WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 29 | 30 ||

Элементарных частиц известно более 200 штук. Остановимся более подробно на первых трех видах радиоактивности - распад - самопроизвольный процесс испускания -частиц, в результате которого массовое число ядра уменьшается на единицу, а зарядовое на две единицы заряда.

A = N + Z.

A – массовое число, N – число нейтронов в ядре, Z – число протонов в ядре.

Схема реакции A X 42He + Z – 2A – 4X.

Z He – дважды ионизованный атом гелия. Пример U 90230Th + 24He.

Известно более двухсот -распадающихся ядер. В данной реакции участвуют изотопы (элементы постоянного заряда, но с разными массовыми числами) 238 элементов U и Th.

-частицы, вылетающие при распаде из ядер имеют энергии в узких пределах 4 – 9 МэВ для тяжелых ядер (наш пример).

- распад – самопроизвольный процесс, в котором нестабильное ядро превращается в ядро изобар (A – cst) – меняет заряд в результате превращения нейтрона в протон или наоборот протона в нейтрон). Различают i. Электронный - распад – ядро испускает электрон A X-Z+1AX.

Z ii. Позитронный + распад – ядро испускает позитрон A X+Z-1AX.

Z iii. Электронный захват или так называемый К-захват – ядро поглощает электроны оболочки своего атома (обычно у тяжелых ядер К-слоя, отсюда – К-захват). Заметим, что - распады – явление даже не внутриядерное, а между нуклонное.

Примеры:

- 3 H He (электронный распад трития), 1 12 лет + 11 С B (позитронный распад), 6 20,4 мин К-захват 7 Be Li 4 53,6 дней.

Изотопы – Z = cst, изобары – A = cst, изотоны – N = cst. Итак, при - распаде ядро превращается в соседний с ним изобар. Z меняется на ± 1.

A X ± e = Z ± 1AX.

Z Здесь же упомянем и о -излучении ядер. Ядро может быть возбуждено.

При этом говорят о более или менее высоких или низких энергетических состояниях ядер. При этом A,Z,N = cst.

Спонтанное деление ядер (распад ядер). Рассмотрим пример U длинная и разветвленная цепочка превращений 82207Pb.

A = 237 – 207 = 28 ед. массы, Z = 92 – 82 = 10 ед. заряда. Всего в такой цепочке участвуют 13 промежуточных радиоактивных ядер. Часто такие ряды заканчиваются на 82207,206,208Pb, но не обязательно. Времена распадов бывают самые разные от 5 10 – 3 с (с, мин, час, дни, годы) до 7 10 5 лет в данном примере. Вообще, если время жизни ядра больше 10 – 12 с, то о нем принято говорить как о стабильном ядре, а если меньше, то – не стабильном.

235 U Th Fr Pb 7 10 5лет Pa Ra Bi Tl Pb Ac Rn - At 5 10 - 3 c 227 215 Th Po Po О единицах радиоактивного распада. Естественной единицей радиационной активности является 1 распад в секунду = 1 Бк (Беккерель) – принята в системе единиц СИ.

1 Ки (Кюри) = 3,7 10 10 Бк, 1 Рд (Резерфорд) = 106 Бк.

1.2 Основной закон радиоактивного распада Пусть N – произвольное число радиоактивных ядер (не путать с числом нейтронов). Оно со временем по мере распада ядер уменьшается. Если начать отсчет времени в момент t, то в этот момент исходное количество ядер равно N t - N t + t - N - N - t, N<

Получили, что убыль радиоактивных ядер, - N, пропорциональна исходному их числу и промежутку времени, в течение которого наблюдается излучение.

Вводим коэффициент с целью уравнять обе части полученного выражения и используем предельный переход dN = - N dt | lnN = - t + lnN0 N = N 0 e - t.

N – число ядер, не распавшихся к данному моменту времени, t, - постоянная распада [] = с – 1.

Характерное время распада можно получить, например, так. Пусть N = N0 / e e – 1 = e - t t = 1 / =.

- характерное время распада, время, за которое распадается 1/е – ая часть исходного количества ядер.

Также пользуются понятием периода полураспада. Получим его.

N = N0/2 2 – 1 = e - t t = T = ln 2 /.

Т – время, за которое распадается половина всех радиоактивных ядер.

§ 2 Энергия связи ядер Энергия связи ядра есть та минимальная работа, которую надо произвести, чтобы полностью расщепить ядро на составляющие его нуклоны.

Так энергия связи одного протона с одним нейтроном в ядре рассчитывается следующим образом Eсв p = Eсв (Z,A) – Eсв (Z – 1, A – 1) Eсв. n = Eсв. (Z,A) – Eсв. (Z, A – 1).

То есть энергия связи нуклона равна энергии связи ядра с нуклоном минус энергия связи ядра без этого нуклона. Энергию связи ядра можно записать в виде Eсв. (Z,A) = Z M p + N M n – M (Z,A) (*) суммарная энергия энергия ядра с нуклонами свободных нуклонов Здесь M E = mc2 – полная энергия частицы, энергия массы покоя ее, включая (или исключая) энергию связи в зависимости от того свободна частица или связана в ядре. Массы частиц измеряются экспериментально спектрографическим методом.

Определим понятие дефекта массы ядра, яд.(Z,A) как разность между собственно массой рассматриваемого ядра Мяд. (обычно выражаемой в единицах массы) и соответствующим массовым числом, А. (Массовое число определено как сумма масс отдельных частиц, составляющих ядро – целое число) яд. (Z, А) = М яд. (Z, А) – А яд., М яд. = яд. + А то есть М яд. > А (1) М р = р + 1, М р = р + 1. (2,3) Найдем связь между энергией связи ядра м дефектом массы. Подставим (1,2 и 3) в (*) Eсв. яд = Z (p + 1) + N (n + 1) – (яд. + A) = (**) = Z p + Z + N n + N - яд. – A = Z p + N n - яд. = нукл. - яд.

Здесь p, n, нукл., яд. – дефекты масс протона, нейтрона, нуклонов, ядра.

Наличие энергии связи (а также дефекта масс) – факт природы. К нему надо относиться также, как к энергии, выделяющейся при сгорании горючих веществ. Во всех случаях происходит выделение (освобождение) имеющейся (как-то накопленной) в них внутренней энергии в виде энергии различных связей. Надо уметь эту энергию высвободить. В одних случаях достаточно поднести горящую спичку....

Пример. Расчет энергии связи ядра атома Не. Запишем массы протона, нейтрона и -частицы (ядра атома гелия) М р = 938,2796 МэВ = 1,00722764 а.е.м.

М n = 939,5731 МэВ = 1,008655 а.е.м.

М = 4,001506 а.е.м.

Их массовые числа равны A p = 1, A n = 1, A He = 4 а.е.м..

Энергию связи находим по формуле для дефекта массы (**). Округлим числа до предпоследнего отличающегося разряда.

p = 1,0073 – 1 = 0,0073, n = 1,0087, = 0,0015 а.е.м.

E св. He = (2 0,0073 + 2 0,0087) – 0,0015 = 0,0305 а.е.м.

1,66 10 – 27 кг 1 а.е.м. = 931,4 МэВ 10 3 МэВ E св.He 30 МэВ.

Энергия связи Fe связь крепче энергия освобождается связь крепче связь слабее энергия освобождается связь слабее легкие средние тяжелые ядра Массовое число Рисунок иллюстрирует высвобождение энергии связи за счет избытка дефекта масс при синтезе (объединении) легких ядер и при распаде тяжелых ядер.

Запишем формулу массы атома (согласно таблице Менделеева) М ат. = М яд. + Z mе + ЕКин / с2.

Последнее слагаемое – кинетическая энергия частиц, составляющих атом, всегда слишком мало - им можно пренебречь. m е – масса электрона. Энергия, соответствующая дефекту массы (разностью между суммой масс составляющих атом частиц и массой исходного атома) - с2 и есть полная энергия связи атома. Силы взаимодействия электронов с ядром приводят к мизерному дефекту масс, что обусловлено слабым электромагнитным взаимодействием. Ядерные же силы (в ядре атома) приводят к значительному дефекту масс. В таблице представлены энергии связи ядер атомов, приведенные к их массовым числам (на один нуклон) 4 7 12 39 56 138 235 ядро He Li C K Fe Ba U Pu 2 3 6 19 26 56 92 атома Eсв. /A, 7.07 5.61 7.68 8.56 8.79 8.39 7.59 7.МэВ О размерах ядер. Если считать ядро сферическим, то R ~ A 1/3, R = r0 A 1/, r0 = (1,2 - 1.5) 10 – 13 см. RH = (1.2 – 1.5) F, RU = 1.5 238 1/3 = 9 F.

§ 3 Получение ядерной энергии 3.1 Деление ядер Все началось с нейтронов. В 1938 году О. Ган и Ф. Штрассман обнаружили, что при облучении урана нейтронами образуются элементы из середины периодической системы Ba и La барий и лантан). Было предположено (О.Фриш и Лизе Мейтнер), что захватившее нейтрон ядро урана разделилось на два осколка деления.

Таблица: выбор горючего для реактора № п/п При- Искусст- Энерговыделе- Деление тепродные венные ние при захвате ловыми нейэле- элементы нейтрона, МэВ тронами менты 1. Pa- 5,4 Да протактиний 2. Th-торий 5,1 Нет 3. U-уран 6,6 Да 4. U 6,4 Да 5. Np- 5,0 Да нептуний 6. U 4,9 Нет, только быстрыми 7. Pu 6,4 Да Рассмотрим реакцию U + 01n 14055Cs + 3794Rb + 2 01n.

Нейтроны, образующиеся в результате реакции можно было бы включить в реакцию дальше, но они быстрые. Вероятность же деления U растет с уменьшением кинетической энергии нейтронов. В термодинамическом равновесии со средой они должны иметь энергию среды. E среды = 3kT/2 = 0,04 эВ, а на самом деле для нейтронов - 0,020,03 эВ. Вычислим температуру нейтронов. Быстрого: E = 1 МэВ, T = 2E/3k = 8 10 9 K. Медленного: E = 0,02 эВ, T ~ 2 10 2 K.

Как замедлять нейтроны до 0,02 эВ Необходимо присутствие вещества, сталкиваясь с атомами которого нейтроны теряли бы свою энергию в результате упругого взаимодействия, но не захватывались бы ими. Идеален в этом смысле водород, как элемент почти идентичный по массе с нейтроном, но водород поглощает нейтроны и образует дейтерий Н. Тяжелый элемент при соударении с нейтроном останется на месте, практически не изменив своего импульса, нейтрон же упруго отскочит от него не изменив величины скорости.

При взаимодействии с элементами средней тяжести необходимо несколько соударений, что потребует определенного времени для замедления нейтронов 3.2 Работа ядерного реактора Схема нейтронного цикла i. ii. iii. утечка быстрых нейтронов 235 U U f p замедлитель iiii. p - практическое число нейтронов деления (не все из них вызовут деление, расчетное число обозначают - ), - коэффициент размножения на быстрых нейтронах 1,1 ( в смеси всегда присутствует 238U ), p – вероятность того, что нейтрон избежит поглощения в замедлителе в процессе замедления, f – вероятность того, что нейтрон избежит поглощения после окончания цикла замедления, но до начала следующего цикла, куда посылаются нейтроны вновь. p и f зависят от свойств материалов реактора.

Если пренебречь утечками нейтронов (утечкам препятствует большой размер реактора), то коэффициент размножения (стационарный, установившийся через бесконечное время) равен k = pf.

Если для определенности начинать с одного нейтрона, то при k 1 установится самоподдерживающаяся реакция. Если k < 1 – реакция затухнет. В случае же, если k = 1, то говорят о критическом реакторе, при k > 1 – о надкритическом. Коэффициент размножения k показывает каково отношение общего числа нейтронов в конце цикла к породившему их начальному числу нейтронов. Критичность нужно регулировать.

12 18(1) (2) 9 112 10 56 Замедлители C Be Cd B Fe Pb H2O D2O Среднее число 114 19 35 поглотители столкновений широко применяемые до замедления замедлители Чрезвычайно важен вопрос о скорости замедления. Пока будем замедлять – реакция затухнет. На быстрых нейтронах время цикла составляет 10 – 7 секунд.

Расчеты показывают, что если за 10 секунд число нейтронов увеличивается в е раз (эти нейтроны мгновенные), то k при этом меняется от 1 до 1,(на одну стомиллионную долю единицы). Такая точность регулирования коэффициента размножения k невозможна практически. То есть кажется, что вообще нельзя создать безопасный реактор.

Ситуацию спасает то, что существуют так называемые запаздывающие нейтроны. В процессе деления урана образуется целая цепочка распадов, протяженная во времени. Следовательно, можно ввести запаздывающий коэффициент размножения. Запаздывающие нейтроны испускаются в циклах в течение промежутка времени в среднем 0,1 секунды, а период полураспада осколков составляет в среднем 9 секунд (то есть эти 9 секунд распределяются между многими циклами).

За время одного акта деления выделяется энергия 200 МэВ = 3,2 10 – Дж, тогда мощности в 1 МВт соответствует 10 6 / 3,2 10 – 11 = 3 10 15 распадов в секунду.

ядерное горючее замедлители тепловыделяющие элементы (ТВЭЛЫ) отражатели регулировочные стержни каналы охлаждения Схема активной зоны реактора Контур АКТИВНАЯ с теплообменником ТУРБИНА ЗОНА РЕАКТОРА насос теплообменник Энергия, выделяемая в активной зоне снимается теплоносителем водой или щелочными металлами (температура плавления натрия составляет 98 °С). В России впервые реактор с паровой турбиной был создан Курчатовым в 1954 году.

3.3 Термоядерные реакции Термоядерные реакции реализуются при объединении (синтезе) легких ядер в более тяжелые и более устойчивые. При таком синтезе в области действия реакции развивается температура 10 8 К. Пример d + 13H 24He + 01n.

Часть полученной при синтезе энергии уносят нейтроны и ее нельзя использовать.

Чтобы заставить легкие ядра проникнуть друг в друга (слиться друг с другом), то есть для их объединения необходимы высокие температуры. Требуются первоначально большие затраты энергии, так как ядра имеют положительный заряд, сконцентрированный в небольшой области пространства. Приведем два метода 1. Удержание и разогрев плазмы. Плазма при этом сжимается магнитным полем на оси тороида 2. Взрывной нагрев плазмы с применением большого количества лазерных пучков В качестве реагентов годятся, например, дейтерий и тритий, у которых зарядовые числа минимальны (+1).

Главнейшее преимущество синтеза по сравнению с делением – отсутствие радиоактивных остатков. Пример: при распаде урана образуются не используемые далее радиоактивные элементы Sr – 4,6% - 53 дня Tc – 6,2% - 106 лет Cs – 6,2% - 33 года.

Однако, управляемый термоядерный синтез пока не нашел своего практического применения. Энергия же на один нуклон при синтезе примерно такая же как и при распаде.

3.4 Природный ядерный реактор в Окло В дельте древней реки (государство Габон в Африке, близ города Франсвилля на реке Огове) образовался осадочный слой богатого ураном песчаника толщиной 4-10 метров и шириной 600-900 метров. Урановая жила растрескалась в нее проникли грунтовые воды. В руде со средним содержанием урана 0,5% были обнаружены шесть глинистых линз размерами 10-20 метров при толщине 1 метр и с концентрацией урана 20-40 % и более. Роль замедлителя выполняют грунтовые воды. Предположено, что образование такого природного ядерного реактора произошло 0,6-0,8 лет тому назад. Возможно, что в далекие времена там произошел и ядерный взрыв. Общее количество вырабатываемой энергии оценивается таким же какое вырабатывает ЛАЭС за 2,3 года. реакция тлеет при температуре 300-600 °С. Вода проникает в трещины – идет реакция, вода испаряется под действием температуры – реакция прекращается.

Многое остается неясным.

Pages:     | 1 |   ...   | 29 | 30 ||



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.