Ядролық реактор. Физика, 11 сынып, қосымша материал

Қосымша 1.

Уран ядроларының бөлінуі. Тізбекті реакция

уран атом ядросы артық нейтронды жұтып алып, қозады (возбуждается) және пішіні созылып барып деформацияланады (162 б- сурет).

 Ядрода әсер ететін екі күш бар: ядроны бұзуға тырысатын протондар арасындағы электростатикалық тебілу күші және ядроны бұзбай ұстап тұратын барлық нуклондар арасындағы ядролық тартылу күштері. Бірақ ядролық күштер — қысқа әсерлі, сондықтан ядро формасы созылған күйде болғанда бір-бірінен алыстап кеткен нуклондар арасындағы тартылыс күші оларды ұстап тұра алмайды. Сондықтан нуклондар тебілетін электростатикалық күш ядроны екі бөліп жарады.(162, в- сурет). Нәтижесінде екіге бөлінген жарықшақтар өте үлкен жылдамдықтармен тарап,өздерінен 2—3 нейтрон босатады.

 Ядроның ішкі энергиясының бір бөлігі бөлініп шашылған жарықшақтардың кинетикалық энергияларына айналады.Бірдей уақытта уранның көп ядролары бөлінгенде қоршаған ортаның ішкі энергиясы артып ,температуасы қызады. Сондықтан уран ядросының бөліну реакциясы қоршаған ортаға алапат энаргия бөледі. 1 г уран ядроларының бөліп шығаратын энергиясы 2,5 т мұнай жанғанда беретін энергияға тең.Ал атомдық ядроның ішкі энергиясын атом электростанцияларында электр энергиясына айналдыру үшін ядроның бөлінуінің тізбектелген реакциясын қолданады.

 163-суретте изотопы ядросының тізбектелген реакциясының механизмін қарастырамыз.Уран атом ядросы нейтронды қосып алғаннан кейін екіге бөлініп үш нейтронды бөліп шығарады. Бұл екі нейтрондар басқа екі ядроның реакциясын тудырып, тағы да төрт нейтрондар туғызады және т.б.

 Әр ядродан бөлінген 2—3 нейтрон келесі ядролардың бөлінулері арқылы тізбектелген реакциялар туындайды.

 163-суретте уран кесегі атомы ядросының тізбектелген реакция схемасында босап шыққан нейтрондар ағыны көптігі көрсетілген.Соған сәйкес ядролардың бөліну саны артып бірлік уақыты ішінде бөлінетін энергия күрт артып, реакциялық сипаты жарылғыш болып табылады (атомдық бомбаларда ).

 Басқаша вариантында еркін нейтрондар саны уақыт өтуіне байланысты кемиді. Бұл жағдайда тізбектелген реакция тоқтатылады. Демек мұндай реакцияны электроэнергиясын өндіруге қолдануға болмайды.

 Бейбіт өмірде нейтрондар саны уақыт өтуіне байланысты өзгермейтін тізбектелген реакция беретін энергияны қолдануға болады.

 Нейтрондар саны уақыт өтуіне байланысты өзгермеуін қалай жасауға болады? Ол үшін мысалы уранның нейтрондар санын азайтып , көбейту үшін қандай факторлар әсер ететінін анықтау керек.

 Ол факторлардың біреуі уранның массасы. Себебі ядродан бөлініп шыққан әр нейтрон басқа ядролардың бөлінуіне алып келеді. (сурет- 163).Егер уран кесегінің массасы (и соответственно размеры) тым аз болса, көп нейтрондар жолында ядроны кездестірмей сыртқа шығып кеткендіктен тізбектелген реакция орындалмауы мүкін.Сондықтан реакция тоқтап қалмау үшін уранның массасын критикалық мөлшерге дейін жеткізу керек.

 Массаны үлкейткенде неге тізбектелген реакцияның орындалуы мүмкін? Неғұрлым кесек массасы үлкен болса кесектің өлшемі де үлкен және соғұрлым нейтрон жолы да үлкен болады.Яғни нейтрондар қозғалысының ядролармен кездесу мүмкіндіктері де көп болады және ядролардың бөліну сандары мен ыдырап шығатын нейтрондар саны да артады

 Критикалық массада уранның ядросы ыдырағанда бөлінетін нейтрондар саны кесекті тастап жоғалып кететін нейтрондар санына тең болады. Сондықтан олардың жалпы саны өзгермейді және тізбектелген реакция жарылыс жасамайтындай сипатта ұзақ уақыт жалғасады.

Уранның тізбектелген реакциясы жүруі мүмкін болатын массасын критикалық масса деп атайды.

 Егер уранның массасы критикалық массадан үлкен болса бос нейтрондар санының көптігінен тізбектелген реакция жарылысқа алып келеді,ал егер критикалық массадан кем болса нейтрондар санының аздығынан реакция жүрмей қалады.

 Жоғалатын нейтрондар санын азайту үшін (которые вылетают из урана, не прореагировав с ядрами) тек уран массасын арттырумен ғана емес , сонымен қатар шағылдыра алатын арнайы қабықшаны да қолдануға болады.Ол үшін . уран кесегін осындай(мысалы бериллий) қабықша ішіне орналастырғанда нейтрондар қабықшадан шағылып уранға қайтып келеді де ядроларды бөлу процесіне қатыса алады.

 Немесе басқа факторлар арқылы ,мысалы уран кесегінде басқа химиялық элементтердің қоспалары болғанда,олар артық нейтрондарды жұтып алып реакцияны тоқтата алады.

 Урандағы нейтрондарды тежегіштер реакция жүруіне әсер етеді. Өйткені уран-235 ядросы баяу нейтрондар әсерінен бөлінеді және ядролары бөлінгенде жылдам нейтрондар пайда болады. Егер жылдам нейтрондарды баяулатса олардың көпшілігі уран-235 ядросымен жұтылып олардың бөлінулеріне алып келеді.Баяулатқыштар ретінде графит, су, ауыр су (құрамында дейтерий —массалық саны 2 болатын сутегі изотопы) сияқты заттар қолданылады.Мұндай заттар нейтрондарды көп жағдайда жұтпай ғана баяулатады.

 Сонымен тізбектелген реакция уранның массасымен,ішіндегі қоспасымен, шағылдыра алатын қабықшасымен және баяулатқыш факторларымен бола алады.

 Шар тәріздес уран-235 радиусы 9 см болғанда критикалық массасы шамамен 50 кг.

 Шағылдыра алатын қабықшасын мен баяулатқышты және қоспаларын азайта отырып пайдалана отырып уранның критикалық массасын 0,8 кг дейін кемітуге болады.

Ақпарат көзі: Физика. 9 сынып. : оқулық / А. В. Перышкин, Е. М. Гутник. — М. : Дрофа, 2014.