Условия прохождения ядерной реакции.

УРОК 19 (2 ч)

Принципы выделения внутриядерной энергии

Процесс выделения атомной энергии.

При химических реакциях поглощается или выделяется тепло. При ядерных процессах тоже выделяется энер­гия, но в сотни тысяч и миллионы раз больше, чем при химическом процессе.

1.1. Различия между химическим и ядерным про­цессами:

При химических реакциях:

- все разновид­ности одного и того же элемента—-изотопы — ведут себя совер­шенно одинаково. например, горении, водорода атомы водорода и кисло­рода соударяются электронными оболочками. При этом оболочки перестраиваются и высвобождается энергия. Но ядра атомов остаются неизменными. Любой изотоп углерода горит так же, как и другой.

- в химических реакциях, чтобы соединить отдельные атомы в молекулу, необходимо атомам сообщить  небольшую ско­рость для их соударения, в результате которого произойдут из­менения в электронной оболочке и образуются молекулы хими­ческого соединения. Для того чтобы атомы водорода соединились с атомами кислорода, достаточно пламени спички.

Расчеты и эксперименты показывают, что лег­че соединить ядра атомов наиболее легких элементов, располо­женных в начале таблицы Д. И. Менделеева. Для преодоления сил отталкивания легким ядрам нужно сообщить относительно меньшую энергию, нежели более тяжелым ядрам.

При ядерных реакциях:

- изменяются ядра атомов и образуются новые элементы, т. е. из­менения носят иной характер. Характер ядерных реакций во многом зависит от того, какие изотопы участвуют в реак­ции.

- ядерная  реакция проходят когда ядрам будут со­общены большие скорости. Так как ядра всех атомов заряжены положительно, то для их слияния необходимо преодолеть огромные силы отталкивания одноименно заряженных частиц. Для этого нужно или нагреть ядра до температуры в миллио­ны градусов, или сообщить им огромную скорость.

Атомная энергия — это энергия, выделяющаяся в про­цессе превращения ядер атомов. Она выделяется и форме кине­тической энергии движущихся с огромными скоростями продук­тов ядерной реакции (осколков ядер) и часто в форме гамма-излучений.

Кинетическая же энергия движущих­ся тел наиболее легко переходит в тепловую энер­гию. Это имеет место при атомных взрывах, в работе атомных электростанций, являющихся тепловыми электростанциями с ядерным горючим.

Атомная энергия может быть получена при расщепле­нии ядер.

 - к ядру необходимо приблизить частицу, имеющую большую массу;

 - наилучшей частицей является нейтрон.

- ядра атомов химических элементов неодинаково устойчивы. Установлено, что ядра, в которых нейтронов больше, чем прото­нов, менее устойчивы. Такими ядрами обладают атомы химиче­ских элементов, находящихся в конце периодической системы Д. И. Менделеева.

- наименее устойчивым является ядро урана, поэтому его легче всего расщепить, если попасть в него нейтроном.

Стадии атомной реакции

- Начало атомной реакции.

- при поглощении нейтрона ядро урана-235 вибрирует, становится возбужденным;

- ядро деформируется, «вытягивается», внутри него начи­нает происходить процесс;

- Процесс деления

 - ядерные силы, действующие на очень малых расстоя­ниях, при вибрации уменьшаются;

- электрические силы отталкивания преобладают и ядро делится на две части.

- осколки ядра урана разлетаются со скоростью до 16 тысяч километров в секунду, но путь осколков очень корот­кий и составляет лишь несколько микронов.

- Стадия цепной реакции.

- при делении ядер атомов урана помимо осколков испускают­ся нейтроны. При делении каждого ядра атома ура­на испускается два или три нейтрона.

- часть нейтронов вылетает немного позже из уже летящих осколков ядер;

- при реакции деления образуется мощное гамма-излучение;

- если в уране происходит деление только отдельных ядер, это не приводит к его разо­греву. Такой процесс можно обнаружить только приборами — нейтронными счетчиками. Единичные акты деления мо­жно уподобить попытке спичками поджечь сырте дрова, при которой происходят отдельные вспышки спичек, но дрова не разгораются.

- для того чтобы процесс деления распространился на значи­тельное количество ядер урана, его необходимо сделать непре­рывным, обеспечить ему цепной характер.

Условия прохождения ядерной реакции.

- различные изотопы урана ведут себя по-разному:

- легкий изотоп урана— уран-235 — делится при со­ударении с нейтронами любых скоростей, но чем меньше скорость нейтрона, тем больше вероятность акта де­ления;

- тяжелый изотоп урана—уран-238 —делится только при соударении с нейтронами с большими скоростями, но вероятность акта деления здесь значительно меньше.

- нейтрон может быть захвачен ядром атома любого другого элемента (примеси) помимо урана.

1.4. Условия протекания цепной реакции в уране-235:

- минимальное количество топлива (критическая масса), необходимое для проведения управляемой цепной реакции в атомном реакторе

- скорость нейтронов должна вызывать деление ядер урана

- отсутствие примесей, поглощающих нейтроны

- чтобы обеспечить мак­симальное количество нейтронов для цепного процесса деления урана, необходимо уран освободить от всех примесей, очистить его.

- должна быть обеспечена критическая масса

1.5. Критическая масса - минимальная масса урана, при которой возмож­на цепная реакция. Критическая масса обеспечивает устойчивую цепную ядерную реакцию, при которой число нейтронов каждого последующего поколения = числу нейтронов предыдущего поколения, т.е. потери полностью восполняются.

При делении ядер нейтроны могут вылететь из системы, не встретив на своем пути ни одного ядра урана. Чем меньше кусок урана, тем больше нейтронов будет теряться, уходить из него и взаимодействовать с ядрами атомов других элементов, окру­жающих уран.

Критическая масса:
- если масса урана мала, нейтроны будут вылетать за его пределы, не вступая в реакцию
- если масса урана велика, возможен взрыв за счет сильного увеличения числа нейтронов
- если масса соответствует критической, протекает управляемая цепная реакция.

- для урана-235 критическая масса составляет 50 кг (это шар из урана диаметром 9 см).

Первая управляемая цепная реакция:  - в США в 1942 г. (Э.Ферми)

                                                            - в СССР - 1946 г. (И.В.Курчатов).

1.6. Критическая масса и обогащение.

Величина критической массы зависит от:

- свойств вещества (таких, как сечения деления и радиационного захвата),

- от плотности,

- количества примесей,

- формы изделия,

-от окружения.

Количество урана, необходимое для поддержания цепной реакции зависит от следующих параметров:

1) обогащения (концентрации U²³⁵);

2) плотности и геометрической формы;

3) количества и характера примесей.

1.7. Вывод: для получения энергии:

-необходимо прохождение ядерного процесса:

- необходимо создать систему из урана высокой степени чистоты и материалов, которые замедляли бы движение нейтронов, но не поглощали их;

- в качестве замедлителя движения нейтронов используется графит, тяжелая вода или бериллий, а при некото­рых условиях обычная вода.

- основой установки для получения атомной энергии — атом­ного реактора — является уран, размещенный в определенном порядке в замедлителе в форме стержней различной длины и диаметра - тепловыделяющих элементов (ТВЭЛы) — в зависимости от конструкции реактора.

- стержни в результате реакции деления разогреваются;

- тепло от них забирается цирку­лирующей в реакторе водой, газом или жидким металлом. Теп­лоноситель, поступая в теплообменник, нагревает воду, превра­щающуюся в пар;

- пар идет в турбину, которая приводит вдви­жение генератор электрического тока.

- мощность атомного реактора, количество выделяемого в нем тепла зависят от интенсивности ядерного процесса, от количе­ства образующихся нейтронов. Нейтронным потоком можно управлять;

- при делении ядер атомов урана не все нейтроны вы­деляются сразу, некоторые несколько запаздывают. Время запаздывания ничтожно мало, но достаточно для управления нейтронным потоком.

- если во время работы реактора в него внести вещество, сильно поглощающее нейтроны, то часть их уже не будут участвовать в реакции деления. Процесс замедлится, количество выделяемого тепла будет меньше. Поглотители: бор, кадмий и др.