Ядерная энергия

Ядерная энергия

Ядерная энергия

Строение материи.

Вещество. Молекулы.

Чтобы понять процессы, протекающие в ядерном реакторе, при превращении

ядерной энергии в тепловую, нужно остановится на строении материи.

Подавляющие большинство веществ состоит из молекул, мельчайших частиц

которые сохраняют, все физические свойства вещества. Рассмотрим для примера

воду.

В стакане воды содержится огромное количество молекул, если из стакана

отлить половину, то это количество уменьшится вдвое, но вода останется

водой, все свойства воды как вещества сохранятся. Если отлить еще половину,

то количество молекул снова уменьшится вдвое, повторяя этот опыт можно

придти к ситуации, когда в стакане останется одна молекула, но и она

останется водой по своим свойствам. Эту оставшуюся молекулу можно разделить

на части, но эти части уже не будут водой, разложив молекулу воды, мы

получим атом кислорода, и два атома водорода, свойства которых значительно

отличаются от свойств молекулы воды.

В природе существует около 100 видов атомов, приведенных в таблице

Менделеева, из этих атомов образуется все многообразие существующих в

природе веществ.

Молекула вещества может состоять из нескольких разных атомов, из

нескольких одинаковых атомов. Некоторые вещества состоят просто из атомов.

Количество веществ состоящих из атомов ограничено таблицей Менделеева в

которой присутствуют чуть более сотни элементов. Все остальные вещества

состоят из молекул.

Атом.

Разделив молекулу воды, мы получили атом водорода. Что же из себя

представляет атом? Водород находится в самом начале таблице Менделеева,

схематично его атом можно изобразить так:

Модель атома водорода:

Положительно заряженное ядро, вокруг которого вращается отрицательно

заряженный электрон. Такая модель атома получила название планетарной, за

свое сходство с солнечной планетной системой. Если принять массу ядра

водорода за 1 то масса электрона [pic]1/1850, т.е. в 1850 раз меньше. Почти

вся масса сосредоточена в ядре. Планетарную модель можно применить к любому

атому. Например, для Бериллия, который в таблице Менделеева находится под

номером 4.

В ядерной физики удобно переменить новую единицу измерения для заряда

равную 1.6[pic]10-19 Кл тогда заряд электрона равен -1.

Модель атома бериллия:

Обобщая, можно сказать любой атом состоит из положительно заряженного

ядра, окруженного оболочкой из вращающихся вокруг него электронов. Ядра

разных химических элементов, отличаются зарядом. Заряд ядра химического

элемента соответствует его номеру в периодической таблице Менделеева. Если

мы, каким либо способом сможем изменить заряд ядра, то мы получим другой

химический элемента.

Ядро. Изотопы.

Попробуем заглянуть внутрь ядра. Сильно упрощая, все строение ядра

можно свести к двум основным частицам: нейтрону и протону.

Протон - наименьшая устойчивая частица, имеющая положительный заряд по

абсолютной величине равный заряду электрона.

Нейтрон - частица с массой приблизительно равной массе протона, не

имеющая электрического заряда.

Приведем характеристики этих частиц в сравнении с характеристиками

электрона:

|Частица |Масса , кг |Заряд, Кл (Электрон) |

|Протон |1.673[pic]10-|+1.6[pic]10-17 (+1) |

| |27 | |

|Нейтрон |1.675[pic]10-|0 |

| |27 | |

|Электрон |9.1[pic]10-31|-1.6[pic]10-17 (-1) |

Как было сказано выше, заряд ядра определяет вид химического элемента.

Рассмотрим два ядра, одно содержит 8 нейтронов и 4 протона, другое содержит

9 нейтронов и 4 протона. Эти два ядра обладают одинаковым зарядом, но

разной массой. Оба ядра являются ядрами одного химического элемента

бериллия, но представляют собой разные изотопы.

Определение: Изотопами химического элемента называется атомы и имеющие

одинаковый заряд ядра (число протонов), но разную массу (число нейтронов).

Для символической записи используются следующие обозначения:

Z - заряд ядра в электронах;

Z - число протонов в ядре

A - атомная масса ядра в атомных единицах массы (1 а.е.м =1.66[pic]10-

27 кг)

А - число протонов + число нейтронов;

Символично изотоп записывают в виде: [pic]

Два изотопа бериллия записываются 9Ве4 и 8Ве4. Поскольку заряд

определяется видом химического элемента, то число Z часто опускается.

Сокращенная запись двух изотопов бериллия: 9Ве и 8Ве.

Практически любой элемент имеет несколько изотопов. Даже водород, ядро

которого состоит из одного протона, имеет изотопы дейтерий, и тритий в

ядрах которых имеются, один и два нейтрона соответственно.

Атомы изотопов водорода:

Уран, который используется в качестве ядерного топлива, имеет заряд

ядра 92. В природе уран встречается в виде изотопов с массами 238 а.е.м и

235 а.е.м. причем доля последнего ( 235U ) составляет всего 0.714%, а

именно этот изотоп является топливом для большинства современных

энергетических реакторов.

Не следует думать что, нейтроны и протоны являются неделимыми

частицами, на самом деле они имеют сложный состав. Рассмотрение состава

протонов и нейтронов выходит за рамки данного учебного пособия. Не следует

также думать также, что эти частицы постоянны во времени, в настоящие время

известно множество процессов (реакций) превращений этих частиц, например:

протон, захватывая электрон, превращается в нейтрон. Глубокие знания этих

процессов не являются обязательными для понимания основных принципов работы

ядерного реактора, поэтому мы постараемся не углубляться в физику частиц.

Свойства изотопов. Радиоактивный распад.

Из общих соображений ясно, что свойства изотопов должны, каким-то

образом отличатся, в связи с различным составом ядра. Так как химические

свойства у них практически одинаковы, отличие следует искать в каких то

других свойствах, напрямую зависящих от состава ядра. Нейтроны и протоны, в

ядре, находятся в постоянном движении, таким образом можно говорить о

энергии этого движения или энергии ядра. Если посмотреть на ядро 238U то в

его состав входят 92 протона и 146 нейтронов, все эти частицы, находясь в

постоянном движении, образуют как бы каплю подвижной жидкости (капельная

модель ядра). По аналогии с каплей жидкости: если каким то образом подвести

энергию (нагреть каплю), то из ней могут испарится молекулы. В случае яра,

при избытке энергии, из него могут вылететь, частицы. Такие процессы

впервые были обнаружены в начале века. Беккерель и Кюри установили, что

некоторые вещества, (уран, торий, радий и др.) самопроизвольно испускают

энергию в окружающие пространство.

После изучения этих процессов были сделаны выводы о том, что некоторые

ядра в природе обладают излишком энергии, находятся в ?возбужденном¦

состоянии и могут самопроизвольно сбрасывать часть энергии. Сброс энергии

возможен путем радиоактивного распада или излучения.

Определение: Радиоактивный распад - это самопроизвольное превращение

одного изотопа в другой (возможно даже в изотоп другого элемента)

сопровождающийся сбросом энергии ядра в окружающие пространство.

Существует несколько видов радиоактивного распада приведем основные:

Альфа-распад.

При альфа распаде излишек энергии из ядра уносится с альфа-частицей,

которая представляет собой ядро гелия. Другими словами из капли ядра

вылетает частица, состоящая из двух протонов и двух нейтронов (ядро гелия).

Энергия оставшегося ядра меньше чем исходного. Причем поскольку улетают два

протона то заряд ядра уменьшается на 2 и мы получаем другой химический

элемент.

Например:

[pic]

При альфа распаде урана образуется торий, ядро которого тоже обладает

излишком энергии (находится в возбужденном состоянии), и может в свою

очередь претерпеть распад, результатом которого снова будет возбужденное

ядро и т.д. Образуется цепочка распадов, в конце который, мы получим

устойчивый изотоп, например: в нашем случае возможен свинец [pic].

Бета распад.

Бета распад бывает трех видов:

[pic]- распад - из ядра вылетает электрон и антинейтрино, при этом

нейтрон превращается в протон.

Заряд ядра увеличивается на единицу и изотоп превращается в изотоп

другого элемента, следующего в таблице Менделеева.

[pic]- распад - из ядра вылетает позитрон и нейтрино, при этом протон

превращается в нейтрон.

Заряд уменьшается на единицу - получается изотоп элемента стоящего

перед исходным в таблице Менделеева.

К- захват - протон захватывает ближайший к ядру электрон и превращается

в нейтрон, при этом ядро испускает нейтрино и квант энергии.

Заряд уменьшается на единицу - получается изотоп элемента стоящего

перед исходным в таблице Менделеева.

Гамма излучение.

Гамма квант представляет собой электромагнитное излучение с большой

частотой, обладающие большой энергией. Излишняя энергия ядра может быть

сброшена путем испускания одного или нескольких гамма квантов, это и

называется гамма излучением.

Интересной особенностью радиоактивного распада является то, что в

настоящее время не известно не одного способа, с помощью которого можно

ускорить или замелить этот процесс.

Закон радиоактивного распада

Отношение числа радиоактивных ядер [dN(t) = N(t)-N(t+dt)],

распадающихся за единицу времени, к общему числу радиоактивных ядер,

имеющихся в данный момент времени [N(t)], постоянно:

[pic]- постоянная радиоактивного распада

Каждый изотоп обладает своим значением постоянной радиоактивного

распада.

Если известно количество ядер изотопа в начальный момент времени N0, и

постоянная распада этих ядер [pic], то для любого момента времени t можно

определить количество ядер, по формуле:

[pic]

Графически закон можно представить на графике, где по оси У отложено

количество ядер, а по оси X - время.

[pic]

Для каждого изотопа существует свое время полураспада.

Определение: Период полураспада - это время в течении которого

распадается половина исходного количества ядер.

Период полураспада для одних изотопов составляет тысячные доли секунды,

для других тысячи и миллиарды лет, последние представляют собой главную

проблему современной ядерной энергетики. Образовавшиеся в процессе работы

реактора эти изотопы остаются радиоактивными в течении столетий и

представляют опасность для окружающей среды и человека.

В заключении нужно сказать, что количество энергии, выделившееся в

результате цепочки радиоактивных распадов превращающих 1 г урана в свинец,

такое же как при сгорании 400 кг угля.

Ядерные реакции.

Как было сказано ранее, в настоящие время не существует способа

ускорить радиоактивный распад веществ. Ни нагрев до высоких температур, ни

сильное сжатие не могут уменьшить период полураспада. Для урана процесс

превращения происходит настолько медленно (миллиарды лет), что нечего и

думать о практическом использовании выделяющейся энергии.

Проблема была решена после открытия в 1939 году ядерной реакции деления

урана под действием нейтронов.

Основное отличие ядерных реакций от самопроизвольного радиоактивного

распада, это участие в процессе, кроме ядра, других частиц. В самом деле,

вместо того, чтобы ждать когда ядро ?надумает¦ развалится, попробуем

ударить по нему какой либо частицей протоном, нейтроном или даже другим

ядром.

Определение: Ядерная реакция - это процесс превращения ядер в

результате их взаимодействия с элементарными частицами или с другими

ядрами.

Первую ядерную реакцию, осуществил Резерфорд направляя пучок альфа-

частиц (ядер гелия) на вещество содержащие ядра азота, в результате были

получены изотопы кислорода и водорода:

[pic]

Первые ядерные реакции происходили при бомбардировки заряженными

частицами (ядрами гелия, протонами) различных элементов. При этом, энергия

затраченная на разгон налетающих частиц значительно превосходила энергию,

полученную в результате реакции. Разгон частиц необходим для преодоления

сил электрического сопротивления (положительно заряженное ядро отталкивает

положительно заряженные ядра, альфа-частицы и протоны). Если в качестве

налетающей частицы использовать нейтрон, который не имеет заряда, то

необходимость в разгоне пропадает. Поэтому в настоящие время в ядерных

реакторах определяющими реакциями являются ядерные реакции нейтронов с

ядрами веществ находящихся в активной зоне. Рассмотрим самые важные из них.

Реакция деления.

Механизм деления, проще всего представить с помощью капельной модели

ядра. В каплю "ядерной жидкости" попадает нейтрон. Под действием внесенной

энергии в капле возникают колебания формы, от сферической до форы двух

грушеобразных частей с перешейком между ними если внесенной неторном

энергии достаточно, то перешеек рвется - ядро разваливается на два осколка.

После деления урана, как правило, образуются два осколка с соотношением

масс 2 к 3 и несколько нейтронов.

В принципе, если нейтрон обладает достаточно большой энергией, то

разделится может любое ядро. В большинстве ядерных реакторов главным

делящимся изотопом является изотоп урана 235U. При делении урана образуются

два ядра-осколка и два или три нейтрона (в среднем около 2.5 нейтрона на

один акт деления). При делении одного ядра выделяется приблизительно

3.15[pic]10-13Дж энергии.

Реакция радиационного захвата.

После захвата нейтрона составное ядро может и не испытать деления,

излишек энергии сбрасывается путем испускания гамма-квантов. В этом случае

говорят о реакции радиационного захвата.

Вследствие этой реакции металлические детали, находящиеся в АЗ

активируются. То есть в них образуются новые изотопы, например: ядро

железа, захватывая нейтрон, превращается в радиоактивный изотоп. Метало-

конструкции после интенсивного облучения нейтронами представляют опасность

для персонала.

Реакция рассеяния.

При взаимодействии нейтрона с ядром возможен случай, когда составное

ядро не образуется. Происходит столкновение и разлет в разные стороны

нейтрона и ядра. В этом случае говорят об упругом рассеянии. Нейтрон,

ударившись о ядро, снижает свою скорость и изменяет направление движения,

этот процесс называют замедлением.

Чем легче ядро, с которым столкнулся нейтрон, тем больше снижение

скорости. В дальнейшем мы увидим, что снижение скорости движения нейтрона,

или другими словами снижение его кинетической энергии (замедление), очень

важный процесс в физике ядерного реактора.

Неупругое рассеяние - это процесс когда, после столкновения с

нейтроном, образуется составное ядро, но из него почти мгновенно вылетают

нейтрон, и гамма квант. В этом случае кинетическая энергия нейтрона

уменьшается на величину энергии гамма кванта и энергии полученной ядром.

Нейтрон замедляется.

В заключении остановимся на условиях, при которых реакция деления будет

самоподдерживающееся. Для этого необходимо, чтобы хотя бы один из

нейтронов, полученный в результате первого акта деления, взывал второй акт

деления. Нейтроны, вызвавшие первые акты деления, называют нейтронами

первого поколения, вторые - второго поколения.

Определение: Коэффициент размножения (Кэф) - это отношение количества

нейтронов второго поколения к количеству нейтронов первого поколения

При Кэф < 1 реакция деления затухает.

При Кэф = 1 реакция деления происходит на постоянной мощности

(нормальный режим работы реактора).

При Кэф > 1 реакция деления разгоняется (увеличение мощности).

Для осуществления преобразования ядерной энергии в электрическую,

необходимо поддерживать в реакторе Кэф = 1.

Управляемая цепная реакция деления.

Нейтроны и вероятность их взаимодействия с ядрами.

На предыдущем занятии мы рассмотрели, возможные реакции взаимодействия

нейтрона с ядрами. Точно определить какая реакция произойдет, в каждом

конкретном случае невозможно, говорят о вероятности протекания той или иной

реакции. Для оценки вероятности введена величина эффективного сечения

реакции.

Определение: микроскопическое сечение реакции [pic]- представляет собой

эффективную площадь поперечного сечения вокруг ядра, попав в которую

налетающий нейтрон вызовет данную ядерную реакцию.

Чем больше сечение реакции, тем больше вероятность этой реакции.

Если умножить микроскопическое сечение реакции k, [pic]k на количество

ядер в единице объема Nj, то получим макроскопическое сечение реакции

[pic].

[pic]

Что влияет на микроскопическое сечение реакций (вероятность реакций)?

Основной фактор, это энергия нейтрона, которую он имеет перед столкновением

с ядром.

Нейтроны, сталкивающиеся с ядрами обладают различной энергией. В физике

ядерного реактора принята единица измерения энергии - мега электрон-вольт

[МэВ] 1 МэВ = 1.602 [pic]10-13 Дж (1 МэВ =1 000 000 эВ). В зависимости от

энергии принято делить нейтроны на группы:

тепловые - энергия движения которых соизмерима энергией теплового

движения среды Е < 0.5 эВ.

замедляющиеся - энергия которых лежит в диапазоне от 0.5 эВ до 2000 эВ.

быстрые - E > 2000 эВ.

Основным топливом в ядерных реакторах является уран, поэтому рассмотрим

вероятность реакции деления изотопов урана под действием нейтронов с

различной энергией.

В результате исследований было установлено, что деление изотопа урана

238U возможно только нейтронами с энергией большей 1 МэВ, но вероятность

деления (сечение реакции деления), при таких энергиях в 4 раза меньше чем

захвата или рассеяния. Другими словами из 5 нейтронов столкнувшихся с ядром

238U, только 1 вызовет деление. При меньших энергиях возможны только

радиационный захват или рассеяние. Причем при энергиях 7 эВ - 200 эВ

сечение захвата очень сильно возрастает (Резонансный захват). Нейтроны

поглощаются без деления и выбывают из цепной реакции.

Для изотопа урана 235U деление возможно нейтронами любых энергий,

однако, вероятность деления (сечение реакции деления) для тепловых

нейтронов в 100 раз больше чем для быстрых нейтронов c энергией 5 - 6 МэВ.

Цепная реакция деления.

Рассмотрим реакцию деления в смеси изотопов урана 238U и 235U.

В отдельных актах деления энергия рождающихся нейтронов может принимать

значения от 100 эВ, до 10 МэВ. Средняя энергия около 2 МэВ. Нейтроны с

такой энергией, могут разделить изотопы 238U, но как было сказано выше, на

1 нейтрон вызвавший деление 238U, придется четыре захваченных без деления,

а в результате деления возникает в среднем 2,5 нейтрона, следовательно,

коэффициент размножения Кэф = 5/2.5 = 0.5 - реакция затухающая. Можно

сделать вывод, что при наличии только одного изотопа 238U осуществить

цепную реакцию невозможно.

Нейтроны рожденные при делении с энергией 2 МэВ, в результате рассеяния

потеряют свою энергию (замедлятся), чем ниже их энергия, тем больше

эффективное сечение деления для изотопа 235U, однако в процессе замедления

в какой-то момент времени энергия нейтронов будет находиться в диапазоне 7

эВ - 200 эВ, где сечение захвата для ядер 238U очень сильно возрастает.

Поэтому до тепловой энергии, где вероятность деления 235U максимальна,

сможет замедлится лишь малая часть нейтронов.

В естественном уране количество изотопа 235U составляет 0.7 % остальное

238U и для осуществления реакции необходимо произвести обогащение,

увеличить концентрацию изотопа 235U таким образом, чтобы нейтроны после

Страницы: 1, 2