А до ендотермічних такі

^.

Для характеристики ядерних реакцій вводиться ядерний час

- час необхідний нуклону (p, n) з енергією 1 МеВ () для прольоту відстані, що дорівнює діаметру ядра (). Якщо частинки а, b тотожні, то реакція є розсіюванням, яке може бути пружним () або не пружним ().

Ядерні реакції класифікуються за такими ознаками:

· за родом частинок,

· за родом ядер (легкі, важкі),

· за енергією частинок,

· характером ядерних перетворень.

Н.Бор установив, що ядерні реакції, які викликають не дуже швидкі частинки, відбуваються шляхом утворення проміжного ядра F, коли ядро Y захоплює частинки

Y+a ® F.

Таке ядро називається складовим або компаунд-ядром. На цей факт указує дуже великий час

його життя в порівнянні з ядерним часом . Розпад ядра F відбувається різними шляхами і не залежить від способу своєї появи. Слід відзначити, що першою в історії ядерною реакцією була реакція здійснена Е.Резерфордом

^.

20.11. Реакції поділу урану та ядерна енергетика

При опроміненні ядра урану нейтронами відбувається його поділ з утворенням елементів (уламків) із середини періодичної таблиці Менделєєва та в середньому 2,5 нейтронів поділу. Кожний з поділів може відбуватися по різному. Досліджено, що при поділах утворюється близько 80 різних уламків, процентний склад яких Y, в залежності від масового числа, представлено на

малюнку. Одначе, при реакціях поділу повільними (тепловими з Е»0,03 еВ) нейтронами найбільш імовірним є утворення осколків із відношенням мас 2:3 (до 10%) (див.). Маса утворених осколків із середини періодичної таблиці Менделєєва менша маси вихідного ядра урану приблизно на 200 МеВ, тобто при поділі вивільнюється саме така енергія. При поділі ядра спостерігається випромінювання уламками миттєвих та загаяних (час запізнення»0,5¸60 с) нейтронів. Слід відзначити, що ядра та добре діляться будь-якими нейтронами, але особливо ефективно повільними. Ядра діляться тільки швидкими нейтронами (енергія» 1 МеВ), а повільні нейтрони захоплюються ядром з утворенням і вивільненням енергії збудження через g-випромінювання. нестабільний і через b-розпадперетворюється в нептуній .

Практичне використання реакції поділу урану виникло після створення умов для виникнення ланцюгової реакції - такої, що сама розвивається, множачи число нейтронів у поколіннях реакції з геометричною прогресією. Такі умови настають після збагачення урану його компонентою ²³⁵U₉₂. Природний уран містить

99,27% , 0,72% , 0,01% ,

тобто на одне ядро приходиться»138 ядер . В такій суміші захоплює практично всі повільні електрони без поділу і тому в природному урані не може виникнути ланцюгова реакція. При досягненні критичної маси , коли число нейтронів поділу стає рівним або більше числа нейтронів, що виходять за поверхню речовини, виникає ланцюгова ядерна реакція поділу.

Наведемо вираз для формули реакції. Нехай у початковий момент є N₀ нейтронів, Т-середній час життя одного покоління нейтронів, N - число нейтронів у даному поколінні, k-коефіцієнт множення нейтронів. В наступному поколінні число нейтронів стане kN і приріст нейтронів за період

.

Швидкість настання ланцюгової реакції

.

Інтегруючи це диференційне рівняння методом розділу змінних

,

одержимо

.

При k=1 йде самопідтримуюча реакція поділу, при k<1 йде згасаюча реакція. При k>1 розвивається ланцюгова реакція.

Некерована ланцюгова реакція створюється в атомній зброї. Критична маса бомби міститься в декількох частинах пристрою з над великою міцністю. Шляхом звичайного вибуху частини чистого урану чи плутонію зближуються й настає критична маса з ланцюговою реакцією. За дуже короткий час виділяється дуже велика енергія, що приводить до надпотужного вибуху. Під час поділу не вся маса урану ділиться і він разом з уламками забруднює природне середовище радіонуклідами.

Керована ланцюгова реакція відбувається в ядерних реакторах, де в просторі розміщення розміщується речовина, що сповільнює хід реакції. До таких речовин відносяться дейтерій, графіт та берилій, що мають властивість добре поглинати нейтрони. Перший графіт-урановий реактор був запущений в 1942 році в США (м. Чикаго) Енріко Фермі, а в СРСР у Москві Ігорем Васильовичем Курчатовим. Теплова енергія, що виділяється в активній зоні реактора відбирається в першому колі теплообмінника теплоносієм - вода або натрій чи калій. У другому колі теплоносій віддає тепло воді, яка перетворюється в пар високої енергії. Енергія пару відбирається турбіною і перетворюється в електричну. Існують реактори на теплових (повільних) нейтронах із сповільнювачем. Якщо паливо збагатити ураном або плутонієм , то частина швидких нейтронів сприяє перетворенню в , або в , здатних ділитися повільними нейтронами. В цих реакторах кількість утворених ядер та , переважає кількість витрачених ядер , і тому такі реактори називаються розмножувальними.

20.12. Реакції синтезу ядер та термоядерна енергетика

В експерименті було визначено, що реакції синтезу легких ядер можуть дати більше енергії ніж ядерні реакції поділу урану або торію в розрахунку на один нуклон. Наприклад, в реакції синтезу

,

з виділенням 17,3 МеВ енергії, на один нуклон приходиться 17,3/8» 2,1625 МеВ, а в реакції

на один нуклон приходиться енергія 17.6/5= 3,52 МеВ. В реакції поділу ядра урану на один нуклон приходиться виділена енергія» 1 МеВ. Для злиття двох ядер, наприклад, водню потрібно, щоб енергії цих ядер було достатньо для наближення їх на відстань» 2×10^-15 м:

.

Для одержання таких енергій необхідна температура

.

Враховуючи квантовий характер тунельного процесу, можна стверджувати, що реакція синтезу може відбуватися і при температурах менших .

Основним джерелом енергії зірок, у тому числі й Сонця, є циклічна реакція синтезу протонів у ядро гелію

.

Температура зірок сягає . Існує ще один цикл, який може бути джерелом енергій зірок. Він називається вуглець-азотним, де відбувається синтез 4 протонів у ядро гелію у присутності ядер вуглецю, як каталізатора.

Здійснення керованої ядерної реакції синтезу займає розум великої частини фізиків світу і розв'язується ця задача різними шляхами. Один із них реалізовано в установці "Токамак" (скорочена назва:тороїдальна камера з магнітними котушками). В цій установці у тороїдальній камері магнітним полем утримується плазма, що розігрівається струмом високої напруги. Частинки плазми здійснюють коловий рух.

Існує також принцип керованої лазерної (електронної) термоядерної реакції, коли суміш дейтерію та тритію опромінюється кільцевим лазерним (електронним) імпульсом надвисоких енергій і тиску.

Здійснення керованої термоядерної реакції синтезу може привести до нового ступеня розвитку цивілізації.

Дата добавления: 2014-01-05