Деление урана, цепная реакция

                                           СОДЕРЖАНИЕ

 

 

Введение …………………………………………………………………………3

 

1. Деление урана, цепная реакция …………………………………………4

   

2. Устойчивость и неустойчивость, бифуркация ………………………...10

 

Заключение ……………………………………………………………………..15

 

Список литературы …………………………………………………………… 16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                               ВВЕДЕНИЕ

 

           Естествознание – наука о явлениях и законах природы. На современном этапе развития естествознание включает множество отраслей: физику, химию, биологию, биохимию, геохимию, астрономию, генетику, экологию  и др. Естествознание охватывает широкий спектр вопросов о разнообразных свойствах объектов и явлений природы, которую можно рассматривать как целостную систему. Успехи естествознания, особенно с 17 -18 вв., надолго сделали принципы естествознания эталоном рациональности. Изучение природы было естественным стремлением человека познать окружающий мир и стало основой практической деятельности. Основные понятия, само представление о закономерностях изменения явлений, способы применения законов природы были порождены ее исследованием.

           В настоящее время естественнонаучные  знания являются сферой активных  действий и основанные на них  современные технологии формируют новый образ жизни человека.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ДЕЛЕНИЕ УРАНА, ЦЕПНАЯ РЕАКЦИЯ

 

          В результате опытов по облучению нейтронами урана было найдено, что под действием нейтронов ядра урана делятся на два ядра (осколка) примерно половинной массы и заряда; этот процесс сопровождается испусканием нескольких (двух-трех) нейтронов (рис. 1).

 

 

 

 

Рис. 1. Деление ядра урана под  действием нейтронов: а) ядро захватывает  нейтрон; б) удар нейтрона о ядро приводит последнее в колебания; в) ядро делится  на два осколка; при этом испускается еще несколько нейтронов

 

          Помимо урана, способны делиться еще некоторые элементы из числа последних элементов периодической системы Менделеева. Эти элементы, так же как и уран, делятся не только под действием нейтронов, но также без внешних воздействий (спонтанно). Спонтанное деление было установлено на опыте советскими физиками К. А. Петржаком и Георгием Николаевичем Флеровым в 1940 г. Оно представляет собой весьма редкий процесс. Так, в 1 г урана происходит всего лишь около 20 спонтанных делений в час.

           Благодаря взаимному электростатическому отталкиванию осколки деления разлетаются в противоположные стороны, приобретая огромную кинетическую энергию (около 160 МэВ). Реакция деления происходит, таким образом, со значительным выделением энергии. Быстродвижущиеся осколки интенсивно ионизуют атомы среды. Это свойство осколков используют для обнаружения процессов деления при помощи ионизационной камеры или камеры Вильсона. Фотография следов осколков деления в камере Вильсона приведена на рис. 2.

 

Рис. 2. Фотография следов осколков деления урана в камере Вильсона: осколки (О) разлетаются в противоположные  стороны из тонкого слоя урана, нанесенного  на пластинке, перегораживающей камеру. На снимке видно также множество более тонких следов, принадлежащих протонам, выбитым нейтронами из молекул водяного пара, содержащегося в камере

 

 

         Крайне существенным является то обстоятельство, что нейтроны, испущенные при делении уранового ядра (так называемые вторичные нейтроны деления), способны вызывать деление новых ядер урана. Благодаря этому можно осуществить цепную реакцию деления: однажды возникнув, реакция в принципе может продолжаться сама собой, охватывая все большее число ядер. Схема развития такой нарастающей цепной реакции изображена на рис. 3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3. Развитие цепной реакции деления: условно принято, что при делении  ядра испускаются два нейтрона и  потерь нейтронов нет, т. е. каждый нейтрон  вызывает новое деление; кружочки —  осколки деления, стрелки — нейтроны деления

         

          Осуществление цепной реакции деления на практике не просто; опыт показывает, что в массе природного урана цепная реакция не возникает. Причина этого кроется в потере вторичных нейтронов; в природном уране большая часть нейтронов выходит из игры, не вызывая делений. Как выявили исследования, потеря нейтронов происходит в наиболее распространенном изотопе урана — уране-238 (23892U). Этот изотоп  легко поглощает нейтроны по реакции, подобной реакции серебра с нейтронами ; при этом образуется искусственно-радиоактивный изотоп 23892U. Делится же 238U с трудом и только под действием быстрых нейтронов.

          Более удачными для цепной реакции свойствами обладает изотоп 235U, который содержится в природном уране в количестве 0,7%. Он делится под действием нейтронов любой энергии — быстрых и медленных и тем лучше, чем меньше энергия нейтронов. Конкурирующий с делением процесс — простое поглощение нейтронов — мало вероятен в 235U в отличие от 238U. Поэтому в чистом уране-235 возможна цепная реакция деления при условии, однако, что масса урана-235 достаточно велика. В уране малой массы реакция деления обрывается из-за вылета вторичных нейтронов за пределы его вещества.

          В самом деле, ввиду крошечных размеров атомных ядер нейтрон проходит в веществе значительный путь (измеряемый сантиметрами), прежде чем случайно натолкнется на ядро. Если размеры тела малы, то вероятность столкновения на пути до выхода наружу мала. Почти все вторичные нейтроны деления вылетают через поверхность тела, не вызывая новых делений, т. е. не продолжая реакции.

        Из тела больших размеров вылетают наружу главным образом нейтроны, образовавшиеся в поверхностном слое.

         Нейтроны, образовавшиеся внутри тела, имеют перед собой достаточную толщу урана и в большинстве своем вызывают новые деления, продолжая реакцию (рис. 4).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4. Развитие цепной реакции деления  в 235U. а) В малой массе 235U большинство  нейтронов деления вылетает наружу. б) В большой массе урана многие нейтроны деления вызывают деления новых ядер; число делений возрастает от поколения к поколению. Кружочки — осколки деления, стрелки — нейтроны деления.

 

          Чем больше масса урана, тем меньшую долю объема составляет поверхностный слой, из которого теряется много нейтронов, и тем благоприятнее условия для развития цепной реакции.

          Увеличивая постепенно количество 235U, мы достигнем критической массы, т. е. наименьшей массы, начиная с которой возможна незатухающая цепная реакция деления в 235U. При дальнейшем увеличении массы 235U реакция начнет бурно развиваться (начало ей положат спонтанные деления). При уменьшении массы 235U ниже критической реакция затухает.

 

Можно осуществить цепную реакцию деления, если располагать достаточным количеством чистого 235U, отделенного от 238U.

           Было замечено, разделение изотопов представляет собой хотя сложную и дорогую, но все же выполнимую операцию. И действительно, извлечение 235U из природного урана явилось одним из тех способов, при помощи которых цепная реакция деления была осуществлена на практике.

 

          Наряду с этим цепная реакция была достигнута и другим способом, не требующим разделения изотопов урана. Этот способ несколько более сложен в принципе, но зато более прост в осуществлении. Он использует замедление быстрых вторичных нейтронов деления до скоростей теплового движения. Мы видели, что в природном уране незамедленные вторичные нейтроны поглощаются главным образом изотопом 238U. Так как поглощение в 238U не приводит к делению, то реакция обрывается. Как показывают измерения, при замедлении нейтронов до тепловых скоростей поглощающая способность 235U возрастает сильнее поглощающей способности 238U. Поглощение нейтронов изотопом 235U, ведущее к делению, получает перевес. Поэтому, если замедлить нейтроны деления, не дав им поглотиться в 238U, цепная реакция станет возможной и с природным ураном.

 

         На практике такого результата добиваются, помещая тонкие стержни из природного урана в виде редкой решетки в замедлитель (рис. 5).

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 5. Система из природного урана и замедлителя, в которой  может развиваться цепная реакция  деления

 

          В качестве замедлителей используют вещества, обладающие малой атомной массой и слабо поглощающие нейтроны. Хорошими замедлителями являются графит, тяжелая вода, бериллий.

         Пусть в одном из стержней произошло деление ядра урана. Так как стержень сравнительно тонкий, то быстрые вторичные нейтроны вылетят почти все в замедлитель. Стержни расположены в решетке довольно редко. Вылетевший нейтрон до попадания в новый стержень испытывает много соударений с ядрами замедлителя и замедляется до скорости теплового движения (рис. 6).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 6. Развитие цепной реакции деления  в системе из природного урана  и замедлителя. Быстрый нейтрон, вылетев из тонкого стержня, попадает в замедлитель и замедляется. Попав снова в уран, замедленный  нейтрон скорее всего поглощается  в 235U, вызывая деление (обозначение: два светлых кружка). Некоторые нейтроны поглощаются в 238U, не вызывая деления (обозначение: черный кружок) был реализован в СССР в 1946 г. академиком Игорем Васильевичем Курчатовым (1903—1960) с сотрудниками.

 

        Попав затем в урановый стержень, нейтрон поглотится скорее всего в 235U и вызовет новое деление, продолжая тем самым реакцию. Цепная реакция деления была впервые осуществлена в США в 1942 г. группой ученых под руководством итальянского физика Энрико Ферми (1901—1954) в системе с природным ураном.

   2. УСТОЙЧИВОСТЬ И НЕУСТОЙЧИВОСТЬ, БИФУРКАЦИЯ

 

        Жизненный путь каждого человека содержит множество моментов решающего выбора, цепь бифуркаций. По сути дела, синергетическую картину жизни рисует В. В. Набоков: «Есть острая забава в том, чтобы, оглядываясь на прошлое, спрашивать себя, что было бы, если бы... заменять одну случайность другой, наблюдать, как из какой-нибудь серой минуты жизни, прошедшей незаметно и бесплодно, вырастает дивное розовое событие, которое в свое время так и не вылупилось, не просияло. Таинственная эта ветвистость жизни, в каждом былом мгновении чувствуется распутие, - было так, а могло бы быть иначе, - и тянутся, двоятся, троятся несметные огненные извилины по темному полю прошлого».

       Чем более неустойчива система, чем ближе она к моменту обострения или к точке бифуркации, тем более чувствительной она делается ко всей массе влияний, вносимых как с нижележащих, так и вышележащих уровней бытия.

       Под влиянием поступающих в систему ресурсов (вещество, энергия, информация) и складывающихся внешних условий в ней медленно накапливаются количественные изменения, ситуация постепенно обостряется: между ее отдельными элементами рвутся старые связи и возникают новые, разрушаются некоторые старые элементы и зарождаются новые. Происходящие изменения иногда бывают столь масштабны и значительны, что система может оказаться в неустойчивом состоянии. Этот поворотный момент в ее жизни называют точкой бифуркации (от лат. bifurcus - раздвоенный, вилка (рис. 1.)).

        Это состояние, хотя и неустойчиво, но имеет перспективу в плане обновления системы, это точка "выбора" дальнейшего пути развития. Его определяет соотношение между двумя противоположными тенденциями. С одной стороны, ресурсные потоки и случайные флуктуации провоцируют повышение энтропии системы, что ведет к нарастанию хаоса и, в конечном итоге, может привести к ее разрушению. С другой - система стремится сохранить устойчивость за счет переструктурирования и формирования нового порядка, и таким образом снизить энтропию. Какая из них будет преобладать, зависит от множества случайных факторов и во многом определяется внешними и внутренними условиями, а также качеством поступающих ресурсов.

 

 

 

 

 

 

 

                

 

                                             Рис. 1. Точка бифуркации

 

         В точках бифуркации перед самоорганизующейся системой открывается множество вариантов (поле) путей развития. Одновременно возникает множество диссипативных динамических микроструктур - праобразов будущих состояний системы - фракталов (англ. fractial - дробный).

        В окружающей нас природе мы можем встретить множество таких образований: лапы ели, перо птицы, рисунок на крыле бабочки. Человек давно подметил эту красоту и старался воспроизвести ее в симметрии различных орнаментов.

        В точке бифуркации происходит своеобразная конкуренция фракталов, осуществляется их "отбор", идет "борьба за выживание" в новых условиях. В результате конкуренции происходит самопроизвольный выбор той структуры, которая наиболее адаптивна к сложившимся на данный момент внешним и внутренним условиям.

         Большинство из фракталов нежизнеспособны, так как оказываются невыгодными с точки зрения фундаментальных законов природы (законы сохранения массы-энергии, энтропии-информации, принцип минимизации энергии и др.). Они либо разрушаются полностью, либо остаются как отдельные рудименты, архаические остатки прошлого, с которыми мы нередко сталкиваемся не только в мире природы, но и в жизни общества, языке и культуре народов.