Ядерное деление

Рис. 1. Модель реакции деления урана-235. [1] Обратите внимание, что это лишь одна из многих возможных реакций деления.

Ядерное деление процесс расщепления ядер (обычно крупных ядер). Когда большие ядра, такие как уран-235, делятся, выделяется энергия. [2] Энергии высвобождается так много, что происходит измеримое уменьшение массы из-за эквивалентности массы-энергии. Это означает, что часть массы преобразуется в энергию. Количество массы, теряемой в процессе деления, равно примерно 3,20×10-11 Дж энергии. Этот процесс деления обычно происходит, когда большое ядро, которое является относительно нестабильным (это означает, что в ядре существует некоторый уровень дисбаланса между кулоновской силой и сильным ядерным взаимодействием), сталкивается с низкой энергией. тепловой нейтрон. В дополнение к более мелким ядрам, образующимся при делении, при делении также высвобождаются нейтроны.

Энрико Ферми первоначально расщепил ядра урана в 1934 году. Он считал, что определенные элементы могут быть получены путем бомбардировки урана нейтронами. Хотя он ожидал, что у новых ядер будут большие атомные номера, чем у исходного урана, он обнаружил, что образовавшиеся ядра были радиоизотопами более легких элементов. [3] Эти результаты были правильно интерпретированы Лизой Мейтнер и Отто Фришем во время рождественских каникул. Этот очаровательный рассказ об истории ядерной науки можно прочитать в этой статье.

Откуда берется энергия?

Огромная энергия, высвобождаемая при этом расщеплении, возникает из-за того, насколько сильно протоны отталкиваются друг от друга благодаря кулоновской силе, едва удерживаемой сильным взаимодействием. Каждый протон толкает каждый другой протон с силой около 20 Н, что примерно равно силе руки, лежащей на коленях человека.Это невероятно огромная сила для таких маленьких частиц. Эта огромная сила на небольшом расстоянии приводит к значительному высвобождению энергии, которая достаточно велика, чтобы вызвать измеримое уменьшение массы. Это означает, что общая масса каждого из осколков деления меньше массы исходного ядра. Эта недостающая масса известна как дефект массы. [4]

Удобно говорить о количестве энергии, связывающей ядра между собой. Все ядра имеют эту энергию связи, кроме водорода (у которого всего 1 протон и нет нейтронов). Полезно подумать об энергии связи, доступной каждому нуклону, и это называется энергия связи на нуклон. По сути, это то, сколько энергии требуется на нуклон для отделения ядра. Продукты деления более стабильны, а значит, их труднее разделить. Поскольку энергия связи на нуклон для продуктов деления выше, их общая нуклонная масса ниже. Результат этой более высокой энергии связи и более низкой массы приводит к производству энергии. [4] По сути, термины дефект массы и энергия связи ядра взаимозаменяемы.

Использование в производстве энергии

Деление более тяжелых элементов является экзотермической реакцией. Деление может высвободить до 200 миллионов эВ по сравнению со сжиганием угля, которое дает всего несколько эВ. Только из этого числа становится очевидным, почему расщепление ядер используется для производства электроэнергии. Кроме того, количество высвобождаемой энергии намного эффективнее на единицу массы, чем у угля. [3] Основная причина, по которой ядерное деление используется для производства электроэнергии, заключается в том, что при надлежащем замедлении и использовании регулирующих стержней выброшенные свободные нейтроны в результате реакции деления могут затем снова вступить в реакцию с топливом. Затем это создает устойчивую цепную ядерную реакцию, которая высвобождает довольно непрерывное количество энергии. Одним из недостатков использования деления в качестве метода выработки электроэнергии является то, что образующиеся дочерние ядра радиоактивны.Ниже представлено моделирование, показывающее, как нейтроны в реакторе приводят к событиям деления внутри топливного пучка. При моделировании красная вспышка внутри топливного стержня означает, что произошло событие деления, а синяя вспышка указывает на поглощение нейтронов.

Когда ядерное деление используется для выработки электроэнергии, это называется ядерной энергетикой. В этом случае в качестве ядерного топлива используется уран-235, а его деление инициируется поглощением медленно движущегося теплового нейтрона. Другими изотопами, которые могут быть вызваны к подобному делению, являются плутоний-239, уран-233 и торий-232. [2] Для элементов легче железа в периодической таблице ядерный синтез вместо ядерного деления дает энергию. Однако в настоящее время нет метода, который позволил бы нам получить доступ к энергии, которую мог бы произвести синтез.

использованная литература

1. ↑ Викисклад. (9 июля 2015 г.). Ядерное деление [Онлайн]. Доступно: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/15/Nuclear_fission.svg/309px-Nuclear_fission.svg.png
2. ↑ 2.02.1 Гиперфизика. (23 июля 2015 г.). Ядерное деление [Онлайн]. Доступно: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/nucene/fission.html
3. ↑ 3.03.1 Вики UC Davis Chem. (23 июля 2015 г.). Деление и синтез [Онлайн]. Доступно: http://chemwiki.ucdavis.edu/Physical_Chemistry/Nuclear_Chemistry/Fission_and_Fusion
4. ↑ 4.04.1 ИЭОР. (23 июля 2015 г.). Энергия связи [Онлайн]. Доступно: http://ieer.org/resource/factsheets/basics-nuclear-physics-fission/