Термоядерні реакції
Ядерна енергія може вивільнятись не тільки при поділі важких ядер, а й при їх злитті (синтезі) легких ядер у важкі. Приклад термоядерної реакції – синтез гелію із дейтерію і тритію:
При
цьому виділяється 3,5 МеВ на нуклон.
Такі реакції протікають при дуже високих температурах – 108 К, бо для початку взаємодії ядер атоми мають наблизитись на відстані дії ядерних сил.
Створити такі високі температури зараз можливо тільки на короткий час, використовуючи ядерний вибух (воднева або термоядерна бомба), випромінювання потужного імпульсного лазера, надвисокі електричні струми.
Проблема керованої термоядерної реакції полягає у створенні умов, за яких енергія, що виділяється при синтезі, має не розсіюватися, а витрачатися на підтримання температури середовища, у якому відбувається реакція. Речовина при таких температурах перебуває у стані високотемпературної плазми і не повинна контактувати із стінками установки. Одним з методів досягнення потрібних умов утримання плазми є утворення всередині установки магнітного поля спеціальної конфігурації.
Вирішення проблеми керованої термоядерної реакції може дати людству нове джерело енергії.
Приклади розв’язування задач
1. При переході електронів атомів водню з 4-ї стаціонарної орбіти на 2-у випромінюються фотони, які дають зелену лінію в спектрі водню. Визначити довжину хвилі цієї лінії, якщо при випромінюванні фотона атома витрачається енергія 4,04 ·10-19 Дж.
Розв’язання:
Відповідь:
4,9
2. Ядро
радію
викидає
α-частинку
з енергією 4,78МеВ і γ
-квант з малою енергією. Нехтуючи
імпульсом γ-кванта,
обчислити швидкості ядра і α-частинки.
Розв’язання:
(M
– m)
Звідси:
Я
=
;
.
Обчислення:
=
2,7
м/с;
=
=1,5
м/с.
Відповідь:
=
270
м/с,
=
15000
м/с.
2. Обчислити
дефект маси та енергію зв’язку ядра
Розв’язання:
якого
визначається так: Δm=ZmН+(A-Z)mn-
ma, де mН- маса нейтрального
атома водню. Використавши
табличні значення для ізотопу
,
знайдемо:
Δm=[7
=0,11232
=
=
0,186
.
Енергія
зв’язку визначається: Езв
= Δmс2
= 0,186
= = 1,67
Дж
= 104,2МеВ.
Відповідь:
0,186
,
Езв
= 104,2МеВ.
4. Виділяється чи поглинається енергія під час ядерної реакції?
.
мегаелектрон-вольтах, а маса в атомних одиницях, то с2 = 931,4 МеВ/а.о.м.
Дефект
маси дорівнює:
.
Оскільки число електронів до і після реакції зберігається, то замість значень маси ядер скористаємось значеннями мас нейтральних атомів:
58,95182+1,00893-59,95250
=0,00825 а.о.м.
Оскільки
>
0, то енергія виділяється:
931,4
= 7,67 МеВ.
Відповідь: енергія виділяється.
5. Скільки атомів радіоактивного ізотопу кальцію розкладається за 1 добу у 1г цього ізотопу, якщо період піврозпаду його становить 164 доби?
Кількість атомів, які розклалися:
Δ
= 1,505
(1-
)
= 6,347
(атомів).
Відповідь: Δ = 6,347 (атомів).
6. Визначити к.к.д. атомної електростанції, якщо електрична потужність становить 5000кВт, витрата U235 становить 30г за добу (кількість енергії, яка виділяється при поділі одного ядра U235, дорівнює 200МеВ).
ККД
:
,
де Р – електрична потужність станції,
Р' – потужність, що виділяється в атомному реакторі.
Р'=
,
=
0,176 або
17,6%.
Відповідь:
17,6%.