Фізіка
Выдавец: Народная асвета
Памер: 286с.
Мінск 1991
235
ядзер атамаў, якія займаюць у перыядычнай сістэме апошнія месцы (Л«200), прыкладна на 1 МэВ меншая за ўдзельную энергію сувязі ў ядрах элементаў, што знаходзяцца ў сярэдзіне перыядычнай сістэмы (А Таму працэс дзялення
« 100). цяжкіх
ядзер на ядры элементаў сярэдняй часткі перыядычнай сістэмы з’яўляецца «энергетычна выгадным». Сістэма пасля дзялення пераходзіць у стан з мінімальнай унутранай энергіяй. Чым большая энергія сувязі ядра, тым большая энергія павінна вылучацца пры
ўтварэнні ядра і, значыць, тым меншая ўнутраная энергія сістэмы, якая ўтварылася зноў.
Пры дзяленні ядра энергія сувязі, якая прыпадае на кожны нуклон, павялічваецца на 1 МэВ і агульная энергія, якая вылучаецца, павінна быць велізарнай — парадку 200 МэВ. Hi пры якой іншай ядзернай рэакцыі (не звязанай з дзяленнем) такія вялікія энергіі не вылучаюцца.
Непасрэдныя вымярэнні энергіі, якая вылучаецца пры дзяленні ядра урану 'вЮ, пацвердзілі прыведзеныя меркаванні і далі велічыню ~ 200 МэВ. ГІрычым большая частка гэтай энергіі (168 МэВ) прыпадае на кінетычную энергію асколкаў. На рысунку 185 вы бачыце трэкі асколкаў урану, які дзеліцца ў камеры Вільсана.
Энергія, якая вылучаецца пры дзяленні ядзер, мае электрастатычнае, а не ядзернае паходжанне. Вялікая кінетычная энергія, якую маюць асколкі, узнікае ў выніку іх кулонаўскага адштурхвання.
Механізм дзялення ядра. Працэс дзялення атамнага ядра можна растлумачыць на аснове кропельнай мадэлі ядра. Згодна з гэтай мадэллю згустак нуклонаў нагадвае кропельку зараджа
Рыс. 186
236
най вадкасці (рыс. 186, а). Ядзерныя сілы паміж нуклонамі з’яўляюцца караткадзеючымі, падобна да сіл, што дзейнічаюць паміж малекуламі вадкасці. Побач з вялікімі сіламі электрастатычнага адштурхвання паміж пратонамі, якія імкнуцца разарваць ядро на часткі, дзейнічаюць яшчэ большыя ядзерныя сілы прыцяжэння. Гэтыя сілы ўтрымліваюць ядро ад распадў.
Ядро урану235 мае форму шара. Паглынуўшы лішні нейтрон, ядро ўзбуджаецца і пачынае дэфармавацца, набываючы выцягнутую форму (рыс. 186,6). Ядро расцягваецца да таго часу, пакуль сілы адштурхвання паміж палавінкамі выцягнутага ядра не пачынаюць пераважаць над сіламі прыцяжэння, якія дзейнічаюць у перашыйку (рыс. 186, в). Пасля гэтага ядро разрываецца на дзве часткі (рыс. 186, г). Пад дзеяннем кулонаўскіх сіл адштурхвання гэтыя асколкі разлятаюцца са скорасцю, роўнай 1/30 скорасці святла.
Выпраменьванне нейтронаў у працэсе дзялення. Фундаментальным фактам ядзернага дзялення з’яўляецца выпраменьванне ў працэсе дзялення двухтрох нейтронаў. Іменна дзякуючы гэтаму стала магчымым практычнае выкарыстанне ўнутрыядзернай энергіі.
Зразумець, ча’му адбываецца выпраменьванне свабодных нейтронаў, можна, зыходзячы з наступных меркаванняў. Вядома, што адносіна ліку нейтронаў да ліку пратонаў у стабільных ядрах узрастае з павышэннем атамнага нумара. Таму ў асколкаў, што ўзнікаюць пры дзяленні, адносны лік нейтронаў аказваецца большым, чым гэта дапушчальна для ядзер атамаў, якія знаходзяцца ў сярэдзіне табліцы Мендзялеева. У выніку некалькі нейтронаў вызваляецца ў працэсе дзялення. Іх энергія мае розныя значэнні — ад некалькіх мільёнаў электронвольт да зусім малых, блізкіх да нуля.
Дзяленне звычайна адбываецца на асколкі няроўнай масы. Асколкі гэтыя моцна радыеактыўныя, паколькі змяшчаюць лішкавую колькасць нейтронаў. У выніку серыі паслядоўных ₽распадаў урэшце атрымліваюцца стабільныя ізатопы.
У заключэнне адзначым, што існуе спантаннае дзяленне ядзер урану. Яно было адкрыта савецкімі фізікамі Г. М. Флёравым і К А. Петржакам у 1940 г. Перыяд паўраспаду для спантаннага дзялення роўны 10ІЬ гадоў. Гэта ў два мільёны разоў больш за перыяд паўраспаду пры араспадзе урану.
Дзяленне атамных ядзер цяжкіх элементаў магчыма дзякуючы таму, што ўдзельная энергія сувязі гэтых ядзер меншая за ўдзельную энергію сувязі ядзер элементаў сярэдзіны перыядычнай сістэмы Мендзялеева.
237
§ 87. ЛАНЦУГОВЫЯ ЯДЗЕРНЫЯ РЭАКЦЫІ
Пры дзяленні ядра урану вызваляюцца дватры нейтроны. і эта дазваляе ажыццявіць ланцуговую рэакцыю дзялення урану.
Любы з нейтронаў, якія вылятаюць з ядра ў працэсе дзялення, можа ў сваю чаргу выклікаць дзяленне суседняга ядра, якое таксама выпраменьвае нейтроны, здольныя выклікаць далейшае дзяленне. У выніку лік ядзер, якія дзеляцца, вельмі хутка павялічваецца. Узнікае ланцуговая рэакцыя. Ядзернай ланцуговай рэакцыяй называецца рэакцыя, у якой часціцы, што яе выклікаюць (нейтроны), утвараюцца як прадукты гэтай рэакцыі.
Ланцуговая рэакцыя суправаджаецца вылучэннем велізарнай энергіі. Пры дзяленні кожнага ядра вылучаецца каля 200 МэВ. Пры поўным жа дзяленні ўсіх ядзер, якія ёсць у 1 г урану, вылучаецца энергія 2,3 Ю4 кВт • г. Гэта эквівалентна энергіі, атрымліваемай пры згаранні 3 т вугалю або 2,5 т нафты.
Але для ажыццяўлення ланцуговай рэакцыі нельга выкарыстаць любыя ядры, якія дзеляцца пад уплывам нейтронаў. Па раду прычын з ядзер, якія сустракаюцца ў прыродзе, прыгодныя толькі ядры ізатопу урану л масавым лікам 235, г. зн. мО.
Ізатопы урану. Прыродны уран складаецца ў асноўным з двух ізатопаў: 292U і 92U. Але ізатоп 292U складае ўсяго ‘/140 долю ад больш распаўсюджанага ізатопу 29®U.
Ядры 20U дзеляцца пад уплывам як хуткіх, так і павольных нейтронаў. Ядры ж 29®U могуць дзяліцца толькі пад уплывам нейтронаў з энергіяй большай за 1 МэВ. Такую энергію маюць прыкладна 60 % нейтронаў, якія з’яўляюцца пры дзяленні. Аднак прыкладна толькі адзін нейтрон з пяці выклікае дзяленне 2g|U. Астатнія нейтроны захопліваюцца гэтым ізатопам, не робячы дзялення. У выніку ланцуговая рэакцыя з выкарыстаннем чыстага ізатопу 292U немагчыма.
Каэфіцыент размнажэння нейтронаў. Для праходжання ланцуговай рэакцыі няма неабходнасці, каб кожны нейтрон абавязкова выклікаў дзяленне ядра. Неабходна толькі, каб сярэдні лік вызваленых нейтронаў у дадзенай масе урану не памяншаўся з цягам часу.
Гэта ўмова будзе выканана, калі каэфіцыент размнажэння нейтронаў k большы або роўны адзінцы. Каэфіцыентам размнажэння нейтронаў называюць адносіну ліку нейтронаў у якімнебудзь «пакаленні» да ліку нейтронаў папярэдняга «пакалення». Пад зменай пакаленняў разумеюць дзяленне ядзер, пры якім паглынаюцца нейтроны старога «пакалення» і нараджаюцца новыя нейтроны.
Калі й > 1, то лік нейтронаў павялічваецца з цягам часу або застаецца пастаянным і ланцуговая рэакцыя адбываецца 'Пры & < 1 лік нейтронаў памяншаецца і ланцуговая рэакцыя немагчыма.
238
Каэфіцыент размнажэння вызначаецца наступнымі чатырма фактарамі:
1) захопам павольных нейтронаў ядрамі 92U з наступным дзяленнем і захопам хуткіх нейтронаў ядрамі 2g2U і 92b таксама з наступным дзяленнем;
2) захопам нейтронаў ядрамі урану без дзялення;
3) захопам нейтронаў прадуктамі дзялення, запавольнікам (аб ім сказана далей) і канструктыўнымі элементамі ўстаноўкі;
4) вылетам нейтронаў з рэчыва, якое дзеліцца, вонкі.
Толькі першы працэс суправаджаецца павелічэннем ліку нейтронаў (у асноўным за кошт дзялення “lU). Усе астатнія прыводзяць да іх памяншэння. Ланцуговая рэакцыя ў чыстым ізатопе 292U немагчыма, таму што ў гэтым выпадку fe < 1 (лік нейтронаў, якія паглынаюцца ядрамі без дзялення, большы за лік нейтронаў, што зноў утварыліся за кошт дзялення ядзер).
Для стацыянарнага праходжання ланцуговай рэакцыі каэфіцыент размнажэння нейтронаў павінен быць роўны адзінцы. Гэту роўнасць неабходна падтрымліваць з вялікай дакладнасцю. Ужо пры /г = 1,01 амаль імгненна адбудзецца выбух.
Утварэнне плутонію. Важнае значэнне мае захоп, які не выклікае дзялення, нейтронаў ядрамі ізатопу урану 292U Пасля saxony ўтвараецца радыеактыўны ізатоп 2g2U з перыядам паўраспаду 23 мін. Распад адбываецца з выпраменьваннем электрона і ўзнікненнем першага трансуранавага элемента — нептунію:
'^U^Np+Je.
Нептуній у сваю чаргу pрадыеактыўны з перыядам паўраспаду каля двух дзён. У працэсе распаду нептунію ўтвараецца наступны трансуранавы элемент — плутоній:
W+^Pu + _?е.
Плутоній адносна стабільны, паколькі яго перыяд паўраспаду вялікі — парадку 24 000 гадоў. Найважнейшая ўласцівасць плутонію заключаецца ў тым, што ён дзеліцца пад уплывам павольных нейтронаў гэтак жа, як і ізатоп 2ЖФ Таму з дапамогай плутонію таксама можа быць ажыццёўлена ланцуговая рэакцыя, якая суправаджаецца вылучэннем велізарнай энергіі.
Пры ланцуговых ядзерных рэакныях вылучаецца велізарная энергія. Гэта рэакцыя магчыма таму, што пры дзяленні ядзер выпраменьваецца дватры нейтроны. Большая частка энергіі, якая вылучаецца, прыходзіцца на кінетычную энергію асколкаў ядзер, якія дзеляцца.
1. Ад чаго залежыць каэфіцыент размнажэння нейтронаў? 2. Якія ізатопы
урану выкарыстоўваюцца для ажыццяўлення ланцуговай ядзернай рэакцыі?
239
§ 88. ЯДЗЕРНЫ РЭАКТАР
Ядзерным (або атамным) рэактарам называецца ўстройства, у якім ажыццяўляецца кіруемая рэакцыя дзялення ядзер.
Ядры урану, асабліва ядры ізатопу 2^U, найбольш эфектыўна захопліваюць павольныя нейтроны. Імавернасць захопу павольных нейтронаў з наступным дзяленнем ядзер у сотні разоў большая, чым хуткіх. Таму ў ядзерных рэактарах, якія працуюць на натуральным уране, выкарыстоўваюцца запавольнікі нейтронаў для павышэння каэфіцыента размнажэння нейтронаў. Працэсы ў ядзерным рэактары схематычна паказаны на рысунку 187.
Асноўныя элементы ядзернага рэактара. На рысунку 188 прыведзена схема энергетычнай устаноўкі з ядзерным рэактарам.
Асноунымі элементамі ядзернага рэактара з’яўляюцца ядзернае гаручае (W, 2llPu, 20U і інш.), запавольнік нейтронаў (цяжкая або звычайная вада, графіт і г. д.), цепланосьбіт для вываду энергіі, якая ўтвараецца пры рабоце рэактара (вада, вадкі натрый і інш.), і прыстасаванне для рэгулявання скорасці рэакцыі (уводзімыя ў рабочую прастору рэактара стрыжні, што змяшчаюць кадмій або бор,— рэчывы, якія добра паглынаюць нейтроны).
Звонку рэактар абкружаюць ахоўнай абалонкай, якая затрымлівае увыпраменьванні і нейтроны. Абалонку робяць з бетону з жалезным запаўняльнікам. J
Лепшым запавольнікам з’яўляецца цяжкая вада (гл. § Звычайна вада сама захоплівае
нентроны і ператвараецца ў цяжкую ваду. Добрым запавольнікам лічыцца таксама графіт, ядры якога не паглынаюць нейтронаў.
КНІГІ ОНЛАЙН
