Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Fermi-pile and Plutonium
A good tourist is supposed to be able (2) to build a campfire (3) even if the wood is soaking wet. This role of a good hiking tourist in the nuclear energy project was played by the Italian-American physicist, Enrico Fermi, who actually made the "wet" uranium logs "burn”. He was able to do so by utilizing the fact mentioned above, that the effectiveness of fission neutrons in producing the fission of U235 nuclei increases quite considerably when they are slowed down. If such slowing down of fission neutrons could be achieved, the presence of inactive U238 (1) would not make much difference. To slow down the original fission neutrons it was necessary to mix natural uranium with a large amount of carbon in the form of graphite. A large "pile" of graphite bricks with small pieces of natural uranium included in the structure was constructed in great secrecy under the grandstand of the University of Chicago Stadium, and on December 2, 1941, Professor A. Compton wired to Dr. Vannevar Bush in Washington, D.C.: "The Italian navigator has landed. The natives are friendly." In the secret language of the Manhattan Project this meant: "The Fermi-pile works successfully. Nuclear chain reaction is achieved."
In the Fermi-pile, the fission chain reaction could be maintained in natural uranium, but the natural uranium was so highly diluted by carbon that high efficiency in energy production could not be achieved. Owing to (6) the presence of inactive U238, the chain reaction in the pile could not possibly develop into an efficient explosion, nor could it be very useful as a power source.
So what good was the Fermi-pile, (7) except for demonstrating the purely scientific principle of the possibility of a (4) self-maintaining nuclear reaction? Of course, the demonstration of a purely scientific principle is always of very great importance, but the Fermi-pile was built at great expense in the midst of a perilous war when all expenditures were supposed to be judged on the basis of their military usefulness.
The Fermi-pile (5) stood this acid test. Although the energy released in the fission of U235 nuclei could not be utilized and (11) was literally sent down the drain by means of the water-cooling system, a new fissionable element was produced inside the pile during operation. The neutrons that were not used in the maintenance of the chain reaction in U235 nuclei were captured by U238 nuclei, producing the heavier isotope:
Having an excess of neutrons, the nuclei of 92U239 (8) underwent two successive β- transformations, (9) giving rise to elements with atomic numbers 93 and 94. These two elements, which do not exist in nature but have been produced artificially by human genius, were given the names neptunium and plutonium. The reactions following the neutron capture by U238 can be written:
Being chemically different from uranium, the plutonium produced in the Fermi-pile can be separated and purified (12) with much less effort than it takes to separate a light uranium isotope from the heavy one, and this element turned out to be even more fissionable than U235. In fact, whereas U235 gives rise to 2.5 fission neutrons, the corresponding figure for Pu239 is 2.9 fission neutrons.
Critical Size
When a single fission process occurs inside a given sample of pure U235 or Pu239, several fission neutrons are ejected from the point where the nuclear breakup took place. The average distance a fission neutron must travel through the material in order to run into another nucleus is about 10 cm so that if the size of the sample in question is less than that, most of the fission neutrons will cross the surface of the sample and fly away before they have a chance to cause another fission and produce more neutrons. Thus, no progressive chain reaction can develop if the sample of fissionable material is too small. Going to larger and larger samples, we find that more fission neutrons produced in the interior have a chance to produce another fission by colliding with a nucleus before they escape through the surface, and for samples of a very large size only a small fraction of the neutrons produced in them has a chance to reach the surface before colliding with one of the nuclei. The size of the sample of a given fissionable material for which the percentage of neutrons giving rise to subsequent fission processes is high enough to secure a progressive reaction is known as the critical size for that particular material. Since the number of neutrons per fission is larger in the case of plutonium than in the case of uranium-235, the critical size of plutonium samples is smaller than that of uranium-235 samples because the former (13) can afford larger losses of neutrons through its surface.
Реактор Э. Ферми и плутоний
Хороший турист, как предполагается, в состоянии развести походный костёр, даже если дерево насквозь пропиталось водой. Эта роль хорошего пешего туриста в проекте ядерной энергии была сыграна итало-американским физиком, Энрико Ферми, который действительно заставил “гореть” "влажные" урановые дрова. Он смог сделать это, используя упомянутый выше факт, что эффективность нейтронов деления вызывать расщепление ядер U235 возрастает весьма значительно, когда они замедлены. Если бы такое замедление нейтронов деления могло быть достигнуто, присутствие инертного U238 не имело бы большого значения. Чтобы замедлить исходные нейтроны деления, было необходимо смешать природный уран с большим количеством углерода в виде графита. Большой "реактор" из графитовых кирпичей с небольшими вкраплениями природного урана, включённого в структуру, был построен в большой тайне под трибуной Стадиона Чикагского университета, и 2 декабря 1941 г. профессор Комптон телеграфировал Доктору Бушу в Вашингтон, округ Колумбия: "Итальянский мореплаватель высадился на берег. Аборигены дружелюбны”. На секретном языке манхэттенского Проекта это означало: "Реактор Ферми работает успешно. Ядерная цепная реакция получена".
В реакторе Ферми цепная реакция расщепления могла поддерживаться в природном уране, однако естественный уран был настолько высоко растворён углеродом, что высокая производительность в выработке энергии не могла быть достигнута. Вследствие присутствия неактивного U238, цепная реакция в реакторе не могла, вероятно, перерасти в эффективный взрыв, и при этом он не мог быть использован в качестве источника энергии.
Так чем же был хорош реактор Ферми, кроме демонстрации чисто научного принципа о возможности самоподдерживающейся ядерной реакции? Конечно, демонстрация чисто научного принципа всегда имеет очень большую важность, но реактор Ферми был построен за большой счёт посреди опасной войны, когда все расходы предполагалось оценивать на основе их военной пригодности.
Реактор Ферми выдержал это суровое испытание. Хотя энергия, высвобождаемая при расщеп лении ядер U235, не могла быть использована и была буквально послана коту под хвост посредством водяной системы охлаждения, новый способный к ядерному делению элемент был произведён внутри реактора во время работы. Нейтроны, не использовавшиеся в поддержании цепной реакции в ядрах U235, были захвачены ядрами U238, произведя более тяжелый изотоп:
Имея избыток нейтронов, ядра 92U239 подвергались двум последовательным β-распадам, приводя к образованию элементов с атомными числами 93 и 94. Этим двум элементам, которые не существуют в природе, но были получены искусственно человеческим гением, дали названия нептуний и плутоний. Реакции, сопровождающие нейтронный захват ураном-238, могут быть записаны:
Будучи химически отличным от урана, плутоний, произведённый в реакторе Ферми, может быть отделён и очищен с намного меньшим усилием, чем это необходимо для отделения лёгкого изотопа урана от тяжёлого, и этот элемент, как оказалось, был даже более способен к ядерному делению, чем U235. Фактически, несмотря на то, что U235 даёт начало 2.5 нейтронам деления, соответствующий показатель для Pu239 – 2.9 нейтрона деления.
Критический размер
Когда происходит одиночный процесс деления в данном образце чистого U235 или Pu239, несколько нейтронов деления выбрасываются из точки, где имел место ядерный распад. Среднее расстояние, которое нейтрон деления должен пройти в материале, чтобы столкнуться с другим ядром, составляет приблизительно 10 см; таким образом, если размер рассматриваемого образца менее этого пути, то большинство нейтронов деления пересекут поверхность образца и вылетят прежде, чем у них будет шанс вызвать другое деление и произвести больше нейтронов. Поэтому никакая последовательная цепная реакция не может развиваться, если образец способного к ядерному делению материала слишком мал. Переходя ко всё большим и большим образцам, мы обнаружим, что у большего количества нейтронов деления, произведённых в глубине, есть шанс произвести другое деление, сталкиваясь с ядром прежде, чем они выйдут через поверхность, и для образцов очень большого размера лишь небольшая часть нейтронов, произведённых в них, имеет шанс достигнуть поверхности прежде, чем столкнуться с одним из ядер. Размер образца данного материала, способного к ядерному делению, для которого процент нейтронов, вызывающих последующие процессы деления, достаточно высок, чтобы обеспечить последовательную реакцию, известен как критический размер для такого материала. Поскольку число нейтронов на деление больше для плутония, чем для урана-235, критический размер образцов из плутония меньше, чем из урана-235, потому что в первом возможны бóльшие потери нейтронов через его поверхность.
HomeWork
№1
1. The predicted accuracy was found to be difficult to obtain in practice. – Было обнаружено, что предсказанную точность сложно получить на практике.
2. Light was assumed to leave a source as an indefinite number of particles travelling in straight lines. – Считается (полагается), что свет покидает источник в виде неопределённого числа частиц, двигающихся по прямым.
3. Collisions between electrons and neutral molecules in solids appear to be frequent. – Оказывается, что столкновения между электронами и нейтральными молекулами в твёрдых телах часты.
4. The moon appears to be a particularly good gravitational antenna. – Оказывается, Луна будет чрезвычайно хорошей гравитационной антенной.
5. The new lasers were expected to work in principle at least at a very high efficiency in comparison with other lasers. – Ожидалось, что новые лазеры будут работать по крайней мере, в принципе, с очень высокой производительностью по сравнению с другими лазерами.
6. An intense beam of light is observed to emerge from the mirror ends of the crystal: the entire process is called light amplification by stimulated emission of radiation (hence the acronym "laser"). – Наблюдается, что интенсивный пучок света появляется из зер каль ных концов кристалла: весь процесс называется усилением света посредством вынужденного испускания излучения (отсюда и слово “лазер”).
7. Solid-state lasers already exist and although they have not had the spectral purity of gas lasers, this situation seems to be changing. – Твердотельные лазеры уже существуют и, хотя они не обладают спектральной чистотой газовых лазеров, эта ситуация, кажется (по-видимому), меняется.
8. At first the concept of charge density in an atom seems to bear little resemblance to Bohr's picture of an electron orbiting the nucleus, but the two views arc closely related. – Поначалу кажется, что концепция зарядовой плотности в атоме имеет небольшое сходство с Боровской картиной электрона, вращающегося вокруг ядра, однако эти два взгляда тесно связаны.
№2
1. Считают, что эти величины находятся в хорошем согласии с экспериментальными. – These values are considered (believed, supposed) to be in a good agreement with the experimental ones.
2. По-видимому, высота остаётся одной и той же в течение всего периода времени. – The height (altitude) seems to remain the same during the entire period of time.
3. Не наблюдалось, чтобы эти вещества обладали радиационными свойствами. – These substances were not observed to possess radioactive properties.
4. Оказывается, лазеры широко используются в медицине и в промышленности. – The lasers appear (turn out) to be widely used in medicine and industry.
5. Маловероятно, чтобы он решил это уравнение. – He is unlikely to solve this equation.
6. Известно, что на движение электронов влияют эти столкновения. – The electron movement is known to be influenced by these collisions. – These collisions are known to affect the electron motion.
7. Известно, что радиоактивность была случайно открыта в 1896 году французским физиком Беккерелем. – The radioactivity is known to have been discovered accidentally by French physicist Becquerel in 1896.