Ядерная реакция. Законы сохранения. Энергетический эффект. Реакция деления тяжелых ядер, термоядерная реакция, их применение в энергетике, экологические аспекты.

X + a = Y = b, X – ядро, мишень; a – частица, снаряд.

где X, Y – ядра атомов; a, b – частицы () легких веществ.

X(a, b)Y

При ядерной реакции происходит перераспределение нуклонов, а их количественный состав сохраняется.

Законы сохранения:

1. Закон сохранения зарядового числа: 7+2=8+1; ΣZ = const.

2. Массовое число 14+4=17+1; ΣA = const.

3. Энергия: Е = const.

E_ka – кинетическая энергия, необходимая для осуществления реакции;

E_kb – кинетическая энергия частицы b, может быть использована.

Энергетический эквивалент:

(Q>0 – выделение энергии; Q<0 – поглощение энергии).

При ядерной реакции выделяется Е_св нуклонов в ядре атома, которая составляет МэВ.

При сжигании топлива выделяется энергия химической реакции, при которой происходит перераспределение атомов в молекулах, т.е. идут процессы взаимодействия на уровне электронных оболочек.

Энергия связи электрона с атомом составляет (1-10) эВ, таким образом, оказывается, что использование ядерного топлива по сравнению с химическим выгодно.

Реакция деления тяжелых ядер:

Деление тяжелых ядер энергетически выгодно.

 

 

Для возбуждения реакции деления ядру надо сообщить небольшую дополнительную энергию, чтобы из одной капли образовалось две (капельная модель Ядра).

 

 

X, Y – продукты деления, могут быть различны.

Тяжелые ядра по сравнению с более легкими содержат много нейтронов, в результате чего, продукты деления оказываются нестабильными и, превращаясь в стабильные ядра, излучают вторичные нейтроны.

В зависимости от схемы деления у этих вторичных нейтронов может быть разное число.

Для возбуждения реакции деления достаточно энергии связи нейтрона. Энергия активации деления значительно больше, поэтому деление вызывают только быстрые нейтроны. Появление вторичных нейтронов приводит к возможности развития цепной реакции.

 

 

Чтобы реакция могла превратиться в цепную, в каждом последующем акте должно участвовать все больше ядер, т.е. вторичные нейтроны должны встречаться с новыми ядрами и вызывать их деление. Понятно, что размеры делящегося вещества должны быть достаточными, чтобы нейтроны не успевали выйти за его пределы.

Критическая масса – минимальная масса делящегося вещества, в которой возможна цепная реакция.

На АЭС используется управляемая цепная реакция, где количество нейтронов, приводящих к следующей ступени реакции можно регулировать.

Элементы ядерного реактора:

1. Горючее (делящееся вещество);

2. Отражатели нейтронов (замедлители);

3. Поглощающий стержень (Cd, B).

Источником энергии солнца является термоядерная реакция. Температура внутри солнца на порядок меньше. Т_с≈10⁸ К. Реакции синтеза легких атомных ядер в более тяжелые, происходящие при сверхвысоких температурах (примерно 10⁷ К и выше), называются термоядерны­ми реакциями. Объединение легких ядер в более тяжелые сопровождается еще более значительным выделением энергии, в расчете на нуклон, нежели деление тяжелых ядер.