Ядерные реакции.

Ядерная реакция – это процесс взаимодействия двух ядер с включением ядерных сил, приводящий к образованию новых ядер и элементарных частиц.

В общем виде: , где a – налетающая частица, А – мишень,B,b – продукты реакции.

Как привило, мишень А считается неподвижной относительно лабораторной системы отсчета ( относительно земли ). Для ядерных реакций выполняются все6 основные закон6ы сохран6е6н6ия: закон сохране6ния энергии, импульса, момента импульса, закон сохранения спина, числа н6укло6нов, закон сохранения электрических зарядов.

Запишем выражение для закон6а сохранения эн6ергии:

кинетические энергии, - энергия реакции, может быть определен6а как разность масс умноженные на , либо как разность кинетических энергий.

Реакцию можно разделить на три вида:

- экзоэнергические реакции протекают с выделением энергии.

- эндоэнергетические реакции

- это та минимальн6ая кинетическая энергия, которой должна обладать н6алетающая частица, для того чтобы ре6акция произошла.

Закон сохранения импульса:

Импульс системы до реакции должен быть равен импульсу системы после реакции.

Реакции деления тяжелых ядер.

В результате исследован6ия немецких физиков Отто Ган и Штрассман удалось обн6аружить не новый, а элемент из середины таблицы Менделеева. Таким образом, под действием нейтрон6а происходило деление уран6а на осколки

Осколки, которые при этом образовались, в сумме обладали энергией 200 МэВ, т.е. он6а выде6лялась.

Построим график удельной энергии связи:

Если взять н6уклон6ы 6не взаимодействующие между собой, то из них может быть образован6о либо ядро урана, либо два осколка рубидий и цезий.

Учитывая, что энергия связи это та энергия, которая выделяется, приходим к выводу, что оставшаяся энергия, связанная с ядром урана будет больше, чем энергия связанная c ядрами рубидия и цезия, а это означает, что самопроизвольно ядро урана может превратиться в ядра цезия и рубидия, но не в обратном порядке. Тогда можно выделить две области с одноименным зарядом. Такие области должны отталкиваться потому, что расстояние очень маленькое. Однако, они компенсируются ядерными силами притяжения, которые действуют между нуклонами, попадающими в область этой плоскости.

Реакция такого типа, когда ядро урана раскалывается, возможна для изотопов урана 235, а его в природе меньше одного процента (0,76%). Отличие: уран 235 делится как медленными так и быстрыми нейтронами, а уран 238 только быстрыми нейтронами.

Второй важный момент, что в ходе реакции образуется нейтрон, и эти нейтроны могут вызвать появление новых ядер. Реакции такого типа называются цепными ядерными реакциями.

Для того, чтобы цепная реакция в уране произошла, необходимо, чтобы урана было не менее 50 кг.

Первый управляемый ядерный реактор был основан в 1942 году в США в Чикаго. Первый ядерный реактор в СССР был запущен в 1946 году.

Первая атомная электростанция была построена в 1956 году в СССР в городе Обнинске. Мощность реактора 5МВ.

Бывают реакторы двух типов: водно-водяной (ВВЭР) и РБМК ( реактор большой мощности канальный ). В реакторах типа ВВЭР замедлителем нейтронов является обычная вода. В реакторах РБМК замедлителем нейтронов является графит.

Главным элементом реактора является активная зона – это та область, в которой энергия, выделяющаяся в результате деления деления ядер, передается теплоносителю. Как в реакторах ВВЭР, так и в РБМК ядерное горючее (уран 235, либо плутоний) находятся в так называемом ТВЭЛ (тепловыделяющий элемент). Это длинная трубка, выполненная из нержавейки (циркония), и в эту трубку помещаются урановые таблетки из спрессованного оксида урана . Внутри этих ТВЭЛов и происходят эти реакции. Сами корпуса ТВЭЛов нагреваются. Температура поддерживается в пределах С. Эти трубки объединяются в тепловыделяющие сборки.

В реакторах ВВЭР имеется корпус из стали, толщиной несколько миллиметров, в который поступает вода. Вода превращается в пар, который затем попадает либо в теплообменник, либо сразу на лопасти турбины, которая и вырабатывает электрическую энергию.

Более подробно рассмотрим работу реакторов РБМК:

В каналы помещают ТВЭЛы. Нагреваются стенки и нагревается графит. В часть таких каналов помещается нейтронопоглащающие стержни (они делаются из таких элементов как свинец). Поэтому когда реактор нужно остановить – эти стержни вводятся в каналы. Таким образом, регулируется число делящихся ядер, а следовательно мощность реактора. Через графитовый блок, проходят трубы из нержавеющей стали по которым циркулирует вода, или жидкий натрий. При прохождении через графитовый блок теплоноситель нагревается. Вода находится под давлением, поэтому температура кипения достаточно высокая. Теплоноситель проходит через теплообменник, в котором находится вода, она нагревается и превращается в пар (по сути теплообменник это котел). Из котла пар попадает в турбогенератор и вращает лопасти турбины. Охлажденный пар проходит через конденсатор, где охлаждается и превращается в воду, после чего эта вода снова попадает в теплообменник. Таким образом, имеет место замкнутый цикл.

КПД современных электростанций находится в пределах 35%.

,

- электрическая мощность,

- тепловая мощность

Главный недостаток атомных электростанций это незначительное, но все-таки загрязнение окружающей среды, которое имеет место при перезагрузке реактора, и утилизации ядерных отходов. При радиоактивном облучении поражающим фактором является действие нейтронов, частиц. Главное их воздействие состоит в том, что они ионизируют вещество, в том числе и клетку (нарушается работа клетки). Доза облучения определяется формулой - энергия на единицу массы, измеряется в Греях (Гр).

До 0,5 Гр – допустимо

От 0,5-5 Гр – лучевая болезнь

Более 5 Гр – человек погибает

По своему воздействию разные виды облучения имеют разную биологическую активность, поэтому вводится КОБА (коэффициент относительной биологической активности)

			част.
k	1	5-10	20

Поэтому вводится понятие эквивалентной дозы облучения, которая определяется как произведение: - измеряется в Зивертах (Зв)

Существует понятие экспозиционной дозы облучения. При излучении происходит ионизация окружающего воздуха. По количеству образовавшихся ионов можно судить о степени радиации. Единицей измерения экспозиционной дозы является рентген.

Лекция№8