mozok.click » Фізика » Ланцюгова реакція поділу ядер урану
Інформація про новину
  • Переглядів: 546
  • Автор: admin
  • Дата: 12-02-2018, 22:55
12-02-2018, 22:55

Ланцюгова реакція поділу ядер урану

Категорія: Фізика

Механізм поділу важких ядер. У лабораторіях багатьох країн світу у 30-х роках XX ст. проводились досліди із бомбардування природного Урану нейтронами. У 1938 р. німецькі вчені О. Ган і Ф. Штрассман під час аналізу хімічно чистого Урану, опроміненого нейтронами, виявили Барій та Лантан, поява яких виявилась несподіваною. Англійський фізик О. Фріш та австрійський фізик Л. Мейтнер у 1939 р. теоретично обґрунтували реакції поділу Урану. Вони пояснили появу нових елементів, як результат поділу ядра Урану на дві частини (осколки). Після захоплення нейтрона ядром атома Урану в ньому відбувається перегрупування нуклонів. Ядро сильно деформується і розпадається на два приблизно однакових ядра (мал. 295). При цьому нуклони вихідного ядра розподіляються між новими ядрами з виконанням законів збереження зарядів і масових чисел, а кілька нейтронів, що виявилися зайвими, вилітають окремо.

Поділ ядра можливий тому, що маса важкого ядра більша за суму мас осколків, які утворилися. У результаті виділяється енергія, яка еквівалентна зменшенню маси продуктів.

Можливість поділу важких ядер і екзотермічний характер цих реакцій можна також пояснити за допомогою графіка залежності питомої енергії зв’язку від масового числа А (мал. 292, § 78). Питома енергія зв’язку ядер атомів, що займають останні місця у періодичній системі (А«200), приблизно на 1 МеВ менша від питомої енергії зв’язку в ядрах елементів, що займають середні місця періодичної системи (А«100). Тому процес поділу важких ядер на ядра елементів середньої частини періодичної системи є «енергетично вигідним». Оскільки в кожному акті поділу беруть участь понад 200 нуклонів, загальна енергія, яка виділяється в акті поділу одного важкого ядра, становить близько 200 МеВ. Ні в якій іншій ядерній реакції (не зв’язаній з поділом) така кількість енергії не виділяється. Причому більша частина цієї енергії (168 МеВ) припадає на кінетичну енергію осколків.

Ланцюгова ядерна реакція. Для перебігу реакцій поділу Урану надзвичайно важливим є викидання 2-3 так званих вторинних нейтронів. Енергія цих нейтронів лежить в широких межах: від дуже малих значень - порядку 1 еВ і менших - до приблизно 10 МеВ. Нейтрони, що мають енергію порядку 1 МеВ і меншу, називають тепловими нейтронами, оскільки їх енергія відповідає енергії теплового руху при нормальній температурі. Нейтрони з енергією понад 1,5 МеВ називають швидкими. Ці вторинні нейтрони можуть самі зумовлювати поділ інших ядер - може виникнути так звана ланцюгова реакція поділу, яка підтримується без зовнішнього опромінювання Урану нейтронами.



Ланцюгова ядерна реакція - ядерна реакція, в якій частинки, що її спричиняють, утворюються як продукт цієї ж реакції.

В реальних умовах не всі нейтрони, які утворюються під час поділу, беруть участь у поділі інших ядер. Частина з них захоплюється ядрами сторонніх атомів, які не діляться, інші вилітають з куска Урану назовні.

Відношення кількості актів поділу, спричинених вторинними нейтронами, до кількості поділів, в яких вони самі утворились, називається ефективним коефіцієнтом розмноження нейтронів К.

(Для Урану-235 він дорівнював би 2,5, якби всі вторинні нейтрони взяли участь у поділі нових ядер.)

Доля реакції поділу принципово залежить від значення К. Якщо

К < 1, кожне нове покоління нейтронів спричинює дедалі меншу кількість поділів і реакція без зовнішнього джерела нейтронів швидко затухає;

К = 1, кількість поділів підтримується на сталому рівні - такий режим самопідтримуваної ланцюгової реакції називається стаціонарним і використовується в ядерних реакторах;

К> 1, кожне нове покоління нейтронів спричинює дедалі більшу кількість поділів, ланцюгова реакція лавиноподібно наростає і має характер вибуху.

Значення коефіцієнта розмноження залежить від ряду факторів, зокрема від природи і кількості речовини, яка ділиться, від геометричної форми об’єму, який вона займає. Для однієї й тієї самої кількості даної речовини коефіцієнт К буде найбільшим за кулястої форми об’єму, оскільки в цьому випадку втрата вторинних нейтронів через поверхню об’єму найменша.


 

Для кожного типу ядерного пального існує критична маса, тобто маса, за якої підтримується ланцюгова реакція поділу з К = 1. Так, для чистого Урану-235 критична маса становить кілька десятків кілограмів. Перевищення критичної маси в одному шматку призводить до ядерного вибуху.

Практичне здійснення ядерної ланцюгової реакції вимагає подолання значних труднощів. Справа в тому, що природний Уран є сумішшю двох ізотопів - Урану-235 в кількості 0,7% і Урану-238 (99,3%). Ці ізотопи під дією нейтронів поводять себе по-різному. Ядра Урану-235 діляться нейтронами будь-яких енергій, однак особливо добре повільними (тепловими) нейтронами. Ядра ж Урану-238 діляться лише дуже швидкими нейтронами, енергія яких понад 1 МеВ. Нейтрони меншої енергії поглинаються ядрами Урану-238 без наступного їх поділу. У результаті утворюється нестабільне ядро Уран-239 (період піврозпаду якого 25 хв). Випускаючи електрон, антинейтрино і фотон, це ядро перетворюється в ядро трансуранового елемента Нептунію, який після p-розпаду перетворюється у Плутоній (період піврозпаду якого 24 400 років). Ядерну реакцію одержання Плутонію (як ядерного пального) широко використовують у сучасних ядерних реакторах-розмножувачах.

Така істотна відмінність реакцій поділу різних ізотопів Урану робить неможливим здійснення ланцюгової ядерної реакції на природному урані. Цю трудність долають шляхом збагачення природного урану ізотопами Урану-235 до 5% та сповільненням нейтронів, щоб істотно зменшити їх поглинання ядрами Урану-238.

Ядерний реактор. Людство зробило істотний крок уперед, освоївши ядерну енергію. У 1942 р. під керівництвом Е. Фермі в США було збудовано перший ядерний реактор. Перший у Європі ядерний реактор було збудовано в 1946 р. під керівництвом І. В. Курчатова в Обнінську (Росія). Нині у світі налічується понад 1000 ядерних енергетичних установок.

Ядерний реактор - пристрій, в якому відбувається керована ланцюгова ядерна реакція, що супроводжується виділенням величезної кількості енергії.

Принципову схему атомної електростанції на повільних нейтронах, де сповільнювачем і теплоносієм є вода, зображено на мал. 296. Головними частинами електростанції є ядерний реактор, парогенератор, турбіна, електрогенератор, конденсатор.

Мал. 296. Принципова схема атомної електростанції

Основними частинами ядерного реактора є активна зона (де міститься ядерне паливо, відбувається ланцюгова реакція ядерного поділу і виділяється енергія), відбивач нейтронів (який оточує активну зону), теплоносій, система регулювання ланцюгової реакції, радіаційний захист.

Ядерна реакція відбувається в активній зоні реактора, яка заповнена водою 1 та пронизана стержнями 2 із збагаченого Урану-235 (до 3%) 3. В активну зону вводяться і регулюючі стержні 4, що містять кадмій або бор, які інтенсивно поглинають нейтрони. Це дозволяє керувати швидкістю ланцюгової реакції.

Активна зона охолоджується за допомогою теплоносія, яким може бути вода 5 або метал із низькою температурою плавлення (наприклад, натрій, температура плавлення якого 98 °С). В парогенераторі 6 теплоносій віддає теплову енергію воді, перетворюючи її у пару високого тиску. Пара спрямовується в турбіну 7, з’єднану з електрогенератором 8. Із турбіни пара потрапляє в конденсатор. Щоб уникнути витоку радіації, контури теплоносія та парогенератора працюють за замкненими циклами.


 

На мал. 297 зображено зовнішній вигляд ядерного реактора атомної електростанції та керуючі стержні.

Турбіна атомної електростанції є тепловою машиною, яка згідно з другим законом термодинаміки визначає загальну ефективність електростанції. ККД сучасних атомних електростанцій становить приблизно 30%. Це означає, що для виробництва 1000 МВт електричної потужності теплова потужність реактора має досягати 3000 МВт. З них 2000 МВт просто відводиться теплоносієм. Це призводить до локального перегрівання природних водойм і зумовлює подальші екологічні проблеми.

Після аварій на деяких АЕС, зокрема в Пенсільванії (США,

1979 р.), на Чорнобильській АЕС (Україна, 1986 р.), на АЕС Фукусіма (Японія, 2011 р.), проблема безпеки ядерної енергетики постала з особливою гостротою. Головними проблемами є забезпечення радіаційної безпеки працівників атомної електростанції, попередження випадкових радіаційних викидів, які накопичуються в активній зоні реактора. Під час розробки ядерних реакторів цим проблемам відводиться головна увага.

Окрім описаного вище ядерного реактора на повільних нейтронах, великий практичний інтерес становлять реактори, що працюють на швидких нейтронах (без сповільнювачів). Перевагою таких реакторів є те, що вони крім електроенергії виробляють Плутоній-239, який також використовують як пальне для атомних електростанцій. Із 1 кг Урану-238 в таких реакторах утворюється 1,5 кг Плутонію.

Дайте відповіді на запитання

1. За яких умов можлива ланцюгова ядерна реакція?

2. Що таке коефіцієнт розмноження нейтронів і від чого він залежить?

3. У чому труднощі практичного здійснення ланцюгової ядерної реакції? Які існують шляхи їх подолання?

4. З яких частин складається і як працює ядерний реактор?






^