Ядерные реакции сопровождаются
выделением (экзотермические реакции) или поглощением (эндотермические реакции) энергии.
Энергетическим эффектом Q ядерной реакции
называется энергия, выделяемая или поглощаемая в реакции за счёт разности суммы
масс частицы-снаряда и ядра-мишени и суммы масс получаемых частицы и ядра:
Q = [(mx + MX) - (my + MY)] c2 = ( m)c2,
где mx и MX - массы частицы и ядра, вступающих в реакцию,
my и MY - массы частицы и ядра, образующихся в результате реакции,
m – изменение массы или дефект массы ядерной реакции.
Если mx+MX > my+MY , то m>0 (масса возрастает) и Q>0. Реакция происходит с выделением энергии за счёт
превращения массы в энергию: |
( m)c2 → W → Q. |
Если mx+MX < my+MY , то m<0 (масса уменьшается) и Q<0. Реакция происходит с поглощением энергии за счёт
превращения энергии в массу: |
Q → W → ( m)c2. |
9.1.7. Реакции ядерного деления и их энергетический баланс. Объяснение деления ядер с помощью капельной модели Бора- Френкеля. Цепная реакция деления ядер. Ядерный реактор.
Идея бридерного реактора.
Удельная энергия связи у ядер средней массы примерно на 1МэВ больше, чем у тяжёлых ядер. Поэтому деление ядер сопровождается выделением большой энергии. Эксперименты подтвердили этот вывод.
В основу теории деления атомных ядер положена капельная модель ядра Бора-Френкеля: ядро – капля электрически заряженной квантовой жидкости.
Ядерные силы притяжения между нуклонами подавляют электростатические силы отталкивания .
Попадающие в каплю-ядро нейтроны нарушают это равновесие, нуклоны начинают колебаться.
Если амплитуда колебаний становится больше 10-15м, действие ядерных сил прекращается, а под действием кулоновских ядро разрывается на осколки, разлетающиеся с громадными скоростями в разные стороны.
Например, одним из путей, которыми осуществляется деление ядер урана-235, выглядит следующим образом:
23592 U + 01 n 14055 Сs + 9437 Rb + 2 01 n.
Осколки деления - цезий и рубидий - претерпевают превращения:
14055 Сs 14056 Ba + |
01 |
; 14056 Ba |
14057 La + |
01 ; 14057 La |
14058 Се |
+ |
01 , |
|
9437 Rb 3894 Sr + |
|
01 ; 3894 Sr |
9439Y + |
01 ; 9439Y |
4094 Zr + |
01 . |
||
Характер ядерных реакций под воздействием нейтронов существенно зависит от их скорости (энергии).
В связи с этим нейтроны делят на две группы: медленные (с энергией < 104эВ) и
быстрые (с энергией > 104эВ).
Поскольку доля нейтронов в тяжёлых ядрах больше, чем в ядрах со средней массой, то при
делении тяжёлых ядер осколки оказываются перегруженными нейтронами. В среднем на
каждый акт деления высвобождается 2,5 нейтрона.
Несмотря на это, перегрузка осколков нейтронами не устраняется, они оказываются радиоактивными и претерпевают цепочку-превращений, сопровождающихся -излучением.
Каждый из вторичных нейтронов, возникших в реакции деления, взаимодействуя с соседними ядрами делящегося вещества, вызывает в них
новую реакцию деления.
В результате возникает лавинообразное нарастание числа актов деления –
цепная реакция деления.
Условие для осуществления цепной реакции является
наличие размножающихся нейтронов,
что определяется коэффициентом размножения k 1,
равным отношению числа нейтронов, возникающих в некотором звене реакции, к числу нейтронов в предшествующем звене.
Нейтроны, выделяющиеся при делении ядер, имея очень большую энергию,
могут покинуть зону реакции
прежде, чем вызовут новый акт деления, и цепная реакция не возникнет.
Для осуществления цепной реакции размеры и форма активной зоны должны быть не менее некоторых критических значений.
Минимальная масса делящегося вещества, необходимая для осуществления цепной реакции, находящаяся в системе
критических размеров, называется критической массой.
Если при ядерном делении коэффициент размножения поддерживается равным k=1,
то реакция является управляемой.
Управляемые ядерные реакции деления осуществляют в ядерных реакторах.
При k>1 реакция приобретает
взрывной характер, она становится неуправляемой.
На этом основано действие
атомной бомбы.
Ядерный заряд такой бомбы
представляет собой два куска почти чистого 23592 U или 23994 Рu.
Масса каждого куска меньше критической, поэтому цепная реакция не возникает.
Когда эти куски очень быстро и очень плотно соединяются друг с другом с помощью специального запала (обычное взрывчатое
вещество), практически мгновенно под воздействием нейтронов, всегда присутствующих в земной атмосфере, возникает цепная реакция,
выделяется громадная энергия и происходит взрыв.
В ядерных реакторах осуществляют реакции ядерного деления изотопов урана 23592 U , 23392 U и плутония 23994 Рu .
Природный уран содержит 99,27% изотопа23892 U; 0,72% 23592 U и 0,01% 23392 U .
Однако, в природном уране цепная реакция деления не возникает.
Ядра U-238 делятся только быстрыми нейтронами с энергией более 1МэВ.
При меньших энергиях происходит радиационный захват нейтронов ядрами
без последующего их деления.
Ядра U-235 делятся нейтронами любых энергий,
а особенно хорошо медленными и тепловыми нейтронами. В этих изотопах может быть осуществлена цепная реакция.
Таким образом, в качестве делящегося вещества в ядерных реакторах используют U-238 , обогащённый U-235.
Чтобы предотвратить радиационный захват нейтронов ядрами U-238,
нейтроны замедляют до тепловых скоростей,
спомощью специального вещества, называемого замедлителем.
Делящееся вещество изготавливают в виде небольших блоков, промежутки между которыми заполняют замедлителем (дейтерием, графитом, бериллием).
Основные элементы ядерного реактора:
- ТВЭЛы - тепловыделяющие элементы - блоки из делящегося материала, заключённые в герметичную оболочку, слабо поглощающую нейтроны
(уран-235, 238, 233, 239, плутоний - 239, торий - 232);
- замедлители, в которых нейтроны замедляются до тепловых скоростей
(вода - обычная или тяжёлая, графит, бериллий, органические жидкости и др.);
- теплоносители, охлаждающие ТВЭЛы
(воздух, вода, водяной пар, гелий, углекислый газ, жидкие металлы и др.);
-отражатели, уменьшающие утечку нейтронов,
-управляющие стержни из материала, сильно поглощающего нейтроны
(бор, кадмий и др.).
Первый уран-графитовый реактор
был пущен в декабре 1942 года в Чикагском университете под руководством итальянского физика Энрико Ферми.
В Советском Союзе
реактор такого же типа был пущен в 1946 году в г.Дубно под Москвой под руководством И.В.Курчатова.
Первые ядерные реакторы использовались для производства делящегося материала для атомных бомб - плутония.