Происхождение активной энергии
Ядерное деление тяжелых элементов вырабатывает энергию , потому что удельная энергия ( энергия на единицу массы ) от промежуточной массы ядер с атомными номерами и атомными массами близко к 62Ni и 56Fe больше нуклон- удельная энергия очень тяжелых ядер , так, чтобы энергия высвобождалась , когда тяжелые ядра распадаются . Общяя масса остальной части продуктов деления (Мр ) меньше из одной реакции , чем масса исходного ядра топлива (M). Избыток массы Ат = Д - Сп является инвариантной массы энергии, которая высвобождается в виде фотонов ( гамма-лучи) и кинетической энергии осколков деления , в соответствии с эквивалентности массы и энергии формулой E = mc2 .
Изменение удельной энергии связи с атомным номером связано с взаимодействием двух основных сил, действующих на компоненте нуклонов ( протонов и нейтронов) , входящих в состав ядра. Ядра, связаны по привлекательным ядерных сил между нуклонами, который преодолевает электростатического отталкивания между протонами . Тем не менее, ядерная сила действует только на относительно коротких расстояниях (несколько диаметров нуклон) , так как следует, экспоненциально затухающей потенциал Юкавы, что делает его , незначительные на больших расстояниях. Электростатическое отталкивание имеет большую дальность, так как он распадается на обратных квадратов правило, так , что ядра больше, чем около 12 нуклонов в диаметре достигают такого пункта , что общее электростатическое отталкивание преодолевает ядерные силы и заставляет их быть спонтанно неустойчивыми. По той же причине , больше ядер ( более чем около восьми нуклонов в диаметре ) менее тесно связаны на единицу массы, чем меньше ядер; разрушение большего ядра на два или более промежуточных размеров энергии ядер версий. Происхождение этой энергии является ядерная сила, которая промежуточных размеров ядер позволяет действовать более эффективно, потому что каждый нуклон имеет больше соседей , которые находятся в диапазоне коротких достопримечательностью этой силы . Таким образом, требуется меньше энергии в небольших ядрах , а разница в состояние до выйдет на свободу .
Кроме того, из-за малого радиуса сильного обязательной силы, большие стабильные ядра должны содержать пропорционально больше нейтронов , чем самые легкие элементы , которые являются наиболее стабильными с 1 по 1 соотношение протонов и нейтронов . Ядра, которые имеют более чем 20 протонов , не могут быть стабильными , если не более чем равное количество нейтронов. Дополнительные нейтронов стабилизации тяжелых элементов , потому что они добавляют к сильной силой связывания (который действует между всеми нуклонами ) , не добавляя к протон-протонных отталкивания. Продукты деления, в среднем, примерно одинаковое соотношение нейтронов и протонов в качестве родительского ядра , и, следовательно, обычно нестабильных бета-распада (который меняется нейтронов в протоны ) , потому что они имеют пропорционально слишком много по сравнению с нейтронами стабильных изотопов аналогичной массы .
Эта тенденция для продуктов деления ядер к бета -распаду является основной причиной проблемы радиоактивных отходов высокого уровня радиоактивности от ядерных реакторов . Продукты деления , как правило, бета-излучателей , испуская быстро движущиеся электроны сохранения электрического заряда , как избыток нейтронов преобразовать в протонов в продуктов деления атомов. См. продукты деления ( элементом ) для описания продуктов деления сортируются по элементу.
Цепные реакции
Несколько тяжелых элементов, таких как уран, торий и плутоний , пройти как спонтанное деление , форма радиоактивном распаде и делении , форма ядерной реакции. Элементный изотопов , которые подвергаются при делении при ударе свободный нейтрон называются расщепляющиеся ; изотопов , которые подвергаются делению при ударе тепловых, медленно движущихся нейтронов называются также расщепляющихся . Несколько особенно делящегося и могут быть легко получены изотопы (в частности, 233U , 235U и 239Pu ) называются ядерного топлива , поскольку они могут поддерживать цепную реакцию и может быть получена в достаточно больших количествах, чтобы быть полезным.
Все делящихся и делящиеся изотопы пройти небольшое количество спонтанного деления , который выпускает несколько свободных нейтронов в любой образец ядерного топлива. Такие нейтроны выброс струи из топлива и стал свободным нейтронов со средним временем жизни около 15 минут до распадается на протоны и бета-частиц . Однако нейтронов почти всегда воздействия и поглощается другими ядрами в непосредственной близости задолго до того, это происходит ( вновь созданный нейтронов деления двигаться около 7 % от скорости света, и даже замедленных нейтронов двигаться примерно 8 раз больше скорости звука). Некоторые нейтроны повлияет топлива ядра и вызывают дальнейшее делений , высвобождая еще больше нейтронов . Если достаточное количество ядерного топлива собраны в одном месте, или если побега нейтронов достаточно содержащихся , то эти недавно вылетевших нейтронов больше, чем нейтронов, побег из собраний, а также устойчивый цепная ядерная реакция будет иметь место.
Ассамблея , которая поддерживает устойчивое ядерной цепной реакции , называется критической сборки или , если сборка почти полностью сделан из ядерного топлива ,критической массы. Слово " критических " относится к пиком в поведении дифференциальное уравнение , которое регулирует количество свободных нейтронов в топливе : если меньше критической массы присутствует, то количество нейтронов определяется радиоактивного распада , но если критической массы или больше присутствует, то количество нейтронов контролируется , а по физике цепной реакции. Фактическая масса критическая масса ядерного топлива сильно зависит от геометрии и окружающих материалов.
Не все делящихся изотопов может поддерживать цепную реакцию . Так, например, 238U , самый распространенный вид урана , является делящегося но не делящиеся : он подвергается делении при ударе энергичным нейтрона с более 1 МэВ кинетической энергии. Тем не менее, слишком мало нейтронов, возникающих при делении 238U являются достаточно энергичными , чтобы вызвать дальнейшие деления в 238U , так что цепная реакция не возможна с этого изотопа . Вместо этого, бомбардирующих 238U медленными нейтронами приводит к его поглощать их ( становится 239U ) и разложения бета- излучения для 239Np , который затем распадается снова в том же процессе в 239Pu , что процесс используется для изготовления 239Pu в реакторы . В месте производства плутония также способствует реакции нейтронов цепи в других типах реакторов после достаточного плутоний-239 был произведен , так как плутоний-239 также является делящимся элементом , который служит в качестве топлива. По оценкам, до половины энергии, производимой стандартный "неселекционер» реактора производится распада плутония -239 производится на месте, более полного жизненного цикла загрузки топлива .
Расщепляющихся , не делящиеся изотопы можно использовать в качестве источника энергии деления даже без цепной реакции. Бомбардировка 238U быстрыми нейтронами вызывает деления с выделением энергии до тех пор, в качестве внешнего источника нейтронов присутствует. Это важный эффект во всех реакторах, где быстрые нейтроны из делящегося изотопа может вызвать деление соседних ядер 238U , которая означает, что некоторая небольшая часть 238U является " сгоревший до " во всех ядерного топлива , особенно в быстрых реакторов , что работать с более высокой энергией нейтронов. В том же быстро деления эффект используется для увеличения энергии, выделяющейся при современном термоядерном оружии , по оболочке с оружием 238U в реакцию с нейтронами выпущен ядерного синтеза в центре устройства.
Ядерные реакторы деления
Критические реакторов деления являются наиболее распространенным типом ядерного реактора. В критическом реакторе деления , нейтронов, возникающих при делении атомов топлива используется, чтобы вызвать еще больше делений , для поддержания управляемой количество энергии релизе. Устройства, которые производят инженерные но не самоподдерживающейся реакции деления являются докритическим реакторов деления. Такие устройства используют радиоактивный распад или ускорители частиц , чтобы вызвать делений .
Критические реакторов деления строятся для трех основных целей, которые обычно включают в себя различные инженерные компромиссы , чтобы воспользоваться либо тепло или нейтронов, возникающих при цепной реакции деления :
Реакторы мощности предназначены для производства тепла для ядерной энергетики, либо как часть газогенераторной станции или локальной системы питания, например, атомной подводной лодки.
реакторов исследования предназначены для производства нейтронов и / или активировать радиоактивных источников для научных, медицинских , инженерных и других целей исследования.
Реакторы заводчик предназначены для производства ядерного топлива в натуральном выражении от более обильные изотопов. Более известных реактор на быстрых нейтронах делает 239Pu (ядерное топливо ) от естественно, очень обильные 238U (неядерное топливо ) . Реакторы на тепловых нейтронах заводчик ранее протестированы с использованием 232Th разводить делящегося изотопа 233U ( топливный цикл тория ) продолжают изучаться и развиваться.
Хотя , в принципе, все реакторы деления может действовать во всех трех емкостях , на практике задачи привести к противоречивым целям инженерных и большинство реакторов были построены лишь с одной из поставленных задач в уме. (Есть несколько ранних контр-примеры, такие как реактор Hanford N, теперь списан ) . Энергетические реакторы обычно преобразования кинетической энергии продуктов деления в тепло, которое используется для нагрева рабочей жидкости и управлять тепловой двигатель , который генерирует механическую или электрическую энергию. Рабочей жидкости, как правило, вода с паровой турбиной , а некоторые конструкции использовать другие материалы, такие как газообразный гелий. Исследовательские реакторы производят нейтроны, которые используются по-разному, с теплотой деления рассматривается как неизбежный продукт отходов. Нейтронах специализированная форма исследовательского реактора, с оговоркой, что облучаемого образца , как правило, само топливо , смесь 238U и 235U .
атомных бомб
Один класс ядерного оружия , атомной бомбы (не путать термоядерная бомба ) , иначе известный как атомная бомба или атомная бомба , является ядерного реактора предназначена для освобождения столько же энергии, как по возможности как можно быстрее, ранее выпущенного энергии вызывает реактор взорваться ( и цепная реакция остановить ) . Разработку ядерного оружия было причиной ранних исследований в делении ядер : Манхэттенский проект американских военных во время Второй мировой войны проводится большинство ранних научных работ по цепной реакции деления , что привело к бомбе Троицы теста и маленький мальчик и жиры Человек бомбы, которые взрывались над городами Хиросима и Нагасаки , Япония в августе 1945 года .
Даже первые бомбы деления были в тысячи раз более взрывоопасной , чем сопоставимые массы химического взрывчатого вещества . Например , малыш весил в общей сложности около четырех тонн ( из которых 60 кг было ядерного топлива ) и был длиной 3,4 м. , она также дала взрыва эквивалентна примерно 15 килотонн тротила , уничтожив большую часть города Хиросимы. Современные ядерного оружия (в том числе термоядерный синтез , а также одну или несколько стадий деления ) в сотни раз более энергичными для своего веса , чем первая чистая деления атомных бомб , так что одна бомба современных ракетных боеголовок весом менее 1/8 , как сколько маленький мальчик выход 475000 тонн тротила , и может привести к разрушению примерно в 10 раз территории города.
В то время как фундаментальной физики цепной реакции деления в ядерном оружии похожа на физике управляемого термоядерного реактора , двух типов устройство должно быть сконструирован по-разному. Ядерную бомбу предназначено для выпуска всю свою энергию на один раз, а реактор предназначен для создания стабильного снабжения полезной мощности . В то время как перегрев реактора может привести, и привело к , кризис и паровых взрывов ,значительно ниже по обогащению урана делает невозможным для ядерного реактора , чтобы взорваться с такой же разрушительной силой , как ядерное оружие. Кроме того, трудно для извлечения полезной энергии от ядерной бомбы , хотя по крайней мере одна ракета двигательной установки, проект Orion , была предназначена для работы при взрыве атомных бомб за массово мягкий и экранированных космических аппаратов.
Стратегическое значение ядерного оружия является одной из основных причин, почему технологии ядерного деления является политически чувствительным. Жизнеспособные конструкции атомной бомбы являются , возможно , в пределах возможностей многие из которых являются относительно простой с инженерной точки зрения. Тем не менее, сложность получения расщепляющихся ядерных материалов для реализации проектов является ключом к относительной недоступности ядерного оружия для всех, кроме современного индустриального правительства при помощи специальных программ для производства расщепляющихся материалов.
Природные цепной - реакторов на Земле
Хотя ядерные реакторы деления часто думают как о исключительно продуктом современных технологий, первые ядерные реакторы деления были на самом деле естественным . Естественный ядерный реактор может произойти при определенных обстоятельствах , которые имитируют условия построен реактор. Пятнадцать природных ядерных реакторов до сих пор были найдены в трех отдельных месторождений руды на шахте Окло в Габоне , Западная Африка. Впервые обнаружен в 1972 году французский физик Франсис Перрен , они все вместе известны как реакторы около ископаемых. Автономность ядерных реакций деления состоялась в этих реакторах примерно 1,5 миллиарда лет назад , и побежал за несколько сотен тысяч лет , составляя в среднем 100 кВт выходной мощности в течение этого времени . Концепция естественного ядерного реактора предположил еще в 1956 году Полом Курода в Университете Арканзаса.
Такие реакторы больше не может форму на Земле: радиоактивный распад за этот огромный промежуток времени сократилась доля 235U в природных урана до уровня ниже суммы, необходимой для поддержания цепной реакции.
Природного ядерного реактора образуется, когда богатых ураном месторождений полезных ископаемых стала затоплены грунтовыми водами, что выступал в качестве замедлителя нейтронов , и сильный цепной реакции имели место. Воду замедлителя выкипает, как реакция увеличилось, замедляя его обратно вниз и предотвращение кризиса. Реакция деления сохранялась на протяжении сотен тысяч лет.
Эти природные реакторы широко изучается учеными, заинтересованные в геологическом захоронении радиоактивных отходов. Они предлагают случае изучение того, как радиоактивные изотопы мигрируют через земную кору . Это значительная площадь споров, как противники геологических страха отходов , что изотопы от хранящихся отходов может оказаться в водоснабжении или выноситься в окружающую среду.