Основы физики ядра и элементарных частиц (110

Отметим, что плутоний 239 Pu также хорошо делится нейтронами, как и

235U , поэтому его вновь можно использовать в ядерных реакторах на медленных нейтронах. То есть реакторы-бридеры воспроизводят ядерное топливо. Одно из основных отличий реакторов на быстрых нейтронах от реакторов на тепловых − это использование в качестве теплоносителя жидкого натрия, так как он:

−1 – быстронагреваемый;

−2 – не замедляет нейтроны;

−3 – антикоррозионен;

−4 – имеет высокую температуру кипения (883 оС).

В результате реакторы на быстрых нейтронах имеют следующие преимущества:

−1 – более полное использование урана;

−2 – воспроизводство ядерного топлива 239 Pu ;

−3 – высокий КПД (около 40 %);

−4 – большая температура воды.

Однако они имеют и недостатки:

-наукоемкость;

-дороговизна.

Реакторы же на тепловых нейтронах дешевы и доступны в обращении. Выше были отмечены достоинства использования АЭС. Отметим

основные отрицательные факторы использования АЭС:

−проблема утилизации отходов (ежегодно необходимо утилизовать около 10 4 кг радиоактивных отходов);

−опасность возникновения аварий типа Чернобыльской.

9.ТЕРМОЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ В ПРИРОДЕ И ТЕХНИКЕ

Ядерные реакции синтеза легких изотопов или термоядерные реакции

также энергетически выгодны, как и реакции деления. Но в отличие от

31

последних они широко распространены в природе. Большинство звезд светят благодаря им. Так, на Солнце имеет место азотно-углеродный цикл, который сопровождается следующими реакциями:

Искусственные термоядерные реакции основываются на синтезе дейтерия и трития:

Дейтерий стабилен. Изотопа 13 H нет в природе − он радиоактивен и распадается. Поэтому его получают искусственно. При синтезе 1 г смеси дейтерия и трития выделяетсяэнергияпримернокакприсжигании 1 тонныугля.

Чтобы реакция синтеза состоялась, нужно сблизить ядра на расстояние

~ 1Ферми =10−15 м. Но при этом действуют огромные кулоновские силы,

32

отталкивающие ядра, то есть необходимо, чтобы ядра обладали большой кинетической энергией. Совокупность ядер должна иметь высокую

температуру, около 108 К . При таких температурах скорости частиц оказываются около 103 км/с. Любое вещество, находящееся при такой температуре, имеет газообразную форму, причем в зависимости от плотности газ может быть полностью или частично ионизирован. То есть это плазма.

Основными характеристиками плазмы являются температура, концентрация частиц, степень ионизации (отношение числа ионизированных и заряженных частиц к полному числу в единице объема). Плазма квазинейтральна. Будучи высокотемпературной, плазма будет резко расширяться. Удержать горячую плазму невозможно в любом сосуде, так как стенки его расплавятся. Возникает задача удержания плазмы. Для того, чтобы термоядерная реакция была энергетически выгодной, то есть энергетический выход реакции синтеза имел бы величину большую, чем величина затрат на нагревание плазмы, необходимо выполнение критерия Лоусона:

ограниченном объеме. Для сравнения концентрация молекул воздуха при нормальных условиях N = 2,5 1019 см−3 .

Плазму можно удержать в ограниченном объеме с помощью электромагнитного поля. На заряженные частицы плазмы со стороны магнитного поля действует сила Лоренца:

В результате действия силы Лоренца заряженные частицы плазмы начинают двигаться по винтовым линиям (рис. 25), а следовательно, удерживаются около силовых линий магнитного поля (они становятся как бы вмороженными в магнитное

поле). С магнитным удержанием плазмы связано одно из направлений

33

разработки управляемого термоядерного синтеза (УТС). Другое современное направление исследований в области УТС связано с использованием лазеров и получило название инерциального синтеза или ЛТС.

Рис. 26

Способ магнитного удержания плазмы наиболее перспективно используется в установках типа ТОКАМАК. Рассмотрим основные принципы работы этих установок. Прежде всего нужно газ, из которого получают плазму, оторвать от стенок. Это достигается с помощью электрического разряда, вокруг которого образуется сильное магнитное поле

(рис. 26, а).

При этом: B ~ I , pm ~ B2 , pm – магнитное давление. В результате действия радиального давления плазма отрывается от стенок (рис. 26 б). Это явление получило название Z -пинч. Однако дальнейшее существование плазменного шнура проблематично в связи с развитием различного рода неустойчивостей. Так, имеет место «сосисочная» или перетяжковая неустойчивость (рис. 27). В месте перетяжки возрастает сила тока, а вместе с ней и магнитное давление ( I ↑, B ↑, pm ↑), которое и пережимает шнур,

разрывая его. Другой тип неустойчивости плазменного шнура (изгибная неустойчивость) показан на рис. 28. Однако если наложить на шнур продольное магнитное поле, то эти неустойчивости можно предотвратить. Так как плазма вморожена в магнитное поле, то она становится поперечно жесткой. Существует также опасность касания плазмы с верхними и нижними стенками.

34

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Рис. 28 Рис. 29

В установках типа ТОКАМАК используется Θ-пинч.

Принципиальная схема установки ТОКАМАК изображена на рис. 29. На нем обозначены:

1– сердечник (ярмо);

2– первичная обмотка;

3– плазменный шнур (вторичная обмотка);

4– камера;

5– провода для создания тороидального магнитного поля;

6– теплоноситель.

Принцип работы ТОКАМАКа импульсный и основан на принципе работы трансформатора. Когда по первичной обмотке пропускают ток, то во вторичной обмотке, то есть в плазме, тоже возникает ток, магнитное поле которого сжимает ее, отрывая от стенок и нагревая до температуры, при которой становятся возможными термоядерные реакции. До 75 % энергии, выделяющейся при термоядерной реакции, уносят нейтроны. Чтобы эту энергию утилизировать, нужен теплоноситель-замедлитель, который потом отдает тепло воде, превращая ее в пар. Далее паровая турбина раскручивает электрогенератор. В России имеется работающая экспериментальная установка T -10, в ней достигается температура 3 108 K .

Перейдем к рассмотрению принципов инерциального термоядерного синтеза. Его идея основана:

35

1)на возможности создавать высокую плотность энергии в лазерном

луче;

2)на отсутствии механического контакта между лазером и мишенью.

Пример: при мощности лазера 1 кВт в фокусе луча можно получить плотность потока энергии 1011 Вт/ см2 и температуру T =1010 K . Мишень выполняется в виде стеклянной сферы радиусом примерно 1 мм (рис. 30),

внутри нее помещается смесь дейтерия и трития при t = −200 °C . Она располагается в центре круглой комнаты радиусом примерно 10 м (рис. 31). По периметру комнаты размещаются мощные лазеры 1–5. Длительность импульсов лазеров 10−8 с. С разных сторон мишень сжимается лазерными лучами до очень высокой плотности. Происходит термоядерный микровзрыв.

Энергия микровзрыва порядка 102−3 МДж. В качестве замедлителя нейтронов

(теплоносителя) используется 238U , который при захвате нейтронов превращается в плутоний 239 Pu . Так, в год получают около 700 т Pu для нужд АЭС.

36

10.МАСШТАБНЫЕ УРОВНИ СТРОЕНИЯ МАТЕРИИ. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ.

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

Материя или объективная реальность, которая существует вокруг нас, весьма разнообразна. Однако можно выделить основные масштабные уровни строения неживой материи или основные ее структурные элементы. Приведем их в таблице.

Уровни строения материи

Как известно, существуют две формы материи – вещество и поле. На фундаментальном уровне им соответствуют элементарные частицы – фермионы и бозоны (см. таблицу).

Понятие элементарной частицы означает, что она уже не состоит из каких-либо частей. Все попытки расчленить элементарные частицы на ускорителях приводят лишь к тому, что при соударении двух частиц рождается масса других новых частиц, которые вовсе не содержались в столкнувшихся частицах. Уже после того как термин «элементарная частица» был применен к таким частицам, как протон, нейтрон, оказалось,

37

что они состоят из кварков. (Кварки, однако, до сих пор в свободном состоянии не наблюдались). Поэтому для таких частиц как электрон, кварк в дальнейшем был введен термин «истинно элементарная частица».

Все наблюдаемые взаимодействия в природе в конечном итоге сводятся к четырем фундаментальным взаимодействиям. А все элементарные частицы могут быть или участниками, или переносчиками этих взаимодействий. Поэтому перед дальнейшим изложением еще раз приведем таблицу

фундаментальных взаимодействий.

Знак вопроса за термином «гравитон» означает, что это гипотетическая частица и квантовая теория гравитации разработана не до конца.

Классификация элементарных частиц

Приведем теперь таблицу, классифицирующую все элементарные частицы, кроме фундаментальных бозонов, указанных в последней колонке предыдущей таблицы.

Лептоны – это относительно легкие частицы, а все адроны обязательно участвуют в сильном взаимодействии и состоят из кварков. У всех приведенных частиц существуют античастицы (массы равны, заряды

38

противоположны, закрутка спина по направлению движения – спиральность, противоположна). В некоторых случаях частица и античастица совпадают.

Например, у π0 -мезона. Частицы-резонансы − это короткоживущие частицы с временем жизни порядка 10−22 −10−23 с. Их более сотни.

Основные характеристики и свойства элементарных частиц

Всем элементарным частицам приписываются следующие основные характеристики:

1. Электрический заряд, или eq+ = n, – зарядовое число, n = ±1, ±2… или дробные ±1/3, ±2/3.

2.Спин.

3.Масса частиц. Может измеряться в эВ: [m0 ]= эВ E = m0c2 − такую

энергию нужно затратить, чтобы родилась частица массой m0 . Например,

масса протона mp ≈1 ГэВ.

4.Время жизни.

5.Изотопический спин − это аналог спина, но в воображаемом изотопическом пространстве. Например, внутри ядра протоны и нейтроны неразличимы, они взаимно превращаются друг в друга. Внутри ядра p и n

отличаются тем, что у протона изотопический спин SZ = 12 , а у нейтрона −

SZ = − 12 .

6. Барионный заряд; всем барионам присваивается квантовое число B =1, если же это антибарион, то B = −1, а у частиц небарионов (лептоны, мезоны) B = 0 , аналогично трактуется и лептонный заряд (см. ниже).

7.Лептонный заряд.

8.Странность. Квантовое число, связанное с существованием странного кварка. Он входит в состав ряда адронов, которые поэтому называются странными.

39

9.Очарование. Также квантовое число, равное 1 у очарованного кварка

инулю у остальных.

Существование всех этих квантовых чисел связано с соответствующими законами сохранения.

Рассмотрим подробнее свойства отдельных классов частиц.

Лептоны

Стабильными являются электрон и все три типа нейтрино. Остальные частицы этого класса распадаются, например, по следующим каналам:

Нейтрино

Нейтрино – это легкие нейтральные частицы, очень слабо взаимодействующие с веществом. Множество нейтрино из космоса ежесекундно пронизывают земной шар. Нейтрино были введены в теорию для объяснения непрерывного спектра электронов при β-распаде радиоактивных ядер и были обнаружены в детекторах вблизи ядерных реакторов в реакциях типа:

~νe + p → e+ + n . (100)

До настоящего времени существует проблема массы нейтрино. Она заключается в выяснении вопроса: равна ли масса покоя нейтрино нулю, как и у фотона, или она мала, но конечна. Приводятся оценки: mν(o ) <10−5 me .

Нейтрино обладает левовинтовой спиральностью. Все нейтрино всех типов движутся как левый винт. У антинейтрино спиральность правовинтовая (по отношению к движению вперед).

40