06. Деление ядер урана. Цепные ядерные реакции. Ядерный реактор. Перспективы развития ядерной энергетики

Введение

В 1938 году было открыто деление ядер. Возможны два пути высвобождения ядерной энергии: синтез легких ядер и деление тяжелых ядер.

При делении 1 ядра урана высвобождается энергия:

– массовое число тяжелого ядра

– удельная энергия связи для элементов средней части таблицы Менделеева

 – удельная энергия связи для элементов конца таблицы Менделеева

Ядро захватывает нейтрон (),и при этом некоторые тяжелые ядра впадают в метастабильное состояние. Нейтрон вносит энергию активации, так как он попадает в потенциальную яму. В ядре частицы находятся в потенциальной яме, так как не могут сами выбраться оттуда. И нейтрон, попадая в ядро, вносит в него свою энергию, которая равна глубине потенциальной ямы. Из-за полученной энергии активации в ядре начинается процесс движения нуклонов, который приводит к пульсации, и в какой-то момент ядро из шара приобретает форму удлиненной капли. Ядерные силы пытаются стянуть ядро в узком месте, а электрические силы отталкивания пытаются растащить это ядро в стороны. Вследствие этого наступает момент, когда ядро делится на два осколка. В каждом осколке количество нейтронов больше нормы для данного элемента и эти осколки теряют нейтроны. Количество потерянных нейтронов больше 1 (см. рис. 1).

, где – нейтрон, – масса ядра, , – массы двух осколков, – число получившихся нейтронов.

Нельзя заранее сказать, какие осколки получатся при делении ядра. Опытным путем была найдена зависимость (рис. 2):

В 1942 году была проведена цепная реакция. Если имеется урансодержащий препарат достаточно большой массы, то вследствие космического излучение один из атомов может претерпевать разрушение ядра (рис. 3).

Пусть – первое ядро, которое разрушилось. Кроме двух осколков, на которые разрушилось ядро, появляются нейтроны.

Энергия нейтронов: .

Через время , эти нейтроны либо принимают участие в делении какого-нибудь другого ядра, либо вылетают за пределы образца, либо поглощаются ядрами других элементов, которые имеются в этом препарате.

Существует вероятность того, что нейтрон будет участвовать в повторном делении, обозначим ее буквой , тогда коэффициент размножения нейтронов: , за  время .

Изменение количества нейтронов в образце:

– первоначальное число нейтронов

Если – количество нейтронов резко увеличивается, т. е. идет неуправляемая цепная реакция.

Если – количество нейтронов не изменилось

Если  –  количество нейтронов уменьшается, т. е. цепная реакция прекращается.

В природном уране цепная реакция не наблюдается, потому что ее вероятность крайне мала. Он состоит из и , поэтому – цепная реакция почти невозможна.

Замедление нейтронов

Исследования показали, что ядро перед делением очень хитро себя ведет. Диаметр ядра:

Для ядра урана .

Площадь сечения ядра  ().

Эффективное сечение ядра ()

Для

Для

Для деления ядра:

Коэффициент умножения нейтронов для бесконечно большой среды:

.

 – вероятность того, что нейтрон который выделился, будет участвовать в повторной реакции деления.

– вероятность того, что нейтрон не будет захвачен другим ядром.

– коэффициент, который показывается, что при делении тоже появляется какое-то количество быстрых нейтронов.

– исходное число нейтронов, которое образуется при одном акте распада урана.

Для природного урана: ; .

Коэффициент эффективного разложения нейтронов (Кэфф).

Вероятность того, что нейтрон сможет принимать участие в дальнейшем делении: .

– количество нейтронов, которое вылетает из данного объема.

, – скорость тепловых нейтронов, – концентрация, – площадь поверхности, через которую нейтроны покидают объем, – время жизни нейтронов.

Для квадратного образца: , .

– по данной формуле рассчитываются критические размеры, при которых возможно монотонное течение цепной реакции .

Для : , : , где – критическая масса.

Благодаря этому стало возможным осуществление управляемой цепной реакции. Управляемая цепная реакция возникает в реакторах, которые имеют разные конструкции. Первым реактором был реактор на медленных нейтронах.

Реактор на медленных нейтронах можно делать двух видов:

1 – гомогенный. В нем вещество, которое распадается, распространено по всему объему. Вероятность цепной реакции в таком реакторе мала.

2 – гетерогенный. В нем вещество, которое распадается, находится в твэлах (длинных стержнях). Между твэлами имеется охладитель, который забирает тепло, которое выделяется при реакции. Стержни вставляются в угольный стержень, чтобы нейтроны замедлялись, и кадмиевый стержень, для того, чтобы нейтроны поглощать. Возникает цепная реакция, в которой меньшее количество нейтронов поглощается резонансным образом ядрами урана. В качестве теплоносителя применяют жидкие металлы. С помощью специального насоса проводится циркуляция теплоносителя в реакторе. Утилизация энергии происходит при превращении тепловой энергии в пар. Этот пар подается на турбину.

Реакторы на быстрых нейтронах – реакторы размножители ядерного топлива. При резонансном захвате , если нейтрон попадет в ядро урана, то он станет – радиоактивный. За период полураспада в 25 минут он превращается в , который за дня превращается в . Плутоний является хорошим ядерным топливом. Плутониевое топливо используется при создании ядерного оружия.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет:

1. Ядерная физика в Интернете (Источник)

2. Интернет-портал «profbeckman.narod.ru» (Источник)

3. Ядерная физика в Интернете (Источник)