Деление тяжёлых ядер и цепные реакции

 

Наиболее интересными с точки зрения получения ядерной энергии являются реакции деления тяжёлых ядер, вызываемые попаданием в ядро нейтрона.

Одна из наиболее вероятных реакций деления ядра урана происходит следующим образом:

²³⁵U + n  ¹⁴⁰Cs + ⁹⁴ Rb + 2n + 200 МэВ

Большая часть ядерной энергии этой реакции (~165 МэВ) выделяется в виде кинетической энергии ядер-осколков. Осколки быстро тормозятся в окружающей среде, вызывая её нагрев.

    Испускание при делении ядра урана нескольких нейтронов делает возможным осуществление цепной реакции деления.

    Среда, в которой наблюдается цепная ядерная реакция называется активной.

    Важной характеристикой интенсивности размножения нейтронов является коэффициент размножения – К, равный отношению количества нейтронов в двух последних поколениях.

    К < 1 (подкритический режим) – цепная реакция деления не может развиваться;

    К = 1(критический режим) – цепная реакция протекает стационарно;

    К > 1 (надкритический режим) – ядерный взрыв.

    Причиной уменьшения коэффициента К является пржде всего наличие в среде неделящихся ядер, которые могут захватывать нейтроны.

    Природный уран содержит 99,28% изотопа ²³⁸U и лишь 0,71% изотопа   ²³⁵U. Нейтроны с энергией меньше 1 МэВ поглощаются ядрами ²³⁸U без последующего деления. Поэтому в природном уране цепная реакция развиваться не может.

    К уменьшению коэффициента размножения приводит также выход нейтронов из активной среды, имеющей конечные размеры. Характерный размер активной зоны, при котором коэффициент размножения становится равным единице, называется критическим размером, а масса делящегося вещества в активной зоне таких размеров называется критической массой.

    При массе делящегося вещества меньше критической цепная реакция не протекает.

    Условия для протекания управляемой цепной реакции деления (К = 1) реализуются в ядерных (атомных) реакторах.

    В реакторе на медленных (тепловых) нейтронах с энергией меньше 0,5 эВ управляемая цепная реакция деления может протекать в природном или в слабо обогащённом уране, что достигается введением в реактор специального вещества – замедлителя.

    В активной зоне реактора расположены тепловыделяющие элементы (твэлы) 1  и замедлитель 2. Твэлы представляют собой блоки из делящегося материала, заключённые в герметичную оболочку, слабо поглощающую нейтроны. За счёт энергии, выделяющейся при делении ядер, твэлы разогреваются. Отвод тепла из активной зоны реактора к электрогенерирующему блоку осуществляется теплоносителем 3 , омывающим твэлы.

    Активная зона окружена отражателем 4, уменьшающим утечку нейтронов

 

    На практике твёрдыми замедлителями являются бериллий и графит, а жидким – тяжёлая вода.

    Уменьшения кинети –

ческой энергии нейтрона от 1 МэВ до 0,5 эВ в замедли – теле происходит в результате многократных (около 50) соударений нейтрона с ядрами атомов замедлителя.

  Регулирующие стержни (управляющие и аварийные) изготавливают из материала сильно поглощающего нейтроны (кадмий или бор).

 

Термоядерная реакция

    Одной из возможных реакций синтеза лёгких ядер является ядерная реакция, которая может протекать в смеси из дейтерия и трития:

 

²Н + ³Н  + ⁴Не + 17,6 МэВ.

    Требующийся для этой реакции тритий может быть получен из лития:

 

⁶Li + ³H + ⁴He.

 

    Для сближения ядер ²Н и ³Н на расстояние порядка радиуса действия ядерных сил необходимо преодолеть кулоновский барьер высотой ~10 эВ, а для этого сталкивающимся ядрам следует сообщить достаточно высокую кинетическую энергию, т.е. смесь нужно разогреть до температуры порядка 10⁸ К.

 

    В варианте неуправляемого термоядерного взрыва в водородной бомбе нагрев до таких температур осуществляется взрывом плутониевой атомной бомбы.

    Для осуществления реакции управляемого термоядерного синтеза (УТС) необходимо высокотемпературную дейтериево-тритиевую плазму, нагретую до Т~10⁸ К удерживать от контакта со стенками реактора в течение времени τ, определяемого критерием Лоусона п_я^.τ = 10²⁰ с/м³, где

    n _я – объёмная концентрация ядер в горячей плазме ( d + t).

    В установках типа «Токамак» реализуется идея магнитного удержания плазмы, предложенная российскими физиками Таммом и Сахаровым. Создание плазмы, её нагрев до термоядерных температур и отрыв от стенок торообразной рабочей камеры осуществляют импульсным током газового разряда, вызываемого в плазме индукционным способом. Главная трудность – неустойчивость плазменного шнура.

 

    Н.Г.Басов и О.Н.Крохин в 1962 г. предложили способ осуществления реакции УТС связанный с разогревом, сжатием и удержанием термоядерной мишени с помощью воздействия на неё мощных пучков лазерного излучения. В таких установках критерий Лоусона следует превзойти по крайней мере в сотни раз, так как световая энергия лазерного пучка составляет примерно 1% от подводимой к лазеру электроэнергии.

 

Лекция 24

РАДИОАКТИВНОСТЬ

    Радиоактивность заключается в самопроизвольном распаде ядер с испусканием одной или нескольких частиц. Такие ядра и соответствующие им нуклиды называют радиоактивными (в отличие от стабильных ядер).

    Радиоактивное ядро называют материнским, а ядра, образующиеся в результате распада, - дочерними.

    Необходимым условием радиоактивного распада является то, что масса исходного ядра должна  превышать сумму масс продуктов распада. Таким образом каждый распад происходит с выделением энергии.

 

---

Дата добавления: 2019-02-13; просмотров: 335; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!