Цепная ядерная реакция. Ядерный реактор

1. Цепная ядерная реакция

1

2.

Ядерной цепной реакцией
называется реакция, в которой
частицы, вызывающие её (нейтроны),
образуются как продукты этой реакции
В 1940 г., Г.Флеров и В.Петржак
обнаружили самопроизвольное
(спонтанное)
деление ядер урана –
цепная ядерная реакция
2

3.

Для осуществления цепной реакции необходимо,
чтобы среднее количество освобожденных
нейтронов
с течением времени не уменьшалось.
Отношение количества нейтронов
в каком-либо «поколении» к количеству нейтронов
в предыдущем «поколении» называют
коэффициентом размножения нейтронов k
Если k < 1, реакция быстро затухает,
Если k = 1, то реакция протекает с постоянной
интенсивностью (управляемая),
Если k >1, то реакция развивается лавинно
(неуправляемая) и приводит к ядерному взрыву
3

4. Коэффициент размножения определяют следующие факторы:

235
1) Захват медленных нейтронов ядрами
U
235
или захват быстрых нейтронов ядрами
U
Uи
236
с последующим делением.
2) Захват нейтронов ядрами урана без деления.
3) Захват нейтронов продуктами деления,
замедлителем и конструктивными
элементами установки.
4) Вылет нейтронов наружу из вещества,
которое делится.
4

5.

Чтобы уменьшить вылет
нейтронов из куска урана увеличивают
массу урана (масса растет быстрее,
чем площадь поверхности, если форма –
шар).
Минимальное значение массы урана,
при которой возможна цепная реакция,
называется критической массой.
В зависимости от устройства установки
и типа горючего критическая масса
изменяется от 250 г до сотен
5
килограммов

6. Термоядерный синтез

6

7.

Термоядерная реакция -
реакция слияния легких ядер при очень
высокой температуре,
сопровождающаяся выделением энергии
Энергетически очень выгодна!!!
1. Самоподдерживающиеся –
в недрах Земли, Солнца и других звезд.
2. Неуправляемая – водородная бомба!!!
3. Ведутся работы по осуществлению
управляемой термоядерной реакции.
7

8. Ядерный реактор

8

9.

Ядерный реактор – установка, в которой
осуществляется управляемая цепная реакция
деления тяжелых ядер
Первый ядерный реактор: США, 1942 г., Э.Ферми,
деление ядер урана.
В России: 25 декабря 1946 г., И.В.Курчатов
9

10. Условия работы:

3)
5)
Для
Управление
уменьшения
с помощью
вытекания
регулирующих
6)
1)
7)
2)8)
Система
Системы
Замедлитель
Горючее
–охлаждения
дозиметрического
природный
– тяжелая
для
уран
отвода
,реактор
2нейтронов
O)
контроля
тепла
4)
Ядерное
После
30-40
горючее
лет
вводят
службы
в (D
активную
зону
активная
стержней
зона
иззоны
соединений
окружена
слоем
бора
и800
отражател
кадмия
, К
обогащенный
и
или
биологической
активной
обычная
вода
защиты
реактора
5% ураном
окружающей
(вода
-235,
, Кжидкие
торий
сред
виз
виде
не
подлежит
стержней
восстановлению
.до
Температура
– 900
(металлы
активно
графит
) ,поглощающих
нейтроны
или
от
протонов
плутоний
некоторые
, нейтронов
органические
, γ-излучения
жидкос
10

11. Блок контроля

11

12. 1. Выбери правильное утверждение. Какое из них является определением радиоактивности? В чем сходство, а в чем отличия? 1)

Явление самопроизвольного превращения ядер,
сопровождающееся испусканием частиц или ядер
или коротковолновым электромагнитным
излучением.
2)Превращения атомных ядер, вызванные их
взаимодействиями с какими-либо частицами или
друг с другом.

13.

2. Какая из данных реакций
соответствует β – распаду?

14.

3. Какая из данных реакций
соответствует α-распаду?

15.

4. Какая из данных реакций
не произойдет? Почему?

16.

5. Какая из данных реакций
не произойдет? Почему?

17.

6. Установите соответствие:
1. N
А. период полураспада
2. N0
Б. число распавшихся ядер
3. T½
В. число исходных ядер
4. t
Г.число оставшихся ядер
5. ΔN = N- N0
Д. промежуток времени,
за который распались
ΔN ядер

18. Задачи по ядерной физике

19. Энергия связи ядра

1. Найти энергию связи ядра
(1327 Al), если
Масса ядра 26,9815 а.е.м.
Масса нейтрона 1,0086 а.е.м.
Масса протона 1,0073 а.е.м.

20. Решение задачи №1

Ищем массу составных частей:
В ядре 13 протонов и 27-13=14 нейтронов. Их
масса в свободном состоянии.
M0=13· 1,0073+14· 1,0086=27,2153 а.е.м.
Дефект массы
ΔМ=27,2153- 26,9815=
=0,234 а.е.м.=0,234·1,67·10-27=0,39·10-27кг
Энергия связи W=Δmc2=0,39·10-27 ·9·1016=3,51·1011Дж
(c – скорость света, c=3·108м/с)

21. Задачи 4,5

Найти энергетический выход реакций,
определить происходят они с выделением или
поглощением энергии
4
5
4
2
7
3
He H Li n
Li H Be n
3
1
2
1
6
3
8
4
1
0
1
0
Справочные данные: массы изотопов
4 He
2
2H
1
2H
1
6Li
3
7Li
3
8
4 Be
4,0026
2,0141
3,0160
6,0151
7,0160
8,0053
Нейтрон 1,0087
1 а.е.м.=1,67·10-27 кг

22. Решение задачи № 4

2
4 He
+
1
3H
→
6
3 Li
+
1
0 n
Подставляем массы изотопов
4,0026
3,0160
6,0151
1,0087
Суммируем массы до и после реакции
7,0186
7,0238
Определяем, где масса больше: до или после реакции, в данном
случае после реакции (справа), значит масса добавилась, т.е. энергия
перешла в массу, реакция шла с поглощением энергии
Считаем дефект массы (из большего вычитаем меньшее)
ΔM=7,0238-7,0186=0,0052=5,2·10-3 а.е.м.
Переводим дефект масс в кг
ΔM=5,2·10-3 а.е.м.= 5,2·10-3 ·1,67·10-27=8,7·10-30кг
Считаем энергию реакции
W= ΔMс2=8,7·10-30 ·9·1016=78·10-14Дж=7,8·10-13Дж
Ответ: Поглощается 7,8·10-13Дж на каждый акт реакции.

23. Решение задачи № 5

3
4 Li
+
1
2H
→
8
4 Be
+
1
0 n
Подставляем массы изотопов
7,0160
2,0141
8,0053
1,0087
Суммируем массы до и после реакции
9,0301
9,0140
Определяем, где масса больше: до или после реакции, в данном
случае до реакции (слева), значит масса ушла, т.е. масса перешла в
энергию, реакция шла с выделением энергии
Считаем дефект массы (из большего вычитаем меньшее)
ΔM=9,0301-9,0140=0,016=1,6·10-2 а.е.м.
Переводим дефект масс в кг
ΔM=1,6·10-2 а.е.м.= 1,6·10-2 ·1,67·10-27=2,7·10-29кг
Считаем энергию реакции
W= ΔMс2=2,7·10-29 ·9·1016=24·10-13Дж=2,4·10-12Дж
Ответ: Выделяется 2,4·10-13Дж на каждый акт реакции.

24. Примечание

Энергия, которую мы посчитали не так уж и
мала, это энергия на одну реакцию. Если в
задаче № 5 взять 7 г лития, это 1 моль =
6·1023 атомов, соответственно произойдёт
6·1023 реакций, выделится
Q= 2,4·10-13· 6·1023 =14,4·1010 =144·109 Дж =
144 ГДж тепла!
Это энергия выделяемая при сгорании 4500
л бензина.