Ядерное оружие и ядерная энергетика

Таким образом, если масса урана превысит критическую массу, то начнется цепная реакция с выделением большого количества энергии. Это обстоятельство используют для создания атомной бомбы (см. рис. 4).

Две полукритические массы или находятся на безопасном расстоянии друг от друга. Прочность оболочки рассчитана на взрыв обычной бомбы и не разрушается при этом. При взрыве обычной бомбы происходит очень быстрое сближение полукритических масс , их результирующая масса превышает критическую и начинается цепная реакция.

Высвобождается огромная энергия при цепной реакции деления. Температура продуктов взрыва превышает миллион градусов. Весь заряд мгновенно испаряется, и большая часть ядерного горючего разлетается в стороны, не претерпев деления.

Для расчета условия протекания цепной реакции предварительно сделаем следующие обозначения.

‑ число нейтронов к моменту времени в объеме .

- число нейтронов, выбрасываемых разделившимся ядром, причем - число новых нейтронов, - один нейтрон, возбудивший данное ядро.

- время от возникновения до поглощения нейтрона.

- число вновь образующихся нейтронов за единицу времени.

- часть пропавших нейтронов (примеси, продукты деления, вылет за активный объем) от числа вновь образовавшихся.

- число пропавших нейтронов в единицу времени в данном объеме.

- концентрация нейтронов.

- поверхность урана.

- скорость нейтронов.

- число вылетевших нейтронов. Это условие обычно преобразовывают следующим образом , где ‑ размер массы урана.

Используя введенные обозначения, запишем простое условие ‑ скорость изменения числа нейтронов во времени () равна числу вновь образовавшихся нейтронов за единицу времени () минус число пропавших нейтронов в единицу времени () и минус число вылетевших нейтронов в единицу времени ():

Преобразуем полученное уравнение:

где

Решением этого дифференциального уравнения является функция вида

Как следует из решения, все зависит от знака .

Если , т.е. если , то ничего не поможет ‑ число нейтронов будет уменьшаться, реакция затухнет.

Если же , то все зависит от величины . В этом случае выражение для коэффициента затухания запишем в виде:

Таким образом, мы получили выражение для критической массы делящегося ядерного горючего.

Итак, если , число нейтронов растет по экспоненциальному закону и сколько ни мало их будет в начале, все равно произойдет цепная ‑ неуправляемая ядерная реакция - атомный взрыв.

Если же величину мы сможем менять достаточно медленно и плавно, то становится возможным осуществление управляемой цепной реакции.

В природной руде урана, как мы отмечали, существует преобладание изотопа () над изотопом , которого в руде всего . делится медленными нейтронами, а только быстрыми нейтронами, с энергией . В то время как даже при температуре энергия нейтронов будет равна всего .

В природном уране появившиеся в результате деления ядер нейтроны гасят свою скорость в результате столкновения с ядрами (без захвата) и, достигнув энергии порядка , резонансно поглощаются ядрами . Поэтому в природном уране реакция деления не идет.

В так называемых ядерных реакторах, для получения управляемой цепной реакции, управляют коэффициентом затухания .

Первую атомную бомбу взорвали США в 1945 г. Поэтому первые атомные котлы начали строить в США приблизительно в 1942 – 1944 годах. Атомный котел служит для получения ядерного горючего - плутония. Дело в том, что экономически выгоднее получать плутоний для использования в плутониевых бомбах, чем производить химическое разделение изотопов и .

Затем появились исследовательские реакторы для получения потока быстрых нейтронов. И только затем появились энергетические атомные реакторы, служащие, например, для получения электрической энергии.

Первая атомная электростанция в СССР была пущена в 1954 г. Потом появились мобильные атомные электростанции. Далее появились атомные двигатели на транспорте - атомный ледокол «Ленин».

Потом появились атомные электростанции, непосредственно преобразующие атомную энергию в электрическую, путем использования полупроводников.

Кроме того, необходимо отметить применение так называемых «меченых атомов» в технике, в сельском хозяйстве, медицине и т.д.

Дата добавления: 2014-01-11