3.6.Цепная ядерная реакция деления.@
Ядра обычно находятся в состоянии с наименьшей энергией, это состояние называется основным. При попадании частиц с большой кинетической энергией в ядро, оно переходит в возбужденное неустойчивое состояние и через некоторое время делится на два более устойчивых ядра. Явление деления тяжелых атомных ядер на два ядра было открыто Ганом и Штрассманом в 1939г. при изучении взаимодействия нейтронов различных энергий и ядер урана. В 1940 г. российские физики К.А.Петржак и Г.И. Флеров обнаружили самопроизвольное (спонтанное) деление ядер урана. При реакции деления выделяется очень большая энергия, она высвобождается в виде кинетической энергии двух ядер-осколков, а также вылетающих при этом нейтронов, электронов, нейтрино, гамма - квантов. Основная часть энергии деления приходится на энергию ядер-осколков.
Замечательным и чрезвычайно важным свойством реакции деления является то, что в результате деления образуется несколько вторичных нейтронов. Это обстоятельство позволяет создавать условия для поддержания стационарной или развивающейся во времени реакции деления ядер. Например, если один нейтрон вызывают реакцию деления одного ядра, то образующиеся в результате реакции три нейтрона могут вызвать деление других трех ядер, возникшие при этом уже девять нейтронов после следующей реакции создадут двадцать семь нейтронов и так далее. Число вторичных нейтронов различно для разных реакций и зависит как от энергии нейтрона, так и от свойств ядра. В результате серии таких реакций за короткое время может произойти множество актов деления ядер, такой процесс называют цепной реакцией (Рис.18).
Рис.18. Схема развития цепной реакции деления.
Освобождение нейтронов при делении ядер урана обнаружили в 1939 г. Ф. Жолио – Кюри, Х.Халбан и Л.Коварски. В результате деления ядра урана образуются, как правило, два ядра-осколка с различной массой. В среднем отношение масс легких и тяжелых осколков равно 2 : 3. Массовые числа А ядер‑осколков меняются от 72 до 161, а их атомные номера от 30 до 65. Как правило, ядра-осколки имеют большой избыток нейтронов и поэтому неустойчивы относительно бета-распада. При делении одного ядра урана освобождается 2 или 3 нейтрона и выделяется около 200 МэВ энергии. Примерно 165 МэВ выделяется в виде кинетической энергии ядер–осколков, остальная энергия приходится на кинетическую энергию нейтроны и энергию гамма–квантов. При наличии в среде примесей некоторых элементов, нейтроны, освобождающиеся в реакции деления урана, могут попасть в ядра примеси и застрять там. Это может уменьшить скорость цепной реакции и даже прекратить ее.
3.7.Использования энергии ядерных цепных реакций. Атомная бомба. Ядерный реактор.@
В 1934 г. Жолио–Кюри высказал предположение о возможности использования энергии ядерных цепных реакций в практических целях. Практическое осуществление цепных реакций – не такая простая задача, как это выглядит на схеме. Нейтроны, освобождающиеся при делении ядер урана, способны вызвать деление лишь ядер изотопа урана с массовым числом 235, и для этого пригодны даже медленные (тепловые) нейтроны. Деление же ядер изотопа урана с массовым числом 238 не происходит, нейтроны просто захватываются этими ядрами. В природном уране на долю изотопа 238 приходится 99,3%, а на долю изотопа 235 приходится всего лишь 0,7%. Поэтому, осуществление цепной реакции деления связано с разделением природного урана и получением в чистом виде достаточно большого количества изотопа 235, что достаточно сложно и дорого.
Необходимым условием для осуществления цепной реакции является наличие достаточного количества урана, так как при малой массе урана большинство нейтронов пролетят и уйдут наружу, не попав ни в одно ядро. Минимальная масса урана, достаточная для осуществления цепной реакции, называется критической массой, для изотопа урана 235 она составляет примерно 50 кг, а радиус шара такой массы равен 8,5 см.
Для характеристики цепной реакции деления используется величина, называемая коэффициентом размножения нейтронов К. Этот коэффициент равен отношению числа нейтронов одного поколения к числу нейтронов предыдущего поколения, участвующих в реакции распада. Коэффициент размножения зависит от типа ядерной реакции, от наличия поглощающих нейтроны примесей, а также от конструкции устройства, где происходит реакция. Если К>1, число нейтронов в системе лавинообразно нарастает и происходит выделение большого количества энергии за малое время, то есть происходит ядерный взрыв, система в этом случае называется надкритической. Для стационарной цепной реакции деления К=1, в этом случае число нейтронов, участвующих в реакции, не меняется и выделение энергии идет с постоянной скоростью. Такой режим реакции называется критическим, он используется в ядерных реакторах для длительного получения энергии. При К< 1 происходит уменьшение числа нейтронов, цепная ядерная реакция не происходит, система называется подкритической (это имеет место на месторождениях урана).
Простейший способ осуществления цепной реакции в уране – 235 заключается в следующем: изготавливают два куска урана в виде полушарий с массой несколько меньше критической. Цепная реакция в каждом из них в отдельности идти не может, но при соединении этих кусков мгновенно развивается цепная реакция и выделяется колоссальная энергия. Происходит атомный взрыв, температура окружающей среды резко увеличивается и все в области взрыва превращается в пар. Мощное световое и гамма-излучение сжигают все, что горит, на расстояниях нескольких километров. В добавление, вследствие кратковременности реакции, возникает мощная ударная волна перепада давления, разрушающая все на своем пути. Первые атомные бомбы были изготовлены в США в 1945г., взрывами этих бомб были уничтожены японские города Хиросима и Нагасаки. При взрыве бомбы с массой урана 1 кг, сброшенной на Хиросиму, была выделена энергия равная энергии взрыва примерно 20000 тонн тринитротолуола. Более мощным оружием является термоядерная бомба. В ней атомная бомба служит лишь «запалом», а основная энергия выделяется при осуществлении реакции термоядерного синтеза с превращением ядер водорода в ядра гелия.
Цепная реакция деления тяжелых ядер может использоваться и в мирных целях для получения электроэнергии. Впервые ядерная энергия была поставлена на службу людей в нашей стране, 27 июля 1954г. дала ток первая в мире атомная электростанция с ядерным реактором мощностью 5 МВт в г. Обнинске. Ядерный реактор - это техническая установка, в которой осуществляется и поддерживается управляемая цепная реакция деления тяжелых ядер.Для получения такой реакции, очевидно, необходимо создать такие условия, чтобы после каждой реакции распада ядра урана и после поглощения некоторых нейтронов примесями, оставался в среднем один нейтрон для продолжения дальнейших реакций распада, то есть необходимо непрерывно поддерживать критический режим реакции (К=1).
Ядерный реактор состоит из активной зоны, окруженной защитным корпусом. Активная зона содержит ядерное топливо, находящаяся в металлических трубках, их называют тепловыделяющими элементами (ТВЭл), а также теплоноситель, который проходит вокруг и внутри ТВЭлов и воспринимает тепло ядерных реакций. Для управления ходом реакции и поддержании ее в критическом режиме в активной зоне находятся также стержни из веществ, которые могут сильно поглощать нейтроны (тяжелая вода, графит, бериллий и др.).
При делении ядер ТВЭлы сильно нагреваются, вода, используемая часто в качестве теплоносителя, получает тепло от ТВЭлов и нагревается до температуры около 3000С при давлении около 107Па. С помощью насосов нагретая вода выводится из активной зоны реактора и проходит через теплообменник (это так называемый первый контур). В теплообменнике происходит нагрев воды второго контура до превращения ее в пар, который направляется на лопатки паровой турбины. Паровая турбина вращает ротор генератора тока, так кинетическая энергия ядер превращается в электроэнергию.
В качестве теплоносителя используют жидкие или газообразные вещества, которые не поглощают сильно нейтроны, чтобы не препятствовать развитию цепной реакции. Активная зона реактора обычно окружается отражателем, возвращающим часть нейронов в активную зону за счет многократного рассеяния. В ядерном реакторе происходит накопления продуктов деления, которые называются шлаками. Наличие шлаков приводит к потерям свободных нейтронов и усложняет управление работой реактора.
Ядерные реакторы разделяются на несколько групп: по средней энергии нейтронов - на быстрые, промежуточные и тепловые; по конструктивным особенностям активной зоны; по типу теплоносителя – на водяные, тяжеловодные, натриевые. Для производства электроэнергии сейчас применяются в основном реакторы на тепловых нейтронах: водяные реакторы с не кипящей или кипящей водой под давлением, уран-графитовые реакторы с кипящей водой или охлаждаемые углекислым газом. В будущем будут широко применяться реакторы на быстрых нейтронах, охлаждаемые жидкими металлами (натрий и др.), в которых реализуется режим воспроизводства топлива, т.е. когда при распаде 235U получается изотоп плутония 239Pu, тоже используемый в ядерных реакциях. На рисунке 19 представлена упрощенная схема ядерного реактора и схема получения электроэнергии.
Рис.19. Устройство ядерного реактора и схема получения электроэнергии на атомных электростанциях.
1- защитный корпус реактора, 2-активная зона с теплоносителем, 3-ТВЭлы с чистым ураном, 4-стержни для управления реакцией, 5-теплообменник, 6-первый контур для вывода энергии из активной зоны, 7- насос первого контура, 8-второй контур для превращения тепловой энергии в электроэнергию, 9-конденсатор для перевода пара в жидкое состояние, 10-паровая турбина, 11-электрогенератор.