Реферат: Ядерные реакции. Ядерная энергетика

Госкомвуз РФ

Кафедра ОФ

Реферат

Тема:

«Ядерные реакции.Ядерная энергетика»

Группа: А-513

Студент:Кудрин А.А..

Преподаватель:Усольцева Н.Я.

Дата 10.12.96

Новосибирск1996 г.

Содержание

TOC o «1-3» 1.Введение… GOTOBUTTON_Toc374799092 PAGEREF_Toc374799092 2

2. Атомное ядро… GOTOBUTTON_Toc374799093 PAGEREF_Toc374799093 2

3. ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ АТОМНЫХ ЯДЕР… GOTOBUTTON_Toc374799094 PAGEREF_Toc374799094 3

4. РАДИОАКТИВНОСТЬ… GOTOBUTTON_Toc374799095 PAGEREF_Toc374799095 3

4.1. Общие сведения.… GOTOBUTTON_Toc374799096 PAGEREF_Toc374799096 3

4.2. Альфа-распад.… GOTOBUTTON_Toc374799097 PAGEREF_Toc374799097 3

4.3. Бета-распад.… GOTOBUTTON_Toc374799098 PAGEREF_Toc374799098 4

4.4. Позитронный бета-распад.… GOTOBUTTON_Toc374799099 PAGEREF_Toc374799099 4

4.5. Электронный захват.… GOTOBUTTON_Toc374799100 PAGEREF_Toc374799100 4

4.6. Гамма-распад.… GOTOBUTTON_Toc374799101 PAGEREF_Toc374799101 5

5. ДЕЛЕНИЕ АТОМНЫХ ЯДЕР… GOTOBUTTON_Toc374799102 PAGEREF_Toc374799102 5

5.1. Общие сведения.… GOTOBUTTON_Toc374799103 PAGEREF_Toc374799103 5

5.2. Продукты деления.… GOTOBUTTON_Toc374799104 PAGEREF _Toc3747991046

6. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НЕЙТРОНОВ САТОМНЫМИ ЯДРАМИ… GOTOBUTTON_Toc374799105 PAGEREF_Toc374799105 6

7. ЦЕПНАЯ ЯДЕРНАЯ РЕАКЦИЯ… GOTOBUTTON_Toc374799106 PAGEREF_Toc374799106 7

7.1. Ядерные реакторы.… GOTOBUTTON_Toc374799107 PAGEREF_Toc374799107 7

8. ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЯДЕРНОЙЭНЕРГЕТИКИ… GOTOBUTTON_Toc374799108 PAGEREF_Toc374799108 8

8.1. Особенности ядерногореактора как источника теплоты.… GOTOBUTTON_Toc374799109 PAGEREF_Toc374799109 8

8.2. Устройство энергетическихядерных реакторов.… GOTOBUTTON_Toc374799110 PAGEREF_Toc374799110 9

8.3. Требования к конструкциямактивной зоны и ее характеристики.… GOTOBUTTON_Toc374799111 PAGEREF_Toc374799111 10

8.4. Классификация реакторов.… GOTOBUTTON_Toc374799112 PAGEREF_Toc374799112 11

9. Заключение.… GOTOBUTTON_Toc374799113 PAGEREF_Toc374799113 15

1.

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

В мире идетпроцесс индустриализации, который требует дополнительного расхода материалов,что увеличивает энергозатраты. С ростом населения становится большеэнергозатрат на обработку почвы, уборку урожая, производство удобрений и т.д.

В настоящеевремя многие природные легкодоступные ресурсы планеты исчерпываются. Добыватьсырье приходится на большой глубине или на морских шельфах. Ограниченый мировыезапасы нефти и газа, казалось бы, ставят человечество перед перспективойэнергетического кризиса. Однако использование ядерной энергии и угля даетчеловечеству возможность избежать этого, результаты фундаментальныхисследований физики атомного ядра позволяют отвести угрозу энергетическогокризиса путем использования энергии, выделяемой при некоторых реакциях атомныхядер.

2. Атомное ядро

Атомное ядрохарактеризуется зарядом Ze, массой М, спином J, магнитным иэлектрическим квадрупольным моментом Q, определенным радиусом R, изотопическим спином Т исостоит из нуклонов — протонов и нейтронов.

Числонуклонов А в ядре называется массовымчислом.Число Zназывают зарядовым числом ядра илиатомным номером.Поскольку Zопределяет число протонов, а А — число нуклонов в ядре, то число нейронов в атомном ядре N=A-Z. Атомные ядра с одинаковыми Z, но различными А называются изотопами. В среднем на каждое значение Z приходится около трех стабильныхизотопов. Например, 28Si, 29Si, 30Si являются стабильными изотопами ядра Si. Кроме стабильных изотопов, большинство элементов имеют и нестабильные изотопы, для которых характерно ограниченное времяжизни.

Ядрас одинаковым массовым числом А называются изобарами,а с одинаковым числом нейтронов-изотонами.

Все атомные ядраразделяются на стабильные и нестабильные

. Свойства стабильных ядер остаютсянеизменными неограниченно долго. Нестабильные же ядра испытывают различногорода превращения .

3.

Экспериментальныеизмерения масс атомных ядер

, выполненные с большой точностью, показывают, что масса ядра всегда меньше суммымасс 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 среднейэнергией связи нуклона в атомном ядре ( энергия связи на один нуклон ).

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

Аналогичноэнергия связи на один нуклон можно ввести энергию связи ядра относительнодругих составных его частей.

В отличие отсредней энергии связи нуклоновколичество энергии связи нейрона и протона изменяется от ядра к ядру.

Часто вместоэнергии связи используют величину, называемую дефектом массы и равнуюразности масс и массового числа атомного ядра.

4. 4.1.

Явлениерадиоактивности, или спонтанного распада ядер, была открыта французским физикомА. Беккерелем в 1896 г. Он обнаружил, что уран и его соединения испускают лучиили частицы, проникающие сквозьнепрозрачные тела и способные засвечивать фотопластинку, Беккерель установил,что интенсивность излучения пропорциональна только концентрации урана и независит от внешних условий (температура, давление) и от того, находится ли уранв каких-либо химических соединениях.

Английскими физиками Э. Резерфордом и Ф. Содди было доказано, что во всехрадиоактивных процессах происходятвзаимные превращения атомных ядер химических элементов. Изучение свойствизлучения, 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 радиоактивнымядром. В природе существует 272 стабильных атомных ядра. Все остальные ядрарадиоактивны и называются радиоизотопами.4.2.

Энергия связиядра характеризует его устойчивость к распаду на составныечасти. Если энергия связи ядра меньше энергии связи продуктов его распада, тоэто означает, что ядро может самопроизвольно (спонтанно) распадаться. При альфа-распаде альфа-частицы уносят почти всю энергию итолько 2 % ее приходится на вторичное ядро. При альфа-распаде массовое числоизменяется на 4 единицы, а атомный номер на две единицы.

Начальная энергияальфа-частицы составляет 4-10 МэВ. Поскольку альфа-частицы имеют большую массуи заряд, длина их свободного пробега в воздухе невелика. Так, например, длинасвободного пробега в воздухе альфа-частиц, испускаемых ядром урана, равна 2,7см, а испускаемых радием, — 3,3 см.

4.3.

Это процесспревращения атомного ядра в другое ядро с изменением порядкового номера безизменения массового числа. Различают три типа

b-распада:электронный, позитронный и захват орбитального электрона атомным ядром. тип Последнийраспада принято также называть К-захватом,поскольку при этом наиболее вероятно поглощение электрона с ближайшей к ядру К оболочки. Поглощение электронов с L иМ оболочек также возможно, но менеевероятно. Период полураспада b-активных ядер изменяется в очень широких пределах.

Числобета-активных ядер, известных в настоящее время, составляет около полуторатысяч, но только 20 из них являются естественными бета-радиоактивнымиизотопами. Все остальные получены искусственным путем.

Непрерывноераспределение по кинетической энергии испускаемых при распаде электроновобъясняется тем обстоятельством, что наряду с электроном испускается иантинейтрино. Если бы не было антинейтрино, то электроны имели бы строго определенныйимпульс, равный импульсу остаточного ядра. Резкий обрыв спектра наблюдается призначении кинетической энергии, равной энергии бета-распада. При этом кинетические энергии ядра и антинейтрино равнынулю и электрон уносит всю энергию, выделяющихся при реакции.

При электронномраспаде остаточное ядро имеет порядковый номер на единицу больше исходного присохранении массового числа. Это означает, что в остаточном ядре число протоновувеличилось на единицу, а число нейтронов, наоборот, стало меньше:

N=A-(Z+1).4.4.

При позитронном распаде сохраняется полное числонуклонов, но в конечном ядре на один нейтрон больше, чем в исходном. Такимобразом, позитронный распад может быть интерпретирован как реакция превращениявнутри ядра одного протона в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино.

4.5.

Кэлектронному захвату относится процесс поглощения атомом одного из орбитальныхэлектронов своего атома. Поскольку наиболее вероятен захват электрона с орбиты,наиболее близко расположенных кядру, то с наибольшей вероятность поглощаютсяэлектроны К-оболочки. Поэтому этотпроцесс называется также К-захватом.

С гораздоменьшей вероятностью происходит захватэлектронов с

L-,M-оболочек.После захвата электрона с К-оболочкипроисходит ряд переходов электронов с орбиты на орбиту, образуется новоеатомное состояние испускается рентгеновский квант.4.6.

Стабильные ядра находятся в состоянии,отвечающем наименьшей энергии. Это состояние называется основным. Однако путемоблучения атомных ядер различными частицами или высокоэнергитическими протонамиим можно передать определенную энергию и, следовательно, перевести в состояния,отвечающие большей энергии. Переходя через некоторое время из возбужденногосостояния в основное, атомное ядро может испустить или частицу, если энергиявозбуждения достаточно высока, иливысокоэнергетическое электромагнитное излучение — гамма-квант.

Посколькувозбужденное ядро находится в дискретных энергетических состояниях, то игамма-излучение характеризуется линейчатым спектром.

5. 5.1.

Явление делениятяжелых атомных ядер на два осколка было открыто Ганом и Штрассманом в 1939 г.При изучении взаимодействия нейтронов различных энергий и ядер урана. Несколькопозже, в 1940 г. Советские физики К.А.Петржак и Г.И. Флеров обнаружили самопроизвольное(спонтанное) деление ядер урана. При спонтанном деление и делении, вызванном нейронами,как правило, образуется асимметричные осколки, отношение масс которых примерноравно 3

:2.

При реакцииделения выделяется очень большая энергия. Энергия деления высвобождается в видекинетической энергии ядер-осколков, кинетической энергии испускаемыхядрами-осколками электронов, гамма-квантов, нейтрино, нейтронов.

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

Замечательным ичрезвычайно важным свойством реакции деления является то, что в результатеделения образуется несколько нейтронов. Это обстоятельство позволяет создатьусловия для поддержания стационарной или развивающейся во времени цепнойреакции деления ядер. Действительно, если в среде, содержащей делящиеся ядра,один нейтрон вызывают реакцию деления, то образующиеся в результате реакциинейтроны могут с определенной вероятностью вызвать деление ядер, что можетпривести при соответствующих условиях к развитию неконтролируемого процесса деления.Число вторичных нейтронов не постоянно для всех тяжелых ядер и зависит как отэнергии вызвавшего деление нейтрона, так и от свойств ядра-мишени. Среди нейтроновделения кроме так называемых мгновенных нейтронов, испускаемых за 10

-15 с после процессаделения, есть также и запаздывающие нейтроны. Они испускаются в течениинескольких минут с постепенно убывающей интенсивность. Мгновенные нейтронысоставляют более 99% полного числа нейтронов деления, а их энергия заключена вшироком диапазоне: от тепловой энергии и до энергии приблизительно равной 10 МэВ.

Запаздывающиенейтроны испускаются возбужденными ядрами образующихся после бета-распадапродуктов деления — ядер-предшественников. Поскольку испускание нуклоноввозбужденным ядром происходит мгновенно, то во время испускания запаздывающегонейтрона после акта деления будет определяться постоянной распада ядра-предшественника.

5.2.

В результате деления тяжелых ядер образуются,как правило, два ядра-осколка с различной массой. В среднем отношение масслегких и тяжелых осколков равно 2: 3. Как правило, ядра-осколки имеют большойизбыток нейтронов и поэтому неустойчивы относительно вета-распада. Массовыечисла А продуктов деления меняются от 72 до 161, а атомные номера от 30 до 65.Вероятность симметричного деления на два осколка с приблизительно равнымимассами составляет всего 0,04%. Доля симметричногоделения возрастает по мере увеличения энергии первичного нейтрона, вызывающегоделение атомного ядра.

6.

Различные частицы(нейтроны, протоны, электроны, гамма-кванты и т.д.) могут взаимодействовать сатомными ядрами. Характер взаимодействия зависит от энергии частиц, их типа исвойств атомного ядра. Для оценки вероятности взаимодействия вводится величина,называемая микроскопическим сечением взаимодействия. Физический смысл еесостоит в следующем. Пусть пучок нейтронов интенсивностью

Noпадаетна мишень, состоящую из одного слоя ядер. Число ядер на единице поверхностиравно М. Предположим, что припрохождении пучка через такой слой часть нейтронов поглотиться в нем и черезслой прошло N`. Тогдавероятность взаимодействия одного нейтрона с одним атомным ядром:

s=

No-N`

NoM

Это и естьмикроскопическое сечение, представляющее собой эффективную площадь поперечногосечения атомного ядра, попав в котороеналетающая частица вызывает ядерную реакцию или испытывает рассеяние.

В процессеэкспериментальных исследований энергетической зависимости сечения взаимодействия частиц и различных атомныхядер было обнаружено, что при определенных энергиях значения сечений резковозрастают, а при дальнейшем увеличении энергии снова уменьшаются. Это явлениеназывается резонансом.

В практикереактостроения нейтроны по энергии принято делить на следующие группы: быстрыенейтроны с энергией 0,10 — 10

МэВ,тепловые нейтроны, находящиеся втепловом равновесии с ядрами среды и имеющие энергию 0,005 — 0,2 эВ, ипромежуточные (2 — 102 эВ) и надтепловые (0,2 — 2 эВ).

Привзаимодействии нейтрона и ядер могут протекать следующие реакции: упругоерассеяние, неупругое рассеяние, радиационный захват, деление. Вероятностьпротекания определенной реакции характеризуется микроскопическими сечениями. Взависимости от энергии нейтрона сечения могут изменятся. Так, в области быстрыхнейтронов сечение радиационного захвата примерно в 100 раз меньше сечения захвататепловых нейтронов. Сечение упругого рассеяния, как правило, почти постоянноедля энергии выше 1 эВ.

Наряду смикроскопическими сечениями на практике используются также макроскопическиесечения, под которыми понимают вероятность взаимодействия частицы в единицеобъема вещества. Если в единице объема число ядер определенного типа есть

N,то макроскопическое сечение = микроскопическое сечение S=sN. Как и микроскопическое,макроскопическое сечение также характеризует определенный тип ядерной реакции.7. ЦЕПНАЯЯДЕРНАЯ РЕАКЦИЯ7.1.

При делении тяжелых ядер образуется несколькосвободных нейтронов. Это позволяет организовать так называемую цепную реакциюделения, когда нейтроны, распространяясь в среде, содержащей тяжелые элементы,могут вызвать их деление с испусканием новых свободных нейтронов. Если средатакова, что число вновь рождающихся нейтронов увеличивается, то процесс делениялавинообразно нарастает. В случае, когда число нейтронов при последующихделениях уменьшается, цепная ядерная реакция затухает.

Для получениястационарной цепной ядерной реакции, очевидно, необходимо создать такиеусловия, чтобы каждое ядро, поглотившее нейтрон, при делении выделяло в среднемодин нейтрон, идущий на деление второго тяжелого ядра.

Ядерным реактором

называетсяустройство, в котором осуществляется и поддерживается управляемая цепная реакцияделения некоторых тяжелых ядер.

Цепная ядернаяреакция в реакторе может осуществляться только при определенном количестведелящихся ядер, которые могут делиться при любой энергии нейтронов. Изделящихся материалов важнейшим является изотоп 235

U, доля которого в естественном уранесоставляет всего 0,714 %.

Хотя 238

U и делится нейтронами, энергиякоторых превышает 1,2 МэВ, однакосамоподдерживающаяся цепная реакция на быстрых нейтронах в естественном уранене возможна из-за высокой вероятности неупругого взаимодействия ядер 238U с быстрыми нейтронами. При этомэнергия нейтронов становится ниже пороговой энергии деления ядер 238U.

Использованиезамедлителя приводит к уменьшению резонансного поглощения в 238

U, так как нейтрон может пройти областьрезонансных энергий в результате столкновения с ядрами замедлителя ипоглотиться ядрами 235U, 239Pu, 233U, сечение делениякоторых существенно увеличивается с уменьшением энергии нейтронов. В качествезамедлителей используют материалы с малым массовым числом и небольшим сечениемпоглощения ( вода, графит, бериллий и др.).

Дляхарактеристики цепной реакции деления используется величина, называемаякоэффициентом размножения К. Этоотношение числа нейтронов определенного поколения к числу нейтронов предыдущегопоколения. Для стационарной цепной реакции деления К=1. Размножающаясясистема (реактор), в которой К=1,называется критической. Если К

>1, число нейтронов в системеувеличивается и она в этом случае называется надкритической. При К< 1 происходит уменьшение числа нейтронов и система называетсяподкритической. В стационарном состоянии реактора число вновь образующихсянейтронов равно числу нейтронов, покидающих реактор (нейтроны утечки) ипоглощающихся в его пределах. В критическом реакторе присутствуют нейтроны всехэнергий. Они образуют так называемый энергетический спектр нейтронов, которыйхарактеризует число нейтронов различных энергий в единице объема в любой точкереактора. Средняя энергия спектра нейтронов определяется долей замедлителя,делящихся ядер (ядра горючего) и других материалов, которые входят в составактивной зоны реактора. Если большая часть делений происходит при поглощениитепловых нейтронов, то такой реактор называется реактором на тепловых нейтронах.Энергия нейтронов в такой системе не превышает 0.2 эВ. Если большая часть деленийв реакторе происходит при поглощении быстрых нейтронов, такой реактор называетсяреактором на быстрых нейтронах.

В активной зонереактора на тепловых нейтронах наряду с ядерным топливом находится значительнаямасса замедлителя-вещества, отличающегося большим сечением рассеяния и малымсечением поглощения.

Активная зонареактора практически всегда, за исключением специальных реакторов, окруженаотражателем, возвращающим часть нейронов в активную зону за счет многократногорассеяния.

В реакторах набыстрых нейронах активная зона окружена зонами воспроизводства. В нихпроисходит накопление делящихся изотопов. Кроме того, зоны воспроизводствавыполняют и функции отражателя.

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

Ядерные реакторыв зависимости от взаимного размещения горючего и замедлителя подразделяются нагомогенные и гетерогенные. В гомогенном реакторе активная зона представляетсобой однородную массу топлива, замедлителя и теплоносителя в виде раствора, смеси или расплава.Гетерогенным называется реактор, в котором топливо в виде блоков или тепловыделяющихсборок размещено в замедлителе, образуя в нем правильную геометрическуюрешетку.

8.

8.1.

При работе реактора в тепловыводящих элементах(твэлах), а также во всех его конструктивных элементах в различных количествахвыделяется теплота. Это связано прежде всего с торможением осколков деления,бета- и гамма- излучением их, а также ядер, испытывающих взаимодействие снейронами, и, наконец, с замедлением быстрых нейронов. Осколки при делении ядратоплива классифицируются по скоростям, соответствующим температуре в сотни миллиардовградусов.

Действительно, Е

= mu2= 3RT, где Е — кинетическая энергия осколков,МэВ; R= 1,38·10-23Дж/К- постоянная Больцмана. Учитывая, что 1 МэВ = 1,6·10-13Дж, получим 1,6·10-6Е = 2,07·10-16Т, Т = 7,7·109Е. Наиболее вероятные значения энергии для осколков деления равны 97 МэВ длялегкого осколка и 65 МэВ для тяжелого. Тогда соответствующая температура длялегкого осколкаравна 7,5·1011 К,тяжелого — 5·1011 К. Хотя достижимая в ядерномреакторе температура теоретически почти неограничена, практически ограниченияопределяются предельно допустимой температурой конструкционных материалов итепловыделяющих элементов.

Особенностьядерного реактора состоит в том, что 94% энергии деления превращается в теплотумгновенно, т.е. за время, в течение которого мощность реактора или плотностьматериалов в нем не успевает заметно измениться. Поэтому при изменении мощностиреактора тепловыделение следует без запаздывания за процессом деления топлива. Однако при выключенииреактора, когда скорость деления уменьшается более чем в десятки раз, в немостаются источники запаздывающего тепловыделения ( гамма- и бета-излучениепродуктов деления), которые становятся преобладающими.

Мощность ядерногореактора пропорциональна плотности потока нейронов в нем, поэтому теоретическидостижима любая мощность Практически же предельная мощность определяетсяскоростью отвода теплоты, выделяемой в реакторе. Удельный теплосъем всовременных энергетических реакторах составляет 102 — 10

3 МВт/м3, в вихревых — 104 — 105 МВт/м3.

От реактора теплота отводится циркулирующим через неготеплоносителем. Характерной особенностью реактора является остаточноетепловыделение после прекращения реакции деления, что требует отвода теплоты втечении длительного времени после остановки реактора. Хотя мощность остаточноготепловыделения значительно меньше номинальной, циркуляция теплоносителя черезреактор должна обеспечиваться очень надежно, так как остаточное тепловыделениерегулировать нельзя. Удаление теплоносителя из работавшего некоторое времяреактора категорически запрещено во избежание

перегрева иповреждения тепловыделяющих элементов.8.2.

Энергетическийядерный реактор — это устройство в котором осуществляется управляемая цепнаяреакция деления ядер тяжелых элементов, а выделяющаяся при этом тепловаяэнергия отводится теплоносителем. Главным элементом ядерного реактора являетсяактивная зона. В нем размещается ядерное топливо и осуществляется цепнаяреакция деления. Активная зона представляет собой совокупность определеннымобразом размещенных тепловыделяющих элементов, содержащих ядерное топливо. Вреакторах на тепловых

нейтронахиспользуется замедлитель. Через активную зону прокачивается теплоноситель,охлаждающий тепловыделяющие элементы. В некоторых типах реакторов рользамедлителя и теплоносителя выполняет одно и то же вещество, например обычнаяили тяжелая вода. Для

управленияработой реактора в активную зону вводятся регулирующие стержни из материалов,имеющих большое сечение поглощения нейтронов. Активная зона энергетическихреакторов окружена отражателем нейтронов — слоем материала замедлителя дляуменьшения утечки нейтронов из активной зоны. Кроме того, благодаря отражателюпроисходит выравнивание нейтронной плотности и энерговы

еще рефераты

Еще работы по физике

Реферат по физике

Дифракция электронов. Электронный микроскоп

29 Августа 2013

Реферат по физике

Механика от Аристотеля до Ньютона

29 Августа 2013

Реферат по физике

Углеродные нанотрубки

26 Июня 2015

Реферат по физике

Трех- и четырехволнове рассеяние света на поляритомах и кристаллах ниобата лития с примесями

29 Августа 2013