РЕАКЦИИ ЯДЕРНЫЕ В ПРИРОДЕ
- разделяются на 2 класса: термоядерные реакции и реакции под действием ядерноактивных частиц и деления ядер. Первые требуют для своего осуществления температуру ~ несколько млн. градусов и протекают лишь в недрах звезд или при взрывах H-бомб. Вторые происходят в атмосфере и литосфере за счет космического облучения и за счет ядерноактивных частиц в верхних оболочках Земли.
Быстрые космические частицы (средняя энергия ~2 10 9 эв), попадая в атмосферу Земли, вызывают нередко полное расщепление атомов атмосферы (N, О) на более легкие ядерные осколки, включая нейтроны.
Скорость образования последних достигает величины 2,6 нейтрона (см -2 сек -1). Нейтроны взаимодействуют преимущественно с N атмосферы, обеспечивая постоянное образование радиоактивных изотопов
углерода С 14 (T 1/2 = 5568 лет) и трития H 3 (T 1/2 = 12,26 лет) по следующим реакциям N 14 + п
= С 14 + Н 1 ; N 14 + n
= С 12 + Н 3 . Ежегодное образование радиоуглерода в земной атмосфере составляет около 10 кг. Отмечено также образование в атмосфере радиоактивных Be 7 и Cl 39 . Реакции ядерные в литосфере происходят в основном за счет α-частиц и нейтронов, возникающих при распаде долгоживущих радиоактивных элементов (в основном U и Th). Следует отметить накопление Не 3 в некоторых м-лах, содержащих Li (см. Изотопы гелия в геологии),
образование отдельных изотопов неона в эвксените, монаците и др. м-лах по реакциям: О 18 + Не 4 = Ne 21 + п;
Fe 19 + Не = Na 22 + п;
Na 22 → Ne 22 . Образование изотопов аргона в радиоактивных м-лах по реакциям: Cl 35 +
Не = Ar 38 + n
; Cl 35 + Не = К 38 + Н 1 ; К 38 → Ar 38 . При спонтанном и нейтронно-индукцированном делении урана наблюдается образование тяжелых изотопов криптона и ксенона (см. Метод определения абсолютного возраста ксеноновый).
В м-лах литосферы искусственное расщепление атомных ядер вызывает накопление некоторых изотопов в количестве 10 -9 -10 -12 % от массы м-ла.
Геологический словарь: в 2-х томах. - М.: Недра . Под редакцией К. Н. Паффенгольца и др. . 1978 .
Смотреть что такое "РЕАКЦИИ ЯДЕРНЫЕ В ПРИРОДЕ" в других словарях:
Ядерная физика Атомное ядро · Радиоактивный распад · Ядерная реакция Основные термины Атомное ядро · Изотопы · Изобары · Период полураспада · Ма … Википедия
Ядерные реакции между лёгкими ат. ядрами, протекающие при очень высоких темп рах (=108К и выше). Высокие темп ры, т. е. достаточно большие относительные энергии сталкивающихся ядер, необходимы для преодоления электростатич. барьера,… … Физическая энциклопедия
Хим. превращения и ядерные процессы, в к рых появление промежуточной активной частицы (свободного радикала, атома, возбужденной молекулы в хим. превращениях, нейтрона в ядерных процессах) вызывает цепь превращений исходных в в. Примеры хим. Ц. р … Химическая энциклопедия
Одно из новых направлений совр. геол. науки, тесно смыкающееся со смежными разделами физики атомного ядра, геохимии, радиохимии, геофизики, космохимии и космогонии и охватывающее сложные проблемы естественной эволюции атомных ядер в природе и… … Геологическая энциклопедия
Стабильные и радиоактивные изотопы, образующиеся в природных объектах под действием космического излучения, напр., по схеме: XАz + Р → YAZ + an + bр, в которой А = A1+ an + (b 1)р; Z = Z1.+ (b 1)p, где ХAz исходное ядро, Р быстрый… … Геологическая энциклопедия
Термоядерный синтез, реакция слияния легких атомных ядер в более тяжелые ядра, происходящая при сверхвысокой температуре и сопровождающаяся выделением огромных количеств энергии. Ядерный синтез это реакция, обратная делению атомов: в последней… … Энциклопедия Кольера
Ядерные процессы Радиоактивный распад Альфа распад Бета распад Кластерный распад Двойной бета распад Электронный захват Двойной электронный захват Гамма излучение Внутренняя конверсия Изомерный переход Нейтронный распад Позитронный распад… … Википедия
94 Нептуний ← Плутоний → Америций Sm Pu … Википедия
Ядерная физика … Википедия
Книги
- Получение ядерной энергии и редких и драгоценных металлов в результате ядерных превращений. Энергия связи и потенциальная энергия электрического взаимодействияэлектрических зарядов в нейтроне, дейтроне, тритии, гелии-3 и гелии-4
- Получение ядерной энергии и редких и драгоценных металлов в результате ядерных превращений. Энергия связи и потенциальная энергия электрического взаимодействияэлектрических зарядов в нейтроне, дейтр , Ларин В.И.. В первой части настоящей книги рассматриваются разнообразные ядерные реакции по получению энергии и драгоценных металлов в результате принудительных ядерных превращений стабильных изотопов.…
Первая ядерная реакция на земле произошла в Африке около двух миллиардов лет назад. Ученые предполагают, что тогда в ходе геологических процессов была создана своего рода атомная установка мощностью 100 киловатт, которая пульсировала каждые три часа в течение 150 тыс. лет.
Следы существования этих природных ядерных реакторов были обнаружены в районе Окло африканского государства Габон в 1972 году. Ученые обнаружили, что уран в урановой руде, обнаруженной там, подвергался цепной ядерной реакции. В результате высвобождалось большое количество энергии в виде тепла – аналогичный принцип используется в современных ядерных реакторах.
При этом остается загадкой, почему ядерная реакция в Африке не привела к взрыву. На атомных электростанциях используется замедлитель ядерных реакций. Ученые считают, что в природных условиях таким замедлителям реакции стала вода горных ручьев. Вода замедляет движение нейтронов и таким образом приостанавливает ядерную реакцию. Реактор на какое-то время охлаждается, но потом под влиянием энергии нейтронов вода нагревается вновь, закипает, и ядерная реакция продолжается.
Алекс Мешик и его коллеги из университета Вашингтона в Сент-Луисе, Миссури, обнаружили большое ксенона – продукта расщепления атомного ядра – в минерале, представляющем собой фосфат алюминия, возле скал Окло. Ксенон – это газ, но во время охлаждения природного ядерного реактора часть его сохранилась в застывшем виде в фосфате алюминия. Ученые измеряют количество ксенона с тем, чтобы вычислить, насколько долгими были периоды нагревания и охлаждения ядерного реактора.
Современные ядерные реакторы производят радиоактивный ксенон и сходный с ним инертный газ криптон, но оба этих газа улетучиваются в атмосферу. Только в природных условиях эти газы удерживаются внутри кристаллической структуры фосфата. "Может, это поможет нам научиться удерживать эти газы в ядерных реакторах", – говорит Алекс Мешик.
Ядерные реакции постоянно происходят на звездах. Более того, термоядерные реакции - одна из разновидностей ядерных реакций - основной источник энергии на звездах. Однако ядерные реакции в звездах проходят медленнее, чем мы думаем, и, как следствие, сами звезды, а также галактики и вся вселенная чуть старше, чем принято считать – это вытекает из последних астрофизических экспериментов в итальянских горах Гран Сассо.
Большая часть энергии, испускаемой нашими звездами – это энергия, выделяемая при происходящей внутри них реакции слияния четырех ядер водорода с образованием ядер лития. А получаемые ядра лития вовлекаются в так называемый углерод-азот-кислородный цикл. Скорость протекания этого цикла определяется самой медленной из участвующих в нем реакций, той, которая приводит к образованию ядер кислорода в результате слияния ядер азота с протоном. Добиться такого слияния искусственным образом нетрудно – считают ученые. Трудность состоит в том, чтобы сделать это на том же энергетическом уровне, что имеет место в звездах. А уровень этот относительно низок, он обеспечивает всего несколько реакций в день, благодаря чему и существует жизнь, по крайней мере, на нашей планете – иначе (при быстром взаимодействии протона с азотом) Солнце уже давно израсходовало бы свою энергию, оставив всю систему в холодной мгле. В модельных подземных экспериментах выяснилось, что углерод-азот-кислородный цикл проходит в два раза медленнее, чем предполагалось, следовательно возраст самых старых звездных скоплений, по которому судят о возрасте вселенной, увеличивается. И если по прежним подсчетам вселенной было 13 миллиардов лет, то теперь ей никак не меньше 14 миллиардов – заявляет директор лабораторий Гран Сассо Эуженио Коччиа (Eugenio Coccia).
ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ
Ядерные реакции- превращения атомных ядер при взаимодействии с др. ядрами, элементарными частицами или квантами. Такое определение разграничивает собственно ядерные реакции и процессы самопроизвольного превращения ядер при радиоактивном распаде (см. Радиоактивность ), хотя в обоих случаях речь идет об образовании новых ядер.
Ядерные реакции осуществляют под действием налетающих, или бомбардирующих, частиц (нейтроны п, протоны р, дейтроны d, электроны е, ядра атомов различных. элементов) либо квантов, которыми облучают более тяжелые ядра, содержащиеся в мишени. По энергиям бомбардирующих частиц условно различают ядерные реакции при низких (< 1 МэВ), средних (1-100 МэВ) и высоких (> 100 МэВ) энергиях. Разграничивают р-ции на легких ядрах (массовое число ядра мишени А < 50), ядрах ср. массы (50 < А < 100) и тяжелых ядрах (А > 100).
Ядерная реакция может произойти, если две участвующие в ней частицы сближаются на расстояние, меньшее диаметра ядра (около 10 -13 см), т. е. на расстояние, при котором действуют силы внутриядерного взаимодействуют. между составляющими ядра нуклонами. Если обе участвующие в ядерной реакции частицы - и бомбардирующая, и ядро мишени - заряжены положительно, то сближению частиц препятствует сила отталкивания двух положит. зарядов, и бомбардирующая частица должна преодолеть т.наз. кулоновский потенциальный барьер. Высота этого барьера зависит от заряда бомбардирующей частицы и заряда ядра мишени. Для ядер, отвечающих атомам со ср. значениями атомного номера , и бомбардирующих частиц с зарядом +1, высота барьера составляет около 10 МэВ. В случае, если в ядерной реакции участвуют частицы, не обладающие зарядом (нейтроны ), кулоновский потенциальный барьер отсутствует, и ядерные реакции могут протекать с участием частиц, имеющих тепловую энергию (т. е. энергию, отвечающую тепловым колебаниям атомов ).
Обсуждается возможность протекания ядерных реакций не в результате бомбардировки ядер мишени налетающими частицами, а за счет сверхсильного сближения ядер (т. е. сближения на расстояния, сопоставимые с диаметром ядра), находящихся в твердой матрице или на поверхности твердого тела (напр., с участием ядер атомов газа дейтерия , растворенного в палладии ); пока (1995) надежных данных об осуществлении таких ядерных реакций ("холодного термоядерного синтеза") нет.
Ядерные реакции подчиняются тем же общим законам природы, что и обычные хим. реакции (закон сохранения массы и энергии, сохранения заряда, импульса). Кроме того, при протекании ядерных реакций действуют и некоторые специфические законы, не проявляющиеся в хим. реакциях, например, закон сохранения барионного заряда (барионы - тяжелые элементарные частицы ).
Записывать ядерные реакции можно так, как это показано на примере превращения ядер Рu в ядра Кu при облучении плутониевой мишени ядрами неона :
Из этой записи видно, что суммы зарядов слева и справа (94 + 10 = 104) и суммы массовых чисел (242 + 22 = 259 + 5) равны между собой. Т. к. символ хим. элемента однозначно указывает на его атомный номер (заряд ядра), то при записи ядерных реакций значения заряда частиц обычно не указывают. Чаще ядерные реакции записывают короче. Так, ядерную реакцию образования радионуклида 14 С при облучении ядер 14 N нейтронами записывают следующим образом: 14 N(n, р) 14 С.
В скобках указывают сначала бомбардирующую частицу или квант, затем, через запятую, образующиеся легкие частицы или квант. В соответствии с таким способом записи различают (n, р), (d, р), (п, 2п)и др. ядерные реакции .
При столкновении одних и тех же частиц ядерные реакции могут идти различными способами. Например, при облучении алюминиевой мишени нейтронами могут протекать след. ядерные реакции : 27 А1(n,) 28 А1, 27 А1(n, n) 27 А1, 27 А1(n, 2n) 26 А1, 27 А1(n, p) 27 Mg, 27 Al(n,) 24 Na и др. Совокупность сталкивающихся частиц называют входным каналом ядерной реакции , а частицы, рождающиеся в результате ядерной реакции , образуют выходной канал.
Ядерные реакции могут протекать с выделением и поглощением энергии Q. Если в общем виде записать ядерную реакцию как А(a, b)В, то для такой ядерной реакции энергия равна: Q = [(М А + М а) - (М в + М b)] x с 2 , где М -массы участвующих в ядерной реакции частиц; с - скорость света. На практике удобнее пользоваться значениями дефектов масс дельта М (см. Ядро атомное ), тогда выражение для вычисления Q имеет вид: причем из соображения удобства обычно выражают в килоэлектронвольтах (кэВ, 1 а. е. м. = 931501,59 кэВ = 1,492443 х 10 -7 кДж).
Изменение энергии, которым сопровождается ядерная реакция , может в 10 6 раз и более превышать энергию, выделяющуюся или поглощающуюся при хим. реакциях. Поэтому при ядерной реакции становится заметным изменение масс взаимодействующих ядер: выделяемая или поглощаемая энергия равна разности сумм масс частиц до и после ядерной реакции . Возможность выделения огромных количеств энергии при осуществлении ядерных реакций лежит в основе ядерной энергетики . Исследование соотношений между энергиями частиц, участвующих в ядерных реакциях , а также соотношений между углами, под которыми происходит разлет образующихся частиц, составляет раздел ядерной физики - кинематику ядерных реакций.
Механизмы ядерных реакций .
Характер взаимодействия налетающей частицы с ядром мишени зависит от индивидуальных свойств взаимодействующих частиц и энергии налетающей частицы. Налетающая частица может войти в ядро мишени и вылететь из него, лишь изменив свою траекторию. Это явление наз. упругим взаимодействием (или упругим рассеянием). В приведенном выше примере с участием ядер 27 А1 ему отвечает ядерная реакция 27 А1(п, п) 27 А1. Нуклон бомбардирующей частицы, попав в ядро, может столкнуться с нуклоном ядра. Если при этом энергия одного или обоих нуклонов окажется больше, чем энергия, нужная для вылета из ядра, то они оба (или хотя бы один из них) покинут ядро. Это так называемый прямой процесс. Время, за которое он протекает, соответствует времени, за которое бомбардирующая частица проходит через пространство, занимаемое ядром мишени. По оценке, оно равно около 10 -22 с. Прямой процесс возможен при высоких энергиях бомбардирующей частицы.
При средних и невысоких энергиях бомбардирующей частицы ее избыточная энергия перераспределяется между многими нуклонами ядра. Происходит это за время 10 -15 -10 -16 с. Это время отвечает времени жизни так называемого составного ядра ядерной системы, образующейся в ходе ядерной реакции в результате слияния налетающей частицы с ядром-мишенью. За этот период избыточная энергия, полученная составным ядром от налетевшей частицы, перераспределяется. Она может сконцентрироваться на одном или нескольких нуклонах, входящих в составное ядро. В результате составное ядро испускает, напр., дейтрон d, тритон t или частицу.
Если же энергия, привнесенная в составное ядро налетающей частицей, оказалась меньше высоты потенциального барьера, который должна преодолеть вылетающая из составного ядра легкая частица, то в этом случае составное ядро испускает квант (радиационный захват). В результате распада составного ядра образуется относительно тяжелое новое ядро, которое может оказаться как в основном, так и в возбужденном состоянии . В последнем случае будет происходить постепенный переход возбужденного ядра в основное состояние.
Эффективное сечение ядерных реакций .
В отличие от большинства химических
реакций, при которых исходные вещества,
взятые в стехиометрических количествах,
реагируют между собой нацело, ядерную
реакцию
вызывает только небольшая доля из всех
бомбардирующих частиц, упавших на мишень.
Это объясняется тем, что ядро занимает
ничтожно малую часть объема
атома
,
так что вероятность встречи налетающей
частицы, проходящей через мишень, с ядром
атома
очень мала. Кулоновский потенциальный
барьер между налетающей частицей и ядром
(при их одинаковом заряде) также препятствует
ядерной
реакции
. Для количеств. характеристики
вероятности протекания ядерной
реакции
используют понятие эффективного сечения
а. Оно характеризует вероятность перехода
двух сталкивающихся частиц в определенное
конечное состояние и равно отношению
числа таких переходов в единицу времени
к числу бомбардирующих частиц, проходящих
в единицу времени через единичную площадку,
перпендикулярную направлению их движения.
Эффективное сечение имеет размерность
площади и по порядку величины сопоставимо
с площадью поперечного сечения
атомных ядер
(около 10 -28 м 2).
Ранее использовалась внесистемная единица
эффективного сечения - барн (1 барн = 10 -28
м 2).
Реальные значения
для различных ядерных
реакций
изменяются в широких
пределах (от 10 -49 до 10 -22 м 2).
Значение
зависит от природы бомбардирующей частицы,
ее энергии, и, в особенно большой степени,
от свойств облучаемого ядра. В случае
облучения ядер
нейтронами
при варьировании энергии
нейтронов
можно наблюдать т. наз. резонансный захват
нейтронов
,
который характеризуется резонансным
сечением. Резонансный захват наблюдается,
когда кинетическая энергия
нейтрона
близка к энергии одного из стационарных
состояний составного ядра. Сечение, отвечающее
резонансному захвату бомбардирующей
частицы, может на несколько порядков
превышать нерезонансное сечение.
Если бомбардирующая частица способна
вызывать протекание ядерной
реакции
по нескольким каналам, то сумму эффективных
сечений различных процессов, происходящих
с данным облучаемым ядром, часто называют
полным сечением.
Эффективные сечения ядерных
реакций
для ядер различных
изотопов
к.-л. элемента часто
сильно различаются между собой. Поэтому
при использовании смеси
изотопов
для осуществления ядерной
реакции
нужно учитывать эффективные сечения
для каждого
нуклида
с учетом его распространенности
в смеси
изотопов
.
Выходы
ядерных
реакций
Выходы ядерных
реакций
-отношение
числа
актов
ядерных
реакций
к числу частиц, упавших на единицу площади
(1 см 2) мишени, обычно не превышают
10 -6 -10 -3 . Для тонких мишеней
(упрощенно тонкой можно назвать мишень,
при прохождении через которую поток бомбардирующих
частиц заметно не ослабевает) выход ядерной
реакции
пропорционален числу частиц, попадающих
на 1 см 2 поверхности мишени, числу
ядер, содержащихся в 1 см 2 мишени,
а также значению эффективного сечения
ядерной
реакции
. Даже при использовании
такого мощного источника налетающих
частиц, каким является ядерный реактор,
в течение 1 ч удается, как правило, получить
при осуществлении ядерных
реакций
под действием
нейтронов
не более нескольких
мг
атомов
, содержащих новые ядра.
Обычно же масса вещества, полученного
в той или иной ядерной
реакции
, значительно меньше.
Бомбардирующие
частицы.
Для осуществления ядерных
реакций
используют
нейтроны
n,
протоны
р, дейтроны d, тритоны
t,
частицы, тяжелые
ионы
(12 С, 22 Ne,
40 Аr и др.),
электроны
е и
кванты. Источниками
нейтронов
(см.
Нейтронные
источники
)при
проведении ядерных
реакций
служат: смеси металлические
Be и подходящего
излучателя, напр. 226 Ra (т. наз. ампульные
источники), нейтронные генераторы, ядерные
реакторы. Т. к. в большинстве случаев
ядерных
реакций
выше для
нейтронов
с малыми энергиями (тепловые
нейтроны
),
то перед тем, как направить поток
нейтронов
на мишень, их обычно замедляют, используя
парафин
,
графит
и др. материалы. В случае медленных
нейтронов
основный. процесс почти для всех ядер
- радиационный захват - ядерная
реакция
типа
т. к. кулоновский барьер ядра препятствует
вылету
протонов
и
частиц. Под действием
нейтронов
цепные реакции
деления
.
В случае использования в качестве
бомбардирующих частиц
протонов
, дейтронов и др., протекают
несущих положительный заряд, бомбардирующую
частицу ускоряют до высоких энергий (от
десятков МэВ до сотен ГэВ), используя
различные ускорители. Это необходимо
для того, чтобы заряженная частица могла
преодолеть кулоновский потенциальный
барьер и попасть в облучаемое ядро. При
облучении мишеней положительно заряженными
частицами наиб. выходы ядерных
реакций
достигаются при использовании дейтронов.
Связано это с тем, что энергия связи
протона
и
нейтрона
в дейтроне относительно
мала, и соотв., велико расстояние между
протоном
и
нейтроном
.
При использовании в качестве бомбардирующих
частиц дейтронов в облучаемое ядро часто
проникает только один нуклон -
протон
или
нейтрон
, второй нуклон ядра
дейтрона летит дальше, обычно в том же
направлении, что и налетающий дейтрон.
Высокие эффективные сечения могут достигаться
при проведении ядерных
реакций
между дейтронами и
легкими ядрами при сравнительно низких
энергиях налетающих частиц (1-10 МэВ). Поэтому
ядерные
реакции
с участием дейтронов
можно осуществить не только при использовании
ускоренных на ускорителе дейтронов, но
и путем нагревания смеси взаимодействующих
ядер до т-ры около 10 7 К. Такие ядерные
реакции
называют термоядерными. В природных условиях
они протекают лишь в недрах звезд. На
Земле термоядерные реакции с участием
дейтерия
,
дейтерия
и
трития
,
дейтерия
и
лития
и др. осуществлены
при
взрывах
термоядерных (водородных)
бомб.
Для
частиц кулоновский барьер у тяжелых ядер
достигает ~ 25 МэВ. Равновероятны ядерные
реакции
и
Продукты ядерной
реакции
обычно
радиоактивны, для ядерной
реакции
- обычно стабильные ядра.
Для синтеза новых сверхтяжелых хим. элементов
важное значение имеют ядерные
реакции
,
протекающие с участием ускоренных на
ускорителях тяжёлых
ионов
(22 Ne, 40 Аr
и др.). Напр., по ядерной
реакции
м. б. осуществлен синтез
фермия
.
Для ядерных
реакций
с тяжелыми
ионами
характерно большое число выходных каналов.
Например, при бомбардировке ядер 232 Th
ионами
40 Аr образуются ядра Са, Аr, S, Si, Mg, Ne.
Для осуществления ядерных
реакций
под действием
квантов пригодны
кванты высоких энергий (десятки МэВ).
Кванты с меньшими энергиями испытывают
на ядрах только упругое рассеяние. Протекающие
под действием налетающих
квантов ядерные
реакции
называют фотоядерными,
этих реакций достигают 10 30 м 2 .
Хотя
электроны
имеют заряд, противоположный
заряду ядер, проникновение
электронов
в ядро возможно только
в тех случаях, когда для облучения ядер
используют
электроны
, энергия которых превышает
десятки МэВ. Для получения таких
электронов
применяют бетатроны
и др. ускорители.
Исследования ядерных
реакций
дают разнообразную информацию о внутреннем
строении ядер. Ядерные
реакции
с участием
нейтронов
позволяют получать огромное кол-во энергии
в ядерных реакторах. В результате ядерных
реакций
деления
под действием
нейтронов
образуется большое
число различных
радионуклидов
, которые можно использовать,
в частности в
химии
, как
изотопные
индикаторы
.
В ряде случаев ядерные
реакции
позволяют получать
меченые соединения
. Ядерные
реакции
лежат в основе
активационного
анализа
. С
помощью ядерных
реакций
осуществлен синтез
искусственных хим. элементов (технеция
,
прометия
,
трансурановых элементов
, трансактиноидов).
История открытия деления ядер урана
Деление ядер урана было открыто в 1938 г. немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом. Им удалось установить, что при бомбардировке ядер урана нейтронами образуются элементы средней части периодической системы: барий, криптон и др. Правильное толкование этому факту дали австрийский физик Л. Мейтнер и английский физик О. Фриш. Они объяснили появление этих элементов распадом ядер урана, захватившего нейтрон, на две примерно равные части. Это явление получило название деления ядер, а образующиеся ядра - осколков деления.Капельная модель ядра
Объяснить эту реакцию деления можно основываясь на капельной модели ядра. В этой модели ядро рассматривается как капля электрически заряженной несжимаемой жидкости. Кроме ядерных сил, действующих между всеми нуклонами ядра, протоны испытывают дополнительное электростатическое отталкивание, вследствие которого они располагаются на периферии ядра. В невозбужденном состоянии силы электростатического отталкивания скомпенсированы, поэтому ядро имеет сферическую форму (рис. 1).Рис. 1
После захвата ядром
нейтрона образуется промежуточное ядро, которое находится в возбужденном состоянии.
При этом энергия нейтрона равномерно
распределяется между всеми нуклонами,
а само промежуточное ядро деформируется
и начинает колебаться. Если возбуждение
невелико, то ядро (рис. 1, б), освобождаясь
от излишка энергии путем испускания
?
-кванта или нейтрона, возвращается
в устойчивое состояние. Если же энергия
возбуждения достаточно велика, то деформация
ядра при колебаниях может быть настолько
большой, что в нем образуется перетяжка
(рис. 1, в), аналогичная перетяжке между
двумя частями раздваивающейся капли
жидкости. Ядерные силы, действующие в
узкой перетяжке, уже не могут противостоять
значительной кулоновской силе отталкивания
частей ядра. Перетяжка разрывается, и
ядро распадается на два "осколка"
(рис. 1, г), которые разлетаются в противоположные
стороны.
В настоящее время известны около 100 различных
изотопов с массовыми числами примерно
от 90 до 145, возникающих при делении этого
ядра. Две типичные реакции деления этого
ядра имеют вид:
.
Обратите внимание, что в результате деления
ядра, инициированного нейтроном, возникают
новые нейтроны, способные вызвать реакции
деления других ядер. Продуктами деления
ядер урана-235 могут быть и другие изотопы
бария, ксенона, стронция, рубидия и т.
д.
При делении ядер тяжелых атомов () выделяется очень большая энергия -
около 200 МэВ при делении каждого ядра.
Около 80 % этой энергии выделяется в виде
кинетической энергии осколков; остальные
20 % приходятся на энергию радиоактивного
излучения осколков и кинетическую энергию
мгновенных нейтронов.
Оценку выделяющей при делении ядра энергии
можно сделать с помощью удельной энергии
связи нуклонов в ядре. Удельная энергия
связи нуклонов в ядрах с массовым числом
A
? 240 порядка 7,6 МэВ/нуклон, в то время
как в ядрах с массовыми числами A
=
90 – 145 удельная энергия примерно равна
8,5 МэВ/нуклон. Следовательно, при делении
ядра урана освобождается энергия порядка
0,9 МэВ/нуклон или приблизительно 210 МэВ
на один атом урана. При полном делении
всех ядер, содержащихся в 1 г урана, выделяется
такая же энергия, как и при сгорании 3
т угля или 2,5 т нефти.
Цепная ядерная реакция
Цепная ядерная реакция - последовательность единичных ядерных реакций , каждая из которых вызывается частицей, появившейся как продукт реакции на предыдущем шаге последовательности. Примером цепной ядерной реакции является цепная реакция деления ядер тяжёлых элементов, при которой основное число актов деления инициируется нейтронами , полученными при делении ядер в предыдущем поколении.
При делении ядра урана-235, которое вызвано столкновением с нейтроном, освобождается 2 или 3 нейтрона. При благоприятных условиях эти нейтроны могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. На этом этапе появятся уже от 4 до 9 нейтронов, способных вызвать новые распады ядер урана и т. д. Такой лавинообразный процесс называется цепной реакцией. Схема развития цепной реакции деления ядер урана представлена на рис. 3.Рис. 3
Уран встречается в природе в виде двух
изотопов:
(99,3 %) и
(0,7 %). При бомбардировке нейтронами ядра
обоих изотопов могут расщепляться на
два осколка. При этом реакция деления
наиболее интенсивно идет на медленных
(тепловых) нейтронах, в то время как ядра
вступают в реакцию деления только с быстрыми
нейтронами с энергией порядка 1 МэВ. Иначе
энергия возбуждения образовавшихся ядер
оказывается недостаточной для деления,
и тогда вместо деления происходят ядерные
реакции:
.
Изотоп
урана
?
-радиоактивен, период полураспада
23 мин. Изотоп нептуния
тоже радиоактивен, период полураспада
около 2 дней.
.
Изотоп плутония
относительно стабилен, период полураспада
24000 лет. Важнейшее свойство плутония состоит
в том, что он делится под влиянием нейтронов
так же, как. Поэтому с помощью
может быть осуществлена цепная реакция.
Рассмотренная выше схема цепной реакции
представляет собой идеальный случай.
В реальных условиях не все образующиеся
при делении нейтроны участвуют в делении
других ядер. Часть их захватывается неделящимися
ядрами посторонних атомов, другие вылетают
из урана наружу (утечка нейтронов).
Поэтому цепная реакция деления тяжелых
ядер возникает не всегда и не при любой
массе урана.
Коэффициент размножения нейтронов
Развитие цепной реакции характеризуется так называемым коэффициентом размножения нейтронов К , который измеряется отношением числа N i нейтронов, вызывающих деление ядер вещества на одном из этапов реакции, к числу N i-1 нейтронов, вызвавших деление на предыдущем этапе реакции:.
Коэффициент размножения зависит от ряда факторов, в частности от природы и количества делящегося вещества, от геометрической формы занимаемого им объема. Одно и то же количество данного вещества имеет разное значение К . К максимально, если вещество имеет шарообразную форму, поскольку в этом случае потеря мгновенных нейтронов через поверхность будет наименьшей.
Масса делящегося вещества, в котором цепная реакция идет с коэффициентом размножения К = 1, называется критической массой. В небольших кусках урана большинство нейтронов, не попав ни в одно ядро, вылетают наружу.
Значение критической массы определяется геометрией физической системы, ее структурой и внешним окружением. Так, для шара из чистого урана критическая масса равна 47 кг (шар диаметром 17 см). Критическую массу урана можно во много раз уменьшить, если использовать так называемые замедлители нейтронов. Дело в том, что нейтроны, рождающиеся при распаде ядер урана, имеют слишком большие скорости, а вероятность захвата медленных нейтронов ядрами урана-235 в сотни раз больше, чем быстрых. Наилучшим замедлителем нейтронов является тяжелая вода D 2 O. Обычная вода при взаимодействии с нейтронами сама превращается в тяжелую воду.
Хорошим замедлителем является также графит, ядра которого не поглощают нейтронов. При упругом взаимодействии с ядрами дейтерия или углерода нейтроны замедляются до тепловых скоростей.
Применение замедлителей нейтронов и специальной оболочки из бериллия, которая отражает нейтроны, позволяет снизить критическую массу до 250 г.
При коэффициенте размножения К = 1 число делящихся ядер поддерживается на постоянном уровне. Такой режим обеспечивается в ядерных реакторах.
Если масса ядерного топлива меньше критической массы, то коэффициент размножения К < 1; каждое новое поколение вызывает все меньшее и меньшее число делений, и реакция без внешнего источника нейтронов быстро затухает.
Если же масса ядерного топлива больше критической, то коэффициент размножения К > 1 и каждое новое поколение нейтронов вызывает все большее число делений. Цепная реакция лавинообразно нарастает и имеет характер взрыва, сопровождающегося огромным выделением энергии и повышением температуры окружающей среды до нескольких миллионов градусов. Цепная реакция такого рода происходит при взрыве атомной бомбы.
Ядерный реактор
Ядерный реактор - устройство, в котором осуществляется управляемая ядерная цепная реакция , сопровождающаяся выделением энергии. Первый -Ядерный реактор построен в декабре 1942 в США под руководством Э. Ферми . В Европе первый Ядерный реактор запущен в декабре 1946 в Москве под руководством И. В. Курчатова . К 1978 в мире работало уже около тысячи Ядерный реактор различных типов. Составными частями любого Ядерный реактор являются: активная зона с ядерным топливом , обычно окруженная отражателем нейтронов, теплоноситель , система регулирования цепной реакции, радиационная защита, система дистанционного управления. Основной характеристикой Ядерный реактор является его мощность. Мощность в 1 Мет соответствует цепной реакции, в которой происходит 3·10 16 актов деления в 1 сек.
В активной зоне Ядерный реактор находится ядерное топливо, протекает цепная реакция ядерного деления и выделяется энергия. Состояние Ядерный реактор характеризуется эффективным коэффициентом Кэф размножения нейтронов или реактивностью r:
R = (К? - 1)/К эф. (1)
Если К эф > 1, то цепная реакция нарастает во времени, Ядерный реактор находится в надкритичном состоянии и его реактивность r > 0; если К эф < 1 , то реакция затухает, реактор - подкритичен, r < 0; при К ? = 1, r = 0 реактор находится в критическом состоянии, идёт стационарный процесс и число делений постоянно во времени. Для инициирования цепной реакции при пуске Ядерного реактора в активную зону обычно вносят источник нейтронов (смесь Ra и Be , 252 Cf и др.), хотя это и не обязательно, т. к. спонтанное деление ядер урана и космические лучи дают достаточное число начальных нейтронов для развития цепной реакции при К эф > 1.
В качестве делящегося вещества в большинстве Ядерный реактор применяют 235 U . Если активная зона, кроме ядерного топлива (природный или обогащенный уран), содержит замедлитель нейтронов (графит, вода и другие вещества, содержащие лёгкие ядра, см. Замедление нейтронов ), то основная часть делений происходит под действием тепловых нейтронов (тепловой реактор ). В Ядерном реакторе на тепловых нейтронах может быть использован природный уран , не обогащенный 235 U (такими были первые Ядерные реакторы). Если замедлителя в активной зоне нет, то основная часть делений вызывается быстрыми нейтронами с энергией x n > 10 кэв (быстрый реактор ). Возможны также реакторы на промежуточных нейтронах с энергией 1-1000 эв.
По конструкции Ядерный реактор делятся на гетерогенные реакторы , в которых ядерное топливо распределено в активной зоне дискретно в виде блоков, между которыми находится замедлитель нейтронов, и гомогенные реакторы , в которых ядерное топливо и замедлитель представляют однородную смесь (раствор или суспензия). Блоки с ядерным топливом в гетерогенном в Ядерном реакторе, называются тепловыделяющими элементами (ТВЭЛ"ами), образуют правильную решётку; объём, приходящийся на один ТВЭЛ, называется ячейкой. По характеру использования Ядерный реактор делятся на энергетические реакторы и исследовательские реакторы . Часто один Ядерный реактор выполняет несколько функций.
В Условиях критичности Ядерный реактор имеет вид:
К эф = К ? ? Р = 1 , (1)
Где 1 - Р - вероятность выхода (утечки) нейтронов из активной зоны Ядерного реактора, К ? - коэффициент размножения нейтронов в активной зоне бесконечно больших размеров, определяемый для тепловых Ядерных реакторов так называемой «формулой 4 сомножителей»:
К ? = neju. (2)
Здесь n - среднее число вторичных (быстрых) нейтронов, возникающих при делении ядра 235 U тепловыми нейтронами, e - коэффициент размножения на быстрых нейтронах (увеличение числа нейтронов за счёт деления ядер, главным образом ядер 238 U , быстрыми нейтронами); j - вероятность того, что нейтрон не захватится ядром 238 U в процессе замедления, u - вероятность того, что тепловой нейтрон вызовет деление. Часто пользуются величиной h = n/(l + a), где a - отношение сечения радиационного захвата s р к сечению деления s д.
Условие (1) определяет размеры Ядерного реактора. Например, для Ядерного реактора из естественного урана и графита n = 2,4. e » 1,03, eju » 0,44, откуда К ? =1,08. Это означает, что для К ? > 1 необходимо Р<0,93, что соответствует (как показывает теория Ядерного реактора) размерам активной зоны Ядерный реактор ~ 5-10 м. Объём современного энергетического Ядерного реактора достигает сотен м 3 и определяется главным образом возможностями теплосъёма, а не условиями критичности. Объём активной зоны Ядерного реактора в критическом состоянии называется критическим объёмом Ядерного реактора, а масса делящегося вещества - критической массой. Наименьшей критической массой обладают Ядерный реактор с топливом в виде растворов солей чистых делящихся изотопов в воде и с водяным отражателем нейтронов. Для 235 U эта масса равна 0,8 кг , для 239 Pu - 0,5 кг. Наименьшей критической массой обладает 251 Cf (теоретически 10 г). Критические параметры графитового Ядерного реактора с естественным ураном: масса урана 45 т , объём графита 450 м 3 . Для уменьшения утечки нейтронов активной зоне придают сферическую или близкую к сферической форму, например цилиндр с высотой порядка диаметра или куб (наименьшее отношение поверхности к объёму).
Величина n известна для тепловых нейтронов с точностью 0,3% (табл. 1). При увеличении энергии x n нейтрона, вызвавшего деление, n растет по закону: n = n t + 0,15x n (x n в Мэв ), где n t соответствует делению тепловыми нейтронами.
Табл. 1. - Величины n и h) для тепловых нейтронов
(по данным на 1977)
| 233 U |
235 U |
239 Pu |
241 Pu |
| n 2,479 |
2,416 |
2,862 |
2,924 |
| h 2,283 |
2,071 |
2,106 |
2,155 |
Величина (e-1) обычно составляет лишь несколько %, тем не менее роль размножения на быстрых нейтронах существенна, поскольку для больших Ядерных реакторов (К ? - 1) << 1 (графитовые Ядерный реактор с естественным ураном, в которых впервые была осуществлена цепная реакция, невозможно было бы создать, если бы не существовало деления на быстрых нейтронах).
Максимально возможное значение J достигается в Ядерном реакторе, который содержит только делящиеся ядра. Энергетические Ядерные реакторы используют слабо обогащенный
уран (концентрация 235 U ~ 3-5%), и ядра 238 U поглощают заметную часть нейтронов. Так, для естественной смеси изотопов урана максимальное значение nJ = 1,32. Поглощение нейтронов в замедлителе и конструкционных материалах обычно не превосходит 5-20% от поглощения всеми изотопами ядерного топлива. Из замедлителей наименьшим поглощением нейтронов обладает тяжёлая вода, из конструкционных материалов - Al и Zr .Вероятность резонансного захвата нейтронов ядрами 238
U в процессе замедления (1-j) существенно снижается в гетерогенных Ядерных реакторах Уменьшение (1 - j) связано с тем, что число нейтронов с энергией, близкой к резонансной, резко уменьшается внутри блока топлива и в резонансном поглощении участвует только внешний слой блока. Гетерогенная структура Ядерного реактора позволяет осуществить цепной процесс на естественном уране . Она уменьшает величину О, однако этот проигрыш в реактивности существенно меньше, чем выигрыш из-за уменьшения резонансного поглощения.Для расчёта тепловых Ядерных реакторов необходимо определить спектр тепловых нейтронов. Если поглощение нейтронов очень слабое и нейтрон успевает много раз столкнуться с ядрами замедлителя до поглощения, то между замедляющей средой и нейтронным газом устанавливается термодинамическое равновесие (термализация нейтронов), и спектр тепловых нейтронов описывается
Максвелла распределением . В действительности поглощение нейтронов в активной зоне Ядерного реактора достаточно велико. Это приводит к отклонению от распределения Максвелла - средняя энергия нейтронов больше средней энергии молекул среды. На процесс термализации влияют движения ядер, химические связи атомов и др.Выгорание и воспроизводство ядерного топлива .
В процессе работы Ядерного реактора происходит изменение состава топлива, связанное с накоплением в нём осколков деления и с образованием трансурановых элементов , главным образом изотопов Pu . Влияние осколков деления на реактивность Ядерного реактора называется отравлением (для радиоактивных осколков) и зашлаковыванием (для стабильных). Отравление обусловлено главным образом 135 Xe который обладает наибольшим сечением поглощения нейтронов (2,6·10 6 барн ). Период его полураспада T 1/2 = 9,2 ч, выход при делении составляет 6-7%. Основная часть 135 Xe образуется в результате распада 135 ] (Тц = 6,8 ч ). При отравлении Кэф изменяется на 1-3%. Большое сечение поглощения 135 Xe и наличие промежуточного изотопа 135 I приводят к двум важным явлениям: 1) к увеличению концентрации 135 Xe и, следовательно, к уменьшению реактивности Ядерного реактора после его остановки или снижения мощности («йодная яма»). Это вынуждает иметь дополнительный запас реактивности в органах регулирования либо делает невозможным кратковременные остановки и колебания мощности. Глубина и продолжительность йодной ямы зависят от потока нейтронов Ф: при Ф = 5·10 13 нейтрон/см 2 ? сек продолжительность йодной ямы ~ 30 ч , а глубина в 2 раза превосходит стационарное изменение К эф , вызванное отравлением 135 Xe . 2) Из-за отравления могут происходить пространственно-временные колебания нейтронного потока Ф, а значит - и мощности Ядерного реактора.Эти колебания возникают при Ф> 10 13 нейтронов/см 2 ? сек и больших размерах Ядерного реактора.Периоды колебаний ~ 10 ч.
Число различных стабильных осколков, возникающих при делении ядер, велико. Различают осколки с большими и малыми сечениями поглощения по сравнению с сечением поглощения делящегося изотопа. Концентрация первых достигает насыщения в течение нескольких первых суток работы Ядерного реактора (главным образом 149 Sm , изменяющий К эф на 1%). Концентрация вторых и вносимая ими отрицательная реактивность возрастают линейно во времени.
Образование трансурановых элементов в Ядерном реакторе происходит по схемам:
Здесь 3 означает захват нейтрона, число под стрелкой - период полураспада.
Накопление 239 Pu (ядерного горючего) в начале работы Ядерного реактора происходит линейно во времени, причём тем быстрее (при фиксированном выгорании 235 U ), чем меньше обогащение урана. Затем концентрация 239 Pu стремится к постоянной величине, которая не зависит от степени обогащения, а определяется отношением сечений захвата нейтронов 238 U и 239 Pu . Характерное время установления равновесной концентрации 239 Pu ~ 3/ Ф лет (Ф в ед. 10 13 нейтронов/см 2 ?сек). Изотопы 240 Pu , 241 Pu достигают равновесной концентрации только при повторном сжигании горючего в Ядерном реакторе после регенерации ядерного топлива.
Выгорание ядерного топлива характеризуют суммарной энергией, выделившейся в Ядерном реакторе на 1 т топлива. Для Ядерных реакторов, работающих на естественном уране, максимальное выгорание ~ 10 Гвт ?сут/т (тяжело-водные Ядерные реакторы). В Ядерном реакторе со слабо обогащенным ураном (2-3% 235 U ) достигается выгорание ~ 20-30 Гвт-сут/т. В Ядерном реакторе на быстрых нейтронах - до 100 Гвт-сут/т. Выгорание 1 Гвт-сут/т соответствует сгоранию 0,1% ядерного топлива.
При выгорании ядерного топлива реактивность Ядерного реактора уменьшается (в Ядерном реакторе на естественном уране при малых выгораниях происходит некоторый рост реактивности). Замена выгоревшего топлива может производиться сразу из всей активной зоны или постепенно по ТВЭЛ"ам так, чтобы в активной зоне находились ТВЭЛ"ы всех возрастов - режим непрерывной перегрузки (возможны промежуточные варианты). В первом случае Ядерный реактор со свежим топливом имеет избыточную реактивность, которую необходимо компенсировать. Во втором случае такая компенсация нужна только при первоначально с запуске, до выхода в режим непрерывной перегрузки. Непрерывная перегрузка позволяет увеличить глубину выгорания, поскольку реактивность Ядерного реактора определяется средними концентрациями делящихся нуклидов (выгружаются ТВЭЛ"ы с минимальной концентрацией делящихся нуклидов). В табл. 2 приведён состав извлекаемого ядерного топлива (в кг ) в водо-водяном реакторе мощностью 3 Гвт. Выгружается одновременно вся активная зона после работы Ядерного реактора в течение 3 лет и «выдержки» 3 лет (Ф = 3?10 13 нейтрон/см 2 ?сек). Начальный состав: 238 U - 77350, 235 U - 2630, 234 U - 20.
Табл. 2. - Состав выгружаемого топлива,
кг
| 238 и т.д................. |
|
|
И способность использовать ядерную энергию, как в созидательных (атомная энергетика), так и разрушительных (атомная бомба) целях стало, пожалуй, одним из самых значимых изобретений прошлого ХХ века. Ну а в основе всей той грозной силы, что таиться в недрах крохотного атома лежат ядерные реакции. Что такое ядерные реакцииПод ядерными реакциями в физике понимается процесс взаимодействия атомного ядра с другим подобным ему ядром либо разными элементарными частичками, в результате чего происходит изменения состава и структуры ядра. Немного истории ядерных реакцийПервая ядерная реакция в истории была сделана великим ученым Резерфордом в далеком 1919 году во время опытов по обнаружению протонов в продуктах распада ядер. Ученый бомбардировал атомы азота альфа частицами, и при соударении частиц происходила ядерная реакция. А так выглядело уравнение этой ядерной реакции. Именно Резерфорду принадлежит заслуга открытия ядерных реакций. Затем последовали многочисленные опыты ученых по осуществлению различных типов ядерных реакций, например, весьма интересной и значимой для науки была ядерная реакция, вызванная бомбардировкой атомных ядер нейтронами, которую провел выдающийся итальянский физик Э. Ферми. В частности Ферми обнаружил, что ядерные преобразования могут быть вызваны не только быстрыми нейтронами, но и медленными, который двигаются с тепловыми скоростями. К слову ядерные реакции, вызванные воздействием температуры, получили название термоядерных. Что же касается ядерных реакций под действием нейтронов, то они очень быстро получили свое развитие в науке, да еще какое, об этом читайте дальше. Типичная формула ядерной реакции.
Какие ядерные реакции есть в физикеВ целом известные на сегодняшний день ядерные реакции можно разделить на:
Ниже детально напишем о каждой из них. Деление атомных ядерРеакция деления атомных ядер подразумевает распад собственно ядра атома на две части. В 1939 году немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом было открыто деления ядер атома , продолжая исследования своих ученых предшественников, они установили, что при бомбардировке урана нейтронами возникают элементы средней части периодической таблицы Менделеева, а именно радиоактивные изотопы бария, криптона и некоторых других элементов. К сожалению, эти знания первоначально были использованы в ужасающих, разрушительных целях, ведь началась вторая мировая война и немецкие, а с другой стороны, американские и советские ученые наперегонки занимались разработкой ядерного оружия (в основе которого была ядерная реакция урана), закончившейся печально известными «ядерными грибами» над японскими городами Хиросимой и Нагасаки.
Но вернемся к физике, ядерная реакция урана при расщеплении его ядра обладает просто таки колоссальной энергией, которую наука смогла поставить себе на службу. Как же происходит подобная ядерная реакция? Как мы написали выше, она происходит вследствие бомбардировки ядра атома урана нейтронами, от чего ядро раскалывается, при этом возникает огромная кинетическая энергия, порядка 200 МэВ. Но что самое интересное, в качестве продукта ядерной реакции деления ядра урана от столкновения с нейтроном, возникает несколько свободных новых нейтронов, которые, в свою очередь, сталкиваются с новыми ядрами, раскалывают их, и так далее. В результате нейтронов становится еще больше и еще больше ядер урана раскалывается от столкновений с ними – возникает самая настоящая цепная ядерная реакция.
Вот так она выглядит на схеме. При этом коэффициент размножения нейтронов должен быть больше единицы, это необходимое условие ядерной реакции подобного вида. Иными словами, в каждом последующем поколении нейтронов, образованных после распада ядер, их должно быть больше, нежели в предыдущем. Стоит заметить, что по похожему принципу ядерные реакции при бомбардировке могут проходить и во время деления ядер атомов некоторых других элементов, с теми нюансами, что ядра могут бомбардироваться самыми разными элементарными частичками, да и продукты таких ядерных реакций будут разниться, чтобы описать их более детально, нужна целая научная монография Термоядерные реакцииВ основе термоядерных реакций лежат реакции синтеза, то есть, по сути, происходит процесс обратный делению, ядра атомов не раскалываются на части, а наоборот сливаются друг с другом. При этом также происходит выделение большого количества энергии. Термоядерные реакции, как это следует из самого из названия (термо — температура) могут протекать исключительно при очень высоких температурах. Ведь чтобы два ядра атомов слились, они должны приблизиться на очень близкое расстояние друг к другу, при этом преодолев электрическое отталкивание их положительных зарядов, такое возможно при существовании большой кинетической энергии, которая, в свою очередь, возможна при высоких температурах. Следует заметить, что на происходят термоядерные реакции водорода, впрочем, не только на нем, но и на других звездах, можно даже сказать, что именно она лежит в самой основе их природы всякой звезды. Ядерные реакции, видеоИ в завершение образовательное видео по теме нашей статьи, ядерным реакциям.
| |
