Деление ядер урана. Цепная реакция

на прошлом уроке мы с вами говорили о реакциях ядерных реакциях под действием нейтронов и сегодня мы рассмотрим одну из наиболее важных для нашей цивилизации реакцию реакцию деления ядер урана тема урока реакция деления ядер урана . ядерная энергетика реакция деления ядер урана ядерная энергетика домашнее задание на завтра завтра у нас с вами 2 урока конспект по учебнику мякишева параграф 107 тирекс 109 по гель в году задачи с такими номерами номер 1223 1247 и 1249 и еще 2 задачки по рынкевич и с номерами 1189 и 1191 запишите ну а теперь слушайте и не говорите что вы не слышали и так реакция под действием нейтронов мы говорили реакции которая происходит если обстреливать алюминий нейтронами при этом получается на 3 и альфа-частицы ну это так себе реакция обычно но оказывается что под действием нейтронов делится ядро урана деление ядра урана под действием ядра урана не любого правда изотопа 235 под действием нейтронов была открыта в 1938 году ганам и шт 1 ма нам 1938 год gun шт росман gun и осман чем эта реакция важно давайте чтобы понять в чем тут дело посмотрим еще раз на график зависимости удельной энергии связи от удельной энергии связи тут две буквы с фамилии от массового числа отложим по вертикали удельную энергию связи ядра по горизонтали отложим массовое число здесь у нас приблизительно 8 мега электроны вольт в мега электрон-вольтах на наклон вот и эта зависимость имеет такой вид здесь какие-то сложные вот такие пики потом максимум на 8,6 мега электрон-вольт это железо и дальше вот такой спад здесь у нас 50 массовое число 100 150 200 250 уран-238 235 именно он делится под действием нейтронов 92 затуп где это на этой картинке это где-то здесь оказывается что при делении ядра урана образуются осколки эти осколки очень радиоактивные они испускают большое количество бета лучей почему так получается мы немножечко об этом поговорим позже вот в результате получается в основном баре и криптона посмотрим в периодическую систему элементов возьмем барий найдем здесь так какой у него порядковый номер 56 137 барий 137 56 где он находится вот здесь далее криптона 36 элемент 84 криптон 36 84 если мы сложим 3656 получится 92 все сходится значит 84 это где-то здесь и так вот баре и криптон криптон парень что мы видим удельная энергия связи я der криптона и бария больше чем удельная энергия связи ядер урана что это значит представьте себе что мы разбиваем ядра урана на отдельные нуклоны при этом нужно потратить энергию равную удельной энергии связи умножить примерно на и умножить на число нуклонов то есть на 235 это какая-то энергия которую мы затрачиваем для того чтобы превратить ядра урана в запчасти нейтроны и протоны а теперь из этих запчастей мы собираем 2 ядра криптона и бария при этом когда мы собираем эти ядра вместе выделяется энергия равна вот этой энергии удельной для бори умножить на 130 м плюс вот эта удельная энергия связи для криптона умножить на 84 здесь удельная энергия связи больше вот этот зазор вот эта разница приблизительно 1 мега электрон-вольт но это же 1 мега электрон-вольт на каждый нуклон а нуклонов порядка 200 следовательно если мы проделаем ту процедуру которую я описал то мы получим в результате энергетический выход порядка 200 мега электрон-вольт при этом не обязательно разбирать на запчасти полностью и ядро урана об этом сами можно любую другую какую-то химическую ядерную реакцию провести и вот это ядерной реакции и происходит оказывается в ране 235 по действиям нейтронов то есть когда делится ядра урана на два осколка то выделяется энергия 200 мега электрон-вольт как это происходит в деталях это происходит не в одно действие поэтому уравнение реакции мы не будем записывать но физику процесса кратенько проследим итак допустим у нас есть ядро урана 235 уран-235 в него попадает нейтрон откуда он берется в принципе это может быть какой-то нейтрон посторонним но замечательно то что оказывается уран делится сам и самопроизвольно испускает нейтроны то есть как говорят спонтанное испускание нейтронов поэтому просто если у нас есть кусок урана то рано или поздно нейтрон там появится этот нейтрона попадая в ядро урана 235 переводит это ядро в так называемое возбужденное состояние она становится неустойчивым здесь очень удобно пользоваться моделью ядра которая получила название капельная модель ядра вообще видите как всего в науке кругами или точнее по спирали развивается самая первая модель атома было капельная модель атома модель где tomson предполагал что положительно заряженная часть а там это каплин равномерно наэлектризованный положительным зарядом жидкости в которой плавает электрон здесь мы снова к этому возвращаемся ядро считается каплей кстати при расчете такого ядра там учитывают и силы поверх на тяжение и силы взаимодействия в объеме так вот это капля ядерная переходит в возбужденное состояние и выглядит примерно вот так в возбужденном состоянии это уран-235 звездочка означает что ядро урана в возбужденном состоянии размеры ядра поперечные становятся больше но ядро то ведь заряжено положительно там протоны и вот вот это расстояние обозначим его р оказывается порядка радиуса действия ядерных сил р порядка 10 в минус 14 метров а раз так то между концами этого ядра ядерные силы перестают действовать а силы кулоновского отталкивания продолжают работать эти силы разрывают ядро над осколки эти осколки перегружены нейтронами что это значит давайте разберемся осколки что значит что эти осколки перегружены нейтронами если мы возьмем ядро какого-то тяжелого элемента того же самого урана и поделим число нейтронов на число протонов уран число нейтронов делить на число протонов равняется 235 минус 92 считаем 235 минус 92 получаем 143 деле на 92 143 делим на 92 приблизительно будет 155 то есть в ядрах урана нейтронов примерно в полтора раза больше чем протонов а теперь возьмем ядро криптона криптон какие у нас там были значения 36 давайте запишем 36 а сверху 84 да так в теле число нейтронов на число протонов 84 -36 84 -36 будет 48 48 делить на 36 48 делить на 36 это будет четыре третьих от 1 и 33 приблизительно 1 и 33 значит приблизительно что означает в ядре криптона нейтронов должно быть больше чем нейтронов больше чем протонов в один и тридцать три раза в ядре урана в один и 55 раз а и вот ядро раскололась на два осколка понятно что для этих осколков поскольку это осколки более легких химических элементов сохранилась то же самое отношение приблизительно 155 но для того чтобы осколок был устойчивым нейтронов должно быть меньше поэтому происходит два процесса во-первых эти осколки не сразу получаются барием и крипто нам там по дороге j ксенон все эти ядра очень радиоактивны они испускают бета-частицы а когда из ядра вылетает бета-частица это значит что в древние то электронов откуда штамм берутся электроны происходит распад нейтрона превращение нейтронов протон при этом меняется сам химический элемент и в конечном счете получается более вероятный всего криптон и баре и уменьшается количество нейтронов за счет того что они превращаются в протоны таким образом достигается равновесные вот такой вот соотношение между числом нейтронов и протонов и плюс еще образуются два три нейтрона помимо осколков 23 нейтрона осколки заряжены положительно они отталкиваются друг от друга и за счет сил кулоновского отталкивания которые совершают работу пора сталкивание осколков осколки набирают кинетическую энергию эта энергия потом превращается в тепловую энергию потому как эти осколки соударялись с другими атомами я драме заставляют их колебаться а такое колебательное движение беспорядочное то есть тепловое движение значит вы растает температура куска урана за счет этого но самое интересное что в результате образуется еще два-три нейтрона эти нейтроны могут снова вызвать деления der то есть продукты реакции усиливают саму реакцию вот эти нейтроны попадая в следующие ядра вызывают их деление а ведь при таком вот делений выделяется энергия как выяснилось порядка 10 200 мега электрон-вольт и возникать такая самоподдерживающаяся реакция которая называется цепная реакция цепная реакция игорь хотел что-то спросить нужны ли для этого тепловые нейтроны чуть-чуть потерпи отличный вопрос об этом мы поговорим немножко позже это важный вопрос фактически один из центральных вопросов и так возникает цепная реакция чтобы цепная реакция пошла нужно чтобы те нейтроны которые образовались при делении попали в ядра урана и вот тут возможны разные ситуации представьте себе что у вас кусочек урана по скатам в фольгу уран-235 в нем произошло деление 23 нейтрона выделилась скорее всего поскольку эти нейтроны летят случайном направлении эти нейтроны вылетят за пределы листочка урана и такой цепной реакции происходить не будет другое дело если мы возьмем шарф из урана-235 и тогда если там в глубине возникнет деление и появятся эти 2-3 нейтрона то если шар достаточно большого размера то эти нейтроны пройдут по дороге и серединке на поверхность достаточно большое расстояние чтобы по дороге вызвать деления урана тогда cip наряд пойдет и вот существует так называемая критическая масса урана то минимальное количество урана которая необходима для того чтобы цепная реакция пошла эта критическая масса если взять чистый уран-235 примерно 50 килограммов уран очень массивно очень плотный металл это будет примерно 9 сантиметров размер и такого вот шарика можно уменьшить критическую массу для этого можно использовать два средства во первых нейтроны которые вызывают деления более успешно делят quran если они медленные то есть нужно сделать замедление нейтронов как это делается мы говорили на прошлом уроке во вторых если нейтроны вылетели за пределы шара их можно вернуть для этого можно окружить вот этот урановый шар отражатель и нейтронов и вот оказывается что таким образом можно уменьшить критическую массу там граммов до 250 но нас сейчас интересует не это мы хотим цепную реакцию вот эту использовать для получения энергии в непрерывном режиме какие возможны ситуации возможно что определение я деру рано количество нейтронов в следующем поколении которые могут вызвать цепную реакцию будет меньше чем количество нейтронов в предыдущем поколении это вот в этой ситуации когда масса меньше критической в таком случае говорят что коэффициент размножения нейтронов меньше единицы реакция характеризуется величиной которая называется коэффициент размножения нейтронов что это такое это отношение числа нейтронов в последующем поколении цепной реакции к числу нейтронов в предыдущем поколении если коэффициент размножения нейтронов меньше единицы реакция затухает реакция затухает если коэффициент размножения нейтронов в точности равен единице в среднем точно он не может быть равен в любой момент и не реакция стабильно реакция стабильно то есть постоянно происходит выделение 200 мега электрон-вольт на каждый на каждое деление и это можно использовать в атомных электростанциях атомные электростанции и наконец если коэффициент размножения нейтронов больше единицы это значит что число нейтронов в каждом последующем поколении растет в геометрической прогрессии то есть показательная функция описывает эту зависимость это очень быстро это самая быстро нарастающая функцию и в результате реакция идет в разнос реакция становится все более интенсивной и можно сказать что происходит взрыв ядерной бомбе именно эта ситуация используется реакция выходит из под контроля и вот наша задача для того чтобы использовать реакцию деления ядер урана для получения энергии создать такие условия когда коэффициент размер не нейтронов равен единице как это делается прежде чем мы начнем строить ядерный реактор нужно еще об одном важном обстоятельстве упомянуть дело в том что природный уран в основном состоит из изотопа 238 природный уран 140 атомов урана 238 на один атом урана 235 вот такая естественная смесь изотопов в природном уране который да бог добывают на урановых рудниках если вы будете использовать такой естественный уран у вас реакция не пойдёт почему дело в том что при реакции деления вот эти нейтроны есть быстрые есть медленные большинство нейтронов быстрые быстрые нейтроны когда попадают в уран-235 они вызывают деления медленно и нейтроны тоже вызывает деления урана 235 но все дело в том что быстрые нейтроны поглощаются ураном 238 и деление при этом не происходит что при этом происходит я в конце урока расскажу значит нейтроны выбывают из процесса и коэффициент размножения существенно меньше единицы но уран-238 поглощает только быстро и нейтроны и вот тут заходит разговор о том о чем игорь упомянул нужно замедлить вот эти нейтроны тогда они не будут поглощаться ураном 238 достанутся урана-235 и это даст нам возможность проводить такую реакцию деления урана на природном уране значит нам нужно для того чтобы реакция пошла замедлить нейтроны второе для того чтобы реакция имело место с коэффициентом размножения нейтронов единица количество нейтронов нужно иметь возможность тонко регулировать поэтому в реакторе обязательно есть замедлители нейтронов есть поглотители нейтронов как это все устроено давайте схематически очень упрощенно покажем на рисунке урановый реактор прежде всего это вот такой вот массив из графита есть водяные реакторы я расскажу ура о реакторе с замедлением на граффити графит графит замедлитель нейтронов в графит вставляются стержни которые представляют собой такой несколько метров стерженек диаметром около двух сантиметров и туда вставлены вот такие вот кусочки природного урана виде цилиндриков размером примерно вот этот кусочек мела туда их укладывают там где готовят ядерное топливо и такие элементы называются твэлы тепловыделяющие элементы давайте запишем расшифровку бэлла тепловыделяющий элемент тепловыделяющий элемент они вставлены внутрь уранового реактора при заправке его топливом сюда вставляют в вот я их так покажу их там много я покажу только ты тепловыделяющий элемент если вот это сделать реакция пойдет в разнос количество твэлов и расстояние между ними подобрана так чтобы при вот этой ситуации нейтроны выделяющиеся в целых замедлились настолько чтобы даже в природном уране пошла цепная реакция с коэффициентом размножения нейтронов больше единицы чтобы этого не произошло нужно лишний нейтрон и поглотить для поглощения нейтронов очень хорошо подходит бор и кадмий кадмий и бор это ядра которые хорошо поглощают нейтроны и в качестве таких поглотителей нейтрона используются регулирующие стержни из пористой стали например сталь в которую добавлено прими сбора вот регулирующие стержни я их 2 покажу хотя их на самом деле много вот они как-то соединены между собой тут система которая позволяет их поднимать и опускать я точечками покажу эти стержни вот так регулирующие стержни стержни если стержни поднять коэффициент размножения нейтронов больше единицы если их опустить до самого низу коэффициент размножения остается меньше единицы здесь есть каналы по которым они специально могут перемещаться вверх-вниз вот эти каналы пунктиром вот стержни автоматика устанавливает на такой высоте чтобы коэффициент размножения нейтронов был равен единице при определенной мощности которая выделяется в этом реакции это мощность выделяемое в реакторе но в стандартных реакторах это порядка 23 гигаватта она идет на нагревание всего реактора теперь эту мощность надо как-то отобрать эта тепловая мощность для того чтобы это тепло отводить и потом использовать для получения электроэнергии все это находится в корпусе вот корпус через который прокачивается вода там внутри в граффити каналы по которым вода проходит вода входит при относительно низкой температуре и выходит при высокой температуре вот вода входит и вода выходит вода эту воду качает по замкнутому контуру специальный насос который называется главный циркуляционный насос гцн главные циркуляционные насосы главный циркуляционный насос это электрический насос то есть он приводится в действие электродвигателем от той энергии которая вырабатывает станции вода которая циркулирует вот в этом контуре попадает в так называемый теплообменник теплообменник передает тепло которое приносится вот этой водой другому теплоносителю тоже вода вот так вот тут трудно красиво нарисовать такая вот труба эта вода вторичного контура входит сюда и выходит уже в виде пара пар к паровой турбине пак паровой турбине вы можете спросить как же это так вода может превратить воду в пар как такое достигается давление давление в первичном контуре теплоносителя гораздо выше чем давление во вторичном контуре тут вода находится при температуре ну близкой критической еще чуть-чуть и она превратится в газ для чего делается вот такая двухконтурная система чтобы радиация не попадала дальше не выходила за пределы реактора все это находится в бетонной защите я не буду рисовать детали бетонная защита который предохраняет окружающую среду от радиации дело в том что я уже говорил о том что в результате реакции деления урана образуется огромное количество очень бета радиоактивных изотопов и это очень вредно не нейтронов очень много получается вот дальше все устроено так как в обычной тепловой электростанции то есть apple его электростанции от атома отличается исключительно тем что вместо котла где горит мазут газ или угол уголь происходит ядерная реакция вот так очень упрощенно устроена атомная электростанция и реактор который мы сейчас с вами рассмотрели это реактор где используется естественный уран и называется он в реактора на медленных нейтронах реактор на медленных нейтронах расчеты показывают что если атомную энергетику полностью организовать на реакторах на медленных нейтронах то атомного топлива хватит лет на триста но оказывается что можно построить еще один тип реакторов очень перспективны это так называемый реактор на быстрых нейтронах реактор на быстрых нейтронах реактор на быстрых нейтронах помните я говорил вам о том что уран-238 поглощает нейтроны и при этом не делится но с ураном 238 в результате поглощения нейтронов происходит следующее вещи уран-238 92 поглощая нейтрон превращается в уран 92 239 этот уран не стапеля он выбрасывает из себя бета-частиц у и происходит вот такая реакция уран 290 239 92 превращается в бета-частиц у минус 10 и плюс не что у которого массовое число 239 а зарядовой число 93 это не что если посмотреть периодическую систему это neptune но этим не заканчивается neptune тоже является bt радиоактивным neptune 93 239 выбрасывает еще бета-частиц у то есть электрон и превращается в следующий элемент массовое число по-прежнему 239 а заря давайте 194 это следующий элемент в периодической системе это плутоний плутоний так вот этот плутоне это то что надо потому что на плутоне можно проводить цепную реакцию деления точно так же как на уране 235 и поэтому реактор на быстрых нейтронах можно использовать для получения плутония искусственно но для этого нам нужно чтобы реактор работал без замедлителя нейтронов а раз так то нам не подойдет естественная смесь изотопов урана а придется использовать обогащенный уран не обязательно это должен быть чистый уран-235 как показывают расчеты его должно быть больше чем 15 процентов а в естественном урони там меньше одного процента и реактор выглядит в общих чертах следующим образом в центре реактора на быстрых нейтронах так называемая активная зона здесь находится стержень урана-235 или просто обогащенного урана я напишу уран-235 необязательных чистый может быть обогащенный здесь есть и поглотитель нейтронов замедлителя нет здесь есть и система отбора энергии то есть тут выделяется энергия но давайте не забудем о том что определение урана выделяются нейтроны эти нейтроны летят во все стороны и попадают в следующую часть реактора следующая часть реактора называется зона воспроизводства здесь находится уран естественны то есть в основном уран-238 в этой зоне воспроизводства уран-238 под действием нейтронов продвигается вот этой цепочке ядерных превращений и превращается в плутоне плутоний 94 239 вот такой реактор позволяет сразу достигнуть двух целей во первых получать энергию во вторых получать дополнительно ядерное топливо хорошо сконструированный реактор на быстрых нейтронах позволяют получить из 1 килограмма урана-235 полтора килограмма плутония 239 то есть этот ряд создает не только энергию но ядерное топливо реакторы такого типа еще называют breeders breeders если пользоваться такими реакторами мне известен только один такой реактор на каспийском море из город шевченко там энергия используется для опреснения воды каспийского моря там рек никаких нет и заодно получаться ядерное топливо так вот если использовать такие реакторы то на несколько тысяч лет хватит ядерного топлива для обеспечения всей планеты вот то что я хотел вам сегодня рассказать