Ядерная реакция конспект 11 класс

Обновлено: 05.07.2024

Раздел ОГЭ по физике: 4.4. Ядерные реакции. Ядерный реактор. Термоядерный синтез

Превращение ядер одного элемента в ядра другого элемента происходит не только в процессе радиоактивного распада. Такое превращение может происходить при взаимодействии ядер элементов друг с другом или с такими частицами, как альфа-частицы, электроны, протоны, нейтроны. Превращение исходного атомного ядра при взаимодействии с какой-либо частицей в другое ядро, отличное от исходного, называют ядерной реакцией.

Силы притяжения, связывающие протоны и нейтроны в ядре, называются ядерными силами. Свойства ядерных сил:

зарядовая независимость – ядерное (сильное) взаимодействие между двумя протонами, двумя нейтронами или между протоном и нейтроном одинаково;
короткодействующий характер – ядерные силы быстро убывают с расстоянием; радиус их действия порядка 10 –15 м;
насыщаемость – ядерные силы могут удерживать друг возле друга в ядре ограниченное количество нуклонов; с ростом числа нуклонов ядра становятся менее стабильными.

Энергия, которая необходима для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны, называется энергией связи.

Измерения показали, что масса покоя ядра М всегда меньше суммы масс покоя нуклонов (протонов и нейтронов), входящих в состав, на величину Δm, называемую дефектом массы: Δm = (Zm_p + Nm_n) – М.

Энергия связи атомного ядра Е_св равна произведению дефекта масс на квадрат скорости света: Е_св = Δmс 2 .

Массу ядер удобно выражать в атомных единицах массы: 1 а.е.м. = 1,67 • 10 –27 кг.

Ядерными реакциями называются превращения атомных ядер, вызванные их взаимодействиями с различными частицами или друг с другом. При записи ядерных реакций используются законы сохранения заряда и массового числа (числа нуклонов).

Например, осуществлена ядерная реакция , в результате которой получен изотоп натрия и некоторая частица, которую нужно определить. Находим сумму массовых чисел в левой части уравнения. Она равна 26. Вычитаем из этого числа массовое число изотопа натрия: 26 – 22 = 4. Следовательно, массовое число неизвестной частицы равно 4. Определяем зарядовое число: сумма зарядовых чисел в левой части равенства равна 13, следовательно, зарядовое число неизвестной частицы 13 – 11 = 2. Таким образом, массовое число образовавшейся в результате реакции частицы 4, а зарядовое число 2. Это — альфа-частица. Уравнение имеет вид:

Термоядерный синтез

Термоядерный синтез — это разновидность ядерной реакции. В ходе ядерной реакции ядро атома взаимодействует либо с элементарной частицей, либо с ядром другого атома, за счет чего состав и строение ядра изменяются. Тяжелое атомное ядро может распасться на два-три более легких — это реакция деления. Существует также реакция синтеза: это когда два легких атомных ядра сливаются в одно тяжелое.

В отличие от ядерного деления, которое может проходить как самопроизвольно, так и вынужденно, ядерный синтез невозможен без подвода внешней энергии. Как известно, притягиваются противоположности, но вот атомные ядра заряжены положительно — поэтому они отталкиваются друг от друга. Эта ситуация называется кулоновским барьером. Чтобы преодолеть отталкивание, необходимо разогнать эти частицы до сумасшедших скоростей. Это можно осуществить при очень высокой температуре — порядка нескольких миллионов кельвинов. Именно такие реакции и называются термоядерными.

Естественным термоядерным реактором является звезда. В ней плазма удерживается под действием гравитации, а излучение поглощается — таким образом, ядро не остывает. На Земле же термоядерные реакции можно провести лишь в специальных установках (импульсные системы, квазистационарные системы, токамак, торсатрон).

В ходе ядерных и термоядерных реакций выделяется огромное количество энергии, которую можно использовать в различных целях — можно создать мощнейшее оружие, а можно преобразовать ядерную энергию в электричество и снабдить им весь мир. Энергия распада ядра давно используется на атомных электростанциях. Но термоядерная энергетика выглядит перспективнее. При термоядерной реакции на каждый нуклон (так называются составляющие ядра, протоны и нейтроны) выделяется намного больше энергии, чем при ядерной реакции. К примеру, при делении ядра урана на один нуклон приходится 0,9 МэВ (мегаэлектронвольт), а при синтезе ядра гелия из ядер водорода выделяется энергия, равная 6 МэВ.

В основных ядерных реакциях, которые планируется использовать в целях осуществления управляемого термоядерного синтеза, будут применяться дейтерий (тяжёлый водород, обозначается символами D и 2 H — стабильный изотоп водорода с атомной массой, равной 2) и тритий (сверхтяжёлый водород, обозначается символами T и 3 H — радиоактивный изотоп водорода), а в более отдалённой перспективе гелий-3 и бор-11.

Курчатовский институт работает над реактором IGNITOR. Германия запустила термоядерный реактор-стелларатор Wendelstein 7-X. Наиболее известен международный проект токамака ИТЭР (ITER, Международный экспериментальный термоядерный реактор) в исследовательском центре Кадараш (Франция).

Период полураспада – время, за которое распадается половина начального числа радиоактивных атомов.

Закон радиоактивного распада:

Ядерные реакции - это превращение атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами или друг с другом.

Энергетический выход ядерной реакции- разность энергий покоя ядер и частиц до реакции и после реакции, а также разность кинетических энергий частиц, участвующих в реакции.

Цепная ядерная реакция- реакция, в которой частицы, вызывающие её (нейтроны), образуются как продукты этой реакции.

Ядерный реактор- устройство, в котором осуществляется управляемая реакция деления ядер.

Критическая масса - наименьшая масса делящегося вещества, при которой ещё может протекать цепная ядерная реакция.

Реакторы –размножители - это реакторы, воспроизводящие делящийся материал.

Термоядерные реакции – это реакции слияния лёгких ядер, происходящие при очень высокой температуре.

Изотопы – элементы с одинаковыми химическими свойствами, но различающиеся массами.

Доза поглощённого излучения – это отношение поглощённой телом энергии ионизирующего излучения к массе облучаемого тела.

Эквивалентная доза поглощённого излучения определяется произведением дозы поглощённого излучения на коэффициент качества.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. Физика.11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2014. – С. 318 – 352.

2.Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. -М.:Дрофа,2009. – С.155-162.

Основное содержание урока

Ядерный реактор- устройство, в котором осуществляется управляемая реакция деления ядер.

Реакторы –размножители - это реакторы, воспроизводящие делящийся материал.

Термоядерные реакции – это реакции слияния лёгких ядер, происходящие при очень высокой температуре.

Изотопы – элементы с одинаковыми химическими свойствами, но различающиеся массами.

Воздействие излучений на живые организмы характеризуется: дозой поглощённого излучения.

Разбор тренировочных заданий

1. Ядро претерпело ряд α- и β-распадов. В результате образовалось ядро . Определите число α- и β –распадов.

При альфа-распаде зарядовое число уменьшается на 2 единицы, а зарядовое - на 4 единицы. При бета-распаде заряд ядра увеличивается на единицу, а его масса не меняется. При превращении ядра урана в ядро свинца масса уменьшается на 238 − 206 = 32 а.е.м., а заряд на 92 − 82 = 10 зарядов электрона, и тогда заряд ядра уменьшается на 8 · 2 − 6 = 10 единиц заряда электрона, а масса уменьшается на 8 · 4 = 32 а.е.м.

Правильный ответ: 8 альфа-распадов и 6 бета-распадов.

2. Закончите уравнение ядерной реакции, с клавиатуры впишите численные значения ответа в пустые клеточки.

Учитывая законы сохранения электрического заряда и массы, получаем:

Таким образом, получаем элемент с порядковым номером 16 и массовым числом 34 (сера S)

Ответ:

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

ознакомить учащихся с ядерными реакциями, с процессами изменения атомных ядер, превращением одних ядер в другие под действием микрочастиц.

подчеркнуть, что это отнюдь не химические реакции соединения и разъединения атомов элементов между собой, затрагивающие только электронные оболочки, а перестройка ядер как систем нуклонов, превращение одних химических элементов в другие.

1. Каков состав атомных ядер?

ЯДРО (атомное) – это положительно заряженная центральная часть атома, в которой сосредоточено 99,96% его массы. Радиус ядра ~10 –15 м, что приблизительно в сто тысяч раз меньше радиуса всего атома, определяемого размерами его электронной оболочки.

Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Их общее количество в ядре обозначают буквой А и называют массовым числом. Число протонов в ядре Z определяет электрический заряд ядра и совпадает с атомным номером элемента в периодической системе элементов Д.И. Менделеева. Число нейтронов в ядре может быть определено как разность между массовым числом ядра и числом протонов в нем. Массовое число – это число нуклонов в ядре.

2. Как объяснить стабильность атомных ядер?

ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ – это мера взаимодействия нуклонов в атомном ядре. Именно эти силы удерживают одноименно заряженные протоны в ядре, не давая им разлететься под действием электрических сил отталкивания.

3. Назовите свойства ядерных сил.

Ядерные силы обладают рядом специфических свойств:

Ядерные силы на 2–3 порядка интенсивнее электромагнитных.

Ядерные силы имеют короткодействующий характер: радиус их действия R ~10 –15 м (т.е. совпадает по порядку величины с радиусом атомного ядра).

Ядерные силы являются силами притяжения на расстояниях ~10 –15 м, но на существенно меньших расстояниях между нуклонами переходят в силы отталкивания.

Ядерные силы нецентральны; на классическом (неквантовом) языке это означает, что они направлены под некоторым углом к прямой, соединяющей взаимодействующие частицы (силы такого типа называют тензорными силами).

Ядерные силы обладают зарядовой независимостью, т. е. силы, действующие между нейтроном и нейтроном, между протоном и протоном, а также между нейтроном и протоном, одинаковы.

Ядерные силы обладают свойством насыщения: каждый нуклон в ядре притягивает к себе лишь небольшое число своих соседей, отталкивая при этом остальные частицы.

Наряду с обычными (парными) ядерными силами существуют и так называемые тройные (и вообще многочастичные) ядерные силы, радиус действия которых примерно вдвое меньше радиуса действия обычных парных сил. (Под тройными имеют в виду силы между тремя частицами, обращающиеся в нуль при удалении на бесконечность хотя бы одной из этих частиц)

Ядерные силы, по крайней мере частично, имеют обменный характер. Согласно мезонной теории ядерных сил взаимодействие между нуклонами осуществляется путем испускания и поглощения этими частицами квантов особого пионного поля – пи-мезонов. Полной законченной теории ядерных сил, которая объясняла бы и предсказывала все их свойства, пока еще не создано.

4. Что такое энергия связи ядра?

ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ АТОМНОГО ЯДРА – это минимальная энергия, которая необходима для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны. Разность между суммой масс нуклонов (протонов и нейтронов) и массой состоящего из них ядра, умноженная на квадрат скорости света в вакууме, и есть энергия связи нуклонов в ядре. Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, называется удельной энергией связи.

5. Почему масса ядра не равна сумме масс протонов и нейтронов, входящих в него?

При образовании ядра из нуклонов происходит уменьшение энергии ядра, что сопровождается уменьшением массы, т. е. масса ядра должна быть меньше суммы масс отдельных нуклонов, образующих это ядро.

6. Что такое радиоактивность?

2. ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА.

ЯДЕРНАЯ РЕАКЦИЯ – это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, сопровождающийся изменением состава и структуры A (a, b) B или А + а → В + b.

Что общего и в чем различие ядерной реакции и радиоактивного распада?

Общим признаком ядерной реакции и радиоактивного распада является превращение одного атомного ядра в другое .

Но радиоактивный распад происходит самопроизвольно , без внешнего воздействия, а ядерная реакция вызывается воздействием бомбардирующей частицы.

Виды ядерных реакций:

через стадию образования составного ядра;

прямая ядерная реакция (энергия больше 10 МэВ);

под действием различных частиц: протонов, нейтронов, …;

с поглощением энергии и с выделением энергии.

Первая ядерная реакция была осуществлена Э. Резерфордом в 1919 году в опытах по обнаружению протонов в продуктах распада ядер. Резерфорд бомбардировал атомы азота α-частицами. При соударении частиц происходила ядерная реакция, протекавшая по следующей схеме:
14 ₇ N + 4 ₂ He → 17 ₈ O + 1 ₁ H

Условия протекания ядерных реакций

Для осуществления ядерной реакции под действием положительно заряженной частицы необходимо, чтобы частица обладала кинетической энергией, достаточной для преодоления действия сил кулоновского отталкивания. Незаряженные частицы, например нейтроны, могут проникать в атомные ядра, обладая сколь угодно малой кинетической энергией. Ядерные реакции могут протекать при бомбардировке атомов быстрыми заряженными частицами (протоны, нейтроны, α-частицы, ионы).

Первая реакция бомбардировки атомов быстрыми заряженными частицами была осуществлена с помощью протонов большой энергии, полученных на ускорителе, в 1932 году:
7 ₃ Li + 1 ₁ H → 4 ₂ He + 4 ₂ He

Однако наиболее интересными для практического использования являются реакции, протекающие при взаимодействии ядер с нейтронами. Так как нейтроны лишены заряда, они беспрепятственно могут проникать в атомные ядра и вызывать их превращения. Выдающийся итальянский физик Э. Ферми первым начал изучать реакции, вызываемые нейтронами. Он обнаружил, что ядерные превращения вызываются не только быстрыми, но и медленными нейтронами, движущимися с тепловыми скоростями.

Для осуществления ядерной реакции под действием положительно заряженной частицы необходимо, чтобы частица обладала кинетической энергией , достаточной для преодоления действия сил кулоновского отталкивания . Незаряженные частицы, например нейтроны, могут проникать в атомные ядра, обладая сколь угодно малой кинетической энергией.

Механизм ядерных реакций

Два этапа ядерной реакции:

поглощение частицы ядром и образование возбужденного ядра. Энергия распределяется между всеми нуклонами ядра, на долю каждого из них при этом приходится энергия, меньшая удельной энергии связи, и они не могут проникнуть в ядро. Нуклоны обмениваются между собой энергией, и на одном из них или на группе нуклонов может сконцентрироваться энергия, достаточная для преодоления сил ядерной связи и освобождения из ядра.

испускание частицы ядром происходит подобно испарению молекулы с поверхности капли жидкости. Промежуток времени от момента поглощения ядром первичной частицы до момента испускания вторичной частицы составляет примерно 10 -12 с.

Законы сохранения при ядерных реакциях

При ядерных реакциях выполняется несколько законов сохранения : импульса, энергии, момента импульса, заряда. В дополнение к этим классическим законам при ядерных реакциях выполняется закон сохранения так называемого барионного заряда (т.е. числа нуклонов – протонов и нейтронов). Выполняется также ряд других законов сохранения, специфических для ядерной физики и физики элементарных частиц.

Энергетическим выходом ядерной реакции называется разность энергий покоя ядер и частиц до и после реакции.

Данная энергия выражается в Джоулях, но нам предстоит ее выражать в МэВ. Для этого наша формула будет выглядеть следующим образом:

А теперь давайте рассчитаем энергетический выход реакции Уолтона и Кокрофта.

На самом деле эта реакция проходит с выделением энергии 17,6 МэВ, у нас значение данной энергии получилось меньше, так как мы не учитывали кинетическую энергию протона, так как он был разогнан на ускорителе.

Самостоятельная работа по карточкам.

Самостоятельная работа

1. Напишите уравнения следующих ядерных реакций:

алюминий ( 27 ₁₃ Al) захватывает нейтрон и испускает α-частицу;

Конспект лекции " Ядерные реакции" содержит необходимый материал для учителя и учеников по данной теме .

Ядерные реакции

1.Общая характеристика ядерных реакций.

Ядерная реакция – это процесс взаимодействия атомного ядра с

другим ядром или элементарной частицей, сопровождающийся изменением состава и структуры ядра и выделением вторичных частиц или γ-квантов.

Первая ядерная реакция была осуществлена Э. Резерфордом

в 1919 году в опытах по обнаружению протонов в продуктах распада ядер.

Аномальный эффект в азоте

На рис.1 изображён трэк альфа-частицы, раздваивающийся на жирный короткий (образовавшееся ядро кислорода) и длинный тонкий (след протона).

1932г. Открытие нейтрона

1933г. Открытие искусственной радиоактивности

Ядерные реакции могут протекать при бомбардировке атомов быстрыми заряженными частицами (протоны, нейтроны, α-частицы, ионы). В таблице 1. приведены основные типы ядерных реакций .

Табл.1 Типы ядерных реакций.

При ядерных реакциях выполняется несколько законов сохранения: импульса, энергии, момента импульса, заряда. В дополнение к этим классическим законам сохранения при ядерных реакциях выполняется закон сохранения так называемого барионного заряда (т. е. числа нуклонов – протонов и нейтронов). Выполняется также ряд других законов сохранения, специфических для ядерной физики и физики элементарных частиц.

Ядерная реакция протекает в 2 этапа:

Образование компаунд ядра a + X → C

Время существования компаунд ядра t_С = 10 -14 c = 10 8 τ_я

τ_я = 10 -22 с – единица ядерного времени – время, необходимое для

пролёта быстрому нейтрону (с энергией ~ 10 МэВ) расстояния,

сравнимого с радиусом ядра.

2) Распад компаунд ядра С → b + Y

Распад не зависит от способа образования.

Ядерные реакции сопровождаются энергетическими превращениями. Энергетическим выходом ядерной реакции называется величина

где m_a и m_X – массы исходных продуктов, m_b и m_Y – массы конечных продуктов реакции. Величина Δm называется дефектом масс. Ядерные реакции могут протекать с выделением (E 0) или с поглощением энергии (E E|, которая называется порогом реакции. Если энергия выделяется – реакция экзотермическая.

Если энергия поглощается – реакция эндотермическая. Для того чтобы ядерная реакция имела положительный энергетический выход, удельная энергия связи нуклонов в ядрах исходных продуктов должна быть меньше удельной энергии связи нуклонов в ядрах конечных продуктов. Это означает, что величина Δm должна быть положительной.

2. Деление ядер урана. Цепная реакция.

Возможны два принципиально различных способа освобождения ядерной энергии:

реакции деления тяжёлых ядер, находящихся в конце таблицы

Д.И.Менделеева и реакции синтеза лёгких ядер, находящихся в начале таблицы Д.И. Менделеева.

Деление тяжелых ядер. В отличие от радиоактивного распада ядер, сопровождающегося испусканием α- или β-частиц, реакции деления – это процесс, при котором нестабильное ядро делится на два крупных фрагмента сравнимых масс.

В 1939 году немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом было открыто деление ядер урана. Продолжая исследования, начатые Ферми, они установили, что при бомбардировке урана нейтронами возникают элементы средней части периодической системы – радиоактивные изотопы бария (Z = 56), криптона (Z = 36) и др. Уран встречается в природе в виде двух изотопов: уран-238 (99,3 %) и уран-235 (0,7 %). При бомбардировке нейтронами ядра обоих изотопов могут расщепляться на два осколка. При этом реакция деления урана-235 наиболее интенсивно идет на медленных (тепловых) нейтронах, в то время как ядра урана-238 вступают в реакцию деления только с быстрыми нейтронами с энергией порядка 1 МэВ. Основной интерес для ядерной энергетики представляет реакция деления ядра урана-235. В настоящее время известны около 100 различных изотопов с массовыми числами примерно от 90 до 145, возникающих при делении этого ядра. Две типичные реакции деления этого ядра имеют вид:

Обратите внимание, что в результате деления ядра, инициированного нейтроном, возникают новые нейтроны, способные вызвать реакции деления других ядер. Продуктами деления ядер урана-235 могут быть и другие изотопы бария, ксенона, стронция, рубидия и т. д. Кинетическая энергия, выделяющаяся при делении одного ядра урана, огромна – порядка 200 МэВ. Оценку выделяющей при делении ядра энергии можно сделать с помощью удельной энергии связи нуклонов в ядре (рис.2).

Удельная энергия связи нуклонов в ядрах с массовым числом A ≈ 240 порядка 7,6 МэВ/нуклон, в то время как в ядрах с массовыми числами A = 90–145 удельная энергия примерно равна 8,5 МэВ/нуклон. Следовательно, при делении ядра урана освобождается энергия порядка 0,9 МэВ/нуклон или приблизительно 210 МэВ на один атом урана. При полном делении всех ядер, содержащихся в 1 г урана, выделяется такая же энергия, как и при сгорании 3 т угля или 2,5 т нефти.

Рис.2. Зависимость удельной энергии связи от массового числа химического элемента.

Продукты деления ядра урана нестабильны, так как в них содержится значительное избыточное число нейтронов. Действительно, отношение N / Z для наиболее тяжелых ядер порядка 1,6, для ядер с массовыми числами от 90 до 145 это отношение порядка 1,3–1,4. Поэтому ядра-осколки испытывают серию последовательных β – -распадов, в результате которых число протонов в ядре увеличивается, а число нейтронов уменьшается до тех пор, пока не образуется стабильное ядро.

При делении ядра урана-235, которое вызвано столкновением с нейтроном, освобождается 2 или 3 нейтрона. При благоприятных условиях эти нейтроны могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. На этом этапе появятся уже от 4 до 9 нейтронов, способных вызвать новые распады ядер урана и т. д. Такой лавинообразный процесс называется цепной реакцией. Схема развития цепной реакции деления ядер урана представлена на рис.3.

Рис.3. Схема развития цепной реакции.

Для осуществления цепной реакции необходимо, чтобы так называемый коэффициент размножения нейтронов был больше единицы. Другими словами, в каждом последующем поколении нейтронов должно быть больше, чем в предыдущем. Коэффициент размножения определяется не только числом нейтронов, образующихся в каждом элементарном акте, но и условиями, в которых протекает реакция – часть нейтронов может поглощаться другими ядрами или выходить из зоны реакции. Нейтроны, освободившиеся при делении ядер урана-235, способны вызвать деление лишь ядер этого же урана, на долю которого в природном уране приходится всего лишь 0,7 %. Такая концентрация оказывается недостаточной для начала цепной реакции. Изотоп урана-238 также может поглощать нейтроны, но при этом не возникает цепной реакции.

Цепная реакция в уране с повышенным содержанием урана-235 может развиваться только тогда, когда масса урана превосходит так называемую критическую массу. В небольших кусках урана большинство нейтронов, не попав ни в одно ядро, вылетают наружу. Для чистого урана-235 критическая масса составляет около 50 кг. Критическую массу урана можно во много раз уменьшить, если использовать так называемые замедлители нейтронов. Дело в том, что нейтроны, рождающиеся при распаде ядер урана, имеют слишком большие скорости, а вероятность захвата медленных нейтронов ядрами урана-235 в сотни раз больше, чем быстрых. Наилучшим замедлителем нейтронов является тяжелая вода D₂O. Обычная вода при взаимодействии с нейтронами сама превращается в тяжелую воду.

Хорошим замедлителем является также графит, ядра которого не поглощают нейтронов. При упругом взаимодействии с ядрами дейтерия или углерода нейтроны замедляются до тепловых скоростей.

Применение замедлителей нейтронов и специальной оболочки из бериллия, которая отражает нейтроны, позволяет снизить критическую массу до 250 г.

В атомных бомбах цепная неуправляемая ядерная реакция возникает при быстром соединении двух кусков урана-235, каждый из которых имеет массу несколько ниже критической.

Рис.4. Схема устройства атомной бомбы.

Военное применение. США против Японии 6.08.1945. Хиросима, 9. 08.1945. Нагасаки. Бомба, сброшенная на Хиросиму, содержала уран – 235, а на Нагасаки – плутоний. За несколько микросекунд успело прореагировать не больше 2% делящегося материала. В современных атомных бомбах успевает прореагировать несколько десятков процентов. Благодаря этому мощность взрыва достигает 1000 кт.

Устройство, в котором поддерживается управляемая реакция деления ядер, называется ядерным (или атомным) реактором. Схема ядерного реактора на медленных нейтронах приведена на рис.5. Ядерная реакция протекает в активной зоне реактора, которая заполнена замедлителем и пронизана стержнями, содержащими обогащенную смесь изотопов урана с повышенным содержанием урана-235 (до 3 %). В активную зону вводятся регулирующие стержни, содержащие кадмий или бор, которые интенсивно поглощают нейтроны. Введение стержней в активную зону позволяет управлять скоростью цепной реакции. Активная зона охлаждается с помощью прокачиваемого теплоносителя, в качестве которого может применяться вода или металл с низкой температурой плавления (например, натрий, имеющий температуру плавления 98 °C). В парогенераторе теплоноситель передает тепловую энергию воде, превращая ее в пар высокого давления.

Рис.5. Схема устройства ядерного реактора.

Пар направляется в турбину, соединенную с электрогенератором. Из турбины пар поступает в конденсатор. Во избежание утечки радиации контуры теплоносителя I и парогенератора II работают по замкнутым циклам.

Турбина атомной электростанции является тепловой машиной, определяющей в соответствии со вторым законом термодинамики общую эффективность станции. У современных атомных электростанций коэффициент полезного действия приблизительно равен 33%. Следовательно, для производства 1000 МВт электрической мощности тепловая мощность реактора должна достигать 3000 МВт. 2000 МВт должны уносится водой, охлаждающей конденсатор. Это приводит к локальному перегреву естественных водоемов и последующему возникновению экологических проблем. Однако, главная проблема состоит в обеспечении полной радиационной безопасности людей, работающих на атомных электростанциях, и предотвращении случайных выбросов радиоактивных веществ, которые в большом количестве накапливаются в активной зоне реактора. При разработке ядерных реакторов этой проблеме уделяется большое внимание. Тем не менее, после аварий на некоторых АЭС, в частности на АЭС в Пенсильвании (США, 1979 г.) и на Чернобыльской АЭС (1986 г.), проблема безопасности ядерной энергетики встала с особенной остротой.

Наряду с описанным выше ядерным реактором, работающим на медленных нейтронах, большой практический интерес представляют реакторы, работающие без замедлителя на быстрых нейтронах. В таких реакторах ядерным горючим является обогащенная смесь, содержащая не менее 15 % изотопа урана-235. Преимущество реакторов на быстрых нейтронах, состоит в том, что при их работе ядра урана-238, поглощая нейтроны, посредством двух последовательных β – -распадов превращаются в ядра плутония, которые затем можно использовать в качестве ядерного топлива:

Коэффициент воспроизводства таких реакторов достигает 1,5, т. е. на 1 кг урана-235 получается до 1,5 кг плутония. В обычных реакторах также образуется плутоний, но в гораздо меньших количествах.

Первый ядерный реактор был построен в 1942 году в США под руководством Э. Ферми. В нашей стране первый реактор был построен в 1946 году под руководством И. В. Курчатова.

3. Ядерные и термоядерные реакции и их практическое применение.

Термоядерные реакции. Второй путь освобождения ядерной энергии связан с реакциями синтеза. При слиянии легких ядер и образовании нового ядра должно выделяться большое количество энергии. Это видно из кривой зависимости удельной энергии связи от массового числа A (рис. 2). Вплоть до ядер с массовым числом около 60 удельная энергия связи нуклонов растет с увеличением A. Поэтому синтез любого ядра с A

Реакции слияния легких ядер носят название термоядерных реакций, так как они могут протекать только при очень высоких температурах. Чтобы два ядра вступили в реакцию синтеза, они должны сблизится на расстояние действия ядерных сил порядка 2·10 –15 м, преодолев электрическое отталкивание их положительных зарядов. Для этого средняя кинетическая энергия теплового движения молекул должна превосходить потенциальную энергию кулоновского взаимодействия. Расчет необходимой для этого температуры T приводит к величине порядка 10 8 –10 9 К. Это чрезвычайно высокая температура. При такой температуре вещество находится в полностью ионизированном состоянии, которое называется плазмой. Энергия, которая выделяется при термоядерных реакциях, в расчете на один нуклон в несколько раз превышает удельную энергию, выделяющуюся в цепных реакциях деления ядер. Так, например, реакции слияния ядер дейтерия и трития :

Осуществление управляемых термоядерных реакций даст человечеству новый экологически чистый и практически неисчерпаемый источник энергии. Однако получение сверхвысоких температур и удержание плазмы, нагретой до миллиарда градусов, представляет собой труднейшую научно-техническую задачу на пути осуществления управляемого термоядерного синтеза.

На данном этапе развития науки и техники удалось осуществить только неуправляемую реакцию синтеза в водородной бомбе. Высокая температура, необходимая для ядерного синтеза, достигается здесь с помощью взрыва обычной урановой или плутониевой бомбы (рис.6).

Рис.6. Схема трёхфазной водородной и нейтронной бомб.

Тротиловый эквивалент современных термоядерных зарядов достигает

200Мт. При взрыве современных нейтронных зарядов 95% энергии уносится потоком нейтронов, убивающих всё живое. При этом разрушения минимальны.

В 1 л воды – 0,15 мл тяжёлой воды. При слиянии, содержащихся в ней ядер дейтерия, выделяется энергии столько же сколько при сгорании 300 л бензина. Наиболее перспективная установка управляемого термоядерного синтеза – ТОКАМАК. В настоящее время существует Международный проект ИТЕРА, в котором участвуют крупнейшие мировые державы. Промышленное производство термоядерной энергии планируется на 2050 год.

Термоядерные реакции играют чрезвычайно важную роль в эволюции Вселенной. Энергия излучения Солнца и звезд имеет термоядерное происхождение.

Читайте также: