Ядерные реакции. Энергия связи атомного ядра

Энергия связи
атомного ядра
Часть 1

Вспомните, каков
состав ядра атома

Энергия связи атомного ядра – энергия, которая необходима
для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны
Е = m·c² Есв = ΔM·c²

ΔM - дефект масс-
разность масс покоя нуклонов, составляющих ядро атома,
и массы целого ядра
Mя < Z·mp + N·mn ΔM= Z·mp + N·mn - Mя
На 1 а.е.м. приходится
энергия связи = 931,5 МэВ

Сравнение ядерной энергии
и тепловой
=
Синтез
4 г гелия
Сгорание
2 вагонов каменного угля

Удельная энергия связи-
энергия связи, приходящаяся
на один нуклон ядра
Еуд =
Есв
А
У ядер средней части периодической системы Менделеева
с массовым числом 40 ≤ А ≤ 100 Еуд максимальна
2. У ядер с А>100 Е уд плавно убывает
3. У ядер с А< 40 Еуд скачкообразно убывает
4. Максимальной Еуд обладают ядра, у которых
число протонов и нейтронов четное, минимальной – ядра,
у которых число протонов и нейтронов нечетное
Наиболее оптимальные способы
высвобождения внутренней энергии ядер:
- деление тяжелых ядер;
- синтез легких ядер.

ПРИМЕР:

Ядерные реакции
Часть 2

Ядерные реакции –
искусственные преобразования атомных ядер при взаимодействии их
с элементарными частицами
или друг с другом
Условия:
1) Частицы вплотную приближаются к ядру
и попадают в сферу действия ядерных сил;
2) Частицы должны обладать большой
кинетической энергией (…с помощью ускорителей
элементарных частиц и ионов)

Первые ядерные реакции
Э.Резерфорд, 1932 г.
Li+
H
→
He+
He
7
3
1
1
4
4
2
2
Ядерная реакция
на быстрых протонах

Классификация ядерных реакций:
По энергии частиц, которые их вызывают:
малые энергии≈ 100 эВ; средние ≈ 1 МэВ; высокие≈50 МэВ.
2. По виду ядер, которые участвуют в реакции:
реакции на легких ядрах (А<50), средних(50<А<100)
и тяжелых ядрах (А>100);
3. По природе бомбардирующих частиц:
реакции на нейтронах, квантах, заряженных частицах;
4. По характеру ядерных преобразований:
захват частиц с преобразованием в более массивное ядро, расщепление ядра на части при бомбардировании, переход ядра из возбужденного состояния в нормальное.

Энергетический выход ядерных реакций Е= Δm·c² - разность энергий покоя ядер и частиц
до реакции и после реакции
Пример:
Δm=
(m H + m H) – (m He + m n)
1
1
1
2
3
4
2
0
Если Δm > 0, то Е > 0 - энергия выделяется (экзотермическая);
Если Δm < 0, то Е < 0 – энергия поглощается (эндотермическая).

Ядерные реакции на нейтронах
1934 г., Э.Ферми – облучали нейтронами
почти все элементы периодической системы.
Нейтроны, не имея заряда,
беспрепятственно проникают в атомные ядра
и вызывают их изменения.
Реакции на быстрых нейтронах.
Реакции на медленных нейтронах
(более эффективны, чем быстрые;
n замедляют в обычной воде)
Al + n → Na + He
27
13
1
0
24
11
4
2
1
0

Деление ядер урана
Открытие в 1938 г. О.Ган, Ф.Штрассман
Объяснение в 1939 г. О.Фриш, Л.Мейтнер
Деление происходит
под действием кулоновских сил
Rb
94
При бомбардировке нейтронами U
образуется 80 различных ядер.
Наиболее вероятное деление на Kr и Ba
в соотношении 2/3
235
91
142
α -излучение
γ-излучение

Цепная
ядерная реакция
Часть 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

Коэффициент размножения
определяют следующие факторы:
1) Захват медленных нейтронов ядрами U
или захват быстрых нейтронов ядрами U и U
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.
236
235
235

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 килограммов

Термоядерный синтез
Часть 4

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

Ядерный реактор
Часть 5

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

Условия работы:
1) Горючее – природный уран, обогащенный до 5% ураном-235, торий или плутоний
2) Замедлитель – тяжелая (D2O)
или обычная вода
3) Для уменьшения вытекания нейтронов
активная зона окружена слоем отражателя
(графит)
4) Ядерное горючее вводят в активную зону
в виде стержней. Температура 800К– 900 К
5) Управление с помощью регулирующих
стержней из соединений бора и кадмия,
активно поглощающих нейтроны
6) Система охлаждения для отвода тепла
из активной зоны реактора (вода, жидкие
металлы, некоторые органические жидкости)
7) Системы дозиметрического контроля
и биологической защиты окружающей среды
от протонов, нейтронов, γ-излучения
8) После 30-40 лет службы реактор
не подлежит восстановлению

Применение
ядерной энергии
Часть 6

Атомная энергетика
Первая АЭС,
1954 г.,
г. Обнинск,
мощность 5000 кВт

Схема устройства АЭС
1) Не потребляют дефицитного
органического топлива,
2) Не загружают перевозками угля
ЖД- транспорт,
3) Не потребляют атмосферный
воздух,
4) Не засоряют среду золой
и продуктами сгорания.
+
1) Нельзя размещать
в густонаселенных районах –
потенциальная угроза
радиоактивного заражения!!!!!
2) Сложности с захоронением радиоактивных отходов и демонтажем отслуживших свой срок атомных электростанций
-

Ядерное оружие
… в отличие от обычного оружия,
оказывает разрушающее действие за счет
ядерной, а не механической или химической
энергии. По разрушительной мощи только
взрывной волны одна единица ядерного оружия
может превосходить тысячи обычных бомб
и артиллерийских снарядов. Кроме того, ядерный
взрыв оказывает на все живое губительное
тепловое и радиационное действие,
причем, как правило, на больших площадях.

Радиус поражения
при ядерном взрыве

Первая атомная бомба
СССР — «РДС–1»
Ядерный заряд
впервые испытан
29 августа 1949 года
на Семипалатинском
полигоне. Мощность
заряда до 20 килотонн
тротилового эквивалента.
Музей РФЯЦ–ВНИИТФ г.Снежинск

Отделяемая моноблочная головная часть баллистической ракеты
Пуск осуществляется с подводной лодки на дальность до 1500 км.
В этом ракетном комплексе впервые реализован подводный пуск
ракеты с глубины 40-50 м. Изделие имеет в своём составе
термоядерный заряд мегатонного класса.
Габаритные размеры: длина 2300 мм, диаметр 1304 мм.
Масса 1144 кг.
Изделие разрабатывалось и испытывалось в начале 1960-х гг.,
принято на вооружение в 1963 г.
Музей РФЯЦ–ВНИИТФ г. Снежинск.