Деление уголком

Такое деление применяется в случае, когда надо одно число (делимое), разделить на другое целое число (делитель), меньше 10.

Если в результате деления получается целое число и остаток, этот остаток нужно перенести к следующей цифре делимого.

Пример деления уголком

Объяснение примера деления уголком:

Деление начинаем с левого ряда. Первая цифра 4, на 5 не делится, тогда берем первые два разряда: 48, получаем 9 в первом разряде частного, остаток 3. Добавляем следующий разряд: 36, в частном пишем 7, остаток 1. Далее, к этому остатку добавляем последний разряд делимого: 15. В частном пишем последнюю цифру: 3.

Таблица проверки деления числа на другое без остатка

Деление дробей.

Следующее действие, которое можно выполнять с дробями это деление. Выполнять деление дробей достаточно просто главное знать несколько правил деления. Разберем правила деления и рассмотрим решение примеров на данную тему.

Деление дроби на дробь.

Чтобы делить дробь на дробь, нужно дробь, которая является делителем перевернуть, то есть получить обратную дробь делителю и потом выполнить умножение дробей.

Пример:

Выполните деление обыкновенных дробей  .

Деление дроби на число.

Чтобы разделить дробь на число, нужно знаменатель дроби умножить на число.

Рассмотрим пример:

Выполните деления дроби на натуральное число \(\frac{4}{7} \div 3\).

Как мы уже знаем, что любое число можно представить в виде дроби \(3 = \frac{3}{1} \).

Деление числа на дробь.

Чтобы поделить число на дробь, нужно знаменатель делителя умножить на число, а числитель делителя записать в знаменатель. То есть дробь делитель перевернуть.

Рассмотрим пример:

Выполните деление числа на дробь.

Деление смешанных дробей.

Перед тем как приступить к делению смешанных дробей, их нужно перевести в неправильную дробь, а дальше выполнить деление по правилу деления дроби на дробь.

Пример:

Выполните деление смешанных дробей.

Деление числа на число.

Чтобы поделить простые числа, нужно представить их в виде дроби  и выполнить деление по правилам деления дроби на дробь.

Пример:

Примечание к теме деление дробей:
На нуль делить нельзя.

Вопросы по теме:
Как делить дроби? Как разделить дробь на дробь?
Ответ: дроби делятся так, первую дробь делимое умножаем на дробь обратную дроби делителя.

Как делить дроби с разными знаменателями?
Ответ: не важно одинаковые или разные знаменатели у дробей, все дроби делятся по правилу деления дроби на дробь.

Пример №1:
Выполните деление и назовите делитель, дробь, обратную делителю: а) \(\frac{5}{9} \div \frac{8}{13}\) б) \(2\frac{4}{5} \div 1\frac{7}{8}\)

Решение:
а) \(\frac{5}{9} \div \frac{8}{13} = \frac{5}{9} \times \frac{13}{8} = \frac{65}{72}\\\\\)

\( \frac{8}{13}\) – делитель, \( \frac{13}{8}\) – обратная дробь делителя.

б) \(2\frac{4}{5} \div 1\frac{7}{8} = \frac{14}{5} \div \frac{15}{8} = \frac{14}{5} \times \frac{8}{15} = \frac{14 \times 8}{5 \times 15} = \frac{112}{75} = 1\frac{37}{75}\\\\\)

\( \frac{15}{8}\) – делитель, \( \frac{8}{15}\) – обратная дробь делителя.

Пример №2:
Вычислите деление: а) \(5 \div 1\frac{1}{4}\) б) \(9\frac{2}{3} \div 8\)

Решение:

а) \(5 \div 1\frac{1}{4} = \frac{5}{1} \div \frac{5}{4} = \frac{5}{1} \times \frac{4}{5} = \frac{\color{red} {5} \times 4}{1 \times \color{red} {5}} = \frac{4}{1} = 4 \\\\\)

б) \(9\frac{2}{3} \div 8 = \frac{29}{3} \div \frac{8}{1} = \frac{29}{3} \times \frac{1}{8} = \frac{29 \times 1}{3 \times 8} = \frac{29}{24} = 1\frac{5}{24}\\\\\)

13. Логические правила деления понятий, примеры их нарушения.

Логические операции предполагают уяснение отношений между понятиями не только по содержанию, но и по объему. Логическая операция, раскрывающая объем понятия, называется делением. Ее сущность заключается в расчленении известного класса предметов, охваченных данным понятием, на более мелкие классы.

Деление это такая логическая операция, в которой общее и отличительное, как две стороны каждой вещи, находят свое раздельное проявление — в подчинении видовых понятий общему роду и в соподчинении их между собой.

Логическое деление понятий предполагает соблюдение ряда необходимых правил.

1. Деление должно быть соразмерным, т.е. общий объем членов деления должен равняться объему делимого родового понятия. Это правило гарантирует от двух возможных ошибок: неполного (с остатком) или обширного (с избытком) деления. Например, деление понятия «право» на государственное, гражданское, административное, уголовное будет неполным (ибо есть еще семейное, сельскохозяйственное и пр. виды), т.е. с остатком; деление же понятия «дерево» на лиственное, хвойное, высокое, низкое, зеленое и т. д. будет широким, с избытком (указанные видовые признаки взяты по разным основаниям, отсюда и избыток членов деления).

2. В каждом акте деления необходимо применять только одно основание, т.е. производить деление родового понятия по видоизменению одного и того же существенного признака. Только переходя к следующей ступени деления на подвиды, следует менять основание деления, пока не будут выявлены самые низшие классы предметов. При нарушении этого правила теряется стройность деления, возникает путаница, как в случае с предыдущим примером с «деревом».

3. Члены деления должны взаимно исключать друг друга. Согласно этому правилу члены деления должны быть соподчиненными понятиями, их объемы не должны перекрещиваться. Например, понятие «литература» может быть разделено на понятия «художественная», «научная», «техническая», «учебная», но если в этот перечень будут включены такие понятия, как «переводная», «новая» («старая»), «дорогая» и т.п., то это будет ошибкой, т. к. указанные объемы будут перекрещиваться (художественная литература может быть переводная, а может быть оригинальная, например, и т.д.).

4. Деление должно быть последовательным, т.е. делимое понятие должно представлять ближайший род для членов деления, а члены деления должны быть непосредственными видами делимого понятия. Нельзя переходить к подвидам, минуя непосредственные видовые понятия. Примером нарушения такого правила будет деление понятия «дома» на кирпичные, панельные, деревянные, многоэтажные, старые, обычные, элитные и т.д. Видовые понятия «кирпичные», «панельные», «деревянные» будут конкретизированы подвидами «многоэтажные», «одноэтажные»; те же, в свою очередь, будут делиться на «старые» или «новые» и т.д.

14. Суждение как форма мышления. Суждение и предложение. Различие между ними.

Познавая объективный мир, человек раскрывает связи между предметами и их признаками, устанавливает отношения между предметами, утверждает или отрицает факт существования предмета. Эти связи и отношения отражаются в мышлении в форме суждений, представляющих собой связь понятий.

Связи и отношения выражаются в суждении посредством утверждения или отрицания.

Всякое суждение может быть либо истинным, либо ложным, т.е. соответствовать действительности либо не соответствовать ей. Если в суждении утверждается связь, существующая в действительности, или отрицается связь, которая в действительности отсутствует, то такое суждение будет истинным.

Суждение — это форма мышления, в которой утверждается или отрицается связь между предметом и его признаком, отношения между предметами или факт существования предмета; суждение может быть либо истинным, либо ложным.

Языковой формой выражения суждения является предложение. Подобно тому как понятия не могут возникнуть и существовать вне слов и словосочетаний, так и суждения не могут возникнуть и существовать вне предложений. Однако единство суждения и предложения не означает их полного совпадения. И если всякое суждение выражается в предложении, то из этого не следует, что всякое предложение выражает суждение. Суждение выражается повествовательным предложением, в нем содержится сообщение о чем-либо.

Вопросительные и побудительные предложения суждений не выражают.

Суждение и предложение различаются по своему составу.

Суждение о связи предмета и его признака состоит из двух понятий — двух терминов суждения: субъекта, отражающего предмет суждения, и предиката, отражающего признак предмета. Субъект и предикат обозначаются латинскими буквами S и Р. Кроме субъекта и предиката суждение включает в свой состав связку — элемент суждения, который соединяет оба термина суждения, утверждая или отрицая принадлежность предмету некоторого признака.

Главные члены предложения могут совпадать с субъектом и предикатом суждения только в простом нераспространенном двусоставном предложении.

Различие между суждением и предложением состоит также в том, что грамматический строй предложения в разных языках различен. Логическая же структура суждения одинакова независимо от его выражения в том или ином языке.

Таким образом, суждение и предложение образуют неразрывное единство, но это единство включает в себя определенные различия, которые необходимо учитывать, так как отождествление суждения как формы мышления и предложения как его языкового выражения порождает ошибки в их анализе.

Суждения делятся на простые и сложные.

Простым называется суждение, не включающее другие суждения. Суждение, состоящее из нескольких простых суждений, называется сложным.

Определение и примеры ядерного деления

Что такое деление ядра?

Дорлинг Киндерсли / Getty Images

Деление — это расщепление атомного ядра на два или более легких ядра, сопровождающееся выделением энергии. Исходный тяжелый атом называется родительским ядром, а более легкие ядра — дочерними. Деление — это тип ядерной реакции, которая может происходить спонтанно или в результате удара частицы о ядро ​​атома.

Причина деления состоит в том, что энергия нарушает баланс между электростатическим отталкиванием между положительно заряженными протонами и сильным ядерным взаимодействием, удерживающим протоны и нейтроны вместе.Ядро колеблется, поэтому отталкивание может преодолеть ближнее притяжение, вызывая расщепление атома.

Изменение массы и выделение энергии дают меньшие ядра, которые более стабильны, чем исходное тяжелое ядро. Однако дочерние ядра могут оставаться радиоактивными. При делении ядер выделяется значительная энергия. Например, при расщеплении одного килограмма урана выделяется столько же энергии, сколько при сжигании около четырех миллиардов килограммов угля.

Пример ядерного деления

Для того, чтобы произошло деление, требуется энергия.Иногда это происходит естественным путем в результате радиоактивного распада элемента. В других случаях к ядру добавляется энергия, чтобы преодолеть энергию связи ядра, удерживающую вместе протоны и нейтроны. На атомных электростанциях энергичные нейтроны направляются в образец изотопа урана-235. Энергия нейтронов может вызвать разрушение ядра урана любым из множества способов. Обычная реакция деления дает барий-141 и криптон-92. В этой конкретной реакции одно ядро ​​урана распадается на ядро ​​бария, ядро ​​криптона и два нейтрона.Эти два нейтрона могут расщепить другие ядра урана, что приведет к ядерной цепной реакции.

Может ли происходить цепная реакция, зависит от энергии нейтронов, которые высвобождаются, и от того, насколько близко находятся соседние атомы урана. Реакцию можно контролировать или замедлять, вводя вещество, которое поглощает нейтроны, прежде чем они смогут вступить в реакцию с большим количеством атомов урана.

Деление | Физика

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

К концу этого раздела вы сможете:

• Определите ядерное деление.
• Обсудите, как реагирует топливо деления, и опишите, что оно производит.
• Опишите контролируемые и неконтролируемые цепные реакции.

Ядерное деление — это реакция, в которой ядро ​​расщепляется (или раскалывается, ). Управляемое деление — это реальность, тогда как управляемый синтез — это надежда на будущее. Сотни атомных электростанций деления по всему миру свидетельствуют о том, что управляемое деление практично и, по крайней мере, в краткосрочной перспективе, экономично, как показано на Рисунке 1.В то время как ядерная энергетика не представляла особого интереса в течение десятилетий после TMI и Чернобыля (а теперь и Фукусима-дайити), растущие опасения по поводу глобального потепления вернули ядерную энергетику на стол в качестве жизнеспособной альтернативы энергии. К концу 2009 года в 30 странах действовало 442 реактора, на которые приходилось 15% мировой электроэнергии. Франция обеспечивает более 75% своей электроэнергии с помощью ядерной энергии, в то время как в США есть 104 действующих реактора, обеспечивающих 20% электроэнергии. В Австралии и Новой Зеландии их нет.Китай строит атомные электростанции из расчета один пуск в месяц.

Рис. 1. Люди, живущие рядом с этой атомной электростанцией, не имеют поддающегося измерению радиационного воздействия, связанного с самой станцией. Около 16% мировой электроэнергии вырабатывается за счет управляемого ядерного деления на таких станциях. Градирни являются наиболее характерными особенностями ядерной энергетики, но не уникальны. Реактор находится в небольшом куполообразном здании слева от башен. (кредит: Kalmthouts)

Деление противоположно синтезу и высвобождает энергию только при расщеплении тяжелых ядер.Как отмечалось в Fusion, энергия высвобождается, если продукты ядерной реакции имеют большую энергию связи на нуклон (BE / A ), чем родительские ядра. На рисунке 2 показано, что BE / A больше для ядер средней массы, чем для тяжелых ядер, подразумевая, что при расщеплении тяжелого ядра продукты имеют меньшую массу на нуклон, так что масса разрушается и в реакции выделяется энергия. Количество энергии на реакцию деления может быть большим даже по ядерным стандартам. График на Рисунке 2 показывает, что BE / A составляет около 7.6 МэВ / нуклон для самых тяжелых ядер ( A, около 240), в то время как BE / A составляет около 8,6 МэВ / нуклон для ядер с A около 120. Таким образом, если тяжелое ядро ​​расщепляется пополам, то около 1 Выделяется МэВ на нуклон, или примерно 240 МэВ на деление. Это примерно в 10 раз больше энергии реакции синтеза и примерно в 100 раз больше энергии среднего распада α , β или γ .

Пример 1. Расчет энергии, выделяемой при делении

Рассчитайте количество энергии, выделяющейся при следующей реакции спонтанного деления:

²³⁸ U → ⁹⁵ Sr + ¹⁴⁰ Xe + 3 n

с учетом атомных масс м ( ²³⁸ U) = 238.050784 u, m ( ⁹⁵ Sr) = 94.919388 u, m ( ¹⁴⁰ Xe) = 139.921610 u, и m ( n ) = 1.008665 u.

Как всегда, выделенная энергия равна разложенной массе, умноженной на c ² , поэтому мы должны найти разницу в массе между исходным ²³⁸ U и продуктами деления.

Общая масса изделий

[латекс] \ begin {array} {lll} {m} _ {\ text {products}} & = & 94.{2} = 171,2 \ text {МэВ} \ end {array} \\ [/ latex]

В этом примере возникает ряд важных вещей. Выделяемая энергия в 171 МэВ велика, но немного меньше, чем ранее оцененные 240 МэВ. Это потому, что эта реакция деления производит нейтроны, а не разделяет ядро ​​на две равные части. При делении данного нуклида, например ²³⁸ U, не всегда образуются одни и те же продукты. Деление — это статистический процесс, при котором производится целый ряд продуктов с различной вероятностью.Большинство делений производит нейтроны, хотя их количество меняется в зависимости от деления. Это чрезвычайно важный аспект деления, потому что нейтронов могут вызвать большее количество деления , обеспечивая самоподдерживающиеся цепные реакции.

Может происходить самопроизвольное деление, но обычно это не самый распространенный режим распада для данного нуклида. Например, ²³⁸ U может спонтанно делиться, но он распадается в основном с испусканием α . Деление, индуцированное нейтронами, имеет решающее значение, как показано на рисунке 2.Будучи беззарядными, даже нейтроны низкой энергии могут ударить по ядру и поглотиться, как только они почувствуют притягивающую ядерную силу. Большие ядра описываются моделью жидкой капли с режимами поверхностного натяжения и колебаний, поскольку большое количество нуклонов действует как атомы в капле. Нейтрон притягивается и, таким образом, выделяет энергию, заставляя ядро ​​деформироваться в виде жидкой капли. При достаточном растяжении ядро ​​сужается посередине. Количество нуклонов в контакте и сила ядерной силы, связывающей ядро ​​вместе, уменьшаются.Кулоновское отталкивание между двумя концами затем приводит к делению ядра, которое разрывается, как капля воды, на две большие части и несколько нейтронов. Деление под действием нейтронов можно записать как

n + ^A X → FF ₁ + FF ₂ + xn ,

, где FF ₁ и FF ₂ — два дочерних ядра, называемые осколками деления , а x — количество образовавшихся нейтронов. Чаще всего массы осколков деления не совпадают. Большая часть высвобождаемой энергии идет на кинетическую энергию осколков деления, а оставшаяся часть идет на нейтроны и возбужденные состояния осколков. Поскольку нейтроны могут вызывать деление, возможна самоподдерживающаяся цепная реакция при условии, что в среднем образуется более одного нейтрона, т. Е. Если x > 1 из n + ^A X → FF ₁ + FF ₂ + xn .{\ text {91}} \ text {Kr} +3 \ text {n} \\ [/ latex].

Обратите внимание, что в этом уравнении общий заряд остается прежним (сохраняется): 92 + 0 = 56 + 36. Также, что касается целых чисел, масса постоянна: 1 + 235 = 142 + 91 + 3. Это неверно, когда мы рассматриваем массы до 6 или 7 значимых мест, как в предыдущем примере.

Рис. 2. Показано деление, индуцированное нейтронами. Во-первых, это большое ядро ​​вкладывается в энергию, когда оно поглощает нейтрон. Действуя подобно удаляемой капле жидкости, ядро ​​деформируется и начинает сужаться посередине. Поскольку в контакте находится меньше нуклонов, кулоновская сила отталкивания способна разбить ядро ​​на две части, при этом часть нейтронов также улетает.

Рис. 3. Цепная реакция может привести к самоподдерживающемуся делению, если каждое деление производит достаточно нейтронов, чтобы вызвать по крайней мере еще одно деление. Это зависит от нескольких факторов, в том числе от того, сколько нейтронов образуется в среднем при делении и насколько легко сделать конкретный тип деления нуклидов.

Не каждый нейтрон, образующийся при делении, вызывает деление.Некоторые нейтроны покидают делящийся материал, в то время как другие взаимодействуют с ядром, не вызывая его деления. Мы можем увеличить количество делений, производимых нейтронами, имея большое количество расщепляющегося материала. Минимальное количество, необходимое для самостоятельного деления данного нуклида, называется его критической массой . Некоторые нуклиды, такие как ²³⁹ Pu, производят больше нейтронов при делении, чем другие, например ²³⁵ U. Кроме того, некоторые нуклиды легче расщепляются, чем другие.{\ text {238}} {\ text {U}} _ {\ text {146}} \\ [/ latex] имеет 146. Когда нейтрон встречает ядро ​​с нечетным числом нейтронов, ядерное взаимодействие более привлекательно. , потому что дополнительный нейтрон сделает число четным. В образовавшемся ядре выделяется примерно на 2 МэВ больше энергии, чем было бы, если бы количество нейтронов уже было четным. Эта дополнительная энергия вызывает большую деформацию, повышая вероятность деления. Таким образом, ²³⁵ U и ²³⁹ Pu являются лучшими видами топлива для деления.Изотоп ²³⁵ U составляет всего 0,72% природного урана, тогда как ²³⁸ U составляет 99,27%, а ²³⁹ Pu не существует в природе. Австралия обладает крупнейшими в мире месторождениями урана, составляющими 28% от общего объема. Далее следуют Казахстан и Канада. У США всего 3% мировых резервов.

В большинстве реакторов деления используется ²³⁵ U, который за определенную плату отделен от ²³⁸ U. Это называется обогащением. Наиболее распространенный метод разделения — это газовая диффузия гексафторида урана (UF ₆ ) через мембраны.Поскольку ²³⁵ U имеет меньшую массу, чем ²³⁸ U, его молекулы UF ₆ имеют более высокую среднюю скорость при той же температуре и быстрее диффундируют. Другой интересной характеристикой ²³⁵ U является то, что он преимущественно поглощает очень медленно движущиеся нейтроны (с энергией в доли эВ), тогда как реакции деления производят быстрые нейтроны с энергией порядка МэВ. Таким образом, чтобы создать автономный реактор деления с ²³⁵ U, необходимо замедлить («термализовать») нейтроны.Вода очень эффективна, поскольку нейтроны сталкиваются с протонами в молекулах воды и теряют энергию. На рисунке 4 показана схема конструкции реактора, называемого реактором с водой под давлением.

Рис. 4. Реактор с водой под давлением спроектирован так, чтобы контролировать деление больших количеств ²³⁵ U, используя при этом тепло, выделяемое в реакции деления, для создания пара для выработки электроэнергии. Управляющие стержни регулируют поток нейтронов так, чтобы критичность была получена, но не превышена.В случае перегрева реактора и выкипания воды цепная реакция прекращается, потому что вода необходима для термализации нейтронов. Эта неотъемлемая функция безопасности может быть нарушена в экстремальных обстоятельствах.

Управляющие стержни, содержащие нуклиды, которые очень сильно поглощают нейтроны, используются для регулирования нейтронного потока. Для получения большой мощности реакторы содержат от сотен до тысяч критических масс, и цепная реакция легко становится самоподдерживающейся, состояние, называемое критичностью .Поток нейтронов следует тщательно регулировать, чтобы избежать экспоненциального увеличения деления, состояние, называемое сверхкритичностью . Управляющие стержни помогают предотвратить перегрев, возможно даже расплавление или взрывную разборку. Вода, которая используется для термализации нейтронов, необходимой для того, чтобы заставить их вызвать деление в ²³⁵ U и достичь критичности, обеспечивает отрицательную обратную связь при повышении температуры. В случае, если реактор перегреется и вода закипит до пара или будет нарушен, отсутствие воды убивает цепную реакцию.Однако радиоактивные продукты деления реактора могут по-прежнему выделять значительное количество тепла. Таким образом, в случае аварии с потерей хладагента необходимо включить другие средства безопасности, включая вспомогательную охлаждающую воду и насосы.

Пример 2. Расчет энергии из килограмма делящегося топлива

Рассчитайте количество энергии, произведенной при делении 1,00 кг ²³⁵ U, учитывая, что средняя реакция деления ²³⁵ U дает 200 МэВ.

Общая произведенная энергия равна количеству ²³⁵ атомов U, умноженному на заданную энергию при делении ²³⁵ U. Следовательно, мы должны найти количество ²³⁵ атомов U в 1,00 кг.

Число ²³⁵ атомов U в 1,00 кг равно числу Авогадро, умноженному на число молей. Один моль ²³⁵ U имеет массу 235,04 г; таким образом, имеется (1000 г) / (235,04 г / моль) = 4.{13} \ text {J} \ end {array} \\ [/ latex].

Это еще одно впечатляюще большое количество энергии, эквивалентное примерно 14 000 баррелей сырой нефти или 600 000 галлонов бензина. Но это только одна четвертая энергии, произведенной синтезом килограммовой смеси дейтерия и трития, как показано в Примере 1. Расчет энергии и мощности из термоядерного синтеза. Хотя каждая реакция деления дает примерно в десять раз больше энергии реакции синтеза, энергия на килограмм топлива деления меньше, потому что на килограмм тяжелых нуклидов приходится гораздо меньше молей.Топливо для деления также гораздо более дефицитно, чем для термоядерного топлива, и менее 1% урана ( ²³⁵ U) можно легко использовать.

Один из уже упомянутых нуклидов — это ²³⁹ Pu, который имеет период полураспада 24 120 лет и не существует в природе. Плутоний-239 производится из ²³⁸ U в реакторах, и он дает возможность использовать остальные 99% природного урана в качестве источника энергии. Следующая последовательность реакций, называемая , разведение , дает ²³⁹ Pu.Разведение начинается с захвата нейтронов ²³⁸ U:

²³⁸ U + n → ²³⁹ U + γ .

Уран-239, затем β ^— распадов:

²³⁹ U → ²³⁹ Np + β ^— + v _e ( t _1/2 = 23 мин).

Нептуний-239 также β ^— распадов:

²³⁹ Np → ²³⁹ Pu + β ^— + v _e ( t _1/2 = 2.4 г).

Плутоний-239 накапливается в топливе реактора со скоростью, которая зависит от вероятности захвата нейтронов ²³⁸ U (все топливо реактора содержит больше ²³⁸ U, чем ²³⁵ U). Реакторы, разработанные специально для производства плутония, называются реакторами-размножителями . Они кажутся по своей природе более опасными, чем обычные реакторы, но остается неизвестным, можно ли сделать их опасность экономически приемлемой. Четыре реактора в Чернобыле, включая тот, который был разрушен, были построены для размножения плутония и производства электроэнергии.Эти реакторы имели конструкцию, которая значительно отличалась от показанного выше реактора с водой под давлением. Плутоний-239 имеет преимущества перед ²³⁵ U в качестве реакторного топлива — он производит в среднем больше нейтронов за одно деление, и тепловым нейтронам легче вызвать его деление. Он также химически отличается от урана, поэтому его легче отделить от урановой руды. Это означает, что ²³⁹ Pu имеет особенно маленькую критическую массу, что является преимуществом для ядерного оружия.

Исследования PhET: ядерное деление

Начать цепную реакцию или ввести нерадиоактивные изотопы, чтобы предотвратить ее. Контролируйте производство энергии в ядерном реакторе!

Щелкните, чтобы загрузить симуляцию. Запускать на Java.

Сводка раздела

• Деление ядра — это реакция, в которой ядро ​​расщепляется.
• При делении выделяется энергия, когда тяжелые ядра разделяются на ядра средней массы.
• Самостоятельное деление возможно, потому что нейтронно-индуцированное деление также производит нейтроны, которые могут вызывать другие деления, n + ^A X → FF ₁ + FF ₂ + xn , где FF ₁ и FF ₂ — это два дочерних ядра или осколки деления, а x — количество образовавшихся нейтронов.
• Для достижения критичности должна присутствовать минимальная масса, называемая критической массой.
• Более критическая масса может вызвать сверхкритичность.
• Производство новых или других изотопов (особенно ²³⁹ Pu) путем ядерной трансформации называется воспроизводством, а реакторы, предназначенные для этой цели, называются реакторами-размножителями.

Концептуальные вопросы

1. Объясните, почему при делении тяжелых ядер выделяется энергия. Точно так же, почему для деления легких ядер требуется подвод энергии?
2. Объясните, с точки зрения сохранения импульса и энергии, почему столкновения нейтронов с протонами будут термализовать нейтроны лучше, чем столкновения с кислородом.
3. Руины чернобыльского реактора заключены в огромную бетонную конструкцию, построенную вокруг него после аварии. Зимой в здание проникает дождь, и радиоактивность здания увеличивается. Что это означает, что происходит внутри?
4. Поскольку ядро ​​урана или плутония делится на несколько осколков деления, массовое распределение которых охватывает широкий диапазон частей, ожидаете ли вы большей остаточной радиоактивности от деления, чем от синтеза? Объяснять.
5. Активная зона ядерного реактора вырабатывает большое количество тепловой энергии при распаде продуктов деления, даже когда цепная реакция деления, производящая энергию, выключена. Будет ли это остаточное тепло максимальным после того, как реактор проработает долгое или непродолжительное время? Что, если реактор остановлен на несколько месяцев?
6. Как может ядерный реактор иметь много критических масс и не стать сверхкритическим? Какие методы используются для контроля деления в реакторе?
7. Почему тяжелые ядра с нечетным числом нейтронов могут быть побуждены к делению тепловыми нейтронами, в то время как ядра с четным числом нейтронов требуют большего количества энергии, чтобы вызвать деление?
8. Почему обычный ядерный реактор деления не может взорваться как бомба?

Задачи и упражнения

1.(a) Рассчитайте энергию, выделяемую при делении, индуцированном нейтронами (аналогично спонтанному делению в примере 1 . Расчет энергии, выделяемой при делении )

n + ²³⁸ U → ⁹⁶ Sr + ¹⁴⁰ Xe + 3 n ,

, если м ( ⁹⁶ Sr) = 95,921750 ед. И м (¹⁴⁰ Xe) = 139,92164. (b) Этот результат примерно на 6 МэВ больше, чем результат для спонтанного деления. Почему? (c) Подтвердите, что общее количество нуклонов и общий заряд сохраняются в этой реакции.

2. (a) Рассчитайте энергию, выделяющуюся в реакции деления, вызванной нейтронами.

n + ²³⁵ U → ⁹² Kr + ¹⁴² Ba + 2 n ,

, если м ( ⁹² Kr) = 91,926269 ед. И м ( ¹⁴² Ba) = 141,916361 ед.

(b) Подтвердите, что общее количество нуклонов и общий заряд сохраняются в этой реакции.

3. (a) Рассчитайте энергию, выделяющуюся в реакции деления, вызванной нейтронами.

n + ²³⁹ Pu → ⁹⁶ Sr + ¹⁴⁰ Ba + 4 n ,
с учетом м ( ⁹⁶ Sr) = 95.921750 ед. И м ( ¹⁴⁰ Ba) = 139,^{1 ед.}

(b) Подтвердите, что общее количество нуклонов и общий заряд сохраняются в этой реакции.

4. Подтвердите, что каждая из реакций, перечисленных для воспроизводства плутония, соответствует примеру 2. Вычисление энергии из килограмма делящегося топлива сохраняет общее количество нуклонов, общий заряд и номер семейства электронов.

5. Получение энергии из плутония происходит еще до того, как плутоний расщепляется.(Основной целью четырех ядерных реакторов в Чернобыле было производство плутония для оружия. Электроэнергия была побочным продуктом, используемым гражданским населением.) Рассчитайте энергию, произведенную в каждой из реакций, перечисленных для воспроизводства плутония, сразу после примера Пример 2. Расчет энергии из килограмма делящегося топлива . Соответствующие массы: м ( ²³⁹ U) = 239,054289 ед., м ( ²³⁹ Np) = 239,052932 ед. И м ( ²³⁹ Pu) = 239.052157 u.

6. Встречающийся в природе радиоактивный изотоп ²³² Th не является хорошим топливом для деления, потому что он имеет четное число нейтронов; однако его можно превратить в подходящее топливо (примерно так же, как ²³⁸ U превращается в ²³⁹ P).

(a) Что такое Z и N для ²³² Th?

(б) Напишите уравнение реакции для нейтрона, захваченного ²³² Th, и укажите нуклид ^A X , образовавшийся в n + ²³² Th → ^A X + γ .

(c) Ядро-продукт β ^— распадается, как и его дочернее ядро. Напишите уравнения распада для каждого и определите окончательное ядро.

(d) Подтвердите, что последнее ядро ​​имеет нечетное количество нейтронов, что делает его лучшим топливом для деления.

(e) Посмотрите период полураспада последнего ядра, чтобы увидеть, достаточно ли оно живет, чтобы быть полезным топливом.

7. Выходная электрическая мощность большой ядерной реакторной установки составляет 900 МВт. Эффективность преобразования ядерной энергии в электрическую составляет 35,0%.

(а) Какова выходная тепловая ядерная мощность в мегаваттах?

(b) Сколько ядер ²³⁵ U делится каждую секунду, если в среднем деление дает 200 МэВ?

(c) Какая масса ²³⁵ U делится за один год работы на полной мощности?

8. Большой энергетический реактор, который находился в эксплуатации несколько месяцев, отключен, но остаточная активность в активной зоне по-прежнему дает мощность 150 МВт. Если средняя энергия распада продуктов деления равна 1.00 МэВ, какова основная активность в кюри?

Глоссарий

реакторы-размножители:

Реакторы

, специально разработанные для производства плутония

разведение:

реакционный процесс, производящий ²³⁹ Pu

критичность:

Состояние, при котором цепная реакция легко становится самоподдерживающейся

критическая масса:

минимальное количество, необходимое для самостоятельного деления данного нуклида

осколков деления:

дочерние ядра

жидкая капля модель:

модель ядра (только для того, чтобы понять некоторые ее особенности), в которой нуклоны в ядре действуют как атомы в капле

деление ядер:

реакция, в которой ядро ​​расщепляется

нейтронно-индуцированное деление:

деление, инициируемое после поглощения нейтрона

сверхкритичность:

экспоненциальный рост делений

Избранные решения проблем и упражнения

1. (а) 177,1 МэВ (б) Поскольку усиление внешнего нейтрона дает около 6 МэВ, что является средним BE / A для тяжелых ядер. (c) A = 1 + 238 = 96 + 140 + 1 + 1 + 1, Z = 92 = 38 + 53, efn = 0 = 0

3. (а) 180.6 МэВ (б) A = 1 + 239 = 96 + 140 + 1 + 1 + 1 + 1, Z = 94 = 38 + 56, efn = 0 = 0

5. ²³⁸ U + n → ²³⁹ U + γ 4,81 МэВ

²³⁹ U → ²³⁹ Np + β ^— + v _e 0.753 МэВ

²³⁹ Np → ²³⁹ Pu + β ^— + v _e 0,211 МэВ

7. (а) 2,57 × 10 ³ МВт (б) 8,03 × 10 ¹⁹ делений / с (в) 991 кг

Деление и синтез — Химия LibreTexts

Энергия, заключенная в ядрах, высвобождается в ядерных реакциях. Деление — это расщепление тяжелого ядра на более легкие ядра, а синтез — это соединение ядер с образованием более крупного и тяжелого ядра. Следствием деления или синтеза является поглощение или высвобождение энергии.

Введение

Протоны и нейтроны составляют ядро, которое является основой ядерной науки. Деление и синтез включают в себя рассредоточение и сочетание элементарного ядра и изотопов, и часть ядерной науки состоит в том, чтобы понять процесс, стоящий за этим явлением. Сложение индивидуальных масс каждой из этих субатомных частиц любого данного элемента всегда даст вам большую массу, чем масса ядра в целом.В этом наблюдении отсутствует идея, называемая энергией связи ядра. Энергия связи ядра — это энергия, необходимая для сохранения целостности протонов и нейтронов ядра, а энергия, которая выделяется во время ядерного деления или синтеза, является ядерной энергией. Однако есть некоторые вещи, которые следует учитывать. Масса ядра элемента в целом меньше общей массы его отдельных протонов и нейтронов. Разницу в массе можно объяснить энергией связи ядра.По сути, энергия связи ядра рассматривается как масса, и эта масса становится «недостающей». Эта недостающая масса называется дефект массы , что представляет собой ядерную энергию, также известную как масса, высвобождаемая в результате реакции в виде нейтронов, фотонов или любых других траекторий. Короче говоря, дефект массы и энергия связи ядра — взаимозаменяемые термины.

Деление и синтез ядер

N деление ядра — это расщепление тяжелого ядра на два более легких. Деление было обнаружено в 1938 году немецкими учеными Отто Ганом, Лизой Мейтнер и Фрицем Штрассманном, которые бомбардировали образец урана нейтронами в попытке получить новые элементы с Z> 92.1 \ textrm n \ label {21.6.11} \]

Эта гипотеза была подтверждена путем обнаружения продукта деления криптона-92. Как обсуждалось в разделе 20.2, ядро ​​обычно делится асимметрично, а не на две равные части, и деление данного нуклида не всегда дает одни и те же продукты.

В типичной реакции ядерного деления более одного нейтрона испускается каждым делящимся ядром. Когда эти нейтроны сталкиваются и вызывают деление в других соседних ядрах, может возникнуть самоподдерживающаяся серия ядерных реакций деления, известная как ядерная цепочка реакция (Рисунок 21.6.2). Например, при делении ²³⁵ U выделяется от двух до трех нейтронов за один акт деления. Если эти нейтроны поглощаются другими ядрами ²³⁵ U, они вызывают дополнительные события деления, и скорость реакции деления возрастает геометрически. Каждая серия событий называется поколением. Экспериментально установлено, что для поддержания цепной ядерной реакции требуется некоторая минимальная масса делящегося изотопа; если масса слишком мала, слишком много нейтронов могут улететь, не будучи захваченными и не вызвав реакцию деления.Минимальная масса, способная поддерживать устойчивое деление, называется критической массой . Это количество зависит от чистоты материала и формы массы, которая соответствует доступной площади поверхности, с которой нейтроны могут улетать, а также от идентичности изотопа. Если масса делящегося изотопа больше, чем критическая масса, то при правильных условиях результирующая сверхкритическая масса может выделять энергию со взрывом. Огромная энергия, выделяемая в результате ядерных цепных реакций, ответственна за массовые разрушения, вызванные детонацией ядерного оружия, такого как бомбы деления, но она также составляет основу ядерной энергетики.

Ядерный синтез , в котором два легких ядра объединяются, чтобы произвести более тяжелое и более стабильное ядро, является противоположностью ядерного деления. Как и в реакциях ядерной трансмутации, обсуждаемых в разделе 20.2, положительный заряд на обоих ядрах приводит к возникновению большого электростатического энергетического барьера для синтеза. Этот барьер можно преодолеть, если одна или обе частицы обладают достаточной кинетической энергией, чтобы преодолеть электростатическое отталкивание, позволяя двум ядрам приблизиться достаточно близко для того, чтобы произошла реакция синтеза. 1 \ textrm n \ label {21.6.13} \]

Однако для начала этих реакций требуется температура, сравнимая с температурой внутри Солнца (приблизительно 1,5 × 10 ⁷ K). В настоящее время единственный доступный на Земле метод достижения такой температуры — это взрыв бомбы деления. Например, так называемая водородная бомба (или водородная бомба) на самом деле представляет собой дейтерий-тритиевую бомбу (D-T-бомбу), в которой используется реакция ядерного деления для создания очень высоких температур, необходимых для начала синтеза твердого дейтерида лития ( ⁶ LiD), который выделяет нейтроны, которые затем вступают в реакцию с ⁶ Li, образуя тритий. {235} \ textrm U
\\ & = ( 143.1 \ textrm n \)

Решение

ΔE = −17,6 МэВ / атом = −1,697 × 10 ⁹ кДж / моль

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): энергия связи на нуклон обычных изотопов.

Деление

Деление — это расщепление ядра, при котором высвобождаются свободные нейтроны и более легкие ядра. Деление тяжелых элементов является сильно экзотермическим, при котором выделяется около 200 миллионов эВ по сравнению с сжиганием угля, которое дает всего несколько эВ. Количество энергии, высвобождаемой при делении ядер, в миллионы раз эффективнее на массу, чем у угля, учитывая только 0.1 процент исходных ядер преобразуется в энергию. Дочернее ядро, энергия и частицы, такие как нейтроны, высвобождаются в результате реакции. Освободившиеся частицы могут затем вступить в реакцию с другими радиоактивными материалами, которые, в свою очередь, высвободят дочернее ядро ​​и в результате другие частицы и так далее. {236} U} \) который еще более нестабилен и расщепляется на дочерние ядра, такие как Криптон-92 и Барий-141, и свободные нейтроны.-\) разлагаться.

Деление ядра — это расщепление ядра атома на ядра более легких атомов, сопровождающееся выделением энергии в результате нейтронной бомбардировки. Первоначальная концепция этого расщепления ядер была открыта Энрико Феми в 1934 году, который считал, что трансурановых элемента могут быть получены путем бомбардировки урана нейтронами, потому что потеря бета-частиц приведет к увеличению атомного номера. Однако образовавшиеся продукты не коррелировали со свойствами элементов с более высокими атомными номерами, чем уран (Ra, Ac, Th и Pa).{10} \; J \]

Ясно, что деление небольшого количества атомов может дать огромное количество энергии в виде тепла и излучения (гамма-волны). Когда атом расщепляется, каждая из двух новых частиц содержит примерно половину нейтронов и протонов исходного ядра, а в некоторых случаях соотношение 2: 3.

Критическая масса

Взрыв бомбы происходит только в том случае, если цепная реакция превышает ее критическую массу. Критическая масса — это точка, в которой цепная реакция становится самоподдерживающейся.Если нейтроны теряются быстрее, чем они образуются при делении, реакция не будет самоподдерживающейся. Скорость спонтанного ядерного деления — это вероятность в секунду, что данный атом будет делиться спонтанно, то есть без какого-либо внешнего вмешательства. На атомных электростанциях деление ядер контролируется такой средой, как вода в ядерном реакторе. Вода действует как теплоноситель для охлаждения реактора и замедления нейтронных частиц. Таким образом, испускание и использование нейтронов контролируется.Если ядерная реакция не контролируется из-за, например, нехватки охлаждающей воды, произойдет расплавление.

Fusion

Ядерный синтез — это соединение двух ядер с образованием более тяжелых ядер. За реакцией следует либо высвобождение, либо поглощение энергии. Слияние ядер с меньшей массой, чем у железа, высвобождает энергию, тогда как слияние ядер тяжелее железа обычно поглощает энергию. Это явление известно как пик железа . Противоположное происходит с ядерным делением.

Сила энергии в реакции термоядерного синтеза — это то, что движет энергией, выделяемой солнцем и множеством звезд во Вселенной. Ядерный синтез также применяется в ядерном оружии, в частности, в водородной бомбе. Ядерный синтез — это процесс снабжения энергией, который происходит при чрезвычайно высоких температурах, например, в звездах, таких как Солнце, где меньшие ядра соединяются, чтобы образовать большее ядро, процесс, который выделяет большое количество тепла и излучения. В неконтролируемом состоянии этот процесс может обеспечить практически неограниченные источники энергии, а неконтролируемая цепь обеспечивает основу для водородной связи, поскольку чаще всего водород конденсируется.1_0n} + \ text {энергия} \]

Однако управляемая реакция термоядерного синтеза еще не была полностью продемонстрирована из-за множества возникающих проблем, включая сложность приведения ядер дейтерия и трития в непосредственную близость, достижение достаточно высоких тепловых энергий и полную ионизацию газов в плазму. Необходимым звеном в ядерном синтезе является плазма , представляющая собой смесь атомных ядер и электронов, необходимых для инициирования самоподдерживающейся реакции, требующей температуры более 40 000 000 К.Почему для ядерного синтеза требуется столько тепла даже для легких элементов, таких как водород? Причина в том, что ядро ​​содержит протоны, и чтобы преодолеть электростатическое отталкивание протонов обоих атомов водорода, оба ядра водорода должны ускориться со сверхвысокой скоростью и приблизиться достаточно близко, чтобы ядерная сила началась. слияние. В результате ядерного синтеза выделяется больше энергии, чем требуется для начала синтеза, поэтому ΔG системы отрицательна, что означает, что реакция является экзотермической.И поскольку это экзотермический процесс, синтез легких элементов является самоподдерживающимся, учитывая, что энергии достаточно для начала синтеза.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Ученым еще предстоит найти метод управления реакциями синтеза. С другой стороны, реакции деления используются на атомных электростанциях, и их можно контролировать. Атомные бомбы и водородные бомбы — примеры неконтролируемых ядерных реакций.

Ядерное деление и ядерный синтез

Ядерное деление и ядерный синтез

Деление ядер

График энергии связи на нуклон предполагает, что нуклиды с массой более 130 а.е.м. должны спонтанно расщепляются, образуя более легкие и стабильные нуклиды.Экспериментально обнаруживаем, что спонтанные реакции деления происходят только для очень тяжелых нуклидов с массовым числом 230 и более. Четный когда они действительно происходят, эти реакции часто очень медленные. Период полураспада для спонтанного деление ²³⁸ U, например, составляет 10 ¹⁶ лет, или около двух миллионов раз дольше возраста нашей планеты!

Однако нам не нужно ждать медленных спонтанных должны произойти реакции деления. Облучая образцы тяжелых нуклидов медленно движущимися тепловыми нейтронами можно вызвать реакций деления.Когда ²³⁵ U поглощает тепловой нейтрон, например, распадается на две частицы неравной массы и высвобождает в среднем 2,5 нейтрона, как показано на рисунке ниже.

Более 370 дочерних нуклидов с атомными массами от 72 и 161 а.е.м. образуются в результате деления ²³⁵ U, индуцированного тепловыми нейтронами, включая два продукта, показанные ниже.

Несколько изотопов урана подвергаются вынужденному делению. Но единственный естественный изотоп, в котором мы можем вызвать деление с помощью тепловых нейтронов представляет собой ²³⁵ U, содержание которого составляет всего 0,72%. Индуцированное деление этот изотоп выделяет в среднем 200 МэВ на атом, или 80 миллионов килоджоулей на грамм ²³⁵ U. Притяжение ядерного деления как источника энергии можно понять. сравнивая это значение с 50 кДж / г, выделяемым при сжигании природного газа.

Первый искусственный ядерный реактор был построен Энрико Ферми и его коллеги под футбольным стадионом Чикагского университета и привели линия 2 декабря 1942 года. Этот реактор, производивший несколько киловатт мощности, состояла из груды графитовых блоков весом 385 тонн, уложенных слоями вокруг кубический массив из 40 тонн металлического урана и оксида урана. Спонтанное деление ²³⁸ U или ²³⁵ U в этом реакторе произвело очень небольшое количество нейтронов.Но хватит уран присутствовал так, что один из этих нейтронов вызвал деление ²³⁵ U ядра, тем самым высвобождая в среднем 2,5 нейтрона, которые катализируют деление дополнительные ²³⁵ ядер U в цепной реакции, как показано на рисунке ниже. Количество делящегося материала, необходимое для Цепная реакция для поддержания себя называется критической массой .

Реактор Ферми в Чикаго послужил прототипом для более крупные реакторы, построенные в 1943 году в Ок-Ридже, Теннесси, и Хэнфорде, Вашингтон, чтобы произвести ²³⁹ Pu для одной из атомных бомб, сброшенных на Японию в конце света Вторая война.Как мы видели, часть нейтронов, выделяющихся в цепной реакции, поглощается на ²³⁸ U с образованием ²³⁹ U, который распадается в результате последовательной потери из двух α / i> ^— -частиц с образованием ²³⁹ Pu. ²³⁸ U — это пример фертильного нуклида . Не подвергается тепловому делению. нейтронов, но он может быть преобразован в ²³⁹ Pu, который действительно подвергается деление под действием тепловых нейтронов.

Реакторы деления могут быть спроектированы для работы в естественных условиях. обильный ²³⁵ U, а также топлива, описываемые как слегка обогащенные (2-5% ²³⁵ U), высокообогащенный (20-30% ²³⁵ U) или полностью обогащенный (> 90% ²³⁵ U). Тепло, генерируемое в активной зоне реактора, передается хладагенту в замкнутой системе. Затем охлаждающий агент проходит через серию теплообменников, в которых вода нагревают до пара. Пар, производимый в этих теплообменниках, затем приводит в действие турбину, которая вырабатывает электроэнергию.Уточнить мощность такого растения можно двумя способами: тепловая энергия, производимая реактором, или электрическая энергия, производимая турбины. Электрическая мощность установки обычно составляет около одной трети тепловой мощности. мощность.

Требуется 10 ¹¹ делений в секунду для получения один ватт электроэнергии. В результате в сутки расходуется около одного грамма топлива. мегаватт производимой электроэнергии. Это означает, что один грамм отходов произведено на мегаватт в сутки, что включает 0.5 граммов ²³⁹ Pu. Эти отходы продукты должны быть либо переработаны для производства большего количества топлива, либо храниться в течение десятков тысячи лет необходимы, чтобы уровень радиации достиг безопасного предела.

Если бы мы могли спроектировать реактор, в котором соотношение ²³⁹ Pu или произведено ²³³ U, чтобы израсходованный ²³⁵ U был больше 1, реактор будет производить больше топлива, чем потребляет. Такие реакторы известны как заводчиков , и коммерческие реакторы-размножители сейчас работают во Франции.

Ключом к эффективному реактору-размножителю является топливо, которое дает максимально возможное количество нейтронов, высвобождаемых на один поглощенный нейтрон. Заводчик в строящихся сегодня реакторах в качестве топлива используется смесь PuO ₂ и UO ₂ . и быстрые нейтроны для активации деления. Быстрые нейтроны несут энергию не менее нескольких КэВ и, следовательно, перемещаются в 10 000 или более раз быстрее тепловых нейтронов. ²³⁹ Pu в топливной сборке поглощает один из этих быстрых нейтронов и подвергается делению с выброс трех нейтронов. ²³⁸ U в топливе затем захватывает один из этих нейтронов произвести дополнительно ²³⁹ Pu.

Преимущество реакторов-размножителей очевидно в том, что они означают безграничный запас топлива. для ядерных реакторов. Однако есть существенные недостатки. Реакторы-размножители дороже построить. Они также бесполезны без дочерней отрасли по сбору топливо, переработать его и отправить ²³⁹ Pu в новые реакторы.

Речь идет о переработке ²³⁹ Pu. большинство критиков реакторов-размножителей. ²³⁹ Pu опасен как канцероген что ядерная промышленность ограничивает воздействие этого материала, предполагая, что работники вдыхают не более 0,2 мкг плутония за время своей жизни. А также есть опасения, что ²³⁹ Pu, произведенный на этих реакторах, могут быть украдены и собраны в бомбы террористических организаций.

Судьба реакторов-размножителей в Соединенных Штатах связано с экономическими соображениями.Из-за затрат на строительство этих реакторов и безопасная переработка произведенного ²³⁹ Pu, реактор-размножитель становится экономичным только тогда, когда дефицит урана приводит к тому, что его цена настолько высока, что реактор-размножитель становится рентабельным по сравнению. Если ядерная энергия должна играть доминирующую роль в производства электроэнергии в 21 веке, реакторы-размножители в конечном итоге могут быть существенный.

Хотя «свая» Ферми построена на Чикагский университет в 1942 году был первым искусственным ядерным реактором, это не был первый реактор деления, существующий на Земле.В 1972 году группа французских ученых открыла эта урановая руда из месторождения на руднике Окло в Габоне, Западная Африка, содержала 0,4% ²³⁵ U вместо 0,72% содержания во всех других источниках этой руды. Анализ микроэлементы в руде предполагали, что количество ²³⁵ U в этой руде было необычно мал, потому что реакторы естественного деления работали на этом месторождении в течение 600 000-800 000 лет, примерно 2 миллиарда лет назад.

Ядерный синтез

График энергии связи на нуклон предлагает другой способ получения полезной энергии из ядерных реакций.Слияние двух легкие ядра могут высвободить столько же энергии, сколько при делении ²³⁵ U или ²³⁹ Pu. Слияние четырех протонов с образованием ядра гелия, двух позитронов (и двух нейтрино), например, генерирует энергию 24,7 МэВ.

Большая часть энергии, излучаемой поверхностью Солнца, составляет образуется в результате слияния протонов с образованием атомов гелия внутри ядра.

Реакции синтеза дублированы в искусственных устройствах.Огромная разрушительная сила атомной бомбы ²³⁵ на U-топливе, сброшенной на Хиросима 6 августа 1945 года, в результате которого погибло 75000 человек, и ²³⁹ Pu, работавших на топливе. бомба, сброшенная на Нагасаки три дня спустя, вызвала ожесточенные дебаты после Второй мировой войны. о создании следующего супероружия — термоядерной или «водородной» бомбы. Выпускники Манхэттенского проекта, которые разрабатывал атомную бомбу, разделились по этому вопросу. Эрнест Лоуренс и Эдвард Теллер боролся за создание термоядерного устройства.Дж. Роберт Оппенгеймер и Энрико Ферми возражал против этого. Было принято решение о разработке оружия, и первое Реакция искусственного синтеза произошла при испытании водородной бомбы в ноябре 1952 года.

Таким образом, история исследований в области термоядерного синтеза противоположна. исследований деления. Сначала был реактор, а потом была построена бомба. С помощью термоядерного синтеза бомба была построена задолго до того, как был достигнут какой-либо прогресс в строительстве. управляемого термоядерного реактора.Спустя более 40 лет после того, как первая водородная бомба была взорвалась, возможность контролируемых термоядерных реакций все еще остается предметом дискуссий. В реакция, которая, скорее всего, послужит топливом для первого термоядерного реактора, — это термоядерный d-t , или дейтерий-тритиевый, реакция. Эта реакция соединяет два изотопа водорода, дейтерий ( ² H). и тритий ( ³ H) с образованием гелия и нейтрона.

Если мы рассмотрим последствия этой реакции, мы можем начинаем понимать, почему это называется термоядерной реакцией и почему это так трудно производить контролируемым образом.Реакция d-t требует, чтобы мы слились две положительно заряженные частицы. Это означает, что мы должны обеспечить достаточно энергии, чтобы преодолеть силу отталкивания между этими частицами до того, как произойдет слияние. К производить самоподдерживающуюся реакцию, мы должны обеспечить частицы достаточным тепловым энергии, чтобы они могли слиться при столкновении.

Каждая реакция синтеза характеризуется определенным воспламенением температура , которая должна быть превышена, чтобы реакция могла произойти.Модель d-t реакция имеет температуру воспламенения выше 10 ⁸ К. В водородной бомбе деление реакция, производимая небольшой атомной бомбой, используется для нагрева содержимого до температуры требуется для начала слияния. Достичь того же результата при контролируемой реакции — это очень много. более сложной.

Любое вещество, температура которого приближается к 10 ⁸ К будет существовать как полностью ионизированный газ или плазма . Цели исследований термоядерного синтеза в настоящее включают следующее.

• Для достижения необходимой температуры для воспламенения расплава реакция.
• Для достаточно длительного удержания плазмы при этой температуре чтобы получить полезное количество энергии из реакций термоядерного синтеза.
• Чтобы получить больше энергии от термоядерных реакций, чем используется для нагрева плазмы до температуры воспламенения.

Это нетривиальные цели.Единственный разумный контейнер для плазмы при 10 ⁸ К — магнитное поле. И пончикообразные (тороидальные), и линейные магнитные баллоны были предложены в качестве термоядерных реакторов. Но реакторы, производящие достаточно высокие температуры для воспламенения — это не то же самое, что и в реакторах, которые производили достаточно долгое время удержания плазмы, чтобы обеспечить полезное количество энергии.

Второй подход к управляемому термоядерному реактору включает попадание топливных таблеток, содержащих подходящие реагенты для термоядерной реакции, с импульсные пучки лазерной мощности.Если будет подано достаточно мощности, топливные таблетки будут схлопнуться на себя или взорваться, достигнув плотности в несколько порядков больше, чем обычно. Это может произвести плазму, достаточно горячую и плотную, чтобы инициировать реакции синтеза.

Определение и примеры бинарного деления

Определение бинарного деления

Определение бинарного деления

Что такое бинарное деление? В биологии бинарное деление — это тип бесполого размножения, при котором родительская клетка делится, в результате чего образуются две идентичные клетки, каждая из которых имеет потенциал вырасти до размера исходной клетки.Слово бесполое описывает воспроизводство, которое происходит без вовлечения половых клеток (гамет). Вместо этого соматические клетки подвергаются бесполому процессу, в результате которого образуется клон родителя. Потомство является клоном, потому что его геном будет идентичен геному родителя. Бинарное деление распространено среди прокариот, например. археи, эубактерии, цианобактерии и некоторые простейшие (например, амебы).

Процесс двойного деления

Как работает двойное деление? Бинарное деление — это способ размножения прокариотических клеток и некоторых простейших.Подобно другим способам бесполого размножения, таким как почкование и образование баеоцитов (например, у cyanobacterium Stanieria ) ¹ , в результате получается потомство с тем же геномом, что и родитель.

Прокариотическое бинарное деление

Прокариотическая клетка содержит ДНК, которая плотно свернута до клеточного расщепления. Процесс начинается с создания копии генетического материала. Затем хромосомы разделяются на отдельные полюса клетки — процесс, называемый «кариокинезом».Цитоплазма впоследствии расщепляется на две части в результате образования новой клеточной мембраны (цитокинез). Клеточная стенка также образуется, если она есть у исходной (родительской) клетки. Новая клеточная стенка часто начинается как «Z-кольцо», образованное цитоскелетом FtsZ . Ниже приведена диаграмма, изображающая бактерию, подвергающуюся делению клеток. Как показано, метод размножения бактерий оказывается быстрым и простым. Внутри бактериальной клетки стадии следующие: (1) репликация генома, (2) сегрегация хромосом и (3) цитокинез.

Бинарное деление в эукариотических клетках

Половое размножение широко распространено среди эукариот; однако некоторые из них могут размножаться бесполым путем. Простейшие — это примеры эукариот, которые могут воспроизводиться путем деления на две части. Митохондрии, одна из основных органелл эукариотических клеток, делятся путем бинарного деления.Процесс похож на деление прокариот. Это одна из основ теории, называемой эндосимбиотической теорией, согласно которой примитивные прокариотические клетки, как предполагается, эволюционировали в митохондрии, которые мы знаем сегодня.

Типы двойного деления

Двойное деление делится на четыре типа в зависимости от того, как делится ячейка: (1) нерегулярное, (2) поперечное, (3) продольное и (4) наклонное.

Нерегулярная

При нерегулярном двойном делении клетка делится в любой плоскости.Однако в основном это происходит перпендикулярно тому месту, где произошло ядерное деление (кариокинез).

Поперечный

При поперечном типе деление клеток происходит вдоль поперечной оси, отсюда и название.

Продольное

При продольном двойном делении ячейка делится продольно.

Наклонный

При косом бинарном делении деление клеток происходит под наклоном, которое может наклоняться как влево, так и вправо.

Разница между бинарным делением и митозом

Бинарное деление похоже на митоз в том смысле, что процесс в конечном итоге приводит к образованию двух идентичных дочерних клеток.Однако они различаются по многим аспектам. В то время как бинарное деление предназначено для репродуктивных целей, митоз в первую очередь предназначен для роста многоклеточных организмов. Генетический материал реплицируется до митоза, тогда как эта стадия происходит как часть бинарного деления. Кроме того, волокна веретена — одна из характеристик, определяющих митоз. Волокна веретена прикрепляются к хромосомам, чтобы перемещать и разделять хромосомы на два равных набора на противоположных полюсах. Новые клетки из митоза не будут новой особью, поскольку они находятся в бинарном делении.Они станут соматической клеткой, которая либо разовьется в специализированную дифференцированную клетку, либо клетку, которая митотически делится, давая начало другому набору новых клеток.

Таблица: Бинарное деление против митоза

Примеры бинарного деления

Несколько организмов выполняют бинарное деление.Бактерии, например, используют его как способ размножения. Как уже упоминалось выше, деление бактерий влечет за собой хромосомную репликацию, хромосомную сегрегацию и расщепление клеток. Другая группа организмов, которые размножаются двойным делением, — это простейшие. В делении простейших процесс аналогичен, поскольку влечет за собой аналогичные фундаментальные стадии. Однако простейшие отличаются от прокариот наличием митохондрий, которые также необходимо дублировать и делить. Они различаются тем, как расщепляется их клетка. Например, у амеб цитокинез происходит в любой плоскости.Таким образом, их двойное деление является примером нерегулярного типа. Что касается продольного типа, пример Euglena . Ceratium , в свою очередь, является простейшим, у которого цитокинез происходит наклонно. Paramecium — пример простейших, чье бинарное деление происходит по поперечному типу.

См. Также

Ссылки

1. Бинарное деление и другие формы размножения у бактерий | Кафедра микробиологии. (2020). Cornell.Edu. https: //micro.cornell.edu / research / epulopiscium / бинарные бактерии деления и других форм репродукции /

© BiologyOnline. Контент предоставлен и модерируется редакторами BiologyOnline.

Физика урана и ядерной энергии

(обновлено в ноябре 2020 г.)

• Ядерное деление — основной процесс производства ядерной энергии.
• Радиоактивный распад как продуктов деления, так и трансурановых элементов, образующихся в реакторе, дает тепло даже после прекращения деления.
• Реакции деления можно замедлить, чтобы увеличить расщепление, или немодерировать, чтобы получить дополнительное топливо.
• Для реакторов, в которых в качестве замедлителя используется легкая вода, требуется обогащенный уран.
• Разделение изотопов для обогащения урана осуществляется с помощью физических процессов.

Нейтроны

Движущиеся нейтроны — отправная точка всего, что происходит в ядерном реакторе.

Когда нейтрон проходит рядом с тяжелым ядром, например, с ураном-235 (U-235), нейтрон может быть захвачен ядром, и это может сопровождаться или не сопровождаться делением.Захват включает добавление нейтрона к ядру урана с образованием нового составного ядра. Простым примером является U-238 + n ==> U-239, который представляет собой образование ядра U-239. Новое ядро ​​может распасться на другой нуклид. В этом примере U-239 становится Np-239 после испускания бета-частицы (электрона). Но в некоторых случаях за первоначальным захватом быстро следует деление нового ядра. Происходит ли деление и действительно ли происходит захват, зависит от скорости проходящего нейтрона и от конкретного вовлеченного тяжелого ядра.

Ядерное деление

Деление может происходить в любом из тяжелых ядер после захвата нейтрона. Однако низкоэнергетические (медленные или тепловые) нейтроны способны вызывать деление только тех изотопов урана и плутония, ядра которых содержат нечетное количество нейтронов (, например, U-233, U-235 и Pu-239). Тепловое деление может также происходить в некоторых других трансурановых элементах, ядра которых содержат нечетное число нейтронов. Для ядер, содержащих четное число нейтронов, деление может происходить только в том случае, если падающие нейтроны имеют энергию выше примерно одного миллиона электрон-вольт (МэВ).(Недавно созданные нейтроны деления относятся к этой категории и движутся со скоростью примерно 7% от скорости света, в то время как замедленные нейтроны движутся намного медленнее, примерно в восемь раз быстрее скорости звука).

Нейтронные сечения деления урана и плутония

Считается, что нейтрон имеет тепловую энергию, когда он замедляется, чтобы находиться в тепловом равновесии с окружающей средой (когда кинетическая энергия нейтронов аналогична кинетической энергии окружающих атомов из-за их случайного теплового движения).Следовательно, основное применение деления урана сегодня — это тепловые реакторы, работающие на U-235 и содержащие замедлитель, такой как вода, для замедления нейтронов. Наиболее распространенный пример — легководные реакторы *.

* Существует две основных разновидности: реакторы с водой под давлением и реакторы с кипящей водой.

Другими делящимися тяжелыми ядрами (подразумевающими тепловое деление) являются U-233, Pu-239 и Pu-241. Каждый из них производится искусственно в ядерном реакторе из плодородных ядер Th-232 (в некоторых реакторах), U-238 и Pu-240 соответственно.U-235 — единственный изотоп природного происхождения, который является термически делящимся, и он присутствует в природном уране в концентрации 0,7%. U-238 и Th-232 являются основными фертильными изотопами природного происхождения.

Вероятность того, что произойдет деление или любая другая реакция, вызванная нейтронами, описывается нейтронным сечением этой реакции. Это можно представить как область, окружающую ядро-мишень, внутри которой должен пройти падающий нейтрон, если должна произойти реакция.Сечения деления и другие поперечные сечения сильно увеличиваются по мере того, как скорость нейтронов уменьшается с примерно 20 000 км / с до 2 км / с, что увеличивает вероятность некоторого взаимодействия. В ядрах с нечетным числом нейтронов, таких как U-235, сечение деления становится очень большим при тепловых энергиях медленных нейтронов.

Как предполагалось ранее, нейтроны с высокой энергией (> 0,1 МэВ) движутся слишком быстро, чтобы иметь сильное взаимодействие с ядрами в топливе. Поэтому мы говорим, что сечение деления этих ядер значительно уменьшается при высоких энергиях нейтронов по сравнению с его значением при тепловых энергиях (для медленных нейтронов).Тем не менее, это так называемое деление на быстрых нейтронах можно использовать в реакторе на быстрых нейтронах, конструкция которого сводит к минимуму замедление нейтронов высокой энергии, образующихся в процессе деления. См. ниже.

Ядерное деление — процесс

При использовании U-235 в тепловом реакторе в качестве примера, когда нейтрон * захватывается, полная энергия распределяется между 236 нуклонами (протонами и нейтронами), присутствующими в настоящее время в составном ядре. Это ядро ​​относительно нестабильно и, вероятно, разобьется на два фрагмента примерно половиной массы.Эти фрагменты представляют собой ядра, обнаруженные примерно в середине Периодической таблицы, и вероятностный характер распада приводит к нескольким сотням возможных комбинаций. Создание осколков деления почти мгновенно сопровождается испусканием ряда нейтронов (обычно 2 или 3, в среднем 2,45), которые позволяют поддерживать цепную реакцию.

* Цепная реакция начинается при добавлении некоторого количества бериллия, смешанного с полонием, радием или другим альфа-излучателем. Альфа-частицы в результате распада вызывают высвобождение нейтронов из бериллия, когда он превращается в углерод-12.

Распределение продуктов деления

Около 85% высвобождаемой энергии первоначально составляет кинетическая энергия осколков деления. Однако в твердом топливе они могут перемещаться только на микроскопические расстояния, поэтому их энергия преобразуется в тепло. Баланс энергии обеспечивается гамма-лучами, испускаемыми во время или сразу после процесса деления, и кинетической энергией нейтронов. Некоторые из последних являются мгновенными (так называемые мгновенные нейтроны), но небольшая часть (0.66% для U-235, 0,27% для U-233, 0,23% для Pu-239) задерживается, так как они связаны с радиоактивным распадом определенных продуктов деления. Самая длинная группа запаздывающих нейтронов имеет период полураспада около 56 секунд.

Высвобождение запаздывающих нейтронов является решающим фактором, позволяющим управлять системой (или реактором) с цепной реакцией и поддерживать ее в критическом состоянии. При критичности система цепной реакции находится в точном равновесии, так что количество нейтронов, образующихся при делении, остается постоянным.Это количество нейтронов может быть полностью объяснено суммой нейтронов, вызывающих дальнейшее деление, поглощенных иным образом и вытекающих из системы. В этих условиях мощность, вырабатываемая системой, остается постоянной. Чтобы повысить или понизить мощность, необходимо изменить баланс (с помощью системы управления), чтобы количество присутствующих нейтронов (и, следовательно, скорость выработки энергии) либо уменьшалось, либо увеличивалось. Система управления используется для восстановления баланса при достижении желаемого нового уровня мощности.

Количество нейтронов и конкретные продукты деления от любого акта деления регулируются статистической вероятностью, в том смысле, что точный распад отдельного ядра не может быть предсказан. Однако законы сохранения требуют сохранения общего числа нуклонов и полной энергии. Реакция деления в U-235 производит продукты деления, такие как Ba, Kr, Sr, Cs, I и Xe с атомными массами, распределенными около 95 и 135. Можно привести примеры типичных продуктов реакции, таких как:

U-235 + n ===> Ba-144 + Kr-90 + 2n + около 200 МэВ

U-235 + n ===> Ba-141 + Kr-92 + 3n + 170 МэВ

U-235 + n ===> Zr-94 + Te-139 + 3n + 197 МэВ

В таком уравнении сохраняется число нуклонов (протоны + нейтроны), e.грамм. 235 + 1 = 141 + 92 + 3, но можно показать, что небольшая потеря атомной массы эквивалентна высвобожденной энергии. Изотопы бария и криптона впоследствии распадаются и образуют более стабильные изотопы неодима и иттрия с испусканием нескольких электронов из ядра (бета-распад). Это бета-распады с некоторыми связанными с ними гамма-лучами, которые делают продукты деления очень радиоактивными. Эта радиоактивность (по определению!) Со временем уменьшается.

Полная энергия связи, выделяющаяся при делении атомного ядра, изменяется в зависимости от точного разрушения, но в среднем составляет около 200 МэВ * для U-235 или 3.2 x 10 ^-11 джоулей. Это примерно 82 ТДж / кг. То же, что и у U-233, а у Pu-239 — около 210 МэВ * на деление. (Это контрастирует с 4 эВ или 6,5 x 10 ^-19 Дж на атом углерода, сжигаемого в ископаемом топливе.)

Около 6% тепла, выделяемого в активной зоне реактора, происходит от радиоактивного распада продуктов деления и трансурановых элементов, образовавшихся в результате захвата нейтронов, в основном первых. Это должно быть учтено при остановке реактора, поскольку тепловыделение продолжается после прекращения деления.Именно этот распад заставляет использованное топливо изначально выделять тепло и, следовательно, нуждаться в охлаждении, как публично продемонстрировала авария на Фукусиме, когда охлаждение было потеряно через час после остановки, а топливо все еще производило около 1,5% тепла от полной мощности. Даже через год типичное отработанное топливо выделяет около 10 кВт остаточного тепла на тонну, а через десять лет оно снижается до 1 кВт / т.

Нейтронный захват: трансурановые элементы и продукты активации

Нейтроны могут быть захвачены неделящимися ядрами, и некоторая энергия вырабатывается этим механизмом в виде гамма-лучей, когда составное ядро ​​снимает возбуждение.Образовавшееся новое ядро ​​может стать более стабильным за счет испускания альфа- или бета-частиц. Захват нейтрона одним из изотопов урана сформирует так называемые трансурановые элементы, актиниды помимо урана в периодической таблице.

Поскольку U-238 составляет основную часть материала тепловыделяющего элемента в тепловом реакторе, захват нейтронов U-238 и создание U-239 является важным процессом.

• U-239 быстро испускает бета-частицу, превращаясь в нептуний-239.
• Np-239, в свою очередь, испускает бета-частицу, превращающуюся в плутоний-239, который является относительно стабильным.
• Некоторые ядра Pu-239 могут захватывать нейтрон и превращаться в Pu-240, который менее стабилен.
• При дальнейшем захвате нейтронов некоторые ядра Pu-240 могут, в свою очередь, образовать Pu-241.
• Pu-241 также подвергается бета-распаду до америция-241 (сердце бытовых детекторов дыма).

Как уже отмечалось, Pu-239 расщепляется так же, как U-235, , т.е. , с тепловыми нейтронами. Это еще один основной источник энергии в любом ядерном реакторе. Если топливо остается в реакторе в течение типичных трех лет, около двух третей Pu-239 расщепляется с U-235, и он обычно дает около одной трети выделяемой энергии.Масса продуктов его деления составляет около 100 и 135 атомных единиц массы. Одно отличие состоит в том, что при делении Pu-239 в тепловом реакторе в среднем получается 2,9 нейтрона вместо почти 2,5 для U-235, а его поперечное сечение деления в три раза превышает поперечное сечение захвата, так что примерно четверть реакций приводит к образованию неделящегося Pu-240. В быстром реакторе Pu-239 производит больше нейтронов за одно деление (, например, при 2 МэВ: четыре), поэтому он лучше подходит для спектра быстрых нейтронов (см. Ниже).

Основными трансурановыми составляющими отработанного топлива являются изотопы плутония, кюрия, нептуния и америция, последние три из которых являются «второстепенными актинидами». Эти альфа-излучатели имеют длительный период полураспада, распадаясь во времени, аналогичном изотопам урана. Они являются причиной того, что использованное топливо необходимо надежно утилизировать через несколько тысяч лет или около того, что может потребоваться только для распада продуктов деления.

Активность высокоактивных отходов от одной тонны отработанного топлива

Помимо трансурановых элементов в топливе реактора, продукты активации образуются везде, где нейтроны сталкиваются с любым другим материалом, окружающим топливо.Продукты активации в реакторе (и особенно его стальные компоненты, подверженные воздействию нейтронов) варьируются от трития (H-3) и углерода-14 до кобальта-60, железа-55 и никеля-63. Последние четыре радиоизотопа создают трудности во время возможного сноса реактора и влияют на то, в какой степени материалы могут быть переработаны.

Реакторы на быстрых нейтронах

В реакторе на быстрых нейтронах топливом в активной зоне является Pu-239, а многочисленные нейтроны, которые утекают из активной зоны, порождают больше Pu-239 в плодородном бланкете из U-238 вокруг активной зоны.Незначительная часть U-238 может быть подвержена делению, но большая часть нейтронов, достигающих бланкета U-238, потеряет часть своей первоначальной энергии и, следовательно, подлежит захвату и, таким образом, воспроизводству Pu-239. Для охлаждения активной зоны реактора на быстрых нейтронах требуется теплоноситель с минимальным замедлением нейтронов, поэтому используются жидкие металлы, обычно натрий.

Такие реакторы могут быть до 100 раз более эффективными при преобразовании фертильного материала, чем обычные тепловые реакторы из-за расположения делящихся и воспроизводящих материалов, и есть некоторое преимущество в том факте, что Pu-239 дает больше нейтронов при делении, чем U-235. .Хотя оба дают больше нейтронов за одно деление при расщеплении быстрыми, а не медленными нейтронами, это случайно, поскольку сечения деления намного меньше при высоких энергиях нейтронов. В то время как коэффициент конверсии (отношение новых делящихся ядер к делящимся ядрам) в нормальном реакторе составляет около 0,6, в быстром реакторе может превышать 1,0. Реакторы на быстрых нейтронах могут быть спроектированы как размножающие, чтобы производить больше делящегося материала, чем они потребляют, или как горелки плутония для утилизации избыточного плутония.Плутониевая горелка будет спроектирована без воспроизводящего бланкета, просто с активной зоной, оптимизированной для плутониевого топлива, и это вероятная форма будущих реакторов на быстрых нейтронах, даже если они будут иметь некоторую воспроизводящую функцию.

Например, реактор-размножитель на быстрых нейтронах был первоначально задуман для увеличения мировых запасов урана и мог сделать это примерно в 60 раз. Хотя несколько стран осуществляли обширные программы разработки реакторов-размножителей на быстрых нейтронах, возникли серьезные технические проблемы и проблемы с материалами.В той мере, в какой это позволяли эти программы, не было установлено, что какой-либо из проектов был бы коммерчески конкурентоспособен с существующими легководными реакторами. Важным аспектом экономики быстрых реакторов является ценность получаемого плутониевого топлива; если это не демонстрирует преимущества по сравнению с современными затратами на уран, от использования этого типа реактора будет мало пользы. Эта точка зрения была подтверждена в 1980-х и 1990-х годах признанием большого количества урана в геологических ресурсах и его относительно низкой в ​​то время цены.

обладают сильным отрицательным температурным коэффициентом (реакция замедляется при чрезмерном повышении температуры), неотъемлемой функцией безопасности и основой автоматического отслеживания нагрузки в некоторых новых конструкциях за счет управления потоком теплоносителя.

Сегодня интерес к реакторам на быстрых нейтронах возобновился по трем причинам. Во-первых, их потенциальная роль в сжигании долгоживущих актинидов, извлеченных из отработанного топлива легководных реакторов, во-вторых, краткосрочная роль в утилизации бывшего военного плутония и, в-третьих, обеспечение более полного использования мировых ресурсов урана (даже несмотря на то, что они повторно используются). обильный).Во всех отношениях технология важна с точки зрения долгосрочной устойчивости мировой энергетики.

Для получения дополнительной информации см. Страницу «Реакторы на быстрых нейтронах».

Контроль деления

При делении ядер U-235 обычно выделяется 2 или 3 нейтрона, в среднем почти 2,5. Один из этих нейтронов необходим для поддержания цепной реакции на устойчивом уровне контролируемой критичности; в среднем, другие утекают из области активной зоны или поглощаются в реакциях неделения.Управляющие стержни, поглощающие нейтроны, используются для регулирования выходной мощности реактора. В них обычно используется бор и / или кадмий (оба являются сильными поглотителями нейтронов), и они вставляются между тепловыделяющими сборками. Когда они немного отодвигаются от своего положения при критичности, количество нейтронов, доступных для продолжающегося деления, превышает единицу (, т.е. превышена критичность ), и уровень мощности увеличивается. Когда мощность достигает желаемого уровня, стержни управления возвращаются в критическое положение, и мощность стабилизируется.

Способность управлять цепной реакцией полностью обусловлена ​​наличием небольшой доли запаздывающих нейтронов, возникающих в результате деления (0,66% для U-235, 0,27% для U-233, 0,23% для Pu-239). Без них любое изменение критического баланса цепной реакции привело бы к практически мгновенному и неконтролируемому увеличению или уменьшению популяции нейтронов. Также уместно отметить, что безопасная конструкция и эксплуатация реактора устанавливают очень строгие ограничения на допустимые отклонения от критичности.Эти ограничения встроены в общий дизайн.

Во время сжигания топлива в реакторе постепенно накапливаются продукты деления и трансурановые элементы, вызывающие дополнительное поглощение нейтронов. Систему управления необходимо отрегулировать, чтобы компенсировать повышенное поглощение. Когда топливо находится в реакторе в течение трех лет или около того, это увеличение абсорбции, наряду с металлургическими изменениями, вызванными постоянной нейтронной бомбардировкой топливных материалов, диктует необходимость замены топлива.Это эффективно ограничивает выгорание примерно до половины делящегося материала, после чего тепловыделяющие сборки должны быть удалены и заменены свежим топливом. Срок службы топлива можно продлить за счет использования выгорающих ядов, таких как гадолиний, действие которых компенсирует накопление поглотителей нейтронов.

Нейтроны, высвобождаемые при делении, изначально являются быстрыми (скорость около 10 ⁹ см / с или энергия выше 1 МэВ), но деление в U-235 наиболее легко вызывается медленными нейтронами (скорость около 10 ⁵ см / с, или энергия около 0.02 эВ). Таким образом, материал замедлителя, содержащий легкие атомы, окружает топливные стержни в реакторе. Не поглощая слишком много, он должен замедлять нейтроны в упругих столкновениях (сравните это со столкновениями между бильярдными шарами в атомном масштабе). В реакторе, использующем природный (необогащенный) уран, единственными подходящими замедлителями являются графит и тяжелая вода (они имеют низкие уровни нежелательного поглощения нейтронов). При обогащенном уране (, т.е. повышенная концентрация U-235) обычная (легкая) вода может использоваться в качестве замедлителя.(Вода также обычно используется в качестве хладагента, чтобы отводить тепло и генерировать пар.)

Для управления цепной реакцией в различных типах реакторов могут использоваться другие функции. Например, небольшое количество бора может быть добавлено к охлаждающей воде, и его концентрация будет постепенно уменьшаться по мере того, как другие поглотители нейтронов накапливаются в топливных элементах. (В аварийных ситуациях может быть предусмотрено быстрое добавление чрезмерного количества бора в воду.)

Промышленные энергетические реакторы обычно проектируются с отрицательными температурными и пустотными коэффициентами.Значение этого состоит в том, что если температура должна подняться выше нормального рабочего уровня или если кипение должно выйти за пределы допустимого уровня, баланс цепной реакции нарушается, так что скорость деления и, следовательно, понижается. Один из задействованных механизмов — это эффект Доплера, при котором U-238 поглощает больше нейтронов при повышении температуры, тем самым подталкивая нейтронный баланс к докритическому. Другой важный механизм в легководных реакторах заключается в том, что образование пара внутри водяного замедлителя снижает его плотность и, следовательно, его замедляющий эффект, и это снова смещает нейтронный баланс в сторону докритического.

В военно-морских реакторах, используемых для приведения в движение, где смена топлива затруднена, топливо изначально обогащается до более высоких уровней и включаются выгорающие яды — поглотители нейтронов, и первоначальная топливная нагрузка может продлиться до срока службы судна. Следовательно, по мере накопления продуктов деления и трансурановых элементов «яд» истощается, и два эффекта имеют тенденцию нейтрализовать друг друга. Чтобы максимально увеличить выгорание топлива коммерческих реакторов, все чаще используются выгорающие яды, такие как гадолиний, наряду с увеличением обогащения до 5% по U-235.Гадолиний входит в состав керамических топливных таблеток. Альтернативой является встроенный абсорбер выгорающего топлива из бромида циркония (IFBA) в виде тонкого покрытия на обычных таблетках. Сейчас он используется в большинстве реакторов США и некоторых в Азии.

Во время сжигания топлива в реакторе постепенно накапливаются продукты деления и трансурановые элементы, вызывающие дополнительное поглощение нейтронов. Систему управления необходимо отрегулировать, чтобы компенсировать повышенное поглощение. Когда топливо находится в реакторе в течение трех лет или около того, это увеличение абсорбции, наряду с металлургическими изменениями, вызванными постоянной нейтронной бомбардировкой топливных материалов, диктует необходимость замены топлива.Это эффективно ограничивает выгорание примерно до половины делящегося материала, после чего тепловыделяющие сборки должны быть удалены и заменены свежим топливом. Срок службы топлива можно продлить за счет использования выгорающих ядов, таких как гадолиний, действие которых компенсирует накопление поглотителей нейтронов.

Деление при разведке урана

Традиционно при разведке урана в большинстве случаев использовалось измерение гамма-излучения от уранового рудного тела. Однако это происходит от продуктов распада, а не от самого урана.Если уран был выщелочен из исходного рудного тела с продуктами его распада и отложен в другом месте, например, в заглубленных речных каналах, гамма-измерения не дают точного определения концентраций урана. Лучшим показателем является небольшое расщепление.

Портативный прибор для каротажа мгновенных нейтронов деления (PFN) использует источник нейтронов и детектор нейтронов. Источник нейтронов облучает залежь урана, и мгновенные или запаздывающие нейтроны, возникающие в результате деления любого урана, присутствующего в пласте, обнаруживаются и регистрируются.Это единственный надежный способ геофизических измерений некоторых урановых месторождений.

Ядерный синтез

Несмотря на то, что это не только уран, в настоящее время проводится множество исследований по использованию энергии ядерного синтеза. Возможен ряд реакций, но технологически доступной является дейтерий-тритиевая реакция. Это оказалось возможным в небольшом реакторе — Joint European Torus (JET) — где на короткое время было достигнуто 16 МВт, а в 1997 году было поддержано 5 МВт.В настоящее время эта работа расширяется на международном уровне с помощью ИТЭР, строящегося во Франции.

Реакция:

H-2 + H-3 ===> He-4 + нейтрон + 17,6 МэВ

Тритий можно вывести из лития-6 в бланкете вокруг тора, используя нейтроны реакции:

Li-6 + нейтрон == ⇒ He-4 + H-3 (тритий) + 4,8 МэВ

В морской воде относительно много дейтерия.

Для получения дополнительной информации см. Страницу «Ядерный синтез».

Обогащение урана

Обогащение или разделение изотопов — это физический процесс концентрирования («обогащения») одного изотопа относительно других.Наиболее распространенные типы промышленных энергетических реакторов используют воду как в качестве замедлителя, так и в качестве теплоносителя. Критичность может быть достигнута только с водяным замедлителем, если топливо обогащено. Обогащение увеличивает долю делящегося изотопа U-235 примерно в пять-семь раз по сравнению с 0,7% U-235, содержащимся в природном уране. Обогащение обычно зависит от небольшой разницы масс между атомами двух изотопов U-238 и U-235. Двумя основными процессами обогащения (или разделения изотопов) являются диффузия (диффузия газа под давлением через мембрану, содержащую микроскопические поры) и центрифугирование.

Для получения дополнительной информации см. Страницу по обогащению урана

Примечания и ссылки

Общие источники

Алан Маркс
ANSTO
Альберт Рейнольдс, 1996, Bluebells and Nuclear Energy , Cogito Press
Энтони Неро-младший, 1979, A Guidebook to Nuclear Energy , UC Press
К. Р. Хилл и Р. С. Пиз, 1999, Ядерное электричество — памятные воспоминания, в Ядерная энергия, обещание или опасность? World Scientific

Энергия ядерного деления