Применение ядерной энергии. Ядерный реактор

Нейтроны приводят к делению ядра урана и освобождению огромной энергии. Продуктами этой ядерной реакции являются нейтроны, что даёт возможность осуществить цепную ядерную реакцию деления ядер урана.

Ядерные реакции. деление ядер урана

Ядерными реакциями называют превращения атомных ядер при взаимодействии их между собой, с элементарными частицами (например, протонами, нейтронами или электронами) и квантами g-излучения. Для ядерной реакции необходимо, чтобы участвующие в ней ядра или частицы подошли друг к другу на расстояние, сравнимое с размером ядра (10-15 м). Нейтроны, даже не обладая большой скоростью, могут подойти к самому ядру, т.к. они электронейтральны. Наоборот, положительно заряженные частицы должны изначально обладать большой кинетической энергией, чтобы оказаться так близко к положительно заряженному ядру. Источниками таких высокоэнергетичных частиц могут быть радиоактивные препараты и ускорители заряженных частиц. В лабораторных условиях ядерная реакция впервые была проведена Резерфордом, когда он бомбардировал ядра азота a-частицами, в результате чего эти ядра превращались в ядра кислорода, что можно записать в виде:

Ядерные реакции могут происходить как с поглощением, так и с выделением энергии. Энергию, освобождающуюся или поглощаемую при ядерной реакции, называют энергетическим выходом ядерной реакции. Согласно закону сохранения энергии и теории относительности, устанавливающей связь между массой покоящегося ядра и его энергией, энергетический выход DЕ ядерной реакции равен:

DЕ = Dmc², (39.1)

где Dm – разность между суммарной массой частиц и ядер, вступающих в реакцию и продуктов реакции. Если Dm >0, то ядерная реакция проходит с выделением энергии, а если Dm <0, то - с поглощением.

Примером ядерной реакции, идущей с выделением энергии, является деление ядер изотопа урана при облучении их «медленными» нейтронами, т.е. с кинетической энергией порядка 0,1 МэВ. Такую ядерную реакцию с образованием ядер ксенона и стронция можно записать в виде:

Используя формулу (39.1), можно вычислить, что энергетический выход реакции (39.2) составляет около 184 МэВ. Таким образом, при делении всех ядер, содержащихся в 1 г этого изотопа урана, выделится энергия около 7,5.1010 Дж, что эквивалентно энергии, получаемой при сжигании 2,5 тонн угля. Выделение такой огромной энергии при делении атомных ядер с массовым числом около 200 связано с тем, что удельная энергия связи этих ядер примерно на 1 МэВ меньше удельной энергии связи ядер с массовым около 100 (см. рис. 37).

Механизм деления тяжелого ядра под действием нейтрона можно объяснить, считая ядро капелькой заряженной жидкости (рис. 39а). В отсутствии внешних воздействий ядерные сил притяжения удерживают ядро от распада, придавая ему сферическую форму. Однако, поглотив нейтрон, ядро деформируется, принимая продолговатую форму, и сразу «короткодействующие» ядерные силы притяжения между областями R и L (см. рис. 39а) становятся меньше кулоновских сил их отталкивания, в результате чего ядро разрывается на две части.

Нейтроны, как показывает уравнение деления ядра (39.2), не только вызывают эту реакцию, но и являются её продуктами. А это значит, что любой из двух образовавшихся вторичных нейтронов или нейтронов 2-го поколения (рис. 39б) может вызвать деление соседних ядер, при делении которых возникнут нейтроны 3-го поколения и т.д., в результате чего число делящихся ядер очень быстро увеличивается. Ядерные реакции, в которых частицы, вызывающие их, образуются как продукты этих реакций, называют цепными ядерными реакциями.

Вопросы для повторения:

· Что называют ядерными реакциями?

· Как можно вычислить энергетическим выход ядерной реакции?

· Почему деление тяжёлых ядер сопровождается выделением энергии?

· Что называют цепными ядерными реакциями?

Рис. 39. (а) – различные моменты деления ядра (сверху-вниз, капельная модель); (б) – схема цепной ядерной реакции (слева-направо).

Дата добавления: 2014-11-08