В 1938 году было открыто деление ядер. Возможны два пути высвобождения ядерной энергии: синтез легких ядер и деление тяжелых ядер.
При делении 1 ядра урана высвобождается энергия:
ΔE = M(ΔEсв/Mср.я. – ΔEсв./Mт.я.) = М(8,5-7,5) = М МэВ
М – массовое число тяжелого ядра
ΔEсв/Mср.я. – удельная энергия связи для элементов средней части таблицы Менделеева
ΔEсв./Mт.я. – удельная энергия связи для элементов конца таблицы Менделеева
Ядро захватывает нейтрон (n),и при этом некоторые тяжелые ядра впадают в метастабильное состояние. Нейтрон вносит энергию активации, так как он попадает в потенциальную яму. В ядре частицы находятся в потенциальной яме, так как не могут сами выбраться оттуда. И нейтрон, попадая в ядро, вносит в него свою энергию, которая равна глубине потенциальной ямы. Из-за полученной энергии активации в ядре начинается процесс движения нуклонов, который приводит к пульсации, и в какой-то момент ядро из шара приобретает форму удлиненной капли. Ядерные силы пытаются стянуть ядро в узком месте, а электрические силы отталкивания пытаются растащить это ядро в стороны. Вследствие этого наступает момент, когда ядро делится на два осколка. В каждом осколке количество нейтронов больше нормы для данного элемента и эти осколки теряют нейтроны. Количество потерянных нейтронов больше 1 (см. Рис. 1).
|
|
n + M→ MA+ MB+ υn, где
n – нейтрон
М – масса ядра
MA,MB – массы двух осколков
υ – число получившихся нейтронов
Нельзя заранее сказать, какие осколки получатся при делении ядра. Опытным путем была найдена зависимость
В 1942 году была проведена цепная реакция. Если имеется урансодержащий препарат достаточно большой массы, то вследствие космического излучение один из атомов может претерпевать разрушение ядра (Рис. 3).
Пусть А1 – первое ядро, которое разрушилось. Кроме двух осколков, на которые разрушилось ядро, появляются нейтроны.
Энергия нейтронов: Enϲ [0.1 ÷ 14] МэВ.
Через время τ~10-3с, эти нейтроны либо принимают участие в делении какого-нибудь другого ядра, либо вылетают за пределы образца, либо поглощаются ядрами других элементов, которые имеются в этом препарате.
Существует вероятность того, что нейтрон будет участвовать в повторном делении, обозначим ее буквой Р, тогда коэффициент размножения нейтронов: K = Р*υ, за время τ.
Изменение количества нейтронов в образце: dN = (K*N-N)dt/ τ
N – первоначальное число нейтронов
dN/N = (K-1)*dt/ τ
N = N0*e(k-1)*t/τ
Если K > 1 – количество нейтронов резко увеличивается, т. е. идет неуправляемая цепная реакция.
Если К = 1 – количество нейтронов не изменилось
Если К < 1 – количество нейтронов уменьшается, т. е. цепная реакция прекращается.
|
|
В природном уране цепная реакция не наблюдается, потому что ее вероятность крайне мала. Он состоит из 99,29% 238U (P~0,005) и 0,71% 235U (P~0,9), поэтому К=P* υ ~ 0,01< 1 – цепная реакция почти невозможна.
Замедление нейтронов
Исследования показали, что ядро перед делением очень хитро себя ведет. Диаметр ядра:
Для ядра урана dя ~ 7,44*10-15м
Площадь сечения ядра S = πd2/4~43,5*10-30 = 0,435 барн (1 барн= 10-28 м2).
Эффективное сечение ядра (Ϭ)
для 238U: Ϭ ~ 2,73 барн: n+238U →239U
для 235U: Ϭ ~ 100 барн: n+235U →236U
для деления ядра: Ϭ ~ 580 барн
Коэффициент умножения нейтронов для бесконечно большой среды:
К∞ = Рпд*(1-Рз)*Ɛ*υ
Рпд – вероятность того, что нейтрон который выделился, будет участвовать в повторной реакции деления
(1-Рз ) – вероятность того, что нейтрон не будет захвачен другим ядром
Ɛ – коэффициент, который показывается, что при делении 238U тоже появляется какое-то количество быстрых нейтронов
υ – исходное число нейтронов, которое образуется при одном акте распада урана
Для природного урана: Рпд*(1-Рз )~0,44, Ɛ = 1,03, К∞ ~ 1,08125>1
Коэффициент эффективного разложения нейтронов (Кэфф)
Кэфф = Р* К∞
Вероятность того, что нейтрон сможет принимать участие в дальнейшем делении: Р = 1- dN↑/N
dN↑ – количество нейтронов, которое вылетает из данного объема
Vn – скорость тепловых нейтронов
N/V – концентрация
S – площадь поверхности, через которую нейтроны покидают объем
τ – время жизни нейтронов
Для квадратного образца: Vn ~ 2÷3 км/ч, τ=10-3
Кэфф= (1-3/D)* К∞=1 – по данной формуле рассчитываются критические размеры, при которых возможно монотонное течение цепной реакции
Dкр~ 40 м,
Для 235U: mкр ~ 50 кг, 235U: mкр ~ 16 кг, где mкр – критическая масса.
Благодаря этому стало возможным осуществление управляемой цепной реакции. Управляемая цепная реакция возникает в реакторах, которые имеют разные конструкции. Первым реактором был реактор на медленных нейтронах.
Реактор на медленных нейтронах можно делать двух видов:
1 – гомогенный. В нем вещество, которое распадается, распространено по всему объему. Вероятность цепной реакции в таком реакторе мала.
2 – гетерогенный. В нем вещество, которое распадается, находится в твэлах (длинных стержнях). Между твэлами имеется охладитель, который забирает тепло, которое выделяется при реакции. Стержни вставляются в угольный стержень, чтобы нейтроны замедлялись, и кадмиевый стержень, для того, чтобы нейтроны поглощать. Возникает цепная реакция, в которой меньшее количество нейтронов поглощается резонансным образом ядрами урана. В качестве теплоносителя применяют жидкие металлы. С помощью специального насоса проводится циркуляция теплоносителя в реакторе. Утилизация энергии происходит при превращении тепловой энергии в пар. Этот пар подается на турбину.
Реакторы на быстрых нейтронах – реакторы размножители ядерного топлива. При резонансном захвате 238U, если нейтрон попадет в ядро урана, то он станет 239U – β радиоактивный. За период полураспада в 25 минут он превращается в239Np, который за T1/2 = 2,35 дня превращается в 239Р. Плутоний является хорошим ядерным топливом. Плутониевое топливо используется при создании ядерного оружия.
ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ
Цели урока:
1. ознакомить учащихся с ядерными реакциями, с процессами изменения атомных ядер, превращением одних ядер в другие под действием микрочастиц.
2. подчеркнуть, что это отнюдь не химические реакции соединения и разъединения атомов элементов между собой, затрагивающие только электронные оболочки, а перестройка ядер как систем нуклонов, превращение одних химических элементов в другие.
ХОД УРОКА:
Повторение
1. Каков состав атомных ядер?
2. Как объяснить стабильность атомных ядер?
|
|
3. Назовите свойства ядерных сил.
4. Что такое энергия связи ядра?
5. Почему масса ядра не равна сумме масс протонов и нейтронов, входящих в него?
6. Что такое радиоактивность?