Что называют ядерной реакцией. Правила написания.

1. Ядерной реакцией называют взаимодействие элементарной частицы с ядром, приводящее к превращению этого ядра в новое ядро с выделением вторичных элементарных частиц и (или) γ-квантов.
Ядерная реакция – это фактически внедрение элементарных частиц или лёгких ядер в ядро-мишень. Проблема осуществления ядерной реакции в кулоновском отталкивании положительно заряженных частиц (протон, альфа-частица) и ядра, которые необходимо сблизить до зоны действия ядерных сил (следует помнить, что ядерные силы – короткодействующие).
Первая ядерная реакция была проведена Резерфордом в 1919 г. с использованием альфа-частиц, энергия которых достаточна для сближения с ядрами некоторых химических элементов. В этой реакции при бомбардировании ядер азота альфа-частицами образовывался кислород и протоны (водород):

В 1934г . Ферми применил нейтроны для бомбардировки атомов. Метод оказался более эффективным, поскольку нейтрон не обладает зарядом и беспрепятственно проникает в ядро. Правда ядро «охотнее» взаимодействует с медленными (тепловыми) нейтронами с энергиями в десятки эВ и их приходилось замедлять. В реакции Ферми из алюминия, который бомбардировался нейтронами, получался неустойчивый изотоп Al(28), который был либо альфа-радиактивен, либо бета-радиоактивен. В первом случае алюминий превращался в натрий, во втором – в кремний:


Не сложно догадаться, что распад неустойчивых ядер тоже ядерная реакция.
Для написания ядерной реакции необходимо применять правила смещения Содди (альфа- и бета-распад) и следующие два правила:
- алгебраическая сумма зарядовых чисел слева и справа от знака равенства должны быть равны;
- сумма массовых чисел исходных продуктов должна быть равна сумме массовых чисел конечных продуктов.

2. Ядерные реакции могут классифицироваться по типу бомбардирующих частиц (нейтроны, протоны, альфа-частицы, дейтроны, гамма-кванты и др.), а также по характеру протекания (самопроизвольные, принудительные, деления). За основу классификации может быть и взята энергетическая составляющая (с поглощением или выделением энергии).

Выше были рассмотрены примеры ядерных реакций на альфа-частицах и на нейтронах. Рассмотрим реакцию на быстрых протонах (быстрые протоны получают в кольцевых ускорителях – циклотронах, фазотронах, синхрофазотронах и т.д.):

3. Энергетическим выходом ядерной реакции называется разность энергий покоя ядер и частиц до реакции и после реакции.

Q = (MA + MB – MC – MD)c2 = ΔMc2.

где MA и MB – массы исходных продуктов, MC и MD – массы конечных продуктов реакции

Поскольку мерой энергии является масса (Е = mc2), то разность энергий равносильна разности масс (дефект массы).
Если Δm < 0, то реакция эндотермическая – требуется подвод энергии извне, если Δm > 0, то реакция экзотермическая – энергия выделяется (кинетическая энергия частиц и ядер, электромагнитная – энергия квантов).

Для того чтобы ядерная реакция имела положительный энергетический выход, удельная энергия связи нуклонов в ядрах исходных продуктов должна быть меньше удельной энергии связи нуклонов в ядрах конечных продуктов. Это означает, что величина ΔM должна быть положительной.

4.В 1920 г. Резерфорд предположил, что кроме протона в ядре должна находиться и нейтральная частица с почти такой же массой. В 1930 г Боте и Беккер облучали бериллий альфа-частицами и обнаружили излучение высокой проникающей способности. Это излучение выбивало протоны высоких энергий из водородсодержащих соединений (парафин). Вначале предположили, что это гамма-излучение, однако расчёты показали, что энергия квантов получается фантастически большой. И в 1932 г. Джеймс Чедвик правильно квалифицировал эти частицы как нейтроны.

5. В 1938 г. Отто Ганн и Фриц Штрассман установили, что при бомбардировке атомов урана нейтронами возникают элементы средней части таблицы Менделеева – барий (56), криптон (36) и др.
В 1939 г. Отто Фриш и Лиза Мейтнер квалифицировали этот факт делением ядра урана, захватившего ядро.
В 1940 г. Г.Н. Флёров и К.А. Петржак открыли спонтанное деление ядер урана с периодом полураспада 1016 лет.
Уран в природе представлен двумя изотопами: уран (238) и уран (235). Оба изотопа могут участвовать в реакции деления, но уран (235) делится при взаимодействии с медленными (тепловыми) нейтронами, а уран (238) делится под воздействием быстрых нейтронов (с энергией 1 МэВ), причём вероятность деления не более 20%. Практический интерес представляет реакция деления урана (235) медленными нейтронами. В этой реакции выделяется около 200 МэВ энергии на один акт деления и 2 – 3 нейтрона, которые после замедления тоже могут вызвать деление других ядер. Две типичные реакции деления имеют вид:


Продуктами деления ядер урана-235 могут быть и другие изотопы бария, ксенона, стронция, рубидия и т. д.

Осколки реакции оказываются перегруженными нейтронами и являются радиоактивными изотопами, испытывая затем серию альфа- и бета-распадов.
Огромная выделяющаяся энергия деления объясняется тем, что энергия связи осколков оказывается больше, чем энергия связи ядра урана. При полном делении 1 г урана выделяется такая же энергия, как при сжигании 3 т угля, или 2,5 т нефти.
Для объяснения механизма деления ядра Бор предложил капельную модель, согласно которой при попадании в ядро нейтрона, оно приходит в сложное возбуждённое состояние, что и приводит к его делению.

6. При благоприятных условиях все нейтроны, образовавшиеся в акте деления также вступают в реакцию деления и число нейтронов (и актов деления соответственно) нарастает лавинообразно. При этом выделяется огромная энергия в виде взрыва. Такая реакция называется цепной ядерной реакцией.
Для её осуществления необходимо, чтобы коэффициент размножения нейтронов (отношение числа нейтронов, возникших в некотором звене реакции, к числу таких нейтронов в предыдущем звене) был больше единицы (в этом случае число нейтронов в каждом последующем поколении будет больше, чем в предыдущем и процесс нарастания актов деления будет происходить лавинообразно). Коэффициент размножения нейтронов зависит от многих факторов: например, нейтроны могут захватываться различными примесями, не имея возможности в дальнейшем участвовать в акте деления, или выбывать из зоны реакции, не успев провзаимодействовать ни с одним ядром (в этом случае говорят о некоторой критической массе, меньше которой цепная реакция не развивается).

Таким образом, для осуществления цепной реакции необходимо вещество, ядра которого способны к делению нейтронами (уран-235, плутон-239), отсутствие примесей и масса больше критической.

7. Наиболее просто все условия выполняются в атомной бомбе, для взрыва которой необходимо быстро соединить два куска делящегося вещества докритической массы, что осуществляется взрывом обычной взрывчатки.

 

8.Устройство, в котором поддерживается управляемая реакция деления ядер, называется ядерным (или атомным) реактором. Схема ядерного реактора на медленных нейтронах приведена на рис.

 

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 33%. 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.

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 урана (235). 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.

9. Термоядерные реакции. Второй путь освобождения ядерной энергии связан с реакциями синтеза. При слиянии легких ядер и образовании нового ядра должно выделяться большое количество энергии. Это видно из кривой зависимости удельной энергии связи от массового числа A (рис. 6.6.1). Вплоть до ядер с массовым числом около 60 удельная энергия связи нуклонов растет с увеличением A. Поэтому синтез любого ядра с A < 60 из более легких ядер должен сопровождаться выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза будет в этом случае меньше массы первоначальных частиц.

Реакции слияния легких ядер носят название термоядерных реакций, так как они могут протекать только при очень высоких температурах. Чтобы два ядра вступили в реакцию синтеза, они должны сблизится на расстояние действия ядерных сил порядка 2·10–15 м, преодолев электрическое отталкивание их положительных зарядов. Для этого средняя кинетическая энергия теплового движения молекул должна превосходить потенциальную энергию кулоновского взаимодействия. Расчет необходимой для этого температуры T приводит к величине порядка 108–109 К. Это чрезвычайно высокая температура. При такой температуре вещество находится в полностью ионизированном состоянии, которое называется плазмой.

Энергия, которая выделяется при термоядерных реакциях, в расчете на один нуклон в несколько раз превышает удельную энергию, выделяющуюся в цепных реакциях деления ядер. Так, например, в реакции слияния ядер дейтерия и трития

 

выделяется 3,5 МэВ/нуклон. В целом в этой реакции выделяется 17,6 МэВ. Это одна из наиболее перспективных термоядерных реакций.

Осуществление управляемых термоядерных реакций даст человечеству новый экологически чистый и практически неисчерпаемый источник энергии. Однако получение сверхвысоких температур и удержание плазмы, нагретой до миллиарда градусов, представляет собой труднейшую научно-техническую задачу на пути осуществления управляемого термоядерного синтеза.

На данном этапе развития науки и техники удалось осуществить только неуправляемую реакцию синтеза в водородной бомбе. Высокая температура, необходимая для ядерного синтеза, достигается здесь с помощью взрыва обычной урановой или плутониевой бомбы.

Термоядерные реакции играют чрезвычайно важную роль в эволюции Вселенной. Энергия излучения Солнца и звезд имеет термоядерное происхождение.

<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Ядерные реакции и их основные типы | Железнодорожный холодильный транспорт


Дата добавления: 2021-01-11; просмотров: 515; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ


Поиск по сайту:

Воспользовавшись поиском можно найти нужную информацию на сайте.

Поделитесь с друзьями:

Считаете данную информацию полезной, тогда расскажите друзьям в соц. сетях.
Poznayka.org - Познайка.Орг - 2016-2021 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей. | Обратная связь
Генерация страницы за: 0.039 сек.