Цепная ядерная реакция

ДЕЛЕНИЕ ЯДЕР УРАНА

Делиться могут только ядра некоторых тяжелых элементов, например, урана.

 

Ядро урана - 235 имеет форму шара. Поглотив нейтрон, ядро возбуждается и начинает деформироваться. Оно растягивается из стороны в сторону до тех пор, пока кулоновские силы отталкивания между протонами не начнут преобладать над ядерными силами притяжения. После этого ядро разрывается на две части и осколки разлетаются со скоростью 1/30 скорости света. При делении ядра образуются еще 2 или 3 нейтрона. Появление нейтронов объясняется тем, что число нейтронов в осколках оказывается больше, чем это допустимо.

   Имеющие  огромную  скорость  разлетающиеся осколки тормозятся окружающей средой. Кинетическая энергия осколков превращается во внутреннюю энергию среды, которая нагревается. Таким образом,  деление ядер урана сопровождается выделением большого количества энергии.

 

ЦЕПНАЯ ЯДЕРНАЯ РЕАКЦИЯ

- 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 нейтронов в данном поколении к числу нейтронов в предыдущем поколении  называется коэффициентом размножения нейтронов k.
При k меньше 1 реакция затухает, т.к. число поглощенных нейтронов больше числа вновь образовавшихся.
При k больше 1 почти мгновенно происходит взрыв (реакция неуправляема).
При k равном 1 идет управляемая стационарная цепная реакция.
Неуправляемая цепная реакция используется в атомных бомбах. Управляемая – в реакторах электростанций, ледоколов, подводных лодок.
Цепная реакция сопровождается выделением большого количества энергии.

Для осуществления 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).

Виды ядерных реакторов: 1) на медленных нейтронах (первый в 1954г. в Обнинске Калужской области). 2) на быстрых нейтронах (первый в 1985г. на Белоярской АЭС).

Термоядерная реакция – это реакция слияния лёгких ядер в более тяжёлые.

При синтезе 1 г гелия выделяется такая же энергия. Как при сгорании 10 т дизельного топлива.

На земле очень много воды, источник сырья для осуществления термоядерной реакции практически неисчерпаем (из воды легко получить водород). Но управляемой термоядерной реакции на сегодняшний день нет.

 

Вопросы:

1) Что такое цепная реакция, в чём суть процесса?

2) Что такое коэффициент размножения, как его значение влияет на протекание реакции?

3) Что такое критическая масса, чему она равна для урана-235?

4)Виды ядерных реакторов.

5) Что такое термоядерная реакция?