Free Student HQ / FSHQ / "Штаб-Квартира свободного Студента"

Ядерная энергия

При перегруппировке, перестройке частиц, составляющих ядра атомов, и в ядерных реакциях выделяется энергия, которая называется ядерной энергией. Ядро атома состоит из протонов Z и нейтронов N, называемых нуклонами, в сумме они дают массовое число A, A = Z + N. Ядерные силы, удерживающие нуклоны внутри ядра, являются силами притяжения. Ядерные силы во много раз превышают все известные в природе типы взаимодействия (электромагнитное, слабое и гравитационное). Радиус действия ядерных сил приблизительно равен 10 13 см, при большем расстоянии меж¬ду частицами ядерное взаимодействие не проявляется. Радиус любого ядра приблизительно пропорционален А(1/3 степени), т. е. объем прямо пропорционален массовому числу. Таким образом, плотность ядра, равная отношению массы к объему, почти одинакова для всех ядер независимо от содержащегося в них количества протонов и нейтронов. Это означает, что силы притяжения, действующие между отдельными нуклонами в ядре, примерно одинаковы. Ядерные силы также обладают свойством зарядовой независимости, т. е. замещение протона на нейтрон (и наоборот) мало влияет на них.

Энергия связи нуклона в наиболее легких ядрах, как и в наиболее тяжелых, меньше, чем в ядрах со средними массовыми числами. Соединение двух или более легких ядер в процессе синтеза, как и в случае деления, приводит к высвобождению энергии.

Возможность осуществления термоядерной реакции (реакции синтеза) на Земле связывается с реакциями, в которых участвуют изотопы водорода — дейтерий и тритий. Все реакции синтеза связаны с необходимостью сближения реагирующих ядер на расстояние в радиусе действия ядерных сил, т. е. преодоления электростатического (кулоновского) барьера взаимного отталкивания ядер. Поэтому реакции синтеза могут идти лишь при достаточно большой относительной энергии сталкивающихся ядер. Эта энергия может сообщаться ядрам в некотором ускорителе либо в результате сильного разогрева в недрах звезд, при атомном взрыве или мощном газовом разряде.

Искусственные термоядерные реакции практически осуществлены с определенным эффектом пока лишь при взрывах термоядерных (водородных) бомб. Количество энергии, высвобождающейся при взрыве такой бомбы, сравнимо с энергией землетрясения или урагана. Управляемая термоядерная реакция, как и взрывная, может идти лишь при достаточно высокой температуре, однако должна протекать плавно и длительно. Рабочим веществом термоядерного реактора может служить высокотемпературная дейтериевая или дейтерий-тритиевая плазма с температурой в сотни миллионов градусов. При таких температурах вещество находится в состоянии полностью ионизированной плазмы, т.е. смеси ядер и электронов. Поскольку процесс синтеза ядер сопровождается большим энерговыделением, то при достаточно большой концентрации взаимодействующих ядер в принципе становится возможной самоподдерживающаяся термоядерная реакция, при которой тепловое движение реагирующих ядер поддерживается за счет энергии реакции, а реакция — за счет теплового движения.

Требуемая температура зависит от размеров реагирующей системы и концентрации ядер. Термоядерная реакция на Солнце идет при температуре 1,4 * 10(7) °С, в земных условиях термоядерная реакция взрывного характера (водородная бомба) может быть получена приблизительно при такой же температуре. В этом случае главная задача состоит в быстрейшем высвобождении энергии синтеза за время около 1 * 10(6) с. Решение проблем удержания плазмы, ее термоизоляции, создания необходимых размеров и плотности значительно упрощается. Взрыв водородной бомбы — это самоподдержива- ющаяся термоядерная реакция нестационарного характера.

Осуществление управляемой термоядерной реакции требует решения чрезвычайно сложных проблем, так как требуется нагреть до очень высокой температуры концентрированную дейтерий-тритиевую или дейтериевую плазму и поддерживать ее в таком состоянии в течение длительного времени внутри объема термоядерного реактора без контакта с его стенками. Для удержания плазмы без контакта со стенками реактора советскими учеными (1950 г.) и американскими учеными (1951 г.) был предложен метод концентрации плазмы при помощи магнитного поля. В последующие годы было создано много экспериментальных установок разного типа. Наибольший успех был достигнут благодаря использованию тороидальной магнитной ловушки с комбинированными магнитными полями (установки «Токамак»). Для создания действующей модели термоядерной электростанции необходима установка с объемом плазмы в несколько сот кубических метров.

Существуют и другие пути реализации реакции синтеза. Один из них — создание гибридного термоядерно-атомного реактора. В качестве одной из составных частей используется естественный уран. Быстрые нейтроны, рождающиеся в термоядерной реакции, будут вызывать деление ядер урана-238, что значительно увеличивает энерговыделение реактора. Предполагается, что атомная часть гибридного реактора обеспечит 75—80% энергии, а на долю термоядерной части придется 20—25%. Поэтому гибридный реактор может быть реализован при менее строгих требованиях к параметрам конструкции и плазмы.

Контролируемая термоядерная реакция, топливом для которой может служить неисчерпаемый запас дейтерия в Мировом океане, когда-нибудь станет реальностью. Однако на этом пути предстоит решить ряд проблем, касающихся в основном нагревания плазмы и поддержания ее в устойчивом состоянии в течение нужного периода времени.

Под делением ядра понимают распад возбужденного ядра на несколько (обычно 2, редко 3 и 4) сравнимых по массе ядер — осколков деления, сопровождающийся вылетом вторичных нейтронов деления, гамма-излучением и выделением значительного количества энергии. Энергетическая неустойчивость тяжелых ядер по отношению к делению определяется тем, что дефект массы для них меньше дефекта массы ядер элементов, расположенных в середине периодической системы. Ядра тяжелых элементов делятся под действием нейтронов, протонов, гамма-квантов и других ядерных частиц (вынужденное деление) или самопроизвольно (спонтанное деление). При Делении ядер нейтронами энергия возбуждения ядра при захвате нейтрона складывается из энергии связи нейтрона и его кинетической энергии. Деление является одним из видов распада возбужденного тяжелого ядра. Другие конкурирующие процессы — испускание гамма-кванта (радиационный захват нейтрона) или нейтрона (рассеяние).

Анализ изменений, происходящих в ядрах различного типа в результате бомбардировки нейтронами, показывает, что высвобождаемая энергия больше, если первоначальное ядро содержит четное число протонов и нечетное число нейтронов или нечетное число и тех и других, по сравнению с ядрами, содержащими нечетное число протонов и четное число нейтронов или четное число нуклонов обоего вида (при приблизительно равных массовых числах). Ядра первой группы будут делиться под действием медленных (тепловых) нейтронов, тогда как деление ядер второй группы должно происходить под действием быстрых нейтронов. Ядра урана-235, плутония-239 и урана-233 содержат четное число протонов и нечетное число нейтронов и делятся под действием медленных нейтронов. Так же ведут себя ядра (с нечетным числом нуклонов) протактиния-235, нептуния-236, нептуния-238 и америция-242. С другой стороны, для деления нептуния-237 (с нечетным числом протонов и четным числом нейтронов) и для деления тория-232 и урана-238 (ядер с четным числом нуклонов) необходимы быстрые нейтроны.

Преимущественная стабильность четно-четных ядер согласуется с требованиями принципа Паули, так как можно считать, что пара нейтронов и пара протонов образуют завершенную «подоболочку», это приводит к большей стабильности, чем в случав незавершенной «подоболочки» (ядра с нечетным числом нуклонов).

Основная часть энергии деления выделяется в виде кинетической энергии осколков, которые разлетаются под действием сил электростатического отталкивания. Суммарная кинетическая энергия осколков зависит от отношения их масс, причем достигает максимума при образовании осколков с замкнутыми оболочками Z= 50, N = 82. Распределение массы между осколками при делении ядер более тяжелых, чем радий, имеет двугорбый вид. Массовые числа осколков находятся в диапазоне 72—60. Около 97% ядер урана-235, испытывающих деление, образуют две группы осколков: «легкую» группу — с массовыми числами 85 — 104 и «тяжелую» группу — с массовыми числами 130—149. Наиболее вероятный тип процесса образует осколки с массовыми числами 95 и 139, т.е. деление урана-235 под действием медленных нейтронов является асимметричным. При делении под дей¬ствием нейтронов с энергией в несколько миллионов электрон-вольт симметричное деление более вероятно.

Отношение числа нейтронов к числу протонов в стабильных ядрах возрастает с увеличением массового числа. В конце периодической системы это отношение больше 1,5; в средней части, где расположены продукты деления, отношение числа нейтронов к числу протонов для стабильных ядер находится в пределах 1,28—1,4. Поэтому осколки переобогащены нейтронами и переходят в стабильные ядра, испуская вторичные нейтроны и бета-частицы. Число последовательных бета-распадов для осколков «легкой» и «тяжелой» групп приблизительно одинаково (2—4).

Вылет при делении вторичных нейтронов в количестве, превышающем число поглощенных, сделал принципиально возможным осуществление цепной ядерной реакции. Большая часть вторичных нейтронов испускается из сильно возбужденных осколков при разлете, т.е. после их фактического отделения друг от друга. Общее число испускаемых нейтронов растет с увеличением энергии возбуждения исходного ядра. Среднее число нейтронов, образующихся при делении ядра урана-235, составляет 2,42, плутония-239 — 2,89, урана-233 — 2,5, плутония-241 — 3,03. Более 99 % нейтронов, образующихся при делении, высвобождается в течение 1 * 10(12) с после акта деления (мгновенные нейтроны). Около 0,7% нейтронов, сопровождающих деление урана-235 под действием медленных нейтронов, составляют запаздывающие нейтроны, появляющиеся спустя некоторое время (до нескольких минут) после деления. Механизм испускания запаздывающих нейтронов связан с бета-распадом осколков. Запаздывающие нейтроны появляются в тех случаях, когда ядро осколка после радиоактивного распада остается в возбужденном состоянии с энергией, превышающей энергию связи нейтрона. Это относится к ядрам со сравнительно слабо связанными нейтронами (криптон-87, ксенон-137 и т. д.). Энергия запаздывающих нейтронов составляет несколько сот кило-электрон-вольт. Существует шесть групп запаздывающих нейтронов, каждая из которых характеризуется средним временем жизни нейтроноактивных осколков. Запаздывающие нейтроны существенно облегчают управление ядерными реакторами.

Деление ядер сопровождается высвобождением очень большого количества энергии, эквивалентного разности масс взаимодействующих частиц и конечных продуктов. Большую часть энергии деления составляет кинетическая энергия осколков. Распределение энергии деления, МэВ Кинетическая энергия: осколков ~ 166,2; вторичных нейтронов ~ 4,8; Гамма-излучение ~ 8,0; Радиоактивный распад осколков ~ 23,8; Итого ~ 202,8.

Начальная скорость первичных осколков составляет 1 * 10(9) см/с для самых легких ядер и несколько меньше для тяжелых. Благодаря такой скорости осколки имеют значительную проникающую способность, несмотря на большую массу (напр, пробег в воздухе 1,9—2,5 см). Высвобождающиеся в процессе деления нейтроны и гамма-излучение, а также бета-частицы, которые образуются при последующем бета-распаде осколков, имеют гораздо большую проникающую способность. Первичные осколки деления перегружены нейтронами и поэтому являются отрицательными бета-излучателями. Каждый осколок порождает ряд радиоактивных распадов с последовательным испусканием бета-частиц (в среднем на цепочку распада приходится около трех ступеней). Установлено свыше 60 цепочек распада, содержащих более 200 различных радиоактивных изотопов. При делении урана образуется много радиоактивных изотопов, которые невозможно получить другими способами.

Самоподдерживающиеся цепные ядерные реакции деления тяжелых ядер служат эффективным источником получения ядсрной энергии. Как и всякие разветвленные цепные реакции, ядерные цепные реакции являются экзотермическими, причем выделяется весьма значительное количество энергии. Процесс деления происходит не при каждом захвате нейтрона ядром делящегося изотопа (часть захватов приводит к образованию более тяжелого изотопа).

Характеристикой развития цепной реакции служит коэффициент размножения нейтронов К, определяемый как отношение числа нейтронов какого-либо одного поколения к числу нейтронов в поколении, непосредственно ему предшествовавшем. Са- моподдерживающийся цепной процесс возможен лишь при К > 1. Системы, в которых К = 1, называются критическими, системы с К < 1 — подкритическими, системы с К > 1 — сверхкритическими. Величина К зависит от изотопного состава, массы, размеров и формы системы, в которой осуществляется цепная реакция.

Процессы деления ядер нейтронами характеризуют сечениями деления, которые зависят от энергии нейтронов, причем в этой зависимости проявляется резонансная структура, соответствующая уровням энергии делящегося ядра. Это справедливо для урана-235, урана-233, плутония-239, которые делятся нейтронами любой энергии начиная с нуля. Деление урана-238, тория-232 происходит только под действием быстрых нейтронов, энергия которых превышает порог деления. Сечения на тепловых нейтронах в несколько сот раз превышают сечения деления на быстрых нейтронах.

Природная смесь изотопов урана содержит 99,28 % урана-238 и 0,71 % урана-235 и всегда имеет коэффициент размножения меньше единицы при любой ее форме и размерах. Преобладающим типом взаимодействия нейтронов в естественном уране является неупругое рассеяние ядрами урана-238, при котором энергия нейтронов становится ниже порога деления урана-238 (около 1 МэВ). В дальнейшем происходит радиационный захват нейтронов ядрами урана-238.

 

 

Сайт создан в 2012 г. © Все права на материалы сайта принадлежат его автору!
Копирование любых материалов сайта возможно только с разрешения автора и при указании ссылки на первоисточник.
Яндекс.Метрика