mozok.click » Podręczniki w języku polskim » Fizyka » Jądrowa reakcja łańcuchowa. Reaktor jądrowy
Інформація про новину
  • Переглядів: 164
  • Автор: admin
  • Дата: 29-03-2018, 03:14
29-03-2018, 03:14

Jądrowa reakcja łańcuchowa. Reaktor jądrowy

Категорія: Podręczniki w języku polskim » Fizyka

„...Poprzednie epoki otrzymały swoje nazwy od niektórych materiałów: epoka kamienia, epoka brązu, żelaza. Jednak żadnej z nich nie byłoby, gdyby człowiek nie wynalazł ognia. Prawdziwe bogactwo świata - to jego energia", - pisał angielski radiochemik, zdobywca nagrody Nobla Frederic Soddi (1877-1956) w swojej książce „Materia i energia". XX wiek śmiało można nazwać wiekiem atomowym, ponieważ w tym wieku człowiek odkrył i zaczął wykorzystywać energię jądra atomowego. O tym, jak pomagają badania fizyki jądrowej w zaopatrzeniu ludzkości w energię, dowiesz się z tego paragrafu.

Dowiadujemy się o rozszczepieniu ciężkich jąder i jądrowej reakcji łańcuchowej

W końcu 1938 roku, niemieccy radiochemicy Otto Hahn (1879—1968) i Fritz Shrassmann (1902—1980) przeprowadzali doświadczenia napromieniowania uranu neutronami. Wielkim zdziwieniem było to, że w trakcie doświadczeń wykryto Bar i niektóre inne pierwiastki środkowej części Układu Okresowego pierwiastków chemicznych D. Mendelejewa.

Wyjaśniając nieoczekiwane dla uczonych tego czasu wyniki doświadczeń, australijski radiochemik Liza Meitner (1878—1968) i angielski fizyk Otto Frish (1904-1979) wywnioskowali, że jądro Uranium (ciężkie jądro), pochłaniając neutron, „pęka” — rozszczepia się na dwa lżejsze jądra.

W taki sposób odkryto rozszczepienie jądra - rozpad ciężkiego jądra atomowego na dwa (rzadziej trzy) jądra, które nazwano ułamkami podziału* (rys. 26.1).

Rys. 26.1. Schemat rozszczepienia jąder Uranium. Pochłaniając neutron (o), jądro Uranium wzbudza się i wydłuża się (b); powoli rozciąga się (c), nowe nietrwałe jądro rozszczepia się na dwa ułamki (d)

Rys. 26.2. Schemat narastania jądrowej reakcji łańcuchowej: podczas jednego rozszczepienia jądra Uranium uwalniają się dwa lub trzy neutrony, dzięki którym i rozwija się jądrowa reakcja łańcuchowa



Powróć do rys. 26.1 i wyjaśnij, dlaczego ułamki rozlatują się z dużą prędkością. Podpowiedz: siły jądrowe (siły przyciągania, utrzymujące nukleony w środku jądra) są krótko zasięgowe, a siły elektrostatyczne (kulombowskie) - daleko zasięgowe.

Jeżeli uważnie zapoznałeś się ze schematem na rys. 26.1, to prawdopodobnie zwróciłeś uwagę na to, że podczas rozszczepienia jądra Uranium, oprócz ułamków rozpadu, wyzwalane są neutrony. Te neutrony mogą spowodować rozpad innych jąder Uranium, które z kolei również emitują neutrony, zdolne spowodować rozpad następnych jąder, itd. Ilość rozszczepianych jąder szybko wzrasta - w próbce uranowej zachodzi łańcuchowa jądrowa reakcja rozszczepienia (rys. 26.2).

Ważnym jest to, że w trakcie rozpadu wydzielane są na zewnątrz duże ilości

energii. Podczas rozpadu jednego jądra Uranium wydzielane jest tylko 3,210~n J energii, jednak gdy rozpadają się wszystkie jądra, które znajdują się, na przykład,

w jednym molu uranu (235 g Uranium; 6,02 1 023 jąder) to wydzielona energia

będzie w przybliżeniu równać się 19,21012 J. Tyle samo energii wydzieli się przy spalaniu, na przykład 450 t ropy naftowej.

Poznajemy budowę reaktora jądrowego

Łańcuchowa reakcja rozpadu, która odbywa się w uranie i niektórych innych substancjach jest podstawą przemiany się energii jądrowej w energię cieplną i elektryczną. Przypomnij sobie: podczas reakcji łańcuchowej ciągle pojawiają się nowe odłamki rozpadu, które poruszają się z dużą prędkością. Jeżeli pręt uranowy zanurzymy w zimnej wodzie, to odłamki zderzą się z cząsteczkami wody

i przekażą im swoją energię. W wyniku tego zimna woda ogrzeje się, a nawet zamieni się w parę. Właśnie tak pracuje reaktor jądrowy, w którym energia jądrowa przemienia się w energię cieplną.


 

Reaktor jądrowy - to urządzenie służące do wykonywania kontrolowanej łańcuchowej reakcji rozpadu, której zawsze towarzyszy wydzielanie się energii.

W reaktorach jądrowych (rys. 26.3) paliwo jądrowe (uran lub pluton) znajdują się w środku tzw. prętów regulacyjnych. Produkty rozpadu ogrzewają pręty, które przekazują energię wodzie, która z kolei w danym przypadku jest moderatorem. Otrzymana energia następnie przemienia się w elektryczną (rys. 26.4) podobnie jak odbywa się to na zwykłych elektrowniach cieplnych.

Aby można było kontrolować łańcuchową reakcję jądrową i uniemożliwić jej wybuch, stosowane są pręty regulacyjne, sporządzone z materiału, dobrze pochłaniającego neutrony. Jeżeli temperatura w reaktorze zwiększa się, rozwinięciu jądrowej reakcji łańcuchowej zapobiegają pręty regulacyjne, wykonane z kadmu, mającego właściwość bardzo intensywnego pochłaniania neutronów termicznych. Łańcuchowa reakcja jądrowa spowalnia się.

Dowiadujemy się o reakcji termojądrowej

Wyjaśniliśmy, że na skutek rozpadu ciężkich jąder powstają pierwiastki środkowej części Układu Okresowego pierwiastków chemicznych D. Mendelejewa i wydziela się energia (rys. 26.5, a). Energię nazywamy jądrową dlatego, że jest ona „schowana” w jądrze atomu. Wiadomo, że jeżeli chcielibyśmy ponownie połączyć odłamki rozpadu, trzeba byłoby zużyć taką samą energię.

Przypomnij sobie, jakie fundamentalne prawo fizyki jest podstawą ostatniego twierdzenia.

Jeżeli weźmiemy jądra izotopów pierwiastków lekkich Deuteru i Trytu, na skutek ich syntezy będzie wydzielać się energia (rys. 26.5, b).

Reakcję syntezy jąder lekkich w bardziej ciężkie, zachodząca przy bardzo wysokich temperaturach (powyżej 107° C) i której towarzyszy wydzielanie się energii nazywamy syntezą termojądrową.

Wysokie temperatury, czyli duże kinetyczne energie jąder niezbędne są do tego, aby pokonać siły elektrycznego odpychania jąder (równoimien-nie naładowanych cząstek). Bez tego niemożliwe jest przybliżenie lekkich jąder na takie odległości, na których zaczynają działać jądrowe siły przyciągania.

W przyrodzie reakcje termojądrowe zachodzą wewnątrz gwiazd, gdzie izotopy Hydrogenium zamieniają się na Helium (patrz rys. 26,5, b). W taki sposób na skutek reakcji termojądrowych, które zachodzą wewnątrz Słońca, co sekundy wypromie-niowuje ono w przestrzeń kosmiczną 3,8 Ί026 J energii. Jest to ogromna energia - aby ją uzyskać, należy spalić tysiące razy więcej węgla, niż posiadają go zasoby Ziemi.

Termojądrowe reakcje, to są prawie niewy-czerpalne źródła energii. Fizycy nauczyli się już stwarzać warunki do przebiegu takich reakcji, jednak stosowanie ich na skalę przemysłową pozostaje na razie na poziomie doświadczeń.

Uczymy się rozwiązywać zadania

Zadanie. Oblicz masę Uranium-235, którą zużywa w ciągu doby reaktor elektrowni atomowej, jeżeli elektryczna moc odpowiedniego bloku elektrowni wynosi 1000 MW, a jego sprawność — 30 %. Masa jednego jądra Uranium-235 wynosi 3,9 -10'25 kg, a podczas każdego rozpadu wydziela się 3,2 -10'11 J energii.

Analiza problemu fizycznego, poszukiwanie modelu matematycznego Aby rozwiązać zadanie wykorzystamy definicję sprawności:

-E — to energia elektryczna, którą produkuje blok elektrowni atomowej w ciągu doby: Euy = Pu/- t (czas t w sekundach); EcaJk - całkowita energia, która wydziela się w reaktorze: Ε,·μ = Ε0·Ν, gdzie E0 - energia, która wydziela się podczas rozpadu jednego jądra, N - ilość jąder, które uległy rozpadowi.

Ilość jąder w paliwie jądrowym podamy poprzez masę paliwa (m) i masę

jednego jądra (m0):

Stąd widać, że nawet jeden blok elektrowni atomowej produkuje energii o wiele więcej, niżeli zużywa duże miasto. Rzeczywiście, w ciągu doby jeden blok elektrowni atomowej produkuje: Eu/ = Puy ■ t = 1000 MW-24 h = 24 000 MWh energii, a, na przykład Kijów latem zużywa w ciągu doby tylko 300 MW h.


Podsumowanie

Pochłanianie przez jądro Uranium neutronu powoduje rozpad jądra. Danej reakcji towarzyszy uwalnianie się neutronów znajdujących się w jądrze, które z kolei powodują rozpad następnych jąder Uranium - zachodzi łańcuchowa reakcja jądrowa i wydziela się olbrzymia energia. Proces przemiany energii jądrowej na cieplną zachodzi w reaktorach jądrowych - urządzeniach wykorzystywanych do wykonania kontrolowanej łańcuchowej reakcji rozpadu.

Energia wydziela się również podczas syntezy niektórych lekkich jąder. Taką reakcję nazywamy termojądrową, bo do jej przebiegu niezbędna jest wysoka temperatura. Termojądrowe reakcje syntezy zachodzą we wnętrzach gwiazd. Obecnie uczeni pracują nad stworzeniem reaktorów termojądrowych - urządzeń przeznaczonych do otrzymania energii na skutek reakcji termojądrowej syntezy lekkich jąder, która zachodzi w plazmie przy bardzo wysokich temperaturach (powyżej 107 °C).

Pytania kontrolne

1. Jakie procesy zachodzą na skutek pochłaniania neutronu przez jądro Uranium?

2. Opisz mechanizm łańcuchowej reakcji jądrowej. 3. Jakie przekształcenia energii

zachodzą w reaktorach jądrowych? 4. Jak pracuje elektrownia atomowa? 5. Jaki

proces nazywamy syntezą termojądrową? 6. Skąd „biorą” energię gwiazdy?

Ćwiczenie nr 26

1. W słoneczny dzień na każdy 1 m2 otwartej poziomej powierzchni co sekundy trafia 650 J energii słonecznej. Ile energii słonecznej w ciągu godziny trafia na dach budynku, jeżeli pole dachu wynosi 100 m2? Ile (w kg) suchego drewna należy spalić, aby otrzymać taką samą ilość energii, która trafiła na dach budynku od słońca (ciepło właściwe spalania suchego drewna - 10 MJ/kg)? Zastanów się, gdzie tobie mogą przydać się dane obliczenia.

2 Jaką ilość energii otrzymujemy podczas rozpadu 1 g Uranium-235, jeżeli podczas rozpadu każdego jądra wydziela się energia równa 3,2· 10-11 J?

3. Moc reaktora atomowego lodołamacza - 80 000 kW. Reaktor zużywa Uranium-235 w ilości 500 g na dobę. Oblicz sprawność reaktora.

4. Za pomocą dodatkowych źródeł informacji dowiedz się, kiedy była przeprowadzona pierwsza kontrolowana łańcuchowa reakcja jądrowa; kiedy i gdzie stworzono pierwszy przemysłowy reaktor jądrowy; czy istnieją na naszej planecie miejsca, gdzie zachodzą naturalne łańcuchowe reakcje jądrowe.

Fizyka i technika na Ukrainie

Instytut badań jądrowych PAN Ukrainy (Kijów) - czołowa instytucja naukowa w dziedzinie fizyki jądrowej i energetyki atomowej. Instytut stworzono w 1970 r. na bazie jądrowych oddziałów Instytutu fizyki AN Ukrainy. Założycielem i pierwszym dyrektorem Instytutu był akademik PAN Ukrainy M. Pasicznyk. Z czasem na czele instytucji stali akademicy PAN Ukrainy A. Niemiec, I. Wysznewski, od roku 2015 dyrektorem Instytutu jest W. Sli-senko.

Główne kierunki pracy Instytutu - fundamentalne badania fizyki jądrowej niskich i średnich energii, fizyki reaktorów, teorii jądra, jądrowej spektroskopii, elektroniki jądrowej, fizyki radioaktywnej, syntezy termojądrowej, fizyki plazmy, a także wzajemnego oddziaływania neutronów, protonów, deuteronów, alfa-cząstek i ciężkich jąder z jądrami prawie wszystkich pierwiastków Układu Okresowego pierwiastków chemicznych D. Mendelejewa.

Pod kierownictwem uczonych w instytucie zostały założone znane szkoły naukowe: fizyki neutronowej, fizyki reakcji jądrowych z cząstkami naładowanymi, mikroskopicznej teorii jądra, jądrowej spektroskopii, nieprzyspieszającej fizyki cząstek elementarnych.

Uczeni instytutu zrobili wielki wkład w usunięcie skutków awarii na elektrowni atomowej w Czarnobylu.

 

Źródło: Fizyka podręcznik dla klasy 9 Barjachtar

 






^