Ташлыкова-Бушкевич - Физика. В 2 ч. Ч. 2. Оптика. Квантовая физика. Строение и физические свойства вещества (2014)

где массы определены в энергетических единицах: М – масса ядра мишени Х; M ′ – масса дочернего ядра Y; т и m′ – соответственно массы налетающей а и испускаемой b частиц; Q – энергия реакции.

Энергетическая схема ядерной реакции (31.13), проходящей через составное ядро П, соответственно имеет вид

где массы определены в энергетических единицах: M + m и M ′ + m′ – соответственно суммы масс ядер и частиц до и после реакции; M * – масса ядра П.

Для наглядности на рис. 31.7 изображены схемы ядерных реакций в энергетической шкале в системе центра масс (Ц-системе, в которой суммарный импульс сталкивающихся и образующихся частиц равен нулю) для случаев экзоэнергетической и эндотермической реакций, а также реакции вида (31.13).

Рис. 31.7. Схемы ядерных реакций в энергетической шкале в системе центра масс (массы частиц определены в энергетических единицах):

а – экзотермическая реакция; б – эндотермическая реакция; в – реакция с образованием составного ядра; K – суммарная кинетическая энергия частиц Х и а в Ц-системе; K ′ – суммарная кинетическая энергия частиц Y и b в Ц-системе (после реакции); Q = K ′ − K – энергия реакции; E* – энергия возбуждения составного ядра

31.8. Реакции деления ядер. Пути использования ядерной энергии

Реакции деления ядер. В основу теории деления атомных ядер положена капельная модель ядра. Тяжелое составное ядро, возбужденное при резонансном захвате нейтрона, может разделиться на две приблизительно равные части (реакция деления тяжелых ядер). Образовавшиеся части на-

201

зываются осколками деления. Неустойчивость тяжелых ядер обусловлена взаимным отталкиванием большого числа протонов, находящихся в ядрах.

Деление тяжелого ядра на два осколка сопровождается выделением энергии порядка 1 МэВ на каждый нуклон. Например, при делении ядра урана 92238U, содержащего 238 нуклонов, выделяется энергия порядка 200 МэВ, что составляет 0,84 МэВ/нуклон.

Экспериментально установлено, что тяжелые ядра способны к делению, если для них выполняется условие Z 2A ≥17 , где Z 2A – параметр

деления. Это условие выполняется для всех ядер, начиная с серебра 10847 Ag (Z Ag2 AAg ≈ 20).

Критическим параметром деления называется параметр Z 2 A = 49. Ядра с параметром деления, большим критического Z 2A > 49, совершенно неустойчивы относительно деления. Такие ядра, если бы они возникли, мгновенно претерпевали бы деление за времена порядка10−23 −10−24с.

При Z 2A < 49 возможно спонтанное (самопроизвольное) деление ядер

(происходит аналогично α-распаду за счет туннельного эффекта). Однако период полураспада для спонтанного деления ядер составляет 1016–1017 лет.

Осколки деления в момент своего образования обладают избытком нейтронов, поскольку для средних ядер число протонов приблизительно равно числу нейтронов (NZ ≈1), а для тяжелых ядер число нейтронов значительно превышает число протонов (NZ ≈1,6). Избыточные нейтроны, испускаемые осколками, называются нейтронами деления. В среднем на каждый акт деления приходится 2,5 испущенных нейтрона.

Цепные реакции деления. Каждый из мгновенных нейтронов, возникших в реакции деления, взаимодействуя с соседними ядрами делящегося вещества, вызывает в них реакцию деления. Происходит лавинообразное нарастание числа актов деления.

Цепная реакция деления – это ядерная реакция, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции. Условием возникновения цепной реакции является наличие размножающихся нейтронов.

Коэффициентом размножения нейтронов k называется отношение числа нейтронов, возникающих в некотором звене реакции, к числу таких нейтронов в предшествующем звене.

Необходимым условием развития цепной реакции является коэффициент k >1 (развивающаяся реакция); при k =1 идет самоподдерживающаяся реакция; при k <1 идет затухающая реакция.

Часть вторичных нейтронов не участвует в поддержании цепной реакции: захватывается неделящимися примесями, выходит из зоны реакции без захвата ядром, теряет энергию в процессах неупругого рассеяния и т.д.

202

Коэффициент размножения зависит от природы делящегося вещества, а для данного изотопа – от его количества, а также размеров и формы активной зоны – пространства, где происходит цепная реакция. Минимальные размеры активной зоны, при которых возможно осуществление цепной реакции, определяются как критические. Минимальная масса делящегося вещества, находящегося в системе критических размеров, необходимая для осуществления цепной реакции, называется критической массой.

Цепные реакции делятся на управляемые и неуправляемые. Взрыв атомной бомбы – пример неуправляемой реакции. Управляемые цепные реакции осуществляются в ядерных реакторах.

Ядерные реакторы. В природе имеется два изотопа урана и изотоп тория, которые могут служить ядерным топливом или сырьем для его получения:

Ядро 92239 U нестабильно (T1 2 = 23 мин) и, испуская электрон, антинейтрино и γ-фотон, превращается в ядро трансуранового элемента нептуния

93239 Np, которое тоже распадается (T1 2 = 2,3 дня), превращаясь в плутоний

94239 Pu с β–-распадом. Плутоний 94239 Pu α-радиоактивен, однако его период полураспада 2,41 104 лет, поэтому его можно считать практически стабильным;

3) 90232 Th – служит сырьем для получения искусственного ядерного топлива 92233U по схеме

В природном уране цепная реакция не возникает, так как на одно делящееся ядро 92235U приходится 140 ядер 92238U, которые захватывают не слишком быстрые нейтроны, рождаемые космическими лучами.

Ядерным реактором называется устройство, в котором осуществляется и поддерживается управляемая цепная реакция деления. Топливо для реакторов изготавливается в виде тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ), объединенных в тепловыделяющие сборки (ТВС) в зависимости от реактора, которые предназначены для передачи энергии потоку теплоносителя и последующей выработки электроэнергии.

203

Цепная реакция деления используется в ядерных реакторах для получения тепловой энергии, которая затем преобразуется в электрическую, обеспечивая производство электроэнергии в промышленных масштабах. Основу советской ядерной энергетики составили два типа реакторов. Один из них – реактор с водой под давлением ВВЭР (водо-водяной энергетический реактор), используемый в том числе на подводных лодках. Другой – уран-графитовый реактор РБМК – тип реактора, который взорвался в Чернобыле. На реакторах такого типа вырабатывается не только электроэнергия. Часть нейтронов, испускаемых при делении ядер 92235U, идет на поддержание цепной реакции, а часть претерпевает радиационный захват ядрами 92238U, что в конечном итоге приводит к образованию плутония 94239 Pu по схеме (31.24) – материала для атомных бомб.

За пределами России используются реакторы с другим типом замедлителя – тяжелой водой (D2O), они дают наибольший коэффициент установленной мощности. Однако на таких реакторах невозможно получать 94239 Pu. Поэтому тяжеловодное реакторостроение развивается в странах, где атомная энергетика существует самостоятельно, а не в рамках военнопромышленного комплекса.

В последнее время интерес к атомной энергетике в мире снова возрастает как в связи с проблемой обеспечения энергобезопасности, так и в связи с проблемой глобального потепления. Основным типом реактора, и для российских атомных энергостанций (АЭС), и для станций, сооружаемых Россией за рубежом, в настоящее время считается реактор ВВЭР1000. Расчетный срок службы основного оборудования составляет 60 лет. Перегрузка топлива производится 1 раз в год. В ближайшем будущем на российских атомных электростанциях планируется начать использовать энергоблоки ВВЭР-1500 электрической мощностью 1500–1600 МВт с повышенными показателями уровней безопасности и эксплуатационной надежности.

Основные задачи систем безопасности АЭС заключаются в остановке цепной реакции, охлаждении реактора и предотвращении выхода радиоактивных веществ за пределы блока энергостанции. Но следует учитывать тот факт, что даже после полной остановки реактора в активной зоне продолжается выделение тепла вследствие распада продуктов деления. Отвод остаточного тепловыделения, предотвращение выхода реактора в критическое состояние и обеспечение допустимого давления в системах первого контура – задачи системы аварийного отвода тепла. Неполадки в системе охлаждения стали причиной аварии на японской АЭС «Фукусима-1», когда в результате перегрева реактора произошло повреждение твэлов и частичное расплавление ядерного топлива.

Совершенствование систем безопасности современных АЭС достигается применением комбинации из пассивных и высоконадежных актив-

204

ных систем безопасности, хорошо продуманного резервирования оборудования и четкого разделения систем, важных для безопасности. В качестве примера новейших разработок в этой области можно привести так называемую «ловушку расплава». Устройство локализации расплава активной зоны – это специальная емкость, которую располагают под активной зоной реактора. В случае аварии с расплавлением активной зоны высокорадиоактивный топливный расплав стечет вниз и самолокализуется, что позволит сократить масштабы аварии за счет отсутствия контакта радиоактивного топлива и окружающей среды.

В Республике Беларусь ведется строительство АЭС с двумя энергоблоками (реакторы типа ВВЭР-1200) мощностью 2,4 тыс. МВт. Местом для размещения атомной электростанции выбрана Островецкая площадка в Гродненской области.

31.9. Термоядерные реакции синтеза

Реакция синтеза атомных ядер – образование из легких ядер более тяжелых – называется ядерным синтезом и протекает с выделением большего, чем при ядерной реакции, количества энергии.

Согласно современным представлениям, все химические элементы в природе первоначально образовались в ходе ядерного синтеза. Ныне ядерный синтез происходит в недрах звезд, в том числе и нашего Солнца. Именно этот процесс и служит источником испускаемого ими мощного светового излучения. Возможность использования энергии ядерного синтеза и создания термоядерного реактора весьма заманчива, но до сих пор проблема построения термоядерного реактора до конца не решена. К сожалению, на пути создания надежно действующего термоядерного реактора все еще стоят значительные трудности удержания термоядерного горючего в течение достаточно большого промежутка времени при высокой температуре. Они обусловлены тем, что все ядра имеют положительный заряд и поэтому отталкиваются друг от друга. Можно оценить, какая энергия необходима для преодоления потенциального барьера кулоновского отталкивания ядер:

W = Z1Z2e2 , rя

где e =1,6 10−19 Кл; rя ≈ 2 10−15 м – радиус действия ядерных сил. Для водородной среды Z1 = Z2 =1 и W ≈ 0,7 МэВ. На долю каждого атома водорода приходится энергия 0,35 МэВ, соответствующая температуре ~ 2 109 K.

Поэтому реакции синтеза легких ядер эффективно могут протекать лишь при сверхвысоких температурах порядка 108–109 K, при этом атомы

205

будут ионизованы. Такие реакции называются термоядерными реакциями синтеза. Возникающая при этом среда – плазма (частично или полностью ионизированный газ) и состоит из электрически заряженных и нейтральных частиц, суммарный электрически заряд которых равен нулю (условие квазинейтральности). Газовую плазму принято разделять на криогенную (температуры, близкие к абсолютному нулю), низкотемпературную (до 105 K) и высокотемпературную (от 106 до 108 K). Обычные материалы испаряются при температуре в лучшем случае несколько тысяч кельвинов и, следовательно, не пригодны для удержания высокотемпературной плазмы. Реакторы, в которых происходит ядерный синтез, называют термоядерными установками.

В действительности из-за статистического характера процесса слияния ядер, а также возможности туннельного эффекта некоторые термоядерные реакции протекают с заметной интенсивностью уже при температурах ~107 K. К таким реакциям относится синтез ядер дейтерия 12 H и трития 13H, носящий резонансный характер. Эта реакция используется в водородной или термоядерной бомбе

и сопровождается выделением энергии 17,6 МэВ, что равно 3,5 МэВ/нуклон. Таким образом, в реакциях синтеза выделяется значительно больше энергии в расчете на один нуклон, чем в реакциях деления.

Наиболее вероятно осуществление термоядерного реактора на следующих реакциях синтеза с участием изотопов водорода – дейтерия и трития (в скобках указано энерговыделение), включая реакцию (31.26):

В качестве горючего термоядерного реактора можно использовать дейтерий, в изобилии встречающийся в воде океанов (распространенность 12 H составляет 0,015%, или около 1 г дейтерия на 60 л воды). При термоядерном синтезе не столь остра проблема захоронения радиоактивных отходов.

В настоящее время в рамках нескольких международных научных программ построены токамаки (сокращение от «тороидальная камера с магнитными катушками») – специальные установки, удерживающие плазму

206

в магнитном поле. Если ученые смогут осуществить управляемый термоядерный синтез в устройстве типа токамак или другом устройстве для магнитного удержания плазмы, то будет получен практически неисчерпаемый источник энергии.

Термоядерные реакции на Солнце, в которых ядра водорода превращаются в ядра гелия, предположительно могут протекать в форме одного из двух термоядерных циклов: протон-протонного и углерод-азотного.

При протон-протонном цикле сначала происходит синтез двух протонов с образованием дейтрона, позитрона и электронного нейтрино:

11 p+ 11 p → 12d + 10e+ +νe.

Затем дейтрон, сталкиваясь с протоном, объединяется с ним в ядро 32 He:

12 d + 11 p → 32He+ γ.

Последнее звено цикла образует реакция:

32 He+ 32He → 42He+ 11 p+ 11 p.

Углерод-азотный цикл включает следующие звенья:

126 C + 11 p → 137 N + γ, 137 N → 136 C + 10e+ +νe,

136 C + 11 p → 147 N + γ, 147 N + 11 p → 158 O+ γ,

158 O → 157 N + 10e+ +νe, 157 N + 11 p → 126 C + 42He.

В завершении цикла исчезают четыре протона и образуется одна α-ча- стица. Количество ядер углерода не изменяется. Эти ядра выступают в роли катализатора реакции.

Специфика ядерных реакций в звездах состоит в том, что, как правило, реакции протекают при энергиях значительно более низких, чем те энергии, при которых их изучают в лабораторных условиях. В астрофизических условиях важны ядра, свойства которых затруднительно изучать в земных экспериментах (например, короткоживущие нуклиды, переобогащенные нейтронами). Поэтому в настоящее время исследователи вынуждены экстраполировать получаемые результаты к астрофизическим условиям или применять сложные теоретические модели ядерной физики. Сейчас в ядерной физике активно изучаются нейтронно-избыточные ядра, что позволит понять эволюцию крупных космических и астрофизических объектов, таких как нейтронные звезды.

207

Современные достижения ядерной физики используются для объяснения источников энергии астрономических объектов, происхождения химических элементов. Актуальные проблемы ядерной физики связаны с изучением структуры ядра и ядерными явлениями: состоянием оболочечной модели, коллективным возбуждением, легкими и сверхтяжелыми ядрами, ядрами с крайним дефицитом нейтронов и ядрами, богатыми нейтронами, суббарьерными реакциями, релятивистскими столкновениями тяжелых ионов и т.д. Например, обсуждаются вопросы взаимодействия тяжелых ионов и образования новой материи в результате их столкновения при высоких энергиях.

ÒÅÌÀ 32. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

32.1.Виды фундаментальных взаимодействий

Всовременной физике элементарными частицами называются мельчайшие наблюдаемые частицы материи, которые не являются атомами или атомными ядрами, т.е. объектами заведомо составной природы (исключение составляет протон – ядро атома водорода). Элементарные частицы ведут себя как единое целое и обладают способностью к рождению, взаимопревращению и уничтожению (испусканию и поглощению) при взаимодействии с другими частицами. При этом многие из этих частиц имеют внутреннюю структуру. В настоящее время известно около 400 частиц (вместе с античастицами), включая субъядерные частицы как специфические формы материи, не агрегированной в ядра, и «истинно» элементарные частицы, не имеющие внутренней структуры.

Вприроде существует четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Эти взаимодействия различаются интенсивностями и длительностью процессов, вызываемых среди элементарных частиц, и радиусами действия соответствующих сил. Об интенсивности взаимодействий можно судить по скорости (или степени вероятности) процессов, вызываемых ими. В табл. 32.1 указаны интенсивности взаимодействий в сравнении с сильным, принятым за единицу.

Сильное взаимодействие – это взаимодействие с интенсивностью значительно большей, чем у других типов взаимодействий. Оно свойственно частицам, названным адронами, к которым принадлежат, в частности, протон и нейтрон. Наиболее известное его проявление – ядерные силы, обеспечивающие существование атомных ядер. Сильные взаимодействия короткодействующие и поэтому не способны создавать структуры макроскопических размеров.

208

взаимодействие в мире элементарных частиц при обычных энергиях непосредственной роли не играет.

В1960-х гг. была создана единая теория электрослабого взаимодействия,

вкоторой слабое и электромагнитное взаимодействия рассматриваются как

различные проявления электрослабого взаимодействия (американцы

Ш.Глэшоу, С. Вайнберг и пакистанец А. Салам, Нобелевская премия, 1979 г.). Теория электрослабого взаимодействия успешно описывает все про-

цессы в физике элементарных частиц, происходящие при энергиях от долей электронвольта до сотен гигаэлектронвольт. Вместе теория электрослабого взаимодействия и квантовая хромодинамика (см. подтему 32.4) получили название «Стандартная модель». Она объединяет не только электромагнитное и слабое, но и сильное взаимодействие. Оказывается, их единая природа может проявиться только при энергии частиц во встречных пучках коллайдера порядка 1016 ГэВ. Можно предположить, что при этом истинно элементарные частицы (кварки и лептоны, см. подтему 32.4) окажутся однотипными объектами и станут возможными их взаимные превращения. Теория, которая сумеет включить и гравитацию, уже заранее получила название «Теория всего сущего».

32.2. Классы элементарных частиц

Все частицы (включая неэлементарные и так называемые квазичастицы) подразделяют на бозоны (частицы с нулевым или целочисленным спином) и фермионы (частицы с полуцелым спином).

Практически все элементарные частицы являются нестабильными, распадаясь на другие частицы. Время жизни τ таких частиц варьируется в пределах от 10–25 до 10–6 с. Стабильными частицами (τ → ∞) являются фотон, электрон, протон и три нейтрино. Например, среднее время жизни свободного нейтрона составляет 14,7 мин. Резонансами называют частицы, распадающиеся за счет сильного взаимодействия, с временем жизни 10–22–10–24 с. Квазистабильными называют нестабильные частицы с временем жизни, превышающим 10–20 с, распадающиеся за счет электромагнитного или слабого взаимодействия.

В теории электрослабого взаимодействия наряду с квантом электромагнитного поля фотоном участвуют три новые частицы – промежуточные бозоны W +, W − и Z 0. Фотон участвует в электромагнитных взаимодействиях, но не обладает сильным и слабым взаимодействиями. Промежуточные бозоны W ± и Z 0 являются квантами слабого взаимодействия

иэкспериментально открыты в 1983 г. (итальянец К. Руббиа, Нобелевская премия, 1984 г.). Они существенно отличаются от фотона наличием заряда

имассы. Электрический заряд у W+-бозона такой же, как и у протона,

210