Цепная ядерная реакция. Ядерныи реактор

 
 

«...Предыдущие эпохи получили свои названия от различных материалов: был век каменный, бронзовый, железный. Но ни одного из них не было бы, если бы человек не знал огня. Истинное богатство мира — его энергия», — писал английский радиохимик, лауреат Нобелевской премии Фредерик Содди (1877-1956) в своей книге «Материя и энергия». ХХ век можно назвать атомным, ведь именно в этом столетии человек открыл и начал укрощать энергию атомного ядра. О том, как исследования по ядерной физике помогают обеспечить человечество энергией, вы узнаете из этого параграфа.

Узнаём о делении тяжелых ядер и цепной ядерной реакции

В конце 1938 г. немецкие радиохимики Отто Ган (1879-1968) и Фриц Штрассман (1902-1980) проводили опыты с облучением урана нейтронами. К величайшему удивлению ученых, в ходе опытов были обнаружены Барий и некоторые другие элементы средней части Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева.

Изучая неожиданные для того времени результаты опытов, австралийский радиохимик Лиза Мейтнер (1878-1968) и английский физик Отто Фриш (1904-1979) пришли к выводу, что ядро Урана (тяжелое ядро), поглощая нейтрон, распадается на более легкие ядра. Так было открыто расщепление ядра — деление тяжелого атомного ядра на два (реже три) ядра, которые называют осколками деления* (рис. 26.1).

Рис. 26.1. Схема деления ядра Урана. Поглощая нейтрон (а), ядро Урана возбуждается и приобретает вытянутую форму (б); постепенно растягиваясь (е), новое неустойчивое ядро распадается на два осколка (г)

Рис. 26.2. Схематическое изображение цепной ядерной реакции: во время одного акта деления ядра Урана высвобождаются 2 или 3 нейтрона, благодаря которым и развивается цепная ядерная реакция



 

Рассмотрите рис. 26.1 и объясните, почему осколки разлетаются с огромной скоростью. Подсказка: ядерные силы (силы притяжения, удерживающие нуклоны внутри ядра) — близкодействующие, а вот электростатические (кулоновские) силы — дальнодействующие.

Рассматривая схему на рис. 26.1, вы, наверное, обратили внимание на то, что при расщеплении ядра Урана кроме осколков деления высвобождаются нейтроны. Эти нейтроны могут вызвать деление других ядер Урана, которые, в свою очередь, тоже выпустят нейтроны, способные вызвать деление следующих ядер, и т. д. Количество расщепляющихся ядер будет быстро расти — в урановом образце будет протекать цепная ядерная реакция деления (рис. 26.2).

Цепная ядерная реакция сопровождается выделением колоссальной энергии. При делении одного ядра Урана выделяется всего лишь 3,2 10-11 Дж энергии, но если распадутся все ядра, содержащиеся, например, в 1 моль

урана (235 г урана; 6,02 1023 ядер Урана), выделившаяся энергия будет

12

равна примерно 19,2 10 Дж. Столько же энергии выделится, если сжечь 450 т нефти.

Знакомимся со строением ядерного реактора

Цепная реакция деления, происходящая в уране и некоторых других веществах, является основой для преобразования ядерной энергии в тепловую и электрическую. Вспомните: при цепной реакции непрерывно появляются все новые и новые осколки деления, движущиеся с большой скоростью. Если урановый стрежень погрузить в холодную воду, то осколки будут

сталкиваться с молекулами воды и отдавать им свою энергию. В результате холодная вода нагреется или даже превратится в пар. Именно так работает ядерный реактор, в котором ядерная энергия преобразуется в тепловую.

Ядерный реактор — устройство, предназначенное для осуществления управляемой цепной ядерной реакции деления, которая всегда сопровождается выделением энергии.

В ядерных реакторах (рис. 26.3) ядерное топливо (уран или плутоний) размещают внутри так называемых тепловыделительных элементов (ТВЭЛов). Продукты деления нагревают оболочки ТВЭЛов, и те передают тепловую энергию воде, которая в данном случае является теплоносителем. Полученная энергия преобразуется в электрическую (рис. 26.4) подобно тому, как это происходит на обычных тепловых электростанциях.

Чтобы управлять цепной ядерной реакцией и исключить вероятность взрыва, используют регулирующие стержни, изготовленные из материала, который хорошо поглощает нейтроны. Так, если температура в реакторе увеличивается, стержни автоматически углубляются в промежутки между ТВЭЛами. В результате количество нейтронов, вступающих в реакцию, уменьшается и цепная ядерная реакция замедляется.


Узнаём о термоядерной реакции

Вы уже знаете, что в результате деления тяжелых ядер образуются элементы средней части Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева и выделяется энергия (рис. 26.5, а). Эту энергию называют ядерной, ведь она «скрыта» в ядре атома. Если бы нам «вздумалось» снова соединить осколки деления, нужно было бы затратить такую же энергию.

Рис. 26.3. Схема устройства ядерного реактора

Рис. 26.4. Принцип работы атомной электростанции

Вспомните, на каком фундаментальном законе физики основано последнее утверждение.

Рис. 26.5. Распад тяжелых ядер (а) и синтез легких ядер (б) сопровождаются выделением энергии

А вот если взять ядра изотопов легких элементов, например ядро Дейтерия и ядро Трития, то в результате их соединении энергия будет выделяться* (рис. 26.5, б).

Реакцию слияния легких ядер в более тяжелые, которая происходит при очень высоких температурах (свыше 107 °С) и сопровождается выделением энергии, называют термоядерным синтезом.

Высокие температуры, то есть большие кинетические энергии ядер, нужны для того, чтобы преодолеть силы электрического отталкивания ядер (одноименно заряженных частиц). Без этого невозможно сблизить легкие ядра на такие расстояния, на которых начинают действовать ядерные силы притяжения.

В природе термоядерные реакции происходят в недрах звезд, где изотопы Гидрогена преобразуются в Гелий (см. рис. 26.5, б). Так, в результате термоядерных реакций, протекающих в недрах Солнца, оно ежесекундно излучает в космическое пространство 3,8 · 1026 Дж энергии. Это колоссальная энергия: чтобы получить столько энергии, нужно сжечь в тысячу раз больше угля, чем содержат все известные запасы на Земле.

Термоядерные реакции — это практически неисчерпаемый источник энергии. Физики уже научились создавать условия для возникновения таких реакций, а вот их использование в промышленном масштабе пока остается на уровне экспериментов.


Учимся решать задачи

Задача. Определите массу Урана-235, расходуемого за сутки реактором атомной электростанции, если выходная электрическая мощность соответствующего блока электростанции равна 1000 МВт, а его КПД — 30 %. Масса одного ядра Урана-235 равна 3,9 · 10 25 кг, а при каждом делении выделяется 3,2 · 10 11 Дж энергии.

Анализ физической проблемы, поиск математической модели Для решения задачи воспользуемся определением КПД:

Здесь -Еполезн — электрическая энергия, которую вырабатывает блок атомной электростанции за сутки: -Еполезн = Вполезн · t (время t выражено в секундах); -Еполн — полная энергия, выделяющаяся в реакторе: -Еполн = E0 · N, где E0 — энергия, выделяющаяся при распаде одного ядра, N — количество распавшихся ядер. Количество ядер Урана-235 выразим через массу

Урана-235 в топливе (m) и массу одного ядра

Даже один блок атомной электростанции вырабатывает энергии больше, чем потребляет крупный город. Действительно, за сутки блок атомной электростанции вырабатывает: E^^ = -Рполезн · t = 1000 МВт · 24 ч=24 000 МВт · ч энергии, а, например, Киев в летние месяцы потребляет в сутки всего лишь 300 МВт · ч.

Подводим итоги

Поглощение нейтрона ядром Урана может вызвать распад ядра. Эта реакция сопровождается высвобождением нейтронов, содержащихся в ядре, а те, в свою очередь, могут вызвать деление других ядер Урана — будет происходить цепная ядерная реакция, сопровождающаяся выделением огромной энергии. Процесс преобразования ядерной энергии в тепловую происходит в ядерных реакторах — устройствах, предназначенных для проведения управляемой цепной ядерной реакции деления.

Выделением энергии сопровождается и процесс синтеза некоторых легких ядер. Такую реакцию называют термоядерной, поскольку для ее начала необходима очень высокая температура. Термоядерные реакции синтеза происходят в недрах звезд. Сейчас ученые работают над созданием термоядерных реакторов — устройств для получения энергии за счет реакции термоядерного синтеза легких ядер, протекающей в плазме при очень высоких температурах (свыше 107 °С).

Контрольные вопросы

1. Какие процессы происходят вследствие поглощения нейтрона ядром Урана?

2. Опишите механизм цепной ядерной реакции. 3. Какие преобразования энергии происходят в ядерных реакторах? 4. Как работает атомная электростанция? 5. Какой процесс называют термоядерным синтезом? 6. Откуда «берут» энергию звёзды?

Упражнение № 26

1. В ясный солнечный день на каждый 1 м2 открытой горизонтальной поверхности ежесекундно попадает 650 Дж солнечной энергии. Сколько солнечной энергии попадает на крышу здания за час, если площадь крыши равна 100 м2? Сколько (в килограммах) сухих дров необходимо сжечь, чтобы получить такое же количество энергии (удельная теплота сгорания сухих дров — 10 МДж/кг)? Подумайте, где вам могут понадобиться подобные расчеты.

2. Сколько энергии можно получить при делении 1 г Урана-235, если при делении каждого ядра выделяется энергия, равная 3,2 · 1011 Дж?

3. Мощность реактора атомного ледокола — 80 000 кВт. Потребление реактором Урана-235 составляет 500 г в сутки. Определите КПД реактора.

4. Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и выясните, когда была осуществлена первая управляемая цепная ядерная реакция; когда и где был создан первый промышленный ядерный реактор; существуют ли на нашей планете места, где происходила естественная цепная ядерная реакция.

Физика и техника в Украине

Институт ядерных исследований НАНУ (Киев) — ведущее научное учреждение в области ядерной физики и атомной энергетики. Институт был создан в 1970 г. на базе ядерных отделов Института физики АН УССР.

Основателем и первым директором института был академик НАНУ Митрофан Васильевич Пасечник. Позже учреждение возглавляли академик НАНУ О. Ф. Немец, академик НАНУ И. Н. Вишневский, с 2015 г. директор института — член-корреспондент НАНУ Василий Иванович Слисенко.

Основные направления работы института — фундаментальные и прикладные исследования по ядерной физике низких и средних энергий, физике реакторов, теории ядра, ядерной спектроскопии, ядерной электронике, радиационной физике, термоядерному синтезу, физике плазмы, по взаимодействию нейтронов, протонов, дейтронов, альфа-частиц и тяжелых ядер с ядрами почти всех элементов Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева.

В институте сложились известные научные школы: нейтронной физики, физики ядерных реакций с заряженными частицами, микроскопической теории ядра, ядерной спектроскопии, астрофизики элементарных частиц.

Научные сотрудники института сыграли огромную роль в ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС.

скачать dle 11.0фильмы бесплатно

Популярне з Фізики за 9 клас

Добавити коментар

Автору дуже потрібно знати, чи Вам допоміг даний матеріал?!

    • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
      heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
      winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
      worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
      expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
      disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
      joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
      sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
      neutral_faceno_mouthinnocent
оновити, якщо не видно коду

Коментарів 0


Ми створили сайт TEXTBOOKS з метою розміщення матеріалів (шкільних підручників) Міністерства Освіти України, для покращення освітнього процесу учнів у школах та вузах України.
Онлайн перегляд шкільного матеріалу допоможе Вам знайти якісну відповідь на поставлені питання вчителя.
Використовуйте Наш ресур для підготовки до ЗНО 2021, адже у нас присутні підготовчі курси з математики, української мови та літератури, англіської мови та історії України.