Ядерная энергетика

§66. Деление ядер урана.
§67. Цепная реакция.
§68. Ядерный реактор.
§69. Атомная энергетика.
§70. Биологическое действие радиации.
§71. Получение и применение радиоактивных изотопов.
§72. Термоядерная реакция.
§73. Элементарные частицы. Античастицы.
Атомная энергетика

§66. Деление ядер урана
Кто и когда открыл деление ядер урана?
Каков механизм деления ядра?
Какие силы действуют в ядре? Что происходит при делении ядра?
Что происходит с энергией при делении ядра урана?
Как изменяется температура окружающей среды при делении ядер урана?
Как велика выделенная энергия?

В отличие от радиоактивного распада ядер, сопровождающегося испусканием α- или β-частиц, реакции деления – это процесс, при котором нестабильное ядро делится на два крупных фрагмента сравнимых масс.
В 1939 году немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом было открыто деление ядер урана. Продолжая исследования, начатые Ферми, они установили, что при бомбардировке урана нейтронами возникают элементы средней части периодической системы – радиоактивные изотопы бария (Z = 56), криптона (Z = 36) и др.
Уран встречается в природе в виде двух изотопов: урана-238 и урана-235 (99,3 %) и (0,7 %). При бомбардировке нейтронами ядра обоих изотопов могут расщепляться на два осколка. При этом реакция деления урана-235 наиболее интенсивно идет на медленных (тепловых) нейтронах, в то время как ядра урана-238 вступают в реакцию деления только с быстрыми нейтронами с энергией порядка 1 МэВ.
Деление тяжелых ядер.

Основной интерес для ядерной энергетики представляет реакция деления ядра урана-235.
В настоящее время известны около 100 различных изотопов с массовыми числами примерно от 90 до 145, возникающих при делении этого ядра. Две типичные реакции деления этого ядра имеют вид:
Обратите внимание, что в результате деления ядра, инициированного нейтроном, возникают новые нейтроны, способные вызвать реакции деления других ядер. Продуктами деления ядер урана-235 могут быть и другие изотопы бария, ксенона, стронция, рубидия и т. д.
Цепная реакция

Схема развития цепной реакции деления ядер урана представлена на рисунке
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. Такой лавинообразный процесс называется цепной реакцией

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.
Коэффициент размножения определяется не только числом нейтронов, образующихся в каждом элементарном акте, но и условиями, в которых протекает реакция – часть нейтронов может поглощаться другими ядрами или выходить из зоны реакции. Нейтроны, освободившиеся при делении ядер урана-235, способны вызвать деление лишь ядер этого же урана, на долю которого в природном уране приходится всего лишь 0,7 %.
Коэффициент размножения

Наименьшая масса урана, при которой возможно протекание цепной реакции, называется критической массой.
Способы уменьшения потери нейтронов:
Использование отражающей оболочки (из бериллия),
Уменьшение количества примесей,
Применение замедлителя нейтронов (графит, тяжелая вода),
Для урана-235 - M кр = 50 кг (r=9 см).
Критическая масса

Схема ядерного реактора

В активной зоне ядерного реактора идет управляемая ядерная реакция
с выделением большого количество энергии.
Первый ядерный реактор был построен в 1942 году в США под руководством
Э. Ферми.
В нашей стране первый реактор был построен в 1946 году под руководством
И. В. Курчатова

§66. Деление ядер урана.
§67. Цепная реакция.
§68. Ядерный реактор.
Ответить на вопросы.
Нарисовать схему реактора.
Какие вещества и как применяются в ядерном реакторе? (письменно)
Домашнее задание

Реакции слияния легких ядер носят название термоядерных реакций, так как они могут протекать только при очень высоких температурах.
Термоядерные реакции.

. Второй путь освобождения ядерной энергии связан с реакциями синтеза. При слиянии легких ядер и образовании нового ядра должно выделяться большое количество энергии.
Термоядерные реакции.
Особенно большое практическое значение имеет то, что при термоядерной реакции на каждый нуклон выделяется намного больше энергии, чем при ядерной реакции,
например, при синтезе ядра гелия из ядер водорода выделяется энергия, равная 6 МэВ,
а при делении ядра урана на один нуклон приходится »0,9 МэВ.

Чтобы два ядра вступили в реакцию синтеза, они должны сблизится на расстояние действия ядерных сил порядка 2·10–15 м, преодолев электрическое отталкивание их положительных зарядов. Для этого средняя кинетическая энергия теплового движения молекул должна превосходить потенциальную энергию кулоновского взаимодействия. Расчет необходимой для этого температуры T приводит к величине порядка 108–109 К. Это чрезвычайно высокая температура. При такой температуре вещество находится в полностью ионизированном состоянии, которое называется плазмой.
Условия протекания термоядерной реакции

- энергетически выгодная реакция. Однако она может идти лишь при очень высоких температурах (порядка несколько сотен млн. градусов).
При большой плотности вещества такая температура может быть достигнута путем создания в плазме мощных электронных разрядов. При этом возникает проблема - трудно удержать плазму.
Управляемая термоядерная реакция
Самоподдерживающиеся термоядерные реакции происходят в звездах

стал реальной угрозой для человечества. В связи с этим ученые предложили добывать изотоп тяжелого водорода - дейтерий - из морской воды и подвергать реакции ядерного расплава при температурах около 100 миллионов градусов Цельсия. При ядерном расплаве дейтерий, полученный из одного килограмма морской воды будет способен произвести столько же энергии, сколько выделяется при сжигании 300 литров бензина
___
Энергетический кризис
ТОКАМАК
(тороидальная магнитная камера с током)

Наиболее мощный современный ТОКАМАК, служащий только лишь для исследовательских целей , находится в городе Абингдон недалеко от Оксфорда. Высотой в 10 метров, он вырабатывает плазму и сохраняет ей жизнь пока всего лишь
около 1 секунды.

это электрофизическое устройство, основное назначение которого – формирование плазмы.
Плазма удерживается не стенками камеры, которые не способны выдержать её температуру, а специально создаваемым магнитным полем, что возможно при температурах около 100 млн. градусов, и сохранение её достаточно долгое время в заданном объеме. Возможность получения плазмы при сверхвысоких температурах позволяет осуществить термоядерную реакцию синтеза ядер гелия из исходного сырья, изотопов водорода (дейтерия итрития
ТОКАМАК (ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками)

М.А. Леонтович возле "Токамака

Основы теории управляемого термоядерного синтеза заложили в 1950 году И. Е. Тамм и А. Д. Сахаров, предложив удерживать магнитным полем горячую плазму, образовавшуюся в результате реакций.
Эта идея и привела к созданию термоядерных реакторов - токамаков.
При большой плотности вещества требуемая высокая температура в сотни млн. градусов может быть достигнута путем создания в плазме мощных электронных разрядов. Проблема: трудно удержать плазму.
Современные установки токамак - не термоядерные реакторы, а исследовательские установки,
в которых возможно лишь на некоторое время существование и сохранение плазмы.
Управляемые термоядерные реакции

Отцами-основателями советского мирного термояда стали академики Андрей Сахаров (слева), создатель водородной бомбы, и Евгений Велихов (справа), один из разработчиков токамака - прообраза термоядерного реактора

Сферический токамак Глобус-М – новая крупная физическая установка, сооруженная в Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе Российской Академии наук в 1999 г.
«Глобус»