Конспект урока: Ядерные реакции. Деление и синтез ядер. Ядерная энергетика. Источники энергии Солнца и звёзд

Ядерные реакции

Радиоактивные превращения одних атомных ядер в другие при альфа- и бета-распаде обычно происходят самопроизвольно. Атомные ядра, не склонные к самопроизвольному радиоактивному распаду, можно вынудить превращаться в ядра других элементов либо при взаимодействии ядер друг с другом, либо при взаимодействии с налетающими на них частицами. Вынужденные радиоактивные превращения называются ядерными реакциями.

Для запуска ядерной реакции налетающая частица должна попасть в зону действия ядерных сил, поэтому энергия этих частиц должна иметь очень большое значение. Обычно такие реакции осуществляются за счёт бомбардировки веществ пучками ускоренно движущихся частиц.

Впервые ядерная реакция была проведена Резерфордом в 1919 г. — это была реакция расщепления ядра азота при взаимодействии с быстрой альфа-частицей:

${}_7{}^{14}N+{}_2{}^{4}He\to {}_8{}^{17}O+{}_1{}^{1}p$.

В ядерной реакции, осуществлённой учёным, во взаимодействие вступала только одна из 20 000 альфа-частиц. Это связано с тем, что при приближении к ядру атома частица испытывает на себе отталкивающее действие кулоновских сил со стороны протонов в ядре. Чтобы приблизиться к ядру и оказаться в зоне действия ядерных сил, частица должна обладать очень большим запасом кинетической энергии, то есть для осуществления ядерной реакции частица должна иметь очень большую скорость. В опыте Резерфорда такой скоростью обладала только одна из нескольких тысяч.

Энергия, выделяющаяся в реакциях, спровоцированных захватом ядром протона или альфа-частицы, часто оказывается меньше энергии, необходимой для разгона заряженной частицы до необходимой скорости.

Деление ядер урана. Принцип работы атомной электростанции

Если же использовать для запуска ядерной реакции нейтрон, отпадает необходимость сообщать ему большое количество энергии: не испытывая на себе действие кулоновских сил, нейтрон будет попадать в ядро, обладая даже очень маленькой кинетической энергией. Такая реакция будет сопровождаться выделением большого количества энергии.

Рассмотрим пример такой реакции — деление ядер урана при захвате нейтрона:
 

${}_{92}{}^{235}U+{}_0{}^{1}n\to {}_{56}{}^{141}Ba+{}_{36}{}^{92}Kr+3{}_0{}^{1}n$.

Рис. 1. Цепная ядерная реакция

При попадании нейтрона в ядро изотопа урана последний распадается на два осколка: ядра изотопа бария и криптона одновременно высвобождаются три нейтрона. Выделившиеся нейтроны вызывают распад других ядер урана и т. д. Количество выделившихся нейтронов будет стихийно нарастать, также стихийно нарастать будет выделяющаяся энергия — такие реакции называются цепными ядерными реакциями (рис. 1).

Неконтролируемая цепная ядерная реакция приводит к мощному выбросу энергии — такая реакция происходит при взрыве атомной бомбы.

Рис. 2. Ядерный реактор

На атомных электростанциях осуществляется контролируемое деление ядер урана в ядерных реакторах (рис. 2).

 

На рисунке 3 показано устройство ядерного реактора.

 

В активной зоне реактора находятся стержни 5, содержащие ядерное топливо.

Чтобы контролировать ход цепной реакции и при необходимости замедлять или ускорять её протекание, используются управляющие стержни 1. В состав этих стержней входят вещества, активно поглощающие нейтроны: карбид бора и кадмий. Стержни могут опускаться или выниматься из активной зоны реактора.

Рис. 3. Устройство ядерного реактора

Замедлитель нейтронов 4 необходим для уменьшения кинетической энергии свободных нейтронов. Вторичные нейтроны обладают очень большим запасом энергии, а для увеличения количества распадающихся ядер необходимо уменьшить их скорость. В качестве замедлителя используются такие вещества, как обычная вода, тяжёлая вода (соединение атома кислорода и двух атомов дейтерия) и графит.

 

Выделяющееся в процессе цепной реакции тепло поглощается теплоносителем 6. Активная зона реактора окружена теплоизоляционным материалом 3 и биологической защитой 2.

Биологическая защита — это радиационный барьер, состоящий из бетона с железным заполнителем и соединениями бора, создаваемый вокруг активной зоны реактора и системы его охлаждения, необходимый для предотвращения вредного воздействия радиации на персонал, население и окружающую среду.

На рисунке 4 представлена схема работы двухконтурной атомной электростанции.

Рис. 4. Схема работы двухконтурной АЭС

Контур теплоносителя называют первым. Задача теплоносителя — отводить тепло, выделяющееся в реакторе. Контур теплоносителя должен быть замкнут по двум причинам: во-первых, теплоноситель всегда радиоактивен, следовательно, должен быть изолирован; во-вторых, должна поддерживаться высокая чистота теплоносителя во избежание образования различных отложений на элементах контура.
 

Контур рабочего тела называют вторым. Рабочее тело — это вещество, непосредственно совершающее полезную работу по преобразованию внутренней энергии в механическую работу.
 

В двухконтурной электростанции теплоноситель поступает в реактор и парогенератор за счёт работы главного циркулярного насоса. В парогенераторе рабочее тело превращается в пар и поступает в турбину, вал которой соединён с генератором, где механическая энергия преобразуется в электрическую.

Термоядерные реакции

Рассмотрим другой вид ядерных реакций.

Установлено, что удельная энергия связи ядер изотопа гелия ${}_2{}^{4}He$ во много раз превышает удельную энергию связи ядер дейтерия и трития. Следовательно, при синтезе гелия из изотопов водорода можно получить большое количество энергии, по своей величине превышающее энергию, выделяемую при делении ядер тяжёлых элементов.

Для преодоления электрических сил отталкивания между изотопами водорода и сближения их на расстояния, где проявятся ядерные силы, необходимо разогнать частицы до очень больших скоростей — сообщить им большое количество энергии. Следовательно, такие реакции протекают при очень высоких температурах порядка 10⁸ К.

Реакция слияния ядер дейтерия и трития имеет следующий вид:
 

${}_1{}^{2}H+{}_1{}^{3}H\to {}_2{}^{4}He+{}_0{}^{1}n$.
 

Энергия, выделяемая в ходе такой реакции, составляет 17,6 МэВ, что в 3,5 раза больше энергии, выделяемой при делении урана.
 

Создание управляемого термоядерного реактора — важнейшая задача ядерной физики, которая пока что не нашла решения. Однако уже существует проект международного экспериментального термоядерного реактора под названием ITER.
 

Такой реактор был бы намного безопасней ядерного в радиационном отношении: число находящихся в нём радиоактивных веществ сравнительно мало, а в случае аварии высвободившаяся энергия невелика и не сможет привести к разрушению реактора. Конструкция реактора подразумевает, что даже в случае отказа системы охлаждения естественной конвекции будет достаточно для его охлаждения.

Таким образом, ядерный реактор уступает термоядерному не только с точки зрения количества вырабатываемой энергии, но и из соображений безопасности.

Термоядерные реакции протекают и в природе: в недрах Солнца уже несколько миллиардов лет происходят неуправляемые реакции синтеза изотопов водорода. Термоядерные реакции являются источником энергии Солнца и других звёзд.

Итоги

• Ядерные реакции — это превращения атомных ядер, обусловленные их взаимодействием друг с другом или с налетающими на них частицами.
• Закон сохранения массового числа: при любой ядерной реакции сумма протонов и нейтронов до реакции равна сумме протонов и нейтронов после реакции, то есть массовое число не изменяется.
• Термоядерные реакции — это реакции синтеза лёгких ядер в более тяжёлые, происходящие при высоких температурах.