7.12 Реакция деления ядра

Ферми, Ганн и др. обнаружили, что при облучении ядра U нейтронами образуется 2 осколка U, примерно равной массы, и выделяется большое кол-во энергии.

Свойства реакции деления ядра:

1) (РИС45)

Удельное σ_св урана меньше σ_св лантана и бария примерно на 1 МэВ. U₉₂²³⁸200 МэВ. 1г. U²³⁸~Q (3,5 тонны угля).

2) Сопровождающееся испусканием двух-трех вторичных нейтронов, что важно для осуществления цепных ядерных реакций. Это обусловлено тем, что тяжелые ядра перегружены нейтронами N/Z1,6.

3) При дальнейшем делении осколков U этот избыток не ликвидируется. В действительности при делении ядра U образуется примерно 80 осколков.

4) Механизм деления урана 238 объясняется с помощью капельной модели ядра. Ядро – капля электрически заряженной несжимаемой жидкости.

7.13 Цепная реакция деления

Это реакция деления, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции. Коэф-т размножения нейтронов к равен отношению числа нейтронов в данном поколении к числу нейтронов в предыдущем k=N_k+1/N_k; N_k+1=N_kk; (k-1)N – прирост числа нейтронов. dN/dt – скорость цепной реакции; dN/dt=(k-1)N/T, где Т – время жизни одного поколения. (N₀ to N)dN/N= (0 to t)((k-1)/T)dt ln N/N₀= (k-1)t/T; N=N₀e^(k-1)t/T. Если k>1, развивается цепная реакция; если к=1, то самоподдерживающаяся цепная реакция; k<1 – затухающая цепная реакция.

1) Захват медленных нейтронов ядрами урана 235 с последующим делением и испусканием нейтронов. к увеличивается.

2) Из-за конечных размеров активной зоны и большой проникающей способности нейтронов часть из них покидает зону. k уменьшается.

3) Часть нейтронов захватывается ядрами неделящихся примесей. k уменьшается.

4) k зависит от природы и кол-ва делящегося вещества, от размеров и формы активной зоны.

Минимальные размеры активной зоны при которых возможно осуществление цепной реакции, называется критическими размерами. Это влияет на к.

Минимальная масса делящегося вещ-ва, необходимого для цепной реакции называется критической массой.

1) Неуправляемые (атомный взрыв) цепные реакции. Чтобы не было взрыва при хранении, ее хранят в виде двух кусков, с массами меньше критической. Используется уран 235 или плутоний 239. (РИС46)

2) Управляемые цепные реакции. Осуществляются в ядерных реакторах. Ядерное горючее уран 235 0,7% и уран 238 99,27%.

3) Замедлители нейтронов. Дейтерий – тяжелая вода. Теплоноситель для вывода тепла; устройство для регулирования скорости реакции (стержень B, K). Защитная оболочка (железобетон). Используется уран 235-92. (РИС47)

7.14 Термоядерные реакции синтеза легких ядер

₁H²+ ₁H²₁H³+ ₁p¹. ₁H²+ ₁H³₂He⁴+ ₀n¹. Выделяется кол-во теплоты Q4 МэВ.

Свойства термоядерных реакций:

1) Выделяется количество теплоты в несколько раз больше, чем при делении тяжелых ядер. При делении урана 235 выделяется 0,8 МэВ. Для термоядерных – 4 МэВ.

2) Протекание термоядерных реакций возможно при некоторой температуре Е_к (ядерного синтеза) больше или равно Е_n (двух ядер Н²); Е ~ kТ ~ e²/4πε₀r, r≈ размеру ядра 10^-15. r_min=2∙10^-15 м, следовательно Т≈2∙10⁹ К.

Синтез возможен при Т=10⁷ К. Поэтому: а) следствие туннельного эффекта; б) при синтезе ядра, находящегося в состоянии плазмы и распределение числа частиц по энергиям описывается распределением Максвелла.

3) Впервые неуправляемый термоядерный синтез был реализован при взрыве водородной бомбы. ₁H²+₁H³→₂He⁴+₀n¹. Реакция сопровождается выделением энергии 17,6 МэВ. 17,6/5=3,5 МэВ на 1 нуклон.

4) Неуправляемый термоядерный синтез происходит при взрыве бомбы. Управляемая термоядерная реакция возможна при выполнении условии Лоусона. n∙τ>10¹⁴, T>10⁷ K; n – концентрация частиц, τ – время удержания. Выполнение этого условия осуществляется при воздействии сильных МП.