Деление ядер урана. Цепные ядерные реакции. Ядерный реактор. Физика. 11 класс.

Комментарии преподавателя

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

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:

ΔE = M(ΔEсв/Mср.я. – ΔEсв./Mт.я.) = М(8,5-7,5) = М МэВ

М – массовое число тяжелого ядра

ΔEсв/Mср.я. – удельная энергия связи для элементов средней части таблицы Менделеева

ΔEсв./Mт.я. – удельная энергия связи для элементов конца таблицы Менделеева

Рис. 1. Принцип деления ядра

Ядро захватывает нейтрон (n),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).

n + M→ MA+ MB+ υn , где

n – нейтрон

М – масса ядра

MA,MB – массы двух осколков

υ – число получившихся нейтронов

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

Рис. 2. График зависимости при делении ядра

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).

Рис. 3. Разрушение ядра

Пусть А1 – первое ядро, которое разрушилось. Кроме двух осколков, на которые разрушилось ядро, появляются нейтроны.

Энергия нейтронов: Enϲ [0.1 ÷ 14] МэВ.

Через время τ~10-3с, 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 Р, тогда коэффициент размножения нейтронов: K = Р*υ, за  время τ.

Изменение количества нейтронов в образце: dN = (K*N-N)dt/ τ

N – первоначальное число нейтронов

dN/N = (K-1)*dt/ τ

N = N0*e(k-1)*t/τ

Если K > 1 – количество нейтронов резко увеличивается, т. е. идет неуправляемая цепная реакция.

Если К = 1 – количество нейтронов не изменилось

Если К < 1 –  количество нейтронов уменьшается, т. е. цепная реакция прекращается.

В природном уране цепная реакция не наблюдается, потому что ее вероятность крайне мала. Он состоит из 99,29% 238U  ( P~0,005) и 0,71% 235U (P~0,9), поэтому К=P* υ ~ 0,01< 1 – цепная реакция почти невозможна.

Замедление нейтронов

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

Для ядра урана dя ~ 7,44*10-15м

Площадь сечения ядра  S = πd2/4~43,5*10-30 = 0,435 барн (1 барн= 10-28 м2).

Эффективное сечение ядра (Ϭ)

для 238U: Ϭ ~ 2,73 барн:  n+238U →239U

для 235U: Ϭ ~ 100 барн:  n+235U →236U

для деления ядра: Ϭ ~ 580 барн

Коэффициент умножения нейтронов для бесконечно большой среды:

К∞ = Рпд*(1-Рз)*Ɛ*υ

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

(1-Рз ) – вероятность того, что нейтрон не будет захвачен другим ядром

Ɛ – коэффициент, который показывается, что при делении 238U тоже появляется какое-то количество быстрых нейтронов

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

Для природного урана: Рпд*(1-Рз )~0,44, Ɛ = 1,03, К∞ ~ 1,08125>1

Коэффициент эффективного разложения нейтронов (Кэфф)

Кэфф = Р* К∞

Вероятность того, что нейтрон сможет принимать участие в дальнейшем делении: Р = 1- dN↑/N

dN↑ – количество нейтронов, которое вылетает из данного объема

Vn   – скорость тепловых нейтронов

N/V – концентрация

S – площадь поверхности, через которую нейтроны покидают объем

τ – время жизни нейтронов

Для квадратного образца: Vn  ~ 2÷3 км/ч, τ=10-3

Кэфф= (1-3/D)* К∞=1 – по данной формуле рассчитываются критические размеры, при которых возможно монотонное течение цепной реакции

Dкр~ 40 м,

Для 235U: mкр ~ 50 кг, 235U: mкр ~ 16 кг, где mкр – 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 238U, если нейтрон попадет в ядро урана, то он станет 239U – β радиоактивный. За период полураспада в 25 минут он превращается в239Np, который за T1/2 = 2,35 дня превращается в 239Р. Плутоний является хорошим ядерным топливом. Плутониевое топливо используется при создании ядерного оружия.

К занятию прикреплен файл  «Это интересно!». Вы можете скачать файл  в любое удобное для вас время.

Использованные источники:

• http://www.umnik-umnica.com/ru/school/physics/11-klass/
• http://www.youtube.com/watch?v=BiiCiBPpRgo
• http://www.youtube.com/watch?v=xk4saTgqa74
• http://www.youtube.com/watch?v=jVd2Cd5Os5g
   

Файлы