asyan.org
добавить свой файл
1 2
Фізичні основи ядерної енергетики. Ядерна енергетика та екологія.

Отримання і застосування радіонуклідів. Дозиметрія. Дози випромінювання. Радіоактивний захист людини. Елементарні частинки. Загальна характеристика елементарних частинок. Класифікація елементарних частинок. Кварки. Космічне випромінювання
1. Ядерні реакції

Перша ядерна реакція була здійснена Е. Резерфордом 1919 року під час дослідів з виявлення протонів у продуктах розпаду ядер. Резерфорд бомбардував атоми Нітрогену α - частинками. Після зіткнення частинок відбувалася ядерна реакція, що протікала за такою схемою:

^ Зміни атомних ядер під час взаємодії їх одне з одним або іншими частинками називаються ядерними реакціями.

Ядерні реакції можуть протікати під час бомбардування атомів швидкими зарядженими частинками (протони, нейтрони, α- частинки, іони). Перша реакція такого роду була здійснена 1932 року за допомогою протонів великої енергії, отриманих на прискорювачі:

Однак найцікавішими для практичного використання є реакції, що протікають внаслідок взаємодії ядер з нейтронами. Оскільки нейтрони позбавлені заряду, вони безперешкодно можуть проникати в атомні ядра й спричиняти їх перетворення. Видатний італійський фізик Е. Фермі першим почав вивчати реакції, спричинені нейтронами. Він виявив, що ядерні перетворення зумовлюють не тільки швидкі, але й повільні нейтрони, що рухаються з тепловими швидкостями.

Щоб могла відбутися ядерна реакція, необхідно, щоб ядро й частинка (або два ядра) зблизилися на дуже малу відстань — таку, щоб між ними почали діяти ядерні сили, які характеризуються малим радіусом дії.

Якщо обидві початкові частинки позитивно заряджені, то в разі їх зближення між ними виникають великі електростатичні сили відштовхування, для подолання яких необхідна значна початкова енергія частинок.

Відкриття нейтрона докорінно змінило уявлення про умови протікання ядерних реакцій. Виявилося, що для цього не обов’язково потрібні частинки з великими кінетичними енергіями. Оскільки нейтрон не має електричний заряд, він не відштовхується від ядра й безперешкодно проникає в нього, спричиняючи ядерну реакцію.
^ 2. Енергетичний вихід ядерних реакцій

Ядерні реакції можуть відбуватися як із поглинанням енергії, так і з виділенням енергії. Тип реакції легко визначити за массами ядер або частинок, що вступають у реакцію і є продуктами цієї реакції. Якщо сумарна маса ядер і частинок зменшується після реакції на Δm, то енергія спокою зменшується на ΔE mc2 . Відповідно до закону збереження енергії саме така енергія повинна виділитися внаслідок ядерної реакції. У такому випадку говорять про енергетичний вихід ΔE ядерної реакції.

Якщо сумарна маса ядер і частинок збільшується після реакції на Δm, то енергія спокою збільшується на ΔE mc2 , тобто відповідна енергія за такої реакції поглинається. Якщо не враховувати енергію γ - квантів, то кінетична енергія продуктів реакції повинна бути на ΔE менше від кінетичної енергії ядер і частинок, що вступили в реакцію.

Енергетичний вихід реакції можна визначити й за різницею сумарної енергії зв’язку ядер, що утворюються, й вихідних ядер.

Енергія ядерної реакції: ,

де ΣMi — сума мас частинок, що вступають у ядерну реакцію;

ΣMk — сума мас частинок, що утворюються, в а. о. м.

Якщо Q>0 — реакція називається екзоенергетичною, тому що відбувається з виділенням енергії.

Якщо Q<0 — реакція називається ендоенергетичною і для її порушення необхідно затратити енергію (наприклад, прискорити частинки, тобто передати їм достатню кінетичну енергію).
^ 3. Що характеризує міцність ядер?

Ядерні сили — найпотужніші з усіх, які ми знаємо на сьогоднішній день. Вони не тільки майже повністю пригнічують взаємну антипатію протонів, що на таких малих відстанях досить значна, але й зв’язують їх у винятково міцну родину.

Чим же характеризувати міцність ядер? Для цього фізики користуються одним універсальним поняттям, придатним для будьяких тіл, молекул, атомів і ядер, — енергією зв’язку.

Про міцність того або іншого утворення судять за тим, наскільки легко або складно зруйнувати його: чим складніше його зруйнувати, тим воно міцніше. Але зруйнувати ядро — це означає розірвати зв’язки між його нуклонами або, іншими словами, виконати роботу проти сил зв’язку між ними.

Енергію зв’язку визначає величина тієї роботи, яку потрібно виконати для розщеплення ядра на його складові — нуклони.

Значення енергії зв’язку ядра дуже складно обчислити теоретично, однак тут на допомогу приходить відкрите Енштейном співвідношення між масою й енергією:

тіло масою m, що перебуває у спокої, має енергію E =mc2 , де c — швидкість світла.

Якщо енергія тіла змінюється на ΔE, то маса цього тіла змінюється на .
4. Дефект мас

Виміри мас ядер показують, що маса спокою ядра Mя менше, ніж сума мас спокою складових його нуклонів:

Різниця називається дефектом мас.

Дефект мас є мірою енергії зв’язку атомного ядра. Якщо ΔEзв — енергія зв’язку ядра, що виділяється під час його утворення, то відповідна їй маса характеризує зменшення сумарної маси всіх нуклонів під час утворення ядра.

Отже:

Про те, наскільки велика енергія зв’язку, можна судити за таким прикладом: утворення 4 г гелію супроводжується виділенням такої ж енергії, що й під час згоряння 1,5–2 вагонів кам’яного вугілля.
^ 5. Питома енергія зв’язку

Чим більше протонів у ядрі, тобто чим більше заряд Ze ядра, тим сильніше кулонівське відштовхування між протонами. Тому, щоб вони не розліталися під дією кулонівських сил, для стабілізації ядра потрібне більше число нейтронів.

Для характеристики міцності ядер зазвичай беруть енергію зв’язку, що припадає на один нуклон.

^ Енергія зв’язку, що припадає на один нуклон, називається питомою енергією зв’язку.

За малих Z число нейтронів N Z, а за більших Z (у ядрах важких елементів) навіть значне число нейтронів у ядрі (N ≈1,6Z) уже не може перешкоджати його розпаду. Останнім стабільним ядром, що має максимальне число протонів, є свинець ( Z =82).
^ 6. Реакції синтезу

Питома енергія зв’язку була виміряна експериментально практично для всіх ядер. Із графіка залежності питомої енергії зв’язку від масового числа ядра випливає, що ядро Гелію є особливо стабільним: воно характеризується значно більшою питомою енергією зв’язку, ніж легші ядра ізотопів Гідрогену Дейтерію й Тритію (вони містять, відповідно, 2 і 3 нейтрони). Звідси випливає, що утворення ядер Гелію з ядер цих ізотопів Гідрогену, наприклад, під час виконання реакції є енергетично дуже вигідним, тобто при цьому виділяється більша енергія.

^ Утворення ядра з менш масивних ядер називається реакцією синтезу.

Описана реакція синтезу стає можливою, коли ядра дейтерію й тритію зближаються на дуже малу відстань — таку, щоб між ними почали діяти ядерні сили. Але оскільки ядра заряджені однойменно, між ними діє сила електричного відштовхування. Щоб подолати дію цієї сили, ядра, що зіштовхуються, повинні мати значну кінетичну енергію, а це означає, що для здійснення реакції синтезу необхідна дуже висока температура — десятки мільйонів градусів. Тому ядерні реакції синтезу називають часто термоядерними.
^ 7. Реакції ділення

Із графіка залежності питомої енергії зв’язку видно, що найбільш стабільними є ядра з масовими числами від 50 до 60, оскільки для цих ядер енергія зв’язку максимальна. Це ядра заліза й близьких до нього (за масовомим числом) ядер.

^ Розщеплення ядра на менш масивні ядра називається реакцією ділення.

Отже, розщеплення (розподіл) важких ядер, коли продуктами реакції є ядра елементів із середини таблиці Менделєєва, є енергетично вигідним: при цьому виділяється енергія.
^ 8. Ланцюгові реакції розподілу

Атомні ядра, що містять значну кількість нуклонів, нестійкі й можуть розпадатися. 1938 р. німецькі вчені Отто Ган і Франц Штрассман спостерігали ділення ядра Урану під дією повільних нейтронів. Використання саме нейтронів для ділення ядер обумовлено їх електронейтральністю. Відсутність кулонівського відштовхування протонами ядра дозволяє нейтронам безперешкодно проникати в атомне ядро. Тимчасове захоплення нейтрона порушує нестійку стабільність ядра, обумовлену тонким балансом сил кулонівського відштовхування і ядерного притягання. Просторові коливання нуклонів збудженого ядра, що виникають, є нестійкими. Надлишок нейтронів у центрі ядра означає надлишок протонів на периферії. Їх взаємне відштовхування призводить до штучної радіоактивності ізотопу , тобто до його ділення на ядра меншої маси, названі осколками ділення. Причому найбільш імовірним виявляється ділення на осколки, маси яких відносяться приблизно як 2 : 3. Більшість великих осколків мають масове число A в межах 135–145, а дрібні — від 90 до 100.

У результаті реакції ділення ядра Урану утворюються два або три нейтрони.

Діленням ядра називається ядерна реакція ділення важкого ядра, збудженого захопленням нейтрона, на дві приблизно рівні частини, названі осколками ділення.

Оскільки маса спокою важкого ядра більша від суми мас спокою осколків, що виникають під час ділення, то через це відбувається виділення енергії, еквівалентної зменшенню маси спокою.

Енергія, що виділяється під час ділення ядра, має електростатичне, а не ядерне походження. Значна кінетична енергія, яку мають осколки, виникає внаслідок їх кулонівського відштовхування.

У разі повного ділення всіх ядер, що містяться в 1 г урану, виділяється стільки енергії, скільки виділяється під час згоряння 2,5 т нафти.

Кожний з нейтронів, що вилітає з ядра під час ділення, може, у свою чергу, спричиняти ділення сусіднього ядра, що також випускає нейтрони, здатні зумовити подальше ділення. У результаті число ядер, що діляться, дуже швидко збільшується. Виникає ланцюгова реакція.

^ Реакція, у якій кількість ядер, що діляться, збільшується з часом або залишається постійною, називається ланцюговою ядерною реакцією.

Суть цієї реакції полягає в тому, що випущені під час ділення одного ядра ^ N нейтрони можуть зумовлювати ділення N ядер, у результаті чого буде випущено N2 нових нейтронів, які спричинять ділення N2 ядер, і т. ін. Отже, число нейтронів, що народжуються в кожному поколінні, наростає в геометричній прогресії.

Загалом процес має лавиноподібний характер, відбувається досить швидко й супроводжується виділенням величезної кількості енергії.
^ 9. Керована ланцюгова ядерна реакція

Швидкість ланцюгової реакції ділення ядер характеризують коефіцієнтом розмноження нейтронів.

Коефіцієнт розмноження нейтронів k — відношення числа нейтронів на певному етапі ланцюгової реакції до їх числа в попередньому етапі.

Якщо k ≥1, то кількість нейтронів збільшується із часом або залишається постійною і ланцюгова реакція відбувається.

Якщо k <1, то число нейтронів зменшується й ланцюгова реакція неможлива.

При k =1 реакція протікає стаціонарно: кількість нейтронів зберігається незмінною. Цю рівність необхідно підтримувати з високою точністю. Уже при k=1,01 майже миттєво відбудеться вибух.

Число нейтронів, що утворюються під час ділення ядер, залежить від об’єму уранового середовища. Чим більший цей об’єм, тим більше число нейтронів виділяється під час ділення ядер. Починаючи з деякого мінімального критичного об’єму урану, що має певну критичну масу, реакція ділення ядер стає самопідтримувальною.
^ 10. Ядерний реактор

Перший ядерний реактор було побудовано 1942 року в США під керівництвом Е. Фермі.

Ядерним реактором називається пристрій, у якому здійснюється й підтримується керована ланцюгова реакція ділення деяких важких ядер.

Основними елементами ядерного реактора є:

ядерне пальне (уран 235, уран 238, плутоній 239);

сповільнювач нейтронів (важка вода, графіт та ін.);

теплоносій для виведення енергії, що утворюється під час роботи реактора: вода;

рідкий натрій та ін.;

регулювальні стрижні (бор, кадмій), які сильно поглинать нейтрони;

захисна оболонка, що затримує випромінювання (бетон із залізним наповнювачем).

Ядерне паливо розміщується в активній зоні у вигляді вертикальних стрижнів, названих тепловидільними елементами (ТВЕЛ).

Твели призначені для регулювання потужності реактора. Маса кожного паливного стрижня значно менша від критичної, тому в одному стрижні ланцюгова реакція відбуватися не може. Вона починається після занурення в активну зону всіх уранових стрижнів.

Активна зона оточена шаром речовини, що відбиває нейтрони (відбивач), і захисною оболонкою з бетону, що затримує нейтрони й інші частинки.

Відвід тепла від паливних елементів здійснює теплоносій — вода. Вона обмиває стрижень, нагрітий до 3000C за високого тиску, надходить у теплообмінники. У теплообміннику вода, нагріта до 3000C , віддає тепло звичайній воді, яка в свою чергу перетворюється на пару.

Керування реактором здійснюється за допомогою стрижнів, що містять кадмій або бор. За висунутих з активної зони реактора стрижнів k >1, а за повністю уведених — k <1. Уводячи стрижні у середину активної зони, можна в будь-який момент часу призупинити розвиток ланцюгової реакції. Керування ядерними реакторами здійснюється дистанційно за допомогою ЕОМ.


следующая страница >>