10.2: Розщеплення та злиття

Last updated
Save as PDF

Page ID: 22881

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Результати навчання

Визначте поділ.
Опишіть ядерну ланцюгову реакцію і те, як вона застосовується як в бомбі поділу, так і в атомній електростанції.
Визначте злиття.

Ядерний поділ

Найбільш стійкі ядра мають проміжну масу. Щоб стати більш стійкими, найважчі ядра здатні розщеплюватися на більш дрібні фрагменти. Ядерне ділення - це процес, при якому дуже важке ядро (маса> 200) розщеплюється на більш дрібні ядра проміжної маси. Оскільки менші ядра більш стабільні, процес поділу виділяє величезну кількість енергії. Розщеплення ядра може відбуватися спонтанно або виникати в результаті бомбардування. При попаданні урану-235 повільно рухається нейтроном він поглинає його і тимчасово стає дуже нестійким уран-236. Це ядро розщеплюється на два ядра середньої маси, одночасно виділяючи більше нейтронів. Маса продуктів менше маси реагентів, при цьому втрачена маса перетворюється в енергію.

Ядерні ланцюгові реакції

Оскільки процес поділу виробляє більше нейтронів, може призвести ланцюгова реакція. Ланцюгова реакція - це реакція, при якій матеріал, який запускає реакцію, також є одним з продуктів і може почати іншу реакцію. Нижче проілюстрована ядерна ланцюгова реакція для поділу урану-235.

Оригінальне ядро урану-235 поглинає нейтрон, розщеплюється на ядро криптона-92 та ядро барію-141 і при розщепленні виділяє ще три нейтрони.

\[\ce{^{235}_{92}U} + \ce{^1_0n} \rightarrow \ce{^{92}_{36}Kr} + \ce{^{141}_{56}Ba} + 3 \ce{^1_0n}\]

Ці три нейтрони потім здатні викликати поділ ще трьох ядер урану-235, кожне з яких виділяє більше нейтронів і так далі. Ланцюгова реакція триває до тих пір, поки всі ядра урану-235 не будуть розщеплені, або поки випущені нейтрони не вийдуть із зразка, не вражаючи більше ядер. Якщо розмір вихідної проби урану-235 досить малий, занадто багато нейтронів виходить, не вражаючи інші ядра, і ланцюгова реакція швидко припиняється. Критична маса - це мінімальна кількість матеріалу, що ділиться, необхідна для підтримки ланцюгової реакції. Атомні бомби та ядерні реактори - це два способи використання великої енергії, що виділяється під час ядерного поділу.

Атомні бомби - неконтрольовані ядерні реакції

У атомній бомбі або бомбі поділу ядерна ланцюгова реакція призначена для неконтрольованої, виділяючи величезну кількість енергії за короткий проміжок часу. Критична маса ділиться плутонію міститься всередині бомби, але не при достатній щільності. Звичайні вибухові речовини використовуються для стиснення плутонію, внаслідок чого він стає критичним і викликає ядерний вибух.

Атомні електростанції - керовані ядерні реакції

Атомна електростанція (див. Малюнок нижче) використовує контрольовану реакцію поділу для отримання великої кількості тепла. Потім тепло використовується для отримання електричної енергії.

Уран-235, звичайний ділиться матеріал в ядерному реакторі, спочатку упаковується в паливні стрижні. Для того щоб ланцюгова реакція від обробки не контролювалася, між паливними стрижнями розміщуються рухливі стрижні управління. Контрольні стрижні обмежують кількість доступних нейтронів, поглинаючи деякі з них і не даючи реакції протікати занадто швидко. Загальні контрольні стрижневі матеріали включають сплави з різною кількістю срібла, індію, кадмію або бору. Модератор - це матеріал, який уповільнює швидкісні нейтрони. Це корисно, оскільки повільно рухаються нейтрони більш ефективні при розщепленні ядер. Воду часто використовують в якості модератора. Тепло, що виділяється реакцією поділу, поглинається постійно циркулюючою водою теплоносія. Теплоносій вода віддає своє тепло парогенератору, який повертає турбіну і виробляє електроенергію. Ядро реактора оточене структурою стримування, яка поглинає випромінювання.

ядерний синтез

Найлегші ядра також не такі стабільні, як ядра проміжної маси. Ядерний синтез - це процес, при якому ядра легкої маси об'єднуються, утворюючи більш важке і стабільне ядро. Fusion виробляє навіть більше енергії, ніж поділ. На сонці та інших зірках чотири ядра водню об'єднуються при надзвичайно високих температурах і тисках, утворюючи гелієве ядро. Одночасна втрата маси перетворюється в надзвичайні кількості енергії (див. Малюнок нижче).

Fusion є навіть більш привабливим, ніж поділ як джерело енергії, оскільки радіоактивні відходи не утворюються, і єдиним необхідним реагентом є водень. Однак реакції плавлення відбуваються лише при дуже високих температурах - у перевищенні\(40,000,000^\text{o} \text{C}\). Жодні відомі матеріали не витримують таких температур, тому в даний час немає можливого способу використовувати ядерний синтез для виробництва енергії, хоча дослідження тривають.

Використання радіації

Як ми бачили раніше, різні види випромінювання різняться за своїми здібностями проникати крізь речовину. Альфа-частинки мають дуже низьку проникаючу здатність і зупиняються шкірою і одягом. Бета-частинки мають проникаючу здатність, яка приблизно в 100 разів перевищує альфа-частинки. Гамма-промені мають дуже високу проникаючу здатність, і необхідно дотримуватися великої обережності, щоб уникнути перенапруження гамма-променів.

Експозиція та виявлення

Випромінювання, що випромінюється радіоізотопами, називається іонізуючим випромінюванням. Іонізуюче випромінювання - це випромінювання, яке має достатньо енергії, щоб збити електрони з атомів бомбардується речовини і виробляти іони. Рентген - це одиниця, яка вимірює ядерне випромінювання і дорівнює кількості випромінювання, яке виробляє\(2 \times 10^9\) іонні пари при проходженні через\(1 \: \text{cm}^3\) повітря. Першочергове занепокоєння полягає в тому, що іонізуюче випромінювання може завдати шкоди живих тканин. Радіаційний збиток вимірюється в rems, що розшифровується як рентгенівський еквівалент людини. Рем - це кількість іонізуючого випромінювання, яке завдає стільки шкоди тканині людини, скільки робиться 1 рентгеном високовольтних рентгенівських променів. Пошкодження тканин від іонізуючого випромінювання може спричинити генетичні мутації через взаємодію між випромінюванням та ДНК, що може призвести до раку.

Вас постійно бомбардують фоновим випромінюванням з космосу та геологічних джерел, які змінюються залежно від того, де ви живете. Середня експозиція, за оцінками, становить близько 0,1 rem на рік. Гранично допустима доза радіаційного опромінення для людей в загальній популяції становить 0,5 рема на рік. Деякі люди, природно, піддаються більш високому ризику через свої професії, тому були розроблені надійні прилади для виявлення радіаційного опромінення. Лічильник Гейгера - це пристрій, який використовує газонаповнену металеву трубку для виявлення випромінювання (див. Малюнок нижче). При впливі на газ іонізуючого випромінювання він проводить струм, і лічильник Гейгера реєструє це як чутні клацання. Частота клацань відповідає інтенсивності випромінювання.

Сцинтиляційний лічильник - це пристрій, який використовує покриту фосфором поверхню для виявлення випромінювання випромінюванням яскравих сплесків світла. Працівники, які піддаються ризику впливу радіації, носять невеликі переносні плівкові значки. Значок плівки складається з декількох шарів фотоплівки, які можуть вимірювати кількість випромінювання, якому піддавався користувач. Плівкові значки знімаються і аналізуються з періодичними інтервалами, щоб переконатися, що людина не перенапружується радіації на кумулятивних підставах.

Медицина та сільське господарство

Радіоактивні нукліди, такі як кобальт-60, часто використовуються в медицині для лікування певних видів раку. Чим швидше зростаючі ракові клітини піддаються опроміненню і більш схильні до пошкоджень, ніж здорові клітини. Таким чином, клітини в раковій зоні гинуть під впливом високоенергетичного випромінювання. Променеве лікування ризиковано, оскільки деякі здорові клітини також гинуть, а клітини в центрі ракової пухлини можуть стати стійкими до випромінювання.

Радіоактивні трасери - це радіоактивні атоми, які включені в речовини, так що рух цих речовин можна відстежувати детектором випромінювання. Трасери використовуються в діагностиці онкологічних та інших захворювань. Наприклад, йод-131 використовується для виявлення проблем зі щитовидною залозою людини. Пацієнт спочатку вживає невелику кількість йоду-131. Приблизно через дві години поглинання йоду щитовидною залозою визначається за допомогою променевого сканування хворого горла. Аналогічним чином технецій-99 використовується для виявлення пухлин головного мозку і порушень печінки, а фосфор-32 - для виявлення раку шкіри.

Радіоактивні трасери можуть бути використані в сільському господарстві для перевірки ефективності різних добрив. Добриво збагачується радіоізотопом, а поглинання добрива рослиною можна контролювати, вимірюючи рівні випромінюваної радіації. Ядерне випромінювання також використовується для продовження терміну зберігання продуктів, вбиваючи бактерії та комах, які в іншому випадку призвели б до швидшого псування їжі.