Reazioni di fissione nucleare. Reazione a catena della fissione dei nuclei di uranio

Fissione nucleare- il processo di scissione di un nucleo atomico in due (meno spesso tre) nuclei con masse simili, chiamati frammenti di fissione. Come risultato della fissione possono formarsi anche altri prodotti della reazione: nuclei leggeri (principalmente particelle alfa), neutroni e quanti gamma. La fissione può essere spontanea (spontanea) e forzata (come risultato dell'interazione con altre particelle, principalmente con i neutroni). La fissione dei nuclei pesanti è un processo esotermico, a seguito del quale una grande quantità di energia viene rilasciata sotto forma di energia cinetica dei prodotti di reazione, nonché di radiazioni. La fissione nucleare funge da fonte di energia nei reattori nucleari e nelle armi nucleari. Il processo di fissione può avvenire solo quando l'energia potenziale dello stato iniziale del nucleo di fissione supera la somma delle masse dei frammenti di fissione. Poiché l'energia specifica di legame dei nuclei pesanti diminuisce all'aumentare della loro massa, questa condizione è soddisfatta per quasi tutti i nuclei con numero di massa .

Tuttavia, come dimostra l'esperienza, anche i nuclei più pesanti si scindono spontaneamente con una probabilità molto bassa. Ciò significa che esiste una barriera energetica ( barriera di fissione), impedendo la divisione. Vengono utilizzati diversi modelli per descrivere il processo di fissione nucleare, compreso il calcolo della barriera di fissione, ma nessuno di essi può spiegare completamente il processo.

Il fatto che l'energia venga rilasciata durante la fissione dei nuclei pesanti deriva direttamente dalla dipendenza dell'energia specifica di legame ε = E leggero (A,Z)/A dal numero di massa A. Durante la fissione di un nucleo pesante si formano nuclei più leggeri nei quali i nucleoni sono legati più fortemente e parte dell'energia viene rilasciata durante la fissione. Di norma, la fissione nucleare è accompagnata dall'emissione di 1–4 neutroni. Esprimiamo l'energia di fissione Q in termini di energie di legame dei nuclei iniziale e finale. Scriviamo l'energia del nucleo iniziale, costituito da Z protoni e N neutroni, e avente massa M(A,Z) ed energia di legame E st (A,Z), nella seguente forma:

M(A,Z)c 2 = (Zm p + Nm n)c 2 - E St (A,Z).

La divisione del nucleo (A,Z) in 2 frammenti (A 1,Z 1) e (A 2,Z 2) è accompagnata dalla formazione di N n = A – A 1 – A 2 neutroni immediati. Se un nucleo (A,Z) si divide in frammenti con masse M 1 (A 1 ,Z 1), M 2 (A 2 ,Z 2) ed energie di legame E св1 (A 1,Z 1), E св2 (A 2 , Z 2), allora per l’energia di fissione abbiamo l’espressione:

Q div = (M(A,Z) – )c 2 = E St 1 (A 1 ,Z 1) + E St (A 2 ,Z 2) – E St (A,Z),

A = A1 + A2 + Nn, Z = Z1 + Z2.

23. Teoria elementare della fissione.

Nel 1939 N. Bor E J. Wheeler, E Già Molto prima che la fissione fosse studiata sperimentalmente in modo completo, fu proposta una teoria di questo processo, basata sull'idea del nucleo come una goccia di liquido carico.

L'energia rilasciata durante la fissione può essere ottenuta direttamente da Formule di Weizsäcker.

Calcoliamo la quantità di energia rilasciata durante la fissione di un nucleo pesante. Sostituiamo in (f.2) le espressioni relative alle energie di legame dei nuclei (f.1), assumendo A 1 = 240 e Z 1 = 90. Trascurando l'ultimo termine in (f.1) a causa della sua piccolezza e sostituendo i valori dei parametri a 2 e a 3, otteniamo

Da ciò si ricava che la fissione è energeticamente favorevole quando Z 2 /A > 17. Il valore di Z 2 /A è detto parametro di fissilità. L'energia E rilasciata durante la fissione aumenta all'aumentare di Z 2 /A; Z 2 /A = 17 per i nuclei nella regione dell'ittrio e dello zirconio. Dalle stime ottenute risulta chiaro che la fissione è energeticamente favorevole per tutti i nuclei con A > 90. Perché la maggior parte dei nuclei sono stabili rispetto alla fissione spontanea? Per rispondere a questa domanda, vediamo come cambia la forma del nucleo durante la fissione.

Consideriamo lo stadio iniziale della fissione, quando il nucleo, al crescere di r, assume la forma di un ellissoide di rivoluzione sempre più allungato. In questa fase della divisione, r è una misura della deviazione del nucleo dalla forma sferica (Fig. 3). A causa dell'evoluzione della forma del nucleo, la variazione della sua energia potenziale è determinata dalla variazione della somma delle energie della superficie e di Coulomb E" n + E" k. Si presuppone che il volume del nucleo rimanga invariato durante il processo di deformazione. In questo caso, l'energia superficiale E"n aumenta, all'aumentare dell'area superficiale del nucleo. L'energia di Coulomb E"k diminuisce, all'aumentare della distanza media tra i nucleoni. Si supponga che il nucleo sferico, a seguito di una leggera deformazione caratterizzata da un piccolo parametro, assuma la forma di un ellissoide assialmente simmetrico. Si può dimostrare che l’energia superficiale E" n e l’energia di Coulomb E" k variano come segue:

Nel caso di piccole deformazioni ellissoidali, l'aumento dell'energia superficiale avviene più velocemente della diminuzione dell'energia di Coulomb. Nella regione dei nuclei pesanti 2E n > E k la somma delle energie di superficie e di Coulomb aumenta con l'aumentare . Da (f.4) e (f.5) ne consegue che a piccole deformazioni ellissoidali, un aumento dell'energia superficiale impedisce ulteriori cambiamenti nella forma del nucleo e, di conseguenza, la fissione. L'espressione (f.5) è valida per valori piccoli (piccole deformazioni). Se la deformazione è così grande che il nucleo assume la forma di un manubrio, le forze di tensione superficiale, come le forze di Coulomb, tendono a separare il nucleo e a conferire ai frammenti una forma sferica. In questa fase di fissione, un aumento della deformazione è accompagnato da una diminuzione sia dell'energia di Coulomb che di quella superficiale. Quelli. con un graduale aumento della deformazione del nucleo, la sua energia potenziale passa al massimo. Ora r ha il significato della distanza tra i centri dei frammenti futuri. Quando i frammenti si allontanano l'uno dall'altro, l'energia potenziale della loro interazione diminuisce, poiché l'energia di repulsione di Coulomb E k diminuisce. La dipendenza dell'energia potenziale dalla distanza tra i frammenti è mostrata in Fig. 4. Il livello zero di energia potenziale corrisponde alla somma delle energie di superficie e di Coulomb di due frammenti non interagenti. La presenza di una barriera potenziale impedisce la fissione spontanea istantanea dei nuclei. Affinché un nucleo si divida istantaneamente, è necessario impartire un'energia Q che superi l'altezza della barriera H. L'energia potenziale massima di un nucleo fissile è approssimativamente uguale a e 2 Z 2 /(R 1 + R 2), dove R 1 e R 2 sono i raggi dei frammenti. Ad esempio, quando un nucleo d'oro è diviso in due frammenti identici, e 2 Z 2 /(R 1 + R 2) = 173 MeV, e la quantità di energia E rilasciata durante la fissione ( vedi formula (f.2)), pari a 132 MeV. Pertanto, durante la fissione di un nucleo d'oro, è necessario superare una barriera di potenziale alta circa 40 MeV. Maggiore è l'altezza della barriera H, minore è il rapporto tra Coulomb e l'energia superficiale E e /E p nel nucleo iniziale. Questo rapporto, a sua volta, aumenta all’aumentare del parametro di divisibilità Z 2 /A ( vedi (f.4)). Più pesante è il nucleo, minore è l’altezza della barriera H , poiché il parametro di fissilità aumenta con l'aumentare del numero di massa:

Quelli. Secondo il modello delle goccioline, in natura non dovrebbero esistere nuclei con Z 2 /A > 49, poiché si scindono spontaneamente quasi istantaneamente (entro un tempo nucleare caratteristico dell'ordine di 10 -22 s). L'esistenza di nuclei atomici con Z 2 /A > 49 (“isola di stabilità”) è spiegata dalla struttura del guscio. La dipendenza della forma, dell'altezza della barriera potenziale H e dell'energia di fissione E dal valore del parametro di fissione Z 2 /A è mostrata in Fig. 5.

Fissione spontanea dei nuclei con Z 2 /A< 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 > 10 21 anni per 232 Th a 0,3 s per 260 Ku. Fissione forzata di nuclei con Z 2 /A < 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.

Obiettivo: formare gli studenti alla comprensione della fissione dei nuclei di uranio.

• controllare il materiale precedentemente studiato;
• considerare il meccanismo di fissione del nucleo di uranio;
• considerare la condizione per il verificarsi di una reazione a catena;
• scoprire i fattori che influenzano il corso della reazione a catena;
• sviluppare il linguaggio e il pensiero degli studenti;
• sviluppare la capacità di analizzare, controllare e adattare le proprie attività in un dato tempo.

Attrezzature: computer, sistema di proiezione, materiale didattico (test “Composizione del kernel”), dischetti “Percorso interattivo. Fisica 7-11kl" (Physikon) e "1C-tutor. Fisica” (1C).

Saluto, annuncio del programma della lezione.

Lavoro indipendente degli studenti - completamento del test ( Allegato 1 ). Il test richiede una risposta corretta.

Recentemente abbiamo appreso che alcuni elementi chimici si trasformano in altri elementi chimici durante il decadimento radioattivo. Cosa pensi che accadrà se invii qualche particella nel nucleo di un atomo di qualche elemento chimico, ad esempio un neutrone nel nucleo dell'uranio? (ascoltando i suggerimenti degli studenti)

Controlliamo le tue ipotesi (lavorando con il modello interattivo “Fissione nucleare”“Corso interattivo. Fisica 7-11kl” ).

Qual'era il risultato?

– Quando un neutrone colpisce un nucleo di uranio, vediamo che come risultato si formano 2 frammenti e 2-3 neutroni.

Lo stesso effetto fu ottenuto nel 1939 dagli scienziati tedeschi Otto Hahn e Fritz Strassmann. Hanno scoperto che come risultato dell'interazione dei neutroni con i nuclei di uranio, compaiono nuclei di frammenti radioattivi, le cui masse e cariche sono circa la metà delle caratteristiche corrispondenti dei nuclei di uranio. La fissione nucleare che avviene in questo modo è chiamata fissione forzata, in contrasto con la fissione spontanea, che avviene durante le trasformazioni radioattive naturali.

Il nucleo si eccita e comincia a deformarsi. Perché il nucleo si divide in 2 parti? Sotto quali forze avviene la rottura?

Quali forze agiscono all'interno del nucleo?

– Elettrostatica e nucleare.

Ok, ma come si manifestano le forze elettrostatiche?

– Tra le particelle cariche agiscono forze elettrostatiche. La particella carica nel nucleo è il protone. Poiché il protone è carico positivamente, tra di loro agiscono forze repulsive.

Vero, ma come si manifestano le forze nucleari?

– Le forze nucleari sono le forze di attrazione tra tutti i nucleoni.

Quindi, sotto l'influenza di quali forze il nucleo si rompe?

– (Se sorgono difficoltà, pongo domande guida e conduco gli studenti alla conclusione corretta) Sotto l’influenza delle forze repulsive elettrostatiche, il nucleo si rompe in due parti, che si allontanano in direzioni diverse ed emettono 2-3 neutroni.

I frammenti volano via ad altissima velocità. Si scopre che parte dell'energia interna del nucleo si trasforma nell'energia cinetica di frammenti e particelle volanti. I frammenti finiscono nell'ambiente. Cosa pensi che stia succedendo loro?

– I frammenti vengono rallentati nell’ambiente.

Per non violare la legge di conservazione dell'energia, dobbiamo dire cosa accadrà all'energia cinetica?

– L’energia cinetica dei frammenti viene convertita in energia interna dell’ambiente.

Riesci a notare che l'energia interna del mezzo è cambiata?

– Sì, l’ambiente si sta riscaldando.

Il cambiamento nell’energia interna sarà influenzato dal fatto che un diverso numero di nuclei di uranio parteciperanno alla fissione?

– Naturalmente, con la fissione simultanea di un gran numero di nuclei di uranio, aumenta l’energia interna dell’ambiente che circonda l’uranio.

Dal tuo corso di chimica, sai che le reazioni possono avvenire sia con l'assorbimento di energia che con il rilascio. Cosa possiamo dire sull'andamento della reazione di fissione dei nuclei di uranio?

– La reazione di fissione dei nuclei di uranio rilascia energia nell’ambiente.

L'energia contenuta nei nuclei degli atomi è colossale. Ad esempio, con la fissione completa di tutti i nuclei presenti in 1 g di uranio, verrebbe rilasciata la stessa quantità di energia rilasciata durante la combustione di 2,5 tonnellate di petrolio. Abbiamo scoperto cosa accadrà ai frammenti, come si comporteranno i neutroni?

– (ascoltando le ipotesi degli studenti, verificando le ipotesi lavorando con il modello interattivo “Reazione a catena”.“Ripetitore 1C. Fisica" ).

Esatto, i neutroni nel loro cammino possono incontrare nuclei di uranio e causare la fissione. Questa reazione è chiamata reazione a catena.

Allora, qual è la condizione perché si verifichi una reazione a catena?

– Una reazione a catena è possibile perché la fissione di ciascun nucleo produce 2-3 neutroni, che possono prendere parte alla fissione di altri nuclei.

Vediamo che il numero totale di neutroni liberi in un pezzo di uranio aumenta come una valanga nel tempo. A cosa potrebbe portare questo?

- All'esplosione.

– Aumenta il numero delle fissioni nucleari e, di conseguenza, l’energia rilasciata per unità di tempo.

Ma è possibile anche un'altra opzione, in cui il numero di neutroni liberi diminuisce con il tempo e il neutrone non incontra il nucleo nel suo percorso. In questo caso cosa accadrà alla reazione a catena?

- Si fermerà.

È possibile utilizzare l'energia di tali reazioni per scopi pacifici?

Come dovrebbe procedere la reazione?

– La reazione deve procedere in modo tale che il numero di neutroni rimanga costante nel tempo.

Come possiamo garantire che il numero di neutroni rimanga sempre costante?

- (suggerimenti dei ragazzi)

Per risolvere questo problema, è necessario sapere quali fattori influenzano l'aumento e la diminuzione del numero totale di neutroni liberi in un pezzo di uranio in cui si verifica una reazione a catena.

Uno di questi fattori è massa di uranio . Il fatto è che non tutti i neutroni emessi durante la fissione nucleare provocano la fissione di altri nuclei. Se la massa (e, di conseguenza, le dimensioni) di un pezzo di uranio è troppo piccola, molti neutroni ne voleranno fuori, non avendo il tempo di incontrare il nucleo nel loro cammino, provocandone la fissione e generando così una nuova generazione di neutroni necessari per continuare la reazione. In questo caso, la reazione a catena si fermerà. Affinché la reazione continui, è necessario aumentare la massa dell'uranio fino a un certo valore, chiamato critico.

Perché una reazione a catena diventa possibile all'aumentare della massa?

– Maggiore è la massa del pezzo, maggiore è la probabilità che i neutroni incontrino i nuclei. Di conseguenza, aumenta il numero di fissioni nucleari e il numero di neutroni emessi.

A una certa cosiddetta massa critica dell'uranio, il numero di neutroni prodotti durante la fissione nucleare diventa uguale al numero di neutroni persi (cioè catturati dai nuclei senza fissione ed emessi all'esterno del pezzo).

Pertanto, il loro numero totale rimane invariato. In questo caso la reazione a catena può andare avanti a lungo, senza fermarsi e senza diventare esplosiva.

La massa più piccola di uranio alla quale può verificarsi una reazione a catena è chiamata massa critica.

Come procederà la reazione se la massa dell'uranio è maggiore della massa critica?

– A seguito di un forte aumento del numero di neutroni liberi, una reazione a catena porta ad un’esplosione.

E se fosse meno che critico?

– La reazione non procede per mancanza di neutroni liberi.

La perdita di neutroni (che volano fuori dall'uranio senza reagire con i nuclei) può essere ridotta non solo aumentando la massa dell'uranio, ma anche utilizzando uno speciale guscio riflettente . Per fare ciò, un pezzo di uranio viene posto in un guscio costituito da una sostanza che riflette bene i neutroni (ad esempio il berillio). Riflettendo da questo guscio, i neutroni ritornano nell'uranio e possono prendere parte alla fissione nucleare.

Oltre alla massa e alla presenza di un guscio riflettente, ci sono molti altri fattori da cui dipende la possibilità di una reazione a catena. Ad esempio, se un pezzo di uranio contiene troppo impurità altri elementi chimici, assorbono la maggior parte dei neutroni e la reazione si arresta.

Un altro fattore che influenza il corso della reazione è Disponibilità nel cosiddetto uranio moderatore di neutroni . Il fatto è che i nuclei di uranio-235 hanno maggiori probabilità di subire la fissione sotto l'influenza di neutroni lenti. E durante la fissione dei nuclei, vengono prodotti neutroni veloci. Se i neutroni veloci vengono rallentati, la maggior parte di essi verrà catturata dai nuclei di uranio-235 con successiva fissione di questi nuclei, come grafite, terra, acqua pesante e alcune altre sostanze utilizzate come moderatori; Queste sostanze si limitano a rallentare i neutroni, quasi senza assorbirli.

Quindi, quali sono i principali fattori che possono influenzare il corso di una reazione a catena?

– La possibilità che si verifichi una reazione a catena è determinata dalla massa dell’uranio, dalla quantità di impurità in esso contenute, dalla presenza di un guscio e di un moderatore.

La massa critica di un pezzo sferico di uranio-235 è di circa 50 kg. Inoltre, il suo raggio è di soli 9 cm, poiché l'uranio ha una densità molto elevata.

Utilizzando un moderatore e un guscio riflettente e riducendo la quantità di impurità, è possibile ridurre la massa critica dell'uranio a 0,8 kg.

Reazioni di fissione nucleare- reazioni di fissione, che consistono nel fatto che un nucleo pesante, sotto l'influenza di neutroni e, come si è scoperto successivamente, altre particelle, è diviso in diversi nuclei più leggeri (frammenti), molto spesso in due nuclei di massa simile.

Una caratteristica della fissione nucleare è che è accompagnata dall'emissione di due o tre neutroni secondari, chiamati neutroni di fissione. Poiché per i nuclei medi il numero di neutroni è approssimativamente uguale al numero di protoni ( N/Z ≈ 1), e per i nuclei pesanti il ​​numero di neutroni supera significativamente il numero di protoni ( N/Z ≈ 1.6), i frammenti di fissione risultanti vengono sovraccaricati di neutroni, a seguito dei quali rilasciano neutroni di fissione. Tuttavia, l'emissione di neutroni di fissione non elimina completamente il sovraccarico dei nuclei frammentati con neutroni. Ciò fa sì che i frammenti diventino radioattivi. Possono subire una serie di trasformazioni β - -, accompagnate dall'emissione di quanti γ. Poiché il decadimento β - - è accompagnato dalla trasformazione di un neutrone in un protone, dopo una catena di trasformazioni β - - il rapporto tra neutroni e protoni nel frammento raggiungerà un valore corrispondente a un isotopo stabile. Ad esempio, durante la fissione di un nucleo di uranio U

U+ n→ Xe + Sr +2 N(265.1)

frammento di fissione Xe, a seguito di tre atti di decadimento β, si trasforma nell'isotopo stabile del lantanio La:

Eh → Cs → Ba → La.

I frammenti di fissione possono essere diversi, quindi la reazione (265.1) non è l'unica che porta alla fissione dell'U.

La maggior parte dei neutroni di fissione vengono emessi quasi istantaneamente ( T≤ 10 –14 s), e una parte (circa lo 0,7%) viene emessa dai frammenti di fissione qualche tempo dopo la fissione (0,05 s ≤ T≤ 60 s). I primi vengono chiamati immediato, secondo – in ritardo. In media, ogni evento di fissione produce 2,5 neutroni. Hanno uno spettro energetico relativamente ampio che va da 0 a 7 MeV, con un'energia media di circa 2 MeV per neutrone.

I calcoli mostrano che la fissione nucleare deve essere accompagnata anche dal rilascio di una grande quantità di energia. Infatti l'energia specifica di legame per i nuclei di massa media è di circa 8,7 MeV, mentre per i nuclei pesanti è di 7,6 MeV. Di conseguenza, quando un nucleo pesante si divide in due frammenti, dovrebbe essere liberata un'energia pari a circa 1,1 MeV per nucleone.

La teoria della fissione dei nuclei atomici (N. Bohr, Ya. I. Frenkel) si basa sul modello della goccia del nucleo. Il nucleo è considerato come una goccia di liquido incomprimibile elettricamente carico (con una densità pari a quella nucleare e obbediente alle leggi della meccanica quantistica), le cui particelle, quando un neutrone colpisce il nucleo, iniziano a vibrare, a seguito della quale il il nucleo viene spezzato in due parti, volando via con enorme energia.

La probabilità della fissione nucleare è determinata dall'energia dei neutroni. Ad esempio, se i neutroni ad alta energia causano la fissione di quasi tutti i nuclei, allora i neutroni con un'energia di diversi megaelettronvolt causano solo la fissione dei nuclei pesanti ( UN>210), Neutroni aventi energia di attivazione(l'energia minima necessaria per effettuare una reazione di fissione nucleare) dell'ordine di 1 MeV, provoca la fissione dei nuclei di uranio U, torio Th, protoattinio Pa, plutonio Pu. I neutroni termici provocano la fissione dei nuclei di U, Pu e U, Th (gli ultimi due isotopi non si trovano in natura, sono ottenuti artificialmente).

I neutroni secondari emessi durante la fissione nucleare possono causare nuovi eventi di fissione, il che lo rende possibile reazione a catena di fissione- una reazione nucleare in cui le particelle che causano la reazione si formano come prodotti di questa reazione. La reazione a catena di fissione è caratterizzata da fattore di moltiplicazione K neutroni, che è uguale al rapporto tra il numero di neutroni in una data generazione e il loro numero nella generazione precedente. Una condizione necessaria per lo sviluppo di una reazione a catena di fissione è requisito k ≥ 1.

Si scopre che non tutti i neutroni secondari prodotti provocano la successiva fissione nucleare, il che porta ad una diminuzione del fattore di moltiplicazione. Innanzitutto a causa delle dimensioni finite nucleo(lo spazio in cui avviene una reazione preziosa) e l'elevata capacità di penetrazione dei neutroni, alcuni di essi lasceranno la zona attiva prima di essere catturati da qualsiasi nucleo. In secondo luogo, alcuni neutroni vengono catturati dai nuclei di impurità non fissili, che sono sempre presenti nel nucleo. Inoltre, insieme alla fissione, possono verificarsi processi concorrenti di cattura radiativa e diffusione anelastica.

Il coefficiente di moltiplicazione dipende dalla natura della sostanza fissile e, per un dato isotopo, dalla sua quantità, nonché dalla dimensione e dalla forma della zona attiva. Vengono chiamate le dimensioni minime della zona attiva alla quale è possibile una reazione a catena dimensioni critiche. La massa minima di materiale fissile situato in un sistema di dimensioni critiche richiesta per l'implementazione reazione a catena, chiamato massa critica.

La velocità di sviluppo delle reazioni a catena è diversa. Permettere T - tempo medio

vita di una generazione, e N- il numero di neutroni in una data generazione. Nella generazione successiva il loro numero è uguale kN,T. e. aumento del numero di neutroni per generazione dN = kN – N = N(K - 1). L'aumento del numero di neutroni per unità di tempo, cioè la velocità di crescita della reazione a catena,

. (266.1)

Integrando la (266.1), otteniamo

,

Dove N0è il numero di neutroni nell'istante iniziale, e N- il loro numero alla volta T. N determinato dal segno ( K-1). A K>1 sta arrivando reazione in via di sviluppo, il numero delle fissioni aumenta continuamente e la reazione può diventare esplosiva. A K=1 va reazione autosufficiente in cui il numero di neutroni non cambia nel tempo. A K <1 идет reazione evanescente

Le reazioni a catena includono quelle controllate e incontrollabili. L'esplosione di una bomba atomica, ad esempio, è una reazione incontrollata. Per evitare che una bomba atomica esploda durante lo stoccaggio, l'U (o Pu) al suo interno è diviso in due parti distanti l'una dall'altra con masse inferiori al limite critico. Quindi, con l'aiuto di una normale esplosione, queste masse si avvicinano, la massa totale della sostanza fissile diventa maggiore di quella critica e si verifica una reazione a catena esplosiva, accompagnata dal rilascio istantaneo di un'enorme quantità di energia e da una grande distruzione. . La reazione esplosiva inizia a causa dei neutroni disponibili dalla fissione spontanea o dai neutroni della radiazione cosmica. Nei reattori nucleari si verificano reazioni a catena controllate.

La fissione dei nuclei di uranio bombardati da neutroni fu scoperta nel 1939 dagli scienziati tedeschi Otto Hahn e Fritz Strassmann.

Otto Hahn (1879-1968)
Fisico tedesco, scienziato pioniere nel campo della radiochimica. Scoperta la fissione dell'uranio e una serie di elementi radioattivi

Fritz Strassmann (1902-1980)
Fisico e chimico tedesco. I lavori riguardano la chimica nucleare e la fissione nucleare. Ha fornito prove chimiche del processo di fissione

Consideriamo il meccanismo di questo fenomeno. La Figura 162a mostra convenzionalmente il nucleo di un atomo di uranio. Dopo aver assorbito un neutrone in più, il nucleo viene eccitato e deformato, acquisendo una forma allungata (Fig. 162, b).

Riso. 162. Il processo di fissione di un nucleo di uranio sotto l'influenza di un neutrone che vi entra

Sapete già che nel nucleo agiscono due tipi di forze: le forze repulsive elettrostatiche tra i protoni, che tendono a lacerare il nucleo, e le forze attrattive nucleari tra tutti i nucleoni, grazie alle quali il nucleo non decade. Ma le forze nucleari sono a corto raggio, quindi in un nucleo allungato non possono più trattenere parti del nucleo molto distanti l'una dall'altra. Sotto l'influenza delle forze repulsive elettrostatiche, il nucleo si rompe in due parti (Fig. 162, c), che volano via in direzioni diverse a velocità enorme ed emettono 2-3 neutroni.

Si scopre che parte dell'energia interna del nucleo si trasforma nell'energia cinetica di frammenti e particelle volanti. I frammenti vengono rapidamente decelerati nell'ambiente, a seguito della quale la loro energia cinetica viene convertita nell'energia interna dell'ambiente (cioè nell'energia di interazione e movimento termico delle sue particelle costituenti).

Con la fissione simultanea di un gran numero di nuclei di uranio, l'energia interna dell'ambiente che circonda l'uranio e, di conseguenza, la sua temperatura aumentano notevolmente (cioè l'ambiente si riscalda).

Pertanto, la reazione di fissione dei nuclei di uranio avviene con il rilascio di energia nell'ambiente.

L'energia contenuta nei nuclei degli atomi è colossale. Ad esempio, con la fissione completa di tutti i nuclei presenti in 1 g di uranio, verrebbe liberata la stessa quantità di energia di quella liberata durante la combustione di 2,5 tonnellate di petrolio. Per convertire l'energia interna dei nuclei atomici in energia elettrica, le centrali nucleari utilizzano il cosiddetto Reazioni a catena della fissione nucleare.

Consideriamo il meccanismo della reazione a catena della fissione nucleare di un isotopo di uranio. Il nucleo di un atomo di uranio (Fig. 163) a seguito della cattura dei neutroni si è diviso in due parti, emettendo tre neutroni. Due di questi neutroni provocarono la reazione di fissione di altri due nuclei, producendo quattro neutroni. Questi, a loro volta, provocarono la fissione di quattro nuclei, dopo di che furono prodotti nove neutroni, ecc.

Una reazione a catena è possibile perché la fissione di ciascun nucleo produce 2-3 neutroni, che possono prendere parte alla fissione di altri nuclei.

La Figura 163 mostra un diagramma di una reazione a catena in cui il numero totale di neutroni liberi in un pezzo di uranio aumenta esponenzialmente nel tempo. Di conseguenza, il numero di fissioni nucleari e l'energia rilasciata nell'unità di tempo aumentano notevolmente. Pertanto, tale reazione è di natura esplosiva (si verifica in una bomba atomica).

Riso. 163. Reazione a catena della fissione dei nuclei di uranio

È possibile un'altra opzione, in cui il numero di neutroni liberi diminuisce nel tempo. In questo caso la reazione a catena si ferma. Pertanto, anche una tale reazione non può essere utilizzata per produrre elettricità.

Per scopi pacifici è possibile utilizzare solo l'energia di una reazione a catena in cui il numero di neutroni non cambia nel tempo.

Come possiamo garantire che il numero di neutroni rimanga sempre costante? Per risolvere questo problema, è necessario sapere quali fattori influenzano l'aumento e la diminuzione del numero totale di neutroni liberi in un pezzo di uranio in cui si verifica una reazione a catena.

Uno di questi fattori è la massa dell'uranio. Il fatto è che non tutti i neutroni emessi durante la fissione nucleare provocano la fissione di altri nuclei (vedi Fig. 163). Se la massa (e, di conseguenza, le dimensioni) di un pezzo di uranio è troppo piccola, molti neutroni ne voleranno fuori, non avendo il tempo di incontrare il nucleo nel loro cammino, provocandone la fissione e generando così una nuova generazione di neutroni necessari per continuare la reazione. In questo caso, la reazione a catena si fermerà. Affinché la reazione continui, è necessario aumentare la massa dell'uranio fino a un certo valore, chiamato critico.

Perché una reazione a catena diventa possibile all'aumentare della massa? Maggiore è la massa del pezzo, maggiori sono le sue dimensioni e più lungo è il percorso che i neutroni percorrono al suo interno. In questo caso, aumenta la probabilità che i neutroni incontrino i nuclei. Di conseguenza, aumenta il numero di fissioni nucleari e il numero di neutroni emessi.

Alla massa critica dell'uranio, il numero di neutroni prodotti durante la fissione nucleare diventa uguale al numero di neutroni persi (cioè catturati dai nuclei senza fissione ed emessi all'esterno del pezzo).

Pertanto, il loro numero totale rimane invariato. In questo caso la reazione a catena può andare avanti a lungo, senza fermarsi e senza diventare esplosiva.

• La massa più piccola di uranio alla quale può verificarsi una reazione a catena è chiamata massa critica

Se la massa dell'uranio è maggiore della massa critica, a seguito di un forte aumento del numero di neutroni liberi, la reazione a catena porta ad un'esplosione e se è inferiore alla massa critica, la reazione non avviene procedere per mancanza di neutroni liberi.

La perdita di neutroni (che volano fuori dall'uranio senza reagire con i nuclei) può essere ridotta non solo aumentando la massa dell'uranio, ma anche utilizzando uno speciale guscio riflettente. Per fare ciò, un pezzo di uranio viene posto in un guscio costituito da una sostanza che riflette bene i neutroni (ad esempio il berillio). Riflettendo da questo guscio, i neutroni ritornano nell'uranio e possono prendere parte alla fissione nucleare.

Ci sono molti altri fattori da cui dipende la possibilità di una reazione a catena. Ad esempio, se un pezzo di uranio contiene troppe impurità di altri elementi chimici, assorbono la maggior parte dei neutroni e la reazione si interrompe.

Anche la presenza di un cosiddetto moderatore di neutroni nell'uranio influenza il decorso della reazione. Il fatto è che i nuclei di uranio-235 hanno maggiori probabilità di subire la fissione sotto l'influenza di neutroni lenti. E durante la fissione dei nuclei, vengono prodotti neutroni veloci. Se i neutroni veloci vengono rallentati, la maggior parte di essi verrà catturata dai nuclei di uranio-235 con successiva fissione di questi nuclei. Sostanze come grafite, acqua, acqua pesante (che include il deuterio, un isotopo dell'idrogeno con numero di massa 2) e alcune altre vengono utilizzate come moderatori. Queste sostanze si limitano a rallentare i neutroni, quasi senza assorbirli.

Pertanto, la possibilità che si verifichi una reazione a catena è determinata dalla massa dell'uranio, dalla quantità di impurità in esso contenute, dalla presenza di un guscio e di un moderatore e da alcuni altri fattori.

La massa critica di un pezzo sferico di uranio-235 è di circa 50 kg. Inoltre, il suo raggio è di soli 9 cm, poiché l'uranio ha una densità molto elevata.

Utilizzando un moderatore e un guscio riflettente e riducendo la quantità di impurità, è possibile ridurre la massa critica dell'uranio a 0,8 kg.

Domande

1. Perché la fissione nucleare può iniziare solo quando viene deformata sotto l'influenza di un neutrone da essa assorbito?
2. Cosa si forma a seguito della fissione nucleare?
3. In quale energia si trasforma parte dell'energia interna del nucleo durante la sua divisione? energia cinetica dei frammenti di un nucleo di uranio quando vengono decelerati nell'ambiente?
4. Come procede la reazione di fissione dei nuclei di uranio: con il rilascio di energia nell'ambiente o, al contrario, con l'assorbimento di energia?
5. Spiegare il meccanismo di una reazione a catena utilizzando la Figura 163.
6. Qual è la massa critica dell'uranio?
7. È possibile che si verifichi una reazione a catena se la massa dell'uranio è inferiore alla massa critica; più critico? Perché?

Nel 1934 E. Fermi decise di ottenere elementi transuranici irradiando 238 U con neutroni. L'idea di E. Fermi era che come risultato del decadimento β dell'isotopo 239 U si forma un elemento chimico con numero atomico Z = 93. Tuttavia, non è stato possibile identificare la formazione del 93esimo elemento. Invece, a seguito dell'analisi radiochimica degli elementi radioattivi effettuata da O. Hahn e F. Strassmann, è stato dimostrato che uno dei prodotti dell'irradiazione dell'uranio con neutroni è il bario (Z = 56) - un elemento chimico di peso atomico medio , mentre secondo il presupposto della teoria di Fermi si sarebbero dovuti ottenere elementi transuranici.
L. Meitner e O. Frisch hanno suggerito che a seguito della cattura di un neutrone da parte di un nucleo di uranio, il nucleo composto collassa in due parti

92 U + n → 56 Ba + 36 Kr + xn.

Il processo di fissione dell'uranio è accompagnato dalla comparsa di neutroni secondari (x > 1), capaci di provocare la fissione di altri nuclei di uranio, il che apre il potenziale per una reazione di fissione a catena: un neutrone può dare origine a un nucleo ramificato catena di fissione dei nuclei di uranio. In questo caso, il numero di nuclei fissi dovrebbe aumentare in modo esponenziale. N. Bohr e J. Wheeler calcolarono l'energia critica necessaria affinché il nucleo di 236 U, formatosi in seguito alla cattura dei neutroni da parte dell'isotopo 235 U, si dividesse. Questo valore è 6,2 MeV, che è inferiore all'energia di eccitazione dell'isotopo 236 U formato durante la cattura di un neutrone termico da 235 U. Pertanto, quando i neutroni termici vengono catturati, è possibile una reazione a catena di fissione di 235 U isotopo più comune 238 U, l'energia critica è 5,9 MeV, mentre quando viene catturato un neutrone termico, l'energia di eccitazione del nucleo risultante di 239 U è solo 5,2 MeV. Pertanto, la reazione a catena della fissione dell'isotopo più comune in natura, 238 U, sotto l'influenza dei neutroni termici risulta impossibile. In un evento di fissione, viene rilasciata un'energia di ≈ 200 MeV (per confronto, nelle reazioni di combustione chimica, in un evento di reazione viene rilasciata un'energia di ≈ 10 eV). La possibilità di creare le condizioni per una reazione a catena di fissione ha aperto prospettive per l'utilizzo dell'energia della reazione a catena per creare reattori atomici e armi atomiche. Il primo reattore nucleare fu costruito da E. Fermi negli Stati Uniti nel 1942. Nell'URSS, il primo reattore nucleare fu lanciato sotto la guida di I. Kurchatov nel 1946. Nel 1954, la prima centrale nucleare al mondo iniziò a funzionare a Obninsk. Attualmente l’energia elettrica viene generata in circa 440 reattori nucleari in 30 paesi.
Nel 1940 G. Flerov e K. Petrzhak scoprirono la fissione spontanea dell'uranio. La complessità dell’esperimento è evidenziata dalle seguenti figure. L'emivita parziale relativa alla fissione spontanea dell'isotopo 238 U è di 10 16 –10 17 anni, mentre il periodo di decadimento dell'isotopo 238 U è di 4,5∙10 9 anni. Il principale canale di decadimento dell'isotopo 238 U è il decadimento α. Per osservare la fissione spontanea dell'isotopo 238 U, è stato necessario registrare un evento di fissione su uno sfondo di 10 7 –10 8 eventi di decadimento α.
La probabilità di fissione spontanea è determinata principalmente dalla permeabilità della barriera di fissione. La probabilità di fissione spontanea aumenta con l'aumentare della carica nucleare, perché in questo caso il parametro di divisione Z 2 /A aumenta. Negli isotopi Z< 92-95 деление происходит преимущественно с образованием двух осколков деления с отношением масс тяжёлого и лёгкого осколков 3:2. В изотопах Z >100, predomina la fissione simmetrica con formazione di frammenti di uguale massa. All’aumentare della carica nucleare, aumenta la percentuale di fissione spontanea rispetto al decadimento α.

Fissione nucleare. Storia

1934- E. Fermi, irradiando l'uranio con neutroni termici, scoprì nuclei radioattivi tra i prodotti della reazione, la cui natura non poteva essere determinata.
L. Szilard ha avanzato l'idea di una reazione nucleare a catena.

1939− O. Hahn e F. Strassmann scoprirono tra i prodotti della reazione il bario.
L. Meitner e O. Frisch furono i primi ad annunciare che sotto l'influenza dei neutroni l'uranio era diviso in due frammenti di massa comparabile.
N. Bohr e J. Wheeler hanno dato un'interpretazione quantitativa della fissione nucleare introducendo il parametro di fissione.
Ya. Frenkel ha sviluppato la teoria delle goccioline della fissione nucleare da parte di neutroni lenti.
L. Szilard, E. Wigner, E. Fermi, J. Wheeler, F. Joliot-Curie, Y. Zeldovich, Y. Khariton hanno dimostrato la possibilità di una reazione a catena di fissione nucleare che si verifica nell'uranio.

1940− G. Flerov e K. Pietrzak scoprirono il fenomeno della fissione spontanea dei nuclei di uranio U.

1942− E. Fermi eseguì una reazione a catena di fissione controllata nel primo reattore atomico.

1945− Il primo test sulle armi nucleari (Nevada, USA). Le truppe americane sganciarono bombe atomiche sulle città giapponesi di Hiroshima (6 agosto) e Nagasaki (9 agosto).

1946− Sotto la guida di I.V. Kurchatov, viene lanciato il primo reattore in Europa.

1954− È stata lanciata la prima centrale nucleare al mondo (Obninsk, URSS).

Fissione nucleare.Dal 1934 E. Fermi iniziò a utilizzare i neutroni per bombardare gli atomi. Da allora, il numero di nuclei stabili o radioattivi ottenuti mediante trasformazione artificiale è aumentato fino a raggiungere molte centinaia e quasi tutti i posti nella tavola periodica sono stati riempiti di isotopi.
Gli atomi che si formarono in tutte queste reazioni nucleari occupavano nella tavola periodica lo stesso posto dell'atomo bombardato, o luoghi vicini. Pertanto, la prova di Hahn e Strassmann nel 1938 che quando bombardò con neutroni l'ultimo elemento della tavola periodica suscitò grande scalpore−uranio−la decomposizione avviene in elementi che si trovano nelle parti centrali della tavola periodica. Ci sono diversi tipi di decadimento qui. Gli atomi risultanti sono per lo più instabili e decadono ulteriormente immediatamente; alcuni hanno un'emivita misurata in secondi, quindi Hahn ha dovuto utilizzare il metodo analitico di Curie per prolungare un processo così rapido. È importante notare che anche gli elementi a monte dell'uranio, del protoattinio e del torio mostrano un decadimento simile quando esposti ai neutroni, sebbene siano necessarie energie neutroniche più elevate affinché avvenga il decadimento rispetto al caso dell'uranio. Insieme a questo, nel 1940, G. N. Flerov e K. A. Petrzhak scoprirono la fissione spontanea di un nucleo di uranio con il più grande tempo di dimezzamento conosciuto fino ad allora: circa 2· 10 15 anni; questo fatto diventa chiaro a causa dei neutroni rilasciati durante questo processo. Ciò ha permesso di capire perché il sistema periodico “naturale” termina con i tre elementi nominati. Gli elementi transuranici sono ormai diventati noti, ma sono così instabili da decadere rapidamente.
La fissione dell’uranio mediante neutroni rende ora possibile l’utilizzo dell’energia atomica, che molti hanno già immaginato come “il sogno di Jules Verne”.

M. Laue, “Storia della fisica”

1939 O. Hahn e F. Strassmann, irradiando i sali di uranio con neutroni termici, scoprono tra i prodotti della reazione il bario (Z = 56)

Otto Gann (1879 – 1968)

La fissione nucleare è la divisione di un nucleo in due (meno spesso tre) nuclei con masse simili, chiamati frammenti di fissione. Durante la fissione compaiono anche altre particelle: neutroni, elettroni, particelle α. Come risultato della fissione viene rilasciata energia di circa 200 MeV. La fissione può essere spontanea o forzata sotto l'influenza di altre particelle, molto spesso neutroni.
Una caratteristica della fissione è che i frammenti di fissione, di regola, differiscono in modo significativo in massa, cioè predomina la fissione asimmetrica. Pertanto, nel caso della fissione più probabile dell'isotopo di uranio 236 U, il rapporto tra le masse dei frammenti è 1,46. Il frammento pesante ha un numero di massa pari a 139 (xeno), mentre il frammento leggero ha un numero di massa pari a 95 (stronzio). Tenendo conto dell'emissione di due neutroni pronti, la reazione di fissione in esame ha la forma

Premio Nobel per la chimica
1944 – O. Gan.
Per la scoperta della reazione di fissione dei nuclei di uranio da parte dei neutroni.

Frammenti di fissione

Dipendenza delle masse medie dei gruppi di frammenti leggeri e pesanti dalla massa del nucleo fissile.

Scoperta della fissione nucleare. 1939

Sono arrivato in Svezia, dove Lise Meitner soffriva di solitudine, e io, come un nipote devoto, ho deciso di farle visita per Natale. Viveva nel piccolo albergo Kungälv vicino a Göteborg. L'ho trovata a colazione. Pensò alla lettera che aveva appena ricevuto da Gan. Ero molto scettico riguardo al contenuto della lettera, che riportava la formazione di bario quando l'uranio veniva irradiato con neutroni. Tuttavia, è stata attratta dall'opportunità. Abbiamo camminato nella neve, lei a piedi, io con gli sci (ha detto che poteva farcela così senza restare indietro, e me lo ha dimostrato). Al termine del cammino potremmo già formulare alcune conclusioni; il nucleo non si spezzò e i pezzi non volarono via da esso, ma questo era un processo che ricordava più il modello del nucleo a goccia di Bohr; come una goccia, il nucleo potrebbe allungarsi e dividersi. Ho poi studiato come la carica elettrica dei nucleoni riduca la tensione superficiale, che ho scoperto essere zero a Z = 100 e probabilmente molto bassa per l'uranio. Lise Meitner ha lavorato per determinare l'energia rilasciata durante ogni decadimento dovuto a un difetto di massa. È stata molto chiara riguardo alla curva del difetto di massa. Si è scoperto che a causa della repulsione elettrostatica, gli elementi di fissione acquisirebbero un'energia di circa 200 MeV, e questa corrispondeva esattamente all'energia associata al difetto di massa. Pertanto, il processo potrebbe procedere in modo puramente classico senza coinvolgere il concetto di passaggio attraverso una potenziale barriera, che, ovviamente, sarebbe inutile in questo caso.
Abbiamo trascorso due o tre giorni insieme a Natale. Poi sono tornato a Copenaghen e ho avuto appena il tempo di informare Bohr della nostra idea proprio nel momento in cui stava già imbarcandosi su una nave in partenza per gli Stati Uniti. Ricordo come si diede una pacca sulla fronte non appena cominciai a parlare ed esclamò: “Oh, che sciocchi eravamo! Avremmo dovuto notarlo prima." Ma lui non se ne accorse e nessuno se ne accorse.
Lise Meitner e io abbiamo scritto un articolo. Allo stesso tempo, siamo rimasti costantemente in contatto tramite telefono a lunga distanza da Copenaghen a Stoccolma.

O. Frisch, Memorie. UFN. 1968. T. 96, numero 4, p. 697.

Fissione nucleare spontanea

Negli esperimenti descritti di seguito abbiamo utilizzato il metodo proposto per primo da Frisch per registrare i processi di fissione nucleare. Una camera di ionizzazione con piastre rivestite da uno strato di ossido di uranio è collegata ad un amplificatore lineare configurato in modo tale che le particelle α emesse dall'uranio non vengano rilevate dal sistema; gli impulsi provenienti dai frammenti, di grandezza molto maggiore rispetto agli impulsi delle particelle α, sbloccano il tiratron di uscita e sono considerati un relè meccanico.
Una camera di ionizzazione è stata appositamente progettata sotto forma di un condensatore piatto multistrato con una superficie totale di 15 piastre per 1000 cm2. Le piastre, situate a una distanza di 3 mm l'una dall'altra, sono state rivestite con uno strato di ossido di uranio 10. -20mg/cm 2 .
Nei primissimi esperimenti con un amplificatore configurato per il conteggio dei frammenti, è stato possibile osservare impulsi spontanei (in assenza di una sorgente di neutroni) su un relè e un oscilloscopio. Il numero di questi impulsi era piccolo (6 in 1 ora), ed è quindi comprensibile che questo fenomeno non potesse essere osservato con telecamere del tipo abituale...
Tendiamo a pensarlo l'effetto da noi osservato è da attribuire a frammenti risultanti dalla fissione spontanea dell'uranio...

La fissione spontanea dovrebbe essere attribuita a uno degli isotopi U non eccitati con emivite ottenute da una valutazione dei nostri risultati:

U 238 – 10 16 ~ 10 17 anni,
U 235 – 10 14 ~ 10 15 anni,
U 234 – 10 12 ~ 10 13 anni.

Decadimento isotopico 238 U

Fissione nucleare spontanea

Emivita degli isotopi spontaneamente fissili Z = 92 - 100

Il primo sistema sperimentale con reticolo di uranio-grafite fu costruito nel 1941 sotto la guida di E. Fermi. Si trattava di un cubo di grafite con un bordo lungo 2,5 m, contenente circa 7 tonnellate di ossido di uranio, racchiuso in recipienti di ferro, posti nel cubo a uguale distanza l'uno dall'altro. Una sorgente di neutroni RaBe è stata posizionata sul fondo del reticolo di uranio-grafite. Il coefficiente di riproduzione in un tale sistema era ≈ 0,7. L'ossido di uranio conteneva dal 2 al 5% di impurità. Ulteriori sforzi furono mirati a ottenere materiali più puri e nel maggio 1942 fu ottenuto l'ossido di uranio, in cui l'impurità era inferiore all'1%. Per garantire una reazione a catena di fissione, è stato necessario utilizzare grandi quantità di grafite e uranio, nell'ordine di diverse tonnellate. Le impurità dovevano essere inferiori a poche parti per milione. Il reattore, assemblato alla fine del 1942 da Fermi all'Università di Chicago, aveva la forma di uno sferoide incompleto tagliato dall'alto. Conteneva 40 tonnellate di uranio e 385 tonnellate di grafite. La sera del 2 dicembre 1942, dopo aver rimosso le barre assorbitrici di neutroni, si scoprì che all'interno del reattore si stava verificando una reazione nucleare a catena. Il coefficiente misurato era 1.0006. Inizialmente, il reattore funzionava ad un livello di potenza di 0,5 W. Entro il 12 dicembre, la sua potenza fu aumentata a 200 watt. Successivamente, il reattore fu spostato in un luogo più sicuro e la sua potenza fu aumentata a diversi kW. Allo stesso tempo, il reattore consumava 0,002 g di uranio-235 al giorno.

Il primo reattore nucleare dell'URSS

L'edificio per il primo reattore di ricerca nucleare nell'URSS, l'F-1, era pronto nel giugno 1946.
Dopo che sono stati eseguiti tutti gli esperimenti necessari, è stato sviluppato un sistema di controllo e protezione del reattore, sono state stabilite le dimensioni del reattore, sono stati eseguiti tutti gli esperimenti necessari con modelli di reattore, è stata determinata la densità dei neutroni su furono ottenuti diversi modelli, blocchi di grafite (la cosiddetta purezza nucleare) e (dopo controlli fisico-neutronici) blocchi di uranio, nel novembre 1946 iniziò la costruzione del reattore F-1.
Il raggio totale del reattore era di 3,8 m. Richiedeva 400 tonnellate di grafite e 45 tonnellate di uranio. Il reattore fu assemblato a strati e alle 15:00 del 25 dicembre 1946 fu assemblato l'ultimo, il 62esimo strato. Dopo aver rimosso le cosiddette aste di emergenza, si alzò l'asta di controllo, iniziò il conteggio della densità dei neutroni e alle 18:00 del 25 dicembre 1946 il primo reattore dell'URSS prese vita e iniziò a funzionare. È stata una vittoria entusiasmante per gli scienziati che hanno creato il reattore nucleare e per l'intero popolo sovietico. E un anno e mezzo dopo, il 10 giugno 1948, il reattore industriale con acqua nei canali raggiunse uno stato critico e presto iniziò la produzione industriale di un nuovo tipo di combustibile nucleare: il plutonio.