рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

Реакція поділу важких ядер. Ланцюгові ядерні реакції. 10.Ядерна енергетика. Реакція ядерного поділу. Ланцюгова реакція поділу. Ядерний реактор

Реакція поділу важких ядер. Ланцюгові ядерні реакції. 10.Ядерна енергетика. Реакція ядерного поділу. Ланцюгова реакція поділу. Ядерний реактор - раздел Философия, РОЗДІЛ 1.Статистична фізика і термодинаміка До Початку 40-Х Років Xx Ст. Роботами Багатьох Учених Було Доведено, Що Під Ч...

До початку 40-х років XX ст. роботами багатьох учених було доведено, що під час опромінення урану нейтронами утворюються елементи із середини періодичної системи – лантан і барій. Цей результат поклав початок дослідженню ядер­них реакцій нового типу – реакцій поділу ядра, суть яких в тому, що важке ядро під дією нейтронів, а також інших частинок ділиться на декілька більш легких ядер, найчастіше на два близькі за масою ядра.

Поділ атомних ядер може відбуватися різними шляхами. Спостерігається більше, ніж 30 різних варіантів реалізації процесу поділу, зокрема

.

Серед осколків поділу є нукліди з масовими числами від 72 до 161 і значеннями Z від 30 до 65. Криві виходу продуктів на один поділ наведені на рис. 342,

 

де крива 1 відповідає дії теплових нейтронів, а крива 2 – швидких. При поділі на теплових нейтронах утворюються переважно осколки зі співвідношенням мас 2:3. Найімовірнішими продуктами поділу з виходом є осколки з масовими числами 195 і 139.

Поділ на два рівні осколки є малоймовірним .

Особливістю поділу ядра є те, що він супроводжується випусканням двох –трьох вторинних нейтронів, які називаються нейтронами поділу. Продукти поділу є радіоактивними. Це зв’язано з тим, що в ядрах – осколках, які утворилися, є надлишок нейтронів в порівнянні з протон-нейтронним співвідношенням, при якому ядра стабільні. Так, у стійких середніх ядер , а у тяжких ядрах .

Осколки поділу зазнають тому ряд розпадів, які супроводжуються випромінюванням квантів і перетворенням нейтрона в протон. В результаті співвідношення між нейтронами і протонами в осколку досягає величини, що відповідає стабільному ізотопу.

Наприклад, одна з типових реакцій ядерного поділу є реакція

.

Осколки поділу – ксенон і стронцій – зазнають розпадів:

,

.

Кінцеві продукти – цезій і цирконій – є стабільними.

Іншою типовою реакцією є така:

.

Більшість нейтронів при поділі випускаються практично миттєво , а частина (близько ) випускаються осколками поділу через деякий час після поділу . Перші з них називаються миттєвими, другі – такими, що запізнюються. Загалом на кожний акт поділу припадає 2.5 випущеного нейтрона, а на один нейтрон в середньому припадає енергія близько 2 МеВ.

Якщо розглянути реакцію поділу, в результаті якої ядро розщеплюється на ядра , , 6 частинок і 2 нейтрона, то цей поділ супроводжується виділенням великої кількості енергії, а саме: .

Ймовірність поділу ядер визначається енергією нейтронів. Наприклад, якщо високоенергетичні нейтрони викликають поділ практично всіх ядер, то нейтрони з енергією в декілька МеВ - лише важких ядер .

Нейтрони, що мають енергію активації (мінімальну енергію, необхідну для здійснення реакції поділу ядра) порядку 1 МеВ, викликають поділ ядра урану , торію , протактинію і плутонію .

Тепловими нейтронами діляться ядра , , , . Два останні ізотопи в природі не зустрічаються, їх отримують штучно.

Теорію поділу важких ядер запропонували Н. Бор і Я. Френкель, в основу її покладено краплинну модель ядра.

Нейтрон, що проникнув у ядро, вносить туди енергію, яка за дуже короткий час поширюється між всіма нуклонами і в результаті утворюється нове ядро у збудженому стані. Якщо енергія збудження невелика, то поділ ядра не відбувається. Таке ядро, втративши надлишок енергії через випускання - кванта, протона або нейтрона, повернеться в рівноважний стан. Якщо ж енергія, яку вносить нейтрон, велика, то збуджене ядро – крапля починає дефор­муватися, в результаті відбувається поділ на два осколки, що розлітаються з великими швидкостями внаслідок дії між ними сил електростатичного відштовхування (рис. 343).

Для практичного застосування поділу важких ядер найважливіше значення має виділення великої енергії при кожному акті поділу і поява при цьому 2-3 нейтронів. Кожен з цих нейтронів взаємодіє з сусідніми ядрами речовини, що, у свою чергу спричиняє в них реакцію поділу, тобто відбувається лавиноподібне зростання
кількості актів поділу. Така реакція поділу називається ланцюговою.

Схематично ланцюгова реакція поділу ядер зображена на рис. 344.

 

Ланцюгова реакція поділу характеризується коефіцієнтом розмноження k нейтронів, який дорівнює відношенню кіль­кості нейтронів у даному поколінні до їх кількості в попередньому поколінні.

Виявляється, що не всі вторинні нейтрони, які утворюються, викликають наступний поділ ядер, що приводить до зменшення k. По-перше, внаслідок скінчених розмірів активної зони (простір, де відбувається ланцюгова реакція) і великої проникної здатності нейтронів, частина з них покине активну зону раніше, ніж буде захоплена яким-небудь ядром. По-друге, частина нейтронів захоплюється ядрами домішок, що не діляться, і які завжди присутні в активній зоні.

Коефіцієнт розмноження залежить від природи речовини, що ділиться, а для даного ізотопу – від його кількості, а також від розмірів і форми активної зони.

Мінімальні розміри активної зони, при яких можливе здійснення ланцюгової реакції, називають критичними розмірами. Мінімальна маса речовини, що ділиться, яка необхідна для здійснення ланцюгової реакції, називається критичною масою. Для зменшення втрат нейтронів і критичних параметрів речовини її оточують відбивачем - шаром неподільної речовини, яка має малий ефективний поперечний переріз для захоплення нейтронів і великий переріз для їх розсіяння.

Обчислимо швидкість розвитку
ланцюгової реакції. Нехай – середній час життя одного покоління, а N - число нейтронів у попередньому поколінні. В даному поколінні їх кількість дорівнює kN, тобто приріст кількості нейтронів за одне покоління .

Приріст кількості нейтронів за одиницю часу, тобто швидкість наростання ланцюгової реакції

, .

Інтегруючи цей вираз, отримуємо

,

де - кількість нейтронів в початковий момент часу, а N - їх кількість в момент часу t. При k>1 йде наростаюча реакція, кількість поділів безперервно росте, і реак­ція може стати вибуховою.

При k=1 йде самопідтримуюча ре­акція, при якій кількість нейтронів з часом не змінюється. При k<1 йде загасаюча ре­акція.

Ланцюгові реакції діляться на керовані і некеровані. Вибух атомної бомби є некерованою реакцією. Керовані ланцюгові реакції здійснюються в ядерних реакторах.

Як сировинні і подільні речовини в реакторах використовуються , , , а також . У природній суміші ізотопів урану ізотопу у 140 разів
більше, ніж ізотопу .

Велике значення в ядерній енергетиці має не лише здійснення ланцюгової реакції поділу, але і керування нею.

Пристрій, в якому здійснюється і підтримується керована ланцюгова реакція поділу, називається ядерним реактором.

Розглянемо типову схему реактора на теплових ней­тронах (рис. 345).

 

В активній зоні реактора розміщені тепловиділяючі елементи 1 і сповільнювачі 2, в яких нейтрони сповільнюються до теплових швидкостей. Тепловиділяючі елементи (твели) – це блоки з радіоактивного матеріалу, що знаходиться в герме­тичній оболонці, яка слабо поглинає нейтрони. За рахунок енергії, що виділяється при поділі ядер, твели розігріваються, і їх поміщають в потік теплоносія (З – канал для протікання теплоносія). Проходячи через активну зону, теплоносій у вигляді газу, води або розплавленого металу нагрівається і передає теплоту через спеціальний пристрій робочому тілу, наприклад, воді в паротурбогенераторі, а потім знову поступає в активну зону реактора. Активна зона оточується тепловідбивачем 4, що зменшує витік нейтронів.

Керування ланцюговою реакцією здійснюється спеціальними керуючими стрижнями 5 з матеріалів, що сильно поглинають нейтрони. При повністю вставлених стрижнях реакція не йде. При поступовому вийманні стрижнів k росте і при певному положенні доходить до одиниці. В цей момент реактор починає працювати. В міру його роботи кількість матеріалу, який ділиться в активній зоні, зменшується і відбувається її забруднення осколками поділу. Щоб реакція не припинилась, з активної зони за допомогою автоматичного пристрою поступово виймаються керуючі стрижні. В реакторі є аварійні стрижні, введення яких при збільшенні інтенсив­ності реакції зразу її припиняє. Кожний реактор має біологічний захист - систему екранів із захисних матеріалів.

Ядерні реактори розрізняють:

1) за характером основних матеріалів, що знаходяться в активній зоні (ядерне паливо, сповільнювач, теплоносій); в ролі по­дільних і сировинних речовин використовують , , , , , в ролі сповільнювачів - воду (звичайну і важку), графіт, берилій, кадмій; в ролі теплоносіїв – повітря, воду, водяну пару, Не, Со тощо.

2) за енергією нейтронів (реактори на
теплових і швидких нейтронах);

3) за характером розміщення ядерного палива і сповільнювача в активній зоні: гомогенні (обидві речовини рівномірно змішані одна з одною) і гетерогенні (обидві речовини розміщуються окремо у вигляді блоків);

4) за типом режиму (неперервні й ім­пульсні);

5) за призначенням (енергетичні, дослідні реактори виробництва нових подільних матеріалів, радіоактивних ізотопів і та ін.).

11.Реакція синтезу атомних ядер. Проблема керованих термоядерних реакцій. Реакція синтезу атомних ядер – термоядерна реакція – це злиття легких ядер в одне ядро, яке супроводжується виділенням великих кількостей енергії.

Ядерний синтез, тобто злиття легких ядер в одне ядро супроводжується, як і поділ важких ядер, виділенням великих кількостей енергії. Оскільки для синтезу ядер необхідні дуже високі температури, цей процес називається термоядерною реакцією.

Для прикладу наведемо деякі реакції синтезу легких ядер та значення теплових ефектів Q:

, ,

, ,

, ,

, .

Виділення великих кількостей енергії пояснюється тим що питома енергія зв’язку ядер різко збільшується при переході від ядер водню , до літію і особливо до гелію .

Реакції синтезу атомних ядер мають ту особливість, що в них енергія, яка виділяється на один нуклон, значно більша, ніж в реакціях поділу важких ядер. Справді, якщо під час поділу ядра виділяється енергія приблизно 0,84 МеВ на один кулон, то в реакції синтезу приблизно 3,5 МеВ, тобто в 4 рази більше.

Оцінимо температуру перебігу термоядерної реакції на прикладі синтезу ядра дейтерію . Для об’єднання ядер дейтерію їх треба наблизити на відстань, що дорівнює радіусу дії ядерних сил r=2 м, долаючи при цьому кулонівський бар’єр . На кожне ядро, що стикається, припадає 0,35 МеВ. Середній енергії теплового руху , яка дорівнює 0,35 МеВ, відповідає температура порядку . Отже, реакція синтезу ядер дейтерію може відбуватися лише при температурі, що перевищує на два порядки температуру центральних областей Сонця .

Однак для перебігу реакції синтезу атомних ядер достатньо температури порядку . Це пов’язано з двома факторами: 1) при температурах, характерних для реакцій синтезу атомних ядер, речовина знаходиться в стані плазми, розподіл частинок якої описується законом Максвелла, тому завжди є деяка кількість ядер, енергія яких набагато перевищує середнє значення; 2) синтез ядер може відбуватися внаслідок тунельного ефекту. Термоядерні реакції є, можливо, одним з джерел енергії Сонця і зірок. В принципі висловлено два припущення про можливі способи перебігу термоядерних реакцій на Сонці:

1) протонно-протонний або водневий цикл, характерний для температур ~ :

,

,

.

Енергія, яка виділяється при цьому циклі, дорівнює . На рис. 346 зображений весь ланцюжок протон-протон­ного циклу.

 

2) вуглецево-азотний або вуглецевий цикл, характерний для більш високих температур

, ,

, ,

, .

В результаті цього циклу 4 протони перетворюються в ядро гелію і виділяється енергія, яка дорівнює 26,7 МеВ. Ядра ж вуглецю, кількість яких залишається незмінною, беруть участь у реакції в ролі каталізатора.

Схема протікання вуглецево-азот­ного циклу наведена на рис. 347.

 

З наведених вище рівнянь реакції видно, що синтез протонів супроводжується виникненням нейтрино, кількість яких можна оцінити. Однак проведені вимірювання показали, що кількість нейтрино, що виділяються на Сонці, дуже мала. В зв’язку з цим питання про природу сонячної енергії залишається дискусійним.

Вперше штучна термоядерна реакція була здійснена в СРСР (1953), а потім в США у вигляді вибуху водневої (термоядерної бомби), що є некерованою реакцією. Вибуховою речовиною, в якій проходила реакція , є суміш дейтерію і тритію, а запалом – звичайна атомна бомба, при вибуху якої виникає необхідна для перебігу термоядерної реакції температура.

Теоретичною основою для перебігу штучних керованих термоядерних реакцій є реакції типу , що відбуваються у високотемпературній плазмі. Однак завдання полягає не тільки в створенні умов, потрібних для інтенсивного виділення енергії в термоядерних процесах, а здебільшого в підтриманні цих умов. Для здійснення самопідтримної термоядерної реакції потрібно, щоб швидкість виділення енергії в системі, де відбувається реакція, була не менша за швидкість відведення енергії від системи.

Розрахунки показують, що для забезпечення самопідтримної керованої термоядерної реакції температуру дейтерієвої плазми треба довести до кількох сотень мільйонів градусів. При температурах реакція має повну інтенсивність і супроводжується виділенням великої енергії. Так, при температурі потужність, яка виділяється в одиниці об’єму плазми при сполученні дейтерієвих ядер, становить , у той час як при температурі вона дорівнює лише .

Основною причиною втрат енергії високотемпературною плазмою є її велика теплопровідність, яка швидко зростає при високих температурах. Енергія з плазми може відводитися завдяки дифузії гарячих частинок з області, де відбувається реакція, на стінки апарата, в якому міститься плазма. Якщо плазму не теплоізолювати від контакту з будь-якими нав­колишніми речовинами, то її можна нагрівати лише до кількох сотень тисяч градусів, тому що енергія, яка виділяється внас­лідок реакції синтезу, виходитиме на стінки. Інакше кажучи, треба втримати плазму в заданому об'ємі, не допускаючи її розширення. Ідею ефективної магнітної термоізоляції плазми стосовно проблеми керованого термоядерного синтезу запропонували А.Д. Сахаров і І.Є. Тамм у 1950 р. Якщо пропустити через плазму у формі стовпа вздовж його осі великий електричний струм, то магнітне поле цього струму створює електродинамічні сили, які прагнутимуть стиснути плазмовий стовп. Отже, стовп плазми буде відірваний від стінок і стягнутий у плазмовий шнур. Однак утримувати плазмовий шнур в такому стані не вдається: відбуваються швидкі радіальні коливання - він то розширюється, то знову стискається.

Внаслідок нестабільності, нестій­кості плазми у плазмовому шнурі виникають деформації, які змінюють геометричну форму шнура. Результатом цього є пору­шення термоізоляції, інтенсивна взаємодія плазми із стінками, що приводить до забруднення дейтерію речовиною стінок і швидкого охолодження плазми.

Основним питанням, розв’язання якого дозволить здійснити керовані термоядерні реакції, є з’ясування умов, за яких високотемпературна плазма в магнітному полі належної конфігурації може зберегти стійкість. Розв'язання цього питання поряд з пошуками шляхів підвищення температури плазми є головним напрямом, в якому розвиваються дослідження керованих термоядерних реакцій.

Можливість реалізації термоядерної реакції зводиться до необхідності виконання двох вимог: наявності деякої мінімальної температури і певного обмеження для добутку концентрації n частинок у плазмі на час їх утримання в плазмі. Ці умови називаються критерієм Лоусона.

, –

, –

12.Сучасна класифікація елементарних частинок. Сучасна фізична картина світу.

Елементарними частинками називаються такі частинки, які не мають внутрішньої структури, що є простим з`єднанням інших стабільних частинок.

При взаємодії з іншими частинками і полями елементарна частинка веде себе як одне ціле. Елементарні частинки можуть перетворюватись одна в одну.

Елементарні частинки діляться на такі групи:

– Конец работы –

Эта тема принадлежит разделу:

РОЗДІЛ 1.Статистична фізика і термодинаміка

РОЗДІЛ Статистична фізика і термодинаміка... Тема Молекулярно кінетична теорія ідеального газу... Дослідне об рунтування молекулярно кінетичної теорії Дослідні закони ідеального газу...

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Реакція поділу важких ядер. Ланцюгові ядерні реакції. 10.Ядерна енергетика. Реакція ядерного поділу. Ланцюгова реакція поділу. Ядерний реактор

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Ізотермічний процес .
Діаграма цього процесу в координатах p, V є гіперболою. 1-3 – ізотермічний стиск, 1-2 – ізотермічне розширення (рис. 71). Робота газу при ізотермічному роз­шире

Паралельне з’єднання конденсаторів.
Щоб отримати велику електроємність, кілька конденсаторів з’єднують в батарею так, щоб всі позитивно заряджені обкладки мали один спільний електрод, а заряджені негативно – інший (рис. 143). Таке з’

Енергетичні зони в кристалах
Використовуючи рівняння Шредінгера, можна розглянути задачу про кристал, наприклад, знайти можливі значення енергії, а також відповідні енергетичні стани електронів та ядер. Рівняння Шр

Розподіл електронів по енергетичних зонах. Валентна зона і зона провідності. Метали, діелектрики і напівпровідники
Зонна теорія твердих тіл дозволила з єдиної точки зору пояснити існування металів, діелектриків і напівпровідників, пояснюючи відмінності в їх електричних властивостях неоднаковим заповненням елект

Власна провідність напівпровідників
Напівпровідниками є тверді тіла, які при Т=0 характеризуються повністю зайнятою електронами валентною зоною, відокремленою від зони провідності порівняно вузькою забороненою зоною. У приро

Домішкова провідність напівпровідників
Провідність напівпровідників, зу­мовлена домішками, називається домішковою провідністю, а самі напівпровідники – домішковими напівпровідниками. Домішками є атоми сторонніх елементів

Р-n перехід і його вольт-амперна характеристика
Границя контакту двох напівпро­відників, один з яких має електронну, а інший діркову провідність, називається електронно-дірковим переходом (або p-n переходом). Ці переходи маю

Магнітне поле прямолінійного провідника зі струмом.
Розглянемо прямий провідник довільної довжини, по якому проходить струм силою І, наприклад згори вниз (рис. 163). Відповідно до закону Біо-Са­вара-Лапласа вектор магнітної індукції по

Магнітне поле колового струму.
Знайдемо індукцію магнітного поля в центрі О, колового струму радіусом R, по якому протікає струм І (рис. 164): , , r=R. Тоді . Усі вектори магнітних полів, які створені в точці

Вихрове електричне поле.
Теорія Максвелла є теорією близькодії, згідно з якою електричні і магнітні взаємодії здійснюються за допомогою електричних і магнітних полів і у яких вони поширюються із скі

Смуги однакового нахилу
Явище інтерференції світла можна спостерігати при падінні світлового променя на плоско–паралельну пластинку. В цьому випадку інтерференція світла визначається товщиною , показником заломлення n

Смуги однакової товщини
Нехай на клин, кут між боковими гранями якого малий, падає плоска хвиля, напрямок поширення якої збігається з променями 1 і 2 (рис. 2.6). Напрямок поширення інтерферуючих х

Кільця Ньютона
Для утворення кілець Ньютона паралельний пучок світла направляють нормально на плоску поверхню BC з великим радіусом R кривизни плоскоопуклої лінзи, яка дотикається в точці

Дифракція Фраунгофера на одній щілині
Дифракція Фраунгофера – це дифракція плоских світлових хвиль, коли джерело світла і точка спостереження нескінченно віддалені від перешкоди, яку огинають хвилі. Для здійснення дифракції Фрау

Дифракція світла на дифракційній гратці
Розглянемо дифракцію світла, зумовлену дією дифракційної гратки. Дифракційна гратка – це система з великої кількості N однакових за шириною щілин і паралельних одна до одної, які

Каталог літератури.
Основна література:   1. Зачек «Загальна фізика», підручник для інженерів. Львів, «Львівська політехніка, . 2. І. Г. Богацька і ін. “Загальні

Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • Популярное
  • Облако тегов
  • Здесь
  • Временно
  • Пусто
Теги