39-41 Деление ядер
advertisement
Урок №2/78 Тема №39: «Дефект массы атомного ядра. Энергия связи атомных ядер. Деление тяжёлых атомных ядер.» 1 Тест по изученной теме (ТС-28) 2 Дефект массы атомного ядра. Энергия связи атомных ядер. Нуклоны в ядре прочно удерживаются ядерными силами. Для того чтобы удалить нуклон из ядра, надо совершить большую работу, т. е. сообщить ядру значительную энергию. Энергия связи атомного ядра Есв характеризует интенсивность взаимодействия нуклонов в ядре и равна той максимальной энергии, которую необходимо затратить, чтобы разделить ядро на отдельные невзаимодействующие нуклоны без сообщения им кинетической энергии или энергии, которая выделяется при расщеплении ядра на отдельные нуклоны. У каждого ядра своя энергия связи. Чем больше эта энергия, тем более устойчиво атомное ядро. Точные измерения масс ядра показывают, что масса покоя ядра mя всегда меньше суммы масс покоя, составляющих его протонов и нейтронов. Эту разность масс называют дефектом массы: Δm = Zmp + Nmn - mя Именно эта часть массы теряется при выделении энергии связи. Применяя закон взаимосвязи массы и энергии, получим: Есв = (Zmp + Nmn – mя) с2 Важную информацию о свойствах ядер содержит зависимость удельной энергии связи от массового числа А. Удельная энергия связи Еуд - энергия связи ядра, приходящаяся на 1 нуклон: На рис. 116 приведен сглаженный график экспериментально установленной зависимости Еуд от А. Кривая на рисунке имеет слабо выраженный максимум. Наибольшую удельную энергию связи имеют элементы с массовыми числами от 50 до 60 (железо и близкие к нему элементы). Ядра этих элементов наиболее устойчивы. Из графика видно, что реакция деления тяжелых ядер на ядра элементов средней части таблицы Д. Менделеева, а также реакции синтеза легких ядер (водород, гелий) в более тяжелые - энергетически выгодные реакции, так как они сопровождаются образованием более устойчивых ядер (с большими Еуд) и, следовательно, протекают с выделением энергии (Е > 0). Рис. 116 3 Деление тяжелых атомных ядер. 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: 92238U (99,3 %) и 92235U (0,7 %). При бомбардировке нейтронами ядра обоих изотопов могут расщепляться на два осколка. При этом реакция деления 235U наиболее интенсивно идет на медленных (тепловых) нейтронах, в то время как ядра 238Uвступают в реакцию деления только с быстрыми нейтронами с энергией порядка 1 МэВ. Основной интерес для ядерной энергетики представляет реакция деления ядра 235U. 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. Кинетическая энергия, выделяющаяся при делении одного ядра урана, огромна – порядка 200 МэВ. При полном делении всех ядер, содержащихся в 1 г урана, выделяется такая же энергия, как и при сгорании 3 т угля или 2,5 т нефти. 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. Схема развития цепной реакции деления ядер урана представлена на рис. 9.8.1. 1 Рисунок 9.8.1. Схема развития цепной реакции. 4 Задачи на закрепление изученной темы 1 Определить дефект массы Δm и энергию связи Eсв ядра атома тяжелого водорода. 2 Определить энергию Есв, которая освободится при соединении одного протона и двух нейтронов в атомное ядро. 3 Определить удельную энергию связи Eуд ядра 126C. Урок №2/80 Тема №40: «Управляемая и неуправляемая ядерная реакция. Ядерные реакторы атомных электростанций. Общие сведения об элементарных частицах.» 1Самостоятельная работа по ранее изученным темам (СР-22-24) 2 Управляемая и неуправляемая ядерная реакция Для осуществления цепной реакции необходимо, чтобы так называемый коэффициент размножения нейтронов (k) был больше единицы или равен ей. Другими словами, в каждом последующем поколении нейтронов должно быть не меньше, чем в предыдущем. Для осуществления управляемой ядерной реакции k должно быть = 1, а если k = 1,01, реакция становится неуправляемой. 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 %. Такая концентрация оказывается недостаточной для начала цепной реакции. Изотоп урана-238 также может поглощать нейтроны, но при этом не возникает цепной реакции. Цепная реакция в уране с повышенным содержанием урана-235 может развиваться только тогда, когда масса урана превосходит так называемую критическую массу. В небольших кусках урана большинство нейтронов, не попав ни в одно ядро, вылетают наружу. Для чистого урана-235 критическая масса составляет около 50 кг. Критическую массу урана можно во много раз уменьшить, если использовать так называемые замедлители нейтронов. Дело в том, что нейтроны, рождающиеся при распаде ядер урана, имеют слишком большие скорости, а вероятность захвата медленных нейтронов ядрами урана-235 в сотни раз больше, чем быстрых. Наилучшим замедлителем нейтронов является тяжелая вода D2O. Обычная вода при взаимодействии с нейтронами сама превращается в тяжелую воду. Хорошим замедлителем является также графит, ядра которого не поглощают нейтронов. При упругом взаимодействии с ядрами дейтерия или углерода нейтроны замедляются до тепловых скоростей. Применение замедлителей нейтронов и специальной оболочки из бериллия, которая отражает нейтроны, позволяет снизить критическую массу до 250 г. В атомных бомбах цепная неуправляемая ядерная реакция возникает при быстром соединении двух кусков урана-235, каждый из которых имеет массу несколько ниже критической. 3 Ядерные реакторы атомных электростанций Устройство, в котором поддерживается управляемая реакция деления ядер, называется ядерным (или атомным) реактором. Схема ядерного реактора на медленных нейтронах приведена на рис. 9.8.2. 2 Рисунок 9.8.2. Схема устройства ядерного реактора. Ядерная реакция протекает в активной зоне реактора, которая заполнена замедлителем и пронизана стержнями, содержащими обогащенную смесь изотопов урана с повышенным содержанием урана-235 (до 3 %). В активную зону вводятся регулирующие стержни, содержащие кадмий или бор, которые интенсивно поглощают нейтроны. Введение стержней в активную зону позволяет управлять скоростью цепной реакции. Активная зона охлаждается с помощью прокачиваемого теплоносителя, в качестве которого может применяться вода или металл с низкой температурой плавления (например, натрий, имеющий температуру плавления 98 °C). В парогенераторе теплоноситель передает тепловую энергию воде, превращая ее в пар высокого давления. Пар направляется в турбину, соединенную с электрогенератором. Из турбины пар поступает в конденсатор. Во избежание утечки радиации контуры теплоносителя I и парогенератора II работают по замкнутым циклам. Турбина атомной электростанции является тепловой машиной, определяющей в соответствии со вторым законом термодинамики общую эффективность станции. У современных атомных электростанций коэффициент полезного действия приблизительно равен 1/3. Следовательно, для производства 1000 МВт электрической мощности тепловая мощность реактора должна достигать 3000 МВт. 2000 МВт должны уноситься водой, охлаждающей конденсатор. Это приводит к локальному перегреву естественных водоемов и последующему возникновению экологических проблем. Однако, главная проблема состоит в обеспечении полной радиационной безопасности людей, работающих на атомных электростанциях, и предотвращении случайных выбросов радиоактивных веществ, которые в большом количестве накапливаются в активной зоне реактора. При разработке ядерных реакторов этой проблеме уделяется большое внимание. Тем не менее, после аварий на некоторых АЭС, в частности на АЭС в Пенсильвании (США, 1979 г.) и на Чернобыльской АЭС (1986 г.), проблема безопасности ядерной энергетики встала с особенной остротой. Наряду с описанным выше ядерным реактором, работающим на медленных нейтронах, большой практический интерес представляют реакторы, работающие без замедлителя на быстрых нейтронах. В таких реакторах ядерным горючим является обогащенная смесь, содержащая не менее 15 % изотопа урана-235. Преимущество реакторов на быстрых нейтронах состоит в том, что при их работе ядра урана-238, поглощая нейтроны, посредством двух последовательных β–-распадов превращаются в ядра плутония, которые затем можно использовать в качестве ядерного топлива: Коэффициент воспроизводства таких реакторов достигает 1,5, то есть на 1 кг урана235 получается до 1,5 кг плутония. В обычных реакторах также образуется плутоний, но в гораздо меньших количествах. 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. 4 Общие сведения об элементарных частицах Элементарными называются частицы, которым (на данном этапе развития физики) нельзя приписать никакой внутренней структуры. Основные частицы, входящие в состав атома, — электроны, протоны и нейтроны — вначале считались неспособными к превращениям и каким-либо изменениям. Поэтому их и назвали элементарными. Однако в дальнейшем было показано, что термин "элементарная частица" весьма условен. Так, например, у свободного нейтрона время жизни около 15 минут, а затем он распадается на протон, электрон и антинейтрино: Из всех открытых в настоящее время элементарных частиц лишь фотон, электрон, протон и нейтрино сохраняли бы свою неизменность, если бы каждая из них была одна в окружающем пространстве. Элементарные частицы подчиняются законам квантовой физики. В основу современной классификации элементарных частиц положены их основные свойства: масса, электрический заряд, спин и время жизни, а также лептонный и барионный заряды. В таблице 23.1 приведены некоторые сведения о свойствах элементарных частиц со временем жизни более 10-20 с. Частицы в таблице расположены по возрастанию их массы. В таблицу элементарных частиц не включены все короткоживущие частицырезонансы, в частности, "очарованные" частицы. Не включены также переносчики слабых взаимодействий — векторные бозоны. В результате получается 39 частиц. Таблица открывается фотоном. Фотон, оставаясь в одиночестве, образует первую группу. Фотоны представляют собой кванты электромагнитного поля (света, излучения и т.д.), не имеют соответствующих античастиц, т.е. являются своими собственными античастицами. Следующую группу образуют легкие частицы — лептоны. В нее входит двенадцать частиц (включая античастицы). Это электрон , мюон (открыт в космических лучах в 1937 г. — это тяжелый аналог электрона, имеющий массу примерно в 200 раз большую массы электрона) и -лептон (таон имеет массу, примерно в 3500 раз превышающую массу электрона). Каждая из этих трех частиц имеет свое нейтрино, которое сопровождает свою собственную заряженную частицу в разнообразных взаимопревращениях: электронное нейтрино рождается вместе с электронами, мюонное нейтрино — вместе с мюонами, -лептонное — вместе с -лептонами. Хотя -лептон имеет очень большую массу, он включен в группу лептонов, поскольку по всем другим свойствам он близок к ним. Главное свойство, которое его роднит с остальными лептонами, состоит в том, что эта частица, как и другие лептоны, не участвует в сильных взаимодействиях Таблица 23.1 Далее следуют мезоны. Эта группа состоит из восьми частиц. Наиболее легкие из них -мезоны: положительные, отрицательные и нейтральные. Их массы составляют 264,1 и 273,1 электронных масс. Пионы являются квантами ядерного поля, подобно тому как фотоны — кванты электромагнитного поля. Еще имеются четыре -мезона и один -мезон. Последняя группа — барионы — самая обширная. В нее входит 18 частиц из 39. Самыми легкими из барионов являются нуклоны — протоны и нейтроны. За ними следуют так называемые гипероны. Вся таблица замыкается (омега-минус)частицей, открытой в 1964 г. Ее масса в 3273 раза больше массы электрона. Мезоны и барионы представляют собой класс адронов — частиц, участвующих в сильных взаимодействиях. Адроны разделяются на "стабильные" частицы со временем жизни с и на резонансы, время жизни которых с, т.е. соответствуют времени сильного взаимодействия. Длина их пробега с момента рождения до момента распада составляет около 10-15 м. и в детекторах эти частицы не оставляют никаких треков. Они проявляются в виде пиков на графиках зависимости так называемых сечений рассеяния от энергии. Резонансы распадаются за счет сильного взаимодействия, стабильные частицы — за счет электромагнитного и слабого взаимодействий. Разделение элементарных частиц на группы определяется не только различием в массах, но и другими важными свойствами, например, спином. Лептоны и барионы имеют спин, равный равен 1. спины мезонов равны 0, а спин фотона Между элементарными частицами существует четыре типа взаимодействий — гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Сильное взаимодействие свойственно тяжелым частицам, начиная с пиона. Наиболее известное его проявление — ядерные силы, обеспечивающие существование атомных ядер. В электромагнитном взаимодействии непосредственно участвуют только электрически заряженные частицы и фотоны. Наиболее известное его проявление — кулоновские силы, обусловливающие существование атомов. Именно электромагнитное взаимодействие ответственно за подавляющее большинство макроскопических свойств вещества. Оно же вызывает аннигиляцию электроннопозитронной пары и многие другие микроскопические процессы. Слабое взаимодействие характерно для всех частиц, кроме фотонов. Наиболее известное его проявление — -распад нейтрона и целого ряда атомных ядер. Гравитационное взаимодействие присуще всем телам Вселенной, проявляясь в виде сил всемирного тяготения. Эти силы обеспечивают существование звезд, планетных систем и т.п. Гравитационное взаимодействие является предельно слабым и не играет существенной роли в мире элементарных частиц при обычных энергиях. В мире элементарных частиц гравитация становится существенной при колоссальных энергиях порядка 1022 МэВ, которые соответствуют сверхмалым расстояниям порядка 10-35 м. Элементарных частиц в настоящее время насчитывается очень много (более 350). Поэтому встает вопрос: есть ли что-то общее в структуре этих частиц? Можно ли их считать элементарными? В 1963 г. М. Гелл-Манн и Дж. Цвейг выдвинули гипотезу о существовании в природе нескольких частиц, названных кварками. Согласно этой гипотезе, все мезоны, барионы и резонансы — т.е. адроны, состоят из кварков и антикварков, комбинации которых различны. Первоначально была введена гипотеза о существовании трех кварков (и соответственно трех антикварков). Кварки обозначаются буквами u, d, s. Они должны иметь дробные электрические заряды. Первый из них — u-кварк — имеет заряд — e, а d- и s-кварки имеют одинаковые заряды, равные где e — модуль заряда электрона. Было предсказано существование четвертого кварка, c-кварка, названного "очарованным". Затем экспериментально были обнаружены частицы, содержащие этот кварк. Масса с-кварка превышает массу s-кварка. Впоследствии были предсказаны, а затем и открыты еще более тяжелые b- и t-кварки. Кварки наряду с лептонами считаются истинно элементарными частицами. В свободном состоянии кварки пока не найдены, и сейчас высказаны предположения о невозможности разделения частиц на кварки. В основе этих предположений лежит утверждение о том, что силы взаимодействия между кварками не убывают с расстоянием, поэтому извлечь кварки из частиц нельзя. 5 Вопросы на закрепление изученной темы 1 Дайте определение коэффициента размножения нейтронов. 2 При каких значениях k ядерная реакция будет управляемой? неуправляемой? 3 Что такое критическая масса? Как её можно уменьшить? 4 Как устроен ядерный реактор? 5 Что такое элементарная частица? 6 На какие группы делятся известные элементарные частицы? Урок №2/82 Тема №41: «Термоядерный синтез и условия его осуществления. Баланс энергии при термоядерном синтезе, строение звёзд.» 1 Устный опрос по вопросам к теме №40 2 Термоядерный синтез и условия его осуществления. Баланс энергии при термоядерном синтезе. Второй путь освобождения ядерной энергии связан с реакциями синтеза. При слиянии легких ядер и образовании нового ядра должно выделяться большое количество энергии. Это видно из кривой зависимости удельной энергии связи от массового числа A (см. урок №39). Вплоть до ядер с массовым числом около 60 удельная энергия связи нуклонов растет с увеличением A. Поэтому синтез любого ядра с A < 60 из более легких ядер должен сопровождаться выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза будет в этом случае меньше массы первоначальных частиц. Реакции слияния легких ядер носят название термоядерных реакций, так как они могут протекать только при очень высоких температурах. Чтобы два ядра вступили в реакцию синтеза, они должны сблизиться 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. Энергия, которая выделяется при термоядерных реакциях, в расчете на один нуклон в несколько раз превышает удельную энергию, выделяющуюся в цепных реакциях деления ядер. Так, например, в реакции слияния ядер дейтерия и трития выделяется 3,5 МэВ/нуклон. В целом в этой реакции выделяется 17,6 МэВ. Это одна из наиболее перспективных термоядерных реакций. Осуществление управляемых термоядерных реакций даст человечеству новый экологически чистый и практически неисчерпаемый источник энергии. Однако получение сверхвысоких температур и удержание плазмы, нагретой до миллиарда градусов, представляет собой труднейшую научно-техническую задачу на пути осуществления управляемого термоядерного синтеза. На данном этапе развития науки и техники удалось осуществить только неуправляемую реакцию синтеза в водородной бомбе. Высокая температура, необходимая для ядерного синтеза, достигается здесь с помощью взрыва обычной урановой или плутониевой бомбы. В термоядерном реакторе реакция синтеза должна происходить медленно, должна быть возможность управлять ею. Изучение реакций, происходящих в высокотемпературной дейтериевой плазме, является теоретической основой получения искусственных управляемых термоядерных реакций. Основной трудностью является поддержание условий, необходимых для получения самоподдерживающейся термоядерной реакции. Для такой реакции необходимо, чтобы скорость выделения энергии в системе, где происходит реакция, была не меньше, чем скорость отвода энергии от системы. При температурах порядка 108 К термоядерные реакции в дейтериевой плазме обладают заметной интенсивностью и сопровождаются выделением большой энергии.. А как практически использовать выделяющуюся энергию? При синтезе дейтерия с тритием основная часть выделившейся энергии (около 80%) проявляется в форме кинетической энергии нейтронов. Если вне магнитной ловушки замедлить эти нейтроны, то можно получить теплоту, а затем преобразовать ее в электрическую энергию. При реакции синтеза в дейтерии примерно 2/3 высвобожденной энергии несут заряженные частицы – продукты реакции и только 1/3 энергии – нейтроны. А кинетическую энергию заряженных частиц можно непосредственно преобразовать в электрическую энергию. Как же удержать плазму в какой-то установке – термоядерном реакторе – и нагреть ее так, чтобы начался процесс синтеза? Потери энергии в высокотемпературной плазме связаны главным образом с уходом тепла через стенки устройства. Плазму необходимо изолировать то стенок. С этой целью применяются сильные магнитные поля (магнитная термоизоляция плазмы). Если через столб плазмы в направлении его оси пропустить большой электрический ток, то в магнитном поле этого тока возникают силы, которые сжимают плазму в плазменный шнур, оторванный от стенок. Удержание плазмы в отрыве от стенок и борьба с различными неустойчивостями плазмы являются сложнейшими задачами, решение которых должно привести к практическому осуществлению управляемых термоядерных реакций. Физики настойчиво ищут путей овладения энергией термоядерных реакций синтеза. Уже сейчас такие реакции реализуются в различных термоядерных установках, но выделяющаяся в них энергия еще не оправдывает затраты средств и труда. Другими словами, существующие термоядерные реакторы пока экономически не выгодны. Среди различных программ термоядерных исследований в настоящее время наиболее перспективной считается программа, основанная на реакторах типа токамак. Первые исследования кольцевых электрических разрядов в сильном продольном магнитном поле были начаты в 1955 г. под руководством советских физиков И.Н.Головина и Н.А.Явлинского. Построенная ими тороидальная установка была довольно крупной даже по современным масштабам: она была рассчитана на разряды с силой тока до 250 кА. И.Н.Головин предложил для таких установок название «токамак» (токовая камера, магнитная катушка). Это название используется физиками всего мира. До 1968 г. исследования на токамаках развивались главным образом в Советском Союзе. Сейчас в мире более 50 установок типа токамак. 3 Строение звёзд Термоядерные реакции играют чрезвычайно важную роль в эволюции Вселенной. Энергия излучения Солнца и звезд имеет термоядерное происхождение. К 1939 году было установлено, что источником звёздной энергии является происходящий в недрах звёзд термоядерный синтез [2]. Большинство звёзд излучают потому, что в их недрах четыре протона соединяются через ряд промежуточных этапов в одну альфачастицу. Это превращение может идти двумя основными путями, называемыми протон-протонным, или p-p-циклом, и углеродно-азотным, или CNциклом. В маломассивных звёздах энерговыделение в основном обеспечивается первым циклом, в тяжёлых — вторым. Запас ядерного топлива в звезде ограничен и постоянно тратится на излучение. Процесс термоядерного синтеза, выделяющий энергию и изменяющий состав вещества звезды, в сочетании с гравитацией, стремящейся сжать звезду и тоже высвобождающей энергию, а также с излучением с поверхности, уносящим выделяемую энергию, являются основными движущими силами звёздной эволюции. Звезда начинает свою жизнь как холодное разрежённое облако межзвёздного газа, сжимающееся под действием собственного тяготения и постепенно принимающее форму шара. При сжатии энергия гравитации переходит в тепло, и температура объекта возрастает. Когда температура в центре достигает 15-20 миллионов К, начинаются термоядерные реакции и сжатие прекращается. Объект становится полноценной звездой. Первая стадия жизни звезды подобна солнечной — в ней доминируют реакции водородного цикла. В таком состоянии он пребывает бо́льшую часть своей жизни, , пока не закончатся запасы топлива в его ядре. Когда в центре звезды весь водород превращается в гелий, образуется гелиевое ядро, а термоядерное горение водорода продолжается на его периферии. Эволюция звезды класса G на примере Солнца В этот период структура звезды начинает меняться. Её светимость растёт, внешние слои расширяются, а температура поверхности снижается — звезда становится красным гигантом. Когда накопленная масса гелиевого ядра становится значительной, оно не выдерживает собственного веса и начинает сжиматься; если звезда достаточно массивна, возрастающая при этом температура может вызвать дальнейшее термоядерное превращение гелия в более тяжёлые элементы (гелий — в углерод,углерод — в кислород, кислород — в кремний, и наконец — кремний в железо). Изучение звёздной эволюции невозможно наблюдением лишь за одной звездой — многие изменения в звёздах протекают слишком медленно, чтобы быть замеченными даже по прошествии многих веков. Поэтому учёные изучают множество звёзд, каждая из которой находится на определённой стадии жизненного цикла. За последние несколько десятилетий широкое распространение в астрофизике получило моделирование структуры звёзд с использованием вычислительной техники. 4 Вопросы на закрепление изученной темы 1 Какая реакция называется термоядерной? 2 При каких условиях она происходит? 3 Каковы перспективы использования термоядерной энергии? 4 Какую роль играет термоядерный синтез в эволюции звёзд?
