Условие протекания ядерной реакции. Цепные реакции

💖 Нравится? Поделись с друзьями ссылкой

Цепная реакция - это самоподцерживающаяся химическая реакция, при которой первоначально появляющиеся продукты принимают участие в образовании новых продуктов. Цепные реакции протекают обычно с большой скоростью и нередко имеют характер взрыва.

Цепные реакции проходят три главные стадии: зарождения (инициирования), развития и обрыва цепи.

Рис. 9.13. Энергетический профиль реакции (график зависимости потенциальной энергии от координаты реакции), обнаруживающий минимум, который соответствует образованию интермедиата реакции.

Стадия инициирования. На этой стадии происходит образование интермедиатов (промежуточных продуктов). Интермедиатами могут быть атомы, ионы или нейтральные молекулы. Инициирование может осуществляться светом, ядерным излучением, термической (тепловой) энергией, анионами или катализаторами.

Стадия развития. На этой стадии промежуточные продукты реагируют с исходными реагентами, образуя новые интермедиаты и конечные продукты. Стадия развития в цепных реакциях повторяется много раз, что приводит к образованию большого числа конечных и промежуточных продуктов.

Стадия обрыва цепи. На этой стадии происходит окончательное расходование промежуточных продуктов или их разрушение. Вследствие этого реакция прекращается. Цепная реакция может оборваться самопроизвольно или под действием специальных веществ - ингибиторов.

Цепные реакции играют важную роль во многих отраслях химии, в частности в фотохимии, химии горения, реакциях ядерного деления и ядерного синтеза (см. гл. 1), в органической химии (см. гл. 17-20).

Фотохимия

Этот раздел химии охватывает химические процессы, связанные с воздействием света на вещество. Примером фотохимических процессов является фотосинтез.

Многие цепные реакции инициируются светом. Инициирующей частицей в этом случае служит фотон, который обладает энергией (см. разд. 1.2). Классический пример - реакция между водородом и хлором в присутствии света

Эта реакция протекает со взрывом. Она включает следующие три стадии.

Инициирование. На этой стадии происходит разрыв ковалентной связи в молекуле хлора, в результате чего образуются два атома, каждый с неспаренным электроном:

Реакция такого типа представляет собой гомолиз, или гемолитическое деление (см. разд. 17.3). Она является также примером фотолиза. Термин «фотолиз» означает фотохимическое разложение. Два образующихся атома хлора представляют собой промежуточные продукты (интермедиаты). Они являются радикалами. Радикал - это атом (или группа атомов), обладающий хотя бы одним неспаренным электроном. Следует отметить, что, хотя стадия инициирования - самая медленная стадия цепной реакции, она не определяет скорость всей цепной реакции.

Стадия развития. На этой стадии атомы хлора реагируют с молекулами водорода, образуя конечный продукт - хлороводород, а также водородные радикалы. Водородные радикалы вступают в реакцию с молекулами хлора; в результате образуются новые порции продукта и новые радикалы хлора:

Эти две реакции, в совокупности составляющие стадию развития, повторяются миллионы раз.

Стадия обрыва цепи. Цепная реакция окончательно прекращается в результате

таких реакций, как

Для поглощения энергии, которая выделяется при протекании этих реакций обрыва цепи, необходимо, чтобы в них принимало участие еще какое-либо третье тело. Этим третьим телом обычно являются стенки сосуда, в котором проводится реакция.

Квантовый выход

Поглощение одного фотона света молекулой хлора в описанной выше цепной реакции может приводить к образованию миллионов молекул хлороводорода. Отношение числа молекул продукта к числу квантов света (фотонов), инициирующих реакцию, называется квантовым выходом. Квантовый выход фотохимических реакций может иметь значения от единицы до нескольких миллионов. Высокий квантовый выход указывает на цепной характер происходящей реакции.

Импульсный фотолиз

Так называется методика, используемая для получения радикалов с концентрацией, достаточно высокой для их обнаружения. На рис. 9.14 показана упрощенная схема установки, используемой для импульсного фотолиза. На реакционную смесь воздействуют

Рис. 9.14. Импульсный фотолиз.

мощной вспышкой света из специального импульсного источника. Такой источник позволяет создавать вспышки света с энергией до 105 Дж и с продолжительностью порядка с или меньше. Современные методики импульсного фотолиза используют импульсные лазеры с продолжительностью вспышки порядка наносекунды (10-9 с). За протекающей в результате такой вспышки света реакцией можно проследить, регистрируя последовательность оптических спектров поглощения реакционной смеси. За первой вспышкой следует ряд вспышек от маломощного импульсного источника. Эти вспышки следуют друг за другом с интервалами порядка миллисекунд или микросекунд и позволяют записывать спектры поглощения реакционной смеси с такими интервалами времени.

Горение

Реакция с кислородом, приводящая к выделению тепловой энергии и света, называется горением. Горение обычно протекает как сложная последовательность радикальных реакций.

В качестве примера приведем горение водорода. При определенных условиях эта реакция протекает со взрывом. На рис. 9.15 представлены экспериментальные данные для реакции стехиометрической смеси водорода и кислорода в пирексовом реакторе. Заштрихованный участок диаграммы соответствует взрывной области этой реакции. Для реакции горения водорода этот участок диаграммы имеет форму взрывного полуострова. Область взрыва ограничена границами взрыва.

Рис. 9.15. Условия взрывного протекания реакции горения водорода:

Управляемая цепная реакция.

Если цепную реакцию ограничить в ее развитии так, чтобы число нейтронов, образующихся в единицу времени, достигнув некоторого большого значения, далее перестало бы возрастать, то будет иметь место спокойно протекающая самоподдерживающаяся цепная реакция деления. Управлять реакцией удастся лишь в том случае, если окажется возможным регулировать коэффициент k эфф размножения нейтронов достаточно медленно и плавно, причем для оптимальной системы k эфф всего на 0,5% должен превышать единицу. Советские физики Я.Б. Зельдович и Ю.Б. Харитон теоретически показали (1939 г.), что управляемую цепную реакцию можно осуществить на природном уране.

Для развития цепного процесса в природном уране нейтроны необходимо замедлять до тепловых скоростей, поскольку в этом случае резко возрастает вероятность их захвата ядрами U с последующим делением. Для этой цели используются специальные вещества-замедлители .

Управление стационарно текущей цепной реакцией (k эфф =1) существенно упрощается благодаря наличию запаздывающих нейтронов (см.п.3.6). Оказывается, время T «разгона» реакции (время за которое число делений увеличивается в e»2,71 раз) при небольшой степени надкритичности (k эфф – 1 << 1) определятся только запаздывающими нейтронами:

T = t з ×b / (k эфф - 1),

где t з - среднее время жизни запаздывающих нейтронов (t з ~14,4с),

b - доля запаздывающих нейтронов (b ~ 0,68 % для U).

Поскольку величина t з ×b имеет порядок ~ 5×10 -2 c., то интенсивность реакции будет нарастать достаточно медленно, и реакция хорошо регулируется.

Управлять величиной k эфф можно путем автоматического введения в активную зону веществ, сильно поглощающих нейтроны, - поглотителей.

12.3.1. Ядерный реактор

Устройство, в котором осуществляется и поддерживается стационарная ядерная реакция деления, называется ядерным реактором, или атомным котлом.

Первый ядерный реактор построен под руководством Э. Ферми в конце 1942 года (США). Первый европейский реактор создан в 1946 году в Москве под руководством И. В. Курчатова.

В настоящее время в мире работает около тысячи ядерных реакторов различных типов, которые отличаются:

· по принципу работы (реакторы на тепловых, быстрых и т.д. нейтронах);

· по виду замедлителей (на тяжелой воде, графите и др.);

· по используемому топливу (урановые, ториевые, плутониевые);

· по целевому назначению (исследовательские, медицинские, энергетические, для воспроизводства ядерного горючего и др.)

Основными частями ядерного реактора (см. рис. 4.5) являются:

· активная зона (1), где находится ядерное топливо, протекает цепная реакция деления, выделяется энергия;

· отражатель нейтронов (2), окружающий активную зону;

· система регулирования цепного процесса в виде стержней-поглотителей (3) нейтронов;

· радиационная защита (4) от излучений;

· теплоноситель (5).

В гомогенных реакторах ядерное топливо и замедлитель перемешаны, образуют однородную смесь (например, соли актиноурана и тяжелая вода). В гетерогенных реакторах (рис. 4.6) ядерное топливо размещено в активной зоне в виде ТВЭЛов (тепловыделяющих элементов ) - блоков-стержней (1) небольшого сечения, заключенных в герметическую оболочку, слабо поглощающую нейтроны. Между ТВЭЛами находится замедлитель (2).

Нейтроны, образующиеся при делении ядер, не успев поглотиться в ТВЭЛах, попадают в замедлитель, где теряют свою энергию, замедляясь до тепловых скоростей. Попадая затем снова в один из ТВЭЛов, тепловые нейтроны имеют уже большую вероятность поглотиться способными к делению ядрами ( U, U, Pu). Те нейтроны, которые захватываются ядрами U, тоже играют положительную роль, восполняя в какой-то мере расход ядерного горючего.

Хорошими замедлителями являются легкие ядра: дейтерий, бериллий, углерод, кислород. Наилучшим замедлителем нейтронов является соединение дейтерия с кислородом - тяжелая вода . Однако, ввиду ее дороговизны, чаще используется углерод в виде очень чистого графита . Применяют также бериллий и его окись. ТВЭЛы и замедлитель составляют обычно правильную решетку (например, уран-графитовую).

За счет энергии деления ТВЭЛы разогреваются. Для охлаждения они размещаются в потоке теплоносителя (воздух, вода, водяной пар, He, CO 2 и др.).

Вследствие того, что в замедлителе и в ядрах-осколках деления происходит потеря нейтронов, реактор должен иметь надкритические размеры и вырабатывать излишек нейтронов. Управление цепным процессом (т.е. устранение излишка нейтронов) осуществляется управляющими стержнями (3) (см. рис. 4.5 или 4.6) из материалов, сильно поглощающих нейтроны (бористая сталь, кадмий).

Параметры реактора рассчитываются так, что при полностью введенных в активную зону стержнях-поглотителях реакция не идет. При постепенном извлечении стержней коэффициент размножения нейтронов растет, и при некотором их положении k эфф достигает единицы, реактор начинает работать. Перемещение стержней-поглотителей производится с пульта управления. Регулирование упрощается благодаря наличию запаздывающих нейтронов.

Основная характеристика ядерного реактора его мощность. Мощности в 1 МВт соответствует цепной процесс, при котором происходит 3×10 16 актов делений в 1 секунду. В реакторе имеются аварийные стержни, введение которых при внезапном увеличении мощности реакции немедленно ее сбрасывает.

В процессе работы ядерного реактора в нем происходит постепенное выгорание ядерного топлива , накапливаются осколки деления, образуются трансурановые элементы. Накопление осколков вызывает уменьшение k эфф. Этот процесс называется отравлением реактора (если осколки радиоактивные) и зашлаковыванием (если осколки стабильные). При отравлении k эфф уменьшается на (1¸3)%. Чтобы реакция не прекращалась, из активной зоны постепенно (автоматически) извлекаются специальные (компенсирующие) стержни. Когда ядерное топливо полностью выгорает, его извлекают (после прекращения реакции) и загружают новое.

Среди ядерных реакторов особое место занимают реакторы-размножители на быстрых нейтронах - бридеры . В них выработка электроэнергии сопровождается воспроизводством вторичного ядерного горючего (плутония) за счет реакции (3.5), благодаря чему используется эффективно не только изотоп U, но и U.(см.§3.6). Это позволяет кардинально решить проблему обеспечения ядерным горючим: на каждые 100 использованных ядер в таком реакторе производится 150 новых, способных к делению. Техника реакторов на быстрых нейтронах находится в стадии поисков наилучших инженерных решений. Первая опытно-промышленная станция такого типа (г. Шевченко) используется для производства электроэнергии и опреснения морской воды (Каспийское море).

В которых частицы, вызывающие их, образуются и как продукты этих реакций. Такой реакцией является деление урана и некоторых транс-урановых элементов (например, 23 9 Pu ) под действием нейтронов. Впервые она была осуществлена Э. Ферми в 1942 г. После открытия деления ядер У. Зинн, Л. Силард и Г. Н. Флеров показали, что при делении ядра урана U вылетает больше одного нейтрона: n + U А + В + v . Здесь А и В — осколки деления с массовыми числами А от 90 до 150, v — число вторичных нейтронов.

Коэффициент размножения нейтронов . Для течения цепной реакции необходимо, чтобы сред-нее число освобожденных нейтронов в данной массе урана не уменьшалось со временем, или что-бы коэффициент размножения нейтронов k был больше или равен единице.

Коэффициентом размножения нейтронов называют отношение числа нейтронов в каком-либо поколении к числу нейтронов предшествующего поколения. Под сменой поколений понимают деление ядер, при котором поглощаются нейтроны старого поколения и рождаются новые нейтроны.

Если k ≥ 1 , то число нейтронов увеличивается с течением времени или остается постоянным, и цепная реакция идет. При k > 1 число нейтронов убывает, и цепная реакция невозможна.

В силу ряда причин из всех ядер, встречающихся в природе, для осуществления цепной ядер-ной реакции пригодны лишь ядра изотопа . Коэффициент размножения определяется: 1) захватом медленных нейтронов ядрами последующим делением и захватом быстрых нейтронов ядрами и , также с последующим делением; 2) захватом нейтронов без деления ядрами урана; 3) захватом нейтронов продуктами деления, замедлителем и конструктивными элементами установки; 4) вылетом нейтронов из делящегося вещества наружу.

Лишь первый процесс сопровождается увеличением числа нейтронов. Для стационарного тече-ния реакции k должно быть равно 1. Уже при k = 1,01 почти мгновенно произойдет взрыв.

Образование плутония . В результате захвата изотопом урана нейтрона образуется радиоактивный изотоп с периодом полураспада 23 мин. При распаде возникает первый трансура-новый элемент нептуний :

.

β-радиоактивный нептуний (с периодом полураспада около двух дней), испуская электрон, превращается в следующий трансурановый элемент — плутоний :

Период полураспада плутония 24000 лет, и его важнейшим свойством является способность делиться под влиянием медленных нейтронов так же, как и изотоп С помощью плутония может быть осуществлена цепная реакция с выделением огромного количества энергии.

Цепная реакция сопровождается выделением огромной энергии; при делении каждого ядра выделяется 200 МэВ. При делении 1 ядер урана выделяется такая же энергия, как при сжига-нии 3 угля или 2,5 т нефти.

Теория относительности говорит, что масса - это особая форма энергии. Из этого следует, что можно преобразовать массу в энергию и энергию в массу. На внутриатомном уровне такие реакции имеют место. В частности, некоторое количество массы самого вполне может превратиться в энергию. Это происходит по нескольким путям. Во-первых, ядро может распасться на некоторое количество более мелких ядер, эта реакция называется «распадом». Во-вторых, более мелкие ядра могут запросто соединиться, чтобы получилось более крупное, - это реакция синтеза. Во Вселенной такие реакции весьма распространены. Достаточно сказать, что реакция синтеза - источник энергии для звезд. А вот реакция распада используется человечеством на так как люди научились контролировать эти сложные процессы. Но что же такое цепная ядерная реакция? Как ею управлять?

Что происходит в ядре атома

Цепная ядерная реакция - процесс, идущий при столкновении элементарных частиц или ядер с другими ядрами. Почему «цепная»? Это совокупность последовательных одиночных ядерных реакций. В результате этого процесса происходит изменение квантового состояния и нуклонного состава у исходного ядра, появляются даже новые частицы - продукты реакции. Цепная ядерная реакция, физика которой позволяет исследовать механизмы взаимодействия ядер с ядрами и с частицами, - это основной метод для получения новых элементов и изотопов. Для того чтобы понять протекание цепной реакции, надо вначале разобраться с одиночными.

Что нужно для реакции

Для того чтобы осуществить такой процесс, как цепная ядерная реакция, необходимо сблизить частицы (ядро и нуклон, два ядра) на расстояние радиуса сильного взаимодействия (примерно один ферми). Если расстояния большие, то взаимодействие заряженных частиц будет чисто кулоновским. В ядерной реакции соблюдаются все законы: сохранение энергии, момента, импульса, барионного заряда. Цепная ядерная реакция обозначается набором символов а, b, с, d. Символ а обозначает исходное ядро, b - налетающую частицу, с - новую вылетающую частицу, а d обозначает результирующее ядро.

Энергия реакции

Цепная ядерная реакция может проходить как с поглощением, так и с выделением энергии, которая равняется разности масс частиц после реакции и до нее. Поглощаемая энергия определяет минимальную кинетическую энергию столкновения, так называемый порог ядерной реакции, при которой она может свободно протекать. Данный порог зависит от частиц, которые участвуют во взаимодействии, и от их характеристик. На начальном этапе все частицы находятся в заранее определенном квантовом состоянии.

Осуществление реакции

Основным источником заряженных частиц, которыми бомбардируется ядро, является который дает пучки протонов, тяжелых ионов и легких ядер. Медленные нейтроны получают благодаря использованию ядерных реакторов. Для фиксации налетающих заряженных частиц могут быть использованы разные типы ядерных реакций - как синтеза, так и распада. Вероятность их зависит от параметров частиц, которые сталкиваются. С этой вероятностью связана такая характеристика, как сечение реакции - величина эффективной площади, которая характеризует ядро в качестве мишени для налетающих частиц и которая является мерой вероятности вступления частицы и ядра во взаимодействие. Если в реакции принимают участие частицы с ненулевым значением спина, то сечение напрямую зависит от их ориентации. Так как спины налетающих частиц ориентированы не совсем хаотично, а более-менее упорядоченно, то все корпускулы будут поляризованы. Количественная характеристика ориентированных спинов пучка описывается вектором поляризации.

Механизм реакции

Что такое цепная ядерная реакция? Как уже говорилось, это последовательность более простых реакций. Характеристики налетающей частицы и ее взаимодействия с ядром зависят от массы, заряда, кинетической энергии. Взаимодействие определяется степенью свободы ядер, которые и возбуждаются при столкновении. Получение контроля над всеми этими механизмами позволяет проводить такой процесс, как управляемая цепная ядерная реакция.

Прямые реакции

Если заряженная частица, которая налетает на ядро-мишень, только касается его, то длительность столкновения будет равна необходимому для преодоления расстояния радиуса ядра. Такую ядерную реакцию называют прямой. Общей характеристикой для всех реакций такого типа является возбуждение малого числа степеней свободы. В таком процессе после первого столкновения частица имеет еще достаточно энергии для преодоления ядерного притяжения. К примеру, такие взаимодействия, как неупругое рассеивание нейтронов, обмен заряда, и относятся к прямым. Вклад таких процессов в характеристику под названием "полное сечение" достаточно мизерный. Однако распределение продуктов прохождения прямой ядерной реакции позволяет определить вероятность вылета от угла направления пучка, селективность заселенных состояний и определить их структуру.

Предравновесная эмиссия

Если частица не покинет область ядерного взаимодействия после первого же столкновения, то она будет вовлечена в целый каскад из последовательных столкновений. Это фактически как раз то, что называется цепной ядерной реакцией. В результате такой ситуации кинетическая энергия частицы распределяется среди составляющих частей ядра. Само же состояние ядра будет постепенно сильно усложняться. Во время этого процесса на каком-то нуклоне или же целом кластере (группе нуклонов) может быть сконцентрирована энергия, достаточная для эмиссии этого нуклона из ядра. Дальнейшая релаксация приведет к формированию статистического равновесия и образования составного ядра.

Цепные реакции

Что такое цепная ядерная реакция? Это последовательность ее составных частей. То есть множественные последовательные единичные ядерные реакции, вызванные заряженными частицами, появляются как продукты реакции на предыдущих шагах. Что называется цепной ядерной реакцией? К примеру, деление тяжелых ядер, когда множественные акты деления инициируются полученными при предыдущих распадах нейтронами.

Особенности цепной ядерной реакции

Среди всех химических реакций большое распространение получили именно цепные. Частицы с неиспользованными связями выполняют роль свободных атомов или радикалов. При таком процессе, как цепная ядерная реакция, механизм ее протекания обеспечивают нейтроны, которые не имеют кулоновского барьера и возбуждают ядро при поглощении. Если в среде появляется необходимая частица, то она вызывает цепь последующих превращений, которые будут продолжаться до разрыва цепи из-за потери частицы-носителя.

Почему теряется носитель

Есть всего две причины потери частицы-носителя непрерывной цепи реакций. Первая заключается в поглощении частицы без процесса испускания вторичной. Вторая - уход частички за предел объема вещества, которое поддерживает цепной процесс.

Два типа процесса

Если в каждом периоде цепной реакции рождается исключительно единичная частичка-носитель, то можно назвать этот процесс неразветвленным. Она не может привести к выделению энергии в больших масштабах. Если же появилось много частиц-носителей, то это называется разветвленной реакцией. Что такое цепная ядерная реакция с разветвлением? Одна из полученных в предыдущем акте вторичных частиц продолжит начатую ранее цепь, а вот другие создадут новые реакции, которые тоже будут ветвиться. С этим процессом будут конкурировать приводящие к обрыву процессы. Полученная в результате ситуация будет порождать специфические критические и предельные явления. Например, если обрывов больше, чем чисто новых цепей, то самоподдерживание реакции будет невозможным. Даже если возбудить ее искусственно, введя в данную среду нужное количество частиц, то процесс все равно будет затухать со временем (обычно довольно быстро). Если же количество новых цепей будет превосходить количество обрывов, то цепная ядерная реакция начнет распространяться по всему веществу.

Критическое состояние

Критическим состоянием отделяют область состояния вещества с развитой самоподдерживающейся цепной реакцией, и область, где данная реакция невозможна вообще. Этот параметр характеризуется равенством между количеством новых цепей и числом возможных обрывов. Как и наличие свободной частицы-носителя, критическое состояние является основным пунктом в таком списке, как «условия осуществления цепной ядерной реакции». Достижение этого состояния может быть определено целым рядом возможных факторов. тяжелого элемента возбуждается всего одним нейтроном. В результате такого процесса, как цепная ядерная реакция деления, появляется больше нейтронов. Следовательно, этот процесс может произвести разветвленную реакцию, где носителями и будут выступать нейтроны. В том случае, когда скорость захватов нейтронов без деления или вылетов (скорость потери) будет компенсироваться скоростью размножения несущих частиц, то цепная реакция будет протекать в стационарном режиме. Это равенство характеризует коэффициент размножения. В приведенным выше случае он равен единице. В благодаря введению между скоростью выделения энергии и коэффициентом размножения возможно осуществить управление протеканием ядерной реакции. Если же этот коэффициент будет больше чем единица, то реакция будет развиваться по экспоненте. Неуправляемые цепные реакции используют в ядерном оружии.

Цепная ядерная реакция в энергетике

Реактивность реактора определяется большим количеством процессов, которые происходят в его активной зоне. Все эти влияния определяются так называемым коэффициентом реактивности. Влияние изменения температуры графитовых стержней, теплоносителей или урана на реактивность реактора и интенсивность протекания такого процесса, как цепная ядерная реакция, характеризуются температурным коэффициентом (по теплоносителю, по урану, по графиту). Также есть зависимые характеристики по мощности, по барометрическим показателям, по паровым показателям. Для поддержания ядерной реакции в реакторе необходимо превращение одних элементов в другие. Для этого нужно учитывать условия протекания цепной ядерной реакции - наличие вещества, которое способно делиться и выделять из себя при распаде некоторое количество элементарных частиц, которые, как следствие, будут вызывать деление остальных ядер. В качестве такого вещества зачастую используют уран-238, уран-235, плутоний-239. Во время прохождения цепной ядерной реакции изотопы данных элементов будут распадаться и образовывать два и более других химических веществ. При этом процессе излучаются так называемые «гамма»-лучи, происходит интенсивное выделение энергии, образуются два или три нейтрона, способные продолжить акты реакции. Различают медленные нейтроны и быстрые, ведь для того чтобы ядро атома распалось, эти частички должны пролететь с определенной скоростью.

Это процесс, в котором одна проведенная реакция вызывает последующие реакции такого же типа.

При делении одного ядра урана образовавшиеся нейтроны могут вызвать деления других ядер урана, при этом число нейтронов нарастает лавинообразно.

Отношение числа образовавшихся нейтронов в одном акте деления к числу таких нейтронов в предыдущем акте деления называется коэффициентом размножения нейтронов k.

При k меньше 1 реакция затухает, т.к. число поглщенных нейтронов больше числа вновь образовавшихся.
При k больше 1 почти мгновенно происходит взрыв.
При k равном 1 идет управляемая стационарная цепная реакция.

Цепная реакция сопровождается выделением большого количества энергии.

Для осуществлении цепной реакции не получается использовать любые ядра, делящиеся под влиянием нейтронов.

Используемый в качестве топлива для атомных реакторов химический элемент уран состоит в природе из двух изотопов: урана-235 и урана - 238.

В природе изотопы урана-235 составляют всего лишь 0,7% от всего запаса урана, однако именно они пригодны для проведения цепной реакции, т.к. делятся под влиянием медленных нейтронов.

Ядра урана-238 могут делиться лишь под влиянием нейтронов большой энергии (быстрых нейтронов). Такую энергию имеют только 60% нейтронов, появляющихся при делении ядра урана-238. Примерно только 1 из 5 образовавшихся нейтронов вызывает деление ядра.

Условия протекания цепной реакции в уране-235:

Минимальное количество топлива (критическая масса), необходимое для проведения управляемой цепной реакции в атомном реакторе
- скорость нейтронов должна вызывать деление ядер урана
- отсутствие примесей, поглощающих нейтроны

Критическая масса:

Если масса урана мала, нейтроны будут вылетать за его пределы, не вступая в реакцию
- если масса урана велика, возможен взрыв за счет сильного увеличения числа нейтронов
- если масса соответствует критической, протекает управляемая цепная реакция

Для урана-235 критическая масса составляет 50 кг (это, например, шар из урана диаметром 9 см).



Первая управляемая цепная реакция - США в 1942 г. (Э.Ферми)
В СССР - 1946 г. (И.В.Курчатов).

Зако́н электромагни́тной инду́кции Фараде́я является основным законом электродинамики, касающимся принципов работы трансформаторов, дросселей, многих видовэлектродвигателей

И генераторов. Закон гласит:

Закон Фарадея как два различных явления[править | править вики-текст]

Некоторые физики отмечают, что закон Фарадея в одном уравнении описывает два разных явления: двигательную ЭДС , генерируемую действием магнитной силы на движущийся провод, и трансформаторную ЭДС , генерируемую действием электрической силы вследствие изменения магнитного поля. Джеймс Клерк Максвеллобратил внимание на этот факт в своей работе О физических силовых линиях в 1861 году. Во второй половине части II этого труда Максвелл даёт отдельное физическое объяснение для каждого из этих двух явлений. Ссылка на эти два аспекта электромагнитной индукции имеется в некоторых современных учебниках. Как пишет Ричард Фейнман:

Закон Лоренца[править | править вики-текст]

Заряд q в проводнике на левой стороне петли испытывает силу Лоренца q v × B k = −q v B(x C − w / 2) j   (j, k - единичные векторы в направлениях y и z ; см. векторное произведение векторов), что вызывает ЭДС (работу на единицу заряда) v ℓ B(x C − w / 2) по всей длине левой стороны петли. На правой стороне петля аналогичное рассуждение показывает, что ЭДС равна v ℓ B(x C + w / 2) . Две противоположные друг другу ЭДС толкают положительный заряд по направлению к нижней части петли. В случае, когда поле B возрастает вдоль х, сила на правой стороне будет больше, а ток будет течь по часовой стрелке. Используя правило правой руки, мы получаем, что полеB , создаваемое током, противоположно приложенному полю. ЭДС, вызывающая ток, должна увеличиваться по направлению против часовой стрелки (в отличие от тока). Складывая ЭДС в направлении против часовой стрелки вдоль петли мы находим:

Закон Фарадея[править | править вики-текст]

Интуитивно привлекательный, но ошибочный подход к использованию правила потока выражает поток через цепь по формуле Φ B = B w ℓ, где w - ширина движущейся петли. Это выражение не зависит от времени, поэтому из этого неправильно следует, что никакой ЭДС не генерируется. Ошибка этого утверждения состоит в том, что в нём не учитывается весь путь тока через замкнутую петлю.

Для правильного использования правила потока мы должны рассмотреть весь путь тока, который включает в себя путь через ободы на верхнем и нижнем дисках. Мы можем выбрать произвольный замкнутый путь через ободы и вращающуюся петлю, и по закону потока найти ЭДС по этому пути. Любой путь, который включает сегмент, прилегающий к вращающейся петле, учитывает относительное движение частей цепи.

В качестве примера рассмотрим путь, проходящий в верхней части цепи в направлении вращения верхнего диска, а в нижней части цепи - в противоположном направлении по отношению к нижнему диску (показано стрелками на рис. 4). В этом случае если вращающаяся петля отклонилась на угол θ от коллекторной петли, то её можно рассматривать как часть цилиндра площадью A = r ℓ θ. Эта площадь перпендикулярна полю B , и вносимый ею вклад в поток равен:

где знак является отрицательным, потому что по правилу правой руки поле B, генерируемое петлёй с током, противоположно по направлению приложенному полю B" . Поскольку это только зависящая от времени часть потока, по закону потока ЭДС равна:

в согласии с формулой закона Лоренца.

Теперь рассмотрим другой путь, в котором проход по ободам дисков выберем через противоположные сегменты. В этом случае связанный поток будет уменьшаться при увеличении θ, но по правилу правой руки токовая петля добавляет приложенное поле B , поэтому ЭДС для этого пути будет точно такое же значение, как и для первого пути. Любой смешанный возвратный путь приводит к такому же результату для значения ЭДС, так что это на самом деле не имеет значения, какой путь выбрать.

Термоядерная реа́кция - разновидность ядерной реакции, при которой лёгкие атомные ядра объединяются в более тяжёлые за счет кинетической энергии их теплового движения. Происхождение термина[править | править вики-текст]

Для того, чтобы произошла ядерная реакция, исходные атомные ядра должны преодолеть так называемый «кулоновский барьер» - силу электростатического отталкивания между ними. Для этого они должны иметь большую кинетическую энергию. Согласно кинетической теории, кинетическую энергию движущихся микрочастиц вещества (атомов, молекул или ионов) можно представить в виде температуры, а следовательно, нагревая вещество, можно достичь ядерной реакции. Именно эту взаимосвязь нагревания вещества и ядерной реакции и отражает термин «термоядерная реакция».

Кулоновский барьер[править | править вики-текст]

Атомные ядра имеют положительный электрический заряд. На больших расстояниях их заряды могут быть экранированы электронами. Однако для того, чтобы произошло слияние ядер, они должны сблизиться на расстояние, на котором действует сильное взаимодействие. Это расстояние - порядка размера самих ядер и во много раз меньше размера атома. На таких расстояниях электронные оболочки атомов (даже если бы они сохранились) уже не могут экранировать заряды ядер, поэтому они испытывают сильное электростатическое отталкивание. Сила этого отталкивания, в соответствии с законом Кулона, обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами. На расстояниях порядка размера ядер величина сильного взаимодействия, которое стремится их связать, начинает быстро возрастать и становится больше величины кулоновского отталкивания.

Таким образом, чтобы вступить в реакцию, ядра должны преодолеть потенциальный барьер. Например, для реакции дейтерий-тритий величина этого барьера составляет примерно 0,1 МэВ. Для сравнения, энергия ионизации водорода - 13 эВ. Поэтому вещество, участвующее в термоядерной реакции, будет представлять собой практически полностью ионизированную плазму.

Температура, эквивалентная 0,1 МэВ, приблизительно равна 10 9 К, однако есть два эффекта, которые снижают температуру, необходимую для термоядерной реакции:

· Во-первых, температура характеризует лишь среднюю кинетическую энергию, есть частицы как с меньшей энергией, так и с большей. На самом деле в термоядерной реакции участвует небольшое количество ядер, имеющих энергию намного больше средней (т. н. «хвост максвелловского распределения

· Во-вторых, благодаря квантовым эффектам, ядра не обязательно должны иметь энергию, превышающую кулоновский барьер. Если их энергия немного меньше барьера, они могут с большой вероятностью туннелировать сквозь него. [источник не указан 339 дней ]

Термоядерные реакции[править | править вики-текст]

Некоторые важнейшие экзотермические термоядерные реакции с большими сечениями:

(1) D + T 4He (3.5 MeV) + n (14.1 MeV)
(2) D + D T (1.01 MeV) + p (3.02 MeV) (50 %)
(3) 3He (0.82 MeV) + n (2.45 MeV) (50 %)
(4) D + 3He 4He (3.6 MeV) + p (14.7 MeV)
(5) T + T 4He + n + 11.3 MeV
(6) 3He + 3He 4He + p
(7) 3He + T 4He + p + n + 12.1 MeV (51 %)
(8) 4He (4.8 MeV) + D (9.5 MeV) (43 %)
(9) 4He (0.5 MeV) + n (1.9 MeV) + p (11.9 MeV) (6 %)
(10) D + 6Li 4He + 22.4 MeV -
(11) p + 6Li 4He (1.7 MeV) + 3He (2.3 MeV)-
(12) 3He + 6Li 4He + p + 16.9 MeV
(13) p + 11B 4He + 8.7 MeV
(14) n + 6Li 4He + T + 4.8 MeV

Мюонный катализ[править | править вики-текст]

Основная статья: Мюонный катализ

Термоядерная реакция может быть существенно облегчена при введении в реакционную плазму отрицательно заряженных мюонов.

Мюоны µ − , вступая во взаимодействие с термоядерным топливом, образуют мезомолекулы, в которых расстояние между ядрами атомов топлива несколько меньше, что облегчает их сближение и, кроме того, повышает вероятность туннелирования ядер через кулоновский барьер.

Число реакций синтеза X c , инициируемое одним мюоном, ограничено величиной коэффициента прилипания мюона. Экспериментально удалось получить значения X c ~100, т. е. один мюон способен высвободитьэнергию ~ 100 × Х МэВ, где Х - энергетический выход катализируемой реакции.

Пока величина освобождаемой энергии меньше, чем энергетические затраты на производство самого мюона (5-10 ГэВ). Таким образом, мюонный катализ пока энергетически невыгодный процесс. Коммерчески выгодное производство энергии с использованием мюонного катализа возможно при X c ~ 10 4 .

Применение[править | править вики-текст]

Применение термоядерной реакции как практически неисчерпаемого источника энергии связано в первую очередь с перспективой освоения технологии управляемого термоядерного синтеза (УТС). В настоящее время научная и технологическая база не позволяет использовать УТС в промышленных масштабах.

Вместе с тем, неуправляемая термоядерная реакция нашла своё применение в военном деле. Впервые термоядерное взрывное устройство было испытано в ноябре 1952 года в США, а уже в августе 1953 года в Советском Союзе испытали термоядерное взрывное устройство в виде авиабомбы. Мощность термоядерного взрывного устройства (в отличие от атомного) ограничена лишь количеством используемого для его создания материала, что позволяет создавать взрывные устройства практически любой мощности.

БИЛЕТ 27 вопрос 1

Явление самоиндукции

Мы уже изучили, что около проводника с током возникает магнитное поле. А также изучили, что переменное магнитное поле порождает ток (явление электромагнитной индукции). Рассмотрим электрическую цепь. При изменении силы тока в этой цепи произойдет изменение магнитного поля, в результате чего в этой же цепи возникнет дополнительный индукционный ток . Такое явление называется самоиндукцией , а ток, возникающий при этом, называетсятоком самоиндукции .

Явление самоиндукции - это возникновение в проводящем контуре ЭДС, создаваемой вследствие изменения силы тока в самом контуре.

Индуктивность контура зависит от его формы и размеров, от магнитных свойств окружающей среды и не зависит от силы тока в контуре.

ЭДС самоиндукции определяется по формуле:

Явление самоиндукции подобно явлению инерции. Так же, как в механике нельзя мгновенно остановить движущееся тело, так и ток не может мгновенно приобрести определенное значение за счет явления самоиндукции. Если в цепь, состоящую из двух параллельно подключенных к источнику тока одинаковых ламп, последовательно со второй лампой включить катушку, то при замыкании цепи первая лампа загорается практически сразу, а вторая с заметным запаздыванием.

При размыкании цепи сила тока быстро уменьшается, и возникающая ЭДС самоиндукции препятствует уменьшению магнитного потока. При этом индуцированный ток направлен так же, как и исходный. ЭДС самоиндукции может во многом раз превысить внешнюю ЭДС. Поэтому электрические лампочки очень часто перегорают при выключении света.

Энергия магнитного поля

Энергия магнитного поля контура с током:

Радиоактивное излучение - излучение, которое изотоп выделяет при распаде. Имеет три разновидности: альфа-лучи (поток ядер атомов гелия), бета-лучи (поток электронов) и гамма-лучи (электромагнитное излучение). Для человека наиболее опасным является гамма-излучения.

Доза поглощенного излучения равна отношению энергии, полученной телом, к массе тела. Доза поглощения обозначается буквой D и измеряется в грэях.

На практике используют также единицу измерения рентген (Р), равной 2,58 умножить на 10 в минус 4 степени кулон, разделен на килограмм.

Поглощено излучение может накапливаться со временем, его доза тем больше, чем больше продолжительность облучения.

Мощность дозы определяется отношением дозы поглощенного излучения к времени облучения. Обозначается буквой N и измеряется в грэях, разделенных на секунду.

Для человека смертельная доза поглощенного излучения эквивалентна 6 Гр. Предельно допустимая для человека доза излучения - 0,05 Гр в год.

БИЛЕТ 28 Вопрос 1

Элемента́рная части́ца - собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить на составные части.

Следует иметь в виду, что некоторые элементарные частицы (электрон , нейтрино , кварки и т. д.) на данный момент считаются бесструктурными и рассматриваются как первичные фундаментальные частицы . Другие элементарные частицы (так называемые составные частицы , в том числе частицы, составляющие ядро атома - протоны и нейтроны ) имеют сложную внутреннюю структуру, но, тем не менее, по современным представлениям, разделить их на части невозможно по причине эффекта конфайнмента .

Всего вместе с античастицами открыто более 350 элементарных частиц. Из них стабильны фотон, электронное и мюонное нейтрино, электрон, протон и их античастицы. Остальные элементарные частицы самопроизвольно распадаются за время от приблизительно 1000 секунд (для свободного нейтрона) до ничтожно малой доли секунды (от 10 −24 до 10 −22 , для резонансов ).

При электромагнитных колебаниях происходит периодическиеизменения электрического заряда, силы тока и напряжения.Электромагнитные колебания подразделяются на свободные , затухающие, вынужденные и автоколебания.

Свободными колебаниями называются колебания, которые возникают в системе (конденсатор и катушка) после выведения ее из положения равновесия (при сообщении конденсатору заряда). Точнее, свободные электромагнитные колебания возникают при разрядке конденсатора через катушку индуктивности.Вынужденными колебаниями называются колебания в цепи под действием внешней периодически изменяющейся электродвижущей силы.

Простейшей системой, в которой наблюдаются свободные электромагнитные колебания, являетсяколебательный контур.Он состоит из катушки индуктивности и конденсатора.Этот процесс будет повторяться снова и снова. Возникнут электромагнитные колебания из-за превращения энергии электрического поля конденсатора.

· Конденсатор, заряжаясь от батареи, в начальный момент времени приобретет максимальный заряд. Его энергия W э будет максимальной (рис. а).

· Если конденсатор замкнуть на катушку, то в этот момент времени он начнет разряжаться (рис. б). В цепи появится ток. По мере разрядки конденсатора ток в цепи и в катушке возрастает. Из-за явления самоиндукции это происходит не мгновенно. Энергия катушки W м становится максимальной (рис. в).

· Индукционный ток течет в ту же сторону. Электрические заряды вновь накапливаются на конденсаторе. Конденсатор перезаряжается, т.е. обкладка конденсатора, прежде заряженная положительно, будет заряжена отрицательно. Энергия конденсатора становится максимальная. Ток в данном направлении прекратится, и процесс повторится в обратном направлении (рис. г). Этот процесс будет повторяться снова и снова. Возникнут электромагнитные колебания из-за превращения энергии электрического поля конденсатора в энергию магнитного поля катушки с током , и наоборот. Если отсутствуют потери (сопротивление R=0), то сила тока, заряд и напряжение со временем изменяются по гармоническому закону. Колебания, происходящие по закону косинуса или синуса, называются гармоническими. Уравнение гармонического колебания заряда: .

Контур, в котором нет потерь энергии, является идеальным колебательным контуром. Период электромагнитных колебаний в идеальном колебательном контуре зависит от индуктивности катушки и емкости конденсатора и находится по формуле Томсона где L – индуктивность катушки, С – емкость конденсатора, T – период э/м колебаний.
В реальном колебательном контуре свободные электромагнитные колебания будут затухающими из-за потерь энергии при нагревании проводов. Для практического применения важно получить незатухающие электромагнитные колебания, а для этого необходимо колебательный контур пополнять электроэнергией, чтобы скомпенсировать потери энергии от генератора незатухающих колебаний, который является примером автоколебательной системы.

Билет 29 вопрос 1

Античасти́ца - частица-двойник некоторой другой элементарной частицы , обладающая той же массой и тем же спином , отличающаяся от неё знаками всех других характеристик взаимодействия (зарядов, таких как электрический и цветовой заряды, барионное и лептонное квантовые числа ).

Само определение того, что называть «частицей» в паре частица-античастица, в значительной мере условно. Однако при данном выборе «частицы» её античастица определяется однозначно. Сохранение барионного числа в процессах слабого взаимодействия позволяет по цепочке распадов барионов определить «частицу» в любой паре барион-антибарион. Выбор электрона как «частицы» в паре электрон-позитрон фиксирует (вследствие сохранения лептонного числа в процессах слабого взаимодействия ) определение состояния «частицы» в паре электронных нейтрино-антинейтрино. Переходы между лептонами различных поколений (типа ) не наблюдались, так что определение «частицы» в каждом поколении лептонов, вообще говоря, может быть произведено независимо. Обычно по аналогии с электроном «частицами» называют отрицательно заряженные лептоны , что при сохранении лептонного числа определяет соответствующие нейтрино и антинейтрино . Для бозонов понятие «частица» может фиксироваться определением, например, гиперзаряда .

Рассказать друзьям