Ланцюгова ядерна реакція. Ядерний реактор

 
 

«...Попередні епохи отримали назву від певних матеріалів: була доба кам'яна, бронзова, залізна. Але жодної з них не було б, якби людина не знала вогню. Справжнє багатство світу — його енергія», — писав англійський радіохімік, лауреат Нобелівської премії Фредерік Содді (1877-1956) у своїй книзі «Матерія та енергія». ХХ ст. можна сміливо назвати атомним, адже саме в цьому столітті людина відкрила й почала приборкувати енергію атомного ядра. Про те, як допомагають дослідження з ядерної фізики забезпечувати людство енергією, ви дізнаєтесь із цього параграфа.

Дізнаємося про поділ важких ядер і ланцюгову ядерну реакцію

Наприкінці 1938 р. німецькі радіохіміки Отто Ган (1879-1968) і Фріц Штрасман (1902-1980) проводили досліди з опроміненням урану нейтронами. На превеликий подив учених, у ході дослідів було виявлено барій та деякі інші елементи середньої частини Періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва.

Пояснюючи несподівані для вчених того часу результати дослідів, австралійський радіохімік Ліза Мейтнер (1878-1968) і англійський фізик Отто Фріш (1904-1979) дійшли висновку, що ядро Урану (важке ядро), поглинаючи нейтрон, «лускає» — розпадається на більш легкі ядра.

Так було відкрито розщеплення ядра — поділ важкого атомного ядра на два (рідше три) ядра, які називають осколками поділу* (рис. 26.1).

Рис. 26.1. Схема поділу ядра Урану. Поглинаючи нейтрон (а), ядро Урану збуджується й набуває видовженої форми (б); поступово розтягуючись (є), нове нестійке ядро розпадається на два осколки (г)

Рис. 26.2. Схематичне зображення ланцюгової ядерної реакції: під час одного акту поділу ядра Урану вивільняється 2 або 3 нейтрони, завдяки яким і розвивається ланцюгова ядерна реакція



 

Розгляньте рис. 26.1 і поясніть, чому осколки розлітаються з величезною швидкістю. Підказка: ядерні сили (сили притягання, які утримують нуклони всередині ядра) є короткодіючими, а от електростатичні (кулонівські) сили — далекодіючими.

Якщо ви уважно розглянули схему на рис. 26.1, то, мабуть, звернули увагу на те, що під час розщеплення ядра Урану крім осколків поділу вивільняються нейтрони. Ці нейтрони можуть спричинити поділ інших ядер Урану, які в свою чергу також випустять нейтрони, що здатні викликати поділ наступних ядер, і т. д. Кількість ядер, що розщеплюються, буде швидко зростати — в урановому зразку відбуватиметься ланцюгова ядерна реакція поділу (рис. 26.2).

Дуже важливим є той факт, що ланцюгова ядерна реакція супроводжується виділенням величезної кількості енергії. Під час поділу одного ядра Урану виділяється лише 3,2 10-11 Дж енергії, проте якщо розпадуться всі ядра, що містяться, наприклад, в одному молі урану (235 г Урану; 6,02 1023 ядер), енергія, яка виділиться, дорівнюватиме приблизно 19,2 1012 Дж. Стільки ж енергії виділиться, якщо спалити, наприклад, 450 т нафти.

Знайомимося з будовою ядерного реактора

Ланцюгова реакція поділу, яка відбувається в урані та деяких інших речовинах, є основою для перетворення ядерної енергії на теплову й електричну. Згадайте: під час ланцюгової реакції безупинно з’являються нові й нові осколки поділу, які рухаються з великою швидкістю. Якщо урановий стрижень занурити в холодну воду, то осколки зіштовхуватимуться

з молекулами води й віддаватимуть їм свою енергію. У результаті холодна вода нагріється або навіть перетвориться на пару. Саме так працює ядерний реактор, у якому ядерна енергія перетворюється на теплову.

ядерний реактор — пристрій, призначений для здійснення керованої ланцюгової реакції поділу, яка завжди супроводжується виділенням енергії.

У ядерних реакторах (рис. 26.3) ядерне паливо (уран або плутоній) розміщують усередині так званих тепловидільних елементів (ТВЕЛів). Продукти поділу нагрівають оболонки ТВЕЛів, і ті передають енергію воді, яка в даному випадку є теплоносієм. Отримана енергія перетворюється далі на електричну (рис. 26.4) подібно до того, як це відбувається на звичайних теплових електростанціях.


Щоб керувати ланцюговою ядерною реакцією та унеможливити ймовірність вибуху, використовують регулюючі стрижні, виготовлені з матеріалу, що добре поглинає нейтрони. Так, якщо температура в реакторі збільшується, стрижні автоматично заглиблюються в проміжки між ТВЕЛами, в результаті кількість нейтронів, що вступають у реакцію, зменшується і ланцюгова реакція сповільнюється.

Дізнаємося про термоядерну реакцію

Ми з’ясували, що внаслідок поділу важких ядер утворюються елементи середньої частини Періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва і виділяється енергія (рис. 26.5, а). Цю енергію називають ядерною, адже вона «схована» в ядрі атома. Зрозуміло, якби нам спало на думку знову з’єднати осколки поділу, то необхідно було б витратити таку саму енергію.

Згадайте, на якому фундаментальному законі фізики ґрунтується останнє твердження.

А от якщо взяти ядра ізотопів легких елементів, наприклад ядро Дейтерію і ядро Тритію, то внаслідок їх з’єднання енергія буде виділятися* (рис. 26.5, б).

Реакцію злиття легких ядер у більш важкі, яка відбувається за дуже високих температур (понад 107 °С) і супроводжується виділенням енергії, називають термоядерним синтезом.

Високі температури, тобто великі кінетичні енергії ядер, потрібні для того, щоб подолати сили електричного відштовхування ядер (однойменно заряджених частинок). Без цього неможливо зблизити легкі ядра на такі відстані, на яких починають діяти ядерні сили притягання.

У природі термоядерні реакції відбуваються в надрах зір, де ізотопи Гідрогену перетворюються на Гелій (див. рис. 26.5, б). Так, за рахунок термоядерних реакцій, що відбуваються в надрах Сонця, воно щосекунди випромінює в космічний простір 3,8 · 1026 Дж енергії.

Це колосальна енергія — щоб стільки її отримати, потрібно спалити в тисячу разів більше вугілля, ніж мають усі відомі запаси на Землі.

Термоядерні реакції — це майже невичерпне джерело енергії. Фізики вже навчилися створювати умови для виникнення таких реакцій, а от їх використання в промисловому масштабі поки що залишається на рівні експериментів.

Учимося розв'язувати задачі

Задача. Визначте масу Урану-235, яку витрачає за добу реактор атомної електростанції, якщо вихідна електрична потужність відповідного блока електростанції становить 1000 МВт, а його ККД — 30 %. Маса одного ядра Урану-235 дорівнює 3,9 · 10-25 кг, а під час кожного поділу виділяється 3,2 · 10 11 Дж енергії.

Аналіз фізичної проблеми, пошук математичної моделі Для розв’язання задачі скористаємось означенням ККД:

Тут Eкор — електрична енергія, яку виробляє блок атомної електростанції за добу: Eкор = Ркор · t (час t подано в секундах); Eповна — повна енергія, що виділяється в реакторі: Eповна = E0 · N, де E0 — енергія, яка виділяється під час розпаду одного ядра, N — кількість ядер, які розпалися. Кількість ядер в урановому паливі подамо через масу палива (m) і масу

одного ядра

Виходить, що навіть один блок атомної електростанції виробляє енергії більше, ніж споживає велике місто. Дійсно, за добу один блок атомної електростанції виробляє: Eкор = Pкор · t = 1000 МВт · 24 год = 24 000 МВт · год енергії, а, наприклад, Київ у літні місяці споживає за добу лише 300 МВт · год.


Підбиваємо підсумки

Поглинення нейтрона ядром Урану може спричинити розпад ядра. Ця реакція супроводжується звільненням нейтронів, які містяться в ядрі, а ті, у свою чергу, можуть спричинити поділ інших ядер Урану — відбуватиметься ланцюгова ядерна реакція, яка супроводжується виділенням величезної енергії. Процес перетворення ядерної енергії на теплову здійснюється в ядерних реакторах — пристроях, призначених для здійснення керованої ланцюгової реакції поділу.

Виділенням енергії супроводжується і процес синтезу деяких легких ядер. Така реакція отримала назву термоядерної, оскільки для її початку необхідна дуже висока температура. Термоядерні реакції синтезу відбуваються в надрах зір. Зараз вчені працюють над створенням термоядерних реакторів — пристроїв, призначених для отримання енергії за рахунок реакції термоядерного синтезу легких ядер, яка відбувається в плазмі за дуже високих температур (понад 107 °С).

Контрольні запитання

1. Які процеси відбуваються внаслідок поглинання нейтрона ядром Урану?

2. Опишіть механізм ланцюгової ядерної реакції. 3. Які перетворення енергії відбуваються в ядерних реакторах? 4. Як працює атомна електростанція? 5. Який процес називають термоядерним синтезом? 6. Звідки «беруть» енергію зорі?

вправа № 26

1. У ясний сонячний день на кожний 1 м2 відкритої горизонтальної поверхні щосекунди потрапляє 650 Дж сонячної енергії. Скільки сонячної енергії за годину потрапляє на дах будівлі, якщо площа даху дорівнює 100 м2? Скільки (в кілограмах) сухих дров необхідно спалити, щоб отримати ту саму кількість енергії, що потрапляє на дах будівлі від Сонця (питома теплота згоряння сухих дров — 10 МДж/кг)? Поміркуйте, де вам можуть знадобитися подібні розрахунки.

2. Яку кількість енергії можна отримати від ділення 1 г Урану-235, якщо в ході поділу кожного ядра виділяється енергія, що дорівнює 3,2 · 1011 Дж?

3. Потужність реактора атомного криголама — 80 000 кВт. Споживання реактором Урану-235 становить 500 г на добу. Визначте ККД реактора.

4. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та дізнайтеся, коли була здійснена перша керована ланцюгова ядерна реакція; коли і де було створено перший промисловий ядерний реактор; чи існують на нашій планеті місця, де відбувалася природна ланцюгова ядерна реакція.

Фізика і техніка в Україні

Інститут ядерних досліджень нАнУ (Київ) — провідна наукова установа в галузі ядерної фізики та атомної енергетики. Інститут був створений у 1970 р. на базі ядерних відділів Інституту фізики АН УРСР.

Засновником і першим директором інституту був академік НАНУ М. В. Пасічник. Згодом установу очолювали академік НАНУ О. Ф. Німець, академік НАНУ І. М. Вишневський, із 2015 р. директором інституту є член-кореспондент НАНУ Василь Іванович Слісенко.

Основні напрями роботи інституту — фундаментальні та прикладні дослідження з ядерної фізики низьких і середніх енергій, фізики реакторів, теорії ядра, ядерної спектроскопії, ядерної електроніки, радіаційної фізики, термоядерного синтезу, фізики плазми, а також взаємодії нейтронів, протонів, дейтронів, альфа-частинок та важких ядер із ядрами майже всіх елементів Періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва.

Під керівництвом провідних учених в інституті склалися відомі наукові школи: з нейтронної фізики, фізики ядерних реакцій із зарядженими частинками, мікроскопічної теорії ядра, ядерної спектроскопії, неприскорювальної фізики елементарних частинок.

Науковці інституту відіграли визначну роль в усуненні наслідків аварії на Чорнобильській АЕС.

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.