Введение. Введение. Терминология, единицы измерения и масштабы физических величин в атомной физике

Введение. Терминология, единицы измерения и масштабы физических величин в атомной физике. Строение атома и ядра. Ядерная структура атома. Опыты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц. Состав ядра. Протон-нейтронная модель ядра.

СОДЕРЖАНИЕ

Доцент Коняшов Вадим Васильевич

ОСНОВЫ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ

№ темы	Содержание	Стр.
	Введение. Терминология, единицы измерения и масштабы физических величин в атомной физике. Строение атома и ядра. Ядерная структура атома. Опыты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц. Состав ядра. Протон-нейтронная модель ядра.
	Физические свойства атомных ядер. Заряд ядра. Размер ядра. Моменты ядер. Спин ядра. Магнитный и электрический моменты ядра. Масса ядра и энергия связи. Масса ядра и масса атома. Дефект массы. Энергия связи. Основные особенности энергии связи. Основниое правило. Ядерные силы: основные характеристики. Кулоновский и ядерный потенциалы ядра. Обменный характер ядерных сил.
	Ядерные превращения. Радиоактивность. Закон распада. Характеристики распада. Альфа-распад. Бета-распад. Основные понятия и характеристики. Ядерные реакции. Закон сохранения энергии. Закон сохранения импульса. Закон сохранения механического момента. Ядерные реакции с участием нейтронов.
	Деление тяжелых ядер. Цепная реакция деления. Вероятность деления. Делящиеся нуклиды. Механизм деления. Энергия деления и ее распределение. Продукты деления. Запаздывающие нейтроны. Остаточное энерговыделение. Основные условия и способы их создания для цепной реакции деления. Коэффициент размножения в бесконечной среде и эффективный. Баланс нейтронов в размножающей среде. Вероятность избежать утечки.
	Типы ядерных реакторов и основные процессы в них. Понятие об активной зоне, отражателе, поглотителе. Замедление нейтронов, спектр нейтронов, диффузия нейтронов. Классификация реакторов по спектру. Мощность реактора. Связь между цепной реакцией деления и выделением тепла (энергии). Плотность энерговыделения и удельное энерговыделение.
	Структура активной зоны реакторов на тепловых нейтронах и ее характеристики. Основы управления реактором. Схема реактора. Пример реакторной установки с корпусным водо-водяным реактором для выработки электроэнергии. Особенности промышленных энергетических ядерных реакторов. Примеры. Распределение потока нейтронов в активной зоне реактора. Основы управления реактором. Возможность и основные принципы регулирования мощности реактора. Роль запаздывающих нейтронов.
	Режимы работы реактора: подкритический, критический, надкритический. Режим работы реактора на мощности. Средства управления реактором – органы регулирования. Долговременные процессы в реакторе. Выгорание топлива. Эффекты отравления.

Тема 1

Существование индустриального общества невозможно без потребления больших количеств энергии. В свете закона сохранения энергии возникает вопрос: ЧТО ЗНАЧИТ ПОТРЕБЛЯТЬ ЭНЕРГИЮ? Для ответа на него необходимо классифицировать полный запас энергии в природе.

Следует различать энергию связанную, или энергию покоя, пропорциональную массе тела, и энергию свободную, или энергию относительного движения тел. Поведение во времени связанной и свободной энергии совершенно различно.

Связанная энергия во времени неизменна и локализована в пространстве там, где размещена масса. Какие-либо изменения связанной энергии возможны лишь тогда, когда возбуждаются искусственно или происходят самопроизвольно процессы, приводящие к изменению массы тел.

Свободная энергия, напротив, благодаря передаче и сохранению импульса при столкновениях сама по себе стремится распределиться равномерно между взаимодействующими телами, быстро рассеиваясь в пространстве. Как раз эта особенность свободной энергии и используется для получения полезных эффектов: если в каком-то объеме получается избыток свободной энергии, на первой стадии рассеяния обычно бесконтрольно превращающейся в энергию теплового движения микрачастиц вещества, то в процессе ее дальнейшего рассеяния возможно получения различных температур, необходимых для производственных и бытовых нужд, обращение тепла в полезную работу, выработка электроэнергии и т.д.

Следовательно, потреблять энергию – это значит рассеивать свободную энергию. Ясно, что получить свободную энергию можно только за счет убыли связанной энергии. Другими словами, нужно уметь вызывать процессы, которые приводят к убыли массы тел и эквивалентному увеличению свободной энергии. При сжигании угля или урана энергия выделяется только потому, что масса молекулы углекислого газа или атомов продуктов деления урана меньше масс исходных частиц.

Поскольку свободная энергия рассеивается сама по себе, то невозможно создать ее запас. А так как рассеивается она очень быстро, то тепловые и любые другие установки, вырабатывающие энергию, должны работать непрерывно. Образование какого либо резерва энергии возможно только через обратный процесс перевода свободной энергии в связанное состояние.

Выработка энергии возможна лишь при условии, что в природе имеются запасы топлива. Микрочастицы топлива находятся в состоянии с энергией Е₁ большей, чем энергия Е₂ другого возможного состояния, переход в которое существует. Однако, этому переходу обязательно препядствует энергетический барьер ΔЕ. Переход в конечное состояние возможен только через некоторое промежуточное состояние с энергией большей, чем Е₁, так что . Если бы барьера не было, то само существование топлива оказалось бы невозможным, поскольку частицы самопроизвольно перешли бы в состояние с наименьшей потенциальной энергией, т.е. с меньшей массой.

Поэтому процесс сжигания топлива должен быть инициирован внешним возбуждением. Способов возбуждения может быть два, различных по природе.

Первый способ вобуждения – за счет кинетической энергии сталкивающихся частиц. Если энергия относительного движения выше энергетического барьера, то при столкновении возможна передача частице топлива энергии активации Е_акт большей или равной ΔЕ. Из возбужденного состояния произойдет самопроизвольный переход в состояние Е₂. При этом выделится энергия реакции Е₁ - Е₂ и возвратится энергия активации Е_акт. Это и есть элементарный акт горения топлива.

Для возбуждения каждого акта горения нужна ускоренная частица. Ускорение каких-то частиц даст актов реакции много меньше числа ускоренных частиц. Поэтому суммарный выйгрыш в энергии оказывается ниже энергетических затрат на ускорение. Поэтому механизм внешнего ускорения не может быть физическим принципом тепловой машины. Чтобы обеспечить сжигание большого количества топлива, нужно ускорить если не все, то хотя бы некоторую заметную долю частиц топлива. Это достигается при разогреве вещества. И здесь важно начать процесс, т.к. дальнейшее повышение температуры будет идти за счет собственного выделения энергии. Такой способ представляет собой сжигание топлива с тепловым возбуждением. При его описании к названиям реакций добавляется приставка термо: термохимические, термоядерные реакции. И если для возбуждения химических, т.е. межмолекулярных реакций, в условиях нашей планеты необходим разогрев всего лишь на ~100К, то для возбуждения ядерных реакций из-за очень больших кулоновских барьеров нужны температуры не менее 10⁷ К.

Второй способ возбуждения – за счет энергии связи присоединяющихся частиц, когда необходимая для преодоления порога энергия возбуждения появляется в виде работы сил притяжения частиц. Правда для возбуждения реакций нужны активные частицы, а актов реакции происходит обычно меньше, чем число направленных в вещество частиц. И только в случае, когда в результате реакций возникает достаточное количество вторичных активных частиц можно получить самоподдерживаемую реакцию.

Указанным специфическим свойством обладают многие химические реакции и цепные процессы среди них широко распространены. Там роль активных частиц выполняют свободные атомы и радикалы, имеющие неиспользованные химические связи. Носителем цепного процесса при ядерных превращениях может служить нейтрон, не имеющий электрического заряда и поэтому беспрепядственно сближающийся с атомными ядрами. Среди огромного количества ядерных реакций только одна обладает необходимым уникальным свойством. Это реакция деления тяжелых ядер, легко возбуждаемая нейтроном и дающая в результате деления несколько вторичных нейтронов.

Цепным реакциям присущи критические явления: не в любом количестве вещества можно возбудить цепной процесс. Зато скорости цепных реакций не зависят от температуры среды.