Ядерные реакции. Ядерная энергетика

         СОДЕРЖАНИЕ

          Введение                                                                                                       2

          1. ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ АТОМНЫХ ЯДЕР                                                   3

          2. РАДИОАКТИВНОСТЬ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ                                     4

          3. ДЕЛЕНИЕ АТОМНЫХ ЯДЕР                                                                 5

           3.1. Общие сведения                                                                                   5

           3.2. Продукты деления                                                                               6                                                          

         4. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НЕЙТРОНОВ С                                                 

             АТОМНЫМИ ЯДРАМИ                                                                            7

         5. ЦЕПНАЯ ЯДЕРНАЯ РЕАКЦИЯ                        

             ЯДЕРНЫЕ РЕАКТОРЫ                                                                             9                                                   

          6. ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ                       12

           6.1. Особенности ядерного реактора как источника теплоты                 12

           6.2. Устройство энергетических ядерных реакторов                               13

          6.3. Требования к конструкциям активной зоны и                                

                 ее характеристики                                                                                   14

           6.4. Классификация реакторов                                                                     17

          Заключение                                                                                                     19

          Список использованной литературы                                                        20 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

         Энергетика - важнейшая  отрасль народного хозяйства, охватывающая энергетические ресурсы, выработку, преобразование, передачу и использование различных видов энергии, это основа экономики государства.

         В мире идет процесс  индустриализации, который требует  дополнительного расхода материалов, что увеличивает энергозатраты. С ростом населения становятся больше затраты энергии на обработку почвы, уборку урожая, производство удобрений и т.д.

         В настоящее время  многие природные легкодоступные ресурсы  планеты исчерпываются. Добывать сырье  приходится на большой глубине или на морских шельфах. Ограниченные мировые запасы нефти и газа ставят человечество перед перспективой энергетического кризиса. Однако использование ядерной энергии дает человечеству возможность избежать этого. Результаты фундаментальных исследований физики атомного ядра позволяют отвести угрозу энергетического кризиса путем использования энергии, выделяемой при некоторых реакциях атомных ядер.

                    
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

         1 ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ АТОМНЫХ ЯДЕР  

         Экспериментальные измерения масс атомных ядер, выполненные с большой точностью, показывают, что масса ядра всегда меньше суммы масс составляющих его нуклонов.

         Энергия связи - это энергия, которую необходимо затратить, чтобы разделить ядро на составляющие его нуклоны.

         Энергия связи, отнесенная к массовому числу А, называется средней энергией связи нуклона в атомном ядре (энергия связи на один нуклон).

         Энергия связи приблизительно постоянна для всех стабильных ядер и примерно равна 8 МэВ. Исключением  является область легких ядер, где  средняя энергия связи растет от нуля (А=1) до 8 МэВ для ядра ¹² С.

         Аналогично энергии связи на один нуклон можно ввести энергию связи ядра относительно других составных его частей.

         В отличие от средней  энергии связи нуклонов количество энергии связи нейрона и протона изменяется от ядра к ядру.

         Часто вместо энергии  связи используют величину, называемую дефектом массы и равную разности суммы масс нуклонов и массового числа атомного ядра.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

         2 РАДИОАКТИВНОСТЬ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ  

         Явление радиоактивности, или спонтанного распада ядер, было открыто французским физиком А. Беккерелем в 1896г. 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 α -частицы (ядра гелия), β-частицы (электроны) и γ-лучи (электромагнитное излучение с очень малой длиной волны ).

         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 распадаться.

         Существуют альфа-распад, три типа бетта-распада: электронный, позитронный и захват орбитального электрона атомным ядром и гамма-распад. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

         3 ДЕЛЕНИЕ АТОМНЫХ ЯДЕР  

         3.1 Общие сведения.

         Явление деления  тяжелых атомных ядер на два осколка было открыто Ганом и Штрассманом в 1939г. При изучении взаимодействия нейтронов различных энергий и ядер урана. Несколько позже, в 1940г. Советские физики К.А.Петржак и Г.И. Флеров обнаружили самопроизвольное (спонтанное) деление ядер урана. При спонтанном деление и делении, вызванном нейтронами, как правило, образуется асимметричные осколки, отношение масс которых примерно равно 3:2.

         При реакции деления  выделяется очень большая энергия. Энергия деления высвобождается в виде кинетической энергии ядер-осколков, кинетической энергии испускаемых ядрами-осколками электронов, гамма-квантов, нейтрино, нейтронов.

         Основная часть  энергии деления приходится на энергию  ядер-осколков, поскольку под действием  кулоновских сил отталкивания они  приобретают большую кинетическую энергию. Основная часть энергии деления выделяется в виде кинетической энергии ядер-осколков.

         Замечательным и  чрезвычайно важным свойством реакции  деления является то, что в результате деления образуется несколько нейтронов. Это обстоятельство позволяет создать условия для поддержания стационарной или развивающейся во времени цепной реакции деления ядер. Действительно, если в среде, содержащей делящиеся ядра, один нейтрон вызывает реакцию деления, то образующиеся в результате реакции нейтроны могут с определенной вероятностью вызвать деление ядер, что может привести при соответствующих условиях к развитию неконтролируемого процесса деления. Число вторичных нейтронов не постоянно для всех тяжелых ядер и зависит как от энергии вызвавшего деление нейтрона, так и от свойств ядра-мишени. Среди нейтронов деления кроме так называемых мгновенных нейтронов, испускаемых за 10 ^-15 с после процесса деления, есть также и запаздывающие нейтроны. Они испускаются в течении нескольких минут с постепенно убывающей интенсивность. Мгновенные нейтроны составляют более 99% полного числа нейтронов деления, а их энергия заключена в широком диапазоне: от тепловой энергии и до энергии приблизительно равной 10 МэВ.  

         3.2 Продукты деления.

         В результате деления тяжелых ядер образуются, как правило, два ядра-осколка с различной массой. В среднем отношение масс легких и тяжелых осколков равно 2:3. Как правило, ядра-осколки имеют большой избыток нейтронов и поэтому неустойчивы относительно бета-распада. Массовые числа А продуктов деления меняются от 72 до 161, а атомные номера от 30 до 65. Вероятность симметричного деления на два осколка с приблизительно равными массами составляет всего 0,04%. Доля симметричного деления возрастает по мере увеличения энергии первичного нейтрона, вызывающего деление атомного ядра.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

         4 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НЕЙТРОНОВ С АТОМНЫМИ ЯДРАМИ  

         Различные частицы (нейтроны, протоны, электроны, гамма-кванты и  т.д.) могут взаимодействовать с  атомными ядрами. Характер взаимодействия зависит от энергии частиц, их типа и свойств атомного ядра. Для оценки вероятности взаимодействия вводится величина, называемая микроскопическим сечением взаимодействия. Физический смысл ее состоит в следующем. Пусть пучок нейтронов интенсивностью N _o падает на мишень, состоящую из одного слоя ядер. Число ядер на единице поверхности равно М. Предположим, что при прохождении пучка через такой слой часть нейтронов поглотиться в нем и через слой прошло N`. Тогда вероятность взаимодействия одного нейтрона с одним атомным ядром:

         s = (N _o - N`) /(N _o M)

         Это и есть микроскопическое сечение, представляющее собой эффективную  площадь поперечного сечения  атомного ядра, попав в которое  налетающая частица вызывает ядерную  реакцию или испытывает рассеяние.

         В процессе экспериментальных исследований энергетической зависимости сечения взаимодействия частиц и различных атомных ядер было обнаружено, что при определенных энергиях значения сечений резко возрастают, а при дальнейшем увеличении энергии снова уменьшаются. Это явление называется резонансом.

         В практике реакторостроения нейтроны по энергии принято делить на следующие группы: быстрые нейтроны с энергией 0,10 - 10 МэВ, тепловые нейтроны, находящиеся в тепловом равновесии с ядрами среды и имеющие энергию 0,005 - 0,2 эВ, промежуточные (2 - 10 ² эВ) и надтепловые (0,2 - 2 эВ).

         При взаимодействии нейтрона и ядер могут протекать  следующие реакции: упругое рассеяние, неупругое рассеяние, радиационный захват, деление. Вероятность протекания определенной реакции характеризуется микроскопическими сечениями. В зависимости от энергии нейтрона сечения могут изменятся. Так, в области быстрых нейтронов сечение радиационного захвата примерно в 100 раз меньше сечения захвата тепловых нейтронов. Сечение упругого рассеяния, как правило, почти постоянное для энергии выше 1 эВ.

         Наряду с микроскопическими  сечениями на практике используются также макроскопические сечения, под которыми понимают вероятность взаимодействия частицы в единице объема вещества. Если в единице объема число ядер определенного типа есть N , то макроскопическое сечение S = sN. Как и микроскопическое, макроскопическое сечение также характеризует определенный тип ядерной реакции.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

         5 ЦЕПНАЯ ЯДЕРНАЯ РЕАКЦИЯ. 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.