26. Билет №25

Ядерные реакции. Цепные ядерные реакции. Ядерный реактор

Ядерной реакцией называется превращение атомных ядер, вызванное их взаимодействиями с какими-либо частицами или друг с другом. В большинстве реакций участвуют два ядра и две частицы: первая пара – исходная, вторая – конечная. Символически ядерная реакция записывается в виде: А + а → В + b. Здесь А и В – исходное и конечное ядро, а и b – бомбардирующая и испускаемая частицы.

Исторически первой ядерной реакцией под действием - частиц считается реакция, в результате которой Резерфордом был открыт протон: ¹⁴₇N + ⁴₂He → ¹⁷₈O + ¹₁p.

Одна из самых известных ядерных реакций – первое искусственное получение радиоактивного изотопа фосфора: ²⁷₁₃Al + ⁴₂He → ³⁰₁₅P + ¹₀n.

Ядерные реакции бывают двух типов: эндотермические – с поглощением энергии и экзотермические – с выделением энергии. Если сумма масс исходного ядра и частиц, вступающих в реакцию, больше масс конечного ядра и испускаемых частиц, то энергия выделяется, и наоборот.

Энергетический выход ядерной реакции

Е = (m_B + m_b)c² – (m_A + m_a)c² = (m_B + m_b – m_A - m_a)c². Если Е>0, то при данной реакции энергия поглощается, если Е < 0, то энергия выделяется. Энергия, высвобождающаяся при ядерной реакции, называется энергетическим выходом ядерной реакции.

Особый тип ядерных реакций представляют реакции деления ядер элементов, расположенных в конце периодической системы химических элементов Менделеева. Ядра тяжелых элементов могут делиться на части. При делении ядер испускается несколько (два-три) нейтронов и гамма-лучи. Одновременно выделяется большая энергия. Деление ядра возможно благодаря тому, что масса покоя тяжелого ядра больше суммы масс покоя осколков, возникающих при делении.

Процесс деления атомного ядра можно объяснить на основе капельной модели ядра. Согласно этой модели сгусток нуклонов, входящих в ядро, напоминает капельку заряженной жидкости. В ядре действуют силы электростатического отталкивания и ядерные силы притяжения. Ядерные силы удерживают ядро от распада.

При поглощении лишнего нейтрона ядро ²³⁵₉₂U возбуждается, деформируется, приобретает вытянутую форму. Ядро растягивается до тех пор, пока силы отталкивания между половинками вытянутого ядра не начнут преобладать над силами притяжения. После этого ядро разрывается на 2 части. Осколки, т.е. вновь образованные ядра уже совершенно других элементов, обычно очень сильно радиоактивные, разлетаются со скоростью, равной 1/30 скорости света. При этом высвобождаются два-три нейтрона, которые не вошли в состав вновь образованных ядер. Любой из вылетевших нейтронов может вызвать деление соседнего ядра, которое также испускает нейтроны. Условия протекания ядерной реакции деления урана: скорость нейтронов должна быть достаточной для того, чтобы вызвать деление ядер урана; должны отсутствовать примеси, поглощающие нейтроны; необходимо иметь минимальное количество вещества для осуществления реакции (критическая масса – для урана 50 кг).

Возникает цепная реакция – самоподдерживающаяся реакция деления тяжелых ядер, непрерывно воспроизводящая нейтроны, которые делят новые ядра. Характеристикой реакции деления является коэффициент размножения нейтронов k – отношение числа нейтронов в данном поколении к числу нейтронов предыдущего поколения. Если k = 1, то число нейтронов в реакторе остается постоянным; если k >1, то общее число нейтронов увеличивается и возможно их неконтролируемое размножение, приводящее к взрыву; если k<1, то число нейтронов уменьшается и реакция прекращается. С учетом всевозможных потерь k должен быть больше единицы, нейтроны могут поглощаться различными примесями, покидать область реакции, терять свою энергию в результате рассеяния.

Ядерный реактор – это устройство, в котором происходит управляемая ядерная реакция деления ядер тяжелых элементов под действием нейтронов. В результате высвобождается энергия, которую можно использовать для производства электрической энергии. Ядерный реактор имеет пять основных частей:

1. активная зона: содержит ядерное горючее (уран или плутоний) в твелах (трубках) – тепловыделяющих элементах, в них происходит цепная ядерная реакция, окружена отражателем нейтронов (бериллий);

2. замедлитель быстрых нейтронов (графит, тяжелая вода, бериллий): отбирает энергию от быстрых нейтронов, рождающихся в реакции деления;

3. система охлаждения (вода, газы, жидкий натрий): теплоноситель для отвода из активной зоны выделяющейся энергии, которая используется затем для генерации электрической энергии;

4. система регулирования (стержни с поглотителем – кадмий, бор): при введении стержней в активную зону коэффициент размножения нейтронов уменьшается;

5. система безопасности (оболочка из железобетона): защищает окружающее пространство от ионизирующего излучения и продуктов ядерной реакции.

АЭС имеет ряд преимуществ: не потребляют кислород и органическое топливо, запасы которого ограничены, не загрязняют среду продуктами сгорания органического топлива, имеет высокий КПД. АЭС имеет недостатки: нарушает тепловой баланс в окрестности АЭС, радиоактивные отходы, опасность экологической катастрофы (долговременное радиоактивное заражение).

Цепная ядерная реакция впервые была осуществлена в США Энрико Ферми в 1942 г, в СССР Игорем Курчатовым в 1946 г.