«Ядерные превращения. Деления Ядер»
| Вид материала | Документы |
СодержаниеГлава 6. Энергия деления ядер Глава 7. Применение деления ядер. Характеристики делящихся изотопов Список литературы |
- «Ядерные превращения. Деление ядер», 365.76kb.
- Исследования деления ядер урана и плутония при низких энергиях возбуждения. 01. 04., 549.02kb.
- Активный счетчик нейтронных совпадений, 57.77kb.
- И наименование занятия, 108.9kb.
- «Ядерная энергетика», 139.14kb.
- Программа курса (специальность Экология) физика, 79.76kb.
- Экологические, радиологические и медицинские последствия аварии на Чернобыльской аэс,, 592.27kb.
- Программа Государственного экзамена по подготовке магистра по направлению «Физика ядра, 32.88kb.
- Лекция 1 Углеводы, липиды, минеральные вещества, 68.17kb.
- А. В. Ремнев Омский государственный университет, 489.1kb.
Глава 6. Энергия деления ядерДеления ядер - это ядерная реакция, в которой атомное ядро при бомбардировке нейтронами расщепляется на два или несколько осколков. Полная масса осколков обычно меньше суммы масс исходного ядра и бомбардирующего нейтрона. «Недостающая масса» m превращается в энергию E в соответствии с формулой Эйнштейна E = mc2, где c – скорость света. Поскольку скорость света очень велика (299 792 458 м/с), небольшой массе соответствует огромная энергия. Эту энергию можно преобразовать в электричество. Энергия, выделяющаяся при делении ядер, превращается в теплоту при торможении осколков деления. Скорость тепловыделения зависит от числа ядер, делящихся в единицу времени. Когда в небольшом объеме за короткое время происходит деление большого числа ядер, то реакция имеет характер взрыва. Таков принцип действия атомной бомбы. Если же сравнительно небольшое число ядер делится в большом объеме в течение более длительного времени, то результатом будет выделение теплоты, которую можно использовать. На этом основаны атомные электростанции. На атомных электростанциях теплота, выделяющаяся в ядерных реакторах в результате деления ядер, используется для производства пара, который подается на турбины, вращающие электрогенераторы. Для практического использования процессов деления больше всего подходят уран и плутоний. У них имеются изотопы (атомы данного элемента с различными массовыми числами), которые делятся при поглощении нейтронов даже с очень небольшими энергиями. Энергия, высвобождаемая при делении ядер, в миллионы раз превышает энергию, выделяющуюся в таких химических процессах, как горение. Кроме того, полное количество энергии, которое можно извлечь за счет деления, гораздо больше энергии, которую можно получить в результате сжигания всех мировых запасов обычного топлива, такого, как уголь и нефть. В некоторых регионах, где уголь и нефть обходятся относительно дорого, стоимость электроэнергии, полученной за счет деления ядер, ниже, чем при сжигании ископаемого топлива. Этот экономический фактор наряду с доступностью больших запасов ядерного топлива привел к быстрому росту энергетики, основанной на делении ядер. Ядерные реакторы деления вносят значительный вклад в мировое производство электроэнергии. В середине 1980-х годов во всем мире работало более 500 атомных электростанций. В некоторых странах (например, во Франции) они обеспечивают более половины национального потребления электроэнергии. В США в конце века примерно 150 реакторов деления производили ок. 15% электроэнергии, потребляемой в стране. Рассмотрим энергетический баланс реакции деления. Пусть Eнач = 0.025 эВ - средняя энергия теплового движения при 200 С. Тогда Eвыдел= 200 МэВ. Таблица 2.
Ключом к практическому использованию энергии деления является то обстоятельство, что некоторые элементы испускают нейтроны в процессе деления. Хотя при делении ядра один нейтрон поглощается, эта потеря восполняется благодаря возникновению новых нейтронов в процессе деления. Если устройство, в котором происходит деление, обладает достаточно большой («критической») массой, то за счет новых нейтронов может поддерживаться «цепная реакция». Цепной реакцией можно управлять, регулируя число нейтронов, способных вызывать деление. Если оно больше единицы, то интенсивность деления увеличивается, а если меньше единицы – уменьшается. Глава 7. Применение деления ядер.Уран встречается в природе в виде двух изотопов:  (99,3 %) и  (0,7 %). При бомбардировке нейтронами ядра обоих изотопов могут расщепляться на два осколка. При этом реакция деления наиболее интенсивно идет на медленных (тепловых) нейтронах, в то время как ядра вступают в реакцию деления только с быстрыми нейтронами с энергией порядка 1 МэВ.Основной интерес для ядерной энергетики представляет реакция деления ядра  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:
Обратим 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 выделяющейся при делении ядра энергии можно сделать с помощью понятия удельной энергии связи нуклонов в ядре. 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. Продукты деления ядра урана нестабильны, так как в них содержится значительное избыточное число нейтронов. 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 рисунке 5.
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 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 таблице 3 даны основные характеристики трех замедлителей нейтронов: значения сечений захвата тепловых нейтронов и длины замедления L нейтронов в замедлителе (L - тот путь, который проходят нейтроны в замедлителе от средних кинетических энергий, с которыми они рождаются в процессе деления, до энергий теплового движения).
В атомных бомбах цепная неуправляемая ядерная реакция возникает при быстром соединении двух кусков урана-235, каждый из которых имеет массу несколько ниже критической. Устройство, в котором поддерживается управляемая реакция деления ядер, называется ядерным (или атомным) реактором. Схема ядерного реактора на медленных нейтронах приведена на рисунке 6.
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, который направляется в турбину, соединенную с электрогенератором, а из турбины 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 1/3. 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. В приводимой ниже таблице представлены основные параметры делящихся изотопов. Полное сечение характеризует вероятность взаимодействия любого типа между нейтроном и данным ядром. Сечение деления характеризует вероятность деления ядра нейтроном. От того, какая доля ядер не участвует в процессе деления, зависит выход энергии на один поглощенный нейтрон. Число нейтронов, испускаемых в одном акте деления, важно с точки зрения поддержания цепной реакции. Число новых нейтронов, приходящихся на один поглощенный нейтрон, важно, поскольку характеризует интенсивность деления. Доля запаздывающих нейтронов, испускаемых после того, как деление произошло, связана с энергией, запасенной в данном материале. Таблица 4.
Данные таблицы 4 показывают, что каждый делящийся изотоп имеет свои преимущества. Например, в случае изотопа с наибольшим сечением для тепловых нейтронов (с энергией 0,025 эВ) нужно меньше топлива для достижения критической массы при использовании замедлителя нейтронов. Поскольку наибольшее число нейтронов на один поглощенный нейтрон возникает в плутониевом реакторе на быстрых нейтронах (1 МэВ), в режиме воспроизводства лучше использовать плутоний в быстром реакторе или уран-233 в тепловом реакторе, чем уран-235 в реакторе на тепловых нейтронах. Уран-235 более предпочтителен с точки зрения простоты управления, поскольку у него больше доля запаздывающих нейтронов. Наряду с 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 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. Деление ядер — мощный источник энергии, которое человечество использует в больших масштабах уже более 50 лет. Применение свойства деления, которое заключается в том, что при определённых условиях реакция деления может быть цепной, привело к созданию ядерных реакторов, использующих управляемую цепную реакцию для различных целей, и ядерного оружия, использующего неуправляемую цепную реакцию. Наряду с термоядерным, ядерное оружие является самым сокрушительным видом вооружений. Крупнейшими международными организациями в области использования атомной энергии являются МАГАТЭ и ВАО АЭС. В силу ряда исторических причин создание актуальных и полных баз и банков данных в области ядерной физики началось очень давно под эгидой Международного Агентства по Атомной Энергии (МАГАТЭ). Базы ядерных данных, описывающие как свойства самих атомных ядер, так и характеристики ядерных процессов - ядерных реакций и радиоактивных распадов – в которых ядра превращаются друг в друга, имеют значительный объем и сложное строение. Это было связано с установлением в мире режима нераспространения ядерного оружия и возникшей вследствие этого необходимостью обеспечения прямого доступа к научной информации по ядерной физике «неядерным» государствам. В результате, в 60-е годы, когда во всем мире начался информационный бум, начало резко нарастать общее количество информации и стали развиваться новые информационные технологии, ядерная физика оказалась едва ли не самой передовой и подготовленной в этом отношении областью знаний. В настоящее время большое число центров и групп из разных стран - Австрии, Китая, Кореи, России, Словакии, США, Украины, Франции, Швеции, Японии и др. - сотрудничают под руководством МАГАТЭ в деятельности по созданию, поддержанию и постоянному пополнению самых разных электронных библиотек, баз и банков ядерных данных. В последнее время свободный доступ к ним обеспечивается для пользователей с помощью Интернет.  Рисунок 7. Главная страница Web-сайта Международной сети Центров данных по ядерным реакция МАГАТЭ. Указаны основные и специализированные Центры сети. Более 50 лет назад МАГАТЭ образовало сотрудничество Центров ядерных данных, которое первоначально образовали 4 головных организации – Секция ядерных данных МАГАТЭ, Национальный центр ядерных данных (Брукхэвенская Национальная лаборатория) США, Банк данных Агентства по атомной энергии Франции и Центр ядерных данных (Физико-энергетический институт, город Обнинск, Россия), Их основные интересы были направлены на подготовку данных по ядерным реакциям под действием нейтронов с целью решения задач атомной и ядерной энергетики. Впоследствии к ним присоединилось еще несколько Центров и групп ядерных данных из Венгрии, Китая, Кореи, России, Украины, Японии, а в круг интересов были включены данные по ядерным реакциям под действием заряженных частиц и тяжелых ионов. Около 20 лет назад по инициативе Секции ядерных данных МАГАТЭ в НИИЯФ МГУ был организован Центр данных фотоядерных экспериментов (ЦДФЭ). В настоящее время ЦДФЭ - участник широкой международной Сети Центров ядерных данных . Основными задачами участников сети (в том числе и ЦДФЭ, ответственного за данные по реакциям под действием фотонов) является создание полных (репрезентативных) баз данных (БД) по характеристикам ядерных реакций и свойствам атомных ядер и их эффективное использование для решения широкого класса задач фундаментальных и прикладных исследований, в частности для разработки различных практических приложений. Для решения таких задач Центры согласованно:
ЗаключениеРазвитие знаний и представлений об окружающем мире шло и идет от открытия одного класса многообразий структурных объектов к другому, более сложному для восприятия на данном историческом этапе. От атомов неразрезаемых - к атому в виде некоторой системы, структурными элементами которой являются электроны оболочки и центральное (неделимое) ядро. Затем вскрывается нуклонная структура ядра, а в дальнейшем - и структура самих нуклонов. И каждый раз человеческий разум ищет то внутреннее единство, которое позволяет охватить новое многообразие. Некоторое время назад казалось, что достаточно будет трех кварков, чтобы построить все остальное. Но открываются новые составляющие и идея малого числа фундаментальных основ не подтверждается. В истории человечества не было научного события, более выдающегося по своим последствиям, чем открытие деления ядер урана и овладения ядерной энергией. Человек получил в свое распоряжение огромную, ни с чем не сравнимую силу, новый могучий источник энергии, заложенный в ядрах атомов. Список литературы:
svet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/ATOMNOGO_YADRA_STROENIE.html, 2009 год
org
Москва 2011 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
