Слияние ядер при очень высокой температуре называется термоядерной реакцией.

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 8Следующая ⇒

Самоподдерживающиеся термоядерные реакции происходят в недрах звезд (в том числе Солнца) и играют важнейшую роль в существовании и развитии Вселенной.

На Земле первая термоядерная реакция была осуществлена при взрыве водородной бомбы. Высокую температуру, необходимую для начала термоядерной реакции, в водородной бомбе получали в результате взрыва входящей в ее состав атомной бомбы, играющей роль детонатора. Термоядерные реакции, происходящие при взрывах водородных бомб, являютсянеуправляемыми.

Если бы в земных условиях была возможность осуществлять легко управляемые термоядерные реакции, человечество получило бы практически неисчерпаемый источник энергии, так как запасы водорода на Земле огромны. Однако на пути осуществления энергетически выгодных управляемых термоядерных реакций стоят большие технические трудности. Прежде всего необходимо создавать температуры порядка 10⁸ К. Такие сверхвысокие температуры могут быть получены путем создания в плазме электрических разрядов большой мощности.

Использование установок типа "Токамак" (в которых для получения и нагревания плазмы используется мощный электрический разряд, а для удержания плазмы — магнитное поле) является одним из возможных путей осуществления управляемых термоядерных реакций. Другим путем достижения этой цели является лазерный термоядерный синтез. Сущность такого метода состоит в следующем. Замороженную смесь дейтерия и трития, приготовленную в виде шариков диаметром менее 1 мм, равномерно облучают со всех сторон мощным лазерным излучением. Это приводит к нагреванию и испарению вещества с поверхности шариков. При этом давление внутри шариков возрастает до величин порядка 10¹⁵ Па. Под действием такого давления происходят увеличение плотности и сильное нагревание вещества в центральной части шариков и начинается термоядерная реакция.

29. Что выражает эффективное сечение ядерной реакции?

Акт ядерной реакции, как и все процессы в микромире, является случайным явлением. Поэтому для количественного описания возможности ядерной реакции необходимо использовать вероятностный подход. Такой количественной характеристикой вероятности протекания реакции является эффективное сечение, которое определяется следующим образом. Пусть на площадку S = 1 см2 тонкой пластинки, содержащей ядра-мишени А, падает перпендикулярно однородный в пределах площадки поток - количество частиц ав единицу времени. Тонкой будем считать пластинку, в которой ядра А не перекрывают друг друга. Оценим толщину пластинки. Так как размеры ядер меньше размеров атомов примерно в 104 раз, то соответствующие им площади будут различаться в 108 раз. В твердом теле атомы упакованы плотно, поэтому необходимо 108 слоев атомов для заметного перекрытия ядер друг другом. Принимая диаметр одного атома примерно равным 10-8см, получим, что толщина δ пластинки составит ~1 см. В слое dx << δ (отсутствие перекрытия ядер-мишеней) возможное число реакций в 1 см2 пластинки

где nА– концентрация ядер-мишеней А. Тогда вероятность (доля) реакций составит, согласно

Запишем выражение в виде точного равенства:

где σ – коэффициент пропорциональности, имеющий размерность площади, называется эффективным (микроскопическим) сечением ядерной реакции. Так как

где V – объем пластинки, а NA – число ядер А в этой пластинке, то последнее выражение есть ничто иное, как отношение эффективной площади, занятой всеми ядрами пластинки, к площади пластинки. Поэтому эффективное сечение можно представить как среднее значение площади, в которой с определенной вероятностью должна произойти реакция при условии нахождения в ее пределах частиц а и А. В ядерной физике для измерения сечений используется специальная единица, называемая барн (б), 1б = 10-24см2.

Какими уравнениями выражается связь между спектральной энергетической светимостью тела и его испускательной способностью, а также между поглощательной способностью тела и потоком лучистой энергии?

Энергетическая светимость тела R_Т, численно равна энергии W, излучаемой телом во всем диапазоне длин волн (0<l<¥) с единицы поверхности тела, в единицу времени, при температуре телаТ, т.е.

Испускательная способность тела rl_,Т численно равна энергии тела dWl, излучаемой телом c единицы поверхности тела, за единицу времени при температуре тела Т, в диапазоне длин волн от lдо l+dl, т.е.

Эту величину называют также спектральной плотностью энергетической светимости тела.

Энергетическая светимость связана с испускательной способностью формулой

Поглощательная способность тела al_,T - число, показывающее, какая доля энергии излучения, падающего на поверхность тела, поглощается им в диапазоне длин волн от l до l+dl, т.е.

Тело, для которого al_,T=1 во всем диапазоне длин волн, называется абсолютно черным телом (АЧТ).

Тело, для которого al_,T=const<1 во всем диапазоне длин волн называют серым.

Совместные процессы взаимного испускания, поглощения, отражения и пропускания энергии излучения в системах различных тел называются лучистым теплообменом, причем тела, входящие в данную излучающую систему, могут иметь одинаковую температуру. Для тела, участвующего в лучистом теплообмене с другими телами, согласно закону сохранения энергии можно составить следующие уравнения теплового баланса :

или A+R+D=1, если все члены зависимости поделить на Eпод и учесть предыдущие соотношения. Лучистый теплообмен между телами определяется потоком результирующего излучения. Результирующее излучение представляет собой разность между лучистым потоком, получаемым данным телом, и лучистым потоком, который оно посылает в окружающее его пространство.

Каков баланс нейтронов в промышленном ядерном реакторе для производства плутония?

Баланс нейтронов - Соотношение между образовавшимися нейтронами и нейтронами, потерянными в результате утечки и поглощений, не приводящих к делению.

Ядерный реактор является мощным источником нейтронов. Нейтроны возникают в ядерных реакциях деления. Спектр нейтронов в реакторе - сплошной. Его форма зависит от состава реактора.

Нейтроны могут участвовать в делении ²³⁵U (медленные и быстрые нейтроны) и ²³⁸U (быстрые нейтроны), захватываться без деления изотопами ²³⁵U и ²³⁸U, поглощаться конструкционными материалами, замедлителем, теплоносителем, примесями в топливе, продуктами распада и, наконец, покидать активную зону.

Обозначим символом h число нейтронов, рождающихся в среднем на один поглощенный нейтрон в уране. До того момента, как быстрые нейтроны замедлятся, часть их вызовет деление ядер ²³⁵U и ²³⁸U и поэтому число быстрых нейтронов возрастет в m раз;

величину m называют коэффициентом размножения на быстрых нейтронах.

Часть нейтронов в процессе замедления поглотится в процессах, не приводящих к делению.

Доля нейтронов, избежавших поглощения в процессе замедления, учитывается фактором j - вероятностью избежать резонансного захвата.

Из всех замедлившихся нейтронов только часть их, определяемая коэффициентом использования тепловых нейтронов q, будет поглощена ураном. Остальные (1 - q) поглотятся замедлителем, примесями и конструкционными материалами.

Таким образом, коэффициент размножения для активной зоны бесконечно больших размеров (т.е. без учета утечки нейтронов)равен:

k_Ґ = h m j q

Полученная формула имеет важное значение для расчета реакторов; часто ее называют формулой четырех сомножителей.

Реакторы на быстрых нейтронах. Построены реакторы, работающие без замедлителя на быстрых нейтронах. Так как вероятность деления, вызванного быстрыми нейтронами, мала, то такие реакторы не могут работать на естественном уране.

Реакцию можно поддерживать лишь в обогащенной смеси, содержащей не менее 15% изотопа . Преимущество реакторов на быстрых нейтронах в том, что при их работе образуется значительное количество плутония, который затем можно использовать в качестве ядерного топлива. Эти реакторы называются реакторами-размножителями, так как они воспроизводят делящейся материал. Строятся реакторы с коэффициентом воспроизводства до 1,5. Это значит, что в реакторе при делении 1 кг изотопа получается до 1,5 кг плутония. В обычных реакторах коэфициент воспроизводства 0,6—0,7.

Синтез новых элементов
Преобразование одних атомов в другие происходит при взаимодействии атомных или субатомных частиц. Из таковых доступны в больших количествах только нейтроны. Гигаваттный ядерный реактор производит около 3.75 кг (или 4*1030) нейтронов в течении года.

Чтобы получать плутоний в достаточном количестве, нужны сильнейшие нейтронные потоки. Такие как раз создаются в атомных реакторах. В принципе, любой реактор является источником нейтронов, но для промышленного производства плутония естественно использовать специально разработанный для этого.

Логическое уравнение баланса плотности нейтронов в единичном объеме среды

активной зоны реактора можно записать так:

dn/dt = (скорость генерации нейтронов) - (скорость поглощения их) - (скорость утечки их).

Как формулируется закон Брюстера? Поясните это закон.

Зако́н Брю́стера — закон оптики, выражающий связь показателей преломления двух диэлектриков с таким углом падения света, при котором свет, отражённый от границы раздела диэлектриков, будет полностью поляризованным в плоскости, перпендикулярной плоскости падения. При этом преломлённый луч частично поляризуется в плоскости падения, и его поляризация достигает наибольшего значения (но не 100%, поскольку от границы отразится лишь часть света, поляризованного перпендикулярно к плоскости падения, а оставшаяся часть войдёт в состав преломлённого луча). Угол падения, при котором степень поляризации максимальна, называется углом Брюстера. Легко установить, что при падении под углом Брюстера отражённый и преломлённый лучи взаимно перпендикулярны.

α_Б - угол Брюстера, т. е. угол падения, при котором происходит полная поляризация
n - показатель преломления

Это явление оптики названо по имени шотландского физика Дэвида Брюстера, открывшего его в 1815 году.

Закон Брюстера записывается в виде: tg α_{Б =}n

где n — показатель преломления второй среды относительно первой, а α_Б — угол падения (угол Брюстера).

При падении света на одну пластинку под углом Брюстера интенсивность отражённого линейно поляризованного света очень мала (для границы воздух-стекло — около 4 % от интенсивности падающего луча). Поэтому для того, чтобы увеличить интенсивность отраженного света (или поляризовать свет, прошедший в стекло, в плоскости, параллельной плоскости падения) применяют несколько скрепленных пластинок, сложенных в стопу — стопу Столетова. Легко проследить по чертежу происходящее. Пусть на верхнюю часть стопы падает луч света. От первой пластины будет отражаться полностью поляризованный луч (около 4 % первоначальной интенсивности), от второй пластины также отразится полностью поляризованный луч (около 3,75 % первоначальной интенсивности) и так далее. При этом луч, выходящий из стопы снизу, будет все больше поляризоваться в плоскости, параллельной плоскости падения, по мере добавления пластин.

Вы наверняка встречались с явлением поляризации в быту. В частности, в наше время солнцезащитные очки часто делают антибликовыми, а достигается это благодаря тому, что в них вставлены поляризованные линзы. В солнечную погоду свет, отраженный от блестящих поверхностей (стекла, стали, воды), оказывается поляризованным преимущественно в горизонтальной плоскости (по закону Брюстера). А линзы антибликовых солнцезащитных очков пропускают только свет, поляризованный вертикально. Благодаря этому большинство бликов, отраженных от окружающих нас предметов, гасятся и не ослепляют нас.

Что такое природный уран? Что является делящимся веществом в ядерном реакторе?

Природный уран состоит из трех изотопов: 238U (99,282 %), 235U (0,712 %) и 234U (0,006 %). Он не всегда пригоден как ядерное топливо, особенно если
конструкционные материалы и замедлитель интенсивно поглощают нейтроны. В этом случае ядерное топливо приготовляют на основе
обогащённого урана. В энергетических реакторах на тепловых нейтронах используют уран с обогащением менее 10 %, а в реакторах на быстрых и
промежуточных нейтронах обогащение урана превышает 20 %. Обогащённый уран получают на специальных обогатительных заводах.

Для того, чтобы в ядерном реакторе происходили ядерные реакции, то есть превращение одних химических элементов в другие, необходимо присутствие в реакторе вещества, способного делиться и выделять при своем распаде элементарные частицы, способные вызвать деление других ядер. Распад атомного ядра может быть следствием попадания в него элементарной частицы, или самопроизвольным. Сразу отметим, что в ядерной энергетике не используется самопроизвольное деление по причине очень низкой его интенсивности. В качестве делящегося вещества можно использовать уран-235, уран-238 или плутоний-239. Во время цепной ядерной реакции в реакторе изотопы этих элементов распадаются и образуются два или три ядра других химических элементов, находящихся в середине таблицы Менделеева. При этом излучаются гамма-лучи, выделяется энергия, и образуются нейтроны в количестве двух или трех штук, которые способны продолжить цепную реакцию. Для того чтобы атомное ядро какого-либо элемента распалось, нейтрон должен попасть в него с определенной скоростью. Различают быстрые и медленные нейтроны, в зависимости от их скорости, которые по-разному воздействуют на ядра делящихся элементов. Например, распад изотопа урана-238 могут вызвать только быстрые нейтроны, при этом образуется 2 – 3 новых нейтрона и выделяется энергия. Из-за того, что быстрые нейтроны сильно замедляются в уране-238, их энергия оказывается недостаточной, чтобы вызвать деление ядра урана-238, поэтому цепная реакция в уране-238, а также в естественном уране (в котором основной изотоп – уран-238) протекать не может. Совсем другая ситуация возникает в веществе уран-235, наиболее эффективный распад ядер которого происходит при взаимодействии с нейтронами, которые после пробега в его толще перестают быть быстрыми и становятся медленными, но не поглощаются самим ураном и посторонними веществами. В современных ядерных реакторах для замедления нейтронов применяется не сам уран, а другие вещества, слабо поглощающие нейтроны, например, тяжелая вода или графит. Причина этого в том, что в естественном уране имеется большое количество веществ, сильно поглощающих нейтроны, например, уран-238. Обыкновенная вода хотя и замедляет нейтроны, но очень сильно поглощает их, поэтому для нормального протекания цепной реакции не годится. Легкая вода обладает для этого необходимыми качествами, и может быть использована в цепной реакции обогащенного урана-235, который имеет высокую долю делящегося изотопа. Менее обогащенный уран можно использовать при использовании в качестве замедлителя нейтронов графита, который не только плохо поглощает нейтроны, но и хорошо замедляет их. Сходными свойствами также обладает тяжелая вода, с той лишь разницей, что ее производство имеет серьезные экологические недостатки и достаточно трудоемко. Когда медленный нейтрон попадает в ядро урана-235, ядро без предупреждения может захватить его. Следствием будет цепочка ядерных реакций, а результатом – образование ядра плутония-239. Этот элемент тоже можно использовать в качестве ядерного топлива, но в настоящее время он используется при производстве атомных бомб. Поэтому в реакторе происходит не только расходование ядерного топлива, но и его наработка. Существует другой способ поддержания цепной ядерной реакции, причем без необходимости замедления нейтронов, и используется он в реакторах на быстрых нейтронах. Правда, в качестве делящегося вещества в таком реакторе используется плутоний, а не уран. Уран же выполняет функцию дополнительного компонента. При попадании быстрого нейтрона, образованного в ходе распада плутония, в ядро урана, произойдет испускание новых нейтронов и выделение энергии, а при попадании в ядро урана медленного нейтрона он превратится в плутоний-239 и пополнит запасы ядерного топлива в реакторе. Резюмируя вышесказанное, можно сказать, что поддерживать цепную реакцию в атомном реакторе можно тремя способами: использовать обогащенный уран с замедлителем, который будет поглощать нейтроны; использовать необогащенный уран с замедлителем, мало поглощающим нейтроны; использовать сплав урана с плутонием без замедлителя. Соответственно, устройство ядерных реакторов, использующих эти три разных способа, будет различаться.

Почему реакция транспорта на магнитном подвесе зависит от системы охлаждения?

Транспорт с магнитным подвесом, новый вид наземного (подземного) транспорта с электромагнитами подвеса и тяговым линейным электродвигателем, обеспечивающим движение вагонов поезда без механического контакта с путевой структурой, воздушный зазор между которыми определяется равенством противоположно направленных сил электромагнитной природы и сил тяжести, действующих на подвижной состав. Электромагниты подвеса размещаются, как правило, на подвижном составе и обеспечивают его подвешивание ("парение") над путевым полотном.

Важнейший недостаток поездов на магнитном подвесе заключается в особенности работы электромагнитов, которые и обеспечивают левитацию вагонов над полотном. Электромагниты, не охлаждаемые до состояния сверхпроводимости, потребляют гигантские объемы энергии. При использовании же сверхпроводников в полотне стоимость их охлаждения сведет на нет все экономические преимущества и возможность осуществления проекта.

Один из путей к увеличению их эффективности — использование сверхпроводников, которые при охлаждении до температур, близких к абсолютному нулю, полностью теряют электрическое сопротивление. При уменьшении сопротивления меньше тратиться электричества и повышается скорость.

Одно из свойств, присущих всем сверхпроводникам, носит название эффекта Мейснера. Если поместить магнит над сверхпроводником, магнит зависнет в воздухе, как будто поддерживаемый некой невидимой силой. (Причина эффекта Мейснера заключается в том, что магнит обладает свойством создавать внутри сверхпроводника собственное «зеркальное отражение», так что настоящий магнит и его отражение начинают отталкиваться друг от друга. Еще одно наглядное объяснение этого эффекта — в том, что сверхпроводник непроницаем для магнитного поля. Он как бы выталкивает магнитное поле. Поэтому, если поместить магнит над сверхпроводником, силовые линии магнита при контакте со сверхпроводником исказятся. Эти силовые линии и будут выталкивать магнит вверх, заставляя его левитировать.)

Как формулируется закон смещения Вина?

Зако́н смеще́ния Ви́на даёт зависимость длины волны, на которой поток излучения энергии чёрного тела достигает своего максимума, от температуры чёрного тела.

Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 699; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 7 8 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!