uabooks.top » Fizika » 42. Az uránmag hasadásának láncreakciója. Termonukleáris reakciók
Інформація про новину
  • Переглядів: 17
  • Дата: 2-07-2020, 05:00
2-07-2020, 05:00

42. Az uránmag hasadásának láncreakciója. Termonukleáris reakciók

Категорія: Fizika




1938 végén felfedezték, hogy az uránmag (nehéz mag) a neutronokat elnyelve két hasadványra (két könnyű magra) esett szét. 1939 januárjában Enrico Fermi arra lett figyelmes, hogy a számítások alapján az uránmag hasadásakor neutronoknak kell létrejönniük, amelyeket az uránmagok újra elnyelnek, ezért nukleáris láncreakció jöhet létre. Felidézzük, hogyan vezetett ez a két felfedezés az atomreaktorok létrehozásához.

Nehéz magok hasadása és a nukleáris láncreakció

A nukleáris reakciókat vizsgálva megtudtátok, hogy a mag neutront nyelhet el. Az esetek többségében ez P_-radioaktivitáshoz vezet: bizonyos idó' múlva a mag belsejében lévó' egyik neutron protonná, elektronná és neutrínóvá alakul át. Az elektron és a neutrínó kirepül a magból, az új magnak a rendszáma pedig eggyel nagyobb lesz az elsó'dleges atom rendszámánál. így hozták létre a transzurán elemeket, például a neptúniumot és plutóniumot:

A neutron urán általi elnyelése más eredményt is hozhat: a mag gerjedni kezd és szinte egy pillanat alatt két hasadványra esik szét (meghasad)

(42,1. ábra). Az uránmag hasadása során a hasadványokon kívül neutron is felszabadul. Ezek a másodlagos neutronok újabb uránmagok hasadását okozhatják, amelyek újabb neutronokat szabadítanak fel, majd azok újabb maghasadást okozhatnak, és így tovább. Tehát az uránmintában nukleáris láncreakció mehet végbe.

42.1. ábra. Az uránmag hasadásának vázlata. Neutron elnyelésekor az uránmag gerjesztett állapotba kerül, és megnyúlik, majd folyamatosan tovább nyúlik, végül az instabil mag két hasadványra szakad szét

42.2. ábra. Nukleáris láncreakció létrejöttének vázlata: az uránmag egy hasadásakor 2 vagy 3 neutron szabadul fel, aminek eredményeként nukleáris láncreakció indul be

A nukleáris láncreakciót óriási mennyiségű energia felszabadulása kíséri, mivel nagy fajlagos kötési energiával rendelkező magok jönnek létre: az urán-235 magjának fajlagos kötési energiája nagyjából 7,6 MeV/nukleon, a hasadványok magjainak — a periódusos rendszer középső része elemeinek — 8,5 MeV/nukleon. Tehát egy urán-235 mag hasadásakor (235 nukleont tartalmaz) közel 200 MeV energia szabadul fel:

Ha az összes mag szétesik, például egy mól urán-235-ben (6,02 -1023 mag),

akkor

Ekkora energiamennyiség 2000 t fa elégésekor szabadul fel.

Mennyi fát kell elégetni ahhoz, hogy annyi energiához jussunk, amennyi 1 g urán

teljes hasadása során keletkezik?

Hogyan indítható el nukleáris láncreakció?

Ferminek a nukleáris láncreakcióról szóló hipotézisét a fizikusok elfogadták, noha az ellentmondott a tényeknek: senki sem látott ilyen reakciót természetes uránban. Vajon miért nem láttak? Környezetünkben mindig jelen van bizonyos mennyiségű szabad neutron (az ember testén át másodpercenként

1000 ilyen neutron halad át), amelyek az uránmintába kerülve láncreakciót válthatnak ki. A kísérletek azt igazolták, hogy 100 atommag osztódásakor 242 neutron szabadul fel, ami azt jelenti, hogy az uránmintának pillanatok alatt fel kellene robbannia. Viszont ez nem történik meg.

Arról van ugyanis szó, hogy a természetes urán alapvetően két radionuklid-ból tevődik össze:

Az urán-235 lassú és gyors neutronok hatására is hasad (jobban a lassabbak esetén). Viszont az urán-238 kizárólag a gyors neutronok hatására hasad (a lassú elektronokat alig nyeli el, a gyors elektronok 80%-át pedig hasadás nélkül fogadja be). A természetes urán 150 magjából 149 az urán-238 magja, a hasadás közben felszabadult neutronok többsége gyors, ezért ha azokat az urán-238 elnyeli, másodlagos neutronok alig jönnek létre.

Reméljük, rájöttetek: ahhoz, hogy a reakció mégis végbemenjen, a természetes uránt

izotóppal kell dúsítani és (vagy) az elektronokat le kell lassítani.

Viszont ez nem minden. Még ha

nuklidból álló tiszta uránt használnak

is fel, vagy tiszta plutóniumot

amelynek magjai neutronok elnyelése során

szintén hasadnak, kis tömegű mintán nem indul be láncreakció, mivel a neutronok többsége atommaggal való ütközés nélkül repül ki a mintából. Ha növelik a minta tömegét, akkor a hasadási reakcióba lépett neutronok mennyisége is növekedni fog, és egy bizonyos kritikus tömeg elérésével beindul a láncreakció. A gömb formájú mintának van a legkisebb kritikus tömege (adott térfogat mellett ekkor a legkisebb a gömbfelület). Például a tiszta urán

legkisebb kritikus tömege

közel 50 kg (17 cm átmérőjű gömb), a tiszta plutónium

(10 cm átmérőjű gömb). Ha két olyan uránmintát

érintenek egymáshoz, amelyek tömege alig kisebb a kritikus tömegnél, nagy erejű nukleáris robbanás jön létre.

Hogyan működik az atomreaktor

Az uránban és még néhány más anyagban végbemenő láncreakció a magenergia hő- vagy elektromos energiává alakításának az alapja. A reakció alatt mind újabb és újabb nagy kinetikus energiájú hasadványok keletkeznek. Ha egy darab uránt hőenergia hordozó közegbe merítenek, a hasadványok lefékeződnek, és felmelegítik a közeget. így működik a magreaktor, amelyben a magenergia hőenergiává alakul át (42.3. ábra).

Atomreaktor - minden esetben energia felszabadulásával járó irányított nukleáris hasadási láncreakció végrehajtására szolgáló berendezés.

Az irányított láncreakció a reaktor aktív zónájában megy végbe. A fűtőelemek (42.4. ábra) a reaktor aktív zónáját betöltő' energiahordozó közegben vannak, amely egyúttal neutronlassítóként is szolgál. A fűtőelemekben keletkező hasadványok felmelegítik a fűtőelem burkolatát, ami felmelegíti az energiahordozó közeget.

Az így kapott hőenergiát elektromos energiává alakítják át (42.5. ábra), ahogy azt a hőerőművekben teszik.

A nukleáris reakció lefolyásának ellenőrzés alatt tartása és az esetleges robbanás elkerülése végett szabályozó rudakat használnak, amelyek anyaga elnyeli a neutronokat. Ha például a reaktorban emelkedik a hőmérséklet, a rudak automatikusan a fűtőelemek közé ereszkednek, és ennek eredményeként a reakcióba lépő elektronok száma csökken, így a láncreakció lelassul.

Termonukleáris reakció

A fajlagos kötési energia tanulmányozása során tisztáztuk, hogy energia a nehéz magok hasadása és a könnyű magok szintézise során is felszabadulhat. Például ha deutériumot jH és tríciumot közelítenek egymáshoz, egyesülésük során 17,6 MeV energia szabadul fel (3,5 MeV minden egyes nukleon esetében), mivel nagyobb fajlagos kötési energiájú hélium

mag keletkezik:

Könnyű atommagok egyesülését nehezebb magokká igen magas hőmérsékleten (107 °С), ami energia felszabadulásával jár, termonukleáris reakciónak nevezzük.

A magas hőmérsékletre, vagyis az atommagok nagy kinetikus energiájára a magok elektromos taszításának a legyőzéséhez van szükség. E nélkül lehetetlen olyan távolságra közelíteni egymáshoz a könnyű atommagokat, hogy hatni kezdjenek közöttük a vonzási magerők.

A természetben termonukleáris reakciók a csillagok belsejében mennek végbe, ahol a hidrogén izotópok héliummá alakulnak át. A Nap a belsejében lezajló termonukleáris reakciónak köszönhetően a kozmikus térbe másodpercenként 3,8 -1026 J energiát sugároz ki. Ez óriási energia - ekkora energia előállításához el kellene égetni a Föld teljes széntartalékának az ezerszeresét.

A termonukleáris reakció a szinte kifogyhatatlan energia forrása. A fizikusoknak már sikerült létrehozniuk az ilyen reakciók beindulásának feltételeit, azonban ipari méretekben még nem hozták létre a reakciót, az egyelőre kísérleti stádiumban van. A termonukleáris reakció létrehozása nehezebbnek bizonyult, mint amennyire a kísérletek elején tűnt. De a fizikusok bíznak benne, hogy a termonukleáris reakció — a jövő energiaforrása.

Ukrajna atomenergetikája

Ukrajna a világ azon országai közé tartozik, ahol a jól képzett mérnökök és tudósok munkájának köszönhetően sikeresen fejlődik a modern technológia, többek között az atomenergetika is. Jelenleg az országban négy atomerőmű üzemel: a zaporizzsjai, a rivnei, a dél-ukrajnai és a hmelnickiji (42.6.-42.9. ábrák).

Ezekben az erőművekben 15 energiablokk működik, amelyek összteljesítménye 13 835 MW, amely az ország villamos energia szükségletének közel felét fedezi. Az erőművek működését több ezer jól képzett szakember biztosítja. Szinte mindegyik ukrajnai atomerőmű köré kisebb város épült.

Az, hogy Ukrajnában van nukleáris energiatermelés, mindenképpen enyhíti a hagyományos energiahordozók - gáz, kőolaj, tőzeg, kőszén — egyre növekvő hiányát.

Összegezés

A neutron urán általi elnyelése maghasadást okozhat. Ezt a magokban lévő neutronok felszabadulása kíséri. Ezek a másodlagos neutronok újabb uránmagok hasadását okozhatják — ezáltal energia felszabadulásával kísért nukleáris láncreakció megy végbe.

Az atomenergia hőenergiává történő átalakulása az atomreaktorokban — irányított nukleáris hasadási láncreakció végrehajtására szolgáló berendezésben - megy végbe. Az atomreaktor főbb részei: neutronlassító; energiahordozó közeg; láncreakciót szabályozó rendszer; védelmi rendszer.

Egyes könnyű magok egyesülése is energia felszabadulásával jár. Ez a reakció a termonukleáris reakció nevet kapta, mivel az elindításához óriási hőmérsékletre van szükség.

Jelenleg Ukrajnában négy atomerőmű üzemel, melyek összteljesítménye 13 835 MW, ami Ukrajna elektromos energiaszükségletének felét biztosítja.

Fizika számokban

Minden másodpercben: a Nap 3,8 -1026 J energiát sugároz ki a kozmikus térbe;

a Napról a Föld irányába 1,7 -1017 J energia esik;

a Föld felszínét 0,8 -1017 J energia éri el; a növények a fotoszintézis során 1014 J energiát raktároznak el;

a szántóföldekre, rétekre, legelőkre 1013 J energia jut (a fotoszintézis energiájának 10%-a); az ember 0,5 -1013 J energiát használ fel (vagyis a szántóföldek, rétek, legelők által elraktározott energia felét).

Ellenőrző kérdések

1. Milyen folyamatok játszódnak le, amikor az uránatom neutront nyel el? 2. írjátok le a nukleáris láncreakció mechanizmusát! 3. Létrejöhet-e nukleáris láncreakció természetes uránban? Válaszotokat magyarázzátok meg! 4. Miből áll az atomreaktor? Mire szolgálnak egyes elemei? 5. Hogyan működik az atomerőmű?

6. Honnan „veszik” az energiájukat a csillagok?

42. gyakorlat

1. Melyik a helyes válasz? Az uránatom hasadásakor felszabaduló energia legnagyobb részét: a) a felszabadult neutronok kinetikus energiája; b) a γ-sugárzás, c) a hasadványok kinetikus energiája; d) a hasadási anyagok által sugárzott neutrínók energiája alkotja.

2. Mennyivel változik másodpercenként a Nap tömege, ha sugárzásának teljesítménye 3,8 -1026 W?

Mekkora energiának felel meg 15 g urán (2g|U) elégetése az atomreaktorban, ha egy atomjának hasadása során 200 MeV energia szabadul fel?

Az atomjégtörő teljesítménye 80 000 kW. Egy nap alatt a reaktor 500 g uránt

használ fel. Határozzátok meg a reaktor hatásfokát!

5. Termonukleáris reakció során a deutériumból és tríciumból 2 g hélium keletkezett. Mekkora energia szabadult fel eközben?

6. Tudjátok meg, milyen kísérleteket végeztek, milyen berendezéseket építettek, a plazma előállításának milyen módszereit találtak fel a tudósok, miközben termonukleáris reaktort próbáltak létrehozni!

 

Fizika tankönyv 11. osztályosok szerzők Dovgy, Baryakhtar, Loktev

 




^