Цепная реакция может возникать также при делении искусственных изотопов .
Из природных изотопов урана только ядро способно к делению, а наиболее распространенный изотоп поглощает нейтрон и превращается в плутоний по схеме:
Плутоний-239 по своим свойствам схож с ураном-235.
Деление ядра происходит под действием медленных (тепловых) нейтронов с энергией порядка 0.1эВ. Эффективность воздействия таких нейтронов связана с большим временем их взаимодействия с ядром из-за малой скорости относительного движения.
Для деления ядер , наиболее часто встречающего в природе изотопа (99.275% природного урана), требуются быстрые нейтроны с энергией превышающей 1 МэВ.
Скорость цепной реакции деления ядер характеризуется коэффициентом размножения нейтронов.
Коэффициент размножения нейтронов – отношение числа нейтронов в данном поколении цепной реакции к их числу в предыдущем поколении:
k =
где Ni,Ni-1 – число нейтронов в i и i-1 поколениях
Необходимое условие для развития цепной самоподдерживающейся реакции k ≥ 1
При k = 1 реакция протекает стационарно, число нейтронов сохраняется неизменным.
При k > 1 реакция не стационарна, число нейтронов лавинообразно нарастает.
Коэффициент размножения нейтронов характеризует то, как будет протекать реакция. Если он более единицы, то с каждым делением количество нейтронов возрастает, уран нагревается до температуры в несколько миллионов градусов, и происходит ядерный взрыв.
При коэффициенте деления меньшем единицы реакция затухает.
При единице – поддерживается на постоянном уровне, что используется в ядерных реакторах.
Число нейтронов, образующихся при делении ядер, зависит от объема вещества. Начиная с некоторого минимального объема урана реакция деления ядер становится самоподдерживающейся (k = 1). Это количество урана называют критической массой.
Самоподдерживающаяся реакция деления ядер возникает, если за время пролета нейтроном среды с линейным размером l успевает образовываться новый нейтрон в результате реакции деления.
За время пролета среды первичный нейтрон столкнется только с теми ядрами радиуса R, центры которых находятся в пределах цилиндра с площадью поперечного сечения πR2 и длиной образующей l. Объем этого цилиндра V = πR2 l
Зная концентрацию ядер nя, найдем число ядер с объеме V, равное числу столкновений нейтрона с ядрами в единицу времени:
vc = nя V = nя πR2 l
Каждое столкновение приводит к образованию вторичного нейтрона.
Самоподдерживающаяся реакция возникает при условии vc = 1.
nя = = NA ≈ 4.8*1028м-3
где ρ = 18.7*103 кг/м3 – плотность урана
M = 235*10-3кг/моль – молярная масса урана
NA – число Авогадро
R ≈ 7.4*10-15м – радиус ядра урана
Следовательно, минимальный критический размер активной зоны (в которой протекает цепная реакция):
l = ≈ 0.12 м
Считая, что активная зона имеет форму куба со стороной l, можно оценить критическую массу:
mкр = ρl3 ≈ 33.2 кг
Более точный расчет дает значение критической массы урана:
mкр = 47 кг
Значение критической массы зависит от формы, структуры и внешнего окружения активной зоны.
Если уран прослоен полиэтиленовыми пленками, замедляющими выход нейтронов из активной зоны, и окружен бериллиевой оболочкой, мешающей вылету электронов наружу, критическая масса уменьшается до сотен граммов.
СИНТЕЗ ЯДЕР(уч.11кл.стр.378-383)
Термоядерные реакции
Энергия термоядерных реакций
Термоядерный синтез
Управляемый термоядерный синтез
Неуправляемый термоядерный синтез. Водородная бомба
Энергия в ядерных реакциях выделяется не только за счет деления тяжелых ядер, но и за счет соединения легких. Выделяющаяся энергия оказывается наибольшей при слиянии ядер легких элементов, обладающих минимальной энергией связи.
Примером термоядерной реакции служит синтез гелия из дейтерия и трития:
или
Выделяемая энергия равна разности связи тяжелого ядра и двух легких ядер (17.6МэВ)
Образующийся при реакции нейтрон приобретает 70% этой энергии.
Сравнение энергий, приходящихся на один нуклон, в реакциях деления (0.9МэВ) и синтеза (17.6МэВ) показывает, что реакция синтеза легких ядер энергетически более выгодна, чем реакция деления тяжелых.
Слияние ядер происходит под действием сил ядерного притяжения. Поэтому они должны сблизиться на расстояние меньшее 10-14м, на которых действуют ядерные силы. Этому сближению препятствует кулоновское отталкивание заряженных ядер. Для его преодоления ядра должны обладать кинетической энергией, превышающей потенциальную энергию их кулоновского отталкивания, что возможно при температуре плазмы около 107-108оК.
Управляемая термоядерная реакция возможна при нагревании вещества до соответствующей температуры путем пропускания электрического тока или с помощью лазера.
Оценим потенциальную энергию взаимодействия ядер дейтерия и трития, имеющих заряд +е и сблизившихся на расстояние r = 10-14м:
W = k = 9*109* ≈ 2.3*10-14Дж = 0.14МэВ
Средняя кинетическая энергия ядер определяется температурой:
= kT
Преодолеть кулоновское отталкивание смогут лишь ядра с кинетической энергией:
≥ W
или температурой:
T ≥ ≈ 109K
Реакции слияния легких ядер могут протекать лишь при температурах порядка нескольких миллионов градусов и потому называются термоядерными ( лат. therme – тепло)
Термоядерный синтез - реакция, в которой при высокой температуре, большей 107К, из легких ядер синтезируются более тяжелые.
Термоядерный синтез – источник энергии всех звезд и солнца. Основным процессом в звездах является превращение водорода в гелий.
Большую кинетическую энергию, необходимую для термоядерного синтеза, ядра водорода получают в результате гравитационного притяжения к центру звезды.
Управляемый термоядерный синтез
УТС представляет практически неисчерпаемый источник энергии.
Дейтерий, необходимый для наиболее эффективной реакции, содержится в морской воде в виде молекул H20, D20. Тритий можно получать в ядерном реакторе в результате облучения жидкого лития, запасы которого огромны, нейтронами:
Важнейшее преимущество УТС то, что в отличие от реакций деления тяжелых ядер, при синтезе не образуются радиоактивные отходы.
При нагревании газа до температур порядка 107К атомы водорода ионизуются. Это позволяет сообщать ионам плазма достаточную кинетическую энергию за счет ускоряющего электрического поля.
Удержание высокотемпературной плазмы в замкнутом объеме возможно в магнитном поле.
При движении заряженных частиц в цилиндрическом объеме плазмы возникает электрический ток. Вокруг тока возникает магнитное поле, линии индукции которого представляют концентрические окружности. На ток со стороны магнитного поля действует сила Ампера, сжимающая плазму и удерживающая ее в цилиндрическом объеме.
Из-за неоднородности магнитного поля силы сжатия плазмы оказываются различными в различных сечениях разряда. Поэтому нарушается конфигурация плазменного столба и разряд становится неустойчивым. Для уменьшения пространственной неоднородности разряда российские физики А.Д.Сахаров и И.Е.Тамм предложили применять плазменную конфигурацию в виде бублика (тора), что и используется на установке УТС «Токамак», где удалось нагреть плазму до 1.3*107К.
Удержать возникающую плазму в течении необходимого для поддержания термоядерной реакции времени пока не удается.
Неуправляемый термоядерный синтез. Водородная бомба
Осуществлен при взрыве водородной бомбы.
Термоядерным зарядом является твердое вещество дейтерий лития LiD. В его состав помимо дейтерия входит изотоп лития . В качестве запала используется атомная бомба.
Сначала происходит атомный взрыв, сопровождающийся резким ростом температуры и возникновением мощного потока нейтронов. В результате реакции нейтронов с изотопом лития образуется тритий:
Наличие дейтерия и трития при высокой температуре инициирует термоядерную реакцию, которая дает основное выделение энергии при взрыве.
или
Если корпус бомбы изготовлен из природного урана , то быстрые нейтроны (уносящие 70% энергии, выделяющейся при термоядерной реакции) вызывают цепную неуправляемую реакцию деления урана. Возникает третья фаза взрыва водородной бомбы.
Первая водородная бомба испытана в СССР в 1953 году.
Термоядерный взрыв 20Мт уничтожает все живое на расстоянии до 140 км от эпицентра.
ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ
Ядерной реакцией называется превращение исходного атомного ядра при взаимодействии с какой-либо частицей в другое, отличное от исходного.
В результате ядерной реакции могут испускаться частицы или γ-кванты.
Ядерные реакции бывают двух видов – для осуществления одних надо затратить энергию, при других происходит выделение энергии.
Освобождающаяся энергия называется выходом ядерной реакции.
При ядерных реакциях выполняются все законы сохранения.
Закон сохранения момента импульса принимает форму закона сохранения спина.
Использую закон взаимосвязи массы и энергии, можно по разности масс частиц, вступающих в реакцию , и масс частиц, являющихся продуктами ядерной реакции, найти изменение энергии системы частиц (E0 = mc2)
Если сумма масс исходного ядра и частиц, вступивших в ядерную реакцию, больше суммы масс ядра-продукта и испускаемых частиц, т.е разность масс положительна, то энергия выделяется.
Отрицательный знак разности масс свидетельствует о поглощении энергии.
Цепные ядерные реакции
Частицами, способными к осуществлению цепных реакций, оказались нейтроны. Если создать условия, при которых вторичные нейтроны не вылетают из массы урана, а вызывает другие акты деления, то число разделившихся ядер растет по закону геометрической прогрессии. В результате можно реализовать цепную ядерную реакцию. Минимальная масса урана, достаточная для осуществления цепной реакции, называется критической массой.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98
