ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 19.03.2024
Просмотров: 213
Скачиваний: 0
Поки організм живе, втрата у ньому 14C |
через |
радіоактивність |
заповнюється за |
||||||||||||||||
рахунок участі в кругообігу речовин у природі. У момент смерті організму процес засвоєння |
|||||||||||||||||||
відразу ж припиняється й концентрація 14C у звичайному вуглеці починає зменшуватися за |
|||||||||||||||||||
законом радіоактивного розпаду. Отже, вимірявши концентрацію 14C у рештках організмів |
|||||||||||||||||||
(у деревині, костях і т.п.), можна визначити дату їх смерті або, як говорять, їх вік. Перевірка |
|||||||||||||||||||
цього методу на древніх зразках, вік яких точно визначений історичними методами, дала |
|||||||||||||||||||
цілком задовільні результати. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
§ 111 Ділення |
ядер. |
Ланцюгова |
ядерна |
|
реакція. |
Ядерна |
бомба. |
Ядерний |
|||||||||||
реактор [3] |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
1 У 1938 р. Ган і Штрассман виявили, що при опроміненні урану нейтронами |
|||||||||||||||||||
утворюються елементи із середини періодичної системи – барій і лантан. Пояснення цього |
|||||||||||||||||||
явища було дано Фрішем і Мейтнер. Вони висловили припущення, що ядро урану, яке |
|||||||||||||||||||
захопило нейтрон, ділиться на дві приблизно рівні частини. Ці частини отримали назву |
|||||||||||||||||||
осколків поділу. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Подальші дослідження показали, що поділ може відбуватися різними шляхами. |
|||||||||||||||||||
Усього утвориться близько 80 різних осколків, причому найбільш імовірними є поділ на |
|||||||||||||||||||
осколки, маси яких співвідносяться як 2:3. Крива на рис. 111.1 дає відносний вихід осколків |
|||||||||||||||||||
різної маси, що виникають при поділі 235U повільними (тепловими) нейтронами. Відповідно |
|||||||||||||||||||
до цієї кривої відносне число актів поділу, при яких утворяться два осколки рівної маси |
|||||||||||||||||||
(A ≈ 117) , становить 10−2 %, у той час як утворення осколків з масовими числами порядку 95 |
|||||||||||||||||||
і 140 (95:140≈2:3) спостерігається в 7% випадків. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
Питома енергія зв'язку для ядер |
10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
середньої маси приблизно на 1 МеВ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
більша, |
ніж |
у |
важких |
ядер. |
Звідси |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
випливає, що поділ ядер повинен |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
супроводжуватися |
виділенням |
великої |
%10-1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
кількості |
|
енергії. |
|
Але |
особливо |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
важливим виявилася та обставина, що |
10-2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
при поділі |
кожного |
ядра |
вивільняється |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
кілька нейтронів. Відносна кількість |
Вихід, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
нейтронів у важких ядрах помітно |
10-3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
більша, ніж у середніх ядрах. Тому |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
осколки, що утворилися, виявляються |
10-4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
сильно перевантаженими нейтронами, у |
60 |
80 |
100 |
120 |
140 |
160 |
А |
||||||||||||
результаті чого вони виділяють декілька |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
нейтронів. |
|
Більшість |
|
нейтронів |
Рисунок 111.1 – Відносний вихід |
(у |
відсотках) |
||||||||||||
випускається миттєво (за час, |
менше |
осколків, що виникають при поділі урану-235 |
|||||||||||||||||
10−14 с). |
|
Частина |
|
(близько |
0,75%) |
тепловими нейтронами. До осі ординат |
|||||||||||||
нейтронів, яка отримала назву запізнілі |
застосована логарифмічна шкала |
|
|
|
|||||||||||||||
нейтрони, випускається не миттєво, а із |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
запізненням від 0,05 с до 1 хв. У середньому на кожний акт поділу виділяється 2,5 нейтронів. |
|||||||||||||||||||
Виділення миттєвих і запізнілих нейтронів не усуває повністю перевантаження |
|||||||||||||||||||
осколків поділу нейтронами. Тому осколки виявляються здебільшого радіоактивними й |
|||||||||||||||||||
мають ланцюжок β− -перетворень, які |
супроводжуються випромінюванням γ -квантів. |
||||||||||||||||||
Пояснимо сказане прикладом. Один зі шляхів, якими здійснюється поділ, виглядає в так: |
|||||||||||||||||||
23592U + n→14055 Cs+3794Rb + 2n .
Осколки поділу – цезій і рубідій – мають перетворення:
228
14055 Cs®14056 Ba®14057 La®14058 Ce, 3794Rb®3894Sr®9439Y ®4094Zr.
Кінцеві продукти – церій 140Ce і цирконій 94Zr – є стабільними.
Крім урану, при опроміненні нейтронами діляться торій (23290Th) і протактиній (23191Pa), , а також трансурановий елемент плутоній (23994 Pu) . Нейтрони надвисоких енергій (порядку декількох сотень мегаелектронвольт) викликають поділ і більш легких ядер. Ядра 235U й 239Pu діляться нейтронами будь-яких енергій, але особливо добре повільними нейтронами.
Тепловими нейтронами діляться також 233U і 230Th , але ці ізотопи в природі не трапляються, вони утворюються штучним шляхом.
Ядра 238U діляться тільки швидкими нейтронами (з енергіями, не меншими 1 МеВ). При менших енергіях нейтрони поглинаються ядрами 238U без подальшого поділу. У результаті утвориться ядро 239U , енергія збудження якого виділяється у вигляді γ -фотона. Тому такий процес називається радіаційним захопленням (реакція (n, γ) ). Ефективний переріз цього процесу різко зростає при енергії нейтронів, що дорівнює приблизно 7 еВ,
досягаючи 23 000 барн. Переріз захоплення ядром 238U теплових нейтронів становить менше 3 барн.
Ядро 239U , яке утворилося в результаті захоплення нейтрона, нестабільне (період напіврозпаду T дорівнює 23 хв.). Випускаючи електрон, антинейтрино й γ -фотон, воно
перетворюється в ядро трансуранового елемента нептунія |
239Np . Нептуній також |
|||||
перетерплює b− -розпад (T |
=2,3 |
дні), перетворюючись у плутоній 239Pu . Цей ланцюжок |
||||
перетворень виглядає в так: |
|
|
|
|
|
|
|
239 |
(23 хв) |
239 |
(2,3діб) |
239 |
(111.1) |
|
92U |
¾¾¾® 93 Np¾¾¾¾® 94 Pu. |
||||
Плутоній α -радіоактивний, однак його період напіврозпаду такий великий (24 400 років), що його можна вважати практично стабільним.
Радіаційне захоплення нейтронів ядром торія 232Th приводить до утворення ізотопу урану 233U , який легко ділиться, що є відсутнім у природному урані:
23290Th + n®23390Th¾(¾22 мин¾¾)®23391 Ac¾(¾27 дней¾¾)®23392U.
Уран-233 α -радіоактивний (Т = 162 000 років).
2 Випромінювання при поділі ядер 235U , 239Pu і 233U декількох нейтронів дає можливість здійснити ланцюгову ядерну реакцію. Дійсно, випромінені при поділі одного
ядра z нейтронів можуть викликати поділ z ядер, у результаті буде випущено z2 нових
нейтронів, які спричинять поділ z2 ядер, і т.д. Таким чином, кількість нейтронів, що народжуються в кожному поколінні, зростає в геометричній прогресії. Нейтрони, що
випромінюються при поділі ядер 235U , мають у середньому енергію порядку 2 МеВ, що відповідає швидкості порядку 2·107 м/с. Тому час, що проходить між випромінюванням нейтрона й захопленням його новим ядром, що ділиться, дуже малий, так що процес розмноження в речовині проходить досить швидко.
Намальована нами картина є ідеальною. Процес розмноження нейтронів проходив би описаним способом за умови, що всі нейтрони, які виділилися, поглинаються ядрами, що діляться. У дійсності це далеко не так. Насамперед через скінченні розміри тіла, де відбувається поділ, і велику проникаючу здатність нейтронів багато з них залишають зону реакції, перш ніж будуть захоплені яким-небудь ядром і спричинять його поділ. Крім того, частина нейтронів поглинеться ядрами домішок, що не діляться, внаслідок чого вони виходять із гри, не викликавши поділу й, отже, не утворивши нових нейтронів.
229
Об'єм тіла росте як куб, а поверхня – як квадрат лінійних розмірів. Тому відносна частка нейтронів, що вилітають назовні, зменшується зі збільшенням маси речовини, що ділиться.
Природний уран містить 99,27 % ізотопу 233U , 0,72 % 235U і близько 0,01 % 234U . Отже, на кожне ядро 235U , що ділиться під дією повільних нейтронів, припадає 140 ядер
238U , які захоплюють не занадто швидкі нейтрони без поділу. Тому в природному урані ланцюгова реакція поділу не виникає.
Ланцюгова реакція в урані може бути здійснена двома способами. Перший спосіб
полягає у виділенні із природного урану ізотопу 235U , який ділиться. Внаслідок хімічної нерозрізненості ізотопів розділ їх являє собою досить важке завдання. Однак вона була вирішена декількома методами.
3 У чистому 235U (або 239Pu ) кожний захоплений ядром нейтрон викликає поділ з випромінюванням, близько 2,5 нових нейтронів. Однак якщо маса такої речовини менша певного критичного значення, то більшість випромінених нейтронів вилітає назовні, не викликавши поділу, так що ланцюгова реакція не виникає. При масі, більшій за критичну, нейтрони швидко розмножуються, і реакція набуває вибухового характеру. На цьому базується дія атомної бомби (рис. 111.2). Ядерний заряд такої бомби являє собою два або
більше частини майже чистого 235U або 239Pu . Маса кожної частини менша критичної, внаслідок чого ланцюгова реакція не виникає.
У земній атмосфері завжди є деяка кількість нейтронів, які народжені космічними променями. Тому щоб викликати вибух, досить з'єднати частини ядерного заряду в один з масою, більшою за критичну. Це потрібно робити дуже швидко, і з'єднання частин повинне бути дуже щільним. У протилежному разі ядерний заряд розлетиться на частини, перш ніж встигне прореагувати помітна частина речовини, яка ділиться. Для з'єднання використовується звичайна вибухова речовина (запал), за допомогою якої однією частиною ядерного заряду вистрілюють в іншу. Весь пристрій укладений у масивну оболонку з металу великої густини. Оболонка є відбивачем нейтронів і, крім того, утримує ядерний заряд від розпилення доти, поки максимально можливе число його ядер не виділить свою енергію при поділі. Ланцюгова реакція в атомній бомбі йде на швидких нейтронах. При вибуху встигає прореагувати тільки частина ядерного заряду.
4 Інший спосіб здійснення ланцюгової реакції використовується в ядерних реакторах. Як речовина, що ділиться, в реакторах є природний (або трохи збагачений
ізотопом 235U ) уран. Щоб запобігти радіаційному захопленню |
2 |
||||||||
нейтронів ядрами 238U (який стає особливо |
інтенсивним при |
|
|
|
|
|
|||
енергії нейтронів, що дорівнює приблизно 7 еВ), порівняно |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|||||
невеликі блоки речовини, |
що ділиться, |
розміщають на деякій |
|
|
|
|
|
||
1 |
|||||||||
відстані один від одного, а проміжки між блоками заповнюють |
|||||||||
|
|
|
|
|
|||||
сповільнювачем, тобто речовиною, у якому нейтрони |
|
|
3 |
||||||
|
|||||||||
вповільнюються до теплових швидкостей. Переріз захоплення |
Рисунок 111.2 – Схема- |
||||||||
теплових нейтронів ядром |
238 |
|
|
||||||
U становить усього 3 барни, у той |
тичне зображення атом- |
||||||||
час як переріз поділу 235U тепловими нейтронами майже в 200 |
|||||||||
разів більший (580 барн). Тому, хоча нейтрони зіштовхуються з |
ної бомби: 1 – ядерний |
||||||||
заряд; 2 – запал; 3 – кор- |
|||||||||
ядрами 238U у 140 разів частіше, ніж з ядрами 235U , радіаційне |
|||||||||
пус бомби |
|||||||||
захоплення відбувається |
рідше, ніж |
поділ, |
і при більших |
|
|
|
|
|
|
розмірах усього пристрою коефіцієнт розмноження нейтронів (тобто відношення кількостей нейтронів, що народжуються у двох наступних поколіннях) може досягти значень, більших одиниці.
Уповільнення нейтронів здійснюється за рахунок пружного розсіювання. У цьому випадку енергія, що втрачається частинкою, залежить від співвідношення мас частинок, які
230
зіштовхуються. Максимальна кількість енергії втрачається у випадку, якщо обидві частинки мають однакову масу. Із цього погляду ідеальним сповільнювачем повинна була б бути речовина, що містить звичайний водень, наприклад вода (маси протона й нейтрона приблизно однакові). Однак такі речовини виявилися непридатними як сповільнювач, тому що протони поглинають нейтрони, вступаючи з ними в реакцію
p(n, γ)d.
Ядра сповільнювача повинні мати малий переріз захоплення нейтронів і великий переріз пружного розсіювання. Цю умову задовольняють дейтрон (ядро важкого водню-дейтерію D ), а також ядра графіту ( C ) і берилію ( Be ). Для зменшення енергії нейтрона від 2 МеВ до теплових енергій у важкій воді ( D2O ) досить близько 25 зіткнень, в
C або Be – приблизно 100 зіткнень.
Перший уран-графітовий реактор був запущений у грудні 1942 р. у Чиказькому університеті під керівництвом італійського фізика Е.Фермі. У Радянському Союзі реактор такого самого типу був запущений під керівництвом І.В. Курчатова в грудні 1946 р. у Москві.
Схема уран-графітового реактора наведена на рис. 111.3. Стержні, позначені цифрою 3, містять кадмій або бор. Ці елементи інтенсивно поглинають нейтрони. Тому введення стрижнів у реактор зменшує коефіцієнт розмноження нейтронів, а виведення – збільшує. Спеціальний автоматичний пристрій, який управляє стержнями, дозволяє підтримувати потужність, яка розвивається в реакторі, на заданому рівні. Регулювання значно полегшується тією обставиною, що частина нейтронів, як ми вже відзначали, випускається при поділі ядер не миттєво, а із запізненням до 1 хв.
3 |
|
2 |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
1 |
5 |
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
3 |
|
Рисунок 111.3 – Схема |
уран- |
Рисунок 111.4 – Схема атомної електростан- |
|
графітового реактора: 1 – спо- |
ції: 1 – активна зона реактора; 2 – контур, по |
||
вільнювач (графіт); 2 – блоки з |
якому циркулює теплоносій; 3 – насос; |
||
урану; 3 – регулювальні стержні |
4 – теплообмінник; 5 – турбіна |
|
|
Перші промислові реактори призначалися для виробництва матеріалу, що ділиться, для атомних бомб – плутонію. У таких реакторах частина нейтронів, що випромінюються
при поділі ядер 235U , іде на підтримку ланцюгової реакції, частина ж має радіаційне захоплення ядрами 238U , що, як ми бачили, приводить в остаточному підсумку до утворення
239Pu . Після того як в уранових блоках нагромадиться достатня кількість 239Pu , блоки витягають із реактора й спрямовуються на хімічну переробку для виділення з них плутонію.
Застосування ядерної енергії для виробництва електроенергії відбувається в атомних електростанціях. Схема атомної електростанції зображена на рис. 111.4. Енергія, яка виділяється в активній зоні реактора 1, знімається теплоносієм, що циркулює в контурі 2. Циркуляція забезпечується насосом 3. Як теплоносій застосовується вода або лужні метали з
231
