Ядерные реакции физика: Ядерные реакции. Атомная физика :: Класс!ная физика

Содержание

Ядерные реакции. Атомная физика :: Класс!ная физика

ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ


– это искусственные превращения атомных ядер, вызванные их взаимодействием с частицами ( протонами, нейтронами, альфа-частицами, гамма-частицами) или другими ядрами.

Условие, когда протекание ядерной реакции становится возможным:

– когда ядро и частица (или другое ядро) сближаются на расстояния, при которых начинают действовать ядерные силы.

Так как в реакцию могут вступать ядро и положительно заряженная частица (протон), то необходимо преодолеть возникающие между ними силы отталкивания. Это возможно при больших скоростях частиц.
Такие скорости достигаются в ускорителях элементарных частиц.

Источниками заряженных частиц для проведения ядерных реакций могут быть:

– естественные радиоактивные элементы
– ускорители элементарных частиц
– космическое излучение.

Как происходят ядерные реакции?

Превращения ядер сопровождается изменением их внутренней энергии (энергии связи).


Разность сумм энергии покоя ядер и частиц до реакции и после реакции называется энергетическим выходом ядерной реакции.

Расчет энергетического выхода ядерной реакции:

– рассчитать сумму масс  (m1) ядер и  частиц до реакции;
– рассчитать сумму масс ( m2) ядер и  частиц  после  реакции;
– рассчитать изменение массы

– рассчитать энергетический выход реакции, т.е. изменение энергии равно произведению изменения массы на квадрат скорости света.

При ядерных реакциях всегда выполняются законы сохранения массовых и зарядовых чисел.

Выделение или поглощение энергии?

Ядерная реакция может проходить с выделением энергии и с поглощением энергии.

Изменение внутренней энергии частиц в результате ядерной реакции связано с изменением масс покоя частиц.

Если сумма масс ядер и частиц (m1), вступающих в ядерную реакцию, меньше суммы масс ядер и частиц (m2), возникающих в результате реакции, то наблюдается поглощение энергии.

Если сумма масс ядер и частиц (m1), вступающих в ядерную реакцию, больше суммы масс ядер и частиц (m2), возникающих в результате реакции, то наблюдается выделение энергии.


ЯДЕРНАЯ РЕАКЦИЯ НА НЕЙТРОНАХ

Так как нейтроны лишены заряда, они легко проникают в атомные ядра и вызывают их превращения.
Ядерные превращения вызываются не только быстрыми, но и медленными нейтронами, причем даже более эффективно.

Для получения управляемой ядерной реакции быстрые нейтроны надо замедлять.
Замедлителем может служить обыкновенная вода, так как в ней содержится большое количество протонов (ядер водорода), масса которых почти равна массе нейтронов.
При столкновении одинаковых по массе частиц происходит интенсивная передача энергии от налетающего нейтрона протону.

ИСКУССТВЕННЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ЯДЕР


Реакция превращения одного ядра в другое в лабораторных условиях была впервые осуществлена Э. Резерфордом.

Он обнаружил, что для разрушения или превращения ядра нужна большая энергия.
Наиболее подходящими “снарядами”, обладающими достаточной для разрушения ядра энергией, были альфа-частицы.
Первым ядром, подвергшимся искусственному превращению, было ядро азота. В результате бомбардировки ядра азота альфа-частицами оно превращается в ядро изотопа кислорода с испусканием протонов- ядер атома водорода.

Другие ученые заметили превращение ядер фтора, натрия, алюминия и др.

Ядра элементов, размещающихся в конце таблицы Менделеева, не испытывали таких превращений., т.к. из-за их большого электрического заряда альфа-частицы отталкивались. не вступая во взаимодействие.

Вспомни тему “Атомная физика” за 9 класс:

Радиоактивность.
Радиоактивные превращения.
Состав атомного ядра. Ядерные силы.
Энергия связи. Дефект масс.
Деление ядер урана.
Ядерная цепная реакция.
Ядерный реактор.
Термоядерная реакция.

Другие страницы по теме “Атомная физика” за 10-11 класс:

Строение атома
Квантовые постулаты Бора
Методы регистрации частиц
Естественная радиоактивность
Радиоактивный распад
Закон радиоактаивного распада
Ядерные силы
Открытие электрона
Открытие протона
Открытие нейтрона
Строение ядра атома
Изотопы
Энергия связи ядра
Ядерные реакции
Деление ядер урана. Цепная реакция
Ядерный реактор. Атомная бомба
Термоядерная реакция
Водородная бомба
Топливные ресурсы. Ядерная энергетика


Центр ядерно-физических данных

Центр ядерно-физических данных

В Институте ядерной и радиационной физики РФЯЦ-ВНИИЭФ начиная с 1973 г. ведутся работы по компиляции экспериментальных данных, получаемых в реакциях взаимодействия легких ядер с заряженными частицами.

В 1997 г. по приказу министра Атомной энергии в РФЯЦ-ВНИИЭФ был организован Центр ядерно-физических данных (ЦЯФД) в отделе ядерно-физических методов исследований и диагностики.
В настоящее время ЦЯФД активно занимается сбором и обработкой данных по реакциям взаимодействия заряженных частицах с ядрами подробнее…

Разработки

Базы данных

SaBa

EXFOR

Библиотека оценнных и экспериментальных данных по взаимодействию заряженных частиц с легкими ядрами
подробнее…

Включает в себя экспериментальных данные по реакциям взаимодействия нейтронов, заряженных частиц и гамма-квантов с ядрами. В библиотеке представленные различные виды данных: сечения, функции возбуждения, выходы, угловые и энергетические распределения и т.д. Фактографические данные сопровождаются текстовой информацией, содержащей библиографические и описательные данные.

Проект АФГИР

ENDF

Компиляция и оценка сечений ядерных реакций, вызванных альфа-частицами, для нужд астрофизики
подробнее…

Содержит оцененные данные по реакциям взаимодействия нейтронов, заряженных частиц и гамма-квантов с ядрами. Библиотека включает в себя данные по нейтронным сечениям, выходам продуктов реакции, тепловому рассеянию нейтронов, фотоатомным взаимодействиям, данные по образованию радионуклидов и распаду, а также данные по заряженным частицам и фотоядерные данные.

INPGRAPH

ENSDF

Программа оцифровки первичной графической информации
подробнее…

Содержит оцененные данные по структуре ядра, которые включают в себя информацию по свойствам уровней: энергии уровней, виды распада, интенсивности распада, энергии гамма-квантов, а также значения периодов полураспада и другие свойства ядер в основном и метастабильном состояниях.

Exfor-Editor

NSR

Программное обеспечение по вводу, обработке и записи в формате EXFOR фактографических данных
подробнее…

Включает в себя литературные ссылки на данные по ядерной физике для низких и средних энергий и охватывает периодические издания, начиная с 1910 г.

DOWNLOAD

CINDA

Материалы доступные для скачивания


подробнее…

Содержит библиографические ссылки на экспериментальные данные по ядерным реакциям и на расчетные данные, обзоры, компиляции и оценки по нейтронным реакциям и данным по спонтанному делению.

ПИР-Центр

Nuclear Fission Chain Reaction

Режим протекания множества однотипных реакций деления некоторых тяжелых ядер нейтронами, в котором каждый последующий акт деления обусловлен нейтронами, образовавшимися в предыдущем акте. Последовательность двух таких событий называется поколением ЦЯРД, и ему соответствует некоторое достигнутое число предыдущих поколений нейтронов.

ЦЯРД может быть развивающейся, стационарной и затухающей во времени, что зависит от наличия или отсутствия в рассматриваемой системе критической массы. Основной количественной характеристикой соответствующего режима протекания ЦЯРД является эффективный коэффициент размножения нейтронов kэфф – показатель нейтронного баланса в системе. kэфф есть отношение количества нейтронов в последующем и предыдущем поколениях ЦЯРД. Если kэфф > 1 (в каждом поколении рождается больше нейтронов, чем было в предыдущем), ЦЯРД в системе лавинообразно развивается и количество актов ядерного деления в единицу времени (скорость деления) стремительно возрастает (система надкритична). При kэфф = 1 однажды достигнутая скорость деления в ЦЯРД остается неизменной (критическое состояние). Наконец, при kэфф < 1 ЦЯРД, инициированная в системе внешним нейтронным импульсом, быстро прекращается.

Физической основой ЦЯРД является множественность вторичных нейтронов деления. В каждом поколении ЦЯРД на каждый нейтрон, захваченный ядром делящегося материала (ДМ, см. Делящиеся материалы) и вызвавший его деление, помимо двух осколков, уносящих почти всю освобожденную при делении энергию, выделяются также новые (вторичные) нейтроны, числом превышающие единицу. Это число (n) различно для ядер разных ДМ, а также зависит от энергии нейтронов, вызывающих деление. Например, при делении 235U медленными (тепловыми) нейтронами n = 2,41; для 239Pu n = 2,89 (в среднем). Однако не все вторичные нейтроны вызывают деление новых ядер ДМ. Часть их уходит за пределы системы, часть захватывается ядрами ДМ и конструкционных материалов без деления. Наконец, в ядерных реакторах (см. Ядерный реактор) часть вторичных нейтронов захватывается без деления контролируемо-активным материалом управляющих элементов (регулирующих стержней). В качестве такого материала используются вещества, интенсивно поглощающие нейтроны [чаще всего – соединения бора (B)]. Меняя положение регулирующих стержней в активной зоне реактора, можно инициировать ЦЯРД, изменять скорость ее протекания или прекращать.

Управление ЦЯРД возможно не только поглощением «лишних» нейтронов, но и подачей в активную зону реактора нейтронов извне. В установках подобного рода активная зона сама по себе всегда подкритична, и ЦЯРД развивается только при такой подаче. Источником внешних нейтронов для этого может быть, например, ускоритель заряженных частиц с нейтронным конвертером. Такие установки называются электроядерными. На них принципиально исключена наиболее тяжелая реакторная авария – неконтролируемый разгон, поскольку ЦЯРД останавливается практически мгновенно извне (выключением ускорителя). Поэтому они обладают повышенным, в сравнении с традиционными ядерными реакторами, уровнем ядерной безопасности, но существенно более дороги и в начале XXI в. технически еще недостаточно проработаны. ЦЯРД является базовым физическим принципом действия ядерного оружия.

Лит. : Мухин К.Н. Экспериментальная ядерная физика. Т. 1. Физика атомного ядра. М.: Атомиздат, 1974. С. 453–456;

Абрамов А.И. Основы ядерной физики. М.: Энергоатомиздат, 1983. С. 245–249; Матвеев Л.В., Рудик А.П. Почти все о ядерном реакторе. М.: Энергоатомиздат, 1990. С. 41–51;

Климов А.Н. Ядерная физика и ядерные реакторы. М.: Энергоатомиздат, 2002. С. 269–270;

Колдобский А.Б. 50 вопросов и ответов об атомной энергетике и ядерном топливе. М.: ТВЭЛ, 2006. С. 57.

См. также: Атомная энергия; Ядерный заряд.

 

А.Б. Колдобский.

16.4. Первые ядерные реакции. Открытие нейтрона

16.4. Первые ядерные реакции. Открытие нейтрона

Радиоактивность, являясь свойством радиоактивных атомов, не зависит от их химических свойств и связи с другими атомами и не подвержена влиянию различных внешних факторов независимо от их количества и качества. Исследования радиоактивности подобны исследованиям в астрономии, фиксирующим параметры свойств явления.

Ионизирующее действие излучений радиоактивных атомов позволило установить природу излучения и тип частиц с помощью воздействия на излучения электрических и магнитных полей на основе созданной Томсоном и Резерфордом теории ионизации (1897–1899 гг.). Для проведения различных экспериментов начинают использовать радиоактивные атомы как источники излучений. В основном это источникиα-частиц, испускаемых радием и полонием. Проблемой их использования была малая интенсивность излучения, так как количество радия и полония было небольшим и эти вещества находились в различных лабораториях.

В 1906 г. при изучении прохожденияα-частиц через тонкие слои материалов Э. Резерфорд установил, что они рассеиваются атомами этих материалов. Это было первым исследованием ядерного взаимодействия – упругого рассеяния. На основании этого эксперимента был сделан вывод о положительном заряде ядра атома. Аналогичные эксперименты были продолжены в 1908 г. Гейгером и Марденом с тонкими фольгами из золота и других металлов.

В 1919 г. Э. Резерфорд подвергает облучениюα-частицами азот и обнаруживает его превращение в изотоп кислорода с массой 17 и атом водорода (т.е. протон, ион атома водорода):

147N +2He   >178O +1H.

Таким образом, впервые было осуществлено искусственное превращение элементов.

Положительный заряд ядра атома создает вокруг себя сильный потенциал: ядро окружено, образно говоря, потенциальным барьером. Для преодоления этого барьера изнутри или снаружи частица должна обладать определенной энергией. Энергия вылетающей из ядра атомаα-частицы при его радиоактивном распаде была измерена еще в начале ХХ века. Наиболее быстрыеα-частицы, испускаемые радиоактивными веществами, имеют энергию не более 8 МэВ. В 1925 г. наиболее мощные индукционные катушки, используемые для получения рентгеновских лучей, давали разность потенциалов 100000 В. Это означает, что ускоренный в поле такой катушки электрон или протон мог иметь энергию не выше 100000 эВ (или 0,1 МэВ), т. е. намного меньше энергииα-частиц. Сформулированная Г.А. Гамовым в 1928 году теория туннелированияα-частиц зародила надежду: она предсказывала, что протоны с энергией 1 МэВ будут иметь такую же эффективность, какα-частицы с энергией 32 МэВ. Гамов в созданной им теории показал, что волновая природа частиц позволяет им преодолевать потенциальный барьер («туннельный эффект»). Теория предсказывает, что при одинаковой энергии бомбардирующих частиц вероятность проникнуть через потенциальный барьер ядра атома тем больше, чем меньше масса частицы.

Для ускорения протонов необходимо было увеличить достигнутые напряжения в 5–7 раз. Теория Гамова дала стимул для получения искусственно ускоренных частиц. В этой области работали многие ученые, но наилучших результатов достигли Ван де Грааф и Кокрофт и Уолтон. В 1932 г. в лаборатории Э. Резерфорда Кокрофт и Уолтон создали установку на 700000 В. Это напряжение было приложено к ускоряющей трубке и получен ток протонов в 100 мкА (≈1015 протонов/с) с энергией 0,7 МэВ. В том же 1932 г. Лоуренс в США создал циклотрон, позволивший получить протоны с энергией 1,25 МэВ. В мае 1932 г. Кокрофт и Уолтон в лаборатории Резерфорда и в октябре 1932 года Синельников, Вальтер, Лейпунский и Латышев в Харькове в Украинском физико-техническом институте (УФТИ) на электростатическом ускорителе типа генератора Ван де Граафа подвергли бомбардировке протонами литий и расщепили его ядро на двеα-частицы:

 

Группа сотрудников Харьковского физико-технического института во время приезда в Харьков П. Эренфеста в начале 30-х годов ХХ века (во втором ряду третий слева А.И. Лейпунский)Торжественное открытие в Харькове Украинского физико-технического института (сейчас Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт») состоялось 7 ноября 1930 года. Первых 23 научных сотрудника в Харьков делегировал Ленинградский физико-технический институт. Планировалось развивать исследования, требующие создания высоковольтных источников энергии для испытания изоляторов и создания мощных рентгеновских установок. Однако заместитель директора института А.И. Лейпунский настоял на том, чтобы уже на стадии становления институт частично был сориентирован на развитие ядерных физических исследований, так как считал, что будущее ядерной физики будет определяться развитием техники высоких напряжений. Кроме того, К.Д. Синельников, прибывший в Харьков 2 июня 1930 года, до этого два года работал в Кавендишской лаборатории у Э. Резерфорда, где проводилась подготовка к исследованию ядерных реакций, вызываемых протонами, ускоренными с помощью электрических полей высокого напряжения. В начале 1931 года институт посетил сотрудник и ученик Резерфорда Кокрофт, а в августе 1931 года – известный физик-теоретик Гамов. Это позволяет считать, что ядерная тематика исследований пришла в Украину непосредственно от Резерфорда из Кембриджа – колыбели ядерной физики.

Достигнутые успехи поспособствовали принятию правительством решения о финансировании сооружения в УФТИ экспериментального генератора Ван де Граафа напряжением 7 млн. вольт. В результате этого УФТИ занял ведущие позиции в области ядерной физики в СССР.

Физику атомного ядра в СССР одним из первых с 1932 года стал изучать И.В. Курчатов. Сейчас даже трудно представить, в какой непростой общественной атмосфере приходилось тогда ему работать. Многие в Ленинградском физико-техническим институте, сотрудником которого был Курчатов, считали исследования в области ядерной физики слишком отвлеченными, оторванными от жизни, настаивали, что этими исследованиями заниматься не стоит, так как ядерная физика очень далека от практического применения. Курчатов же был в числе тех, кто уже тогда понимал перспективу использования ядерной энергии. Об этом, в частности, говорят его письма предвоенных лет в Академию наук СССР и в правительство.

 

Было установлено, чтоα-частицы в процессе расщепления ядра лития испускаются с энергией 8,76 МэВ. Возник вопрос о происхождении этой энергии, так как энергия протона составляет всего 1/7 часть энергииα-частицы. Однако, если сложить массу ядра лития с массой протона, то полученная сумма будет превышать массу двух α-частиц.

Возникает так называемый дефект массы: если бы можно было расщепить 7 г лития, то исчезло бы чуть более 18 мг массы, это количество вещества перешло бы в энергиюα-частиц. Таким образом, этот эксперимент был не только примером искусственного превращения элементов, но и первым экспериментальным доказательством превращения вещества в энергию.

После лития Кокрофт и Уолтон подвергли облучению протонами бериллий, бор, углерод, кислород, фтор, натрий, алюминий, калий, кальций, железо, кобальт, никель, медь, серебро, свинец, уран и наблюдали экспериментально превращения этих элементов. По образному выражению Э. Резерфорда, возникла современная алхимия.

Системно исследованиями в области ядерной физики в Украине стали заниматься в Институте физики Академии наук УССР, основанном в Киеве в 1929 году, только после второй мировой войны.

При рассмотрении возможного строения ядер элементов предполагалось, что они состоят из ядер атомов водорода и электронов. Следовательно, ядро атома гелия (т. е. α-частица) состоит из четырех атомов водорода и двух отрицательно заряженных электронов, так что результирующий заряд ядра гелия равен двум единицам. А. Зоммерфельд подчеркнул, чтоα-частица должна обладать устойчивой структурой, чтобы разрушить ядро атома азота в опыте Резерфорда. Решающее доказательство существования протона и, следовательно, истолкования опытов как превращения атомов было получено в 1925 г. учеником Резерфорда П.М.С. Блэккетом.

Игорь Васильевич Курчатов (1903–1960) – выдающийся советский ученый, академик АН СССР, трижды Герой Социалистического Труда, основатель и первый директор Института атомной энергии (1943). Он прожил короткую, но необыкновенно яркую жизнь. Под его руководством созданы первый в Европе ядерный реактор (1946), первая в СССР атомная бомба (1949), первая в мире термоядерная бомба (1953), построена первая в мире атомная электростанция (1954). В конце жизни Игорь Васильевич вспоминал:«В начале 30-х годов мне довелось быть у истоков зарождавшейся атомной физики на Украине. В то время я часто приезжал в молодой физико-технический институт, созданный в Харькове по решению правительства в октябре 1928 года, и работал в нем со своими старыми друзьями: К.Д. Синельниковым, А.К. Вальтером и А.И. Лейпунским, вместе с которыми начинал свою научную деятельность в Ленинграде».

Блэккету удалось получить в камере Вильсона фотографии протона, вылетающего в результате столкновенияα-частицы с ядром азота. Во всех этих случаяхα-частица, по-видимому, поглощалась атомом, с которым она сталкивалась, поскольку ее следа после соударения не обнаруживалось. Это позволило Э. Резерфорду в том же 1925 г. дать этому явлению следующее объяснение: ядро азота захватываетα-частицу и испускает протон.

Повторение этих экспериментов в разных вариантах многими физиками (Позе, Мейтнер, Боте, де Бройль, Ренге, Констабль) неопровержимо доказало, что протон испускается ядром, подвергнувшимся соударению в процессе его «расщепления». Это стало первым твердо установленным примером искусственного превращения элементов.

Еще в 1920 г. Резерфорд в своей бейкерианской лекции высказал гипотезу о возможности существования ядра с массой, равной единице, и нулевым зарядом.

«Подобная структура представляется вполне возможной. Нейтральный атом водорода обладал бы весьма своеобразными свойствами. Его внешнее поле было бы практически равно нулю повсюду за исключением области, примыкающей непосредственно к ядру, благодаря чему он мог бы проходить свободно через вещество. Существование таких атомов, вероятно, трудно было бы обнаружить с помощью электроскопа, и их невозможно было бы сохранять в герметически закрытом сосуде. С другой стороны, они должны легко проникать в недра атома и могут либо соединяться с ядром, либо распадаться под действием интенсивного поля ядра, результатом чего будет испускание либо водородного атома, либо электрона, либо обоих вместе».

События, которые привели к открытию нейтрона, начали разворачиваться в Берлине в Шарлоттенбурге, где в 1930 г. В. Боте и Г. Беккер обнаружили весьма проникающее излучение при бомбардировке бериллия α-частицами. Первое указание на существование нейтрона появилось в работе Г. Вебстера, в которой сообщалось о возникновенииγ-излучения при облучении бериллияα-частицами. Но источникα-частиц был слабым (полоний), а средства регистрации малочувствительными. В июне 1931 г. Вебстер установил, что излучение бериллия в направлении паденияα-частиц на мишень более проникающее, чем излучение в обратном направлении. Это можно было легко объяснить, предположив, что излучение состоит из нейтральных частиц. В том же году в журнале «Comptes renduce» Ирен и Фредерик Жолио-Кюри опубликовали сообщение о способности излучения бериллия выбивать протоны из водородосодержащих веществ. Наконец, в 1932 г. в Манчестере в лаборатории Резерфорда его сотрудником Чедвиком было получено достаточно полония для источникаα-частиц, чтобы уверенно провести эксперимент и обнаружить новую частицу – нейтрон – по ядерной реакции

2 Be+4 He→12C+1n.

4                 2                      6         0


Определение массы нейтрона подтвердило гипотезу Резерфорда.

В 1970 г. на базе выделившихся из Института физики АН УССР лабораторий и отделов был организован новый физический центр – Институт ядерных исследований АН УССР.

Институт ядерных исследований АН Украины располагает циклотроном У-120, изохронным циклотроном У-240, электростатическим генератором ЭГ-5, ядерным реактором ВВР-М на 10000 кВт. Основными направлениями научной деятельности института являются исследования структуры атомных ядер, механизмов ядерных реакций заряженных частиц различной природы (протонов, дейтронов,α-частиц) и нейтронов с ядрами атомов различных элементов в широком диапазоне энергий. В области ядерной энергетики исследования направлены на определение нейтронных констант, необходимых для теоретических расчётов ядерных реакторов. Так, определены нейтронные константы наиболее перспективных поглотителей для регулирования мощности ядерных реакторов на тепловых и быстрых нейтронах, а также нейтронные константы делящихся и воспроизводящихся топливных материалов ядерных реакторов, необходимых для проектирования и расчетов конструкций реакторов на тепловых нейтронах. Исследуется поведение материалов элементов конструкций активных зон ядерных реакторов в условиях облучения нейтронами.

Ядерная физика — Образовательная платформа «Юрайт». Для вузов и ссузов.

В курсе рассмотрены основные аспекты ядерной физики. В нем дано представление о строении атомного ядра, раскрыты основные положения квантовой механики, показаны способы получения ядерной энергии и искусственных радионуклидов, основные типы ядерных реакций и закономерности радиоактивных превращений.

Укажите параметры рабочей программы

Дисциплина

Атомная и ядерная физика

УГС

56. 00.00 «ВОЕННОЕ УПРАВЛЕНИЕ»10.00.00 «ИНФОРМАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ»15.00.00 «МАШИНОСТРОЕНИЕ»28.00.00 «НАНОТЕХНОЛОГИИ И НАНОМАТЕРИАЛЫ»05.00.00 «НАУКИ О ЗЕМЛЕ»44.00.00 «ОБРАЗОВАНИЕ И ПЕДАГОГИЧЕСКИЕ НАУКИ»22.00.00 «ТЕХНОЛОГИИ МАТЕРИАЛОВ»03.00.00 «ФИЗИКА И АСТРОНОМИЯ»16.00.00 «ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ И ТЕХНОЛОГИИ»12.00.00 «ФОТОНИКА, ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, ОПТИЧЕСКИЕ И БИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ»18.00.00 «ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ»13.00.00 «ЭЛЕКТРО- И ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА»11.00.00 «ЭЛЕКТРОНИКА, РАДИОТЕХНИКА И СИСТЕМЫ СВЯЗИ»14.00.00 «ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА И ТЕХНОЛОГИИ»

Направление подготовки

Уровень подготовки

Все, что нужно знать о термоядерном синтезе

​Ученые Принстонской лаборатории физики плазмы предложили идею самого долговечного устройства для ядерного синтеза, которое сможет работать более 60 лет. В данный момент это трудноосуществимая задача: ученые бьются над тем, чтобы заставить термоядерный реактор проработать в течение нескольких минут — а тут годы. Несмотря на сложность, строительство термоядерного реактора — одна из самых перспективных задач науки, которая может принести огромную пользу. Рассказываем, что нужно знать о термоядерном синтезе.

1. Что такое термоядерный синтез?

Не пугайтесь этого громоздкого словосочетания, на деле все довольно просто. Термоядерный синтез — это разновидность ядерной реакции.

В ходе ядерной реакции ядро атома взаимодействует либо с элементарной частицей, либо с ядром другого атома, за счет чего состав и строение ядра изменяются. Тяжелое атомное ядро может распасться на два-три более легких —  это реакция деления. Существует также реакция синтеза: это когда два легких атомных ядра сливаются в одно тяжелое.

В отличие от ядерного деления, которое может проходить как самопроизвольно, так и вынужденно, ядерный синтез невозможен без подвода внешней энергии. Как известно, притягиваются противоположности, но вот атомные ядра заряжены положительно —  поэтому они отталкиваются друг от друга. Эта ситуация называется кулоновским барьером. Чтобы преодолеть отталкивание, необходимо разогнать эти частицы до сумасшедших скоростей. Это можно осуществить при очень высокой температуре — порядка нескольких миллионов кельвинов. Именно такие реакции и называются термоядерными.

 

2. Зачем нам термоядерный синтез?

В ходе ядерных и термоядерных реакций выделяется  огромное количество энергии, которую можно использовать в различных целях — можно создать мощнейшее оружие, а можно преобразовать ядерную энергию в электричество и снабдить им весь мир. Энергия распада ядра давно используется на атомных электростанциях. Но термоядерная энергетика выглядит перспективнее. При термоядерной реакции на каждый нуклон (так называются составляющие ядра, протоны и нейтроны) выделяется намного больше энергии, чем при ядерной реакции. К примеру, при делении ядра урана на один нуклон приходится 0,9 МэВ (мегаэлектронвольт), а при синтезе ядра гелия из ядер водорода выделяется энергия, равная 6 МэВ. Поэтому ученые учатся проводить термоядерные реакции. 

Исследования термоядерного синтеза и строительство реакторов позволяют расширить высокотехнологичное производство, которое полезно и в других сферах науки и хай-тека.

3. Какие бывают термоядерные реакции?

Термоядерные реакции делят на самоподдерживающиеся, неуправляемые (используются в водородных бомбах) и управляемые (подходят для мирных целей). 

Самоподдерживающиеся реакции проходят в недрах звезд. Однако на Земле нет условий для проведения таких реакций.

Неуправляемый, или взрывной термоядерный синтез люди проводят давно. В 1952 году в ходе операции “Иви Майк” американцы взорвали первое в мире термоядерное взрывное устройство, которое не имело практической ценности в качестве оружия.  А в октябре 1961 года прошли испытания  первой в мире термоядерной (водородной) бомбы (“Царь-бомба”, “Кузькина мать”), разработанной советскими учеными под руководством Игоря Курчатова. Это было самое мощное взрывное устройство за всю историю человечества: полная энергия взрыва, по разным данным, составляла от 57 до 58,6 мегатонн в тротиловом эквиваленте. Чтобы взорвать водородную бомбу, необходимо сначала в ходе обычного ядерного взрыва получить высокую температуру — лишь тогда атомные ядра начнут реагировать. 

Мощность взрыва при неуправляемой ядерной реакции очень велика, кроме того, высока доля радиоактивного загрязнения. Поэтому чтобы использовать термоядерную энергию в мирных целях, необходимо научиться ею управлять. 

4. Что нужно для управляемой термоядерной реакции?

Удержать плазму!

Непонятно? Сейчас поясним.

 

Во-первых, атомные ядра.  В ядерной энергетике используются изотопы  —  атомы, отличающиеся друг от друга количеством нейтронов и, соответственно, атомной массой. Изотоп водорода дейтерий (D) добывают из воды. Сверхтяжелый водород или тритий (Т) — радиоактивный изотоп водорода, который является побочным продуктом реакций распада, проводимых на обычных ядерных реакторах. Также в термоядерных реакциях используется легкий изотоп водорода — протий: это единственный  стабильный элемент, не имеющий нейтронов в ядре. Гелий-3 содержится на Земле в ничтожно малых количествах, зато его очень много в лунном грунте (реголите): в 80-х гг НАСА разрабатывало план гипотетических установок по переработке реголита и выделению ценного изотопа. Зато на нашей планете широко распространен другой изотоп — бор-11. 80% бора на Земле — это необходимый ядерщикам изотоп.

Во-вторых, очень высокая температура. Вещество, участвующее в термоядерной реакции, должно представлять собой практически полностью ионизированную плазму — это газ, в котором отдельно плавают свободные электроны и ионы различных зарядов. Чтобы превратить вещество в плазму, необходима температура 107–108 К —  это сотни миллионов градусов Цельсия!  Такие сверхвысокие температуры можно получить путем создания в плазме электрических разрядов большой мощности.

Однако просто нагреть необходимые химические элементы нельзя.  Любой реактор моментально испарится при таких температурах. Здесь требуется совершенно иной подход. На сегодняшний день удается удерживать плазму на ограниченной территории с помощью сверхмощных электрических магнитов. Но полноценно использовать получаемую в результате термоядерной реакции энергию пока не удается: даже под воздействием магнитного поля плазма растекается в пространстве.

5. Какие реакции наиболее перспективны?

В основных ядерных реакциях, которые планируется использовать в целях осуществления управляемого термоядерного синтеза, будут применяться дейтерий (2H) и тритий (3H), а в более отдалённой перспективе гелий-3 (3He) и бор-11 (11B).

Вот как выглядят самые интересные реакции.

1) 2D+3T -> 4He (3.5 MeV) + n (14.1 MeV) — реакция дейтерий-тритий. 

2)  2D+2D -> 3T (1.01 MeV) + p (3.02 MeV) 50% 

2D+2D -> 3He (0.82 MeV) + n (2.45 MeV) 50%  — это так называемое монотопливо из дейтерия.

Реакции 1 и 2 чреваты нейтронным радиоактивным загрязнением. Поэтому наиболее перспективны “безнейтронные” реакции. 

3) 2D+3He -> 4He (3.6 MeV) + p (14.7 MeV)  — дейтерий реагирует с гелием-3. Проблема в том, что гелий-3 чрезвычайно редок. Однако безнейтронный выход делает эту реакцию перспективной.

4) p+11B -> 34He + 8.7 MeV — бор-11 реагирует с протием, в результате получаются альфа-частицы, которые можно поглотить алюминиевой фольгой.

6. Где провести такую реакцию?

Естественным термоядерным реактором является звезда. В ней плазма удерживается под действием гравитации, а излучение поглощается — таким образом, ядро не остывает.

На Земле же термоядерные реакции можно провести лишь в специальных установках. 

Импульсные системы.  В таких системах дейтерий и тритий облучают сверхмощными лазерными лучи или пучками электронов/ионов. Такое облучение вызывает последовательность термоядерных микровзрывов. Однако такие системы невыгодно использовать в промышленных масштабах: на разгон атомов тратится намного больше энергии, чем получается в результате синтеза, так как не все разгоняемые атомы вступают в реакцию. Поэтому многие страны строят квазистационарные системы.

Квазистационарные системы.  В таких реакторах плазма удерживается с помощью магнитного поля при низком давлении и высокой температуре. Существует три типа реакторов, основанных на различных конфигурациях магнитного поля. Это токамаки, стеллараторы (торсатроны) и зеркальные ловушки.

Токамак  расшифровывается как “тороидальная камера с магнитными катушками”. Это камера в виде “бублика” (тора), на которую намотаны катушки. Главной особенностью токамака является использование переменного электрического тока, который протекает через плазму, нагревает ее и, создавая вокруг себя магнитное поле, удерживает ее. 

 

В стеллараторе (торсатроне) магнитное поле полностью удерживается с помощью магнитных катушек и, в отличие от токамака, может работать постоянно.

В зеркальных (открытых) ловушках используется принцип отражения. Камера с двух сторон закрыта магнитными “пробками”, которые отражают плазму, удерживая ее в реакторе. 

 

Долгое время зеркальные ловушки и токамаки боролись за первенство. Изначально концепция ловушки казалась более простой и потому более дешевой.  В начале 60-х годов открытые ловушки обильно финансировались, однако нестабильность плазмы и неудачные попытки удержать ее магнитным полем заставляли усложнять эти установки —  простые на вид конструкции превратились в адские машины, и добиться стабильного результата не выходило. Поэтому в 80-х годах на первый план вышли токамаки.  В 1984 году был запущен европейский токамак JET, стоимость которого составила всего 180 млн долларов и параметры которого позволяли провести термоядерную реакцию. В СССР и Франции проектировали сверхпроводящие токамаки, которые почти не тратили энергию на работу магнитной системы. 

7. Кто сейчас учится проводить термоядерные реакции?

Многие страны строят свои термоядерные реакторы. Свои экспериментальные реакторы есть в Казахстане, Китае, США и Японии. Курчатовский институт работает над реактором IGNITOR. Германия запустила термоядерный реактор-стелларатор Wendelstein 7-X. 

Наиболее известен международный проект токамака ИТЭР (ITER, Международный экспериментальный термоядерный реактор) в исследовательском центре Кадараш (Франция). Его строительство предполагалось закончить в 2016 году, однако размеры необходимого финансового обеспечения выросли, а сроки экспериментов сдвинулись на 2025 год. В деятельности ИТЭР участвует Евросоюз, США, Китай, Индия, Япония, Южная Корея и Россия. Основную долю в финансировании играет ЕС (45%), остальные участники поставляют высокотехнологичное оборудование. В частности, Россия производит сверхпроводниковые материалы и кабели, радиолампы для нагрева плазмы (гиротроны) и предохранители для сверхпроводящих катушек, а также компоненты для сложнейшей детали реактора — первой стенки, которая должна выдержать электромагнитные силы, нейтронное излучение и излучение плазмы.

8. Почему мы до сих пор не пользуемся термоядерными реакторами?

Современные установки токамак – не термоядерные реакторы, а исследовательские установки, в которых возможно лишь на некоторое время существование и сохранение плазмы. Дело в том, что ученые пока не научились удерживать плазму в реакторе на длительный срок.  

На данный момент одним из самых больших достижений в области ядерного синтеза считается успех немецких ученых, которым удалось нагреть водородный газ до 80 миллионов градусов по Цельсию и поддерживать облако плазмы водорода в течение четверти секунды. А в Китае водородную плазму нагрели до 49.999 миллионов градусов и продержали ее 102 секунды. Российским ученым из ИЯФ (Институт ядерной физики имени Г. И. Будкера, Новосибирск) удалось добиться стабильного нагрева плазмы до десяти миллионов градусов Цельсия. Однако недавно американцы предложили способ удержания плазмы в течение 60 лет —  и это внушает оптимизм.

Кроме того, ведутся споры относительно рентабельности термоядерного синтеза в промышленности. Неизвестно, покроют ли выгоды от производства электроэнергии затраты на термоядерный синтез. Предлагается экспериментировать с реакциями (например, отказаться от традиционной реакции дейтерий-тритий или монотоплива в пользу других реакций), конструкционными материалами — а то и отказаться от идеи промышленного термоядерного синтеза, используя лишь его для отдельных реакций в реакциях деления. Однако ученые все равно продолжают эксперименты.

9. Безопасны ли термоядерные реакторы?

Относительно. Тритий, который используется в термоядерных реакциях, радиоактивен. Кроме того, нейроны, выделяющиеся в результате синтеза, облучают конструкцию реактора. Сами элементы реактора покрываются радиоактивной пылью из-за воздействия плазмы. 

Тем не менее, термоядерный реактор намного безопасней ядерного реактора в радиационном отношении. Радиоактивных веществ в реакторе относительно мало. Кроме того, сама конструкция реактора предполагает отсутствие “дыр”, через которые может просочиться радиация. Вакуумная камера реактора должна быть герметичной, иначе реактор просто не сможет работать. При строительстве термоядерных реакторов применяются испытанные ядерной энергетикой материалы, а в помещениях поддерживается пониженное давление.

Лэпп Р. Э., Эндрюс Г. Л. Физика ядерного излучения. — 1956 — Электронная библиотека «История Росатома»

Закладок нет.

 

 

Обложка122 вкл. 1пустая3456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960616263646566676869707172737475767778798081828384858687888990919293949596979899100101102103104105106107108109110111112113114115116117118119120121122123124125126127128129130131132133134135136137138139140141142143144145146147148149150151152153154155156157158159160161162163164165166167168169170171172173174175176177178179180181182183184185186187188189190191192193194195196197198199200201202203204205206207208209210211212213214215216217218219220221222223224225226227228229230231232233234235236237238239240241242243244245246247248249250251252253254255256257258259260261262263264265266267268269270271272273274275276277278279280281282283284285286287288289290291292293294295296297298299300301302303304305306307308309310311312313314315316317318319320321322323324325326327328329330331332333334335336337338339340341342343344345346347348349350351352353354355356357358359360361362363364365366367368369370371372373374375376377378379380381382383384385386387388389390391392393394395396397398399400401402403404405406407408409410411412413414415416417418419420421422423424425426427428429430431432433434435436Обложка (с. 4)Обложка – 12 – 2 вкл. 1пустая – 34 – 56 – 78 – 910 – 1112 – 1314 – 1516 – 1718 – 1920 – 2122 – 2324 – 2526 – 2728 – 2930 – 3132 – 3334 – 3536 – 3738 – 3940 – 4142 – 4344 – 4546 – 4748 – 4950 – 5152 – 5354 – 5556 – 5758 – 5960 – 6162 – 6364 – 6566 – 6768 – 6970 – 7172 – 7374 – 7576 – 7778 – 7980 – 8182 – 8384 – 8586 – 8788 – 8990 – 9192 – 9394 – 9596 – 9798 – 99100 – 101102 – 103104 – 105106 – 107108 – 109110 – 111112 – 113114 – 115116 – 117118 – 119120 – 121122 – 123124 – 125126 – 127128 – 129130 – 131132 – 133134 – 135136 – 137138 – 139140 – 141142 – 143144 – 145146 – 147148 – 149150 – 151152 – 153154 – 155156 – 157158 – 159160 – 161162 – 163164 – 165166 – 167168 – 169170 – 171172 – 173174 – 175176 – 177178 – 179180 – 181182 – 183184 – 185186 – 187188 – 189190 – 191192 – 193194 – 195196 – 197198 – 199200 – 201202 – 203204 – 205206 – 207208 – 209210 – 211212 – 213214 – 215216 – 217218 – 219220 – 221222 – 223224 – 225226 – 227228 – 229230 – 231232 – 233234 – 235236 – 237238 – 239240 – 241242 – 243244 – 245246 – 247248 – 249250 – 251252 – 253254 – 255256 – 257258 – 259260 – 261262 – 263264 – 265266 – 267268 – 269270 – 271272 – 273274 – 275276 – 277278 – 279280 – 281282 – 283284 – 285286 – 287288 – 289290 – 291292 – 293294 – 295296 – 297298 – 299300 – 301302 – 303304 – 305306 – 307308 – 309310 – 311312 – 313314 – 315316 – 317318 – 319320 – 321322 – 323324 – 325326 – 327328 – 329330 – 331332 – 333334 – 335336 – 337338 – 339340 – 341342 – 343344 – 345346 – 347348 – 349350 – 351352 – 353354 – 355356 – 357358 – 359360 – 361362 – 363364 – 365366 – 367368 – 369370 – 371372 – 373374 – 375376 – 377378 – 379380 – 381382 – 383384 – 385386 – 387388 – 389390 – 391392 – 393394 – 395396 – 397398 – 399400 – 401402 – 403404 – 405406 – 407408 – 409410 – 411412 – 413414 – 415416 – 417418 – 419420 – 421422 – 423424 – 425426 – 427428 – 429430 – 431432 – 433434 – 435436 – Обложка (с. 4)

 

 

Ядерных реакций – Радиоактивные распады

Итак, поговорим о ядерных реакциях. Что такое ядерные реакции? Ну, это реакции между ядрами. Хорошо, а что сохраняется в ядерной реакции? Ну, массовое число и заряд – это две вещи, которые всегда сохраняются в ядерной реакции в любой ядерной реакции. Каждый радиоактивный распад, каждое ядерное столкновение, каждая отдельная ядерная реакция сохранят массовое число и заряд. Хорошо.

Атомный номер не сохраняется. Так что на самом деле это часто меняется в ядерной реакции, и мы получаем нечто, называемое трансмутацией элементов. А этого не может произойти в химической реакции. Химическая реакция не может изменить атомный номер. Ядерные реакции это не так. Почти всегда будет изменение атомного номера.

Ядерные реакции связаны с большим количеством энергии. Мы говорим о реакциях, которые происходят внутри звезд, хорошо? В центре звезды.Это реакции, которые происходят. Также в ядерном реакторе, поэтому мы называем их ядерными реакторами. Хорошо. Итак, давайте посмотрим, как мы можем решить проблему, связанную с ядерной реакцией.

Хорошо. Итак, я собираюсь представить, что внутри звезды или внутри ядерного реактора у меня есть кислород 16, работающий со свинцом 208. У них происходит большое столкновение, и после того, как все сказано и сделано, мы получаем углерод 12, два. нейтроны и еще кое-что. И вопрос в том, что это еще? Хорошо.

Для начала я хочу записать все атомные числа, потому что атомные числа говорят мне заряд этих парней, и это еще одна вещь, которая сохраняется. Итак, кислород, кислород номер 8, так что я напишу это. Ведущий номер 82, так что я его напишу. Углерод, углерод – число 6. У нейтронов нет протонов. они просто нейтроны. Это означает, что не нужно заряжать одну атомную единицу массы. Хорошо. Теперь давайте пройдемся и попробуем определить, что это за вопросительный знак.

Я напишу это как x, а затем мы обычно используем z здесь внизу и a здесь вверху. Хорошо? Хорошо. Итак, мы скажем, глядя вверх, 16 + 208 должно равняться 12 + 2 + a, верно? 12 и 2 равно 14. Я уберу это из этих 16 и получу 2, 2 + 208 равно 210. Хорошо? Давай займемся зарядкой. Итак, у нас 8 + 82 равно 6+, 2 умножить на 0 равно 0, плюс z, хорошо? Я вычту это 6 из 8, и это дает мне 2. 2 + 82 равно 84, и это означает, что наш парень x здесь не более чем 210 сверху, 84 снизу.Число 84 говорит нам, как его назвать, потому что это атомный номер. 84 – это полоний, значит, это полоний-210, который образуется в результате этой ядерной реакции. Хорошо. Давайте перейдем к следующему.

Следующий говорит нам, что нейтрон собирается войти и ударит ядро ​​урана 235, а затем он ускорится с ядром цезия 135, тремя нейтронами и чем-то еще. Хорошо. эта реакция на самом деле очень важная реакция. Это называется вынужденным делением. Итак, нейтрон входит, ударяет по ядру урана, разделяет его на две части и выплевывает еще пару нейтронов.хорошо? Итак, эти парни являются продуктами реакции ядерного деления, и они собираются выйти в результате ядерных реакторов или в результате связи деления. Хорошо. Итак, давайте продолжим и решим эту проблему.

Хорошо. И снова нейтрон один ноль, уран – номер 92, цезий – номер 55, у нас есть один ноль, и мы снова собираемся избавиться от этого парня, мы собираемся называть его азх, потому что мы не знаем, что еще позвонить ему еще. Хорошо. Итак, у нас есть один плюс два тридцать, что равно 236, правильно, 135 + 3 + a, хорошо? И если вы пройдете через это, вы обнаружите, что должно быть 98.Хорошо, соедините нижнюю часть, у нас получится 92 = 55 + z, и снова, если вы пройдете через это, вы обнаружите, что z должно быть 37. Хорошо? Это означает, что этому парню будет 98, 37 лет. Кто номер 37? Обратитесь к таблице Менделеева, это рубидий. Хорошо. Итак, это другой продукт распада. Этот парень крайне нестабилен. Он очень быстро распадется. Хорошо.

Теперь посмотрим на последнюю реакцию. На самом деле это очень важная реакция, питающая солнце. Это называется сплавлением. У нас есть водород 2 и водород 3.они вместе сливаются и образуют гелий 4 и что-то еще. Теперь это действительно просто. Водород – 1, водород – 1, гелий – 2. Верно? Итак, если мы посмотрим на вершину, мы получим 2 и 3, то есть 5. У нас там только 4, так что у этого парня должен быть один. 1 и 1 равно 2, мы это уже получили. Значит, это ноль. А кто один ноль? это мой нейтрон. Итак, это реакция синтеза, которая выделяет нейтрон и эту прекрасную стабильную альфа-частицу гелия 4.

Это ядерные реакции.

10.5. Ядерные реакции – Physics LibreTexts

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Опишите и сравните три типа ядерного излучения
  • Используйте ядерные символы для описания изменений, происходящих во время ядерных реакций
  • Опишите процессы, участвующие в серии распада тяжелых элементов

Ранние эксперименты выявили три типа ядерных «лучей» или излучения: альфа \ ((\ alpha) \) лучи, бета \ ((\ beta) \) лучи и гамма \ ((\ gamma) \) лучи.Эти три типа излучения различаются по способности проникать в материю. Альфа-излучение с трудом проходит через тонкий лист бумаги. Бета-излучение может проникать в алюминий на глубину около 3 мм, а гамма-излучение может проникать в свинец на глубину 2 и более сантиметров (Рисунок \ (\ PageIndex {1} \)).

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): сравнение глубин проникновения альфа \ ((\ alpha) \), бета \ ((\ beta) \) и гамма \ ((\ gamma) \) излучения через различные материалы.

Электрические свойства этих трех типов излучения исследуются путем пропускания их через однородное магнитное поле, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {2} \).4He) \), \ (\ beta \) лучи с электронами и позитронами, (положительно заряженные электроны или антиэлектрона ), и \ (\ gamma \) лучи с фотонами высоких энергий. Мы подробно обсудим альфа, бета и гамма-излучение в оставшейся части этого раздела.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): влияние магнитного поля на альфа (\ (\ alpha \)), бета (\ (\ beta \)) и гамма (\ (\ gamma \)) излучение. Этот рисунок является схематическим. 4He \) – \ (\ alpha \) частица.При распаде \ (\ alpha \) ядро ​​с атомным номером Z распадается на ядро ​​с атомным номером \ (Z – 2 \) и атомной массой \ (A – 4 \). Интересно, что мечта древних алхимиков превратить другие металлы в золото с научной точки зрения осуществима посредством процесса альфа-распада. Усилия алхимиков потерпели неудачу, потому что они полагались на химические взаимодействия, а не на ядерные взаимодействия.

Посмотрите, как альфа-частицы вылетают из ядра полония, вызывая радиоактивный альфа-распад.+ \)) испускается ядром. Позитрон имеет ту же массу, что и электрон, но его заряд равен \ (+ e \). По этой причине позитрон иногда называют антиэлектроном. Как происходит распад \ (\ beta \)? Возможное объяснение состоит в том, что электрон (позитрон) ограничен ядром до распада и каким-то образом ускользает. Чтобы получить приблизительную оценку энергии убегания, рассмотрим упрощенную модель электрона, запертого в ящике (или, в терминологии квантовой механики, одномерной квадратной яме), которая имеет ширину типичного ядра (\ (10 ​​^ {-14} \)). 0e + \ overline {\ nu}.-\) разлагаться. Что такое дочернее ядро ​​в каждом случае?

Стратегия

Мы можем использовать процессы, описанные уравнениями \ ref {alpha} и Equation \ ref {beta}, а также Периодической таблицей, чтобы идентифицировать результирующие элементы.

Решение

Атомный номер и массовое число для частицы \ (\ alpha \) равны 2 и 4 соответственно. Таким образом, когда ядро ​​висмута-211 испускает частицу \ (\ alpha \), дочернее ядро ​​имеет атомный номер 81 и массовое число 207.0e + \ overline {\ nu}.} \]

Упражнение \ (\ PageIndex {1} \)

При радиоактивном бета-распаде атомное массовое число A увеличивается или уменьшается?

Решение

Ни то, ни другое; он остается прежним.

Гамма-распад

Ядро в возбужденном состоянии может распадаться до состояния более низкого уровня за счет излучения «гамма-фотона», и это известно как гамма-распад. Это аналогично снятию возбуждения атомного электрона.8 лет. Когда тяжелое ядро ​​распадается на более легкое, более легкое дочернее ядро ​​может стать родительским ядром для следующего распада и так далее. Этот процесс может вызвать длинную серию ядерных распадов, называемую серией распадов . Серия заканчивается стабильным ядром.

Чтобы проиллюстрировать концепцию серии распада, рассмотрим распад серии Th-232 (рисунок \ (\ PageIndex {3} \)). Число нейтронов N отложено по вертикальной оси y , а атомный номер Z отложено по горизонтальной оси x , поэтому Th-232 находится в координатах \ ( (N, Z) = (142.4He.} \]

Число нейтронов для радия-228 равно 140, поэтому на диаграмме он находится в координатах \ ((N, Z) = (140, \, 90) \). Радий-228 также нестабилен и распадается в результате испускания \ (\ alpha \) с периодом полураспада 5,76 года до актина-228. Атомный номер увеличивается на 1, массовое число остается прежним, а количество нейтронов уменьшается на 1. Обратите внимание, что на графике излучение \ (α \) выглядит как линия, наклоненная вниз влево, причем как N , так и Z уменьшается на 2.- \)) увеличивает атомный номер, как показано синими стрелками. Серия заканчивается на стабильном ядре Pb-208.

Относительная частота различных типов радиоактивных распадов (альфа, бета и гамма) зависит от многих факторов, включая силу задействованных сил и количество способов, которыми может происходить данная реакция без нарушения закона сохранения энергии и импульса. Как часто происходит радиоактивный распад, часто зависит от чувствительного баланса сильных электромагнитных сил и .

В качестве другого примера рассмотрим серию распада U-238, показанную на рисунке \ (\ PageIndex {4} \). После многочисленных альфа- и бета-распадов серия заканчивается стабильным ядром Pb-206.

Рисунок \ (\ PageIndex {4} \): В серии распадов урана-238 альфа \ ((\ alpha) \) -распады уменьшают атомный номер, как показано красными стрелками. Бета \ ((\ beta) \) распад увеличивает атомный номер, как показано синими стрелками. Серия заканчивается на стабильном ядре Pb-206.

Пример распада, родительское ядро ​​которого больше не существует естественным образом, показан на рисунке \ (\ PageIndex {5} \).Он начинается с Нептуния-237 и заканчивается стабильным ядром висмут-209. Нептуний называют трансурановым элементом , потому что он находится за пределами урана в периодической таблице. Уран имеет наивысший атомный номер \ ((Z + 92) \) из всех элементов, встречающихся в природе. Элементы с \ (Z> 92 \) могут быть изготовлены только в лаборатории. Скорее всего, они также существовали в природе во время образования Земли, но из-за их относительно короткого срока жизни полностью распались. Между естественными и искусственными элементами нет принципиальной разницы.-) \) распады увеличивают атомный номер, как показано синими стрелками. Серия заканчивается на стабильном ядре Bi-209.

Обратите внимание, что для Bi (21) распад может происходить через альфа- или бета-распад.

Радиоактивность Земли

По мнению геологов, если бы не было источника тепла, Земля остыла бы до нынешней температуры не более чем за 1 миллиард лет. Тем не менее, Земле более 4 миллиардов лет. Почему Земля так медленно остывает? Ответ – ядерная радиоактивность, то есть частицы высокой энергии, образующиеся при радиоактивных распадах, нагревают Землю изнутри (рис. \ (\ PageIndex {6} \)).{40} K \), период полураспада которых равен возрасту Земли или превышает его. Энергия, производимая этими распадами (в секунду на кубический метр), мала, но энергия не может легко уйти, поэтому ядро ​​Земли очень горячее. Тепловая энергия в ядре Земли передается на поверхность Земли и от нее посредством процессов конвекции, проводимости и излучения.

Авторы и авторство

Сэмюэл Дж. Линг (Государственный университет Трумэна), Джефф Санни (Университет Лойола Мэримаунт) и Билл Мобс со многими авторами.Эта работа лицензирована OpenStax University Physics в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution License (4.0).

DOE объясняет … Реакции ядерного синтеза | Министерство энергетики

Реакции ядерного синтеза приводят в действие Солнце и другие звезды. В реакции слияния два легких ядра сливаются в одно более тяжелое ядро. В процессе высвобождается энергия, потому что общая масса образовавшегося одиночного ядра меньше массы двух исходных ядер.Оставшаяся масса становится энергией. Уравнение Эйнштейна (E = mc 2 ), которое частично говорит о том, что масса и энергия могут быть преобразованы друг в друга, объясняет, почему происходит этот процесс. Если ученые разработают способ использования энергии синтеза в машинах на Земле, это может стать важным методом производства энергии.

Fusion может включать в себя множество различных элементов периодической таблицы. Однако исследователи, работающие в области применения термоядерной энергии, особенно интересуются реакцией синтеза дейтерий-тритий (DT).DT-синтез дает нейтрон и ядро ​​гелия. В процессе он также выделяет гораздо больше энергии, чем большинство реакций синтеза. В потенциальной будущей термоядерной электростанции, такой как токамак или стелларатор, нейтроны от реакций DT будут генерировать энергию для нашего использования. Исследователи сосредотачиваются на реакциях DT, потому что они производят большое количество энергии и происходят при более низких температурах, чем другие элементы.

Департамент науки и термоядерных реакций Министерства энергетики США

Департамент науки Министерства энергетики США, программа науки о термоядерной энергии (FES) стремится разработать практический источник термоядерной энергии.Для этого FES сотрудничает с другими программами Office of Science. Они работают с программой Advanced Scientific Computing Research, чтобы использовать научные вычисления для развития термоядерной науки, а также с программой ядерной физики по базам данных ядерных реакций, генерации ядерных изотопов и исследованиям в области нуклеосинтеза. FES также сотрудничает с Национальным управлением ядерной безопасности Министерства энергетики США для проведения фундаментальных исследований термоядерных реакций в поддержку миссии Министерства энергетики по управлению ядерными запасами.

Факты о реакциях термоядерного синтеза

  • Международный эксперимент ИТЭР по термоядерной энергии станет первой попыткой ученых создать самоподдерживающуюся реакцию термоядерного синтеза в течение длительного времени. «Горящая плазма» в ИТЭР будет нагреваться за счет термоядерных реакций, происходящих в самой плазме.
  • Для экспериментов по реакции термоядерного синтеза в Национальном центре зажигания Министерства энергетики в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса требуется 192 лазерных луча для наведения на цель DT размером меньше горошины. Это похоже на нанесение идеального удара в бейсболе с насыпи питчера в 350 милях от тарелки.

Ресурсы и связанные с ними термины

Благодарности

Мэтью Ланктот (Департамент науки Министерства энергетики США)

Научные термины могут сбивать с толку. DOE Explains предлагает простые объяснения ключевых слов и концепций фундаментальной науки. В нем также описывается, как эти концепции применяются к работе, которую проводит Управление науки Министерства энергетики США, поскольку это помогает Соединенным Штатам преуспевать в исследованиях по всему научному спектру.

Ядерные реакции – Ядерное излучение – Национальная версия 5 Physics Revision

Когда ядро ​​атома изменяется, образуются новые ядра и выделяется энергия. Это может происходить двумя способами и называется ядерной реакцией.

Ядерное деление

Ядерное деление – это процесс, при котором выделяется энергия, когда большой атом сталкивается с нейтроном, становится нестабильным и распадается на две или более меньшие части плюс два или три нейтрона.

Нейтрон вызывает деление ядра-мишени.

Когда это происходит, некоторая часть массы атома «теряется» – она ​​была преобразована непосредственно в энергию.Эта энергия находится в форме тепла, которое можно использовать для выработки электроэнергии на атомной электростанции.

Цепные реакции

Нейтроны, образовавшиеся в результате реакции, могут затем перейти к дальнейшим реакциям деления.

Цепь реакций деления

На каждой стадии скорость реакции увеличивается, увеличивая скорость высвобождения энергии. Если бы скорость реакции продолжала расти, за очень короткое время высвободилось бы огромное количество энергии – ядерный взрыв.

В ядерном реакторе цепная реакция контролируется с помощью стержней управления из бора. Они поглощают нейтроны и могут ограничивать количество нейтронов, поражающих атомы, и таким образом ограничивать производимую энергию.

Ядерный синтез

Ядерный синтез – это процесс, при котором может высвобождаться энергия, когда два меньших ядра сливаются вместе, образуя большее ядро.

Это тот же процесс, который происходит в звездах, таких как наше Солнце, которые выделяют тепло и свет.

Неядерная физика: конформная симметрия в ядерных реакциях

Значение

Симметрия играет ключевую роль в современной физике как руководящий принцип фундаментальных теорий природы.Мы используем нерелятивистскую конформную симметрию для предсказания универсальных энергетических спектров конечных состояний в реакциях квантовых частиц на совершенно разных масштабах длины. Наша работа расширяет «нечастичное» предложение Георгия на нерелятивистские фермионы со спином 1/2 в унитарном режиме сильных взаимодействий. Эти системы образуют так называемые нечастицы, поведение которых отличается от поведения обычных частиц. Они могут быть созданы с использованием ультрахолодных атомов и естественным образом происходить в ядерных реакциях с множественными нейтронами – ситуацию, которую мы называем «неядерной физикой».«Мы представляем общий сценарий неядерной физики, применяем его для идентификации ядер в ядерных реакциях и подчеркиваем возможность измерения ядер в установках с радиоактивным пучком.

Abstract

Мы исследуем нерелятивистскую версию «физики нечастиц» Георгия. Мы определяем неядро как поле в нерелятивистской конформной теории поля. Такое поле характеризуется массой и конформной размерностью. Затем мы рассматриваем формальную задачу о рассеянии до конечного состояния, состоящего из частицы и ядра, и показываем, что дифференциальное сечение как функция энергии отдачи, полученной частицей, имеет степенную особенность вблизи максимальной отдачи. энергия, где мощность определяется конформной размерностью неядра.Мы утверждаем, что в отличие от релятивистской нечастицы, которая остается гипотетическим объектом, ядро ​​в хорошем приближении реализуется в ядерных реакциях с испусканием нескольких нейтронов, когда энергия нейтронов в конечном состоянии в их центре масс рамка лежит в диапазоне от 0,1 МэВ до 5 МэВ. Комбинируя это наблюдение с известными универсальными свойствами фермионов при унитарности в гармонической ловушке, мы предсказываем степенное поведение инклюзивного сечения в этом кинематическом режиме.Мы проверяем наши прогнозы с помощью предыдущей эффективной теории поля и модельных расчетов реакций 6 He (p, pα) 2n, 3 H (π−, γ) 3n и 3 H (μ−, νμ) 3n. и обсудить возможности измерения неядер на установках с радиоактивным пучком.

Сноски

  • Вклад авторов: H.-W.H. и D.T.S. разработал исследования, провел исследования, предоставил новые реагенты / аналитические инструменты, проанализировал данные и написал статью.

  • Рецензенты: Э.Б., Государственный университет Огайо; и D.L., Университет штата Мичиган.

  • Авторы заявляют об отсутствии конкурирующей заинтересованности.

  • См. В Интернете сопутствующий контент, например, комментарии.

Доступность данных

Нет данных, лежащих в основе этой работы.

Физика урана и ядерной энергии

(обновлено в ноябре 2020 г.)

  • Ядерное деление – основной процесс производства ядерной энергии.
  • Радиоактивный распад как продуктов деления, так и трансурановых элементов, образующихся в реакторе, дает тепло даже после прекращения деления.
  • Реакции деления можно замедлить, чтобы увеличить расщепление, или немодерировать, чтобы получить дополнительное топливо.
  • Для реакторов, в которых в качестве замедлителя используется легкая вода, требуется обогащенный уран.
  • Разделение изотопов для обогащения урана осуществляется с помощью физических процессов.

Нейтроны

Движущиеся нейтроны – отправная точка всего, что происходит в ядерном реакторе.

Когда нейтрон проходит рядом с тяжелым ядром, например, с ураном-235 (U-235), нейтрон может быть захвачен ядром, и это может сопровождаться или не сопровождаться делением. Захват включает добавление нейтрона к ядру урана с образованием нового составного ядра. Простым примером является U-238 + n ==> U-239, который представляет собой образование ядра U-239.Новое ядро ​​может распасться на другой нуклид. В этом примере U-239 становится Np-239 после испускания бета-частицы (электрона). Но в некоторых случаях за первоначальным захватом быстро следует деление нового ядра. Происходит ли деление и действительно ли происходит захват, зависит от скорости проходящего нейтрона и от конкретного вовлеченного тяжелого ядра.

Ядерное деление

Деление может происходить в любом из тяжелых ядер после захвата нейтрона.Однако низкоэнергетические (медленные или тепловые) нейтроны способны вызывать деление только тех изотопов урана и плутония, ядра которых содержат нечетное количество нейтронов (, например, U-233, U-235 и Pu-239). Тепловое деление может также происходить в некоторых других трансурановых элементах, ядра которых содержат нечетное число нейтронов. Для ядер, содержащих четное число нейтронов, деление может происходить только в том случае, если падающие нейтроны имеют энергию выше примерно одного миллиона электрон-вольт (МэВ). (Недавно созданные нейтроны деления относятся к этой категории и движутся со скоростью примерно 7% от скорости света, в то время как замедленные нейтроны движутся намного медленнее, примерно в восемь раз быстрее скорости звука).

Нейтронные сечения деления урана и плутония

Считается, что нейтрон имеет тепловую энергию, когда он замедляется, чтобы находиться в тепловом равновесии с окружающей средой (когда кинетическая энергия нейтронов подобна той, которой обладают окружающие атомы из-за их случайного теплового движения). Следовательно, основное применение деления урана сегодня – это тепловые реакторы, работающие на U-235 и содержащие замедлитель, такой как вода, для замедления нейтронов.Наиболее распространенный пример – легководные реакторы *.

* Существует две основных разновидности: реакторы с водой под давлением и реакторы с кипящей водой.

Другими делящимися тяжелыми ядрами (подразумевающими тепловое деление) являются U-233, Pu-239 и Pu-241. Каждый из них производится искусственно в ядерном реакторе из плодородных ядер Th-232 (в некоторых реакторах), U-238 и Pu-240 соответственно. U-235 – единственный изотоп природного происхождения, который является термически делящимся, и он присутствует в природном уране в концентрации 0.7%. U-238 и Th-232 являются основными фертильными изотопами природного происхождения.

Вероятность того, что произойдет деление или любая другая реакция, вызванная нейтронами, описывается нейтронным сечением этой реакции. Это можно представить как область, окружающую ядро-мишень, внутри которой должен пройти падающий нейтрон, если должна произойти реакция. Сечения деления и другие поперечные сечения сильно увеличиваются по мере того, как скорость нейтронов уменьшается с примерно 20 000 км / с до 2 км / с, что увеличивает вероятность некоторого взаимодействия.В ядрах с нечетным числом нейтронов, таких как U-235, сечение деления становится очень большим при тепловых энергиях медленных нейтронов.

Как предполагалось ранее, нейтроны с высокой энергией (> 0,1 МэВ) движутся слишком быстро, чтобы иметь сильное взаимодействие с ядрами в топливе. Поэтому мы говорим, что сечение деления этих ядер значительно уменьшается при высоких энергиях нейтронов по сравнению с его значением при тепловых энергиях (для медленных нейтронов). Тем не менее, это так называемое деление на быстрых нейтронах можно использовать в реакторе на быстрых нейтронах, конструкция которого сводит к минимуму замедление нейтронов высокой энергии, образующихся в процессе деления.См. ниже.

Ядерное деление – процесс

При использовании U-235 в тепловом реакторе в качестве примера, когда нейтрон * захвачен, полная энергия распределяется между 236 нуклонами (протонами и нейтронами), которые сейчас присутствуют в составном ядре. Это ядро ​​относительно нестабильно, и оно, вероятно, разобьется на два фрагмента примерно половиной массы. Эти фрагменты представляют собой ядра, обнаруженные примерно в середине Периодической таблицы, и вероятностный характер распада приводит к нескольким сотням возможных комбинаций.Создание осколков деления почти мгновенно сопровождается испусканием ряда нейтронов (обычно 2 или 3, в среднем 2,45), которые позволяют поддерживать цепную реакцию.

* Цепная реакция начинается при добавлении некоторого количества бериллия, смешанного с полонием, радием или другим альфа-излучателем. Альфа-частицы в результате распада вызывают высвобождение нейтронов из бериллия, когда он превращается в углерод-12.

Распределение продуктов деления

Около 85% высвобождаемой энергии первоначально составляет кинетическая энергия осколков деления.Однако в твердом топливе они могут перемещаться только на микроскопические расстояния, поэтому их энергия преобразуется в тепло. Баланс энергии обеспечивается гамма-лучами, испускаемыми во время или сразу после процесса деления, и кинетической энергией нейтронов. Некоторые из последних являются мгновенными (так называемые мгновенные нейтроны), но небольшая часть (0,66% для U-235, 0,27% для U-233, 0,23% для Pu-239) задерживается, поскольку они связаны с радиоактивными распад некоторых продуктов деления. Самая длинная группа запаздывающих нейтронов имеет период полураспада около 56 секунд.

Высвобождение запаздывающих нейтронов является решающим фактором, позволяющим управлять системой (или реактором) с цепной реакцией и поддерживать ее в критическом состоянии. При критичности система цепной реакции находится в точном равновесии, так что количество нейтронов, образующихся при делении, остается постоянным. Это количество нейтронов может быть полностью объяснено суммой нейтронов, вызывающих дальнейшее деление, поглощенных иным образом и вытекающих из системы. В этих условиях мощность, вырабатываемая системой, остается постоянной.Чтобы повысить или понизить мощность, необходимо изменить баланс (с помощью системы управления), чтобы количество присутствующих нейтронов (и, следовательно, скорость выработки энергии) либо уменьшалось, либо увеличивалось. Система управления используется для восстановления баланса при достижении желаемого нового уровня мощности.

Количество нейтронов и конкретные продукты деления от любого акта деления регулируются статистической вероятностью, в том смысле, что точный распад отдельного ядра не может быть предсказан. Однако законы сохранения требуют сохранения общего числа нуклонов и полной энергии.Реакция деления в U-235 производит продукты деления, такие как Ba, Kr, Sr, Cs, I и Xe с атомными массами, распределенными около 95 и 135. Можно привести примеры типичных продуктов реакции, таких как:

U-235 + n ===> Ba-144 + Kr-90 + 2n + около 200 МэВ

U-235 + n ===> Ba-141 + Kr-92 + 3n + 170 МэВ

U-235 + n ===> Zr-94 + Te-139 + 3n + 197 МэВ

В таком уравнении число нуклонов (протоны + нейтроны) сохраняется, например. 235 + 1 = 141 + 92 + 3, но можно показать, что небольшая потеря атомной массы эквивалентна высвобожденной энергии. Изотопы бария и криптона впоследствии распадаются и образуют более стабильные изотопы неодима и иттрия с испусканием нескольких электронов из ядра (бета-распад). Именно бета-распад и некоторые связанные с ним гамма-лучи делают продукты деления очень радиоактивными. Эта радиоактивность (по определению!) Со временем уменьшается.

Полная энергия связи, выделяющаяся при делении атомного ядра, изменяется в зависимости от точного разрушения, но в среднем составляет около 200 МэВ * для U-235 или 3.2 x 10 -11 джоулей. Это примерно 82 ТДж / кг. То же, что и у U-233, а у Pu-239 – около 210 МэВ * на деление. (Это контрастирует с 4 эВ или 6,5 x 10 -19 Дж на атом углерода, сжигаемого в ископаемом топливе.)

Около 6% тепла, выделяемого в активной зоне реактора, происходит за счет радиоактивного распада продуктов деления и трансурановых элементов, образованных в результате захвата нейтронов, в основном первых. Это должно быть учтено при остановке реактора, поскольку тепловыделение продолжается после прекращения деления.Именно этот распад заставляет использованное топливо изначально выделять тепло и, следовательно, нуждаться в охлаждении, как публично продемонстрировала авария на Фукусиме, когда охлаждение было потеряно через час после остановки, а топливо все еще производило около 1,5% тепла от полной мощности. Даже через год типичное отработанное топливо выделяет около 10 кВт остаточного тепла на тонну, а через десять лет оно снижается до 1 кВт / т.

Нейтронный захват: трансурановые элементы и продукты активации

Нейтроны могут быть захвачены неделящимися ядрами, и некоторая энергия вырабатывается этим механизмом в форме гамма-лучей при девозбуждении составного ядра.Образовавшееся новое ядро ​​может стать более стабильным за счет испускания альфа- или бета-частиц. Захват нейтрона одним из изотопов урана сформирует так называемые трансурановые элементы, актиниды помимо урана в периодической таблице.

Поскольку U-238 составляет основную часть материала тепловыделяющего элемента в тепловом реакторе, захват нейтронов U-238 и создание U-239 является важным процессом.

  • U-239 быстро испускает бета-частицу, превращаясь в нептуний-239.
  • Np-239, в свою очередь, испускает бета-частицу, превращающуюся в плутоний-239, который является относительно стабильным.
  • Некоторые ядра Pu-239 могут захватывать нейтрон и превращаться в Pu-240, который менее стабилен.
  • При дальнейшем захвате нейтронов некоторые ядра Pu-240 могут, в свою очередь, образовать Pu-241.
  • Pu-241 также подвергается бета-распаду до америция-241 (сердце бытовых детекторов дыма).

Как уже отмечалось, Pu-239 расщепляется так же, как U-235, , т.е. , с тепловыми нейтронами. Это еще один основной источник энергии в любом ядерном реакторе. Если топливо остается в реакторе в течение типичных трех лет, около двух третей Pu-239 расщепляется с U-235, и он обычно дает около одной трети выделяемой энергии.Масса продуктов его деления составляет около 100 и 135 атомных единиц массы. Одно отличие состоит в том, что при делении Pu-239 в тепловом реакторе в среднем получается 2,9 нейтрона вместо почти 2,5 для U-235, а его поперечное сечение деления в три раза превышает поперечное сечение захвата, так что примерно четверть реакций приводит к образованию неделящегося Pu-240. В быстром реакторе Pu-239 производит больше нейтронов за одно деление (, например, при 2 МэВ: четыре), поэтому он лучше подходит для спектра быстрых нейтронов (см. Ниже).

Основными трансурановыми составляющими отработанного топлива являются изотопы плутония, кюрия, нептуния и америция, последние три из которых являются «второстепенными актинидами». Эти альфа-излучатели имеют длительный период полураспада, распадаясь во времени, аналогичном изотопам урана. Они являются причиной того, что использованное топливо необходимо надежно утилизировать через несколько тысяч лет или около того, что может потребоваться только для распада продуктов деления.

Активность высокоактивных отходов от одной тонны отработанного топлива

Помимо трансурановых элементов в топливе реактора, продукты активации образуются везде, где нейтроны сталкиваются с любым другим материалом, окружающим топливо.Продукты активации в реакторе (и особенно его стальные компоненты, подверженные воздействию нейтронов) варьируются от трития (H-3) и углерода-14 до кобальта-60, железа-55 и никеля-63. Последние четыре радиоизотопа создают трудности во время возможного сноса реактора и влияют на то, в какой степени материалы могут быть переработаны.

Реакторы на быстрых нейтронах

В реакторе на быстрых нейтронах топливом в активной зоне является Pu-239, а многочисленные нейтроны, которые утекают из активной зоны, порождают больше Pu-239 в плодородном бланкете из U-238 вокруг активной зоны.Незначительная часть U-238 может быть подвержена делению, но большая часть нейтронов, достигающих бланкета U-238, потеряет часть своей первоначальной энергии и, следовательно, подлежит захвату и, таким образом, воспроизводству Pu-239. Для охлаждения активной зоны реактора на быстрых нейтронах требуется теплоноситель с минимальным замедлением нейтронов, поэтому используются жидкие металлы, обычно натрий.

Такие реакторы могут быть до 100 раз более эффективными при преобразовании фертильного материала, чем обычные тепловые реакторы, из-за расположения делящихся и воспроизводящих материалов, и есть некоторое преимущество от того факта, что Pu-239 дает больше нейтронов при делении, чем U-235. .Хотя оба дают больше нейтронов за одно деление при расщеплении быстрыми, а не медленными нейтронами, это случайно, поскольку сечения деления намного меньше при высоких энергиях нейтронов. В то время как коэффициент конверсии (отношение новых делящихся ядер к делящимся ядрам) в обычном реакторе составляет около 0,6, в быстром реакторе может превышать 1,0. Реакторы на быстрых нейтронах могут быть спроектированы как размножающие, чтобы производить больше делящегося материала, чем они потребляют, или как горелки для сжигания плутония, чтобы избавиться от избыточного плутония.Плутониевая горелка будет спроектирована без воспроизводящего бланкета, просто с активной зоной, оптимизированной для плутониевого топлива, и это вероятная форма будущих реакторов на быстрых нейтронах, даже если они будут иметь некоторую воспроизводящую функцию.

Например, реактор-размножитель на быстрых нейтронах был первоначально задуман для увеличения мировых запасов урана и мог сделать это примерно в 60 раз. Хотя несколько стран осуществляли обширные программы разработки реакторов-размножителей на быстрых нейтронах, возникли серьезные технические проблемы и проблемы с материалами.В той мере, в какой это позволяли эти программы, не было установлено, что какой-либо из проектов был бы коммерчески конкурентоспособен с существующими легководными реакторами. Важным аспектом экономики быстрых реакторов является ценность получаемого плутониевого топлива; если это не демонстрирует преимущества по сравнению с современными затратами на уран, от использования этого типа реактора будет мало пользы. Эта точка зрения была подтверждена в 1980-х и 1990-х годах из-за признания большого количества урана в геологических ресурсах и его относительно низкой в ​​то время цены.

Реакторы на быстрых нейтронах

обладают сильным отрицательным температурным коэффициентом (реакция замедляется при чрезмерном повышении температуры), неотъемлемой функцией безопасности и основой автоматического отслеживания нагрузки в некоторых новых конструкциях за счет управления потоком теплоносителя.

Сегодня интерес к реакторам на быстрых нейтронах возобновился по трем причинам. Во-первых, их потенциальная роль в сжигании долгоживущих актинидов, извлеченных из отработанного топлива легководных реакторов, во-вторых, краткосрочная роль в утилизации бывшего военного плутония и, в-третьих, обеспечение более полного использования мировых ресурсов урана (даже несмотря на то, что они повторно используются). обильный).Во всех отношениях технология важна с точки зрения долгосрочной устойчивости мировой энергетики.

Дополнительную информацию см. На странице Реакторы на быстрых нейтронах.

Контроль деления

При делении ядер U-235 обычно выделяется 2 или 3 нейтрона, в среднем почти 2,5. Один из этих нейтронов необходим для поддержания цепной реакции на устойчивом уровне контролируемой критичности; в среднем, другие утекают из области активной зоны или поглощаются в реакциях неделения.Управляющие стержни, поглощающие нейтроны, используются для регулирования выходной мощности реактора. В них обычно используется бор и / или кадмий (оба являются сильными поглотителями нейтронов), и они вставляются между тепловыделяющими сборками. Когда они немного отодвигаются от своего положения при критичности, количество нейтронов, доступных для продолжающегося деления, превышает единицу (, т.е. превышена критичность ), и уровень мощности увеличивается. Когда мощность достигает желаемого уровня, стержни управления возвращаются в критическое положение, и мощность стабилизируется.

Способность управлять цепной реакцией полностью обусловлена ​​наличием небольшой доли запаздывающих нейтронов, возникающих в результате деления (0,66% для U-235, 0,27% для U-233, 0,23% для Pu-239). Без этого любое изменение критического баланса цепной реакции привело бы к практически мгновенному и неконтролируемому увеличению или уменьшению популяции нейтронов. Также уместно отметить, что безопасная конструкция и эксплуатация реактора устанавливают очень строгие ограничения на допустимые отклонения от критичности.Эти ограничения встроены в общий дизайн.

Во время сжигания топлива в реакторе постепенно накапливаются продукты деления и трансурановые элементы, вызывающие дополнительное поглощение нейтронов. Систему управления необходимо отрегулировать, чтобы компенсировать повышенное поглощение. Когда топливо находится в реакторе около трех лет, это увеличение абсорбции, наряду с металлургическими изменениями, вызванными постоянной нейтронной бомбардировкой топливных материалов, требует замены топлива.Это эффективно ограничивает выгорание примерно до половины делящегося материала, после чего тепловыделяющие сборки должны быть удалены и заменены свежим топливом. Срок службы топлива можно продлить за счет использования выгорающих ядов, таких как гадолиний, действие которых компенсирует накопление поглотителей нейтронов.

Нейтроны, высвобождаемые при делении, изначально являются быстрыми (скорость около 10 9 см / сек или энергия более 1 МэВ), но деление в U-235 наиболее легко вызывается медленными нейтронами (скорость около 10 5 см / с, или энергия около 0.02 эВ). Таким образом, материал замедлителя, содержащий легкие атомы, окружает топливные стержни в реакторе. Не поглощая слишком много, он должен замедлять нейтроны в упругих столкновениях (сравните это со столкновениями между бильярдными шарами в атомном масштабе). В реакторе, использующем природный (необогащенный) уран, единственными подходящими замедлителями являются графит и тяжелая вода (они имеют низкие уровни нежелательного поглощения нейтронов). При обогащенном уране (, т.е. повышенная концентрация U-235) обычная (легкая) вода может использоваться в качестве замедлителя.(Вода также обычно используется в качестве хладагента, чтобы отводить тепло и генерировать пар.)

Для управления цепной реакцией в различных типах реакторов могут использоваться другие функции. Например, небольшое количество бора может быть добавлено к охлаждающей воде, и его концентрация будет постепенно уменьшаться по мере того, как другие поглотители нейтронов накапливаются в топливных элементах. (В аварийных ситуациях может быть предусмотрено быстрое добавление чрезмерного количества бора в воду.)

Промышленные энергетические реакторы обычно проектируются с отрицательными температурными и пустотными коэффициентами.Смысл этого состоит в том, что если температура должна подняться выше нормального рабочего уровня или если кипение должно произойти за пределы допустимого уровня, баланс цепной реакции нарушается, так что скорость деления и, следовательно, понижается. Один из задействованных механизмов – это эффект Доплера, при котором U-238 поглощает больше нейтронов при повышении температуры, тем самым подталкивая нейтронный баланс к докритическому. Другой важный механизм в легководных реакторах заключается в том, что образование пара внутри водяного замедлителя снижает его плотность и, следовательно, его замедляющий эффект, и это снова смещает нейтронный баланс в сторону докритического.

В военно-морских реакторах, используемых для приведения в движение, где смена топлива неудобна, топливо изначально обогащается до более высоких уровней и в него включаются выгорающие яды – поглотители нейтронов, и первоначальная загрузка топлива может длиться в течение всего срока службы судна. Следовательно, по мере накопления продуктов деления и трансурановых элементов «яд» истощается, и два эффекта имеют тенденцию нейтрализовать друг друга. Чтобы максимально увеличить выгорание топлива коммерческих реакторов, все чаще используются выгорающие яды, такие как гадолиний, наряду с увеличением обогащения до 5% по U-235.Гадолиний входит в состав керамических топливных таблеток. Альтернативой является встроенный абсорбер выгорающего топлива из бромида циркония (IFBA) в виде тонкого покрытия на обычных таблетках. Сейчас он используется в большинстве реакторов в США и некоторых в Азии.

Во время сжигания топлива в реакторе постепенно накапливаются продукты деления и трансурановые элементы, вызывающие дополнительное поглощение нейтронов. Систему управления необходимо отрегулировать, чтобы компенсировать повышенное поглощение. Когда топливо находится в реакторе около трех лет, это увеличение абсорбции, наряду с металлургическими изменениями, вызванными постоянной нейтронной бомбардировкой топливных материалов, требует замены топлива.Это эффективно ограничивает выгорание примерно до половины делящегося материала, после чего тепловыделяющие сборки должны быть удалены и заменены свежим топливом. Срок службы топлива можно продлить за счет использования выгорающих ядов, таких как гадолиний, действие которых компенсирует накопление поглотителей нейтронов.

Деление при разведке урана

Традиционно при разведке урана в большинстве случаев использовалось измерение гамма-излучения от уранового рудного тела. Однако это происходит от продуктов распада, а не от самого урана.В тех случаях, когда уран был выщелочен из исходного рудного тела с продуктами его распада и депонирован в другом месте, например, в заглубленных речных каналах, измерения гамма-излучения не дают точного определения концентраций урана. Лучшим показателем является небольшое расщепление.

Портативный прибор для регистрации мгновенных нейтронов деления (PFN) использует источник нейтронов и детектор нейтронов. Источник нейтронов облучает залежь урана, и мгновенные или запаздывающие нейтроны, возникающие в результате деления любого урана, присутствующего в пласте, обнаруживаются и регистрируются.Это единственный надежный способ геофизических измерений некоторых урановых месторождений.

Ядерный синтез

Хотя не только из урана, но и ведется большое количество исследований по использованию энергии ядерного синтеза. Возможен ряд реакций, но технологически доступной является дейтерий-тритиевая реакция. Это оказалось возможным в небольшом реакторе – Joint European Torus (JET) – где на короткое время было достигнуто 16 МВт, а в 1997 году было поддержано 5 МВт.В настоящее время эта работа расширяется на международном уровне с помощью ИТЭР, строящегося во Франции.

Реакция:

H-2 + H-3 ===> He-4 + нейтрон + 17,6 МэВ

Тритий можно вывести из лития-6 в бланкете вокруг тора, используя нейтроны реакции:

Li-6 + нейтрон == ⇒ He-4 + H-3 (тритий) + 4,8 МэВ

В морской воде относительно много дейтерия.

Для получения дополнительной информации см. Страницу «Ядерный синтез».

Обогащение урана

Обогащение или разделение изотопов – это физический процесс концентрирования («обогащения») одного изотопа относительно других.Наиболее распространенные типы промышленных энергетических реакторов используют воду как в качестве замедлителя, так и в качестве теплоносителя. Критичность может быть достигнута только с водяным замедлителем, если топливо обогащено. Обогащение увеличивает долю делящегося изотопа U-235 примерно в пять-семь раз по сравнению с 0,7% U-235, содержащимся в природном уране. Обогащение обычно зависит от небольшой разницы масс между атомами двух изотопов U-238 и U-235. Двумя основными процессами обогащения (или разделения изотопов) являются диффузия (диффузия газа под давлением через мембрану, содержащую микроскопические поры) и центрифугирование.

Для получения дополнительной информации см. Страницу по обогащению урана


Примечания и ссылки

Общие источники

Алан Маркс
ANSTO
Альберт Рейнольдс, 1996, Колокольчики и ядерная энергия , Cogito Press
Энтони Неро-младший, 1979, Справочник по ядерной энергии , UC Press
К. Р. Хилл и Р. С. Пиз, 1999, Ядерное электричество – памятные воспоминания, в Ядерная энергия, обещание или опасность? World Scientific

Основы ядерной физики и деления

Базовые знания в области ядерной физики для тех, кто хочет начать с самого начала.
Некоторые термины, используемые в этом информационном бюллетене, можно найти в он-лайн глоссарии IEER.

А. Строение атома

Атомы, из которых состоит каждый элемент материи, имеют ядро ​​в центре и электроны, вращающиеся вокруг этого ядра, которые можно визуализировать как планеты, вращающиеся вокруг Солнца, хотя невозможно точно определить их местонахождение внутри атома. Ядра атомов состоят из протонов, имеющих положительный электрический заряд, и нейтронов, которые электрически нейтральны.Электроны электрически отрицательны и имеют заряд, равный по величине заряду протона.

Число электронов в атоме обычно равно числу протонов в ядре. В результате атомы элементов обычно электрически нейтральны. Масса атома почти полностью лежит в его ядре, поскольку протоны и нейтроны намного тяжелее электронов.

Свободные нейтроны – это нестабильные частицы, которые естественным образом распадаются на протон и электрон с периодом полураспада около 12 минут.

нейтрон ===> протон + электрон + нейтрино

Однако примечательно, что нейтроны, когда они существуют вместе с протонами в ядрах атомов, стабильны. Протоны примерно в 1836 раз тяжелее электронов, а нейтроны примерно в 1838 раз тяжелее электронов. Энергетический баланс при распаде нейтрона достигается с помощью антинейтрино
, нейтральной частицы, которая уносит избыточную энергию при распаде нейтрона
. Номинальная масса атома элемента измеряется суммой протонов и нейтронов в нем.Это целое число называется массовым числом . На номинальную массу атома не влияет количество электронов, которые очень легкие. Следовательно, номинальная масса, основанная на массовом числе, приближается к фактической атомной массе. Число протонов в ядре, определяющее химические свойства элемента, называется атомным номером . Элементы расположены в порядке возрастания атомных номеров в системе, называемой периодической таблицей. Термин происходит от тенденции к периодичности химических свойств, обусловленных расположением электронов в атомах.

Б. Радиоактивный распад

Ядра некоторых элементов нестабильны. Эти ядра радиоактивны, в том, что они испускают энергию и частицы, вместе называемые «излучением». Все элементы имеют по крайней мере некоторые изотопы, которые являются радиоактивными. Все изотопы тяжелых элементов с массовыми числами больше 206 и атомными номерами больше 83 радиоактивны.

Есть несколько способов радиоактивного распада нестабильных ядер:

  • Альфа-распад, при котором происходит испускание ядра гелия-4, содержащего два протона и два нейтрона.Это наименее проникающая форма излучения. Он останавливается мертвым слоем кожи и не причиняет вреда, когда находится вне тела. Но это самая разрушительная форма радиации, когда она попадает внутрь тела.
  • Бета-распад, при котором испускается электрон или позитрон (частица, идентичная электрону, за исключением того, что она имеет положительный электрический заряд).
  • Захват электрона, то есть захват ядром электрона из числа вращающихся вокруг него. Фактически электрон соединяется с протоном, образуя нейтрон.
  • Спонтанное деление, которое представляет собой деление тяжелого элемента без ввода каких-либо внешних частиц или энергии.

Часто в ядре остается избыточная остаточная энергия после испускания частицы или после захвата электрона. Часть этой остаточной энергии после радиоактивного распада может испускаться в виде высокочастотного электромагнитного излучения, называемого гамма-лучами. Гамма-лучи по сути похожи на рентгеновские лучи и являются наиболее проникающей формой излучения. Следует отметить, что испускание гамма-лучей не изменяет массовое число или атомный номер ядра, то есть, в отличие от радиоактивного распада путем испускания частиц, спонтанного деления или захвата электронов, оно не вызывает трансмутации ядра. в другой элемент.

Каждый квант или единица гамма-луча (или другой электромагнитной энергии) называется фотоном . Гамма-лучи похожи на свет, за исключением того, что они представляют собой электромагнитные лучи гораздо более высокой частоты. Энергия фотона прямо пропорциональна частоте электромагнитного излучения. Фотоны гамма-излучения могут повредить живые клетки, расщепляя молекулы или ионизируя в них элементы.

Многие тяжелые ядра при распаде испускают энергичные альфа-частицы. Например, уран-238 распадается на торий-234 с периодом полураспада почти 4.5 миллиардов лет из-за испускания альфа-частицы:

92-уран-238 ====> 90-торий-234 + альфа-частица (ядро 2-гелия-4)

Массовое число урана-238 уменьшается на четыре, а его атомный номер на два, когда он испускает альфа-частицу. Число перед именем элемента – это атомный номер, а после имени элемента – массовое число. Суммы атомных номеров и массовых чисел, соответственно, по обе стороны ядерной реакции должны быть одинаковыми.(Это похоже на уравновешивание химического уравнения, в котором количество атомов каждого элемента с обеих сторон реакции должно быть одинаковым)

При бета-распаде атомный номер увеличивается на единицу, если испускается электрон, или уменьшается на единицу, если испускается позитрон. Например, торий-234, который является продуктом распада урана-238, в свою очередь, бета-распад в протактиний-234, испуская электрон:

90-торий-234 ====> 91-протактиний-234 + бета-частица (электрон)

Ядра, образовавшиеся в результате радиоактивного распада, могут сами быть радиоактивными.Следовательно, некоторые радиоактивные элементы имеют цепочки распада, которые могут содержать много радиоактивных элементов, один из которых является производным другого. (См. Информационный бюллетень по урану, где представлена ​​диаграмма цепочки распада урана-238.)

Вероятностно описан радиоактивный распад ядер. В течение любого заданного периода времени конкретное нестабильное ядро ​​имеет фиксированную вероятность распада. В результате каждый радиоактивный элемент характеризуется «периодом полураспада», то есть временем, за которое половина исходных атомов распадается (или превращается в другой элемент или ядерное состояние).По истечении одного периода полураспада половина исходного элемента остается, а другая половина превращается в другой элемент. После двух периодов полураспада остается одна четверть исходного элемента; после трех периодов полураспада остается одна восьмая и так далее. Это приводит к накоплению продуктов распада. Если сами продукты распада распадаются на другие элементы, образуется целый ряд радиоактивных материалов. Продукты распада радиоактивных элементов также называют дочерними продуктами , или потомками.

C. Энергия связи

Ядра тесно связаны друг с другом сильным ядерным взаимодействием, и каждое ядро ​​имеет характерную энергию связи . Это количество энергии, необходимое для полного разрушения ядра и отделения в нем всех нейтронов и протонов. Обычно энергия связи увеличивается на несколько мегаэлектронвольт (МэВ) для каждого протона или нейтрона, добавленного к ядру. (Поскольку протоны и нейтроны являются составными частицами ядер, вместе они известны как нуклона.) Высвобождение ядерной энергии происходит из-за разницы в энергии связи между исходным ядром (или ядрами) и относительно конечных продуктов ядерной реакции, таких как деление или синтез.

Электроны, вращающиеся вокруг ядра, удерживаются вместе на своих орбитах электрическими силами. Чтобы выбить электрон из внешней оболочки атома, требуется порядка нескольких электрон-вольт. «Энергия связи» нуклона примерно в миллион раз больше.Электроны – это частицы, запускающие химические реакции; нуклоны принимают участие в ядерных реакциях. Огромные различия в энергии связи являются одним из показателей различий в количествах энергии, получаемой в результате ядерных реакций, по сравнению с химическими реакциями.

Следует подчеркнуть, что энергия связи – это количество энергии , которое должно быть добавлено к ядру, чтобы разбить его. Его можно представить (приблизительно) как количество энергии, высвобождаемой, когда нуклон втягивается в ядро ​​из-за короткодействующей ядерной силы притяжения.Поскольку энергия и масса эквивалентны, ядер с более высокой энергией связи на нуклон имеют более низкий атомный вес на нуклон.

Ключом к высвобождению ядерной энергии при делении тяжелых элементов и слиянии легких элементов является то, что элементы в середине периодической таблицы элементов с промежуточными массовыми числами имеют более высокую энергию связи на нуклон (то есть меньший атомный вес на один нуклон). нуклон). Следовательно, когда тяжелое ядро ​​делится, результирующие продукты ядерной реакции имеют немного меньшую общую ядерную массу.Эта разница масс преобразуется в энергию во время ядерного деления.

D. Деление ядер

Ядерная энергия производится путем преобразования небольшого количества массы ядра атома в энергию. В принципе, вся масса и энергия эквивалентны в пропорции, определяемой знаменитым уравнением Альберта Эйнштейна

.

E = mc 2

, где E означает энергию, m – массу, а c – скорость света. Поскольку скорость света очень велика – 300 миллионов метров в секунду, – небольшое количество массы эквивалентно очень большому количеству энергии.Например, один килограмм (около 2,2 фунта) вещества эквивалентен

E = 1 кг x (3 x 10 8 метров / сек) 2 = 1 x 3 x 10 8 x 3 x 10 8 джоулей
= 9 x 10 16 джоулей

Это огромное количество энергии, эквивалентное энергосодержанию более трех миллионов метрических тонн угля.

Тяжелые атомы, такие как уран или плутоний, можно расщепить, бомбардируя их нейтронами. Полученные в результате осколки, называемые продуктами деления, имеют промежуточный атомный вес, а общая масса немного меньше, чем у исходного ядра.Разница проявляется как энергия. Как объяснялось в предыдущем разделе, эта разница в массе возникает из-за характеристик энергии связи тяжелых элементов по сравнению с элементами с промежуточным атомным весом. Поскольку энергия связи продуктов деления на нуклон выше, их полная масса нуклонов ниже. В результате деление превращает часть массы тяжелого ядра в энергию.

Энергетические и массовые аспекты процесса деления могут быть объяснены математически следующим образом.Пусть полная энергия связи тяжелого ядра и двух продуктов деления равна B h , B f1 и B f2 соответственно. Тогда:

Количество энергии, выделяющейся при делении E r = (B f1 + B f2 ) – B h

Количество массы, преобразованной в энергию = Er / c 2 = {(B f1 + B f2 ) – B h } / c 2

Эта энергия проявляется в различных формах: кинетическая энергия нейтронов, колебательная энергия осколков деления и гамма-излучение.Все эти формы энергии преобразуются в тепло путем поглощения окружающей средой в реакторе, в основном теплоносителем и замедлителем (для тепловых реакторов).
Самая основная реакция деления в ядерных реакторах включает расщепление ядра урана-235 при ударе нейтрона. Уран-235 сначала поглощает нейтрон, образуя уран-236, и большая часть этих ядер U-236 расщепляется на два осколка деления. В реакциях деления обычно также выделяется от двух до четырех нейтронов (в зависимости от скорости нейтронов, вызывающих деление, и вероятностных факторов).Один из этих нейтронов должен вызвать другое деление для устойчивой цепной реакции. В общем случае реакции деления в ядерном реакторе можно записать следующим образом:

U-235 + n ==> U-236

U-236 ===> осколки деления + от 2 до 4 нейтронов + энергия 200 МэВ (прибл.)

Ядро урана-236 не делится равномерно на равные осколки деления. Скорее, тенденция, особенно при делении, вызванном тепловыми нейтронами, состоит в том, что один осколок оказывается значительно легче другого.На рисунке 9 (недоступно в онлайн-версии отчета) показано распределение продуктов деления, вызванных делением с медленными нейтронами и быстрыми нейтронами. Видно, что атомные номера продуктов деления сосредоточены в диапазонах от примерно 80 до 105 и от примерно 130 до 150 в тепловых реакторах. Пример реакции деления:

92-U-235 + n ==> 92-U-236

92-U-236 ===> 38-стронций-90 + 54-ксенон-144 + 2 нейтрона + энергия

В то время как многие тяжелые ядра могут быть расщеплены быстрыми нейтронами, только некоторые могут быть расщеплены «медленными» нейтронами.Оказывается, за некоторыми исключениями, такими как плутоний-240, только ядра, которые могут делиться медленными нейтронами, могут использоваться для поддержания цепных реакций. Изотопы с ядрами, которые могут быть расщеплены нейтронами нулевой энергии (на практике нейтронами с низкой энергией или «медленными нейтронами»), называются делящимися материалами . Обычно это изотопы с нечетными номерами, такие как уран-233, уран-235, плутоний-239 и плутоний-241. Другие тяжелые ядра, такие как уран-238, могут быть расщеплены быстрыми нейтронами, и поэтому расщепляются , но не расщепляются.

Имеется только три делящихся изотопа, имеющих практическое значение: уран-233, уран-235 и плутоний-239. Из них только уран-235 встречается в естественных количествах в значительных количествах. Два других присутствуют только в следовых количествах.

E. Плодородные материалы

Чтобы получить плутоний-239 и уран-233 в количествах, полезных для производства ядерной энергии, они должны производиться из материалов, которые встречаются в относительном изобилии. Плутоний-239 образуется в результате реакций после поглощения нейтрона ураном-238; уран-233 образуется при поглощении нейтронов в тории-232.Уран-238 и торий-232 называются плодородными материалами, и производство делящихся материалов из них называется воспроизводством.
Реакции на плутоний-239 равны

92-U-238 + n ===> 92-U-239

92-U-239 ====> 93-Np-239 + бета-частица (электрон)

93-Np-239 ====> 94-Pu-239 + бета-частица (электрон)

Для урана-233 реакции следующие:

90-Th-232 + n ===> 90-Th-233

90-Th-233 ===> 91-Pa-233 + бета-частица (электрон)

91-Па-233 ====> 92-U-233 + бета-частица.

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *