Ядерная энергия
В заключении нужно сказать, что количество энергии, выделившееся в результате цепочки радиоактивных распадов превращающих 1 г урана в свинец, такое же как при сгорании 400 кг угля.
Ядерные реакции.
Как было сказано ранее, в настоящие время не существует способа ускорить радиоактивный распад веществ. Ни нагрев до высоких температур, ни сильное сжатие не могут уменьшить период полураспада. Для урана процесс превращения происходит настолько медленно (миллиарды лет), что нечего и думать о практическом использовании выделяющейся энергии.
Проблема была решена после открытия в 1939 году ядерной реакции деления урана под действием нейтронов.
Основное отличие ядерных реакций от самопроизвольного радиоактивного распада, это участие в процессе, кроме ядра, других частиц. В самом деле, вместо того, чтобы ждать когда ядро ?надумает¦ развалится, попробуем ударить по нему какой либо частицей протоном, нейтроном или даже другим ядром.
Определение: Ядерная реакция - это процесс превращения ядер в результате их взаимодействия с элементарными частицами или с другими ядрами.
Первую ядерную реакцию, осуществил Резерфорд направляя пучок альфа-частиц (ядер гелия) на вещество содержащие ядра азота, в результате были получены изотопы кислорода и водорода:
Первые ядерные реакции происходили при бомбардировки заряженными частицами (ядрами гелия, протонами) различных элементов. При этом, энергия затраченная на разгон налетающих частиц значительно превосходила энергию, полученную в результате реакции. Разгон частиц необходим для преодоления сил электрического сопротивления (положительно заряженное ядро отталкивает положительно заряженные ядра, альфа-частицы и протоны). Если в качестве налетающей частицы использовать нейтрон, который не имеет заряда, то необходимость в разгоне пропадает. Поэтому в настоящие время в ядерных реакторах определяющими реакциями являются ядерные реакции нейтронов с ядрами веществ находящихся в активной зоне. Рассмотрим самые важные из них.
Реакция деления.
Механизм деления, проще всего представить с помощью капельной модели ядра. В каплю "ядерной жидкости" попадает нейтрон. Под действием внесенной энергии в капле возникают колебания формы, от сферической до форы двух грушеобразных частей с перешейком между ними если внесенной неторном энергии достаточно, то перешеек рвется - ядро разваливается на два осколка.
После деления урана, как правило, образуются два осколка с соотношением масс 2 к 3 и несколько нейтронов.
В принципе, если нейтрон обладает достаточно большой энергией, то разделится может любое ядро. В большинстве ядерных реакторов главным делящимся изотопом является изотоп урана 235U. При делении урана образуются два ядра-осколка и два или три нейтрона (в среднем около 2.5 нейтрона на один акт деления). При делении одного ядра выделяется приблизительно 3.15
10-13Дж энергии.
Реакция радиационного захвата.
После захвата нейтрона составное ядро может и не испытать деления, излишек энергии сбрасывается путем испускания гамма-квантов. В этом случае говорят о реакции радиационного захвата.
Вследствие этой реакции металлические детали, находящиеся в АЗ активируются. То есть в них образуются новые изотопы, например: ядро железа, захватывая нейтрон, превращается в радиоактивный изотоп. Метало-конструкции после интенсивного облучения нейтронами представляют опасность для персонала.
Реакция рассеяния.
При взаимодействии нейтрона с ядром возможен случай, когда составное ядро не образуется. Происходит столкновение и разлет в разные стороны нейтрона и ядра. В этом случае говорят об упругом рассеянии. Нейтрон, ударившись о ядро, снижает свою скорость и изменяет направление движения, этот процесс называют замедлением.
Чем легче ядро, с которым столкнулся нейтрон, тем больше снижение скорости. В дальнейшем мы увидим, что снижение скорости движения нейтрона, или другими словами снижение его кинетической энергии (замедление), очень важный процесс в физике ядерного реактора.
Неупругое рассеяние - это процесс когда, после столкновения с нейтроном, образуется составное ядро, но из него почти мгновенно вылетают нейтрон, и гамма квант. В этом случае кинетическая энергия нейтрона уменьшается на величину энергии гамма кванта и энергии полученной ядром. Нейтрон замедляется.
В заключении остановимся на условиях, при которых реакция деления будет самоподдерживающееся. Для этого необходимо, чтобы хотя бы один из нейтронов, полученный в результате первого акта деления, взывал второй акт деления. Нейтроны, вызвавшие первые акты деления, называют нейтронами первого поколения, вторые - второго поколения.
Определение: Коэффициент размножения (Кэф) - это отношение количества нейтронов второго поколения к количеству нейтронов первого поколения
При Кэф < 1 реакция деления затухает.
При Кэф = 1 реакция деления происходит на постоянной мощности (нормальный режим работы реактора).
При Кэф > 1 реакция деления разгоняется (увеличение мощности).
Для осуществления преобразования ядерной энергии в электрическую, необходимо поддерживать в реакторе Кэф = 1.
Управляемая цепная реакция деления.
Нейтроны и вероятность их взаимодействия с ядрами.
На предыдущем занятии мы рассмотрели, возможные реакции взаимодействия нейтрона с ядрами. Точно определить какая реакция произойдет, в каждом конкретном случае невозможно, говорят о вероятности протекания той или иной реакции. Для оценки вероятности введена величина эффективного сечения реакции.
Определение: микроскопическое сечение реакции 
- представляет собой эффективную площадь поперечного сечения вокруг ядра, попав в которую налетающий нейтрон вызовет данную ядерную реакцию.
Перейти на страницу: 1 2 3 4 5 6 7