Melkumyan_A.A._Fizika_mikromira

стабильным изотопом азота 147 N . Результатом этой реакции явля-

ется образование радиоактивного изотопа углерода 146 C :

10 + 147 N → 146 C + 11

Таким образом, содержание радиоактивного изотопа 146 C в атмосфере есть результат баланса процесса образования (благодаря космическим лучам) и процесса распада (вследствие естественной радиоактивности). Соотношение радиоактивного 146 C и

стабильных 126 C и 136 C изотопов углерода в атмосфере и в биосфере примерно одинаково во времени из-за активного перемешивания атмосферы и постоянного участия живых организмов в углеродном обмене. С гибелью организма углеродный обмен прекращается. После этого стабильные изотопы сохраняются, а радиоактивный постепенно распадается и его содержание в останках уменьшается. Таким образом, зная исходное соотношение содержания изотопов и их текущее соотношение, можно установить время, прошедшее с момента гибели организма.

Контрольные вопросы

1.Что такое радиоактивность?

2.Какие виды радиоактивности вы знаете?

3.Искусственная и естественная радиоактивность.

4.Что такое альфа-распад? Примеры.

5.Что такое бета-распад? Какие виды бета-распада вы знаете? Примеры.

6.Закон радиоактивного распада. Что такое период полурас-

пада?

Темы для докладов и рефератов

1.Явление радиоактивности. Его значение в науке, технике, медицине.

2.Радиоуглеродный метод определения возраста.

12

Ядерные реакции

Ядерной реакцией называется процесс сильного взаимодействия атомного ядра с элементарной частицей или другим ядром, приводящий к преобразованию ядра (или ядер). Взаимодействие реагирующих частиц возникает при сближении их на расстояние 10−15 м. Ядерные реакции могут сопровождаться как выделением, так и поглощением энергии. Эта энергия называется энергией реакции E:

E = ∑до реакции 2 − ∑после реакции 2

Наиболее распространенным видом ядерной реакции является взаимодействие легкой частицы (a) с ядром (X), в результате которого образуется другая частица (b) и другое ядро (Y):

X + a → Y + b

Пример 1. Естественные ядерные реакции: под действием нейтронов, образуемых в верхних слоях атмосферы космическими лучами, в атмосфере все время идет реакция превращения азота в углерод.

Пример 2. Первая искусственная ядерная реакция была осуществлена Резерфордом в 1919 году. При облучении азота альфачастицами, испускаемыми радиоактивным источником, некоторые ядра азота превращались в ядра кислорода:

147 N + 42 He → 178 O + 11

В 1938 году немецкие ученые Отто Ган и Фриц Штрассман обнаружили, что при облучении нейтронами урана-235 образуются элементы из середины периодической таблицы. Ядро урана235 при облучении нейтронами делится на две примерно одинаковые части (цезий и рубидий), называемые осколками деления:

10 + 23592 → 14055Cs + 3794Rb +210

13

Осколки деления являются радиоактивными и претерпевают цепочку электронных бета-распадов, сопровождаемых электромагнитным излучением. Энергия связи у ядер средней массы на 1 Мэв больше, чем у тяжелых ядер. Следовательно, деление ядер должно сопровождаться большим количеством выделяемой энергии. Но особенно важно, что при делении каждого ядра высвобождается два нейтрона. Испускание нескольких нейтронов при делении ядер 23592 делает возможным существование цепной ядерной реакции:

1 нейтрон → 1 ядро → 2 нейтрона → 2 ядра → 4 нейтрона → 4 ядра → .…

Количество нейтронов, рождающихся в каждом поколении, нарастает в геометрической прогрессии. Цепная реакция может быть осуществлена двумя способами: на быстрых нейтронах (атомная бомба) и на медленных нейтронах (атомный реактор).

Пример 1

Атомная бомба

Рис. 3. Схематическое устройство атомной бомбы

14

Сравнительно небольшие блоки делящегося вещества размещают на небольшом расстоянии друг от друга. Промежутки между блоками заполняют замедлителем, то есть веществом, в котором быстрые нейтроны замедляются. В качестве замедлителя используют изотоп водорода дейтерий 21H (в первых реакторах – графит), входящий в состав тяжелой воды. Для замедления нейтронов с энергией 2 Мэв до тепловых скоростей в тяжелой воде достаточно 25 столкновений, в графите 100. Первый уранграфитовый реактор был запушен в декабре 1942 года в Чикагском университете под руководством Энрико Ферми. В Советском Союзе реактор такого типа был пущен в декабре 1946 года в Москве под руководством академика Курчатова. Первые промышленные реакторы предназначались для производства материала для атомных бомб плутония 23994Pu. Часть нейтронов, полученных при бомбардировке урана-235, шла на поддержание цепной реакции, а часть претерпевала захват ядрами урана-238. Конечным продуктом этой реакции является плутоний-239. После того, как в урановых блоках образовывалось достаточно плутония, блоки вынимали из реактора и отправляли на химическую переработку для получения чистого 23994Pu, который используется

ватомной бомбе.

В1954 году в СССР была введена в действие первая атомная электростанция мощностью 5000 квт (рис. 4). Регулирующие стержни, состоящие из кадмия или бора, очень интенсивно поглощают нейтроны и служат для регулировки процесса в реакторе. Введение стержней (замедлителей) уменьшает коэффициент размножения нейтронов. В теплообменнике теплоноситель отдает теплоту воде, превращая ее в пар, вращающий турбину. Теплоноситель получает энергию в активной зоне атомного реактора. Реакторы с замедлителем работают на тепловых нейтронах. Побочными продуктами являются радиоактивные изотопы мно-

16

гих химических элементов, используемые в медицине, технике и т.д.

Рис. 4. Схема атомной электростанции

В цепных реакциях при бомбардировке нейтронами происходит распад тяжелых ядер на более легкие. Существуют реакции, называемые ядерным синтезом, в которых два легких ядра сливаются в одно. Ядерный синтез сопровождается выделением огромного количества энергии. Так как этот процесс идет при очень высоких температурах (≈ 107 К и выше), то он называется термо-

ядерной реакцией.

Пример 1

Термоядерный синтез как источник энергии Солнца.

Основные процессы, протекающие в звездах, это протон – протонный (pp) и углеродно-азотный (CN) циклы. Для нашего Солнца, состоящего, в основном, из ядер водорода и гелия (Табл. 4), определяющим является pp цикл:

411H → 42He + 2+10 + 2 + Q

17

Температура на поверхности Солнца порядка 103 K, во внутренней зоне (размер 0,02 радиуса Солнца), где протекают основные реакции, 107 K.

Пример 2

Реакция слияния изотопов водорода дейтерия и трития ис-

пользуется в водородной бомбе:

21H + 31H → 42He + 10 .

Первый термоядерный взрыв был осуществлен в СССР в 1953 году. В водородной бомбе запалом служит обычная ядерная бомба, при взрыве которой возникает очень высокая температура (107 K). Реакция синтеза сопровождается выделением энергии около 17,5 Мэв, то есть 3,5 Мэв на нуклон. Для примера, реакция деления урана сопровождается выделением энергии 0,85 Мэв / нуклон, то есть в 4 раза меньше.

Пример 3

Термоядерный реактор типа ТОКАМАК

В водородной бомбе термоядерная реакция носит неконтролируемый характер. Для осуществления управляемых термоядерных реакций нужно создать и поддерживать в некотором объеме температуру 108 K. При таких высоких температурах вещество представляет собой полностью ионизованную плазму. На пути создания термоядерного реактора встала серьезная проблема удержания высокотемпературной плазмы в заданном объеме, иначе плазма остынет, а любые стенки сосуда расплавятся. Советский ученый академик Тамм предложил использовать для

18

удержания плазмы магнитное поле так называемые магнитные ловушки. Это конфигурации магнитного поля, способные долгое время удерживать плазму в заданном объеме. Одним из основных направлений создания промышленных установок термоядерного синтеза являлось создание установок типа ТОКАМАК тороидальная камера с магнитными катушками. Эти установки разрабатывались в СССР в институте им. Курчатова под руководством академика Арцимовича. В настоящее время, на юге Франции строится международный экспериментальный термоядерный ре-

актор (ITER – International Thermonuclear Experimental Reactor),

ввод которого в действие планируется к 2025 году. Этот реактор предназначен для получения от синтеза ядер энергии мощностью 500 МВт в течение как минимум 500 секунд. Он является ступенью к созданию первой термоядерной электростанции DEMO (Demonstrational Power Plant), которая должна быть построена к

2040 году. Целью DEMO является непрерывная генерация электрической энергии мощностью 2ГВт (в ITER тепловая энергия просто рассеивается в пространстве).

Пример 4

Импульсные установки лазерного термоядерного синтеза

Кроме стационарных систем типа ТОКАМАК, в настоящее время исследуются также импульсные установки лазерного тер-

моядерного синтеза, в которых крупинки смеси трития и дейтерия подвергаются воздействию мощных импульсов лазерного излучения. Источником термоядерной энергии в импульсных установках является реакция синтеза

21H + 31H → 42He + 10 + 17,6 Мэв.

Впервые идея использования мощного ядерного излучения для нагрева плотной плазмы до термоядерных температур (108 K) была высказана советскими учеными в 1961 году. Для реактора

19

на основе лазерного термоядерного синтеза необходимо создание лазера мегаджоульного уровня, работающего с частотой повторения в несколько герц. В настоящее время в ряде лабораторий (США, Франция) исследуются возможности создания таких систем на основе новых кристаллов. Запуск опытного реактора по американской программе планируется на 2025 год.

Контрольные вопросы

1.Какой процесс называют ядерной реакцией? Пример.

2.Что такое «энергия реакции»?

3.Цепная ядерная реакция. Пример.

4.Что такое «критическая масса»?

5.Какие изотопы урана вы знаете?

6.Для чего предназначались первые промышленные реакто-

ры?

7.Какие превращения энергии происходят на атомной электростанции?

8.Что такое ядерный синтез (термоядерная реакция)? Пример.

9.Сравните энергии реакции деления ядер урана и синтеза ядер изотопов водорода.

10.Какая температура нужна для осуществления управляемых термоядерных реакций?

Темы для докладов и рефератов

1.Установка типа ТОКАМАК – промышленная установка термоядерного синтеза.

2.Импульсные установки лазерного термоядерного синтеза.

3.Термоядерный синтез как источник энергии Солнца.

20