1.CONURSE.docx
.pdfцепная реакция идет стационарно, при k |
реакция гаснет, а при k |
|
нарастает. Режим реакции при k |
называется критическим, при k |
|
, подкритическим. Время жизни нейтронов |
одного поколения от |
|
свойств среды. |
|
|
Схема цепной реакции деления в среде с замедлителем.
. . Ядерный реактор
Рис. .
Рис. |
. . Схема гетерогенного теплового реактора. |
интенсивность реакции , надкритическим и при k до с и зависит от
В реакторе поддерживается управляемая цепная реакция деления, в результате которой происходит выделение тепла. Основной характеристикой реактора является его мощность , количество тепловой энергии, выделяющейся в единицу времени. Мощность в МВт (мегаватт)
соответствует цепной реакции, в которой происходит · |
актов деления в секунду. Имеется |
||
большое количество разных типов реакторов. Одна из типичных схем теплового реактора |
|||
изображена на рисунке . . |
|
|
|
При поглощении нейтронов изотопами урана |
и тория |
h образуются (через два |
|
последовательных распада) изотопы плутония |
|
и урана |
, являющиеся ядерным |
горючим: |
|
|
|
Эти две реакции открывают возможность воспроизводства ядерного горючего в процессе цепной реакции.
Ядерный взрыв
Атомная бомба
Схема атомной бомбы.
Ядерный взрыв развивается за счёт экспоненциально растущего со временем числа разделившихся ядер:
Среднее время между двумя последовательными актами деления |
с. Отсюда можно |
||
получить для времени полного деления |
кг ядерной взрывчатки величину |
|
|
с. Это и определяет время ядерного взрыва. |
|
|
|
Какое количество делений происходит в |
г изотопов |
в течение одного часа? Какое |
|
количество распадов происходит в образце за это время? |
|
|
|
Почему большинство атомных ядер устойчиво по отношению к спонтанному делению?
Ядро массы делится на |
два осколка с массами |
и . Какая энергия высвобождается при |
|
делении? Равна ли сумма |
+ |
массе начального ядра ? Объясните ответ. |
|
Пользуясь таблицей масс атомных ядер рассчитайте энергию симметричного деления
. Сравнить полученный результат с расчетами на основе формулы Вайцзеккера.
При делении урана образуются осколки и . Рассчитайте энергию электростатического |
|
|||||||
отталкивания осколков |
Кулон. Сравните полученный результат с суммарной кинетической |
|||||||
энергией осколков равной |
М,. |
|
|
|
|
|
||
Кулон |
|
|
|
|
|
|
|
|
Рассчитайте энергию, выделяющуюся при делении ядра |
, захватившего тепловой нейтрон с |
|||||||
образованием осколков: |
) |
+ |
, ) |
+ |
+ , ) |
+ |
+ . |
|
Одна из возможных реакций деления |
+ |
|
+ |
+ . Рассчитайте |
||||
энергию |
, выделяющуюся при делении. |
|
|
|
|
|
||
Почему изотоп урана |
|
может делиться под действием тепловых нейтронов, а изотоп |
||||||
только под действием быстрых нейтронов? Рассчитать минимальную кинетическую энергию |
||||||||
нейтрона, необходимую для деления |
. Высоты барьеров деления для |
и |
равны |
|||||
. и . |
М, соответственно. |
|
|
|
|
|
|
|
Почему при делении испускаются запаздывающие нейтроны? Могут ли быть испущены запаздывающие протоны?
Почему распады ядер |
и |
происходят с образованием отношения масс легкого и |
||||
тяжелого осколков : |
? |
|
|
|
|
|
Какое число делений |
происходит в ядерном реакторе мощностью |
МВт, если в среднем в |
||||
одном акте деления выделяется энергия |
М,? |
|
|
|
||
Рассчитайте поток антинейтрино и уносимую ими мощность из реактора мощностью |
МВт, |
|||||
исходя из того, что на каждый акт деления приходится |
распадов продуктов деления. |
|||||
Сколько нейтронов |
покидает пределы активной зоны реактора мощностью |
МВт, если |
|||
потеря нейтронов за счет поглощения без деления составляет |
? |
|
|||
Какая энергия выделяется при делении кг |
? |
|
|
||
Какова мощность |
атомной электростанции, расходующей кг |
в сутки, если КПД |
|||
электростанции составляет |
? |
|
|
|
|
Оценить время ядерного взрыва.
Возможна ли цепная реакция деления на естественной ,еси изотопов под действием |
) |
быстрых нейтронов, ) тепловых нейтронов? |
|
Какую роль играют реакции радиационного захвата нейтронов в цепной реакции деления?
Коэффициент размножения нейтронов k |
. . Рассчитайте, какое число поколений необходимо, |
||||
чтобы выделение энергии увеличилось в |
раз? Какое время необходимо, чтобы выделение |
|
|||
энергии увеличилось в |
раз, если время жизни одного поколения |
. мс? |
|
||
В ядерном реакторе, имеющем коэффициент размножения k |
. |
время жизни одного |
|
||
поколения нейтронов . |
с. Определите период реактора (время, за которое его мощность |
|
|||
увеличится в раз) |
|
|
|
|
|
В ядерном реакторе, имеющем коэффициент размножения k |
. |
время жизни одного |
|
||
поколения нейтронов . |
с. На сколько увеличится произведенная энергия за с? На сколько |
||||
нужно уменьшить поток нейтронов в реакторе, чтобы коэффициент размножения стал . |
? |
||||
В активной зоне реактора в реакциях захвата нейтронов ядрами урана образуются трансурановые элементы. Какие изотопы трансуранов будут основными источниками остаточной радиоактивности через лет хранения радиоактивных отходов?
На головную страницу
Семинар . Нуклеосинтез
В середине ХХ столетия сформировались две гипотезы образования химических элементов:
химические элементы образуются в звездах нашей Галактики и затем выбрасываются в межзвездное пространство, поставляя материал для последующей ,олюции химического состава Вселенной;.
химические элементы образовались на дозвездной стадии во время первоначального горячего состояния расширяющейся Вселенной.
современной точки зрения, два наиболее распространенных химических элемента во Вселенной: водород ( ) и гелий ( ), образовались на дозвездной стадии ,олюции Вселенной. Все остальные элементы возникли в результате превращения химических элементов в звездах.
Распространенность химических элементов
Дозвездный нуклеосинтез
Синтез ядер в звездах
Горение водорода
цикл
процесс в звездах
Образование ядер в районе ,
Образование тяжелых элементов
Нуклеосинтез под действием ко,ических лучей
.Кварк глюонная плазма
Задачи
Распространенность химических элементов
Нуклеосинтезом называют образование атомных ядер в естественных условиях. Атомные ядра образуются в ядерных реакциях, происходящих во Вселенной на различных стадиях её ,олюции. Три основных механизма нуклеосинтеза:
ко,ологический (первичный или дозвёздный) нуклеосинтез,
синтез ядер в звёздах и при взрывах звёзд,
нуклеосинтез под действием ко,ических лучей.
Распространённостью элементов называется число ядер данного элемента в веществе, приходящееся на определённое число ядер. Распространённость кремния ( ) принята равной
. Особенности распространённости элементов:
Элементное вещество Вселенной в основном состоит из водорода |
всех атомов. |
|
Гелий занимает второе место, составляя |
всех атомов. |
|
Существует глубокий минимум, соответствующий литию, бериллию и бору.
Следующий за ним резкий подъём повышенной распространённости углерода и кислорода.
За кислородным максимумом идёт скачкообразное падение вплоть до скандия
Наблюдается повышенная распространённость элементов в районе железа («железный пик»).
После А |
уменьшение распространённости происходит более плавно, наблюдаются |
|
локальные максимумы в районе магических чисел протонов или нейтронов , , |
. |
|
Как правило, распространённость чётно чётных нуклидов (чётные |
и ) выше, чем соседних |
нуклидов с нечётным числом нуклонов. |
|
Наиболее легкие стабильные изотопы ряда химических элементов |
, имеют |
распространенность на два порядка меньше, чем соседние более тяжелые стабильные изотопы.
Логари распространенности нуклидов во Вселенной в зависимости от массового числа (по данным Е. Андерса и Н. Гривса,
. . Определите, какое количество фотонов образуется при распаде парапозитрония и ортопозитрония. У парапозитрония , а у ортопозитрония , .
Чему равна зарядовая чётность системы π+π, в состоянии с относительным орбитальным моментом ?
Какие взаимодействия ответственны за процесс рассеяния электрона на протоне? Для каждого из возможных взаимодействий нарисуйте наиболее вероятные диаграммы процесса.
Получите оценку сечения реакции рассеяния двух сильно взаимодействующих частиц.
Рас,отрите возможность образовать новую частицу в реакции рассеяния нейтрино на покоящихся протонах: . Оцените нижний предел массы в данном эксперименте, если известно, что при энергии нейтрино Г, реакция не идет. (Данную реакцию предлагалось использовать для определения массы калибровочного бозона +)
Дозвездный нуклеосинтез |
|
|
При температурах |
К (и кинетических энергиях |
М,) нейтроны и протоны |
благодаря реакциям слабого взаимодействия находились в состоянии термодинамического равновесия
антинейтрино
антинейтрино .
Вероятность образования состояния с энергией Е описывается распределением Гиббса:
В условиях термодинамического равновесия соотношение между числом нейтронов и протонов будет определяться разностью масс нейтрона и протона:
Примерно через |
с после Большого Взрыва при Т |
К средние кинетические энергии |
|
частиц стали меньше |
М,. Равновесное отношение концентраций нейтронов и протонов |
||
уменьшилось к этому моменту до |
и до начала первичного нуклеосинтеза это отношение |
||
снижалось в основном за счёт распада нейтронов. |
|
||
Условия для синтеза более сложных легчайших ядер возникли во Вселенной примерно через минуту после Большого Взрыва. Во Вселенной в результате аннигиляции частиц и античастиц на протон приходилось фотонов. Образование дейтерия стало возможным, когда энергия фотонов стала меньше энергии фоторасщепления дейтерия , . М,. Цепочка основных реакций синтеза гелия:
Для каждой реакции указана выделяющаяся энергия .
За время минуты практически все нейтроны оказались связанными в H . Последовавшее вслед за этим снижение температуры и плотности Вселенной остановило реакции синтеза.
Изменение выхода легчайших ядер и барионной плотности (штриховая линия) на этапе ко,ологического нуклеосинтеза.
Синтез ядер в звездах
Горение водорода. Это один из основных процессов, поддерживающих длительное выделение
энергии в звездах. При горении водорода происходит слияние |
х ядер водорода с |
образованием ядра H . Этот процесс происходит либо в |
цепочке, либо в циклических |
ядерных реакциях с участием более тяжелых ядер , , , , |
и других, играющих роль |
катализатора. Сюда же относятся процессы с участием протонов, в которых производится некоторое количество легких элементов.
Горение гелия. После того, как в звезде накапливается гелий, под действием сил гравитации гелиевое ядро сжимается, становится достаточно плотным и горячим и в нем начинается процесс
горения гелия с образованием ядер |
, |
, |
. |
|
|
||||
процесс. Процесс последовательного добавления |
частиц к ядру |
с образованием ядер |
|||||||
g, |
, |
, |
, , |
,. Он описывает повышенную распространенность элементов типа |
, |
||||
где |
, ядро |
H |
, а |
, целое число. |
|
|
|
|
|
е процесс. Процесс, в котором в условиях термодинамического равновесия образуются элементы, расположенные в районе железного максимума.
процесс. Образование ядер тяжелее железа в результате медленного последовательного |
|
|||||
захвата нейтронов. Скорость |
процесса меньше скорости |
распада образующихся в процессе |
||||
захвата нейтронов радиоактивных ядер. Длительность процесса от |
до |
лет. |
процесс |
|||
отвечает за образование максимумов в распространенности элементов при , |
, |
и |
. |
|||
процесс. Образование ядер тяжелее железа в результате быстрого последовательного захвата
нейтронов со скоростью, существенно превышающей скорость |
распада образующихся |
|||
радиоактивных ядер. Характерное время процесса . |
с. В результате |
процесса в |
||
кривой распространенности элементов возникают максимумы при , |
, |
и |
. |
|
процесс. Образование наиболее легких изотопов ядер. Он включает в себя образование и захват позитронов, захват протона, фоторождение нейтрона, ( , ) реакции.
процесс. Изотопы |
образуются в реакциях расщепления под действием ко,ических лучей. |
|
Горение водорода |
|
|
Горение водорода в реакции |
. |
|
Спектр нейтрино, образующихся на Солнце в результате горения водорода в реакции
цикле.
цикл
Схема цикла
Цепочка реакций
Цепочка реакций
Цепочка реакций
процесс в звездах
Процесс в звездах. Приведены нижние уровни ядер
Образование ядер в районе А |
, е процесс |
Сеть ядерных реакций, приводящих к синтезу элементов от гелия до германия.
. . Образование тяжелых элементов
процесс. Образование тяжёлых элементов в результате реакции
Если образовавшееся в реакции захвата нейтронов ядро нестабильно, то при малых плотностях нейтронов более вероятен распад этого ядра
антинейтрино
чем захват им следующего нейтрона. Условие такого развития процесса обычно выражают соотношением , где , время жизни ядра до захвата нейтрона. Такой процесс
называют медленным или |
процессом (от англ. |
). Характерные значения |
в этом |
процессе годы. |
|
|
|
Образование элементов с |
в процессе. |
|
|
В качестве исходных ядер, из которых в результате последовательного захвата нейтронов образуются тяжёлые ядра, обычно выбирают ядра «железного пика». При плотности нейтронов
, время, необходимое для образования свинца из железа, составляет около |
лет. |
||||||
процесс |
|
|
|
|
|
|
|
Если плотности нейтронов достигают значений |
, , то время жизни ядра до |
||||||
захвата нейтрона |
снижается до |
с и скорость захвата ядром нейтрона во много раз |
|||||
превышает скорость его |
распада |
. Захват нейтронов происходит до тех пор, пока |
|||||
скорость реакции ( , |
) не станет меньше скорости |
распада изотопа. При этом ядро успевает |
|||||
захватить |
нейтронов прежде чем испытает |
распад. Такой процесс называют быстрым |
|||||
или процессом (от англ. |
, |
). |
|
|
|
||
Линия на |
диаграмме, вдоль которой происходит образование ядер в процессе, ,ещена |
||||||
от долины стабильности (трека |
процесса) в направлении нейтронноизбыточных изотопов. |
||||||
Пути (треки), вдоль которых идёт формирование ядер в |
и процессах. |
Основные этапы ,олюции массивной звезды
Масса, |
Ядерные реакции синтеза в звёздах различной массы |
Нет
Горение водорода
Горение водорода и гелия
Горение водорода, гелия, углерода
Все реакции синтеза с выделением энергии
,олюция массивной звезды
Предсверхновая
Содержание элементов в звезде с массой |
|
в зависимости от массы внутренней области.
Нуклеосинтез под действием ко,ических лучей
Х процесс
Изотопы образуются в реакциях расщепления (скалывания) при взаимодействии галактических ко,ических лучей с веществом межзвёздной среды:
) лёгкая компонента ко,ических лучей (быстрые протоны и частицы) в результате столкновения с тяжёлыми ядрами межзвёздной среды вызывает расщепление их с образованием изотопов , которые затем ,ешиваются с межзвёздной средой;
) быстрые ядра С, входящие в состав ко,ического излучения, сталкиваясь с ядрами Н и Не, превращаются в
Основные компоненты первичных ко,ических лучей. Рис. .
Каскад вторичных частиц в атмосфере Земли.
. . Кварк глюонная плазма
При высоких температурах и больших плотностях адронной материи образуется кварк глюонная плазма. В естественных условиях кварк глюонная плазма существовала в первые с после Большого Взрыва.
Условия для образования кварк |
глюонной плазмы могут существовать и в центре нейтронных |
||
звезд. Переход в состояние кварк |
глюонной плазмы происходит как фазовый переход го рода |
||
при температуре |
k М, (k |
. · |
М, Кельвин). Методом получения кварк |
глюонной плазмы является соударение релятивистских тяжелых ионов. Одна из основных |
|||
проблем , идентификация состояния кварк |
глюонной плазмы. Это может быть сделано по |
||
аномальному выходу лептонных пар, эмиссии фотонов, аномально большому выходу странных частиц.