54. Цепная Ядерная Реакция. Ядерный реактор
Цепная ядерная реакция- самоподдерживающаяся реакция деления тяжелых ядер, в которой непрерывно воспроизводятся нейтроны, делящие все новые и новые ядра.
Ядро урана-235 под действием нейтрона делится на два радиоактивных осколка неравной массы, разлетающихся с большими скоростями в разные стороны, и два-три нейтрона. Например:
Нейтроны, вылетающие из ядра, могут вызвать реакцию деления соседних ядер 23592U, которые испускают нейтроны, способные вызвать дальнейшее деление. В результате число делящихся ядер урана быстро растет, возникает цепная реакция (рис. 118).
Скорость нарастания цепной ядерной реакции характеризуют величиной, называемой коэффициентом размножения нейтронов.
Коэффициент к размножения нейтронов характеризует быстроту роста числа нейтронов и равен отношению числа нейтронов в одном каком-либо поколении цепной реакции к породившему их числу нейтронов предшествующего поколения.
где Ni - число нейтронов в i-поколении, Ni-1- число нейтронов в предыдущем поколении. Необходимое условие протекания цепной ядерной реакции может быть выражено следующим образом: к >= 1.
При к = 1 число нейтронов, участвующих в делении ядер, остается неизменным, реакция протекает стационарно, имеет управляемый характер. При к > 1 число нейтронов увеличивается, интенсивность реакции возрастает и при к > 1,006 может принять неуправляемый характер; при к = 1,01 происходит взрыв.
Ядерный реактор - устройство, в котором осуществляется управляемая цепная ядерная реакция (рис. 119). Главной частью ядерного реактора является активная зона 2 с блоками ядерного топлива 1.
Управление протеканием ядерной реакции осуществляется с помощью регулирующих стержней 5 (кадмий, карбид бора и др.).
Для увеличения коэффициента размножения нейтронов активную зону окружают отражатели нейтронов 3.
Так как ядерный реактор является мощным источником нейтронов и у-излучения, в нем предусмотрена радиационная защита 4. Для отвода тепла применяется вода, жидкий натрий и др.; трубки с теплоносителем 7. Для замедления нейтронов в ядерных реакторах используется специальный замедлитель 6 (тяжелая вода или графит).
Наименьшая масса делящегося вещества, при котором может протекать цепная реакция, называется критической массой. При этом к = 1: число нейтронов, потерянных вследствие захвата ядрами без деления и утечки, равно числу нейтронов, полученных в процессе деления.
Для чистого (без замедлителя) 23592U, имеющего форму шара, критическая масса равна 50 кг, а радиус шара - примерно 9 см. Применяя замедлитель нейтронов и отражающую нейтроны оболочку из бериллия, удалось снизить критическую массу до 250 г.
55.Реакция синтеза атомных ядер.
Реакция синтеза легких ядер может начаться и протекать лишь при нагреве вещества до температуры, при которой кинетическая энергия теплового движения ядер становится достаточной для преодоления сил взаимного электрического отталкивания, действующих между ними.
Реакции синтеза легких ядер, эффективно протекающие в условиях нагрева вещества до температуры десятков миллионов градусов и более, называются термоядерными.
Наиболее легко протекает реакция синтеза между ядрами изотопов водорода дейтерия и трития. Значительно более высокая температура требуется для реакций синтеза между ядрами только дейтерия, а также между ядрами только трития.
Реакция синтеза ядер происходит с большой скоростью, при этом выделяется достаточно большое количество энергии. Например, один акт слияния дейтерия и трития длится несколько наносекунд (1 нс=10-9 с) с выделением энергии, равной 17,6 МэВ, и испусканием нейтрона высокой энергии.
Температуру, при которой начинается реакция синтеза, достигают с помощью ядерного взрыва, основанного на реакции lеления атомных ядер. Возможны реакции синтеза и между ядрами других элементов, однако вследствие необходимости крайне высоких температур для их начала и протекания они практического значения в настоящее время не имеют. Изотопы, которые используют для получения взрыва в результате реакции синтеза их атомных ядер, называют термоядерным горючим. В качестве термоядерного горючего в настоящее время используют изотопы водорода — дейтерий и тритий. В свободном виде дейтерий и тритий представляют собой газы. Атомарное содержание дейтерия в природном водороде составляет около 0,015%, трития — 10-16%. Дейтерий встречается в природе в свободном состоянии и в химическом соединении D2O, называемом тяжелой водой. Тяжелая вода содержится в обычной воде в количестве 0,015%. Для практических нужд дейтерий получают электролизом тяжелой воды (из 1000 кг воды получается 20 г дейтерия). Дейтерий является стабильным изотопом, тритий — радиоактивным. Последний подвержен бета-распаду с периодом полураспада около 12,3 лет. В результате распада тритий превращается в гелий-3. Тритий в небольшом количестве содержится в атмосфере. Он образуется в результате взаимодействия ядер азота с нейтронами и расщепления ядер различных химических элементов космическими частицами высоких энергий. Для промышленных нужд тритий получают в ядерных реакторах в результате облучения лития-6 нейтронами. При синтезе всех ядер дейтерия и трития, содержащихся в одном килограмме их смеси, освобождается примерно такая же энергия, как при взрыве 80 тыс. т тротила.
56. элементарные частицы и их классификация
В настоящее время известно около 400 субъядерных частиц, которые принято называть элементарными. Подавляющее большинство этих частиц являются нестабильными. Исключение составляют лишь фотон, электрон, протон и нейтрино. Все остальные частицы через определенные промежутки времени испытывают самопроизвольные превращения в другие частицы
В многообразии элементарных частиц, известных к настоящему времени, обнаруживается более или менее стройная система классификации. Наиболее удобной систематикой многочисленных элементарных частиц является их классификация по видам взаимодействий, в которых они участвуют(Фундаментальные, Сильное, Электромагнитное, Слабое, Гравитационное). По отношению к сильному взаимодействию все элементарные частицы делятся на две большие группы: адроны (от греч. hadros - большой, сильный) и лептоны ( от греч. leptos - легкий).
Лептоны - элементарные частицы, не участвующие в сильном взаимодействии. К лептонам относятся 12 частиц (6 частиц и 6античастиц): электрон, мюон, t-лептон, нейтрино…
Адроны - элементарные частицы,участвующие в сильном взаимодействии. К классу адронов в настоящее время относят около 300 элементарных частиц
фотоны — эта группа состоит всего лишь из одной частицы — фотона — кванта