Ядерные реакции. Ядерная энергетика
Госкомвуз РФ
[pic]
Кафедра ОФ
Реферат
Тема:
"Ядерные реакции. Ядерная энергетика"
Группа: А-513
Студент: Кудрин А.А..
Преподаватель: Усольцева Н.Я.
Дата 10.12.96
Новосибирск 1996 г.
Содержание
1. Введение 2
2. Атомное ядро 2
3. ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ АТОМНЫХ ЯДЕР 3
4. РАДИОАКТИВНОСТЬ 3
4.1. Общие сведения. 3
4.2. Альфа-распад. 3
4.3. Бета-распад. 4
4.4. Позитронный бета-распад. 4
4.5. Электронный захват. 4
4.6. Гамма-распад. 5
5. ДЕЛЕНИЕ АТОМНЫХ ЯДЕР 5
5.1. Общие сведения. 5
5.2. Продукты деления. 6
6. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НЕЙТРОНОВ С АТОМНЫМИ ЯДРАМИ 6
7. ЦЕПНАЯ ЯДЕРНАЯ РЕАКЦИЯ 7
7.1. Ядерные реакторы. 7
8. ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ 8
8.1. Особенности ядерного реактора как источника теплоты. 8
8.2. Устройство энергетических ядерных реакторов. 9
8.3. Требования к конструкциям активной зоны и ее характеристики. 10
8.4. Классификация реакторов. 11
9. Заключение. 15
1 Введение
Энергетика - важнейшая отрасль народного хозяйства, охватывающая
энергетические ресурсы, выработку, преобразование, передачу и
использование различных видов энергии. Это основа экономики государства.
В мире идет процесс индустриализации, который требует
дополнительного расхода материалов, что увеличивает энергозатраты. С
ростом населения становится больше энергозатрат на обработку почвы,
уборку урожая, производство удобрений и т.д.
В настоящее время многие природные легкодоступные ресурсы планеты
исчерпываются. Добывать сырье приходится на большой глубине или на
морских шельфах. Ограниченый мировые запасы нефти и газа, казалось бы,
ставят человечество перед перспективой энергетического кризиса. Однако
использование ядерной энергии и угля дает человечеству возможность
избежать этого, результаты фундаментальных исследований физики атомного
ядра позволяют отвести угрозу энергетического кризиса путем использования
энергии, выделяемой при некоторых реакциях атомных ядер.
2 Атомное ядро
Атомное ядро характеризуется зарядом Ze, массой М, спином J,
магнитным и электрическим квадрупольным моментом Q, определенным радиусом
R, изотопическим спином Т и состоит из нуклонов - протонов и нейтронов.
Число нуклонов А в ядре называется массовым числом. Число Z называют
зарядовым числом ядра или атомным номером. Поскольку Z определяет число
протонов, а А - число нуклонов в ядре, то число нейронов в атомном ядре N=A-
Z. Атомные ядра с одинаковыми Z, но различными А называются изотопами. В
среднем на каждое значение Z приходится около трех стабильных изотопов.
Например, 28Si, 29Si, 30Si являются стабильными изотопами ядра Si. Кроме
стабильных изотопов, большинство элементов имеют и нестабильные изотопы,
для которых характерно ограниченное время жизни.
Ядра с одинаковым массовым числом А называются изобарами, а с
одинаковым числом нейтронов-изотонами.
Все атомные ядра разделяются на стабильные и нестабильные. Свойства
стабильных ядер остаются неизменными неограниченно долго. Нестабильные же
ядра испытывают различного рода превращения .
3 ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ АТОМНЫХ ЯДЕР
Экспериментальные измерения масс атомных ядер, выполненные с большой
точностью, показывают, что масса ядра всегда меньше суммы масс составляющих
его нуклонов.
Энергия связи - это энергия, которую необходимо затратить, чтобы
разделить ядро на составляющие его нуклоны.
Энергия связи, отнесенная к массовому числу А, называется средней
энергией связи нуклона в атомном ядре ( энергия связи на один нуклон ).
Энергия связи приблизительно постоянна для всех стабильных ядер и
примерно равна 8 МэВ. Исключением является область легких ядер, где средняя
энергия связи растет от нуля (А=1) до 8 МэВ для ядра 12С.
Аналогично энергия связи на один нуклон можно ввести энергию связи
ядра относительно других составных его частей.
В отличие от средней энергии связи нуклонов количество энергии связи
нейрона и протона изменяется от ядра к ядру.
Часто вместо энергии связи используют величину, называемую дефектом
массы и равную разности масс и массового числа атомного ядра.
4 РАДИОАКТИВНОСТЬ
1 Общие сведения.
Явление радиоактивности, или спонтанного распада ядер, была открыта
французским физиком А. Беккерелем в 1896 г. Он обнаружил, что уран и его
соединения испускают лучи или частицы, проникающие сквозь непрозрачные
тела и способные засвечивать фотопластинку, Беккерель установил, что
интенсивность излучения пропорциональна только концентрации урана и не
зависит от внешних условий (температура, давление) и от того, находится ли
уран в каких-либо химических соединениях.
Английскими физиками Э. Резерфордом и Ф. Содди было доказано,
что во всех радиоактивных процессах происходят взаимные превращения
атомных ядер химических элементов. Изучение свойств излучения,
сопровождающего эти процессы в магнитном и электрическом полях, показало,
что оно разделяется на (-частицы (ядра гелия), (- частцы (электроны) и (-
лучи (электромагнитное излучение с очень малой длиной волны ).
Атомное ядро, испускающее (-кванты, (-, (- или другие частицы,
называется радиоактивным ядром. В природе существует 272 стабильных атомных
ядра. Все остальные ядра радиоактивны и называются радиоизотопами.
2 Альфа-распад.
Энергия связи ядра характеризует его устойчивость к распаду на
составные части. Если энергия связи ядра меньше энергии связи продуктов его
распада, то это означает, что ядро может самопроизвольно (спонтанно)
распадаться. При альфа-распаде альфа-частицы уносят почти всю энергию и
только 2 % ее приходится на вторичное ядро. При альфа-распаде массовое
число изменяется на 4 единицы, а атомный номер на две единицы.
Начальная энергия альфа-частицы составляет 4-10 МэВ. Поскольку альфа-
частицы имеют большую массу и заряд, длина их свободного пробега в воздухе
невелика. Так, например, длина свободного пробега в воздухе альфа-частиц,
испускаемых ядром урана, равна 2,7 см, а испускаемых радием, - 3,3 см.
3 Бета-распад.
Это процесс превращения атомного ядра в другое ядро с изменением
порядкового номера без изменения массового числа. Различают три типа (-
распада: электронный, позитронный и захват орбитального электрона атомным
ядром. тип Последний распада принято также называть К-захватом, поскольку
при этом наиболее вероятно поглощение электрона с ближайшей к ядру К
оболочки. Поглощение электронов с L и М оболочек также возможно, но менее
вероятно. Период полураспада ( -активных ядер изменяется в очень широких
пределах.
Число бета-активных ядер, известных в настоящее время, составляет
около полутора тысяч, но только 20 из них являются естественными бета-
радиоактивными изотопами. Все остальные получены искусственным путем.
Непрерывное распределение по кинетической энергии испускаемых при
распаде электронов объясняется тем обстоятельством, что наряду с электроном
испускается и антинейтрино. Если бы не было антинейтрино, то электроны
имели бы строго определенный импульс, равный импульсу остаточного ядра.
Резкий обрыв спектра наблюдается при значении кинетической энергии, равной
энергии бета-распада. При этом кинетические энергии ядра и антинейтрино
равны нулю и электрон уносит всю энергию, выделяющихся при реакции.
При электронном распаде остаточное ядро имеет порядковый номер на
единицу больше исходного при сохранении массового числа. Это означает, что
в остаточном ядре число протонов увеличилось на единицу, а число нейтронов,
наоборот, стало меньше: N=A-(Z+1).
4 Позитронный бета-распад.
При позитронном распаде сохраняется полное число нуклонов, но в
конечном ядре на один нейтрон больше, чем в исходном. Таким образом,
позитронный распад может быть интерпретирован как реакция превращения
внутри ядра одного протона в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино.
5 Электронный захват.
К электронному захвату относится процесс поглощения атомом одного из
орбитальных электронов своего атома. Поскольку наиболее вероятен захват
электрона с орбиты, наиболее близко расположенных к ядру, то с наибольшей
вероятность поглощаются электроны К-оболочки . Поэтому этот процесс
называется также К-захватом.
С гораздо меньшей вероятностью происходит захват электронов с L-,M-
оболочек. После захвата электрона с К-оболочки происходит ряд переходов
электронов с орбиты на орбиту, образуется новое атомное состояние
испускается рентгеновский квант.
6 Гамма-распад.
Стабильные ядра находятся в состоянии, отвечающем наименьшей энергии.
Это состояние называется основным. Однако путем облучения атомных ядер
различными частицами или высокоэнергитическими протонами им можно передать
определенную энергию и, следовательно, перевести в состояния, отвечающие
большей энергии. Переходя через некоторое время из возбужденного состояния
в основное, атомное ядро может испустить или частицу, если энергия
возбуждения достаточно высока, или высокоэнергетическое электромагнитное
излучение - гамма-квант.
Поскольку возбужденное ядро находится в дискретных энергетических
состояниях, то и гамма-излучение характеризуется линейчатым спектром.
5 ДЕЛЕНИЕ АТОМНЫХ ЯДЕР
1 Общие сведения.
Явление деления тяжелых атомных ядер на два осколка было открыто Ганом
и Штрассманом в 1939 г. При изучении взаимодействия нейтронов различных
энергий и ядер урана. Несколько позже, в 1940 г. Советские физики
К.А.Петржак и Г.И. Флеров обнаружили самопроизвольное (спонтанное) деление
ядер урана. При спонтанном деление и делении, вызванном нейронами, как
правило, образуется асимметричные осколки, отношение масс которых примерно
равно 3 : 2.
При реакции деления выделяется очень большая энергия. Энергия деления
высвобождается в виде кинетической энергии ядер-осколков, кинетической
энергии испускаемых ядрами-осколками электронов, гамма-квантов, нейтрино,
нейтронов.
Основная часть энергии деления приходится на энергию ядер-осколков,
поскольку под действием кулоновских сил отталкивания они приобретают
большую кинетическую энергию. Основная часть энергии деления выделяется в
виде кинетической энергии ядер-осколков.
Замечательным и чрезвычайно важным свойством реакции деления является
то, что в результате деления образуется несколько нейтронов. Это
обстоятельство позволяет создать условия для поддержания стационарной или
развивающейся во времени цепной реакции деления ядер. Действительно, если в
