Деление атомных ядер. Цепная реакция. Термоядерный синтез

1. Ядерная физика

Деление атомных ядер
Цепная реакция
Термоядерный синтез

2. Ядерные реакции

Ядерная реакция – это процесс
взаимодействия атомного ядра с
другим ядром или элементарной
частицей, сопровождающийся
изменением состава и структуры ядра
и выделением вторичных частиц или γквантов.

3. Ядерные реакции

В результате ядерных реакций могут
образовываться новые радиоактивные
изотопы, которых нет на Земле в
естественных условиях.
Первая ядерная реакция была осуществлена
Э. Резерфордом в 1919 году в опытах по
обнаружению протонов в продуктах распада
ядер Резерфорд бомбардировал атомы
азота α-частицами.

4. Ядерные реакции

При соударении частиц происходила
ядерная реакция, протекавшая по
следующей схеме:
14
4
17
1
7 N 2 He 8 O 1H
Ядерные реакции могут протекать при
бомбардировке атомов быстрыми
заряженными частицами (протоны,
нейтроны, α-частицы, ионы). Первая
реакция такого рода была осуществлена с

5. Ядерные реакции

Ядерные реакции могут протекать при
бомбардировке атомов быстрыми
заряженными частицами (протоны,
нейтроны, α-частицы, ионы). Первая
реакция такого рода была осуществлена с
помощью протонов большой энергии,
полученных на ускорителе, в 1932 году:

6.

Однако наиболее интересными для
практического использования являются
реакции, протекающие при
взаимодействии ядер с нейтронами. Так
как нейтроны лишены заряда, они
беспрепятственно могут проникать в
атомные ядра и вызывать их
превращения.

7. Деление ядер

В 1934 году Ферми начал облучать
нейтронами ядра урана с целью получить
новые более тяжелые трансурановые
элементы.
Однако облучение привело не к
образованию новых элементов, а к
делению ядер урана.

8. Деление ядер

Возбужденное ядро урана после захвата
нейтрона делится на две приблизительно
равные по массе части, названные
осколками деления.
Простейшая теория деления ядра была
разработана в 1939 году Н. Бором и Дж.
Уиллером. В основу этой теории была
положена капельная модель ядра.

9. Деление ядер

В этой модели атомное ядро
рассматривается как сферическая капля
заряженной жидкости. Основанием для
такой аналогии послужило то, что
плотность ядерного вещества у всех ядер
вблизи линии стабильности
приблизительно одинакова, что говорит о
его несжимаемости.

10. Деление ядер. Ядро

235
U
В результате захвата нейтрона
образуется ядро 236U
в сильно
возбужденном состоянии. Амплитуда
колебаний ядра может стать настолько
большой, что ядро разделится на две
части, которые под действием
кулоновских сил разлетятся со
значительными скоростями.

11. Различные стадии деления (схема)

n
n
1
2
3
4
n

12. Деление ядер

Основными продуктами процесса деления
являются:
два примерно равных осколка (ядра);
несколько нейтронов;
гамма-кванты.
Ядра осколков оказываются как правило
бета-активными и распадаются с разными
периодами полураспада.

13. Деление ядер

Одна из реакций деления урана
U n Cs Rb 2n
235
92
140
55
94
37

14. Деление ядер

При делении ядра урана-235, которое
вызвано столкновением с нейтроном,
освобождается 2 или 3 нейтрона. При
благоприятных условиях эти нейтроны
могут попасть в другие ядра урана и
вызвать их деление. На этом этапе
появятся уже от 4 до 9 нейтронов,
способных вызвать новые распады ядер
урана и т. д.

15. Цепная реакция

Такой лавинообразный процесс
называется цепной реакцией.
Под цепной реакцией понимают такую
реакцию, при которой воспроизводится и
притом в больших количествах одно из
исходных реагирующих веществ, которое
вновь вступает в такую же реакцию.
В цепной реакции деления атомных ядер
воспроизводятся нейтроны.

16. Схема развития цепной реакции

17. Цепная реакция

Для осуществления цепной реакции
необходимо, чтобы так называемый
коэффициент размножения
нейтронов был больше единицы.
Другими словами, в каждом последующем
поколении нейтронов должно быть
больше, чем в предыдущем.

18. Цепная реакция

Цепная реакция в уране с повышенным
содержанием урана-235 может развиваться
только тогда, когда масса урана превосходит так
называемую критическую массу. В небольших
кусках урана большинство нейтронов, не попав
ни в одно ядро, вылетают наружу. Для чистого
урана-235 критическая масса составляет около
50 кг. Критическую массу урана можно во много
раз уменьшить, если использовать так
называемые замедлители нейтронов.

19. Цепная реакция

Нейтроны, рождающиеся при распаде
ядер урана, имеют слишком большие
скорости, а вероятность захвата
медленных нейтронов ядрами урана-235 в
сотни раз больше, чем быстрых.
Наилучшим замедлителем нейтронов
является тяжелая вода. Обычная вода
при взаимодействии с нейтронами сама
превращается в тяжелую воду.

20. Цепная реакция

Хорошим замедлителем является также
графит, ядра которого не поглощают
нейтронов. При упругом взаимодействии с
ядрами дейтерия или углерода нейтроны
замедляются до тепловых скоростей.

21. Цепная реакция

В атомных бомбах цепная неуправляемая
ядерная реакция возникает при быстром
соединении двух кусков урана-235,
каждый из которых имеет массу несколько
ниже критической.

22. Ядерный реактор

Устройство, в котором поддерживается
управляемая реакция деления ядер,
называется ядерным (или атомным)
реактором.

23. Ядерный реактор

24. Цепная реакция. Ядерный реактор.

Энергия, освобождающаяся при делении
атомных ядер называется ядерной или
атомной энергией.
Вещество, используемое в ядерных
реакторах для осуществления реакций
деления, называется ядерным топливом.

25. Ядерный реактор

Ядерная реакция протекает в активной
зоне реактора, которая заполнена
замедлителем и пронизана стержнями,
содержащими обогащенную смесь
изотопов урана с повышенным
содержанием урана-235 (до 3 %).

26. Ядерный реактор

В активную зону вводятся регулирующие
стержни, содержащие кадмий или бор,
которые интенсивно поглощают нейтроны.
Введение стержней в активную зону
позволяет управлять скоростью цепной
реакции.

27. Термоядерные реакции

Второй путь освобождения ядерной
энергии связан с реакциями синтеза. При
слиянии легких ядер и образовании
нового ядра должно выделяться большое
количество энергии. Это видно из кривой
зависимости удельной энергии связи от
массового числа A.

28. Термоядерные реакции

Вплоть до ядер с массовым числом около
60 удельная энергия связи нуклонов
растет с увеличением A. Поэтому синтез
любого ядра с A < 60 из более легких ядер
должен сопровождаться выделением
энергии. Общая масса продуктов реакции
синтеза будет в этом случае меньше
массы первоначальных частиц.

29. Термоядерные реакции

Реакции слияния легких ядер носят
название термоядерных реакций, так как
они могут протекать только при очень
высоких температурах. Чтобы два ядра
вступили в реакцию синтеза, они должны
сблизится на расстояние действия
ядерных сил, преодолев электрическое
отталкивание их положительных зарядов.

30. Термоядерные реакции

Расчет необходимой для этого
температуры T приводит к величине
8
9
порядка 10 10 К. Это чрезвычайно
высокая температура. При такой
температуре вещество находится в
полностью ионизированном состоянии,
которое называется плазмой.

31. Термоядерные реакции

Энергия, которая выделяется при
термоядерных реакциях, в расчете на
один нуклон в несколько раз превышает
удельную энергию, выделяющуюся в
цепных реакциях деления ядер.

32. Термоядерные реакции

Основные реакции термоядерного синтеза
d d He n (3,27МэВ)
d d t p (4,03МэВ)
3
d t He n (17,6МэВ)
4

33. Термоядерные реакции

6
Важную роль играет также реакция,
позволяющая воспроизводить тритий,
отсутствующий в природе
Li n t He (4,6МэВ)
4

34. Термоядерные реакции

УТС занимаются давно, но еще не
достигнут «выход» термоядерной
реакции, превышающий энергетические
затраты на разогрев плазмы.
Для этого должно быть выполнено
условие
n A

35. Термоядерные реакции

n
- концентрация ядер в плазме при
температуре порядка 108 K ;
- характерное время удержания
энергии в плазме;
A - характеристика ядерного горючего.

36. Термоядерные реакции

A 2 10 см
14
3
с
3
с
Для чистого дейтерия A 10 см
Для смеси 50%дейтерия и 50% трития
16
Таким образом, для работы реактора
должно соблюдаться условие
n 10 см с
14
-3

37. Термоядерные реакции

В настоящее время достигнуто значение
n 10 см с
13
-3
Температура плазмы составляет около
7
10 K, а концентрация плазмы в центре
достигает 1015 см-3