Физика (лучшее)
[pic], рассчитываемая по формуле [pic], где с —
скорость света в вакууме. После образования ядро обладает энергией [pic].
Здесь М— масса ядра. Измерения показывают, что масса покоя ядра всегда
меньше, чем масса покоя частиц в свободном состоянии, составляющих данное
ядро. Разность этих масс называют дефектом массы. Поэтому при образовании
ядра происходит выделение энергии [pic]. Из закона сохранения энергии можно
заключить, что такая же энергия должна быть затрачена на расщепление ядра
на протоны и нейтроны. Поэтому энергия связи [pic] равна [pic]. Если ядро с
массой М образовано из Z протонов с массой [pic] И из N = А - Z нейтронов
с массой [pic], то дефект массы равен [pic]
C учетом этого энергия связи находится по формуле:
[pic]
Об устойчивости ядер судят по средней энергии [pic] связи, приходящейся на
один нуклон ядра, которая называется удельной энергией связи. Она равна
[pic]
На рис.91.1 показана зависимость удельной энергии связи от массового числа
А. Видно, что самое большое значение удельной энергии связи имеют нуклоны
химических элементов, занимающих середину таблицы
Менделеева (30 <А <140). В них удельная энергия связи близка к 8,7 МэВ (1
МэВ 1,6*1О-13Дж). В то же время нуклоны самых лёгких и самых тяжёлых
элементов таблицы имеют меньшее значение удельной энергии связи. для ядер,
расположенных в конце таблицы Менделеева(например, для ypана),
[pic]приблизительно составляет 7,6 МэВ.
Ход зависимости удельной энергии связи, приведённый на рис. 91.1,
позволяет
понять механизм выделения ядерной энергии. Из общих соображений ясно, что
энергия будет выделяться при таких ядерных реакциях, при которых удельная
энергия связи продуктов реакции будет превышать удельную энергию исходных
ядер. Это условие может быть выполнено двумя способами: или делением
тяжёлых ядер на более лёгкие, лежащие в средней части таблицы Менделеева,
или синтезом лёгких ядер, находящихся в начале таблицы, в более тяжёлое
ядро. Например, если ядро изотопа урана-235 (у которого удельная энергия
связи7,6 МэВ) разделить на два ядра, близких по массовому числу к железу и
никелю (у которых удельная энергия связи около 8,75 МэВ), то выделится
избыток ядерной энергии, равный 8,75 — 7,6 =1,15 МэВ на каждый нуклон или
свыше 200 МэВ на каждое разделившееся ядро урана. При синтезе(соединении)
же двух изотопов водорода — дейтерия [pic], имеющих удельные энергии связи
1,11 МЭВ, в ядро гелия, у которого [pic] = 7,05 МэВ, выделяется энергия
7,05-1,11=6,94 Мэв.
Цепная реакция. Установлено, что при бомбардировке ядер урана нейтронами
происходит распад ядра на две примерно равные части. Отметим три важные
особенности таких реакций:
1. Легко делятся ядра одного из изотопов урана [pic]
2. В результате реакции деления высвобождается огромное количество
энергии. Это связано с тем, что масса ядра урана больше суммарной массы
осколков деления. Образующийся дефект массы и приводит к выделению энергии
в соответствии с формулой Эйнштейна [pic].
Важной особенностью рассматриваемой ядерной реакции является то, что
при делении ядра урана выделяется 2 или З нейтрона. Физики поняли, что
нейтроны, испускаемые в каждом акте деления, можно использовать для
осуществления цепной реакции: один нейтрон делит одно ядро урана, два или
три образовавшихся нейтрона вызовут дополнительные деления и таким образом
процесс лавинообразно нарастает, как показано на рис. 95.1. для трёх
нейтронов.
При практическом осуществлении цепной ядерной реакции приходится решать
ряд сложных проблем, из которых рассмотрим три:
а) Легко делятся ядра изотопа урана-235, а его содержится в природном
уране лишь 0,7%, остальное — изотоп урана-238. Поэтому приходится решать
проблему увеличения процентного содержания (“обогащения”) урана изотопом-
235. Это и составляло основную проблему в процессе создания атомной бомбы и
реакторов.
б) Оказалось, что ядра урана делятся медленными нейтронами, а при
делении выделяются быстрые нейтроны. Появляется задача уменьшить
кинетическую энергию нейтронов(замедлить нейтроны), т.е. создать
замедлитель. Такими замедлителями являются тяжёлая вода 1)20 и графит.
в) Третья проблема состоит в том, что часть нейтронов вылетает из массы
урана, не успев вызвать дальнейшее деление. Поэтому для того, чтобы цепная
реакция проходила, масса Рис. 95.1 урана должна превышать некоторое
значение называемое критической массой, которая составляет несколько
килограмм.
Ядерная цепная реакция осуществляется в атомной бомбе и в атомных
реакторах. для осуществления взрыва атомной бомбы необходимо сблизить две
массы с суммарной массой равной критической. При взрыве атомной бомбы
выделяется огромное количество энергии и возникает интенсивная радиация
вследствие того, что образовавшиеся осколки ядер являются радиоактивными.
После взрыва образуется радиоактивное облако, которое после выпадения на
землю загрязняет окружающую среду. Ядерную реакцию, происходящую в атомной
бомбе, называют неуправляемой. Управляемая реакция осуществляется в ядерных
реакторах, используемых на атомных электростанциях (АЭС).
Атомные электростанции. Если в атомной бомбе происходит неуправляемая
цепная реакция, то в созданных ядерных реакторах она носит управляемый
характер. Суть управляемой реакции заключается в том, что создаются
условия, когда на каждый процесс деления ядра урана-235 или плутония
приходится в среднем о—,. только один нейтрон, вызывающий новый акт
деления, другие же образовавшиеся нейтроны вылетают из системы или
поглощаются атомными ядрами других веществ (рис. 95.2). Таким образом,
скорость выделения энергии будет поддерживаться одинаковой. Сердцем атомной
электростанции является ядерный реактор 1 (рис. 95.3). В качестве горючего
используются ураи-235 и плутоюiй-239. Для управления потоком нейтронов в
атомных реакторах применяются управляющие стержни 3, содержащие кадмий или
бор, которые хорошо поглощают нейтроны. Эти стержни вводят в активную зону
реактора 2 (топливо — замедлитель). Когда стержни полностью погружены в
реактор, они поглощают столько нейтронов, что цепная реакция в реакторе не
идёт. При выведении стержней увеличивается число нейтронов в реакторе и
начинается реакция. В качестве замедлителя нейтронов (а именно такие
нейтроны вызывают деление ядер урана-235) используют графит или тяжелую
воду. для обеспечения безопасности работающего персонала от радиоактивных
излучений реактор помещают в защитную оболочку 4. Необходимо отметить, что
для получения самоподдерживающейся цепной реакции, как и в атомной бомбе,
масса топлива должна быть не меньше критической. Критическая масса зависит
от вида горючего и составляет несколько килограмм. Энергия, выделяемая
реактором (1) в виде тепла, снимается теплоносителем (вода, жидкий натрий),
циркулирующим в замкнутом контуре (5). Циркуляция обеспечивается насосом
(б). В теплообменнике (7) теплоноситель отдаёт тепло воде, превращая её в
пар, который вращает паровую турбину (8). Турбина соединена с
электрогенератором (9), вырабатывающим электроэнергию. Из паровой турбины
пар поступает в конденсатор 10. Происходит его конденсация в воду, которая
поступает в теплообменник. Охлаждение пара в конденсаторе осуществляется
водой из искусственно созданного водоёма (11)..
5. Условия термоядерной реакции. Ядерные реакции, в которых из лёгких ядер
образуются более тяжёлые ядра, называются реакциями термоядерного синтеза
(термоядерными реакциями). При синтезе суммарная масса исходных ядер,
превышает массу образовавшегося ядра, в результате выделяется энергия.
Например, ядра дейтерия D ([pic]) при слиянии образуют ядро гелия [pic].
Расчёты показывают, что два грамма дейтерия выделяют 1013 Дж энергии.
Особенно благоприятными по ряду причин оказались условия синтеза ядер
тяжёлых изотопов водорода — дейтерия и трития: [pic]Для того чтобы
произошла термоядерная реакция надо положительно- заряженные ядра сблизить
настоль малые расстояния, чтобы между ними возникли ядерные силы, для
преодоления кулоновского отталкивания ядер, нужно сообщить им огромную
энергию, нагреть вещество до температуры 107 К. В водородной бомбе, в
которой осуществляется написанная выше реакция, высокая температура
достигается за счёт взрыва атомной бомбы, при ко тором получается
температура 10 млн, град. Взрыв водородной бомбы представляет собой не
управляемую термоядерную реакцию: энергия выделяется в огромном количестве
в одно мгновение и е~ можно использовать только для разрушения. Однако
человечеству необходима управляемая термоядерная реакция, т.е. реакция, в
ходе которой энергию можно было бы отбирать в нужном количестве в нужное
время. Такая реакция очень выгодна, поскольку запасов дейтерия и трития
хватит практически на неограниченное время, тогда как запасы источников
энергии, которыми пользуемся в настоящее время (нефть, газ, уголь)
ограничены.
Условие, необходимое для протекании термоядерной реакции, было
сформулировано физиком Лоусоном (критерий Лоусона). Оно записывается
как[pic]для реакции [pic] [pic]для реакции [pic], где n — концентрация
частиц, т.е. число частиц в одном см3,(— время их удержания вместе в
секундах. Эти соотношения отражают необходимость сохранения высокой
плотности частиц при упомянутой высокой температуре (порядка нескольких
десятков миллионов градусов)
| |  скачать работу |
Физика (лучшее) |
