युरेनियम न्यूक्लीयच्या विखंडन प्रक्रियेचे मॉडेल. न्यूक्लियर फिशन: अणु केंद्रक विभाजित करण्याची प्रक्रिया. विभक्त प्रतिक्रिया

१.८. परमाणु विखंडन

1.8.1. जड केंद्रकांच्या विखंडन प्रतिक्रिया. विभक्त विखंडन यंत्रणा आणि सक्रियता ऊर्जा. आण्विक विखंडन उत्पादनांची रचना आणि विखंडन ऊर्जा. विखंडनचा प्राथमिक सिद्धांत

परमाणु विखंडन- एक आण्विक प्रतिक्रिया ज्यामध्ये दोन (कमी वेळा तीन) तुकड्यांचे केंद्रक तयार होतात. या प्रक्रियेमध्ये दुय्यम न्यूट्रॉन, क्वांटाचे उत्सर्जन आणि मोठ्या प्रमाणात ऊर्जा सोडली जाते.

ऐतिहासिक माहिती. जर्मनीमध्ये 1938 मध्ये, ओ. गॅन आणि एफ. स्ट्रासमन यांनी अचूक रेडिओकेमिकल विश्लेषण वापरून दाखवले की जेव्हा युरेनियम न्यूट्रॉनसह विकिरणित होते, तेव्हा त्यात बेरियम हे मूलद्रव्य तयार होते, जे आवर्त सारणीच्या मध्यभागी असते. प्रतिक्रिया दिसत होती

, (Q≈ 200 MeV). (१.८२)

30 पेक्षा जास्त युरेनियम-235 फिशन आउटपुट चॅनेल आहेत. एफ. जोलिओट-क्युरी आणि त्यांचे फ्रान्समधील सहयोगी आणि ई. फर्मी आणि इटलीतील त्यांच्या सहकार्यांनी आउटपुट चॅनेलमध्ये अनेक न्यूट्रॉनचे उत्सर्जन शोधले. जर्मनीतील ओ. फ्रिश आणि एल. मीटनर यांनी विखंडन दरम्यान उत्सर्जित होणारी प्रचंड ऊर्जा लक्षात घेतली. यामुळे स्वयं-शाश्वत आण्विक विखंडन प्रतिक्रियेची कल्पना पुढे आणण्यात मदत झाली. 1940 मध्ये, रशियामध्ये उत्स्फूर्त आण्विक विखंडन सापडले. आधुनिक अणुऊर्जेचा आधार म्हणजे न्यूट्रॉनच्या प्रभावाखाली युरेनियम आणि प्लुटोनियम केंद्रकांचे विखंडन. 1938 मध्ये आण्विक युग सुरू झाले.

प्रोटॉन, γ क्वांटा, α कण इ.च्या प्रभावाखाली देखील न्यूक्लियर फिशन होऊ शकते. न्यूट्रॉनद्वारे उत्तेजित केंद्रकांचे जबरदस्तीने विखंडन ( n, f) इतर प्रक्रियांशी स्पर्धा करते: रेडिएटिव्ह न्यूट्रॉन कॅप्चरसह ( n, γ ), म्हणजे γ-क्वांटमचे उत्सर्जन आणि न्यूक्लियसवर न्यूट्रॉनचे विखुरणे ( n, n).

न्यूक्लियर फिशनची संभाव्यता विखंडन क्रॉस सेक्शनच्या गुणोत्तराने निर्धारित केली जाते σ fएकूण न्यूट्रॉन कॅप्चर क्रॉस विभागात केंद्रक.

समस्थानिक, , शून्यापासून सुरू होणाऱ्या सर्व उर्जेच्या न्यूट्रॉनद्वारे विभागले जातात. या समस्थानिकांच्या विखंडन क्रॉस सेक्शन दरम्यान, विखंडन केंद्रकांच्या उर्जेच्या पातळीशी संबंधित अनुनाद दिसतात (चित्र 1.13 पहा).

विभक्त विखंडन यंत्रणा आणि सक्रियता ऊर्जा

अणुविखंडन प्रक्रियेचे वर्णन कूलॉम्ब बलांच्या (फ्रेन्केल या. एम., बोहर एन., व्हीलर, 1939) अंतर्गत एकसंध चार्ज केलेले द्रव ड्रॉपचे विखंडन म्हणून केले जाते. विभक्त होण्यासाठी, न्यूक्लियसला एक विशिष्ट गंभीर ऊर्जा प्राप्त करणे आवश्यक आहे, ज्याला सक्रियकरण ऊर्जा म्हणतात. न्यूट्रॉन कॅप्चर केल्यानंतर, एक उत्तेजित कंपाऊंड न्यूक्लियस तयार होतो. उत्तेजित केंद्रक कंपन करू लागतो. कोरची मात्रा बदलत नाही (अण्वस्त्र पदार्थ व्यावहारिकदृष्ट्या असंकुचित नसतात), परंतु कोरची पृष्ठभाग वाढते. पृष्ठभागाची उर्जा वाढते, म्हणून, पृष्ठभागावरील तणाव शक्ती मूळ स्थितीकडे परत येण्याचा कल असतो. प्रोटॉनमधील सरासरी अंतर वाढल्यामुळे कुलॉम्ब ऊर्जा निरपेक्ष मूल्यात कमी होते. कूलॉम्ब फोर्स न्यूक्लियसला फाडून टाकतात. न्यूक्लियस गोलाकार आकारापासून लंबवर्तुळाकृतीमध्ये बदलतो, त्यानंतर न्यूक्लियसचे चतुष्पाद विकृती होते, एक आकुंचन तयार होते, न्यूक्लियस डंबेलमध्ये बदलते, जे तुटते, दोन तुकडे बनते आणि "स्प्लॅश" - न्यूट्रॉनची जोडी.

न्यूक्लियसच्या विखंडन क्षमतेचे वैशिष्ट्य म्हणजे कौलॉम्ब ऊर्जेचे पृष्ठभागावरील ऊर्जेचे गुणोत्तर, न्यूक्लियसच्या बंधनकारक उर्जेच्या अर्ध-अनुभवजन्य सूत्रातून घेतले जाते.

कुठे - विभाज्यता मापदंड.

फिसिबिलिटी पॅरामीटर >17 असलेले न्यूक्ली विखंडन करू शकतात ()cr = 45 तात्काळ विखंडन (न्युक्लीयच्या उत्स्फूर्त विखंडनाची स्थिती). न्यूक्लियसचे विभाजन होण्यासाठी, त्याला विखंडन अडथळा नावाचा उर्जा अडथळा पार करणे आवश्यक आहे. सक्तीच्या विखंडनाच्या बाबतीत, न्यूक्लियस जेव्हा न्यूट्रॉन कॅप्चर करते तेव्हा त्याला ही ऊर्जा मिळते.

विखंडन उत्पादनांची रचना

विखंडन तुकडे . न्यूक्लियर फिशनचा मुख्य प्रकार म्हणजे दोन तुकड्यांमध्ये विखंडन. तुकडे वस्तुमानाने दोन ते तीन गुणोत्तरामध्ये विषमतेने विभागले जातात. विखंडन उत्पादनांचे उत्पन्न हे दिलेल्या विखंडनासह तयार केलेल्या विखंडनांच्या संख्येच्या गुणोत्तरानुसार निर्धारित केले जाते. एविभागांच्या पूर्ण संख्येपर्यंत. प्रत्येक विखंडन घटनेत दोन केंद्रके निर्माण होत असल्याने, सर्व वस्तुमान संख्यांसाठी प्रति विखंडन एकूण उत्पन्न 200% आहे. आण्विक विखंडन दरम्यान तुकड्यांच्या वस्तुमानाचे वितरण अंजीर मध्ये दर्शविले आहे. १.१४. आकृती थर्मल न्यूट्रॉनद्वारे विखंडनाच्या एकूण उत्पन्नाची विशिष्ट दुहेरी-कुबड वितरण वक्र दर्शवते. तुकड्यांचे आवेग चिन्हात समान आणि विरुद्ध आहेत. तुकड्यांचा वेग ~107 m/s पर्यंत पोहोचतो.

अंजीर.1.14. वस्तुमान संख्येवर थर्मल न्यूट्रॉनच्या प्रभावाखाली युरेनियम-२३५ आणि प्लुटोनियम-२३९ च्या विखंडन उत्पादनांचे अवलंबन ए.

विखंडन न्यूट्रॉन . निर्मितीच्या क्षणी, मूळ कोरचे तुकडे मोठ्या प्रमाणात विकृत झाले आहेत. जादा संभाव्य ऊर्जाविकृती तुकड्यांच्या उत्तेजित उर्जेमध्ये बदलते. विखंडन तुकड्यांमध्ये मोठा चार्ज असतो आणि मूळ न्यूक्लियसप्रमाणे न्यूट्रॉनमध्ये जास्त समृद्ध असतात. ते दुय्यम न्यूट्रॉन आणि γ क्वांटा उत्सर्जित करून स्थिर केंद्रकांमध्ये रूपांतरित होतात. न्यूट्रॉनच्या "बाष्पीभवनाने" तुकड्यांच्या केंद्रकांची उत्तेजना काढून टाकली जाते.

प्रॉम्प्ट फिशन न्यूट्रॉन हे 4 10-14 सेकंदांपेक्षा कमी वेळेत उत्सर्जित तुकड्यांद्वारे उत्सर्जित होणारे न्यूट्रॉन असतात. ते तुकड्यांमधून समस्थानिकपणे बाष्पीभवन करतात.

IN प्रयोगशाळा समन्वय प्रणाली(l.s.c.) विखंडन न्यूट्रॉनच्या उर्जा स्पेक्ट्रमचे मॅक्सवेलीयन वितरणाद्वारे चांगले वर्णन केले आहे

कुठे इ- l मध्ये न्यूट्रॉन ऊर्जा. s.k..gif" width="63 height=46" height="46"> – सरासरी स्पेक्ट्रम ऊर्जा.

क्रमांक vदुय्यम न्यूट्रॉन प्रति 1 कृती विखंडन थर्मल न्यूट्रॉन युरेनियम-235 साठी आहे v= 2.43, प्लुटोनियम-239 v= 2.89. (उदाहरणार्थ, 289 दुय्यम न्यूट्रॉन प्रति 100 विखंडन इव्हेंट्स एकाच वेळी तयार होतात).

γ क्वांटाचे उत्सर्जन . तुकड्यांमधून न्यूट्रॉन "बाष्पीभवन" झाल्यानंतर, ते उत्तेजित ऊर्जा टिकवून ठेवतात, जी प्रॉम्प्ट γ क्वांटाद्वारे वाहून जाते. न्यूट्रॉनच्या उत्सर्जनानंतर γ-क्वांटाच्या उत्सर्जनाची प्रक्रिया ~ 10-14 सेकंदात होते. प्रति विभाग एकूण प्रभावी किरणोत्सर्ग ऊर्जा इएकूण = 7.5 MeV..gif" width="67" height="28 src="> MeV. प्रति 1 विभागातील γ-क्वांटाची सरासरी संख्या.

विलंबित न्यूट्रॉन - मूळ केंद्रकांच्या विखंडनानंतर दिसणारे न्यूट्रॉन (10-2 सेकंद ते 102 सेकंद) विलंबित न्यूट्रॉनची संख्या< 1% от полного количества нейтронов деления. Механизм испускания связан с β -प्रकारच्या विखंडन तुकड्यांचा क्षय , ज्याची ऊर्जा β - क्षय हा न्यूट्रॉनच्या बंधनकारक ऊर्जेपेक्षा जास्त असतो. या प्रकरणात बंदी आहे β - ग्राउंड स्टेटमध्ये संक्रमण आणि कमी न्यूट्रॉन पृथक्करण ऊर्जा. न्यूक्लियसची उत्तेजित ऊर्जा न्यूट्रॉनच्या बंधनकारक उर्जेपेक्षा जास्त असते. तुकड्याच्या केंद्रकातून उत्तेजित केंद्रक तयार झाल्यानंतर लगेच न्यूट्रॉन उत्सर्जित होतो. β - क्षय. तथापि, कालांतराने हे तुकड्याच्या मध्यवर्ती भागाच्या अर्ध्या आयुष्यानंतरच होते.

औष्णिक न्यूट्रॉनद्वारे जड केंद्रकाच्या विखंडनाच्या 1 क्रियेनुसार ऊर्जा वितरण तक्त्यामध्ये दर्शविले आहे. १.४.

आण्विक विखंडन उत्पादनांची ऊर्जा तक्ता 1.4

	प्रकाशाच्या तुकड्याची गतीज ऊर्जा टी osk l, MeB
	जड तुकड्याची गतीज ऊर्जा टी osc t MeB
	विखंडन न्यूट्रॉनची गतिज ऊर्जा इnमीबी
	तात्काळ γ-क्वांटाची ऊर्जा Eγमी मीबी
	ऊर्जा β - विखंडन उत्पादन कण Eβमीबी
	विखंडन उत्पादनांच्या γ-किरणोत्सर्गाची ऊर्जा Eγ pr MeB
	विखंडन उत्पादनांची अँटीन्यूट्रिनो ऊर्जा इvमीबी
	न्यूट्रॉन कॅप्चरमुळे γ-रेडिएशनची ऊर्जा Eγnमीबी
	आण्विक विखंडन दरम्यान सोडलेली एकूण ऊर्जा प्रΣ MeB

थर्मल फिशन ऊर्जा

QT = टी osk l + टी osc t + इn+ Eγमी + Eβ + Eγजनसंपर्क + Eγ = 204 MeB.

अँटीन्यूट्रिनोद्वारे वाहून जाणारी ऊर्जा थर्मल एनर्जीच्या स्वरूपात सोडली जात नाही, म्हणून, थर्मल न्यूट्रॉनद्वारे न्यूक्लियसच्या विखंडनाच्या 1 क्रियेसाठी ~ 200 MeV असते. 1 W च्या थर्मल पॉवरसह, 3.1.1010 विभाग/सेकंद होतात. IN रासायनिक प्रतिक्रियाप्रति अणू ऊर्जा ~1 eV आहे.

विखंडनचा प्राथमिक सिद्धांत

आपण असे गृहीत धरू की विभाजनादरम्यान https://pandia.ru/text/78/550/images/image028_18.gif" width="31" height="27 src="> वस्तुमान संख्या संरक्षित आहे एआणि चार्ज झेड. याचा अर्थ आम्ही फक्त शार्ड्स विचारात घेतो:

ए 1+ ए 2 = ए , झेड 1+ झेड 2 = झेड,

न्यूक्लियस 2 ते 3 च्या प्रमाणात विभागलेला आहे:

ए 1 / ए 2 = झेड 1 / झेड 2=2/3.

प्रतिक्रियेची उर्जा तुकड्यांच्या उर्जेइतकी असते प्र = टी ock

प्र = c2 [एम – (एम1 + एम2 ) ],

प्र= इsv1+ इsv2– इसेंट., (1.85)

कुठे इसेंट.– त्याच्या सर्व घटक न्यूक्लिओन्सच्या तुलनेत न्यूक्लियसची एकूण बंधनकारक ऊर्जा

त्याचप्रमाणे इ sv1, इsv2- पहिल्या आणि दुसऱ्या तुकड्यांची बंधनकारक ऊर्जा.

प्रतिस्थापन (1.86) आणि साठी दोन्ही सूत्रे इ sv1, इсв2 in (1.85) आणि शेवटच्या टर्मकडे दुर्लक्ष केल्याने, आम्ही प्राप्त करतो

(1.15) = 17.23 MeB, https://pandia.ru/text/78/550/images/image026_22.gif" width="31" height="20"> नुसार गृहीत धरून आपण टॉकच्या तुकड्यांची गतीज ऊर्जा मिळवतो. ≈178 MeB , जे टेबल मूल्य फक्त 10 MeV ने ओलांडते.

1.8.2. युरेनियम न्यूक्लीच्या विखंडनाची साखळी प्रतिक्रिया. मध्ये पुनरुत्पादनासाठी सूत्र साखळी प्रतिक्रिया. पुनरुत्पादन दर. चार घटकांचे सूत्र

परमाणु विखंडन साखळी प्रतिक्रियान्यूट्रॉनद्वारे हेवी न्यूक्लीय ही विभक्त प्रतिक्रिया आहेत ज्यामध्ये न्यूट्रॉनची संख्या वाढते आणि पदार्थाच्या विभक्त विखंडनाची स्वयं-स्थायी प्रक्रिया होते. रासायनिक आणि आण्विक शाखायुक्त साखळी अभिक्रिया नेहमी एक्झोथर्मिक असतात. विखंडन शृंखला प्रतिक्रिया व्यावहारिकपणे तीन समस्थानिकांमध्ये व्यवहार्य आहे आणि ती केवळ शक्य आहे कारण जेव्हा एखाद्या केंद्रकाचे प्राथमिक न्यूट्रॉनद्वारे विखंडन केले जाते तेव्हा आउटपुट चॅनेलमध्ये दोनपेक्षा जास्त दुय्यम न्यूट्रॉन उत्सर्जित होतात.

पुनरुत्पादन दर TO- आण्विक साखळी प्रतिक्रियाच्या विकासाचे मुख्य वैशिष्ट्य.

कुठे नि- मध्ये उत्पादित न्यूट्रॉनची संख्या i-पिढी, नि-1 - मध्ये उत्पादित न्यूट्रॉनची संख्या ( i-1) - पिढी.

आण्विक साखळी अभिक्रियांचा सिद्धांत देखील 1939 मध्ये रासायनिक साखळी अभिक्रियांच्या सिद्धांताशी (1934) साधर्म्याने तयार केला गेला. एक स्वयं-शाश्वत आण्विक साखळी प्रतिक्रिया तेव्हा शक्य आहे के>1 - सुपरक्रिटिकल प्रतिक्रिया, के=1 - प्रतिक्रिया गंभीर आहे. जर के<1 – реакция подкритическая, она затухает.

साखळी अभिक्रियामध्ये न्यूट्रॉन गुणाकाराचे सूत्र

प्रतिक्रिया सुरूवातीस असेल तर nन्यूट्रॉन, नंतर त्यांची संख्या एका पिढीत होईल

म्हणजे..gif" width="108" height="48">,

कुठे τ - न्यूट्रॉनच्या एका पिढीचे सरासरी आयुष्य

जर आपण व्हेरिएबल्स वेगळे केले आणि एकत्र केले तर आपल्याला मिळेल

सूत्र वापरून, आपण शेवटी प्राप्त करतो की न्यूट्रॉनची संख्या कालांतराने वाढते tसकारात्मक घातांकासह घातांक

https://pandia.ru/text/78/550/images/image027_18.gif" width="37" height="23"> मंद न्यूट्रॉनसह आणि वेगवान न्यूट्रॉनसह अणुविखंडन.

पुनरुत्पादन दर. चार घटकांचे सूत्र

युरेनियम + नियंत्रक प्रणालीला अनंत परिमाण असू द्या. आपण असे गृहीत धरू की, जन्माच्या क्षणी, न्यूट्रॉनची एक पिढी शोषली जाते nथर्मल न्यूट्रॉन, ज्यापैकी प्रत्येक https://pandia.ru/text/78/550/images/image058_8.gif" width="126" height="37">, (1.91) बनतो

जेथे σU हा युरेनियमद्वारे मध्यम थर्मल न्यूट्रॉन शोषण्यासाठी क्रॉस सेक्शन आहे,

σ3 - मंद थर्मल न्यूट्रॉनसाठी मॉडरेटरचा शोषण क्रॉस सेक्शन,

ρU हे युरेनियम न्यूक्लीची एकाग्रता आहे, ρ3 हे मॉडरेटर न्यूक्लीची एकाग्रता आहे.

अशा प्रकारे, अणुइंधनाद्वारे पकडलेल्या थर्मल न्यूट्रॉनची संख्या ( nηεрf). अनंत माध्यमातील न्यूट्रॉन गुणाकार घटक(चार घटकांचे सूत्र)

मर्यादित माध्यमात न्यूट्रॉन गुणाकार घटक

केफ=, (1.93)

कुठे - एकूण संभाव्यताकी न्यूट्रॉन कोरमधून गळती टाळेल.

स्थिर आण्विक साखळी प्रतिक्रिया अंतिम प्रणालीमध्ये होण्यासाठी, ते पुरेसे आहे केफ=1. याशी सुसंगत आहे गंभीर(प्रतिक्रिया होण्यासाठी सर्वात लहान) सक्रिय क्षेत्राचा आकार. (शुद्ध युरेनियमसाठी, हा 8.5 सेमी त्रिज्या आणि 47 किलो वजनाचा चेंडू आहे)..gif" width="25 height=23" height="23">>1.

पहिली नियंत्रित आण्विक साखळी प्रतिक्रिया शिकागो येथे ई. फर्मी यांनी 1942 मध्ये केली होती. अणुभट्टी होती η = 1.35, ε ≈ 1.03, ε pf≈ ०.८, = १.०८, साठी TO ef साठी θ0.93 आवश्यक आहे, जे 1946 मध्ये मॉस्कोमध्ये बांधलेल्या अणुभट्टीच्या आकाराशी संबंधित आहे.

जड न्यूक्लियसच्या विखंडन दरम्यान सोडल्या जाणाऱ्या उर्जेचे प्रमाण मोजू या. A 1 = 240 आणि Z 1 = 90 असे गृहीत धरून केंद्रक (f.1) च्या बंधनकारक उर्जेसाठी (f.2) अभिव्यक्ती बदलू या. (f.1) मधील शेवटच्या पदाकडे दुर्लक्ष करून त्याच्या लहानपणामुळे आणि प्रतिस्थापन a 2 आणि a 3 या पॅरामीटर्सची मूल्ये आपल्याला मिळतात

यावरून आपल्याला असे दिसून येते की जेव्हा Z 2 /A > 17 असेल तेव्हा विखंडन उत्साहीपणे अनुकूल असते. Z 2 /A च्या मूल्याला विखंडन मापदंड म्हणतात. विखंडन दरम्यान सोडलेली ऊर्जा E Z 2 /A वाढल्याने वाढते; यट्रियम आणि झिरकोनियम प्रदेशातील केंद्रकांसाठी Z 2 /A = 17. प्राप्त अंदाजांवरून हे स्पष्ट होते की विखंडन हे A > 90 असलेल्या सर्व केंद्रकांसाठी ऊर्जावान दृष्ट्या अनुकूल असते. उत्स्फूर्त विखंडनाच्या संदर्भात बहुतेक केंद्रके स्थिर का असतात? या प्रश्नाचे उत्तर देण्यासाठी, विखंडन दरम्यान केंद्रकाचा आकार कसा बदलतो ते पाहू.

विखंडन प्रक्रियेदरम्यान, न्यूक्लियस क्रमाक्रमाने जातो पुढील टप्पे (चित्र 2): बॉल, लंबवर्तुळ, डंबेल, दोन नाशपातीच्या आकाराचे तुकडे, दोन गोलाकार तुकडे. न्यूक्लियसची संभाव्य ऊर्जा कशी बदलते विविध टप्पेविभाग विखंडन झाल्यानंतर, आणि तुकडे एकमेकांपासून त्यांच्या त्रिज्यापेक्षा खूप जास्त अंतरावर स्थित आहेत, तुकड्यांची संभाव्य उर्जा, त्यांच्यामधील कुलॉम्ब परस्परसंवादाद्वारे निर्धारित केली जाते, ती शून्याच्या समान मानली जाऊ शकते.

आपण विखंडनाच्या सुरुवातीच्या टप्प्याचा विचार करूया, जेव्हा केंद्रक, वाढत्या r सह, क्रांतीच्या वाढत्या लांबलचक लंबवर्तुळाकाराचे रूप धारण करते. विभाजनाच्या या टप्प्यावर, r हे गोलाकार आकार (चित्र 3) पासून केंद्रकांच्या विचलनाचे एक माप आहे. न्यूक्लियसच्या आकाराच्या उत्क्रांतीमुळे, त्याच्या संभाव्य ऊर्जेतील बदल पृष्ठभागाच्या बेरजेवर आणि कूलॉम्ब ऊर्जा E" n + E" k द्वारे निर्धारित केले जाते, असे गृहीत धरले जाते की केंद्रकाचे प्रमाण अपरिवर्तित आहे विकृती प्रक्रियेदरम्यान. या स्थितीत, न्यूक्लियसच्या पृष्ठभागाचे क्षेत्रफळ वाढत असताना, पृष्ठभागाची ऊर्जा E"n वाढते. न्यूक्लिअन्समधील सरासरी अंतर वाढल्याने Coulomb ऊर्जा E"k कमी होते. गोलाकार कोर, एका लहान पॅरामीटरद्वारे दर्शविलेल्या किंचित विकृतीच्या परिणामी, अक्षीय सममितीय लंबवर्तुळाकार आकार घेऊ द्या. हे दर्शविले जाऊ शकते की पृष्ठभाग ऊर्जा E" n आणि Coulomb ऊर्जा E" k खालीलप्रमाणे बदलते:

लहान लंबवर्तुळाकार विकृतींच्या बाबतीत, पृष्ठभागाच्या ऊर्जेतील वाढ ही कौलॉम्ब ऊर्जेच्या घटापेक्षा वेगाने होते.
जड केंद्रकाच्या प्रदेशात 2E n > E k पृष्ठभागाची बेरीज आणि कौलॉम्ब ऊर्जा वाढत जाते. (f.4) आणि (f.5) वरून असे दिसून येते की लहान लंबवर्तुळाकार विकृतीवर, पृष्ठभागाच्या उर्जेत वाढ न्यूक्लियसच्या आकारात आणखी बदल होण्यास प्रतिबंध करते आणि परिणामी, विखंडन. अभिव्यक्ती (f.5) लहान मूल्यांसाठी वैध आहे (लहान विकृती). जर विकृती इतकी मोठी असेल की कोर डंबेलचा आकार घेतो, तर कूलॉम्ब फोर्स प्रमाणे पृष्ठभागावरील तणाव बल कोर वेगळे करतात आणि तुकड्यांना गोलाकार आकार देतात. या विखंडन अवस्थेत, कूलॉम्ब आणि पृष्ठभागाच्या दोन्ही शक्तींमध्ये घट होऊन ताण वाढतो. त्या. न्यूक्लियसच्या विकृतीत हळूहळू वाढ झाल्यामुळे, त्याची संभाव्य उर्जा जास्तीत जास्त उत्तीर्ण होते. आता r ला भविष्यातील तुकड्यांच्या केंद्रांमधील अंतराचा अर्थ आहे. जसजसे तुकडे एकमेकांपासून दूर जातात, तसतसे त्यांच्या परस्परसंवादाची संभाव्य उर्जा कमी होईल, कारण कूलॉम्ब प्रतिकर्षण ऊर्जा एक कमी होते. 4. संभाव्य ऊर्जेची शून्य पातळी ही दोन परस्परसंवाद न करणाऱ्या तुकड्यांच्या पृष्ठभागाच्या आणि कुलॉम्ब उर्जेच्या बेरजेशी संबंधित आहे.
संभाव्य अडथळ्याची उपस्थिती न्यूक्लीयचे त्वरित उत्स्फूर्त विखंडन प्रतिबंधित करते. न्यूक्लियसचे झटपट विभाजन होण्यासाठी, त्याला अडथळा H च्या उंचीपेक्षा जास्त ऊर्जा Q दिली पाहिजे. विखंडन केंद्रकाची कमाल संभाव्य ऊर्जा अंदाजे समान असते
e 2 Z 1 Z 2 /(R 1 +R 2), जेथे R 1 आणि R 2 तुकड्यांचे त्रिज्या आहेत. उदाहरणार्थ, जेव्हा सोन्याचे केंद्रक दोन समान तुकड्यांमध्ये विभागले जाते, तेव्हा e 2 Z 1 Z 2 /(R 1 + R 2) = 173 MeV, आणि विखंडन () दरम्यान सोडलेली ऊर्जा E 132 MeV असते. अशा प्रकारे, जेव्हा सोन्याचे केंद्रक विखंडन होते, तेव्हा सुमारे 40 MeV च्या संभाव्य अडथळ्यावर मात करणे आवश्यक असते.
अडथळ्याची उंची H जितकी जास्त असेल तितके कूलॉम्ब आणि पृष्ठभागाच्या ऊर्जेचे गुणोत्तर E ते /E p प्रारंभिक केंद्रकात कमी होईल. हे गुणोत्तर, वाढत्या विभाज्यता पॅरामीटर Z 2 /A () सह वाढते. न्यूक्लियस जितका जड असेल तितकी H ची उंची कमी असेल , कारण वाढत्या वस्तुमान संख्येसह फिसिबिलिटी पॅरामीटर वाढते:

त्या. ड्रॉपलेट मॉडेलनुसार, निसर्गात Z 2 /A > 49 असलेले कोणतेही केंद्रक नसावे, कारण ते उत्स्फूर्तपणे जवळजवळ त्वरित विखंडन करतात (10 -22 s च्या क्रमाने वैशिष्ट्यपूर्ण आण्विक वेळेत). Z 2 /A > 49 ("स्थिरतेचे बेट") सह अणु केंद्रके असण्याची शक्यता शेल रचनेद्वारे स्पष्ट केली आहे. विखंडन पॅरामीटर Z 2 /A च्या मूल्यावर आकार, संभाव्य अडथळा H ची उंची आणि विखंडन ऊर्जा E चे अवलंबित्व अंजीर मध्ये दर्शविले आहे. ५.

Z 2 /A सह केंद्रकांचे उत्स्फूर्त विखंडन< 49, для которых высота барьера Н не равна нулю, с точки зрения классической физики невозможно. С точки зрения квантовой механики такое деление возможно в результате прохождения через потенциальный барьер и носит название спонтанного деления. Вероятность спонтанного деления растет с увеличением параметра делимости Z 2 /А, т.е. с уменьшением высоты барьера. В целом период полураспада относительно спонтанного деления уменьшается при переходе от менее тяжелых ядер к более тяжелым от Т 1/2 > 260 Rf साठी 232 व्या ते 21 एमएस पर्यंत 10 21 वर्षे. Z 2 /A सह केंद्रकांचे जबरदस्ती विखंडन < 49 может быть вызвано любыми частицами: фотонами, нейтронами, протонами, дейтронами, -частицами и т.д., если энергия, которую они вносят в ядро, достаточна для преодоления барьера деления.

. विखंडन ऊर्जा

थर्मल न्यूट्रॉनद्वारे 235 U चे विखंडन केले जाते तेव्हा सुमारे 200 MeV ऊर्जा सोडली जाते. यापैकी, ~167 MeV ही तुकड्यांची गतीज ऊर्जा आहे. तुकड्यांच्या विखंडन आणि किरणोत्सर्गी क्षयमुळे उरलेली उर्जा विविध कणांमध्ये वितरीत केली जाते. विखंडन उर्जेचा काही भाग प्रॉम्प्ट न्यूट्रॉन (तथाकथित प्रॉम्प्ट फिशन किरण) च्या उत्सर्जनानंतर उत्सर्जित तुकड्यांद्वारे उत्सर्जित केलेल्या -क्वांटा द्वारे तसेच तुकड्यांच्या क्षयमुळे निर्माण झालेल्या -क्वांटाद्वारे वाहून जातो. सुमारे 5% विखंडन ऊर्जा तुकड्यांच्या क्षय दरम्यान तयार झालेल्या प्रतिन्यूट्रिनोद्वारे वाहून जाते.
विखंडन ऊर्जा खालीलप्रमाणे वितरीत केली जाते

विखंडन दरम्यान सोडलेली ऊर्जा E Z 2 /A वाढल्याने वाढते. 89 Y (yttrium) साठी Z 2 /A = 17 चे मूल्य. त्या. विखंडन हे यट्रिअमपेक्षा जड असलेल्या सर्व केंद्रकांसाठी ऊर्जावानदृष्ट्या अनुकूल आहे. बहुतेक केंद्रके उत्स्फूर्त विखंडनास प्रतिरोधक का असतात? या प्रश्नाचे उत्तर देण्यासाठी, विभाजन यंत्रणा विचारात घेणे आवश्यक आहे.

विभाजनाच्या प्रक्रियेदरम्यान, न्यूक्लियसचा आकार बदलतो. कोर क्रमाक्रमाने जातो पुढील टप्पे(चित्र 7.1): एक बॉल, एक लंबवर्तुळ, एक डंबेल, दोन नाशपातीच्या आकाराचे तुकडे, दोन गोलाकार तुकडे. विखंडनाच्या वेगवेगळ्या टप्प्यांवर न्यूक्लियसची संभाव्य ऊर्जा कशी बदलते?
मोठेपणासह प्रारंभिक कोर आरक्रांतीच्या वाढत्या वाढलेल्या लंबवर्तुळाकृतीचे रूप घेते. या प्रकरणात, न्यूक्लियसच्या आकाराच्या उत्क्रांतीमुळे, त्याच्या संभाव्य ऊर्जेतील बदल पृष्ठभागाच्या बेरीजद्वारे निर्धारित केला जातो आणि कूलॉम्ब ऊर्जा E p + E k या प्रकरणात, पृष्ठभागाची ऊर्जा वाढते न्यूक्लियसच्या पृष्ठभागाचे क्षेत्रफळ वाढते. प्रोटॉनमधील सरासरी अंतर वाढत असताना कूलॉम्ब ऊर्जा कमी होते. जर, किंचित विकृती अंतर्गत, लहान पॅरामीटरद्वारे वैशिष्ट्यीकृत, मूळ कोरने अक्षीय सममितीय लंबवर्तुळाकार आकार धारण केला असेल, तर पृष्ठभाग ऊर्जा E" p आणि Coulomb ऊर्जा E" k खालीलप्रमाणे विकृती पॅरामीटरची कार्ये बदलतात:

गुणोत्तरात (७.४–७.५) इ n आणि इ k ही प्रारंभिक गोलाकार सममितीय केंद्रकाची पृष्ठभाग आणि कुलॉम्ब ऊर्जा आहेत.
जड केंद्रकाच्या प्रदेशात 2E p > E k आणि पृष्ठभागाची बेरीज आणि कूलॉम्ब ऊर्जा वाढत जाते. (7.4) आणि (7.5) वरून असे दिसून येते की लहान विकृतींमध्ये, पृष्ठभागाच्या उर्जेत वाढ केल्याने केंद्रकांच्या आकारात आणि परिणामी, विखंडन होण्यास प्रतिबंध होतो.
नातेसंबंध (7.5) लहान विकृतींसाठी वैध आहे. जर विकृती इतकी मोठी असेल की कोर डंबेलचा आकार घेतो, तर पृष्ठभाग आणि कुलॉम्ब फोर्स कोर वेगळे करतात आणि तुकड्यांना गोलाकार आकार देतात. अशाप्रकारे, न्यूक्लियसच्या विकृतीमध्ये हळूहळू वाढ झाल्यामुळे, त्याची संभाव्य ऊर्जा जास्तीत जास्त पार करते. r वर अवलंबून न्युक्लियसच्या पृष्ठभागाच्या आणि कूलॉम्ब उर्जेतील बदलांचा आलेख अंजीर मध्ये दर्शविला आहे. ७.२.

संभाव्य अडथळ्याची उपस्थिती न्यूक्लीयचे त्वरित उत्स्फूर्त विखंडन प्रतिबंधित करते. न्यूक्लियसचे विभाजन होण्यासाठी, त्याला विखंडन अडथळा H ची उंची ओलांडणारी ऊर्जा Q प्रदान करणे आवश्यक आहे. विखंडन केंद्रक E + H (उदाहरणार्थ सोने) ची दोन समान तुकड्यांमध्ये कमाल संभाव्य ऊर्जा ≈ 173 MeV आहे, आणि विखंडन दरम्यान सोडलेली ऊर्जा ई 132 MeV आहे. अशा प्रकारे, जेव्हा सोन्याचे केंद्रक विखंडन होते, तेव्हा सुमारे 40 MeV च्या संभाव्य अडथळावर मात करणे आवश्यक असते.
विखंडन अडथळा H ची उंची जास्त आहे, सुरुवातीच्या केंद्रकात कौलॉम्ब आणि पृष्ठभाग उर्जेचे E ते /E p चे प्रमाण कमी आहे. हे गुणोत्तर, वाढत्या विभाजन पॅरामीटर Z 2 /A (7.3) सह वाढते. न्यूक्लियस जितका जड असेल तितका विखंडन अडथळा H ची उंची कमी असेल, कारण विखंडन पॅरामीटर, Z हे A च्या प्रमाणात आहे असे गृहीत धरून, वाढत्या वस्तुमान संख्येसह वाढते:

E k /E p = (a 3 Z 2)/(a 2 A) ~ A.

(7.6)

त्यामुळे, जड केंद्रकांना विभक्त विखंडन होण्यासाठी कमी ऊर्जा पुरवावी लागते.
विखंडन अडथळ्याची उंची 2E p – E k = 0 (7.5) वर नाहीशी होते. या प्रकरणात

2E p /E k = 2(a 2 A)/(a 3 Z 2),

Z 2 /A = 2a 2 /(a 3 Z 2) ≈ 49.

अशाप्रकारे, ड्रॉपलेट मॉडेलनुसार, Z 2 /A > 49 सह केंद्रके निसर्गात अस्तित्वात असू शकत नाहीत, कारण 10-22 s च्या क्रमाने वैशिष्ट्यपूर्ण आण्विक वेळेत ते उत्स्फूर्तपणे दोन तुकड्यांमध्ये विभाजित होणे आवश्यक आहे. संभाव्य अडथळा H च्या आकार आणि उंचीचे अवलंबित्व तसेच Z 2 /A पॅरामीटरच्या मूल्यावरील विखंडन ऊर्जा अंजीर मध्ये दर्शविली आहे. ७.३.

तांदूळ. ७.३. Z 2 /A पॅरामीटरच्या भिन्न मूल्यांवर संभाव्य अडथळा आणि विखंडन ऊर्जा E च्या आकार आणि उंचीचे रेडियल अवलंबन. E p + E k हे मूल्य उभ्या अक्षावर प्लॉट केलेले आहे.

Z 2 /A सह केंद्रकांचे उत्स्फूर्त विखंडन< 49, для которых высота барьера H не равна нулю, с точки зрения классической физики невозможно. Однако в квантовой механике такое деление возможно за счет туннельного эффекта – прохождения осколков деления через потенциальный барьер. Оно носит название спонтанного деления. Вероятность спонтанного деления растет с увеличением параметра деления Z 2 /A, т. е. с уменьшением высоты барьера деления. В целом период спонтанного деления уменьшается при переходе от менее тяжелых ядер к более тяжелым от T 1/2 >260 Rf साठी 232 व्या ते 0.3 s साठी 10 21 वर्षे.
Z 2 /A सह केंद्रकांचे जबरदस्ती विखंडन< 49 может быть вызвано их возбуждением фотонами, нейтронами, протонами, дейтронами, a частицами и другими частицами, если вносимая в ядро энергия достаточна для преодоления барьера деления.
न्यूट्रॉन कॅप्चर करताना तयार झालेल्या संयुग न्यूक्लियस E* च्या उत्तेजित उर्जेचे किमान मूल्य ε n या केंद्रकातील न्यूट्रॉन बंधनकारक उर्जेइतके असते. तक्ता 7.1 न्यूट्रॉन कॅप्चर केल्यानंतर तयार झालेल्या Th, U, आणि Pu समस्थानिकेसाठी अडथळा उंची H आणि न्यूट्रॉन बंधनकारक ऊर्जा ε n यांची तुलना करते. न्यूट्रॉनची बंधनकारक ऊर्जा न्यूक्लियसमधील न्यूट्रॉनच्या संख्येवर अवलंबून असते. पेअरिंग एनर्जीमुळे, सम न्यूट्रॉनची बंधनकारक ऊर्जा विषम न्यूट्रॉनच्या बंधनकारक उर्जेपेक्षा जास्त असते.

तक्ता 7.1

विखंडन अडथळा उंची H, न्यूट्रॉन बंधनकारक ऊर्जा ε n

समस्थानिक	विखंडन अडथळा उंची H, MeV	समस्थानिक	न्यूट्रॉन बंधनकारक ऊर्जा ε n
232 व्या	5.9	233 व्या	4.79
233U	5.5	२३४ यू	6.84
235 यू	5.75	२३६ यू	6.55
२३८ यू	5.85	239U	4.80
239 पु	5.5	240 पु	6.53

विखंडनचे वैशिष्ट्यपूर्ण वैशिष्ट्य म्हणजे तुकड्यांना, नियमानुसार, भिन्न वस्तुमान असतात. 235 U च्या सर्वात संभाव्य विखंडनाच्या बाबतीत, तुकड्यांचे वस्तुमान प्रमाण सरासरी ~ 1.5 आहे. थर्मल न्यूट्रॉनद्वारे 235 U च्या विखंडनातून तुकड्यांचे वस्तुमान वितरण अंजीर मध्ये दाखवले आहे. ७.४. सर्वात संभाव्य विखंडनासाठी, जड तुकड्याची वस्तुमान संख्या 139 आहे, हलकी एक - 95. विखंडन उत्पादनांमध्ये A = 72 - 161 आणि Z = 30 - 65 असलेले तुकडे आहेत. दोन तुकड्यांमध्ये विखंडन होण्याची शक्यता समान वस्तुमान शून्य नाही. जेव्हा 235 U थर्मल न्यूट्रॉनद्वारे विखंडन केले जाते, तेव्हा सममितीय विखंडनची संभाव्यता A = 139 आणि 95 सह तुकड्यांमध्ये सर्वात संभाव्य विखंडनाच्या बाबतीत अंदाजे तीन क्रमाने कमी असते.
न्यूक्लियसच्या शेल रचनेद्वारे असममित विभाजन स्पष्ट केले जाते. न्यूक्लियस अशा प्रकारे विभाजित होतो की प्रत्येक तुकड्याच्या न्यूक्लिओन्सचा मुख्य भाग सर्वात स्थिर जादुई सांगाडा बनवतो.
235 U न्यूक्लियस N/Z = 1.55 मधील प्रोटॉनच्या संख्येशी न्यूट्रॉनच्या संख्येचे गुणोत्तर, तर तुकड्यांच्या वस्तुमान संख्येच्या जवळ वस्तुमान असलेल्या स्थिर समस्थानिकेसाठी, हे गुणोत्तर 1.25 − 1.45 आहे. परिणामी, विखंडन तुकडे मोठ्या प्रमाणात न्यूट्रॉनने ओव्हरलोड केलेले असतात आणि ते असणे आवश्यक आहे.
β - किरणोत्सर्गी. म्हणून, विखंडन तुकड्यांचा क्रमिक β - क्षय होतो आणि प्राथमिक तुकड्याचा चार्ज 4 − 6 एककांनी बदलू शकतो. खाली 97 Kr च्या किरणोत्सर्गी क्षयांची एक विशिष्ट साखळी आहे, 235 U च्या विखंडन दरम्यान तयार झालेल्या तुकड्यांपैकी एक:

स्थिर केंद्रकांचे वैशिष्ट्य असलेल्या प्रोटॉन आणि न्यूट्रॉनच्या संख्येच्या गुणोत्तराच्या उल्लंघनामुळे होणारे तुकड्यांचे उत्तेजन देखील प्रॉम्प्ट फिशन न्यूट्रॉनच्या उत्सर्जनामुळे काढून टाकले जाते. हे न्यूट्रॉन ~ 10 -14 s पेक्षा कमी वेळेत तुकड्या हलवून उत्सर्जित केले जातात. प्रत्येक विखंडन घटनेत सरासरी 2-3 प्रॉम्प्ट न्यूट्रॉन उत्सर्जित होतात. त्यांचा उर्जा स्पेक्ट्रम जास्तीत जास्त 1 MeV सह सतत असतो. प्रॉम्प्ट न्यूट्रॉनची सरासरी ऊर्जा 2 MeV च्या जवळ असते. प्रत्येक विखंडन घटनेत एकापेक्षा जास्त न्यूट्रॉनचे उत्सर्जन अणुविखंडन साखळी अभिक्रियाद्वारे ऊर्जा प्राप्त करणे शक्य करते.
थर्मल न्यूट्रॉनद्वारे 235 U च्या सर्वात संभाव्य विखंडनसह, एक हलका तुकडा (A = 95) ≈ 100 MeV ची गतिज ऊर्जा प्राप्त करतो आणि एक जड तुकडा (A = 139) सुमारे 67 MeV ची गतिज ऊर्जा प्राप्त करतो. अशा प्रकारे, तुकड्यांची एकूण गतीज ऊर्जा ≈ 167 MeV आहे. एकूण ऊर्जाया प्रकरणात विखंडन 200 MeV आहे. अशा प्रकारे, उर्वरित उर्जा (33 MeV) इतर विखंडन उत्पादनांमध्ये (β - क्षय तुकड्यांमधून न्यूट्रॉन, इलेक्ट्रॉन आणि अँटीन्यूट्रिनो, तुकड्यांमधून γ विकिरण आणि त्यांच्या क्षय उत्पादनांमध्ये) वितरित केली जाते. थर्मल न्यूट्रॉनद्वारे 235 U च्या विखंडन दरम्यान विविध उत्पादनांमधील विखंडन उर्जेचे वितरण तक्ता 7.2 मध्ये दिले आहे.

तक्ता 7.2

विखंडन ऊर्जा वितरण 235 यू थर्मल न्यूट्रॉन

न्यूक्लियर फिशन उत्पादने (NFPs) हे 36 घटकांच्या 200 पेक्षा जास्त किरणोत्सर्गी समस्थानिकांचे एक जटिल मिश्रण आहे (जस्त ते गॅडोलिनियम पर्यंत). बहुतेक क्रियाकलाप अल्पकालीन रेडिओन्यूक्लाइड्समधून येतात. अशा प्रकारे, स्फोटानंतर 7, 49 आणि 343 दिवसांनी, PYD ची क्रिया स्फोटानंतरच्या एका तासाच्या क्रियाकलापांच्या तुलनेत अनुक्रमे 10, 100 आणि 1000 पट कमी होते. सर्वात जैविकदृष्ट्या महत्त्वपूर्ण रेडिओन्यूक्लाइड्सचे उत्पन्न तक्ता 7.3 मध्ये दिले आहे. PYN व्यतिरिक्त, किरणोत्सर्गी दूषितता प्रेरित क्रियाकलापांच्या रेडिओन्युक्लाइड्स (3 H, 14 C, 28 Al, 24 Na, 56 Mn, 59 Fe, 60 Co, इ.) आणि युरेनियम आणि प्लुटोनियमच्या अविभाजित भागांमुळे होते. थर्मो दरम्यान प्रेरित क्रियाकलापांची भूमिका आण्विक स्फोट.

तक्ता 7.3

आण्विक स्फोटादरम्यान काही विखंडन उत्पादनांचे उत्पन्न

रेडिओन्यूक्लाइड	अर्धे आयुष्य	प्रति विभाग आउटपुट, %	क्रियाकलाप प्रति 1 Mt, 10 15 Bq
89 Sr	50.5 दिवस.	2.56	590
90 Sr	29.12 वर्षे	3.5	3.9
95 Zr	६५ दिवस	5.07	920
103 रु	४१ दिवस	5.2	1500
106 रु	३६५ दिवस	2.44	78
131 आय	8.05 दिवस	2.9	4200
136 Cs	13.2 दिवस	0.036	32
137 Cs	30 वर्षांचा	5.57	5.9
140 बा	12.8 दिवस	5.18	4700
141 Cs	32.5 दिवस.	4.58	1600
144 Cs	288 दिवस	4.69	190
3 एच	12.3 वर्षे	0.01	२.६·१० -२

वातावरणात आण्विक स्फोट दरम्यान महत्त्वपूर्ण भागपर्जन्य (जमीन स्फोटांसाठी 50% पर्यंत) चाचणी क्षेत्राजवळ पडतो. काही किरणोत्सारी पदार्थ वातावरणाच्या खालच्या भागात टिकून राहतात आणि वाऱ्याच्या प्रभावाखाली, जवळपास समान अक्षांशावर राहून लांब अंतरावर फिरतात. सुमारे महिनाभर हवेत राहिल्याने या हालचालीदरम्यान किरणोत्सर्गी पदार्थ हळूहळू पृथ्वीवर पडतात. बहुतेकरेडिओन्यूक्लाइड्स स्ट्रॅटोस्फियरमध्ये (१०-१५ किमी उंचीपर्यंत) सोडले जातात, जिथे ते जागतिक स्तरावर विखुरले जातात आणि मोठ्या प्रमाणात विघटित होतात.
अणुभट्ट्यांचे विविध संरचनात्मक घटक अनेक दशकांपासून अत्यंत सक्रिय आहेत (तक्ता 7.4)

तक्ता 7.4

तीन वर्षांच्या ऑपरेशननंतर रिॲक्टरमधून काढून टाकलेल्या इंधन घटकांमधील मुख्य विखंडन उत्पादनांची विशिष्ट क्रियाकलाप मूल्ये (Bq/t युरेनियम)

रेडिओन्यूक्लाइड	0	1 दिवस	120 दिवस	1 वर्ष		10 वर्षे
८५ कोटी	5. 78· 10 14	5. 78· 10 14	5. 66· 10 14	5. 42· 10 14	4. 7· 10 14	3. 03· 10 14
89 Sr	4. 04· 10 16	3. 98· 10 16	5. 78· 10 15	2. 7· 10 14	1. 2· 10 10
90 Sr	3. 51· 10 15	3. 51· 10 15	3. 48· 10 15	3. 43· 10 15	3. 26· 10 15	2. 75· 10 15
95 Zr	7. 29· 10 16	7. 21· 10 16	1. 99· 10 16	1. 4· 10 15	5. 14· 10 11
95 Nb	7. 23· 10 16	7. 23· 10 16	3. 57· 10 16	3. 03· 10 15	1. 14· 10 12
103 रु	7. 08· 10 16	6. 95· 10 16	8. 55· 10 15	1. 14· 10 14	2. 97· 10 8
106 रु	2. 37· 10 16	2. 37· 10 16	1. 89· 10 16	1. 19· 10 16	3. 02· 10 15	2. 46· 10 13
131 आय	4. 49· 10 16	4. 19· 10 16	1. 5· 10 12	1. 01· 10 3
134 Cs	7. 50· 10 15	7. 50· 10 15	6. 71· 10 15	5. 36· 10 15	2. 73· 10 15	2. 6· 10 14
137 Cs	4. 69· 10 15	4. 69· 10 15	4. 65· 10 15	4. 58· 10 15	4. 38· 10 15	3. 73· 10 15
140 बा	7. 93· 10 16	7. 51· 10 16	1. 19· 10 14	2. 03· 10 8
140 ला	8. 19· 10 16	8. 05· 10 16	1. 37· 10 14	2. 34· 10 8
141 इ.स	7. 36· 10 16	7. 25· 10 16	5. 73· 10 15	3. 08· 10 13	5. 33· 10 6
144 इ.स	5. 44· 10 16	5. 44· 10 16	4. 06· 10 16	2. 24· 10 16	3. 77· 10 15	7. 43· 10 12
दुपारी 143	6. 77· 10 16	6. 70· 10 16	1. 65· 10 14	6. 11· 10 8
147 PM	7. ०५·१० १५	7. 05· 10 15	6. 78· 10 15	5. 68· 10 15	3. 35· 10 14

पदार्थाशी न्यूट्रॉनच्या परस्परसंवादाच्या अभ्यासामुळे नवीन प्रकारच्या आण्विक प्रतिक्रियांचा शोध लागला. 1939 मध्ये O. Hahn आणि F. Strassmann यांनी तपास केला रासायनिक उत्पादने, न्यूट्रॉनद्वारे युरेनियमच्या केंद्रकांवर झालेल्या भडिमारामुळे. प्रतिक्रिया उत्पादनांमध्ये बेरियम आढळले - रासायनिक घटकयुरेनियमच्या वस्तुमानापेक्षा खूपच कमी वस्तुमानासह. जर्मन भौतिकशास्त्रज्ञ एल. मेटनर आणि ओ. फ्रिश यांनी या समस्येचे निराकरण केले, ज्यांनी दाखवून दिले की जेव्हा न्यूट्रॉन युरेनियमद्वारे शोषले जातात तेव्हा न्यूक्लियसचे दोन तुकड्यांमध्ये विभाजन होते:

कुठे k > 1.

युरेनियम न्यूक्लियसच्या विखंडन दरम्यान, ~0.1 eV ची उर्जा असलेले थर्मल न्यूट्रॉन ~200 MeV ची ऊर्जा सोडते. महत्त्वाचा मुद्दा असा आहे की ही प्रक्रिया इतर युरेनियम केंद्रकांचे विखंडन घडवून आणण्यास सक्षम न्यूट्रॉनच्या देखाव्यासह आहे - विखंडन साखळी प्रतिक्रिया . अशाप्रकारे, एक न्यूट्रॉन अणुविखंडनांच्या शाखायुक्त साखळीला जन्म देऊ शकतो आणि विखंडन अभिक्रियामध्ये भाग घेणाऱ्या केंद्रकांची संख्या वेगाने वाढेल. विखंडन साखळी प्रतिक्रिया वापरण्याची शक्यता उघडली आहे दोन दिशेने:

· नियंत्रित आण्विक विखंडन प्रतिक्रिया- निर्मिती आण्विक अणुभट्ट्या;

· पळून गेलेली आण्विक विखंडन प्रतिक्रिया- अण्वस्त्रांची निर्मिती.

1942 मध्ये यूएसएमध्ये पहिली अणुभट्टी बांधली गेली. युएसएसआरमध्ये, 1946 मध्ये पहिला अणुभट्टी सुरू करण्यात आली. सध्या, शेकडो अणुभट्ट्यांमध्ये औष्णिक आणि विद्युत ऊर्जा निर्माण केली जाते. विविध देशशांतता

अंजीर पासून पाहिले जाऊ शकते. 4.2, वाढत्या मूल्यासह एपर्यंत विशिष्ट बंधनकारक ऊर्जा वाढते ए» 50. हे वर्तन शक्तींच्या संयोजनाद्वारे स्पष्ट केले जाऊ शकते; वैयक्तिक न्यूक्लिओनची बंधनकारक ऊर्जा एक किंवा दोन नव्हे तर इतर अनेक न्यूक्लिओन्सद्वारे आकर्षित झाल्यास वाढते. तथापि, वस्तुमान संख्या असलेल्या घटकांमध्ये मूल्ये जास्त असतात ए» 50 विशिष्ट बंधनकारक ऊर्जा वाढत्या प्रमाणात हळूहळू कमी होते ए.हे या वस्तुस्थितीमुळे आहे की आण्विक आकर्षक शक्ती कमी-श्रेणीच्या असतात, वैयक्तिक न्यूक्लिओनच्या आकाराच्या क्रमानुसार क्रियेच्या त्रिज्या असतात. या त्रिज्येच्या बाहेर, इलेक्ट्रोस्टॅटिक प्रतिकर्षण शक्ती प्रबळ असतात. जर दोन प्रोटॉन 2.5 × 10 - 15 मीटर पेक्षा जास्त विभक्त झाले तर त्यांच्यामध्ये अणु आकर्षणाऐवजी कुलॉम्ब प्रतिकर्षणाची शक्ती प्रचलित होते.

या वर्तनाचा परिणाम विशिष्ट ऊर्जावर अवलंबून कनेक्शन एदोन प्रक्रियांचे अस्तित्व आहे - परमाणु संलयन आणि विखंडन . इलेक्ट्रॉन आणि प्रोटॉन यांच्या परस्परसंवादाचा विचार करू. जेव्हा हायड्रोजन अणू तयार होतो तेव्हा 13.6 eV ची ऊर्जा सोडली जाते आणि हायड्रोजन अणूचे वस्तुमान मुक्त इलेक्ट्रॉन आणि प्रोटॉनच्या वस्तुमानाच्या बेरजेपेक्षा 13.6 eV कमी असते. त्याचप्रमाणे, दोन प्रकाश केंद्रकांचे वस्तुमान D वर त्यांच्या संयोगानंतर वस्तुमानापेक्षा जास्त होते एम. तुम्ही त्यांना जोडल्यास, ते सोडणारी ऊर्जा डी विलीन करतील कु 2. या प्रक्रियेला म्हणतात विभक्त संलयन . वस्तुमान फरक 0.5% पेक्षा जास्त असू शकतो.

जर जड न्यूक्लियस दोन हलक्या न्यूक्लियसमध्ये विभाजित झाले तर त्यांचे वस्तुमान मूळ केंद्रकांच्या वस्तुमानापेक्षा 0.1% कमी असेल. जड केंद्रक कल विभागणीउर्जेच्या प्रकाशासह दोन फिकट केंद्रकांमध्ये. ऊर्जा अणुबॉम्बआणि अणुभट्टी ऊर्जा दर्शवते , आण्विक विखंडन दरम्यान सोडले . हायड्रोजन बॉम्ब ऊर्जा तेव्हा सोडलेली ऊर्जा आहे विभक्त संलयन. अल्फा क्षय हा अत्यंत असममित विखंडन मानला जाऊ शकतो ज्यामध्ये मूळ केंद्रक एमएक लहान अल्फा कण आणि मोठ्या अवशिष्ट केंद्रक मध्ये विभाजित. प्रतिक्रिया झाल्यासच अल्फा क्षय शक्य आहे

वजन एमबाहेर वळते रकमेपेक्षा जास्तवस्तुमान आणि अल्फा कण. सह सर्व कोर झेड> 82 (आघाडी). झेड> 92 (युरेनियम) अल्फा क्षय हाफ-लाइव्ह पृथ्वीच्या वयापेक्षा लक्षणीयरीत्या जास्त आहे आणि असे घटक निसर्गात आढळत नाहीत. तथापि, ते कृत्रिमरित्या तयार केले जाऊ शकतात. उदाहरणार्थ, प्लुटोनियम ( झेड= 94) अणुभट्टीतील युरेनियमपासून मिळवता येते. ही प्रक्रिया सामान्य झाली आहे आणि आतापर्यंत फक्त 15 डॉलर्स प्रति 1 ग्रॅम पर्यंतचे घटक मिळवणे शक्य झाले आहे झेड= 118, तथापि खूप जास्त किंमतीवर आणि नियम म्हणून, नगण्य प्रमाणात. कोणीही आशा करू शकतो की रेडिओकेमिस्ट कमी प्रमाणात असले तरी, नवीन घटक मिळवण्यास शिकतील. झेड> 118.

जर मोठ्या प्रमाणात युरेनियम न्यूक्लियसचे न्यूक्लिअन्सच्या दोन गटांमध्ये विभाजन केले जाऊ शकते, तर न्यूक्लिअन्सचे हे गट मजबूत बंधनासह स्वतःला न्यूक्लीयमध्ये पुनर्रचना करतील. पुनर्रचना प्रक्रियेदरम्यान, ऊर्जा सोडली जाईल. ऊर्जेच्या संवर्धनाच्या कायद्याद्वारे उत्स्फूर्त आण्विक विखंडनाला परवानगी आहे. तथापि, नैसर्गिकरीत्या घडणाऱ्या केंद्रकांमधील विखंडन अभिक्रियांतील संभाव्य अडथळा इतका जास्त आहे की उत्स्फूर्त विखंडन होण्याची शक्यता अल्फा क्षय होण्याच्या संभाव्यतेपेक्षा खूपच कमी आहे. उत्स्फूर्त विखंडन सापेक्ष 238 U केंद्रकांचे अर्ध-आयुष्य 8×10 15 वर्षे आहे. हे पृथ्वीच्या वयाच्या दशलक्ष पट जास्त आहे. जर न्यूट्रॉन जड न्यूक्लियसशी आदळला, तर तो इलेक्ट्रोस्टॅटिक संभाव्य अडथळ्याच्या वरच्या जवळ उच्च ऊर्जा पातळीवर जाऊ शकतो, परिणामी विखंडन होण्याची शक्यता वाढते. उत्तेजित अवस्थेत असलेल्या न्यूक्लियसमध्ये महत्त्वपूर्ण टोकदार गती असू शकते आणि अंडाकृती आकार प्राप्त करू शकतो. न्यूक्लियसच्या परिघावरील क्षेत्रे अडथळ्यामध्ये अधिक सहजतेने प्रवेश करतात, कारण ते आधीपासून अंशतः अडथळ्याच्या मागे असतात. ओव्हल-आकाराच्या न्यूक्लियससाठी, अडथळाची भूमिका आणखी कमकुवत केली जाते. जेव्हा न्यूक्लियस किंवा मंद न्यूट्रॉन कॅप्चर केले जाते, तेव्हा अगदी सह राज्ये अल्प कालावधीसाठीविभाजनाशी संबंधित जीवन. युरेनियम न्यूक्लियस आणि विशिष्ट विखंडन उत्पादनांमधील वस्तुमानातील फरक असा आहे की, सरासरी, युरेनियमचे विखंडन 200 MeV ऊर्जा सोडते. युरेनियम न्यूक्लियसचे उर्वरित वस्तुमान 2.2×10 5 MeV आहे. या वस्तुमानाचे सुमारे 0.1% ऊर्जेमध्ये रूपांतरित होते, जे 2.2 × 10 5 MeV च्या मूल्याच्या 200 MeV च्या गुणोत्तराच्या बरोबरीचे आहे.

ऊर्जा रेटिंग,विभागाद्वारे जारी,कडून मिळू शकते Weizsäcker सूत्रे :

जेव्हा केंद्रक दोन तुकड्यांमध्ये विभागतो तेव्हा पृष्ठभागाची ऊर्जा आणि कूलॉम्ब ऊर्जा बदलते, पृष्ठभागाची ऊर्जा वाढते आणि कूलॉम्ब ऊर्जा कमी होते. जेव्हा विखंडन दरम्यान ऊर्जा सोडली जाते तेव्हा विखंडन शक्य आहे इ > 0.

येथे ए 1 = ए/2, झेड 1 = झेड/2. यावरून आपण असे प्राप्त करतो की विखंडन ऊर्जावान अनुकूल असते तेव्हा झेड 2 /ए> 17. विशालता झेड 2 /एम्हणतात विभाज्यता मापदंड . ऊर्जा इ, विभाजनादरम्यान सोडले जाते, वाढत्या प्रमाणात वाढते झेड 2 /ए.

विभाजनाच्या प्रक्रियेदरम्यान, न्यूक्लियसचा आकार बदलतो - तो क्रमशः पुढील टप्प्यांतून जातो (चित्र 9.4): एक बॉल, एक लंबवर्तुळ, एक डंबेल, दोन नाशपातीच्या आकाराचे तुकडे, दोन गोलाकार तुकडे.

विखंडन झाल्यानंतर, आणि तुकडे एकमेकांपासून त्यांच्या त्रिज्यापेक्षा कितीतरी जास्त अंतरावर स्थित आहेत, तुकड्यांची संभाव्य उर्जा, त्यांच्यामधील कुलॉम्ब परस्परसंवादाद्वारे निर्धारित केली जाते, ती शून्य मानली जाऊ शकते.

न्यूक्लियसच्या आकाराच्या उत्क्रांतीमुळे, त्याच्या संभाव्य ऊर्जेतील बदल पृष्ठभागाच्या बेरीज आणि कुलॉम्ब उर्जेच्या बदलाद्वारे निर्धारित केला जातो. . असे गृहीत धरले जाते की विकृती दरम्यान कोरची मात्रा अपरिवर्तित राहते. या प्रकरणात, न्यूक्लियसच्या पृष्ठभागाचे क्षेत्रफळ वाढल्याने पृष्ठभागाची ऊर्जा वाढते. न्यूक्लिओन्समधील सरासरी अंतर वाढते म्हणून कुलॉम्ब ऊर्जा कमी होते. लहान लंबवर्तुळाकार विकृतींच्या बाबतीत, पृष्ठभागाच्या ऊर्जेतील वाढ ही कौलॉम्ब ऊर्जेच्या घटापेक्षा वेगाने होते.

जड केंद्रकांच्या प्रदेशात, पृष्ठभाग आणि कुलॉम्ब उर्जेची बेरीज वाढत्या विकृतीसह वाढते. लहान लंबवर्तुळाकार विकृतींमध्ये, पृष्ठभागाच्या उर्जेत वाढ झाल्यामुळे केंद्रकांच्या आकारात पुढील बदल होण्यास प्रतिबंध होतो आणि त्यामुळे विखंडन होते. संभाव्य अडथळ्याची उपस्थिती न्यूक्लीयचे त्वरित उत्स्फूर्त विखंडन प्रतिबंधित करते. न्यूक्लियस त्वरित विभाजित होण्यासाठी, त्याला विखंडन अडथळाच्या उंचीपेक्षा जास्त ऊर्जा दिली पाहिजे एन.

अडथळा उंची एनप्रारंभिक केंद्रकातील कुलॉम्ब आणि पृष्ठभागाच्या ऊर्जेचे प्रमाण जितके लहान असेल तितके मोठे. हे गुणोत्तर, वाढत्या विभाज्यता मापदंडासह वाढते झेड 2 /ए.जड कोर, अडथळा कमी उंची एन, कारण वाढत्या वस्तुमान संख्येसह फिसिबिलिटी पॅरामीटर वाढते:

जड केंद्रकांना सामान्यतः विखंडन होण्यासाठी कमी ऊर्जा द्यावी लागते. Weizsäcker सूत्रावरून असे दिसून येते की विखंडन अडथळाची उंची येथे नाहीशी होते. त्या. ड्रॉपलेट मॉडेलनुसार, सह केंद्रक निसर्गात अनुपस्थित असले पाहिजेत, कारण ते उत्स्फूर्तपणे जवळजवळ त्वरित विखंडन करतात (10-22 s च्या क्रमाने वैशिष्ट्यपूर्ण आण्विक वेळेत). अणु केंद्रकाचे अस्तित्व (" स्थिरतेचे बेट ") अणू केंद्रकांच्या शेल रचनेद्वारे स्पष्ट केले आहे. सह केंद्रक च्या उत्स्फूर्त विखंडन , ज्यासाठी अडथळा उंची एनशून्याच्या बरोबरीचे नाही, शास्त्रीय भौतिकशास्त्राच्या दृष्टिकोनातून ते अशक्य आहे. क्वांटम मेकॅनिक्सच्या दृष्टिकोनातून, संभाव्य अडथळ्यातून जाणाऱ्या तुकड्यांच्या परिणामी असे विभाजन शक्य आहे आणि त्याला म्हणतात. उत्स्फूर्त विखंडन . उत्स्फूर्त विखंडनाची संभाव्यता वाढत्या फिसिबिलिटी पॅरामीटरसह वाढते, उदा. घटत्या विखंडन अडथळा उंचीसह.

सह केंद्रक च्या जबरदस्तीने विखंडन कोणत्याही कणांमुळे होऊ शकते: फोटॉन, न्यूट्रॉन, प्रोटॉन, ड्युटरॉन, α-कण इ., जर ते न्यूक्लियसमध्ये योगदान देणारी ऊर्जा विखंडन अडथळा दूर करण्यासाठी पुरेशी असेल.

थर्मल न्यूट्रॉनद्वारे विखंडन दरम्यान तयार झालेल्या तुकड्यांचे वस्तुमान समान नसते. न्यूक्लियस अशा प्रकारे विभाजित होतो की तुकड्याच्या न्यूक्लिओन्सचा मुख्य भाग एक स्थिर जादुई गाभा बनवतो. अंजीर मध्ये. आकृती 9.5 विभाजनादरम्यान वस्तुमान वितरण दर्शवते. वस्तुमान संख्यांचे बहुधा संयोजन 95 आणि 139 आहे.

न्यूट्रॉनच्या संख्येचे न्यूक्लियसमधील प्रोटॉनच्या संख्येचे गुणोत्तर 1.55 आहे, तर स्थिर घटकांसाठी ज्याचे वस्तुमान विखंडन तुकड्यांच्या वस्तुमानाच्या जवळ आहे, हे गुणोत्तर 1.25 - 1.45 आहे. परिणामी, विखंडन तुकड्यांना न्यूट्रॉनने जास्त प्रमाणात ओव्हरलोड केले जाते आणि ते β-क्षय - किरणोत्सर्गी करण्यासाठी अस्थिर असतात.

विखंडनाच्या परिणामी, ~200 MeV ऊर्जा सोडली जाते. त्यातील सुमारे 80% तुकड्यांच्या उर्जेतून येते. एका विखंडन कायद्यादरम्यान दोनपेक्षा जास्त तयार होतात विखंडन न्यूट्रॉन ~2 MeV च्या सरासरी उर्जेसह.

1 ग्रॅम कोणत्याही पदार्थाचा समावेश होतो. 1 ग्रॅम युरेनियमचे विखंडन ~ 9 × 10 10 J च्या प्रकाशनासह होते. हे 1 ग्रॅम कोळसा (2.9 × 10 4 J) जाळण्याच्या ऊर्जेपेक्षा जवळजवळ 3 दशलक्ष पट जास्त आहे. अर्थात, 1 ग्रॅम युरेनियम हे 1 ग्रॅम कोळशाच्या तुलनेत खूप महाग आहे, परंतु कोळसा जाळून मिळविलेल्या 1 J उर्जेची किंमत युरेनियम इंधनाच्या बाबतीत 400 पट जास्त आहे. 1 kWh ऊर्जेचे उत्पादन करण्यासाठी कोळशावर आधारित ऊर्जा केंद्रांवर 1.7 सेंट आणि अणुऊर्जा प्रकल्पांवर 1.05 सेंट खर्च येतो.

चे आभार साखळी प्रतिक्रियाआण्विक विखंडन प्रक्रिया करता येते स्वत: ची टिकावू . प्रत्येक विखंडनासह, 2 किंवा 3 न्यूट्रॉन सोडले जातात (चित्र 9.6). जर यापैकी एक न्यूट्रॉन दुसऱ्या युरेनियम न्यूक्लियसचे विखंडन करण्यास कारणीभूत ठरला, तर ही प्रक्रिया स्वयं-टिकाऊ होईल.

ही आवश्यकता पूर्ण करणाऱ्या विखंडन पदार्थाचा संग्रह म्हणतात गंभीर असेंब्ली . प्रथम अशा विधानसभा, म्हणतात आण्विक अणुभट्टी , शिकागो विद्यापीठाच्या मैदानावर एनरिको फर्मीच्या दिग्दर्शनाखाली 1942 मध्ये बांधले गेले. मॉस्को येथे I. Kurchatov यांच्या नेतृत्वाखाली 1946 मध्ये पहिली अणुभट्टी सुरू झाली. 5 मेगावॅट क्षमतेचा पहिला अणुऊर्जा प्रकल्प यूएसएसआरमध्ये 1954 मध्ये ओबनिंस्क (चित्र 9.7) मध्ये सुरू करण्यात आला.

वस्तुमानआणि तुम्ही देखील करू शकता सुपरक्रिटिकल . या प्रकरणात, विखंडन दरम्यान निर्माण झालेल्या न्यूट्रॉनमुळे अनेक दुय्यम विखंडन होतील. न्यूट्रॉन 10 8 cm/s पेक्षा जास्त वेगाने प्रवास करत असल्याने, सुपरक्रिटिकल असेंबली एका सेकंदाच्या हजारव्या भागापेक्षा कमी वेळेत पूर्णपणे प्रतिक्रिया देऊ शकते (किंवा अलगद उडू शकते). अशा उपकरणाला म्हणतात अणुबॉम्ब . प्लुटोनियम किंवा युरेनियमपासून बनवलेले आण्विक चार्ज सुपरक्रिटिकल स्थितीत हस्तांतरित केले जाते, सामान्यत: स्फोटाच्या मदतीने. सबक्रिटिकल वस्तुमान रासायनिक स्फोटकांनी वेढलेले आहे. जेव्हा त्याचा स्फोट होतो, तेव्हा प्लुटोनियम किंवा युरेनियमचे वस्तुमान त्वरित कॉम्प्रेशनमधून जाते. गोलाची घनता लक्षणीयरीत्या वाढत असल्याने, न्यूट्रॉनच्या शोषणाचा दर न्यूट्रॉनच्या बाहेरून बाहेर पडल्यामुळे त्यांच्या नुकसानीच्या दरापेक्षा जास्त असल्याचे दिसून येते. सुपरक्रिटिकलिटीसाठी ही अट आहे.

अंजीर मध्ये. आकृती 9.8 हिरोशिमावर टाकलेल्या लिटल बॉय अणुबॉम्बचे आकृती दाखवते. बॉम्बमधील आण्विक स्फोटक दोन भागांमध्ये विभागले गेले होते, ज्याचे वस्तुमान गंभीर वस्तुमानापेक्षा कमी होते. स्फोटासाठी आवश्यक असलेले गंभीर वस्तुमान पारंपारिक स्फोटकांचा वापर करून दोन्ही भागांना “बंदुकीच्या पद्धतीने” जोडून तयार केले गेले.

1 टन ट्रायनिट्रोटोल्यूएन (TNT) च्या स्फोटाने 10 9 कॅल, किंवा 4 × 10 9 जे सोडले जाते. 1 किलो प्लूटोनियम वापरणाऱ्या अणुबॉम्बच्या स्फोटाने सुमारे 8 × 10 13 J ऊर्जा सोडली जाते.

किंवा हे 1 टन TNT च्या स्फोटापेक्षा जवळपास 20,000 पट जास्त आहे. अशा बॉम्बला 20-किलोटन बॉम्ब म्हणतात. आधुनिक मेगाटन बॉम्ब हे पारंपरिक TNT स्फोटकांपेक्षा लाखो पट अधिक शक्तिशाली आहेत.

प्लुटोनियमचे उत्पादन न्यूट्रॉनसह 238 U च्या विकिरणांवर आधारित आहे, ज्यामुळे समस्थानिक 239 U तयार होतो, जो बीटा क्षय झाल्यामुळे 239 Np मध्ये बदलतो आणि नंतर दुसर्या बीटा क्षय नंतर 239 Pu मध्ये बदलतो. जेव्हा कमी-ऊर्जा न्यूट्रॉन शोषले जाते, तेव्हा 235 U आणि 239 पु दोन्ही समस्थानिकांचे विखंडन होते. विखंडन उत्पादनांना मजबूत बंधन (~1 MeV प्रति न्यूक्लिओन) द्वारे वैशिष्ट्यीकृत केले जाते, ज्यामुळे विखंडनाच्या परिणामी अंदाजे 200 MeV ऊर्जा सोडली जाते.

प्रत्येक ग्रॅम प्लूटोनियम किंवा युरेनियम वापरल्याने जवळजवळ एक ग्रॅम किरणोत्सर्गी विखंडन उत्पादने तयार होतात, ज्यात प्रचंड किरणोत्सर्गीता असते.

डेमो पाहण्यासाठी, योग्य हायपरलिंकवर क्लिक करा:

लेखाची सामग्री

न्यूक्लियस विखंडन,एक आण्विक प्रतिक्रिया ज्यामध्ये अणू केंद्रक, जेव्हा न्यूट्रॉनचा भडिमार होतो, तेव्हा दोन किंवा अधिक तुकड्यांमध्ये विभाजित होतो. तुकड्यांचे एकूण वस्तुमान सामान्यतः मूळ केंद्रक आणि बॉम्बर्डिंग न्यूट्रॉनच्या वस्तुमानाच्या बेरजेपेक्षा कमी असते. "गहाळ वस्तुमान" मीऊर्जेत बदलते इआईन्स्टाईनच्या सूत्रानुसार इ = mc 2 कुठे c- प्रकाशाचा वेग. प्रकाशाचा वेग खूप जास्त असल्याने (299,792,458 m/s), एक लहान वस्तुमान प्रचंड ऊर्जेशी संबंधित आहे. या ऊर्जेचे विजेमध्ये रूपांतर करता येते.

अणुविखंडन दरम्यान सोडलेली उर्जा उष्णतेमध्ये रूपांतरित होते जेव्हा विखंडन तुकडे कमी होतात. उष्मा सोडण्याचा दर प्रति युनिट वेळेच्या भागाकार केंद्रांच्या संख्येवर अवलंबून असतो. जेव्हा अल्पावधीत मोठ्या प्रमाणात केंद्रकांचे विखंडन होते, तेव्हा प्रतिक्रियेला स्फोटाचे स्वरूप असते. हे अणुबॉम्बच्या ऑपरेशनचे सिद्धांत आहे. जर तुलनेने कमी संख्येने केंद्रके मोठ्या प्रमाणात मोठ्या प्रमाणात विभागली गेली, तर त्याचा परिणाम म्हणजे उष्णता सोडली जाईल जी वापरली जाऊ शकते. अणुऊर्जा प्रकल्प यावर आधारित आहेत. अणुऊर्जा प्रकल्पांमध्ये, विभक्त विखंडनाच्या परिणामी आण्विक अणुभट्ट्यांमध्ये सोडलेली उष्णता वाफेच्या निर्मितीसाठी वापरली जाते, जी विद्युत जनरेटर चालू करणाऱ्या टर्बाइनला पुरवली जाते.

विखंडन प्रक्रियेच्या व्यावहारिक वापरासाठी, युरेनियम आणि प्लुटोनियम सर्वात योग्य आहेत. त्यांच्याकडे समस्थानिक आहेत (वेगवेगळ्या वस्तुमान संख्येसह दिलेल्या घटकाचे अणू), जे अगदी कमी ऊर्जा असतानाही न्यूट्रॉन शोषून घेतात तेव्हा विखंडन करतात.

विखंडन उर्जेच्या व्यावहारिक वापराची गुरुकिल्ली ही वस्तुस्थिती होती की काही घटक विखंडन प्रक्रियेदरम्यान न्यूट्रॉन उत्सर्जित करतात. अणुविखंडन दरम्यान एक न्यूट्रॉन शोषला जात असला तरी, हे नुकसान विखंडन प्रक्रियेदरम्यान नवीन न्यूट्रॉनच्या निर्मितीद्वारे केले जाते. ज्या यंत्रामध्ये विखंडन होते त्यामध्ये पुरेसे मोठे ("गंभीर") वस्तुमान असल्यास, नवीन न्यूट्रॉनमुळे "साखळी प्रतिक्रिया" राखली जाऊ शकते. विखंडन करण्यास सक्षम न्यूट्रॉनची संख्या समायोजित करून साखळी प्रतिक्रिया नियंत्रित केली जाऊ शकते. जर ते एकापेक्षा जास्त असेल तर विखंडन तीव्रता वाढते आणि जर ती एकापेक्षा कमी असेल तर ती कमी होते.

ऐतिहासिक पार्श्वभूमी

अणुविखंडन शोधण्याचा इतिहास ए. बेकरेल (1852-1908) यांच्या कार्यापासून सुरू होतो. 1896 मध्ये फॉस्फोरेसेन्सचा शोध विविध साहित्य, त्याने शोधून काढले की युरेनियम असलेली खनिजे उत्स्फूर्तपणे किरणोत्सर्ग उत्सर्जित करतात ज्यामुळे फोटोग्राफिक प्लेट काळी होते जरी खनिज आणि प्लेटमध्ये अपारदर्शक सामग्री ठेवली तरीही. घन. विविध प्रयोगकर्त्यांनी हे सिद्ध केले आहे की या रेडिएशनमध्ये अल्फा कण (हेलियम न्यूक्ली), बीटा कण (इलेक्ट्रॉन) आणि गॅमा क्वांटा (कठीण इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक रेडिएशन) असतात.

मानवाने कृत्रिमरीत्या घडवलेले पहिले आण्विक परिवर्तन 1919 मध्ये ई. रदरफोर्ड यांनी केले, ज्याने युरेनियमच्या अल्फा कणांसह नायट्रोजनचे विकिरण करून नायट्रोजनचे ऑक्सिजनमध्ये रूपांतर केले. ही प्रतिक्रिया उर्जेच्या शोषणासह होती, कारण त्याच्या उत्पादनांचे वस्तुमान - ऑक्सिजन आणि हायड्रोजन - अभिक्रियामध्ये प्रवेश करणार्या कणांच्या वस्तुमानापेक्षा जास्त आहे - नायट्रोजन आणि अल्फा कण. अणुऊर्जेचे प्रकाशन प्रथम 1932 मध्ये जे. कॉकक्रॉफ्ट आणि ई. वॉल्टन यांनी केले होते, ज्यांनी प्रोटॉनसह लिथियमचा भडिमार केला होता. या प्रतिक्रियेमध्ये, प्रतिक्रियेत प्रवेश करणार्या केंद्रकांचे वस्तुमान उत्पादनांच्या वस्तुमानापेक्षा किंचित जास्त होते, परिणामी ऊर्जा सोडली गेली.

1932 मध्ये, जे. चॅडविक यांनी न्यूट्रॉनचा शोध लावला, हा एक तटस्थ कण आहे ज्याचे वस्तुमान हायड्रोजन अणूच्या केंद्रकाच्या वस्तुमानाच्या बरोबरीचे आहे. जगभरातील भौतिकशास्त्रज्ञांनी या कणाच्या गुणधर्मांचा अभ्यास करण्यास सुरुवात केली. वंचित असे गृहीत धरले होते इलेक्ट्रिक चार्जआणि पॉझिटिव्ह चार्ज असलेल्या न्यूक्लियसने मागे न घेतलेला न्यूट्रॉन अणु अभिक्रिया होण्याची शक्यता जास्त असते. नंतरच्या निकालांनी या अंदाजाची पुष्टी केली. रोममध्ये, ई. फर्मी आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी नियतकालिक सारणीतील जवळजवळ सर्व घटक न्यूट्रॉनसह विकिरणित केले आणि नवीन समस्थानिकांच्या निर्मितीसह आण्विक प्रतिक्रियांचे निरीक्षण केले. नवीन समस्थानिकांच्या निर्मितीचा पुरावा गॅमा आणि बीटा रेडिएशनच्या स्वरूपात "कृत्रिम" किरणोत्सर्गाचा होता.

परमाणु विखंडन होण्याच्या शक्यतेचे पहिले संकेत.

फर्मी आज ज्ञात असलेल्या अनेक न्यूट्रॉन प्रतिक्रियांच्या शोधासाठी जबाबदार आहे. विशेषतः, त्याने न्यूट्रॉनसह युरेनियम (अनुक्रमांक 92 सह घटक) चा भडिमार करून अनुक्रमांक 93 (नेपट्यूनियम) असलेले घटक मिळविण्याचा प्रयत्न केला. त्याच वेळी, त्याने प्रस्तावित प्रतिक्रियेतील न्यूट्रॉनच्या कॅप्चरच्या परिणामी उत्सर्जित इलेक्ट्रॉन रेकॉर्ड केले.

238 U + 1 n ® 239 Np + b–,

जेथे 238 U हे युरेनियम-238 चे समस्थानिक आहे, 1 n एक न्यूट्रॉन आहे, 239 Np नेपट्यूनियम आहे आणि b- इलेक्ट्रॉन. तथापि, परिणाम संमिश्र होते. आढळलेली किरणोत्सर्गी युरेनियमच्या समस्थानिकांची किंवा इतर घटकांची असण्याची शक्यता वगळण्यासाठी नियतकालिक सारणीयुरेनियम आधी, चालते होते रासायनिक विश्लेषणकिरणोत्सर्गी घटक.

विश्लेषणाच्या परिणामांवरून असे दिसून आले की अज्ञात घटक अनुक्रमांक 93, 94, 95 आणि 96 शी संबंधित आहेत. म्हणून फर्मीने असा निष्कर्ष काढला की त्याला ट्रान्सयुरेनियम घटक मिळाले आहेत. तथापि, जर्मनीतील ओ. हॅन आणि एफ. स्ट्रासमन यांनी सखोल रासायनिक विश्लेषण केल्यावर असे आढळले की न्यूट्रॉनसह युरेनियमच्या विकिरणामुळे निर्माण होणाऱ्या घटकांमध्ये किरणोत्सर्गी बेरियम आहे. याचा अर्थ असा होतो की युरेनियमचे काही केंद्रक कदाचित दोन मोठ्या तुकड्यांमध्ये विभागले गेले आहेत.

विभाजनाच्या शक्यतेची पुष्टी.

यानंतर कोलंबिया विद्यापीठातील फर्मी, जे. डनिंग आणि जे. पेग्राम यांनी अणुविखंडन प्रत्यक्षात घडते असे प्रयोग केले. न्यूट्रॉनद्वारे युरेनियमच्या विखंडनाची पुष्टी आनुपातिक काउंटर, क्लाउड चेंबर आणि विखंडन तुकड्यांच्या जमा पद्धतींद्वारे केली गेली. पहिल्या पद्धतीत असे दिसून आले की जेव्हा न्यूट्रॉन स्त्रोत युरेनियमच्या नमुन्याजवळ येतो तेव्हा उच्च-ऊर्जा डाळी उत्सर्जित होतात. क्लाउड चेंबरमध्ये असे दिसून आले की न्यूट्रॉनचा भडिमार करून युरेनियम न्यूक्लियसचे दोन तुकड्यांमध्ये विभाजन झाले. नंतरच्या पद्धतीमुळे हे सिद्ध करणे शक्य झाले की, सिद्धांताच्या अंदाजानुसार, तुकडे किरणोत्सर्गी होते. या सर्व गोष्टी एकत्र घेतल्याने हे सिद्ध झाले की विखंडन प्रत्यक्षात घडते आणि विखंडन दरम्यान सोडलेल्या ऊर्जेचा आत्मविश्वासाने न्याय करणे शक्य झाले.

स्थिर न्यूक्लियसमधील प्रोटॉनच्या संख्येचे न्यूट्रॉनच्या संख्येचे अनुज्ञेय गुणोत्तर कमी होत जाणारे आण्विक आकारमान कमी होत असल्याने, तुकड्यांमधील न्यूट्रॉनचा अंश मूळ युरेनियम न्यूक्लियसपेक्षा कमी असावा. अशा प्रकारे, विखंडन प्रक्रिया न्यूट्रॉनच्या उत्सर्जनासह आहे असे मानण्याचे सर्व कारण होते. F. Joliot-Curie आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी लवकरच याची प्रायोगिकपणे पुष्टी केली: विखंडन प्रक्रियेदरम्यान उत्सर्जित होणाऱ्या न्यूट्रॉनची संख्या शोषलेल्या न्यूट्रॉनच्या संख्येपेक्षा जास्त होती. असे दिसून आले की प्रत्येक शोषलेल्या न्यूट्रॉनसाठी अंदाजे अडीच नवीन न्यूट्रॉन आहेत. शृंखला प्रतिक्रिया होण्याची शक्यता आणि उर्जेचा अपवादात्मक शक्तिशाली स्त्रोत तयार करण्याची शक्यता आणि त्याचा लष्करी हेतूंसाठी वापर त्वरित स्पष्ट झाला. यानंतर, अनेक देशांमध्ये (विशेषत: जर्मनी आणि यूएसए) खोल गुप्ततेच्या परिस्थितीत अणुबॉम्ब तयार करण्याचे काम सुरू झाले.

दुसऱ्या महायुद्धाच्या काळात घडामोडी.

1940 ते 1945 पर्यंत विकासाची दिशा लष्करी विचारांद्वारे निश्चित केली गेली. 1941 मध्ये, थोड्या प्रमाणात प्लुटोनियम प्राप्त झाले आणि युरेनियम आणि प्लुटोनियमचे अनेक परमाणु मापदंड स्थापित केले गेले. यूएसए मध्ये, यासाठी आवश्यक असलेले सर्वात महत्वाचे उत्पादन आणि संशोधन उपक्रम मॅनहॅटन मिलिटरी इंजिनिअरिंग डिस्ट्रिक्टच्या अधिकारक्षेत्रात होते, ज्यामध्ये युरेनियम प्रकल्प 13 ऑगस्ट 1942 रोजी हस्तांतरित करण्यात आला होता. कोलंबिया विद्यापीठात (न्यूयॉर्क), ई. फर्मी आणि डब्ल्यू. झिन यांच्या नेतृत्वाखालील कर्मचाऱ्यांच्या गटाने पहिला प्रयोग केला ज्यामध्ये त्यांनी युरेनियम डायऑक्साइड आणि ग्रेफाइट - एक अणू "बॉयलर" च्या ब्लॉक्सच्या जाळीमध्ये न्यूट्रॉनच्या गुणाकाराचा अभ्यास केला. . जानेवारी 1942 मध्ये, हे काम शिकागो विद्यापीठाकडे हस्तांतरित करण्यात आले, जेथे जुलै 1942 मध्ये स्वयं-टिकाऊ साखळी प्रतिक्रिया होण्याची शक्यता दर्शविणारे निकाल प्राप्त झाले. सुरुवातीला, अणुभट्टी 0.5 डब्ल्यूच्या उर्जेवर चालत होती, परंतु 10 दिवसांनंतर शक्ती 200 डब्ल्यू पर्यंत वाढविली गेली. ॲलामोगोर्डो चाचणी साइट (न्यू मेक्सिको) येथे पहिल्या अणुबॉम्बच्या स्फोटाने 16 जुलै 1945 रोजी मोठ्या प्रमाणात अणुऊर्जेची निर्मिती करण्याची शक्यता प्रथम प्रदर्शित झाली.

अणुभट्ट्या

आण्विक अणुभट्टी ही एक अशी सुविधा आहे ज्यामध्ये विभक्त विखंडनाची नियंत्रित, स्वयं-टिकाऊ साखळी प्रतिक्रिया शक्य आहे. अणुभट्ट्यांचे वर्गीकरण वापरले जाणारे इंधन (फिसिल आणि कच्चे समस्थानिक), नियंत्रकाच्या प्रकारानुसार, इंधन घटकांच्या प्रकारानुसार आणि कूलंटच्या प्रकारानुसार केले जाऊ शकते.

फिसिल समस्थानिक.

युरेनियम-२३५, प्लुटोनियम-२३९ आणि युरेनियम-२३३ असे तीन विखंडन समस्थानिक आहेत. युरेनियम-२३५ समस्थानिक विभक्त करून मिळते; प्लुटोनियम-२३९ - अणुभट्ट्यांमध्ये ज्यामध्ये युरेनियम-२३८ चे प्लुटोनियममध्ये रूपांतर होते, २३८ U ® 239 U ® 239 Np ® 239 Pu; युरेनियम-२३३ - अणुभट्ट्यांमध्ये ज्यामध्ये थोरियम-२३२ ची युरेनियममध्ये प्रक्रिया केली जाते. पॉवर अणुभट्टीसाठी अणुइंधन निवडले जाते त्याचे आण्विक आणि विचारात घेऊन रासायनिक गुणधर्म, तसेच खर्च.

खालील तक्त्यामध्ये फिसिल समस्थानिकांचे मुख्य मापदंड सादर केले आहेत. एकूण क्रॉस सेक्शन न्यूट्रॉन आणि दिलेल्या न्यूक्लियसमधील कोणत्याही प्रकारच्या परस्परसंवादाची संभाव्यता दर्शवितो. विखंडन क्रॉस सेक्शन न्यूट्रॉनद्वारे न्यूक्लियस विखंडनाची संभाव्यता दर्शवते. प्रति शोषलेल्या न्यूट्रॉनचे ऊर्जा उत्पादन हे विखंडन प्रक्रियेत केंद्रकांचा कोणता अंश भाग घेत नाही यावर अवलंबून असते. एका विखंडन घटनेत उत्सर्जित होणाऱ्या न्यूट्रॉनची संख्या साखळी प्रतिक्रिया राखण्याच्या दृष्टिकोनातून महत्त्वाची असते. प्रति शोषलेल्या न्यूट्रॉनची नवीन न्यूट्रॉनची संख्या महत्त्वाची आहे कारण ते विखंडनाची तीव्रता दर्शवते. विखंडन झाल्यानंतर उत्सर्जित होणाऱ्या विलंबित न्यूट्रॉनचा अंश सामग्रीमध्ये साठवलेल्या ऊर्जेशी संबंधित असतो.

फिसिल आइसोटोपची वैशिष्ट्ये

फिसिल आइसोटोपची वैशिष्ट्ये
समस्थानिक	उरण-235		उरण-233		प्लुटोनियम-२३९
न्यूट्रॉन ऊर्जा	1 MeV	0.025 eV	1 MeV	0.025 eV	1 MeV	0.025 eV
पूर्ण विभाग	६.६ ± ०.१	६९५ ± १०	6.2 ± 0.3	600±10	7.3 ± 0.2	1005 ± 5
विखंडन विभाग	1.25 ± 0.05	५८१ ± ६	1.85 ± 0.10	५२६ ± ४	1.8 ± 0.1	751 ± 10
विखंडनात सहभागी नसलेल्या केंद्रकांचे प्रमाण	०.०७७ ± ०.००२	०.१७४ ± ०.०१	०.०५७ ± ०.००३	०.०९८ ± ०.००४	0.08 ± 0.1	0.37 ± 0.03
एका विखंडन घटनेत उत्सर्जित होणाऱ्या न्यूट्रॉनची संख्या	2.6 ± 0.1	2.43 ± 0.03	2.65 ± 0.1	2.50 ± 0.03	3.03 ± 0.1	2.84 ± 0.06
शोषलेल्या न्यूट्रॉन प्रति न्यूट्रॉनची संख्या	2.41 ± 0.1	2.07 ± 0.02	2.51 ± 0.1	2.28 ± 0.02		2.07 ± 0.04
विलंबित न्यूट्रॉनचा अंश, %	(०.६४ ± ०.०३)	(०.६५ ± ०.०२)	(०.२६ ± ०.०२)	(०.२६ ± ०.०१)	(०.२१ ± ०.०१)	(०.२२ ± ०.०१)
विखंडन ऊर्जा, MeV
सर्व विभाग कोठारांमध्ये (10 -28 मीटर 2) दिले आहेत.

सारणी डेटा दर्शवितो की प्रत्येक विखंडन समस्थानिकेचे स्वतःचे फायदे आहेत. उदाहरणार्थ, थर्मल न्यूट्रॉनसाठी (0.025 eV ऊर्जेसह) सर्वात मोठा क्रॉस सेक्शन असलेल्या समस्थानिकेच्या बाबतीत, न्यूट्रॉन मॉडरेटर वापरताना गंभीर वस्तुमान मिळविण्यासाठी कमी इंधन आवश्यक आहे. प्लुटोनियम फास्ट रिॲक्टरमध्ये (1 MeV) शोषून घेतलेल्या न्यूट्रॉन प्रति न्यूट्रॉनची सर्वात मोठी संख्या असल्याने, प्रजनन मोडमध्ये प्लुटोनियमचा वापर जलद अणुभट्टीमध्ये करणे किंवा थर्मल रिॲक्टरमध्ये युरेनियम-235 पेक्षा थर्मल रिॲक्टरमध्ये युरेनियम-233 वापरणे चांगले आहे. युरेनियम-२३५ हे नियंत्रण सुलभतेच्या दृष्टिकोनातून अधिक श्रेयस्कर आहे, कारण त्यात विलंबित न्यूट्रॉनचे प्रमाण मोठे आहे.

कच्चा माल समस्थानिक.

कच्च्या मालाचे दोन समस्थानिक आहेत: थोरियम-२३२ आणि युरेनियम-२३८, ज्यापासून विखंडन समस्थानिक युरेनियम-२३३ आणि प्लुटोनियम-२३९ प्राप्त होतात. कच्च्या मालाचे समस्थानिक वापरण्याचे तंत्रज्ञान विविध घटकांवर अवलंबून असते, जसे की समृद्धीची गरज. युरेनियम धातूमध्ये ०.७% युरेनियम-२३५ असते आणि थोरियम धातूमध्ये कोणतेही विखंडन समस्थानिक नसते. म्हणून, थोरियममध्ये एक समृद्ध विखंडन समस्थानिक जोडणे आवश्यक आहे. महत्वाचेप्रति शोषलेल्या न्यूट्रॉनमध्ये नवीन न्यूट्रॉनची संख्या देखील आहे. हा घटक विचारात घेतल्यास, थर्मल न्यूट्रॉन (0.025 eV च्या ऊर्जेपर्यंत कमी) च्या बाबतीत आपल्याला युरेनियम-233 ला प्राधान्य द्यावे लागेल, कारण अशा परिस्थितीत उत्सर्जित न्यूट्रॉनची संख्या जास्त असते आणि म्हणून रूपांतरण घटक प्रति एक "खर्च केलेले" विखंडन केंद्रक नवीन विखंडन केंद्रकांची संख्या.

रिटार्डर्स.

नियंत्रक विखंडन प्रक्रियेदरम्यान उत्सर्जित होणाऱ्या न्यूट्रॉनची उर्जा सुमारे 1 MeV वरून 0.025 eV च्या थर्मल एनर्जीपर्यंत कमी करण्यासाठी कार्य करतो. संयम प्रामुख्याने नॉन-फिसिल अणूंच्या केंद्रकांवर लवचिक विखुरण्याच्या परिणामी उद्भवत असल्याने, नियंत्रक अणूंचे वस्तुमान शक्य तितके लहान असले पाहिजे जेणेकरून न्यूट्रॉन त्यांच्याकडे जास्तीत जास्त ऊर्जा हस्तांतरित करू शकेल. याव्यतिरिक्त, मॉडरेटर अणूंमध्ये एक लहान (स्कॅटरिंग क्रॉस सेक्शनच्या तुलनेत) कॅप्चर क्रॉस सेक्शन असणे आवश्यक आहे, कारण न्यूट्रॉनला थर्मल एनर्जीमध्ये कमी होण्यापूर्वी अनेक वेळा मॉडरेटर अणूंशी टक्कर द्यावी लागते.

सर्वोत्कृष्ट नियंत्रक हा हायड्रोजन आहे, कारण त्याचे वस्तुमान जवळजवळ न्यूट्रॉनच्या वस्तुमानाच्या बरोबरीचे असते आणि म्हणूनच, जेव्हा न्यूट्रॉन हायड्रोजनशी टक्कर घेतो तेव्हा तो गमावतो. सर्वात मोठी संख्याऊर्जा परंतु सामान्य (हलका) हायड्रोजन न्यूट्रॉन खूप जोरदारपणे शोषून घेतो, आणि म्हणून अधिक योग्य नियंत्रक, त्यांचे वस्तुमान थोडे मोठे असूनही, ड्यूटेरियम (जड हायड्रोजन) आणि जड पाणी आहेत, कारण ते कमी न्यूट्रॉन शोषतात. बेरिलियम एक चांगला नियंत्रक मानला जाऊ शकतो. कार्बनमध्ये एवढा लहान न्यूट्रॉन शोषक क्रॉस सेक्शन आहे की तो प्रभावीपणे न्यूट्रॉनचा वेग कमी करतो, जरी हायड्रोजनपेक्षा मंद होण्यासाठी अनेक टक्कर आवश्यक असतात.

सरासरी एनहायड्रोजन, ड्यूटेरियम, बेरिलियम आणि कार्बन वापरून 1 MeV ते 0.025 eV पर्यंत न्यूट्रॉनची गती कमी करण्यासाठी आवश्यक लवचिक टक्कर अनुक्रमे 18, 27, 36 आणि 135 आहेत. या मूल्यांचे अंदाजे स्वरूप या वस्तुस्थितीमुळे आहे की, मॉडरेटरमध्ये बॉन्ड्सच्या रासायनिक उर्जेच्या उपस्थितीमुळे, 0.3 eV पेक्षा कमी उर्जेवरील टक्कर लवचिक असण्याची शक्यता नाही. कमी उर्जेवर, अणू जाळी न्यूट्रॉनमध्ये ऊर्जा हस्तांतरित करू शकते किंवा टक्करमध्ये प्रभावी वस्तुमान बदलू शकते, ज्यामुळे संयम प्रक्रियेत व्यत्यय येतो.

शीतलक.

आण्विक अणुभट्ट्यांमध्ये वापरलेले शीतलक म्हणजे पाणी, जड पाणी, द्रव सोडियम, द्रव सोडियम पोटॅशियम (NaK), हेलियम, कार्बन डायऑक्साइड आणि सेंद्रिय द्रव जसे की टेरफेनिल. हे पदार्थ चांगले शीतलक आहेत आणि त्यात लहान न्यूट्रॉन शोषण क्रॉस सेक्शन आहेत.

पाणी एक उत्कृष्ट नियंत्रक आणि शीतलक आहे, परंतु ते न्यूट्रॉन खूप जास्त शोषून घेते आणि ते देखील आहे उच्च रक्तदाबवाफ (14 MPa) येथे ऑपरेटिंग तापमान 336° C. सर्वोत्तम ज्ञात नियंत्रक हे जड पाणी आहे. त्याची वैशिष्ट्ये सामान्य पाण्याच्या जवळ आहेत आणि न्यूट्रॉन शोषण क्रॉस सेक्शन लहान आहे. सोडियम एक उत्कृष्ट शीतलक आहे, परंतु न्यूट्रॉन नियंत्रक म्हणून प्रभावी नाही. म्हणूनच ते वेगवान न्यूट्रॉन रिॲक्टर्समध्ये वापरले जाते, जेथे विखंडन अधिक न्यूट्रॉन तयार करते. हे खरे आहे, सोडियमचे अनेक तोटे आहेत: ते किरणोत्सर्गीतेला प्रेरित करते, त्याची उष्णता क्षमता कमी असते, ते रासायनिकदृष्ट्या सक्रिय असते आणि खोलीच्या तापमानाला घट्ट होते. सोडियम-पोटॅशियम मिश्रधातूमध्ये सोडियमसारखे गुणधर्म असतात, परंतु खोलीच्या तपमानावर ते द्रव राहते. हेलियम एक उत्कृष्ट शीतलक आहे, परंतु त्यात कमी आहे विशिष्ट उष्णता. कार्बन डाय ऑक्साईड एक चांगला शीतलक आहे आणि ग्रेफाइट-मॉडरेट केलेल्या अणुभट्ट्यांमध्ये मोठ्या प्रमाणावर वापरला जातो. टेरफेनिलचा पाण्यापेक्षा फायदा आहे की त्याच्या ऑपरेटिंग तापमानात कमी बाष्प दाब असतो, परंतु अणुभट्ट्यांमध्ये आढळणारे उच्च तापमान आणि रेडिएशन फ्लक्सच्या संपर्कात आल्यावर त्याचे विघटन होते आणि पॉलिमराइज होते.

इंधन घटक.

इंधन घटक (इंधन घटक) सीलबंद शेलसह इंधन कोर आहे. शेल विखंडन उत्पादनांची गळती आणि कूलंटसह इंधनाचा परस्परसंवाद प्रतिबंधित करते. शेल सामग्रीने न्यूट्रॉन कमकुवतपणे शोषले पाहिजेत आणि स्वीकार्य यांत्रिक, हायड्रॉलिक आणि थर्मल चालकता वैशिष्ट्ये असणे आवश्यक आहे. इंधन घटक सामान्यतः ॲल्युमिनियम, झिरकोनियम किंवा बनवलेल्या नळ्यांमध्ये सिंटर्ड युरेनियम ऑक्साईडचे गोळे असतात. स्टेनलेस स्टील; झिर्कोनियम, मोलिब्डेनम आणि ॲल्युमिनियमसह युरेनियम मिश्र धातुंच्या गोळ्या, झिरकोनियम किंवा ॲल्युमिनियमसह लेपित (ॲल्युमिनियम मिश्र धातुच्या बाबतीत); विखुरलेल्या युरेनियम कार्बाइडसह ग्रेफाइट गोळ्या, अभेद्य ग्रेफाइटसह लेपित.

या सर्व इंधन घटकांचे त्यांचे उपयोग आहेत, परंतु दबाव असलेल्या पाण्याच्या अणुभट्ट्यांसाठी, स्टेनलेस स्टीलच्या नळ्यांमधील युरेनियम ऑक्साईड गोळ्यांना सर्वाधिक प्राधान्य दिले जाते. युरेनियम डायऑक्साइड पाण्यावर प्रतिक्रिया देत नाही, उच्च किरणोत्सर्ग प्रतिरोधक आहे आणि उच्च वितळण्याच्या बिंदूद्वारे वैशिष्ट्यीकृत आहे.

उच्च-तापमानाच्या गॅस-कूल्ड अणुभट्ट्यांसाठी, ग्रेफाइट इंधन पेशी अगदी योग्य असल्याचे दिसून येते, परंतु त्यांचा एक गंभीर तोटा आहे - प्रसारामुळे किंवा ग्रेफाइटमधील दोषांमुळे, वायू विखंडन उत्पादने त्यांच्या क्लॅडिंगमधून आत प्रवेश करू शकतात.

सेंद्रिय शीतलक झिरकोनियम इंधन घटकांशी विसंगत असतात आणि म्हणून त्यांना ॲल्युमिनियम मिश्र धातुंचा वापर आवश्यक असतो. ऑरगॅनिक-कूल्ड रिॲक्टर्सची शक्यता ॲल्युमिनियम मिश्र धातु किंवा पावडर धातुकर्म उत्पादनांच्या विकासावर अवलंबून असते ज्यांची ताकद (ऑपरेटिंग तापमानात) आणि कूलंटमध्ये उष्णता हस्तांतरण वाढविणारे पंख वापरण्यासाठी आवश्यक थर्मल चालकता असते. थर्मल चालकतेमुळे इंधन आणि सेंद्रिय शीतलक यांच्यातील उष्णतेची देवाणघेवाण लहान असल्याने, उष्णता हस्तांतरण वाढविण्यासाठी पृष्ठभाग उकळणे वापरणे इष्ट आहे. पृष्ठभाग उकळण्याशी संबंधित नवीन समस्या असतील, परंतु सेंद्रीय द्रवपदार्थांचा वापर फायदेशीर असेल तर त्यांचे निराकरण करणे आवश्यक आहे.

अणुभट्टीचे प्रकार

सैद्धांतिकदृष्ट्या, 100 पेक्षा जास्त शक्य आहेत विविध प्रकारइंधन, नियंत्रक आणि शीतलकांमध्ये भिन्न अणुभट्ट्या. बहुतेक पारंपारिक अणुभट्ट्या शीतलक म्हणून दाबाने किंवा उकळत्या पाण्याचा वापर करतात.

प्रेशराइज्ड वॉटर रिॲक्टर.

अशा रिॲक्टर्समध्ये, पाणी नियंत्रक आणि शीतलक म्हणून काम करते. गरम केलेले पाणी दाबाने हीट एक्सचेंजरमध्ये पंप केले जाते, जेथे उष्णता दुय्यम सर्किटमधील पाण्यात हस्तांतरित केली जाते, ज्यामुळे टर्बाइन फिरवणारी वाफ तयार होते.

उकळत्या अणुभट्टी.

अशा रिॲक्टरमध्ये, पाणी थेट अणुभट्टीच्या कोरमध्ये उकळते आणि परिणामी वाफ टर्बाइनमध्ये प्रवेश करते. बऱ्याच उकळत्या पाण्याच्या अणुभट्ट्या देखील नियंत्रक म्हणून पाण्याचा वापर करतात, परंतु कधीकधी ग्रेफाइट नियंत्रक वापरला जातो.

लिक्विड मेटल कूल्ड अणुभट्टी.

अशा रिॲक्टरमध्ये, रिॲक्टरमध्ये विखंडन प्रक्रियेदरम्यान सोडलेली उष्णता हस्तांतरित करण्यासाठी, द्रव धातू, पाईप्समधून फिरत आहे. या प्रकारच्या जवळजवळ सर्व अणुभट्ट्या सोडियम शीतलक म्हणून वापरतात. प्राथमिक सर्किट पाईप्सच्या दुसऱ्या बाजूला निर्माण होणारी वाफ पारंपारिक टर्बाइनला दिली जाते. लिक्विड मेटल कूल्ड अणुभट्टी तुलनेने उच्च उर्जा न्यूट्रॉन (जलद न्यूट्रॉन अणुभट्टी) किंवा ग्रेफाइट किंवा बेरिलियम ऑक्साईडमध्ये नियंत्रित न्यूट्रॉन वापरू शकते. लिक्विड-मेटल-कूल्ड फास्ट न्यूट्रॉन अणुभट्ट्या ब्रीडर अणुभट्ट्या म्हणून अधिक श्रेयस्कर आहेत, कारण या प्रकरणात संयमाशी संबंधित कोणतेही न्यूट्रॉन नुकसान नाहीत.

गॅस-कूल्ड अणुभट्टी.

अशा रिॲक्टरमध्ये, विखंडन प्रक्रियेदरम्यान सोडलेली उष्णता वायू - कार्बन डाय ऑक्साईड किंवा हीलियमद्वारे स्टीम जनरेटरमध्ये हस्तांतरित केली जाते. न्यूट्रॉन नियंत्रक हा सहसा ग्रेफाइट असतो. गॅस-कूल्ड अणुभट्टी जास्त उंचीवर काम करू शकते उच्च तापमान, लिक्विड-कूल्ड रिॲक्टर ऐवजी, आणि म्हणून औद्योगिक हीटिंग सिस्टम आणि उच्च-कार्यक्षमता पॉवर प्लांटसाठी योग्य आहे. लहान गॅस-कूल्ड अणुभट्ट्या वाढलेल्या ऑपरेशनल सुरक्षिततेद्वारे वैशिष्ट्यीकृत आहेत, विशेषतः, अणुभट्टी वितळण्याचा कोणताही धोका नाही.

एकसंध अणुभट्ट्या.

एकसंध अणुभट्ट्यांचा गाभा एकसंध द्रव वापरतो ज्यामध्ये युरेनियमचा विखंडन समस्थानिक असतो. द्रव हे सहसा युरेनियमचे वितळलेले संयुग असते. हे एका मोठ्या गोलाकार दाबाच्या पात्रात पंप केले जाते, जेथे विखंडन साखळी प्रतिक्रिया गंभीर वस्तुमानावर होते. नंतर द्रव स्टीम जनरेटरमध्ये दिले जाते. डिझाइन आणि तांत्रिक अडचणींमुळे एकसंध अणुभट्ट्या व्यापक बनल्या नाहीत.

प्रतिक्रिया आणि नियंत्रण

आण्विक अणुभट्टीमध्ये स्वयं-टिकाऊ साखळी अभिक्रिया होण्याची शक्यता अणुभट्टीतून किती न्यूट्रॉन गळती होते यावर अवलंबून असते. विखंडन दरम्यान तयार केलेले न्यूट्रॉन शोषणाच्या परिणामी अदृश्य होतात. याव्यतिरिक्त, एका वायूच्या दुसर्या वायूच्या प्रसाराप्रमाणेच, पदार्थाद्वारे प्रसार झाल्यामुळे न्यूट्रॉन गळती शक्य आहे.

अणुभट्टी नियंत्रित करण्यासाठी, आपण न्यूट्रॉन गुणाकार घटक नियंत्रित करण्यास सक्षम असणे आवश्यक आहे k, एका पिढीतील न्यूट्रॉनच्या संख्येचे मागील पिढीतील न्यूट्रॉनच्या संख्येचे गुणोत्तर म्हणून परिभाषित केले आहे. येथे k= 1 (गंभीर अणुभट्टी) एक स्थिर साखळी प्रतिक्रिया स्थिर तीव्रतेसह घडते. येथे k> 1 (सुपरक्रिटिकल अणुभट्टी), प्रक्रियेची तीव्रता वाढते आणि येथे k r = 1 – (1/ k) याला प्रतिक्रिया म्हणतात.)

विलंबित न्यूट्रॉनच्या घटनेमुळे, न्यूट्रॉनचा "जन्म" वेळ 0.001 s वरून 0.1 s पर्यंत वाढतो. ही वैशिष्ट्यपूर्ण प्रतिक्रिया वेळ यांत्रिक ॲक्ट्युएटर वापरून नियंत्रित केली जाऊ शकते - न्यूट्रॉन (बी, सीडी, एचएफ, इन, ईयू, जीडी, इ.) शोषून घेणाऱ्या सामग्रीपासून बनवलेल्या कंट्रोल रॉड्स. नियंत्रण वेळ स्थिरांक 0.1 s किंवा अधिकच्या क्रमाने असावा. सुरक्षितता सुनिश्चित करण्यासाठी, एक अणुभट्टी ऑपरेटिंग मोड निवडला जातो ज्यामध्ये स्थिर साखळी प्रतिक्रिया राखण्यासाठी प्रत्येक पिढीमध्ये विलंबित न्यूट्रॉन आवश्यक असतात.

दिलेल्या पॉवर लेव्हलची खात्री करण्यासाठी कंट्रोल रॉड्स आणि न्यूट्रॉन रिफ्लेक्टर्सचा वापर केला जातो, परंतु नियंत्रण कार्य मोठ्या प्रमाणात सुलभ केले जाऊ शकते. योग्य गणनाअणुभट्टी उदाहरणार्थ, जर एखाद्या अणुभट्टीची रचना अशी केली असेल की शक्ती किंवा तापमान वाढले की प्रतिक्रिया कमी होते, तर ते अधिक स्थिर असेल. उदाहरणार्थ, तापमानात वाढ झाल्यामुळे मंदी अपुरी असल्यास, अणुभट्टीतील पाणी विस्तारते, म्हणजे. नियंत्रकाची घनता कमी होते. परिणामी, युरेनियम -238 मधील न्यूट्रॉनचे शोषण वाढते, कारण त्यांच्याकडे प्रभावीपणे कमी होण्यास वेळ नाही. काही अणुभट्ट्या पाण्याची घनता कमी झाल्यामुळे अणुभट्टीतून वाढणाऱ्या न्यूट्रॉन गळतीच्या घटकाचा फायदा घेतात. अणुभट्टी स्थिर करण्याचा आणखी एक मार्ग म्हणजे युरेनियम-२३८ सारखे “रेझोनंट न्यूट्रॉन शोषक” गरम करणे, जे नंतर न्यूट्रॉन अधिक जोरदारपणे शोषून घेते.

सुरक्षा प्रणाली.

अणुभट्टीची सुरक्षितता एक किंवा दुसर्या यंत्रणेद्वारे सुनिश्चित केली जाते ज्यामुळे ते थांबते तीव्र वाढशक्ती ही यंत्रणा असू शकते शारीरिक प्रक्रियाकिंवा नियंत्रण आणि संरक्षण प्रणालीचे कार्य किंवा दोन्ही. प्रेशराइज्ड वॉटर रिॲक्टर्सची रचना करताना, रिॲक्टरमध्ये थंड पाण्याच्या प्रवेशाशी संबंधित आपत्कालीन परिस्थिती, शीतलक प्रवाहात घट आणि स्टार्टअप दरम्यान खूप जास्त प्रतिक्रिया प्रदान केली जाते. घटत्या तापमानासह प्रतिक्रियेची तीव्रता वाढत असल्याने, जेव्हा थंड पाणी अचानक अणुभट्टीमध्ये प्रवेश करते तेव्हा प्रतिक्रिया आणि शक्ती वाढते. संरक्षण प्रणालीमध्ये सहसा थंड पाणी प्रवेश करण्यापासून रोखण्यासाठी स्वयंचलित लॉक समाविष्ट असते. जेव्हा शीतलक प्रवाह कमी होतो, तेव्हा अणुभट्टी जास्त गरम होते, जरी त्याची शक्ती वाढत नाही. अशा परिस्थितीत, स्वयंचलित बंद करणे आवश्यक आहे. याव्यतिरिक्त, अणुभट्टी बंद करण्यासाठी आवश्यक शीतलक पुरवण्यासाठी कूलंट पंप डिझाइन केले पाहिजेत. खूप जास्त रिॲक्टिव्हिटी असलेले अणुभट्टी सुरू करताना आपत्कालीन परिस्थिती उद्भवू शकते. मुळे कमी पातळीपॉवर, अणुभट्टीला उशीर होईपर्यंत तापमान संरक्षणासाठी पुरेसा गरम होण्यास वेळ नाही. अशा प्रकरणांमध्ये एकमात्र विश्वासार्ह उपाय म्हणजे अणुभट्टी काळजीपूर्वक सुरू करणे.

आपण अनुसरण केल्यास सूचीबद्ध आपत्कालीन परिस्थिती टाळणे अगदी सोपे आहे खालील नियम: प्रणालीची प्रतिक्रिया वाढवू शकणाऱ्या सर्व क्रिया काळजीपूर्वक आणि हळूहळू केल्या पाहिजेत. अणुभट्टीच्या सुरक्षेशी संबंधित सर्वात महत्त्वाचा मुद्दा म्हणजे अणुभट्टीची विखंडन प्रतिक्रिया थांबल्यानंतर दीर्घकालीन थंड करणे आवश्यक आहे. वस्तुस्थिती अशी आहे की इंधन कॅसेटमध्ये उरलेली किरणोत्सर्गी विखंडन उत्पादने उष्णता निर्माण करतात. हे पूर्ण पॉवर मोडमध्ये व्युत्पन्न केलेल्या उष्णतेपेक्षा खूपच कमी आहे, परंतु त्याच्या अनुपस्थितीत ते पुरेसे आहे आवश्यक कूलिंगइंधन रॉड वितळणे. थंड पाण्याच्या पुरवठ्यात थोडासा व्यत्यय आल्याने गाभ्याचे लक्षणीय नुकसान झाले आणि थ्री माईल आयलंड (यूएसए) येथे अणुभट्टीचा अपघात झाला. अशा अपघातात अणुभट्टीच्या गाभ्याचा नाश कमीत कमी नुकसान होते. धोकादायक किरणोत्सर्गी समस्थानिकांची गळती झाल्यास ते अधिक वाईट होईल. बहुतेक औद्योगिक अणुभट्ट्या हर्मेटिकली सीलबंद सुरक्षा वाहिन्यांनी सुसज्ज आहेत, ज्यामुळे अपघात झाल्यास वातावरणात समस्थानिक सोडणे टाळले पाहिजे.

शेवटी, आम्ही लक्षात घेतो की अणुभट्टीचा नाश होण्याची शक्यता त्याच्या रचना आणि डिझाइनवर अवलंबून असते. अणुभट्ट्यांची रचना अशा प्रकारे केली जाऊ शकते की शीतलक प्रवाह कमी केल्याने मोठ्या समस्या उद्भवणार नाहीत. हे आहेत विविध प्रकारगॅस-कूल्ड अणुभट्ट्या.

आपल्याला खालील सामग्रीमध्ये स्वारस्य असू शकते