantis sunkiajam branduoliui. Pakeiskime į (f.2) branduolių (f.1) surišimo energijų išraiškas, darydami prielaidą, kad A 1 = 240 ir Z 1 = 90. Nepaisydami paskutinio (f.1) nario dėl jo mažumo ir pakeitimo gauname parametrų a 2 ir a 3 reikšmes

Iš to gauname, kad dalijimasis yra energetiškai palankus, kai Z 2 /A > 17. Z 2 /A reikšmė vadinama dalijimosi parametru. Skilimo metu išsiskirianti energija E didėja didėjant Z 2 /A; Z 2 /A = 17 branduoliams itrio ir cirkonio srityje. Iš gautų įverčių matyti, kad dalijimasis yra energetiškai palankus visiems branduoliams, kurių A > 90. Kodėl dauguma branduolių yra stabilūs savaiminio dalijimosi atžvilgiu? Norėdami atsakyti į šį klausimą, pažiūrėkime, kaip keičiasi branduolio forma dalijimosi metu.

Panagrinėkime pradinę dalijimosi stadiją, kai branduolys, didėjant r, įgauna vis ilgėjančio revoliucijos elipsoido formą. Šiame dalijimosi etape r yra branduolio nuokrypio nuo rutulio formos matas (3 pav.). Dėl branduolio formos raidos jo potencinės energijos pokytį lemia paviršiaus ir Kulono energijų sumos pokytis E" n + E" k. Daroma prielaida, kad branduolio tūris lieka nepakitęs deformacijos proceso metu. Šiuo atveju paviršiaus energija E"n didėja, didėjant branduolio paviršiaus plotui. Kulono energija E"k mažėja, nes didėja vidutinis atstumas tarp nukleonų. Tegul sferinė šerdis dėl nedidelės deformacijos, kuriai būdingas mažas parametras, įgauna ašies simetriško elipsoido formą. Galima parodyti, kad paviršiaus energija E"n ir Kulono energija E"k skiriasi taip:

Esant mažoms elipsoidinėms deformacijoms, paviršiaus energijos padidėjimas vyksta greičiau nei Kulono energijos sumažėjimas. Sunkiųjų branduolių srityje 2E n > E k paviršiaus ir Kulono energijų suma didėja didėjant . Iš (f.4) ir (f.5) matyti, kad esant mažoms elipsoidinėms deformacijoms, paviršiaus energijos padidėjimas užkerta kelią tolesniems branduolio formos pokyčiams ir, atitinkamai, dalijimuisi. Išraiška (f.5) galioja mažoms reikšmėms (mažoms deformacijoms). Jei deformacija tokia didelė, kad šerdis įgauna hantelio formą, tai paviršiaus įtempimo jėgos, kaip ir Kulono jėgos, yra linkusios atskirti šerdį ir suteikti fragmentams sferinę formą. Šioje dalijimosi stadijoje įtempimo padidėjimą lydi Kulono ir paviršiaus energijos sumažėjimas. Tie. laipsniškai didėjant branduolio deformacijai, jo potenciali energija pereina per maksimumą. Dabar r reiškia atstumą tarp būsimų fragmentų centrų. Kai fragmentai tolsta vienas nuo kito, jų sąveikos potencinė energija mažės, nes mažėja Kulono atstūmimo energija E k. Potencialios energijos priklausomybė nuo atstumo tarp fragmentų parodyta fig. 4. Potencialios energijos nulinis lygis atitinka dviejų nesąveikaujančių fragmentų paviršiaus ir Kulono energijų sumą. Potencialaus barjero buvimas apsaugo nuo momentinio savaiminio branduolių dalijimosi. Kad branduolys akimirksniu suskiltų, jam reikia suteikti energiją Q, viršijančią barjero H aukštį. Didžiausia skiliojo branduolio potencinė energija yra apytiksliai lygi e 2 Z 2 /(R 1 + R 2), kur R1 ir R2 yra fragmentų spinduliai. Pavyzdžiui, kai aukso branduolys yra padalintas į du identiškus fragmentus, e 2 Z 2 /(R 1 + R 2) = 173 MeV, o dalijimosi metu išsiskiriantis energijos kiekis E ( žr. formulę (f.2)), lygi 132 MeV. Taigi, aukso branduolio dalijimosi metu būtina įveikti potencialų barjerą, kurio aukštis yra apie 40 MeV. Kuo didesnis barjero aukštis H, tuo mažesnis Kulono ir paviršiaus energijos E santykis su /E p pradiniame branduolyje. Šis santykis savo ruožtu didėja didėjant dalijamumo parametrui Z 2 /A ( žr. (f.4)). Kuo sunkesnis branduolys, tuo mažesnis barjero H aukštis , kadangi dalumo parametras didėja didėjant masės skaičiui:

Tie. Pagal lašelių modelį gamtoje neturėtų būti branduolių, kurių Z 2 /A > 49, nes jie spontaniškai dalijasi beveik akimirksniu (per būdingą branduolio laiką, maždaug 10–22 s). Atomų branduolių, kurių Z 2 /A > 49 („stabilumo sala“), egzistavimas paaiškinamas apvalkalo struktūra. Potencialaus barjero H formos, aukščio ir dalijimosi energijos E priklausomybė nuo dalijimosi parametro Z 2 /A reikšmės parodyta fig. 5.

Savaiminis branduolių dalijimasis su Z 2 /A< 49, для которых высота барьера Н не равна нулю, с точки зрения классической физики невозможно. С точки зрения квантовой механики такое деление возможно в результате прохождения через потенциальный барьер и носит название спонтанного деления. Вероятность спонтанного деления растет с увеличением параметра делимости Z 2 /А, т.е. с уменьшением высоты барьера. В целом период полураспада относительно спонтанного деления уменьшается при переходе от менее тяжелых ядер к более тяжелым от Т 1/2 > 10 21 metai 232 Th iki 0,3 s 260 Ku. Priverstinis branduolių dalijimasis su Z 2 /A < 49 может быть вызвано любыми частицами: фотонами, нейтронами, протонами, дейтронами, -частицами и т.д., если энергия, которую они вносят в ядро достаточна для преодоления барьера деления.

2. Kokia energija vadinama reakcijos energija? Kaip įvertinti dalijimosi reakcijos energijos išeigą?

3. Kokia reikšmė apibūdina grandininės reakcijos greitį? Užrašykite būtiną grandininės reakcijos išsivystymo sąlygą.

4. Kokia dalijimosi reakcija vadinama savaime išsilaikančia? Kada tai atsiranda?

5. Įvertinkite kritinį branduolio dydį ir kritinę masę.

N yra branduolių koncentracija. Neutrono susidūrimų su branduoliais skaičius per laiko vienetą n.

1934 metais E. Fermis nusprendė gauti transurano elementus apšvitindamas 238 U neutronais. E. Fermio mintis buvo tokia, kad dėl izotopo 239 U skilimo β - susidaro cheminis elementas, kurio atominis skaičius Z = 93. Tačiau 93-iojo elemento susidarymo nustatyti nepavyko. Vietoj to, O. Hahno ir F. Strassmanno atliktos radioaktyviųjų elementų radiocheminės analizės rezultatai parodė, kad vienas iš urano švitinimo neutronais produktų yra baris (Z = 56) – vidutinės atominės masės cheminis elementas. , o pagal Fermi teorijos prielaidą turėjo būti gauti transurano elementai.
L. Meitner ir O. Frisch pasiūlė, kad urano branduoliui užfiksavus neutroną, jungtinis branduolys subyra į dvi dalis.

92 U + n → 56 Ba + 36 Kr + xn.

Urano dalijimosi procesą lydi antrinių neutronų atsiradimas (x > 1), galinčių sukelti kitų urano branduolių dalijimąsi, o tai atveria galimybę įvykti dalijimosi grandininei reakcijai – vienas neutronas gali sukelti šakotą urano branduolių dalijimosi grandinė. Tokiu atveju suskilusių branduolių skaičius turėtų padidėti eksponentiškai. N. Bohr ir J. Wheeler apskaičiavo kritinę energiją, reikalingą 236 U branduoliui, susidariusiam dėl neutronų gaudymo 235 U izotopu, suskilti. Ši vertė yra 6,2 MeV, o tai yra mažesnė už 235 U šiluminio neutrono gaudymo metu susidariusio 236 U izotopo sužadinimo energiją. Todėl, paėmus šiluminius neutronus, galima 235 U grandininė dalijimosi reakcija. labiausiai paplitęs izotopas 238 U, kritinė energija yra 5,9 MeV, o užfiksavus šiluminį neutroną, gauto 239 U branduolio sužadinimo energija yra tik 5,2 MeV. Todėl gamtoje labiausiai paplitusio izotopo 238 U skilimo grandininė reakcija, veikiant šiluminiams neutronams, pasirodo neįmanoma. Vieno dalijimosi metu išsiskiria ≈ 200 MeV energija (palyginimui, cheminių degimo reakcijų metu per vieną reakcijos įvykį išsiskiria ≈ 10 eV energija). Galimybė sudaryti sąlygas dalijimosi grandininei reakcijai atvėrė perspektyvas panaudoti grandininės reakcijos energiją kuriant atominius reaktorius ir atominius ginklus. Pirmąjį atominį reaktorių 1942 m. pastatė E. Fermis JAV. SSRS pirmasis branduolinis reaktorius, vadovaujant I. Kurchatovui, buvo paleistas 1946 m. ​​1954 m. Obninske pradėjo veikti pirmoji pasaulyje atominė elektrinė. Šiuo metu elektros energija gaminama maždaug 440 branduolinių reaktorių 30 šalių.
1940 metais G. Flerovas ir K. Petržakas atrado savaiminį urano skilimą. Eksperimento sudėtingumą liudija šie skaičiai. Dalinis pusinės eliminacijos laikas, palyginti su savaiminiu 238 U izotopo skilimu, yra 10 16 – 10 17 metų, o 238 U izotopo skilimo laikotarpis yra 4,5∙10 9 metai. Pagrindinis 238 U izotopo skilimo kanalas yra α skilimas. Norint stebėti 238 U izotopo savaiminį skilimą, reikėjo užregistruoti vieną dalijimosi įvykį 10 7 – 10 8 α skilimo įvykių fone.
Savaiminio dalijimosi tikimybę daugiausia lemia dalijimosi barjero pralaidumas. Savaiminio dalijimosi tikimybė didėja didėjant branduolio krūviui, nes šiuo atveju padalijimo parametras Z 2 /A didėja. Izotopuose Z< 92-95 деление происходит преимущественно с образованием двух осколков деления с отношением масс тяжёлого и лёгкого осколков 3:2. В изотопах Z >100, vyrauja simetriškas skilimas, kai susidaro vienodos masės fragmentai. Didėjant branduolio krūviui, didėja savaiminio dalijimosi dalis, palyginti su α-skilimu.

Branduolio dalijimasis. Istorija

1934 m– E. Fermi, apšvitindamas uraną terminiais neutronais, tarp reakcijos produktų aptiko radioaktyvių branduolių, kurių pobūdžio nustatyti nepavyko.
L. Szilardas iškėlė branduolinės grandininės reakcijos idėją.

1939 m− O. Hahnas ir F. Strassmannas tarp reakcijos produktų atrado barį.
L. Meitneris ir O. Frischas pirmieji paskelbė, kad veikiamas neutronų uranas buvo padalintas į du panašios masės fragmentus.
N. Bohr ir J. Wheeler kiekybiškai interpretavo branduolio dalijimąsi, įvesdami dalijimosi parametrą.
Ya. Frenkelis sukūrė lėtųjų neutronų branduolio dalijimosi kritimo teoriją.
L. Szilard, E. Wigner, E. Fermi, J. Wheeler, F. Joliot-Curie, Y. Zeldovich, Y. Khariton pagrindė branduolinės dalijimosi grandininės reakcijos, vykstančios urane, galimybę.

1940 m− G. Flerovas ir K. Pietrzak atrado savaiminio urano U branduolių dalijimosi fenomeną.

1942 m− E. Fermis pirmajame atominiame reaktoriuje atliko valdomą skilimo grandininę reakciją.

1945 m− Pirmasis branduolinio ginklo bandymas (Nevada, JAV). Amerikos kariai numetė atomines bombas ant Japonijos miestų Hirosimos (rugpjūčio 6 d.) ir Nagasakio (rugpjūčio 9 d.).

1946 m− Vadovaujant I.V. buvo paleistas pirmasis Europoje Kurchatovo reaktorius.

1954 m− Paleista pirmoji pasaulyje atominė elektrinė (Obninskas, SSRS).

Branduolio dalijimasis.Nuo 1934 metų E. Fermi pradėjo naudoti neutronus atomams bombarduoti. Nuo tada dirbtinės transformacijos būdu gautų stabilių arba radioaktyvių branduolių skaičius išaugo iki daugybės šimtų, o beveik visos periodinės lentelės vietos buvo užpildytos izotopais.
Atomai, atsirandantys visose šiose branduolinėse reakcijose, periodinėje lentelėje užėmė tą pačią vietą, kaip ir bombarduojamas atomas, arba gretimas vietas. Todėl Hahno ir Strassmanno 1938 m. įrodymas, kad paskutiniame periodinės lentelės elemente bombarduojamas neutronais, sukėlė didelę sensaciją.−uranas−skilimas vyksta į elementus, esančius vidurinėse periodinės lentelės dalyse. Čia yra įvairių rūšių skilimo. Susidarę atomai dažniausiai yra nestabilūs ir iš karto suyra toliau; kai kurių pusinės eliminacijos laikas matuojamas sekundėmis, todėl Hahnas turėjo panaudoti Curie analitinį metodą, kad prailgintų tokį greitą procesą. Svarbu pažymėti, kad prieš srovę esantys urano, protaktino ir torio elementai taip pat turi panašų skilimą, kai juos veikia neutronai, nors skilimui reikia didesnės neutronų energijos nei urano atveju. Kartu su tuo 1940 m. G. N. Flerovas ir K. A. Petržakas atrado savaiminį urano branduolio skilimą, kurio pusinės eliminacijos laikas buvo didžiausias iki tol: apie 2· 10 15 metų; šis faktas paaiškėja dėl šio proceso metu išsiskiriančių neutronų. Tai leido suprasti, kodėl „natūrali“ periodinė sistema baigiasi trimis įvardintais elementais. Transuraniniai elementai dabar tapo žinomi, tačiau jie yra tokie nestabilūs, kad greitai suyra.
Urano dalijimasis neutronais dabar leidžia panaudoti atominę energiją, kurią daugelis jau įsivaizdavo kaip „Žiulio Verno svajonę“.

M. Laue, „Fizikos istorija“

1939 O. Hahn ir F. Strassmann, apšvitindami urano druskas terminiais neutronais, tarp reakcijos produktų atrado barį (Z = 56)

Otto Gannas (1879 – 1968)

Branduolio dalijimasis – tai branduolio padalijimas į du (rečiau tris) panašios masės branduolius, kurie vadinami dalijimosi fragmentais. Skilimo metu atsiranda ir kitų dalelių – neutronų, elektronų, α-dalelių. Dėl dalijimosi išsiskiria ~200 MeV energija. Skilimas gali būti spontaniškas arba priverstinis, veikiamas kitų dalelių, dažniausiai neutronų.
Būdingas dalijimosi bruožas yra tas, kad dalijimosi fragmentai, kaip taisyklė, labai skiriasi savo mase, t.y. vyrauja asimetrinis dalijimasis. Taigi, labiausiai tikėtino urano izotopo 236 U dalijimosi atveju, fragmentų masių santykis yra 1,46. Sunkiojo fragmento masės skaičius yra 139 (ksenonas), o lengvojo - 95 (stroncio). Atsižvelgiant į dviejų greitųjų neutronų emisiją, nagrinėjama dalijimosi reakcija turi tokią formą

Nobelio chemijos premija
1944 – O. Gan.
Už urano branduolių dalijimosi neutronais reakcijos atradimą.

Skilimo fragmentai

Lengvųjų ir sunkiųjų fragmentų grupių vidutinių masių priklausomybė nuo skiliojo branduolio masės.

Branduolio dalijimosi atradimas. 1939 m

Atvykau į Švediją, kur Lise Meitner kentėjo nuo vienatvės, ir aš, kaip atsidavęs sūnėnas, nusprendžiau ją aplankyti Kalėdų proga. Ji gyveno nedideliame viešbutyje Kungälv netoli Geteborgo. Radau ją per pusryčius. Ji pagalvojo apie laišką, kurį ką tik gavo iš Gano. Labai skeptiškai žiūrėjau į laiško turinį, kuriame buvo pranešta apie bario susidarymą, kai uranas buvo apšvitintas neutronais. Tačiau tokia galimybė ją patraukė. Mes vaikščiojome sniege, ji pėsčiomis, aš – slidėmis (ji sakė, kad gali taip nuvažiuoti neatsilikdama nuo manęs, ir tai įrodė). Pasivaikščiojimo pabaigoje jau galėjome suformuluoti kai kurias išvadas; šerdis neskilo ir nuo jos neskrido gabalai, tačiau tai buvo procesas, kuris labiau priminė Bohro branduolio lašelių modelį; kaip lašas branduolys galėtų pailgėti ir dalytis. Tada ištyriau, kaip nukleonų elektrinis krūvis sumažina paviršiaus įtempimą, kuris, mano nuomone, yra lygus nuliui, kai Z = 100, ir tikriausiai labai mažas uranui. Lise Meitner stengėsi nustatyti energiją, išsiskiriančią kiekvieno skilimo metu dėl masės defekto. Ji labai aiškiai išdėstė masinio defekto kreivę. Paaiškėjo, kad dėl elektrostatinės atstūmimo dalijimosi elementai įgaus apie 200 MeV energiją, ir tai tiksliai atitiko energiją, susijusią su masės defektu. Todėl procesas galėtų vykti grynai klasikiniu būdu, neįtraukiant perėjimo per potencialų barjerą koncepcijos, kuri, žinoma, čia būtų nenaudinga.
Per Kalėdas kartu praleidome dvi ar tris dienas. Tada grįžau į Kopenhagą ir vos spėjau informuoti Bohrą apie mūsų idėją tą pačią akimirką, kai jis jau lipo į laivą, išplaukiantį į JAV. Prisimenu, kaip jis pliaukštelėjo į kaktą, kai tik aš pradėjau kalbėti, ir sušuko: „O, kokie mes kvailiai! Turėjome tai pastebėti anksčiau“. Bet jis nepastebėjo ir niekas nepastebėjo.
Lise Meitner ir aš parašėme straipsnį. Tuo pat metu nuolat palaikėme ryšį tarpmiestiniu telefonu iš Kopenhagos į Stokholmą.

O. Frisch, Atsiminimai. UFN. 1968. T. 96, 4 leidimas, p. 697.

Savaiminis branduolio dalijimasis

Toliau aprašytuose eksperimentuose panaudojome Frisch pirmą kartą pasiūlytą metodą branduolio dalijimosi procesams registruoti. Jonizacijos kamera su plokštelėmis, padengtomis urano oksido sluoksniu, yra prijungta prie linijinio stiprintuvo, sukonfigūruoto taip, kad sistema neaptiktų iš urano išmetamų α dalelių; fragmentų impulsai, daug didesni nei α dalelių impulsai, atrakina išėjimo tiratroną ir yra laikomi mechanine rele.
Jonizacijos kamera buvo specialiai suprojektuota daugiasluoksnio plokščio kondensatoriaus pavidalu, kurio bendras plotas 15 plokščių 1000 cm2. Plokštės, esančios 3 mm atstumu viena nuo kitos, buvo padengtos urano oksido sluoksniu 10 -20 mg/cm 2 .
Pirmuosiuose eksperimentuose su stiprintuvu, sukonfigūruotu skaičiuoti fragmentus, buvo galima stebėti spontaniškus (nesant neutronų šaltinio) impulsus ant relės ir osciloskopo. Šių impulsų skaičius buvo nedidelis (6 per 1 valandą), todėl suprantama, kad šio reiškinio nepavyko stebėti su įprasto tipo kameromis...
Mes linkę taip manyti poveikis, kurį pastebėjome, turėtų būti priskirtas fragmentams, susidariusiems dėl savaiminio urano dalijimosi...

Savaiminis skilimas turėtų būti priskirtas vienam iš nesužadintų U izotopų, kurių pusinės eliminacijos laikas gautas įvertinus mūsų rezultatus:

U 238 – 10 16 ~ 10 17 metų,
U 235 – 10 14 ~ 10 15 metų,
U 234 – 10 12 ~ 10 13 metų.

Izotopų skilimas 238 U

Savaiminis branduolio dalijimasis

Spontaniškai skiliųjų izotopų pusamžis Z = 92 - 100

Pirmoji eksperimentinė sistema su urano-grafito gardelėmis buvo pastatyta 1941 m., vadovaujant E. Fermi. Tai buvo grafito kubas su 2,5 m ilgio briauna, kuriame buvo apie 7 tonas urano oksido, uždarytas geležiniuose induose, kurie į kubą buvo dedami vienodais atstumais vienas nuo kito. RaBe neutronų šaltinis buvo patalpintas urano-grafito gardelės apačioje. Reprodukcijos koeficientas tokioje sistemoje buvo ≈ 0,7. Urano okside buvo nuo 2 iki 5% priemaišų. Toliau buvo stengiamasi gauti grynesnių medžiagų ir iki 1942 m. gegužės mėn. buvo gautas urano oksidas, kuriame priemaišų buvo mažiau nei 1%. Norint užtikrinti dalijimosi grandininę reakciją, reikėjo panaudoti didelius kiekius grafito ir urano – maždaug kelių tonų. Priemaišų turėjo būti mažiau nei kelios milijoninės dalys. Reaktorius, kurį 1942 m. pabaigoje surinko Fermi Čikagos universitete, turėjo nepilno sferoido formą, nupjautą iš viršaus. Jame buvo 40 tonų urano ir 385 tonos grafito. 1942 m. gruodžio 2 d. vakare, pašalinus neutronų sugėrimo strypus, buvo nustatyta, kad reaktoriaus viduje vyksta branduolinė grandininė reakcija. Išmatuotas koeficientas buvo 1,0006. Iš pradžių reaktorius veikė 0,5 W galios lygiu. Iki gruodžio 12 dienos jo galia buvo padidinta iki 200 vatų. Vėliau reaktorius buvo perkeltas į saugesnę vietą, o jo galia padidinta iki kelių kW. Tuo pačiu metu reaktorius sunaudojo 0,002 g urano-235 per dieną.

Pirmasis branduolinis reaktorius SSRS

Pirmojo SSRS branduolinių tyrimų reaktoriaus F-1 pastatas buvo paruoštas 1946 m. ​​birželio mėn.
Atlikus visus reikalingus eksperimentus, sukūrus reaktoriaus valdymo ir apsaugos sistemą, nustačius reaktoriaus matmenis, atlikus visus reikiamus eksperimentus su reaktorių modeliais, nustatytas neutronų tankis. buvo gauti keli modeliai, grafito blokai (vadinamasis branduolinis grynumas) ir (po neutroninių-fizinių patikrinimų) urano blokai, 1946 m. ​​lapkritį jie pradėjo statyti F-1 reaktorių.
Bendras reaktoriaus spindulys buvo 3,8 m, jam prireikė 400 tonų grafito ir 45 tonų urano. Reaktorius buvo surenkamas sluoksniais ir 1946 m. ​​gruodžio 25 d. 15:00 buvo sumontuotas paskutinis, 62-asis sluoksnis. Nuėmus vadinamuosius avarinius strypus, valdymo strypas buvo pakeltas, pradėtas skaičiuoti neutronų tankis ir 1946 m. ​​gruodžio 25 d. 18:00 pirmasis SSRS reaktorius atgijo ir pradėjo veikti. Tai buvo jaudinanti pergalė mokslininkams, sukūrusiems branduolinį reaktorių, ir visai sovietų žmonėms. O po pusantrų metų, 1948 metų birželio 10 dieną, pramoninis reaktorius su vandeniu kanaluose pasiekė kritinę būseną ir netrukus prasidėjo pramoninė naujos rūšies branduolinio kuro – plutonio – gamyba.

Branduolinė grandininė reakcija. Atlikus urano švitinimo neutronais eksperimentus, buvo nustatyta, kad neutronų įtakoje urano branduoliai yra padalinti į du maždaug pusės masės ir krūvio branduolius (fragmentus); šį procesą lydi kelių (dviejų ar trijų) neutronų emisija (402 pav.). Be urano, kai kurie kiti elementai iš paskutinių Mendelejevo periodinės lentelės elementų gali dalytis. Šie elementai, kaip ir uranas, dalijasi ne tik veikiami neutronų, bet ir be išorinės įtakos (spontaniškai). Savaiminį dalijimąsi eksperimentiniu būdu nustatė sovietų fizikai K. A. Petržakas ir Georgijus Nikolajevičius Flerovas (g. 1913 m.) 1940 m. Tai labai retas procesas. Taigi 1 g urano per valandą įvyksta tik apie 20 savaiminio dalijimosi.

Ryžiai. 402. Urano branduolio skilimas veikiant neutronams: a) branduolys pagauna neutroną; b) neutrono smūgis į branduolį sukelia pastarojo virpesius; c) šerdis padalinta į du fragmentus; tuo pačiu metu išsiskiria dar keli neutronai

Dėl abipusio elektrostatinio atstūmimo dalijimosi fragmentai išsisklaido priešingomis kryptimis, įgydami milžinišką kinetinę energiją (apie ). Taigi dalijimosi reakcija vyksta labai išsiskiriant energijai. Greitai judantys fragmentai intensyviai jonizuoja terpės atomus. Ši fragmentų savybė naudojama skilimo procesams aptikti naudojant jonizacijos kamerą arba debesų kamerą. Skilimo fragmentų pėdsakų debesų kameroje nuotrauka parodyta Fig. 403. Itin reikšminga, kad urano branduolio dalijimosi metu išsiskiriantys neutronai (vadinamieji antrinio dalijimosi neutronai) gali sukelti naujų urano branduolių dalijimąsi. Dėl to įmanoma atlikti dalijimosi grandininę reakciją: jai įvykus, reakcija iš esmės gali tęstis savaime, apimdama vis daugiau branduolių. Tokios didėjančios celono reakcijos vystymosi diagrama parodyta Fig. 404.

Ryžiai. 403. Urano dalijimosi fragmentų pėdsakų debesų kameroje nuotrauka: fragmentai () skrenda priešingomis kryptimis nuo plono urano sluoksnio, nusėdusio ant kamerą blokuojančios plokštės. Nuotraukoje taip pat matyti daug plonesnių pėdsakų, priklausančių protonams, kuriuos išmušė neutronai iš kameroje esančio vandens automobilio molekulių.

Praktiškai atlikti dalijimosi grandininę reakciją nėra lengva; patirtis rodo, kad natūralaus urano masėje grandininė reakcija nevyksta. To priežastis yra antrinių neutronų praradimas; gamtiniame urane dauguma neutronų išeina nesukeldami dalijimosi. Kaip atskleidė tyrimai, neutronai prarandami labiausiai paplitusiame urano izotope - urane - 238 (). Šis izotopas lengvai sugeria neutronus reakcijomis, panašiomis į sidabro reakciją su neutronais (žr. § 222); taip susidaro dirbtinai radioaktyvus izotopas. Jis dalijasi sunkiai ir tik veikiamas greitųjų neutronų.

Izotopas, kurio kiekis yra natūraliame urane, turi palankesnių savybių grandininei reakcijai. Jis yra padalintas veikiant bet kokios energijos neutronams - greitas ir lėtas, o kuo mažesnė neutronų energija, tuo geriau. Procesas, konkuruojantis su dalijimusi – paprasta neutronų absorbcija – mažai tikėtinas, kitaip. Todėl gryname urane-235 galima skilimo grandininė reakcija, tačiau su sąlyga, kad urano-235 masė yra pakankamai didelė. Mažos masės urane dalijimosi reakcija nutrūksta dėl antrinių neutronų emisijos už jo medžiagos ribų.

Ryžiai. 404. Vertingos dalijimosi reakcijos sukūrimas: sutartinai priimta, kad dalijantis branduoliui išsiskiria du neutronai ir neutronų netenkama, t.y. kiekvienas neutronas sukelia naują skilimą; apskritimai – dalijimosi fragmentai, rodyklės – dalijimosi neutronai

Tiesą sakant, dėl mažo atominių branduolių dydžio neutronas nukeliauja nemažą atstumą (matuojant centimetrais) per medžiagą, kol netyčia susiduria su branduoliu. Jei kūno dydis mažas, tada susidūrimo tikimybė pakeliui į išvažiavimą yra maža. Beveik visi antrinio dalijimosi neutronai išspinduliuojami per kūno paviršių nesukeliant naujų skilimų, t.y., netęsiant reakcijos.

Iš didelio kūno daugiausia išskrenda paviršiniame sluoksnyje susidarę neutronai. Kūno viduje susidarę neutronai prieš save turi pakankamo storio urano ir dažniausiai sukelia naujus skilimus, tęsdami reakciją (405 pav.). Kuo didesnė urano masė, tuo mažesnė jo tūrio dalis yra paviršinis sluoksnis, iš kurio prarandama daug neutronų, ir tuo palankesnės sąlygos vystytis grandininei reakcijai.

Ryžiai. 405. Skilimo grandininės reakcijos plėtra in. a) Esant mažai masei, dauguma dalijimosi neutronų išskrenda. b) Didelėje urano masėje daug dalijimosi neutronų sukelia naujų branduolių dalijimąsi; padalinių skaičius didėja iš kartos į kartą. Apskritimai – dalijimosi fragmentai, rodyklės – dalijimosi neutronai

Palaipsniui didindami kiekį pasieksime kritinę masę, t.y mažiausią masę, nuo kurios prasideda neslopinama grandininė dalijimosi reakcija. Toliau didėjant masei, reakcija pradės sparčiai vystytis (prasidės nuo savaiminio skilimo). Kai masė sumažėja žemiau kritinės vertės, reakcija išnyksta.

Taigi, galima atlikti dalijimosi grandininę reakciją. Jei turite pakankamai švarios, atskirtos nuo.

Kaip matėme §202, izotopų atskyrimas, nors ir sudėtingas ir brangus, vis tiek yra įmanomas veiksmas. Iš tiesų, gavyba iš natūralaus urano buvo vienas iš būdų, kaip buvo įgyvendinta dalijimosi grandininė reakcija.

Be to, grandininė reakcija buvo pasiekta kitu būdu, kuriam nereikėjo atskirti urano izotopų. Šis metodas iš esmės yra šiek tiek sudėtingesnis, tačiau lengviau įgyvendinamas. Jis naudoja greito antrinio dalijimosi neutronų sulėtinimą iki šiluminio judėjimo greičio. Matėme, kad gamtiniame urane tiesioginius antrinius neutronus daugiausia sugeria izotopas. Kadangi absorbcija nesukelia skilimo, reakcija baigiasi. Kaip rodo matavimai, sulėtėjus neutronams iki šiluminio greičio, sugerties pajėgumas padidėja labiau nei sugerties pajėgumas. Pirmenybė teikiama neutronų sugerčiai izotopui, dėl kurio vyksta dalijimasis. Todėl sulėtėjus dalijimosi neutronams, neleidžiant jiems absorbuotis, su natūraliu uranu bus įmanoma grandininė reakcija.

Ryžiai. 406. Gamtinio urano sistema ir moderatorius, kuriame gali išsivystyti dalijimosi grandininė reakcija

Praktiškai šis rezultatas pasiekiamas į moderatorių dedant karštus natūralaus urano strypus retos gardelės pavidalu (406 pav.). Medžiagos, turinčios mažą atominę masę ir silpnai sugeriančios neutronus, naudojamos kaip moderatoriai. Geri moderatoriai yra grafitas, sunkusis vanduo ir berilis.

Tegul urano branduolio skilimas įvyksta viename iš strypų. Kadangi strypas yra gana plonas, beveik visi greitieji antriniai neutronai pateks į moderatorių. Strypai yra gana negausiai išdėstyti grotelėse. Išspinduliuotas neutronas, prieš atsitrenkdamas į naują strypą, patiria daug susidūrimų su moderatoriaus branduoliais ir sulėtėja iki šiluminio judėjimo greičio (407 pav.). Po to atsitrenkęs į urano strypą, neutronas greičiausiai bus absorbuojamas ir sukels naują skilimą, taip tęsdamas reakciją. Skilimo grandininė reakcija pirmą kartą buvo atlikta JAV 1942 m. italų fiziko Enrico Fermi (1901-1954) vadovaujama mokslininkų grupė sistemoje su natūraliu uranu. Šis procesas buvo savarankiškai įgyvendintas SSRS 1946 m. Akademikas Igoris Vasiljevičius Kurchatovas (1903-1960) ir jo darbuotojai.

Ryžiai. 407. Vertingos dalijimosi reakcijos sukūrimas gamtinio urano sistemoje ir reguliatorius. Greitas neutronas, ištrūkęs iš plonos lazdelės, patenka į moderatorių ir sulėtėja. Grįžęs į uraną, sulėtėjęs neutronas greičiausiai absorbuojamas į , sukeldamas dalijimąsi (simbolis: du balti apskritimai). Kai kurie neutronai absorbuojami nesukeldami dalijimosi (simbolis: juodas apskritimas)