Почему осколки разлетелись в противоположных направлениях. Свойства осколков деления

(1)

отсюда

(2)

Зная ускорение, можно определить мгновенную скорость по фор­муле:

(3)

Если измерить промежуток времени t от начала движения шари­ка до его удара о цилиндр и расстояние s , пройденное им за это вре­мя, то по формуле (2) мы вычислим ускорение шарика а, а по форму­ле (3) - его мгновенную скорость v .

Промежуток времени t измеряется с помощью метронома. Мет­роном настраивают на 120 ударов в минуту, значит, промежуток вре­мени между двумя следующими друг за другом ударами равен 0,5 с. Удар метронома, одновременно с которым шарик начинает движе­ние, считается нулевым.

В нижней половине желоба помещают цилиндр для торможения шарика. Наклон желоба и положение цилиндра опытным путем под­бирают так, чтобы удар шарика о цилиндр совпадал с третьим или четвертым от начала движения ударом метронома. Тогда время дви­жения t можно вычислить по формуле:

t = 0,5 п,

где п - число ударов метронома, не считая нулевого удара (или чис­ло промежутков времени по 0,5 с от начала движения шарика до его соударения с цилиндром).

Начальное положение шарика отмечается мелом. Расстояние s , пройденное им до остановки, измеряют сантиметровой лентой.

Указания к работе

1. Соберите установку по рисунку 178. (Наклон желоба должен быть таким, чтобы шарик проходил всю длину желоба не менее чем за три удара метронома.)

font-size:10.0pt">2. Перечертите в тетрадь таблицу 4.

Таблица 4

font-size:10.0pt">3. Измерьте расстояние s , пройденное шариком за три или четыре удара метронома. Результаты измерений занесите в таблицу 4.

4. Вычислите время t движения шарика, его ускорение и мгно­венную скорость перед ударом о цилиндр. Результаты измерений занесите в таблицу 4 с учетом абсолютной погрешности, полагая

font-size:10.0pt; color:black;letter-spacing:-.4pt">Лабораторная работа № 2

Определение ускорения свободного падения

Цель работы: вычислить ус­корение свободного падения из формулы для периода колебаний мате­ матического маятника:

font-size:10.0pt; letter-spacing:-.5pt">Для этого необходимо измерить период колебания и, длину подвеса маятника. Тогда из формулы (I ) можно вычислить ускорение свобод­ ного падения;

font-size: 10.0pt">Оборудование : часы с секундной стрелкой, измерительная лента (Δл = 0,5 см),

шарик с от­верстием, нить, штатив с муфтой и кольцом.

Указания к работе

1. Установите на краю стола штатив. У его верхнего конца укрепите при помощи муфты кольцо и подвесьте к нему шарик на нити. Шарик должен висеть на расстоянии 3-5 см от пола.

2. Отклоните маятник от поло­ жения равновесия на 5-8 см и отпустите его.

3. Измерьте длину подвеса мер­ ной лентой.

4. Измерьте время Δ t 40 полных колебаний (N ).

5. Повторите измерения Δ t (не изменяя условий опыта) и найдите среднее значение Δ t ср .

6. Вычислите среднее значение периода колебаний T ср по среднему значению Δ t ср .

7.Вычислите значение gcp по фор­ муле:

font-size:10.0pt;letter-spacing:-.3pt"> 8. Полученные результаты за­ несите в таблицу:

9. Сравните полученное среднее значение для gcp со значением g = 9,8 м/с2 и рассчитайте отно­ сительную погрешность измерения по формуле:

font-size:10.0pt">Лабораторная робота №3

Исследование зависимости периода и частоты свободных колебаний нитяного маятника от длины нити

Цель работы: выяснить, как зависит период и частота свободных колебаний нитяного маятника от его длины.

Оборудование: штатив с муфтой и лапкой, шарик с прикреп­ленной к нему нитью длиной 130 см, протянутой сквозь кусочек резины1, часы с секундной стрелкой или метроном.

Указания к работе

1. Перечертите в тетрадь таблицу 7 для записи результатов изме­рений и вычислений.

Таблица 7

2. Укрепите кусочек резины с висящим на нем маятником в лапке штатива, как показа­но на рисунке 183. При этом длина маятника должна быть равна 5 см, как указано в таб­лице 7 для первого опыта. Длину l маятника измеряйте так, как показано на рисунке, т. е. от точки подвеса до середины шарика.

3. Для проведения первого опыта откло­ните шарик от положения равновесия на небольшую амплитуду (1-2 см) и отпусти­те. Измерьте промежуток времени t , за ко­торый маятник совершит 30 полных коле­баний. Результаты измерений запишите в таб­лицу 7.

4. Проведите остальные четыре опыта так же, как и первый. При этом длину l маятника каждый раз устанавливайте в соответствии с ее значением, указан­ным в таблице 7 для данного опыта.

5. Для каждого из пяти опытов вычислите и запишите в таблицу 7 значения периода Т колебаний маятника.

_____________________

1 Кусочек резины (например, ластик) используется для того, чтобы нить не выскальзывала из лапки штатива и чтобы можно было быстро и точно установить нужную длину маятника. Нить протягивается сквозь рези­ну с помощью иголки.

6. Для каждого из пяти опытов рассчитайте значения частоты ν колебаний маятника по формуле: ν = 1/Т или ν = N / t . Полученные ре­зультаты внесите в таблицу 7.

7. Сделайте выводы о том, как зависят период и частота свобод­ных колебаний маятника от его длины. Запишите эти выводы.

8. Ответьте на вопросы. Увеличили или уменьшили длину маят­ника, если: а) период его колебаний сначала был 0,3 с, а после изме­нения длины стал 0,1 с; б) частота его колебаний вначале была равна 5 Гц, а потом уменьшилась до 3 Гц?

Лабораторная работа №4

Изучение явления электромагнитной индукции

Цель работы: изучить явление электромагнитной индукции.

Оборудование : миллиамперметр, катушка-моток, магнит дуго­образный, источник питания, катушка с железным сердечником от разборного электромагнита, реостат, ключ, провода соединительные, модель генератора электрического тока (одна на класс).

Указания к работе

1. Подключите катушку-моток к зажимам миллиамперметра.

2. Наблюдая за показаниями миллиамперметра, подводите один из полюсов магнита к катушке, потом на несколько секунд останови­те магнит, а затем вновь приближайте его к катушке, вдвигая в нее (рис. 184). Запишите, возникал ли в катушке индукционный ток во вре­мя движения магнита относительно катушки; во время его остановки.

font-size:10.0pt"> 3. Запишите, менялся ли маг­нитный поток Ф, пронизывающий катушку, во время движения маг­нита; во время его остановки.

4. На основании ваших ответов на предыдущий вопрос сделайте и запишите вывод о том, при каком условии в катушке возникал индук­ционный ток.

5. Почему при приближении магнита к катушке магнитный по ток, пронизывающий эту катушку, менялся? (Для ответа на этот вопрос вспомните, во-первых, от каких величин зависит магнитный поток Ф и, во-вторых, одинаков ли модуль вектора индукции В магнитного поля постоянного магнита вблизи этого магнита и вдали от него.)

от нулевого деления отклоняется стрелка миллиамперметра

Проверьте, одинаковым или различным будет направление индукционного тока в катушке при приближении к ней и удалении от нее одного и того же полюса магнита.

7. Приближайте полюс магнита к катушке с такой скоростью
чтобы стрелка миллиамперметра отклонялась не более чем на половину предельного значения его шкалы.

Повторите тот же опыт, но при большей скорости движения магнита, чем в первом случае.

При большей или меньшей скорости движения магнита относительно катушки магнитный поток Ф, пронизывающий эту катушку менялся быстрее?

При быстром или медленном изменении магнитного потокг сквозь катушку в ней возникал больший по модулю ток?

На основании вашего ответа на последний вопрос сделайте и за пишите вывод о том, как зависит модуль силы индукционного тока, возникающего в катушке, от скорости изменения магнитного потока Ф пронизывающего эту катушку.

8. Соберите установку для опыта по рисунку 185.

9. Проверьте, возникает ли в катушке-мотке 1 индукцион­ный ток в следующих случаях:

а) при замыкании и размыка­нии цепи, в которую включена
катушка 2;

б) при протекании через катушку 2 постоянного тока;

в) при увеличении и уменьшении силы тока, протекающего через катушку 2, путем перемещения в соответствующую сторону движка реостата.

10. В каких из перечисленных в пункте 9 случаев меняется маг­нитный поток, пронизывающий катушку 1 ? Почему он меняется?

11. Пронаблюдайте возникновение электрического тока в модели генератора (рис. 186). Объясните, почему в рамке, вращающейся в магнитном поле, возникает индукционный ток.

font-size:10.0pt">Лабораторная работа № 5

Изучение деления ядра атома урана по фотографии треков

Цель работы: применить закон сохранения импульса для объяснения движения двух ядер, образовавшихся при делении ядра атома урана.

Оборудование: фотография треков заряженных частиц (рис. 187), образовавшихся при делении ядра атома урана.

font-size:10.0pt"> Пояснения. На данной фотографии вы видите треки двух оскол­ков, образовавшихся при делении ядра атома урана, захватившего нейтрон. Ядро урана находилось в точке g , указанной стрелочкой.

По трекам видно, что осколки ядра урана разлетелись в противо­положных направлениях (излом левого трека объясняется столкно­вением осколка с ядром одного из атомов фотоэмульсии, в которой он двигался).

Задание 1. Пользуясь законом сохранения импульса, объясните, почему осколки, образовавшиеся при делении ядра атома урана, раз­летелись в противоположных направлениях.

Задание 2. Известно, что осколки ядра урана представляют собой ядра атомов двух разных химических элементов (например, бария, ксенона и др.) из середины таблицы.

Одна из возможных реакций деления урана может быть записана в символическом виде следующим образом:

92 U + 0 n 56 Ba + z X + 2· 0 n ,

где символом Z X обозначено ядро атома одного из химических эле­ментов.

Пользуясь законом сохранения заряда и таблицей ­леева, определите, что это за элемент.

Урок физики в 9 классе

Деление ядер урана. Цепная реакция. Лабораторная работа №7

«Изучение деления ядра атома урана по фотографии треков»

Тищенко Е.В., учитель

физики МОУ «Сетищенская оош»

Тип – урок изучения нового материала.

Цель :

Ввести понятие цепной ядерной реакции,

Выяснить условие ее возникновения,

- убедиться в справедливости закона сохранения импульса на примере деления ядер урана.

Оборудование: фотография заряженных частиц, образовавшихся в фотоэмульсии при делении ядра атома урана под действием нейтрона (из учебника); линейка измерительная.

Ход урока

I . Организационный момент.

II . Актуализация знаний . Фронтальная беседа:

Строение атома по Резерфорду (В центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются отрицательные электроны)

Почему это строение называется планетарной моделью атома? (Строение атома подобно строению звездной системы).

Из каких частиц состоит ядро атома? (Из протонов и нейтронов (нуклонов))

Какой из этих частиц имеет заряд, и какой? (Протон. Положительный.)

Как электрически взаимодействуют друг с другом протоны в ядре? (Так как они заряжены одноименными зарядами, поэтому протоны отталкиваются)

Какие тогда силы удерживают нуклоны в ядре? (Ядерные силы притяжения. Они действуют между нуклонами и в сотни раз сильнее электрических сил отталкивания).

Химический элемент в общем виде записывается так: X . Что обозначают и что показывают Z и N ? (Число нейтронов обозначают буквой N , число протонов - Z , также число электронов в атоме, также порядковый номер в таблице Менделеева)

Что такое дефект масс? (Разность между массой нуклонов и массой ядра).

Что такое энергия связи? (Минимальная энергия, которую необходимо затратить для полного расщепления ядра на отдельные нуклоныE = Δ m c 2)

III . Изучение нового материала.

В 1938 году Ирен Кюри среди продуктов распада, образующих­ ся при бомбардировке урана нейтронами, открыла радиоактивный изо­топ, свойства которого являются свойствами лантана. Ирен Кюри стоя­ ла на пороге открытия деления урана, но никто ей не поверил, ни Бор, ни Резерфорд. Все они считали такой распад невозможным. Отто Ган и Фриц Штрассман облучали нитрат уранила нейтронами и получали радиоактивный барий.

Они фактически открыли отделение ядра урана, их статья была фиксирована 22 декабря 1938 года.

В 1939 году немецкие ученые Лизе Майтнер и Отто Фриш напи­ сали статью, в которой показали, что такая реакция возможна. В этом же году русский ученый Я. Френкель и Н. Бор разработали теорию ядерного деления атома урана.

2. Знакомство с теорией ядерного деления.

Ядро урана захватывает нейтрон и, подобно жидкой капле, на­чинает деформироваться, принимает гантелеобразную форму. Куло новское отталкивание становится сильнее ядерного притяжения, и ядро разрывается на две неравные части, осколки радиоактивны, в результа­те серии β-распадов превращаются в стабильные изотопы.

Пример ядерной реакции деления ядра урана

IV . Выполнение лабораторной работы. Инструктаж по охране труда.

Внимательно рассмотрите фотографию треков.

На ней видны треки двух осколков, образовавшихся при делении ядра атома урана, захватившего нейтрон. Ядро урана находилось в точке g, указанной стрелочкой.

По трекам видно, что осколки ядра урана разлетелись в противоположных направлениях (излом левого трека объясняется столкновением осколка с ядром одного из атомов фотоэмульсии, в которой он двигался).

Известно, что законы сохранения играют в ядерной физике особую роль. Вспомним основные законы сохранения, которые нам понадобятся для успешного написания сегодняшней работы.

Закон сохранения импульса: Векторная сумма импульсов тел, составляющих замкнутую систему, не меняется с течением времени при любых движениях и взаимодействиях этих тел.

Закон сохранения электрического заряда: В ядерных реакциях суммарный электрический заряд во входном канале равен суммарному электрическому заряду в выходном канале.

Закон сохранения числа нуклонов: В ядерных реакциях сумма массовых чисел до реакции равна сумме массовых чисел после реакции.

Выполните лабораторную работу

1 задание: пользуясь законом сохранения импульса, объясните, почему осколки, образовавшиеся при делении ядра атома урана, разлетелись в противоположных направлениях.

Письменно ответьте : одинаковы ли заряды и энергия осколков? В ответе укажите , по каким признакам можно судить об этом?

Известно, что осколки ядра урана представляют собой ядра атомов двух разных химических элементов (например, бария, ксенона и др.) из середины таблицы Дмитрия Ивановича Менделеева. Одна из возможных реакций деления урана может быть записана в символическом виде следующим образом: где символом Z X обозначено ядро атома одного из химических элементов.

(Вариант ответа: Ядро урана при захвате нейтрона разделяется примерно на две равные части, которые называются осколками деления. При этом осколки разлетаются в противоположные стороны. Это можно объяснить на основе закона сохранения импульса. Импульс ядра урана до захвата нейтрона практически равен нулю. При захвате нейтрона ядро, получая от него некоторый импульс, раскалывается на две разлетающихся части массами m 1 и m 2 . Если записать закон сохранения импульса:
)

2 задание: пользуясь законом сохранения заряда и таблицей Дмитрия Ивановича Менделеева, определите, что это за неизвестный элемент.

В силу закона сохранения заряда запишем: 92 + 0 = 56 + Z + 2 * 0. Отсюда получаем Z = 36. По таблице Д.И. Менделеева определяем, что это ядро криптона.

В конце работы не забудьте сделать общий вывод о проделанной работе.

V . Итоги урока.

VI . Домашнее задание. § 74,75, ответить на вопросы.

Используемая литература:

Перышкин А. В. Гутник Е.М. Физика 9кл.: учебник для общеобраз. учреждений, М.: Дрофа, 2009г.

Марон Е.А. Опорные конспекты и разноуровневые задания к учебнику А.В.Перышкина «Физика 8 класс» СПб ООО «Виктория плюс», 2009г

Изучение деления ядра атома урана по фотографиям треков

Цель: Убедиться в справедливости закона сохранения импульса на примере деления ядра урана.

Оборудование: фотография треков заряженных частиц (рис.1), полученных в камере Вильсона при делении ядер атомов урана под действием нейтрона, справочные таблицы «Относительная атомная масса некоторых изотопов».

Прочитайте правила и распишитесь в том, что обязуетесь их выполнять.

Во время проведения работы на столе не должно быть ничего постороннего.

___________________________

Подпись учащегося

Ход работы:

1. Повторите § 66

Вопросы для самоконтроля: а)Какие силы действуют в ядре атома? б) Почему ядро не распадается на отдельные нуклоны? в) Что происходит с ядром урана при поглощении нейтрона? Как происходит деление ядра? г) Как формулируется закон сохранения импульса? д) Почему осколки ядра разлетаются в противоположные стороны? е) В какую энергию переходит часть внутренней энергии ядра при его делении?

3. Выполните задания: 1) Пользуясь законом сохранения импульса, объясните, почему осколки, образовавшиеся при делении ядра атома урана, разлетелись в противоположных направлениях. Для этого ответьте на вопросы: а) чему был равен импульс ядра атома урана до попадания в него нейтрона? __________________ б) каким должен быть общий импульс образовавшихся при делении осколков? ________________ _______________________________________________________________________________________ в) какими по величине и направлению при этом должны быть импульсы осколков? ___________ ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2) Известно, что осколки ядра урана представляют собой ядра атомов двух разных химических элементов из середины таблицы Д.И.Менделеева. Одна из возможных реакций деления урана 235 U может быть символически записана следующим образом:

92 U + 0 n → 56 Ba + Z X + 2 ∙ 0 n ,

где символом Z X обозначено ядро атома одного из химических элементов. Пользуясь законом сохранения электрического заряда и таблицей Д.И.Менделеева, определите, что это за элемент. _____________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3) Объясните, почему треки различных частиц на фотографии имеют различную толщину? _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1. Почему деление ядра может начаться только тогда, когда оно деформируется под действием поглощённого им нейтрона? _____________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. Как по виду трека определить, в каком направлении движется частица? ___________________ ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3. От чего зависит толщина треков частиц? _______________________________________________ _______________________________________________________________________________________

4. От чего зависит длина т река частицы? _________________________________________________ _______________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________

5. Как идёт реакция деления ядер урана: с выделением энергии в окружающую среду или, наоборот, с поглощением энергии? _______________________________________________________ _______________________________________________________________________________________

*Дополнительное задание

Пользуясь фотографией на рис.1, на основании закона сохранения импульса по известным массам осколков найдите отношение скоростей частиц, образовавшихся в результате ядерной реакции. Для этого:

а) Запишите формулу закона сохранения импульса для осколков ядра. ________________________

_______________________________________________________________________________________

б) Из формулы закона сохранения импульса выразите отношение скоростей частиц. ____________

______________________________________________________________________________________

в) В справочной таблице «Относительная масса некоторых изотопов» найдите массы образовавшихся осколков. Запишите в таблицу.

г) Найдите отношение масс осколков ядра урана. ___________________________________________ _______________________________________________________________________________________

д) Запишите, чему равно отношение скоростей образовавшихся осколков. _____________________ _______________________________________________________________________________________

е) Заполните таблицу.

ж) Сделайте вывод, какова зависимость между массами образовавшихся осколков и их скоростями. _______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Оценка «_______» Подпись учителя ___________________________

Исследование равноускоренного движения

Цель: Определить ускорение движения шарика и его мгновенную скорость перед ударом о цилиндр

Оборудование: штатив с муфтой и лапкой, желоб, шарик, металлический цилиндр, измерительная лента, метроном или часы с секундной стрелкой.

Правила техники безопасности. Внимательно прочитайте правила и распишитесь в том, что обязуетесь их выполнять.

Размещайте приборы и материалы на своем рабочем столе так, чтобы избежать их падения. На столе не должно быть никаких посторонних предметов.

С правилами ознакомлен(а), обязуюсь выполнять. ___________________________

Подпись учащегося

Ход работы:

1. Повторите § 5, 7. 8.

Вопросы для самоконтроля: 1) Какое движение называют равноускоренным?2) Что называют ускорением? 3) Как определить перемещение тела при равноускоренном движении? 4) Как определить перемещение тела, движущегося равноускоренно из состояния покоя? 5) Как определить ускорение тела? 6) Как определить ускорение тела, движущегося из состояния покоя?

2. С помощью штатива закрепите желоб в наклонном положении под небольшим углом к горизонту. Наклон должен быть таким, чтобы шарик проходил всю длину желоба не менее чем за четыре удара метронома. У нижнего конца желоба положите в него металлический цилиндр.

3. Отпустив шарик (одновременно с ударом метронома) из верхнего конца желоба, подсчитайте количество ударов метронома до столкновения шарика с цилиндром (чтобы цилиндр не сдвинулся в момент удара с места, его нужно придерживать рукой). Опыт удобно проводить при 120 ударах метронома в минуту. В этом случае промежуток между ударами Δt = 0,5 c.

4. Незначительно изменяя угол наклона желоба, и делая небольшие перемещения металлического цилиндра, добейтесь того, чтобы между моментом отпускания шарика и его столкновением с цилиндром было 4 удара метронома (3 промежутка между ударами).

5. Вычислите время перемещения шарика по формуле t = 0,5 * (n – 1) , где n – количество ударов метронома. t = __________________________________________________________________ с

5. С помощью измерительной ленты определите модуль перемещения шарика s (от верхнего края желоба до цилиндра)

6. Не изменяя угол наклона желоба, т.к. условия опыта должны оставаться неизменными, повторите опыт 5 раз, добиваясь наиболее точного совпадения моментов удара метронома и столкновения шарика с цилиндром (для этого цилиндр можно слегка передвигать вдоль желоба). Измеряйте каждый раз перемещение шарика.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1. Зависит ли величина ускорения от времени движения шарика? от модуля перемещения? _______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. Определите, какая из приведенных ниже зависимостей описывает равноускоренное движение:

S = 5 + 2t, S = 2t , S = 2t + 3 t 2 , S = 2t – 5 t 2 , S = 5 t 2 , S = 5 + 3t + 2 t 2 , S = 2 – 3t + 2 t 2

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3. Сколько времени двигался бы шарик с тем же ускорением, если бы длина желоба была равна 2 м? ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________

4. Решите задачу: Лыжник скатывается с горы, двигаясь прямолинейно с постоянным ускорением 0,1 м/с 2 . Запишите уравнение, выражающее зависимость от времени координаты и проекции вектора скорости движения лыжника, если его начальные координата и скорость равны нулю. __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

* Дополнительное задание

1. Измените наклон желоба, например, увеличьте.

2. Проведите опыты, повторив действия с шариком, описанные в пунктах 2 – 9, найдите a с р 2

3. Сравните a с р 2 и a с р. _________________________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4. Сделайте вывод, как изменилось ускорение движения шарика при увеличении угла наклона желоба. _______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

5. Сделайте вывод, зависит ли ускорение движение шарика от угла наклона желоба? Если зависит, то, как именно? _________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Оценка «______» Подпись учителя ___________________

ФИО учащегося _________________________ Класс _________

Лабораторная работа № 2 _____________________

Основными свойствами осколков деления является большая кинетическая энергия, радиоактивность и способность испускать мгновенные и запаздывающие нейтроны. При делении урана-235 тепловыми нейтронами удельный выход осколков деления резко асимметричен по массе (рис. 8.3).

Вероятность появления того или иного осколка носит статистический характер. Среднее отношение масс легких и тяжелых осколков равно . Вероятность деления ядра на три части составляет 10 -2 10 -6 от вероятности деления на две части. Наибольший выход (6 %) имеют осколки с массовыми числами 95 и 139. Начальная скорость легкого осколка – величина равная 1.4 . 10 11 м/c, а тяжелого – 10 11 м/с.

Кривые выхода осколков деления других делящихся тепловыми нейтронами ядер (233 U, 241 Pu) аналогичны. Кроме того, асимметричное деление наблюдается при вынужденном делении всех элементов, начиная с Th, если оно вызвано нейтронами не очень высокой энергии, а также при спонтанном делении тяжёлых ядер. Во всех случаях деления ядер при невысоких энергиях возбуждения массовая кривая осколков оказывается «двугорбой».

g i , %

70 80 90 100 110 120 130 140 А

Рис. 8.3. Удельные выходы осколков деления различных атомных масс

при делении ядер 235 U (сплошная линия) и 239 Pu (штриховая линия)

С ростом энергии возбуждения ядра деление симметризируется. Так при делении ядра урана протонами с Е = 32 МэВ вероятность симметричного деления возрастает, а при энергии возбуждения в 150 МэВ массовая кривая становится «одногорбой».

Физические процессы отравления ядерного топлива

Деление ядра может происходить многими путями. При делении ядра 235 Uтепловыми нейтронами обнаружено более 400 разных ядер-осколков. Кроме того, осколки деления в процессе - - и-распада преобразуются в другие ядра. Таким образом, в активной зоне реактора может быть насчитано около 600 разных нуклидов. Среди них есть ядра, сильно поглощающие нейтроны.

Короткоживущие радиоактивные продукты деления в ядерном реакторе, имеющие большие величины сечения поглощения и участвующие в непроизводительном захвате нейтронов, называют отравляющими продуктами (или нейтронными ядами ).

Под кинетикой отравления понимают процесс изменения концентрации этих короткоживущих нуклидов во времени, а отравлением топлива (или отравлением реактора) называют процесс их накопления, имея в виду, что существует и обратный процесс разотравления , обусловленный радиоактивным распадом этих нуклидов. Важнейший из отравляющих продуктов -
, имеющий очень большое сечение поглощения тепловых нейтронов. При энергии нейтроновЕ = 0,084 эВ
имеет гигантский резонанс в сечении захвата: 3 . 10 6 барн. Ксенон-135 – самый сильный поглотитель из всех известных нуклидов. Для стандартных тепловых нейтронов (с наиболее вероятной энергией Е = 0,025 эВ) сечение захвата
равно 2.72 . 10 6 барн. С ростом энергии нейтронов величина  с для
быстро уменьшается. Уже приЕ n = 1 эВ сечение радиационного захвата ксенона-135 становится меньше своего максимального значения примерно в 300 раз. Для нейтронов высоких энергий сечение захвата
незначительно. Поэтому в реакторах на быстрых нейтронах отравление вообще не заметно.

Сечение захвата для тепловых нейтронов 135 Хе почти в 4000 раз больше сечения захвата 235 U, поэтому даже при малой концентрации 135 Хе оказывает существенное влияние на процесс непроизводительного поглощения тепловых нейтронов. Отравление топлива - специфическая проблема реакторов на тепловых нейтронах, которая должна учитываться при решении вопросов управления энергетическими реакторами.

Период полураспада 135 Хе Т 1/2 = 9,2 ч. 135 Хе образуется в реакторе (хотя и в малых количествах) как непосредственный продукт деления ядра 235 U. В каждой 1000 делений получается в среднем 3 ядра 135 Хе, т.е. его удельный выход  = 0.003 = 0,3 %.

Однако значительно большее количество 135 Хе образуется в результате двух последовательных распадов
- прямого продукта деления, удельный выход которого = 0.06 = 6 % (в 20 раз больше, чем у ксенона-135).

Вся схема образования и убыли 135 Хе в реакторе выглядит так:

+ 235 U g = 0.003 135 Xe * + (n, ) 136 Xe *

() T = 9.2 ч

g = 0.06 (g = 0.06) () T= 6..7 ч

135 Te * () Т  18 с 135 I * + (n , ) 136 Ba

Рис. 8.4. Схема образования и убыли йода и ксенона

Период полураспада 135 Те Т 1/2  18 с, что во много раз меньше периода полураспада 135 I (Т 1/2 = 6,7 ч), поэтому считают, что 135 I образуется как непосредственный продукт деления с удельным выходом 6 %. Строго говоря, не весь 135 I превращается в
. Часть его выгорает (т.е. взаимодействуя с нейтроном, дает 136 I), как показано на рис. 8.4. Но микроскопическое сечение поглощения 135 I пренебрежимо мало, и этот эффект обычно не учитывается (скорость убыли 135 I за счет -распада в сотни раз больше скорости его выгорания).

Убыль концентрации 135 Хе происходит вследствие его радиоактивного распада (Т 1/2 = 9,2 ч) и выгорания с образованием 136 Хe. Сечение поглощения 136 Хе мало ( с = 0.16 барн), и изменение его концентрации практически не оказывает влияния на условия размножения нейтронов.

С момента пуска реактора накопление 135 Хе нарастает, затем наступает равновесие между генерацией и убылью 135 Хе, и с этого момента и далее концентрация его не изменяется во времени. Такое отравление реактора ксеноном называют стационарным отравлением .

После останова реактора образование 135 I полностью прекращается, а концентрация 135 Хе сначала начинает возрастать (за счет радиоактивного распада большого количества накопившегося в ядерном топливе 135 I) и, пройдя через максимум, уменьшается, так как материнские ядра 135 I уже не образуются. Графики изменения концентрации ядер йода и ксенона в зависимости от времени после выключения реактора даны на рис. 8.5.

При t = 0 (в момент останова реактора), N 0 Xe  0, т.к. определенное количество Хе-135 уже было накоплено при работе реактора к моменту останова (чаще всего это – стационарная концентрация ксенона).

Рис. 8.5. Изменение концентраций 135 I и 135 Хе после останова реактора

Время достижения максимума концентрации 135 Хе составляет 610.5 ч и зависит от плотности потока нейтронов в активной зоне реактора до останова, то есть от уровня мощности, на котором работал реактор. Явление превышения текущей концентрации ксенона над стационарным ее значением после снижения мощности реактора или его останова называют “йодной ямой”.

После останова реактора может сложиться ситуация при которой пуск реактора затруднен или даже некоторое время невозможен из-за нескомпенсированного отравления реактора ксеноном.

Процессы шлакования ядерного топлива

Долгоживущие и стабильные продукты деления с заметным сечением захвата называют шлаками.

При работе реактора на постоянной мощности концентрация шлаков монотонно растет, а после останова не снижается. Среди продуктов деления 235 U тепловыми нейтронами насчитывается свыше 60 различных сортов ядер, являющихся шлаками. Для удобства расчётов все шлаки делят на 3 группы в зависимости от величины сечения поглощения.

К первой группе относят сильные шлаки, сечения поглощения которых во много раз больше сечения поглощения

. Среди них основной вклад в шлакование вносит самарий 149 Sm, поэтому при расчете шлакования топлива его накопление учитывают особо. Самарий-149 образуется в активной зоне реактора, главным образом, не как осколок деления (удельный выход 149 Sm не превышает 10 -4), а в результате радиоактивного распада другого осколка деления - 149 Nd, имеющего удельный выход  = 0.0113. Цепочка основных превращений, приводящих к изменению концентрации 149 Sm имеет вид:

Концентрация прометия
убывает только из-за его радиоактивного распада со скоростью Pm N Pm . В результате с такой же скоростью увеличивается концентрация 149 Sm, а скорость убыли 149 Sm определяется исключительно скоростью поглощения его ядрами тепловых нейтронов (выгорания).

Состояние работающего реактора, в котором концентрация 149 Sm не меняется во времени, называется стационарным шлакованием. В этом случае скорости образования и убыли самария сравниваются.

После останова реактора самарий, будучи стабильным, накапливается в активной зоне. Причем, увеличение его концентрации происходит до тех пор, пока не распадется весь прометий-149, накопленный до останова. Процесс нарастания концентрации 149 Sm после останова реактора в результате распада накопившегося до остановки 149 Pm с переходом его в 149 Sm, называется «прометиевым провалом ».

Ко второй группе относятся шлаки, сечение поглощения которых соизмеримы с сечением поглощения 235 U ( а   а 5), а к третьей группе – шлаки, у которых  а   а 5 .

В тепловой области макроскопическое сечение топлива гораздо больше среднего макроскопического сечения шлаков, то есть основное значение, имеет поглощение нейтронов в топливе.

Для промежуточных реакторов вред от шлаков растет, т.к. в этой области макроскопические сечения поглощения у шлаков увеличиваются.