Билет 25

Ядерные реакции. Цепные ядерные реакции. Ядерный реактор.

Ядерные реакции бывают двух типов: происходит выделение энергии, требуется затратить энергию. Использую закон взаимосвязи массы и энергии, можно по разности масс частиц, вступающих в реакцию, и масс частиц, являющихся продуктами ядерной реакции, найти изменение энергии системы частиц (E₀=mc²) Если сумма масс исходного ядра и частиц, вступивших в ядерную реакцию, больше суммы масс ядра- продукта и испускаемых частиц, т.е разность масс положительна, то энергия выделяется. Отрицательный знак разности масс свидетельствует о поглощении энергии.

Цепные ядерные реакции. Частицами, способными к осуществлению цепных реакций, оказались нейтроны. Если создать условия, при которых вторичные нейтроны не вылетают из массы урана, а вызывает другие акты деления, то число разделившихся ядер растет по закону геометрической прогрессии. В результате можно реализовать цепную ядерную реакцию. Минимальная масса урана, достаточная для осуществления цепной реакции, называется критической массой. Если заставить ядра дейтерия и трития слиться при колоссальных температурах и давлениях, то в результате образуются ядро гелия и нейтрон. При этом их суммарная масса будет меньше, чем суммарная масса исходных ядер. Потеря массы преобразуется в энергию – это и есть ядерный синтез. Ядерный синтез, происходящий в Солнце: 4 ядра водорода при температуре 15 миллионов градусов и давлении 200 миллиардов атмосфер сливаются в ядро гелия с потерей массы и выделение огромной энергии. Проблемы ядерного синтеза: высокая температура и давление, а преимущества в том, что этот источник энергии почти неисчерпаем. Если решится проблема управляемого ядерного синтеза, то будет решена энергетическая проблема (переработка 1кг дейтерии дала бы 24 миллиона кВт/ч энергии = 3 миллионам тонн угля).

Проблемы ядерной энергетики: проблема захоронения и переработки ядерных отходов, аварии на АЭС, но АЭС не представляют опасности ядерного взрыва и почти не загрязняют окружающую среду, т.к. они намного экологичнее ЭС, работающих на угле и других видах топлива

Ядерный реактор. Термоядерная реакция.

Ядерные реакторы бывают двух видов – на медленных и быстрых нейтронах. Большинство выделяющихся при делении нейтронов имеют энергию порядка 1-2 МэВ, и скорости около 10⁷м/с. Такие нейтроны называются быстрыми, и одинаково эффективно поглощаются как ураном-235, так и ураном-238, а т.к. тяжелого изотопа больше, а он не делится, то цепная реакция не развивается. Нейтроны, движущиеся со скоростям около 210³м/с, называют тепловыми. Такие нейтроны активнее, чем быстрые, поглощаются ураном-235. Таким образом, для осуществления управляемой ядерной реакции, необходимо замедлить нейтроны до тепловых скоростей. Наиболее распространенными замедлителями в реакторах являются графит, обычная и тяжелая вода. Для того, чтобы коэффициент деления поддерживался на уровне единицы, используются поглотители и отражатели. Поглотителями являются стержни из кадмия и бора, захватывающие тепловые нейтроны, отражателем – бериллий.

Если в качестве горючего использовать уран, обогащенный изотопом с массой 235, то реактор может работать и без замедлителя на быстрых нейтронах. В таком реакторе большинство нейтронов поглощаются ураном-238, который в результате двух бета-распадов становится плутонием-239, также являющимся ядерным топливом и исходным материалом для ядерного оружия . Таким образом, реактор на быстрых нейтронах является не только энергетической установкой, но и размножителем горючего для реактора. Недостаток – необходимость обогащения урана легким изотопом.

Энергия в ядерных реакциях выделяется не только за счет деления тяжелых ядер, но и за счет соединения легких. Для соединения ядер необходимо преодолеть кулоновскую силу отталкивания, что возможно при температуре плазмы около 10⁷–10⁸ К. Примером термоядерной реакции служит синтез гелия из дейтерия и трития или . При синтезе 1 грамма гелия выделяется энергия, эквивалентная сжиганию 10 тонн дизельного топлива. Управляемая термоядерная реакция возможна при нагревании ее до соответствующей температуры путем пропускания через нее электрического тока или с помощью лазера.