Радиоактивность

ПЛАН:

 

1.Введения

 

2.Радиоактивность

 

3.Ядерные реакторы

 

4.Инженерные аспекты термоядерного  реактора

 

5.Ядерная реакция. Ядерная  енергетика.

 

6.Гамма-излучения

 

7.Атомный реактор

 

8.Принципы построения  атомной енергетики

 

9.Ядерный синтез завтра

 

10 .Выивод

 

11.Список литератури

ВВЕДЕНИЕ: что изучает  физика?

Физика - наука о природе, изучающая простейшие и вместе с  тем наиболее  общие закономерности  природы, строение и законы движения материи. Физику относят  к точным наукам. Ее понятия и законы составляют основу естествознания. Границы, разделяющие  физику и другие естественные науки, исторически условны. Принято считать, что в своей основе физика является наукой экспериментальной, поскольку  открытые ею законы основаны на установленных  опытным путем данных. Физические законы представляются в виде количественных соотношений, выраженных на языке математики. В целом физика разделяется на экспериментальную, имеющую дело с проведением экспериментов с целью установления новых фактов и проверки гипотез и известных физических законов, и теоретическую, ориентированную на формулировку физических законов, объяснение на основе этих законов природных явлений и предсказание новых явлений.

 

Структура физики сложна. В  нее включаются различные дисциплины или разделы. В зависимости от изучаемых объектов выделяют физику элементарных частиц, физику ядра, физику атомов и молекул, физику газов и  жидкостей, физику плазмы, физику твердого тела. В зависимости от изучаемых  процессов или форм движения материи  выделяют механику материальных точек  и твердых тел, механику сплошных сред (включая акустику), термодинамику  и статистическую механику, электродинамику (включая оптику), теорию тяготения, квантовую механику и квантовую  теорию поля. В зависимости от ориентированности  на потребителя получаемого знания выделяют фундаментальную и прикладную физику. Принято выделять также учение о колебаниях и волнах, рассматривающее  механические, акустические, электрические  и оптические колебания и волны  под единым углом зрения. В основе физики лежат фундаментальные физические принципы и теории, которые охватывают все разделы физики и наиболее полно отражают суть физических явлений  и процессов действительности.

 

            От ранних цивилизаций, возникших  на берегах Тигра, Евфрата и  Нила (Вавилон, Ассирия, Египет), не  осталось никаких свидетельств  о достижениях в области физических  знаний, за исключением овеществленных  в архитектурных сооружениях,  бытовых и т.п. изделиях знаний. Возводя различного рода сооружения  и изготавливая предметы быта, оружия и т.д., люди использовали  определенные результаты многочисленных  физических наблюдений, технических  опытов, их обобщений. Можно сказать,  что существовали определенные  эмпирические физические знания, но не было системы физических  знаний.

 

Физические представления  в Древнем Китае появились  также на основе различного рода технической  деятельности, в процессе которой  вырабатывались разнообразные технологические  рецепты. Естественно, что прежде всего  вырабатывались механические представления. Так, китайцы имели представления  о силе ( то, что заставляет двигаться), противодействии, (то, что останавливает  движение), рычаге, блоке, сравнении  весов (сопоставлении с эталоном). В области оптики китайцы имели  представление об образовании обратного  изображения в "camera obscura". Уже  в шестом веке до н.э. они знали  явления магнетизма -  притяжения железа магнитом, на основе чего был  создан компас. В области акустики им были известны законы гармонии, явления  резонанса. Но это были еще эмпирические представления, не имевшие теоретического объяснения.

 

В Древней Индии основу натурфилософских представлений составляют учение о пяти элементах - земле, воде, огне, воздухе и эфире. Существовала также догадка об атомном строении вещества. Были разработаны своеобразные представления о таких свойствах  материи, как тяжесть, текучесть, вязкость, упругость и т.д., о движении и  вызывающих его причинах. К VI в. до н.э. эмпирические физические представления  в некоторых областях обнаруживают тенденцию перехода в своеобразные теоретические построения (в оптике, акустике).

РАДИОАКТИВНОСТЬ

 

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 a-частицы (ядра  гелия), b- частцы (электроны)  и  g- лучи (электромагнитное излучение  с очень малой длиной волны  ).

 

      Атомное  ядро, испускающее g-кванты, a-, b- или  другие частицы, называется радиоактивным  ядром. В природе существует 272 стабильных атомных ядра. Все  остальные ядра радиоактивны  и называются радиоизотопами.

 

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.

 

Бета-распад.

 

Это процесс превращения  атомного ядра в другое ядро с изменением порядкового номера без изменения  массового числа. Различают три  типа b-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 b -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).

 

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.

 

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.

 

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.

Ядерные реакторы.

 

 

При делении тяжелых ядер образуется несколько свободных  нейтронов. Это позволяет организовать так называемую цепную реакцию деления, когда нейтроны, распространяясь  в среде, содержащей тяжелые элементы, могут вызвать их деление с  испусканием новых свободных  нейтронов. Если среда такова, что  число вновь рождающихся нейтронов  увеличивается, то процесс деления  лавинообразно нарастает. В случае, когда число нейтронов при  последующих делениях уменьшается, цепная ядерная реакция затухает.

 

Для получения стационарной цепной ядерной реакции, очевидно, необходимо создать такие условия, чтобы  каждое ядро, поглотившее нейтрон, при  делении выделяло в среднем один нейтрон, идущий на деление второго  тяжелого ядра.   

 

Ядерным реактором называется устройство, в котором осуществляется и поддерживается управляемая цепная реакция деления некоторых тяжелых  ядер.

 

Цепная ядерная реакция  в реакторе может осуществляться только при определенном количестве делящихся ядер, которые могут, делиться при любой энергии нейтронов. Из делящихся материалов важнейшим  является изотоп 235U, доля которого в  естественном уране составляет всего 0,714 %.

 

Хотя 238U и делится нейтронами, энергия которых превышает  1,2 МэВ, однако само поддерживающаяся цепная реакция на быстрых нейтронах  в естественном уране не возможна из-за высокой вероятности не упругого взаимодействия ядер 238U с быстрыми нейтронами. При этом энергия нейтронов  становится ниже пороговой энергии  деления ядер 238U.

 

Использование замедлителя  приводит к уменьшению резонансного поглощения в 238U, так как нейтрон  может пройти область резонансных  энергий в результате столкновения с ядрами замедлителя и поглотиться  ядрами 235U, 239Pu, 233U, сечение деления  которых существенно увеличивается  с уменьшением энергии нейтронов. В качестве замедлителей используют материалы с малым массовым числом и небольшим сечением поглощения (вода, графит, бериллий и др.).

 

Для характеристики цепной реакции  деления используется величина, называемая коэффициентом размножения К. Это  отношение числа нейтронов определенного  поколения к числу нейтронов  предыдущего поколения. Для стационарной цепной реакции  деления К=1. Размножающаяся система (реактор), в которой К=1, называется критической. Если К >1, число нейтронов  в системе увеличивается, и она  в этом случае называется над критической. При К < 1  происходит уменьшение числа нейтронов, и система называется под критической. В стационарном состоянии реактора число вновь  образующихся нейтронов равно числу  нейтронов, покидающих реактор (нейтроны утечки) и поглощающихся в его  пределах. В критическом реакторе присутствуют нейтроны всех энергий. Они  образуют так называемый энергетический спектр нейтронов, который характеризует  число нейтронов различных энергий  в единице объема в любой точке  реактора. Средняя энергия спектра  нейтронов определяется долей замедлителя, делящихся ядер (ядра горючего) и  других материалов, которые входят в состав активной зоны реактора. Если большая часть делений происходит при поглощении тепловых нейтронов, то такой реактор называется реактором на тепловых нейтронах. Энергия нейтронов в такой системе не превышает 0.2 эВ. Если большая часть делений в реакторе происходит при поглощении быстрых нейтронов, такой реактор называется реактором на быстрых нейтронах.

 

В активной зоне реактора на тепловых нейтронах наряду с ядерным  топливом находится значительная масса  замедлителя-вещества, отличающегося  большим сечением рассеяния и  малым сечением поглощения.

 

Активная зона реактора практически  всегда, за исключением специальных  реакторов, окружена отражателем, возвращающим часть нейронов в активную зону за счет многократного рассеяния.

 

В реакторах на быстрых  нейронах активная зона окружена зонами воспроизводства. В них происходит накопление делящихся изотопов. Кроме  того, зоны воспроизводства выполняют  и функции отражателя.

 

В ядерном реакторе происходит накопления продуктов деления, которые  называются шлаками. Наличие шлаков приводит к дополнительным потерям  свободных нейтронов.

 

Ядерные реакторы в зависимости  от взаимного размещения горючего и  замедлителя подразделяются на гомогенные и гетерогенные. В гомогенном реакторе активная зона представляет собой однородную массу топлива, замедлителя и  теплоносителя  в виде раствора, смеси или расплава. Гетерогенным называется реактор, в котором топливо  в виде блоков или тепловыделяющих  сборок размещено в замедлителе, образуя в нем правильную геометрическую решетку.