50. Ядерные реакции. Деление ядер. Использование ядерной энергии

Ядерные реакции – это превращения атомных ядер при взаимодействии с элементарными частицами (в том числе и с ᵞ-квантами) или друг с другом. Наиболее распространенным видом ядерной реакции является реакция, записываемая символически следующим образом: где X и Y — исходное и конечное ядра; а и b — бомбардирующая и испускаемая в ядерной реакции частицы. В любой ядерной реакции выполняются законы сохранения зарядовых и массовых чисел: сумма зарядовых чисел(и сумма массовых чисел) ядер и частиц, вступающих в ядерную реакцию,равна сумме зарядовых чисел (и сумме массовых чисел) конечных продуктов (ядер и частиц) реакции. Выполняются также законы сохранения энергии,импульса и момента импульса. В отличие от радиоактивного распада, который протекает всегда с выделением энергии, ядерные реакции могут быть как экзотермическими (с выделением энергии), так и эндотермическими (с поглощением энергии).Важную роль в объяснении механизма многих ядерных реакций сыграло предположение Н.Бора о том,что ядерные реакции протекают в две стадии по следующей схеме: 1ая стадия — это захват ядром X частицы а, приблизившейся к нему на расстояние действия ядерных сил, и образование промежуточного ядра С, наз-ого составным.Энергия влетевшей в ядро частицы быстро распределяется между нуклонами составного ядра, в результате чего оно оказывается в возбужденном состоянии. При столкновении нуклонов составного ядра один из нуклонов или α-частица может получить энергию, достаточную для вылета из ядра. В результате возможна вторая стадия ядерной реакции — распад составного ядра на ядро Y и частицу b.В ядерной физике вводится характерное ядерное время — время, необходимое для пролета частицей расстояния порядка величины, равной диаметру ядра. Ядерные реакции классифицируются по следующим признакам:

1) по роду участвующих в них частиц — реакции под действием нейтронов; реакции под действием заряженных частиц (например, протонов, дейтронов, α-частиц); реакции под действием ᵞ-квантов;

2) по энергии вызывающих их частиц — реакции при малых энергиях(порядка электрон-вольт), происходящие в основном с участием нейтронов; реакции при средних энергиях (до нескольких мегаэлектрон-вольт), происходящие с участием ᵞ-квантов и заряженных частиц (протоны, α-частицы);

реакции при высоких энергиях (сотни и тысячи мегаэлектрон-вольт), приводящие к рождению отсутствующих в—свободном состоянии элементарных частиц и имеющее большое значение для их изучения;

3) по роду участвующих в них ядер —реакции на легких ядрах (А < 50); реакции на средних ядрах (50 < А < 100);реакции на тяжелых ядрах (А > 100);

4) по характеру происходящих ядерных превращений — реакции с испусканием нейтронов; реакции с испусканием заряженных частиц; реакции захвата (в этих реакциях составное ядро не испускает никаких частиц, а переходит в основное состояние, излучая один или несколько ᵞ-квантов).Первая в истории ядерная реакция осуществлена Э. Резерфордом (1919)при бомбардировке ядра азота α-частицами, испускаемыми радио-ом источником: Деле́ние ядра́ — процесс расщепления атомного ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, наз. осколками деления. В результате деления могут возникать и другие продукты реакции: лёгкие ядра, нейтроны и гамма-кванты. Деление бывает спонтанным (самопроизвольным) и вынужденным (в результате взаимодействия с другими частицами). Деление тяжёлых ядер — экзотермический процесс, в результате кот. высвобождается большое количество энергии в виде кинетической энергии продуктов реакции, а также излучения. Деление ядер служит источником энергии в ядерных реакторах и ядерном оружии. Процесс деления может протекать только в том случае, когда потенц. энергия начального состояния делящегося ядра превышает сумму масс осколков деления. Поскольку удельная энергии связи тяжёлых ядер уменьшается с увеличением их массы, это условие выполняется почти для всех ядер с массовым числом А>90.Даже самые тяжёлые ядра делятся самопроизвольно с очень малой вероятностью т.е.с ущ. энергетический барьер, препятствующий делению. Ядерная энергия — это энергия, содержащаяся в атомных ядрах и выделяемая при ядерных реакциях. Энергия деления ядер урана или плутония применяется в ядерном и термоядерном оружии . На атомных электрических станциях ядерная энергия используется для получения тепла, используемого для выработки электроэнергии и отопления. В условиях дефицита энергетических ресурсов ядерная энергетика считается наиболее перспективной в ближайшие десятилетия. Энергия, выделяемая при радиоактивном распаде, используется в долгоживущих источниках тепла и бетагальванических элементах. Достатки: Отсутствие вредных выбросов; выбросы радиоактивных веществ в несколько раз меньше угольной эл. станции аналогичной мощности; небольшой объём используемого топлива и возможность его повторного использования после переработки; небольшой объём используемого топлива и возможность его повторного использования после переработки; Высокая мощность: 1000—1600 МВт на энергоблок; Низкая себестоимость энергии, особенно тепловой. Недостатки: Облучённое топливо опасно, требует сложных и дорогих мер по переработке и хранению; Нежелателен режим работы с переменной мощностью для реакторов, работающих на тепловых нейтронах; Последствия возможного инцидента крайне тяжелые, хотя его вероятность достаточно низкая;

51. Реакции синтеза ядер. Использование ядерной энергии

Управляемый термоядерный синтез (УТС) — синтез более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью получения энергии, который, в отличие от взрывного термоядерного синтеза (используемого в термоядерных взрывных устройствах), носит управляемый характер. Управляемый термоядерный синтез отличается от традиционной ядерной энергетики тем, что в последней используется реакция распада, в ходе которой из тяжёлых ядер получаются более лёгкие ядра. В основных ядерных реакциях, которые планируется использовать в целях осуществления управляемого термоядерного синтеза, будут применяться дейтерий(2H) и тритий (3H), а в более отдалённой перспективе гелий-3 (3He) и бор-11 (11B). Впервые задачу по управляемому термоядерному синтезу в Советском Союзе сформулировал и предложил для неё некоторое конструктивное решение советский физик Лаврентьев.

Реакция синтеза заключается в следующем: берутся два или больше атомных ядра и с применением некоторой силы сближаются настолько, что силы, действующие на таких расстояниях, преобладают над силами кулоновского отталкивания между одинаково заряженными ядрами, в результате чего формируется новое ядро. Оно будет иметь несколько меньшую массу, чем сумма масс исходных ядер, а разница становится энергией, которая и выделяется в процессе реакции. Количество выделяемой энергии описывает известная формула E=mc². Более лёгкие атомные ядра проще свести на нужное расстояние, поэтому водород — самый распространенный элемент во Вселенной — является наилучшим горючим для реакции синтеза. Установлено, что смесь двух изотопов, дейтерия и трития, требует менее всего энергии для реакции синтеза по сравнению с энергией, выделяемой во время реакции. Однако, хотя смесь дейтерия и трития (D-T) является предметом большинства исследований синтеза, она в любом случае не является единственным видом потенциального горючего. Другие смеси могут быть проще в производстве; их реакция может надежнее контролироваться, или, что более важно, производить меньше нейтронов. Особенный интерес вызывают так называемые «безнейтронные» реакции, поскольку успешное промышленное использование такого горючего будет означать отсутствие долговременного радиоактивного загрязнения материалов и конструкции реактора, что, в свою очередь, могло бы положительно повлиять на общественное мнение и на общую стоимость эксплуатации реактора, существенно уменьшив затраты на его декомиссию. Проблемой остается то, что реакцию синтеза с использованием альтернативных видов горючего намного сложнее поддерживать, потому D-T реакция считается только необходимым первым шагом. Управляемый термоядерный синтез может использовать различные виды термоядерных реакций в зависимости от вида применяемого топлива.

Ядерная энергия (атомная энергия) — это энергия, содержащаяся в атомных ядрах и выделяемая при ядерных реакциях.

Впервые на уран как новый источник энергии обратил внимание академик В. И. Вернадский

Энергия деления ядер урана или плутония применяется в ядерном и термоядерном оружии (как пускатель термоядерной реакции). Существовали экспериментальные ядерные ракетные двигатели, но испытывались они исключительно на Земле и в контролируемых условиях, по причине опасности радиоактивного загрязнения в случае аварии. На атомных электрических станциях ядерная энергия используется для получения тепла, используемого для выработки электроэнергии и отопления. Ядерные силовые установки решили проблему судов с неограниченным районом плавания (атомные ледоколы, атомные подводные лодки, атомные авианосцы). В условиях дефицита энергетических ресурсов ядерная энергетика считается наиболее перспективной в ближайшие десятилетия. Энергия термоядерного синтеза применяется в водородной бомбе. Энергия, выделяемая при радиоактивном распаде, используется в долгоживущих источниках тепла и бетагальванических элементах.

Плюсы:

Отсутствие вредных выбросов; Выбросы радиоактивных веществ в несколько раз меньше угольной эл. станции аналогичной мощности (зола угольных ТЭС содержит процент урана и тория, достаточный для их выгодного извлечения); Небольшой объём используемого топлива и возможность его повторного использования после переработки; Высокая мощность: 1000—1600 МВт на энергоблок; Низкая себестоимость энергии, особенно тепловой.

Недостатки:

Облучённое топливо опасно, требует сложных и дорогих мер по переработке и хранению; Нежелателен режим работы с переменной мощностью для реакторов, работающих на тепловых нейтронах; Последствия возможного инцидента крайне тяжелые, хотя его вероятность достаточно низкая; Большие капитальные вложения, как удельные, на 1 МВт установленной мощности для блоков мощностью менее 700—800 МВт, так и общие, необходимые для постройки станции, её инфраструктуры, а также в случае возможной ликвидации.