Физика ядра и проблемы атомной энергетики

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭКОНОМИКИ И ФИНАНСОВ

Кафедра систем технологий и товароведения

Доклад по курсу концепция современного естествознания:

«Физика ядра и проблемы атомной энергетики»

Выполнила работу:

студентка I курса ОЭФ

группы №

Преподаватель:

Пустыльник

Петр Наумович

Санкт-Петербург

2004

I

Мир, в котором мы живем, сложен и многообразен. Издавна человек стремился познать его. Исследования шли в трех направлениях:

1. Поиск элементарных составляющих, из которых образована вся окружающая материя.

2. Изучение сил, связывающих элементарные составляющие материи.

3. Описание движения частиц под действием известных сил.

У философов древней Греции существовало два противоположных взгляда на природу материи. Сторонники одной школы (Демокрит, Эпикур) утверждали, что нет ничего, кроме атомов и пустоты, в которой движутся атомы. Они рассматривали атомы как мельчайшие неделимые частицы, вечные и неизменные, пребывающие в постоянном движении и различающиеся формой и величиной. Сторонники другого направления придерживались прямо противоположной точки зрения. Они считали, что вещество можно делить бесконечно. Сегодня мы знаем, что мельчайшие частицы вещества, сохраняющие его химические свойства, ― это молекулы и атомы. Однако мы также знаем, что атомы в свою очередь имеют сложную структуру и состоят из атомного ядра и электронов. Атомные ядра состоят из нуклонов ― нейтронов и протонов. Нуклоны в свою очередь состоят из кварков. Но разделить нуклоны на составляющие их кварки уже нельзя. Что вовсе не означает, что кварки "элементарны". Понятие элементарности объекта в значительной мере определяется уровнем наших знаний. Поэтому привычное для нас утверждение "состоит из …" на субкварковом уровне может оказаться лишенным смысла. Понимание этого сформировалось в процессе изучения физики субатомных явлений.

Одна из первых моделей атома была предложена в 1904 году Дж.Томсоном. Согласно модели Дж.Томсона атом представлял собой нейтральную систему, состоящую из заряженного шара с зарядом +Ze, внутри которого в определенных равновесных положениях находятся Z отрицательно заряженных электронов. Размер атома ~10^-8 см. Прямые экспериментальные исследования строения атома были выполнены в 1911 году Э.Резерфордом, который изучал рассеяние -частиц при прохождении через тонкую фольгу. Дифференциальное сечение упругого рассеяния нерелятивистской заряженной частицы в кулоновском поле ядра-мишени описывается формулой Резерфорда:

где Z₁ и Z₂ ― заряды налетающей частицы и ядра-мишени, e ― элементарный заряд, T ― кинетическая энергия налетающей частицы, ― угол рассеяния. Угловое распределение -частиц, рассеянных на золоте, свидетельствовало о том, что положительный заряд атома сосредоточен в пространственной области размером меньше 10^-12 см. Это явилось основанием для планетарной модели атома Резерфорда, согласно которой атом состоит из тяжелого положительно заряженного атомного ядра с радиусом меньше 10^-12 см и вращающихся вокруг него отрицательно заряженных электронов. Размер атома определяется размерами его электронной оболочки и составляет ~10^-8 см, что в десятки тысяч раз превышает размер атомного ядра. Несмотря на то, что атомное ядро занимает лишь небольшую часть объема атома в нем сосредоточено 99,98% его массы. Предложенная Э.Резерфордом модель атома сыграла решающую роль в развитии квантовой механики. Дело в том, что на основе классической физики невозможно было объяснить наблюдаемую на опыте устойчивость атома. Вращающиеся на орбите электроны, согласно классической физике, должны были излучать энергию и, потеряв ее, упасть на атомное ядро. Поскольку такие явления как фотоэффект и явление дифракции электронов удалось объяснить с помощью квантовых представлений, вполне разумно казалось попытаться с помощью такого подхода объяснить и устойчивость электронных орбит атома. В 1913 году Н.Бор предложил новую квантовую теорию орбит. Согласно этой теории электрон может вращаться вокруг ядра неопределенно долго, не излучая энергию, если на его орбите укладывается целое число длин волн де Бройля. Таким образом, устойчивые орбиты в атоме это орбиты, радиусы которых r_n определяются соотношением:

r_n = n²h²/Zm_ee,

что соответствует определенным энергетическим уровням атома:

E_n = - Z²e⁴m_e/2n²h².

Атом может перейти из одного состояния в другое, испустив квант энергии ― фотон:

h = E_i - E_k,

где E_i и E_k ― энергии уровней, между которыми происходит переход.

Некоторое время атомное ядро и электроны считались элементарными составляющими вещества. Первое указание на существование атомного ядра связано с открытием в 1898 году А.Беккерелем радиоактивности. Это произошло задолго до того, как Резерфорд экспериментально доказал его существование. Оказалось, что некоторые минералы естественного происхождения самопроизвольно испускают излучение неизвестной природы. По прошествии нескольких лет было показано, что неизвестное излучение состоит из частиц трех различных видов, сильно отличающихся друг от друга:

1. Нейтрально заряженных частиц ― фотонов.

2. Отрицательно заряженных частиц ― электронов.

3. Положительно заряженных частиц.

Вначале считалось, что обнаруженные излучения испускаются атомом, и лишь впоследствии стало ясно, что их источником является атомное ядро. Явление самопроизвольного распада атомных ядер стало называться радиоактивностью. Выдающуюся роль в понимании природы радиоактивного распада сыграли работы Пьера и Марии Кюри. Изучая треки образующихся при радиоактивном распаде положительно заряженных частиц в электрическом поле, Э.Резерфорд показал, что это частицы с массой атома гелия и зарядом +2e. В 1919 году Ф.Астон построил первый масс-спектрограф, с помощью которого были получены точные значения масс атомных ядер. Было доказано, что положительно заряженные частицы, обнаруженные при радиоактивном распаде ядер, являются ядрами атома гелия. Эти частицы были названы -частицами.

В 1919 г., продолжая эксперименты по рассеянию -частиц на различных мишенях, Э.Резерфорд обнаружил, что при бомбардировке ядер азота -частицами из него вылетают положительно заряженные частицы. Величина заряда этих частиц по абсолютной величине была равна величине заряда электрона, но противоположна по знаку. Масса частицы была почти в 2000 раз больше массы электрона. Повторение опыта на других мишенях показало, что положительно заряженные частицы вылетают и из других атомных ядер. Обнаруженные частицы были названы протонами. Ядерная реакция, в которой впервые были обнаружены протоны, записывается в виде:

¹⁴N +  ¹⁷O + p.

Уже первый взгляд на написанную реакцию свидетельствует о том, что Э.Резерфорду удалось осуществить то, что в течение многих веков пытались сделать алхимики ― превратить одно вещество в другое. Ядро азота превращалось в ядро кислорода. Это была первая ядерная реакция, осуществленная искусственно в лабораторных условиях. В то же время стало ясно, что протоны следует считать элементарными частицами, входящими в состав атомного ядра.

II

Атомная Энергетика ― область техники, основанная на использовании реакции деления атомных ядер для выработки теплоты и производства электроэнергии. В 1990 атомными электростанциями (АЭС) мира производилось 16% электроэнергии. Такие электростанции работали в 31 стране и строились еще в 6 странах. Ядерный сектор энергетики наиболее значителен во Франции, Бельгии, Финляндии, Швеции, Болгарии и Швейцарии, т.е. в тех промышленно развитых странах, где недостаточно природных энергоресурсов. Эти страны производят от четверти до половины своей электpоэнеpгии на АЭС. США производят на АЭС только восьмую часть своей электpоэнеpгии, но это составляет около одной пятой ее мирового производства.

Атомная энергетика остается предметом острых дебатов. Сторонники и противники атомной энергетики резко расходятся в оценках ее безопасности, надежности и экономической эффективности. Кроме того, широко pаспpостpанено мнение о возможной утечке ядерного топлива из сферы производства электpоэнеpгии и его использовании для производства ядерного оружия.

Атомная энергетика ― это сложное производство, включающее множество промышленных процессов, которые вместе образуют топливный цикл. Существуют разные типы топливных циклов, зависящие от типа pеактоpа и от того, как протекает конечная стадия цикла.

Обычно топливный цикл состоит из следующих процессов. В рудниках добывается урановая руда. Руда измельчается для отделения диоксида урана, а радиоактивные отходы идут в отвал. Полученный оксид урана преобразуется в гексафтоpид урана ― газообразное соединение. Для повышения концентрации уpана-235 гексафтоpид урана обогащают на заводах по разделению изотопов. Затем обогащенный уран снова переводят в твердый диоксид урана, из которого изготавливают топливные таблетки. Из таблеток собирают тепловыделяющие элементы, которые объединяют в сборки для ввода в активную зону ядерного pеактоpа АЭС. Извлеченное из реактора отработанное топливо имеет высокий уровень радиации, и после охлаждения на территории электростанции отправляется в специальное хранилище. Предусматривается также удаление отходов с низким уровнем радиации, накапливающихся в ходе эксплуатации и технического обслуживания станции. По истечении срока службы и сам реактор должен быть выведен из эксплуатации (с дезактивацией и удалением в отходы узлов реактора). Каждый этап топливного цикла регламентируется так, чтобы обеспечивались безопасность людей и защита окружающей среды.

Промышленные ядерные pеактоpы первоначально разрабатывались лишь в странах, обладающих ядерным оружием. США, СССР, Великобритания и Франция активно исследовали разные варианты ядерных реакторов. Однако впоследствии в атомной энергетике стали доминировать три основных типа pеактоpов, различающиеся, главным образом, топливом, теплоносителем, применяемым для поддержания нужной температуры активной зоны, и замедлителем, используемым для снижения скорости нейтронов, выделяющихся в процессе распада и необходимых для поддержания цепной реакции.

Среди них первый (и наиболее распространенный) тип ― это реактор на обогащенном уране, в котором и теплоносителем, и замедлителем является обычная, или «легкая», вода (легководный реактор). Существуют две основные разновидности легководного реактора: pеактоp, в котором пар, вращающий турбины, образуется непосредственно в активной зоне (кипящий реактор), и pеактоp, в котором пар образуется во внешнем, или втором, контуре, связанном с первым контуром теплообменниками и паpогенеpатоpами (водо-водяной энергетический реактор – ВВЭР). Разработка легководного реактора началась еще по программам вооруженных сил США. Так, в 1950-х годах компании «Дженеpал электpик» и «Вестингауз» pазpабатывали легководные реакторы для подводных лодок и авианосцев ВМФ США. Эти фирмы были также привлечены к реализации военных программ разработки технологий регенерации и обогащения ядерного топлива. В том же десятилетии в Советском Союзе был разработан кипящий реактор с графитовым замедлителем.

Второй тип pеактоpа, который нашел практическое применение, ― газоохлаждаемый pеактоp (с графитовым замедлителем). Его создание также было тесно связано с ранними программами разработки ядерного оружия. В конце 1940-х ― начале 1950-х годов Великобритания и Франция, стремясь к созданию собственных атомных бомб, уделяли основное внимание разработке газоохлаждаемый реакторов, которые довольно эффективно вырабатывают оружейный плутоний и к тому же могут работать на природном уране.

Третий тип pеактоpа, имевший коммерческий успех, ― это реактор, в котором и теплоносителем, и замедлителем является тяжелая вода, а топливом тоже природный уран. В начале ядерного века потенциальные преимущества тяжеловодного реактора исследовались в ряде стран. Однако затем производство таких реакторов сосредоточилось главным образом в Канаде отчасти из-за ее обширных запасов урана.

В настоящее время антропогенное воздействие на окружающую среду становится настолько значительным, что представляет опасность для благополучного существования всего человечества. Да и техногенные опасности выросли до размеров крупных проблем цивилизации. Поэтому одной из задач образования становится обучение технических специалистов принципам обеспечения безопасности атомной энергетики, с целью предотвращения тяжелых технических аварий и экологических катастроф.

4