Деление тяжелых ядер. Реактор.

В лабораториях многих стран в 30-х годах проводились опыты по облучению природного урана нейтронами. В 1938 г. немецкие ученые О. Ган и О. Штрассман при анализе химически чистого урана, облученного нейтронами, обнаружили барий и лантан. Поскольку эти элементы находятся в середине таблицы Менделеева, их появление было непонятным.

Датские физики Л. Мейтнер и О. Фриш объяснили появление этих элементов распадом ядер урана на две примерно равные части. Это явление получило название деления ядер, а образующиеся ядра — осколков деления.

Выше отмечалось (§ 37.11), что при делении тяжелых ядер должна освобождаться энергия. Средняя энергия связи, приходящаяся на один нуклон, тяжелых ядер за счет кулоновских сил отталкивания между протонами почти на 1 МэВ ниже, чем у ядер со средней массой (рис. 37.12). Поскольку в казвдом акте деления участвует более 200 нуклонов, общая энергия, освобождающаяся при делении одного тяжелого ядра, составляет около 200 МэВ. Это соответствует опытным данным.

Н. Бор приписал деление ядер природного урана изотопу что было подтверждено в Ядра поглощая нейтроны, превращаются в ядра которые за очень короткое время распадаются на две примерно одинаковые части.

Наглядную физическую картину деления дает представление ядра в виде положительно заряженной капли жидкости (капельная модель ядра). Ядро, поглотившее нейтрон, находится в возбужденном состоянии, поскольку при захвате нейтрона освобождается его энергия связи в новом ядре (7,6 МэВ для при поглощении быстрого нейтрона ядро получает еще и его кинетическую энергию. Возбужденное ядро, подобно капле ртути при толчке, начинает колебаться, изменяя свою форму. Когда энергия возбуждения невелика, силам поверхностного натяжения удается вернуть ядро к сферической форме (рис. 39.1, а). Если же ядро сильно возбуждено, то его деформация при колебаниях может быть настолько большой (рис. 39.1, б), что в какой-то момент кулоновские силы отталкивания между двумя частями ядра начнут преобладать над ядерными силами сцепления между ними и ядро разорвется на две части, разлетающиеся в противоположные стороны

Осколки деления редко бывают одинаковыми, чаше всего один из них примерно в полтора раза больше другого.

Оказалось, что ядра также могут делиться, но для этого нужны быстрые нейтроны, обладающие энергией более 1,1 МэВ, иначе энергия возбуждения образовавшихся ядер оказывается недостаточной для деления, и тогда вместо деления происходят ядерные реакции, описанные в предыдущем параграфе.

Термоядерный синтез.

Управляемый термоядерный синтез (УТС) — синтез более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью получения энергии, который, в отличие от взрывного термоядерного синтеза (используемого в термоядерных взрывных устройствах), носит управляемый характер. Управляемый термоядерный синтез отличается от традиционной ядерной энергетики тем, что в последней используется реакция распада, в ходе которой из тяжёлых ядер получаются более лёгкие ядра. В основных ядерных реакциях, которые планируется использовать в целях осуществления управляемого термоядерного синтеза, будут применяться дейтерий (²H) и тритий (³H), а в более отдалённой перспективе гелий-3 (³He) и бор-11 (¹¹B).

Атом

Атом состоит из маленького, массивного, положительно заряженного ядра, окруженного электронами. Ядро составляет основную часть массы атома. Оно состоит из нейтронов и протонов (общее название нуклоны), связанных между собой очень большими ядерными силами, намного превышающими электрические силы, которые связывают электроны с ядром. Энергия ядра определяется тем, насколько сильно его нейтроны и протоны удерживаются ядерными силами. Энергия нуклона - это энергия, требуемая, чтобы удалить один нейтрон или протон из ядра. Если два легких ядра соединяются, чтобы сформировать более тяжелое ядро или если тяжелое ядро распадается на два более легких, то в обоих случаях выделяется большое количество энергии.

Ядерная энергия, измеренная в миллионах электрон-вольт, образуется в результате синтеза двух легких ядер, когда, два изотопа водорода, (дейтерия) объединяются в результате следующей реакции:

При этом образуется атом гелия с массой 3 а.е.м. , свободный нейтрон, и 3.2 Мэв, или 5.1 * 10⁶ Дж (1.2 * 10³ кал).

Ядерная энергия также образуется, когда происходит расщепление тяжелого ядра (к примеру ядра изотопа урана-235) вследствие поглощения нейтрона:В итоге распадаясь на цезий-140, рубидий-93, три нейтрона, и 200 Мэв, или 3.2 * 10¹⁶ Дж (7.7 * 10⁸ кал). Ядерная реакция распада выпускает в 10 миллионов раз больше энергии чем при аналогичной химической реакции.

Ядерный Синтез

Выделение ядерной энергии может происходить в нижнем конце кривой энергии при соединение двух легких ядер в одно более тяжелое. Энергия, излучаемая звездами подобно солнцу, является результатом таких же реакций синтеза в их недрах.

При огромном давлении и температуре 15 миллионов градусов C⁰. Существующие там водородные ядра объединяется согласно уравнению (1) и в результате их синтеза образуется энергия солнца.

Ядерный синтез был впервые достигнут на Земле в начале 30-ых годов. В циклотроне - ускорителе элементарных частиц - производили бомбардировку ядер дейтерия. При этом происходило выделение высокой температуры, однако, эту энергию не удавалось использовать. В 1950-ых годах первый крупномасштабный, но не контролируемый процесс выделения энергии синтеза был продемонстрирован в испытаниях термоядерного оружия Соединенными Штатами, СССР, Великобританией и Францией. Однако это была кратковременная и неуправляемая реакция, которая не могла быть использована для получения электроэнергии.

В реакциях распада нейтрон, который не имеет никакого электрического заряда, может легко приближаться и реагировать с расщепляемым ядром, например урана-235. В типичной реакции синтеза, однако, реагирующие ядра имеют положительный электрический заряд и поэтому по закону Кулона отталкиваются, таким образом силы, возникающие вследствие закона Кулона, должны быть преодолены до того, как ядра смогут соединиться. Это происходит, когда температура реагирующегогаза-достаточновысока от 50 до 100 миллионов градусов C⁰. В газе тяжелых водородных изотопов дейтерия и трития при такой температуре происходит реакция синтеза:

выделяя приблизительно 17.6 Мэв. Энергия появляется сначала, как кинетическая энергия гелия-4 и нейтрона, но скоро проявляется в виде высокой температуры в окружающих материалах и газе.

Если при такой высокой температуре, плотность газа составляет 10^-1 атмосфер (т.е. почти вакуум), то активный гелий-4 может передавать свою энергию окружающему водороду. Таким образом, поддерживается высокая температура и создаются условия для протекания самопроизвольной реакции синтеза. При этих условиях происходит «ядерное воспламенение ».

Достижению условий управляемого термоядерного синтеза препятствуют несколько основных проблем. Во-первых, нужно нагреть газ до очень высокой температуры. Во-вторых, необходимо контролировать количество реагирующих ядер в течение достаточно долгого времени. В-третьих, количество выделяемой энергии должно быть больше, чем было затрачено для нагревания и ограничения плотности газа. Следующая проблема - накопление этой энергии и преобразование ее в электричество.

При температурах даже 100000 C⁰ все атомы водорода полностью ионизируются. Газ состоит из электрически нейтральной структуры: положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных свободных электронов. Это состояние называется плазмой.

Плазма, достаточно горяча для синтеза, но не может находиться в обычных материалах. Плазма охладилась бы очень быстро, и стенки сосуда были бы разрушены при перепаде температур. Однако, так как плазма состоит из заряженных ядер и электронов, которые двигаются по спирали вокруг силовых линий магнитного поля, плазма может содержаться в ограниченной магнитным полем области без того, чтобы реагировать со стенками сосуда.

В любом управляемом устройстве синтеза выделение энергии должно превышать энергию, требуемую, для ограничения и нагрева плазмы. Это условие может быть выполнено, когда время заключения плазмы и ее плотность n превышает приблизительно 10¹⁴ . Отношения n > 10¹⁴ называются критерием Лоусона.

Многочисленные схемы магнитного заключения плазмы были испытаны начиная с 1950 в Соединенных Штатах, СССР, Великобритании, Японии и в других местах. Термоядерные реакции наблюдали, но критерий Лоусона редко превышал 10¹² . Однако одно устройство “Токамак” (это название - сокращение русских слов: ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками), первоначально предложенное в СССР Игорем Таммом и Андреем Сахаровым начало давать хорошие результаты в начале 1960-ых.

Токамак

Токамак - это тороидальная вакуумная камера, на которую надеты катушки, создающие сильное тороидальное магнитное поле. Тороидальное магнитное поле равное приблизительно 50000 Гаусс поддерживается внутри этой камеры мощными электромагнитами. Продольный поток нескольких миллионов ампер создается в плазме катушками трансформатора. Замкнутые магнитные полевые линии устойчиво ограничивают плазму.