Шпаргалка по ядерной энергетики. Ядерная энергетика. 1 Строение атомов. Ядро. Протон. Нейтрон. Атомное ядро. Электрический
 Скачать 1.2 Mb.
|
1) Строение атомов. Ядро. Протон. Нейтрон. Атомное ядро. Электрический заряд. Массовое число. Атомный номер элемента. Массовое число элементов. Изотопы. Изобары. Изотопы водорода. Дейтерий. Тритий. Изотопы гелия. Атомная единица массы. Унифицированные атомные единицы массы. Радиус атомного ядра. Радиус атома. Плотность ядерного вещества. Выводы Резерфорда: 1. Атом не является сплошным. 2. Внутри атома есть массивная часть, которая непроницаема для альфа-частиц и имеет положительный заряд Есть массивная часть с ядром и всеми положительными зарядами, где сосредоточена вся масса, и электрон вращается вокруг. Между электроном и ядром действуют Кулоновские силы. Ядерная энергетика работает с реакциями, где происходит изменение ядра. 1919 год – протоны в составе ядра. 1932 – нейтрон Чедвик. Z – число протонов. N – число нейтронов. В нормальном состоянии у атома число нейтронов в его оболочке равно числу протонов в его ядре. Атом электронейтрален, сохраняет свою индивидуальность, остаётся неизменным. Электрический заряд определяет химический элемент. Важное свойство – массовое число, которое характеризует массу ядра. A Z N Атомы с 1 2 Z Z – изотопы 1 2 N N 235 92 U и 238 92 U – дейтерий и тритий. Атомы с 1 2 A A – изобары 1 2 Z Z Изотопы 1 1 H играют роль горючего в атомных реакторах. Изотопы 4 2 He используют для заполнения ядерного реактора (циркуляции), отводят тепло, заполняют зазоры (смесь He с N ). При переходе на чистый N мощность реактора падает на 30%. Изотоп 3 2 He предлагалось ввести в аварийную защиту, но это очень дорого, а следовательно отказ. В свободном состоянии нейтрон нестабилен, распадается, следовательно, радиоактивный, это β-распад. Ядра атомов обозначают: A Z X , пример: 235 92 U 1 аем = 1,6597 ×10 −24 г. 1 уаем = 1,6605 ×10 −24 г 931 МэВ Массу иногда удобно выражать в эВ. В ядре атома любого электрона протоны и нейтроны связаны ядерными силами. m n = 1,6749× 10 −24 г = 939,6 МэВ Вся масса атома сосредоточена в ядре. Протоны и нейтроны имеют близкие размеры порядка 10 −13 см. R = 1,3*10 -13 *А 1/3 , см – радиус ядра. 238 92 U – большое ядро (R = 0,8× 10 −12 см). Плотность ядерного вещества очень большая порядка 10 14 г/см 3 пустоты, но это не так, имеется там электрическое поле. 2) Энергия связи ядра. Один электрон-вольт. Нуклон. Закон пропорциональности между массой и энергией. Дефект массы. Электронные оболочки связаны между собой электростатическими силами. Энергия связи выражается в эВ. 1 эВ – энергия, которую приобретает электрон при прохождении разности потенциалов в 1 В. При сближении двух протонов на них действует кулоновская сила (отталкивающая). Эта сила возникает при сближении нейтронов и протонов (нейтроны и протоны – нуклоны). Силы притяжения между нуклонами называются ядерными. Пропадают при 10 −13 см. Ядерные силы при 2,8×10 −13 см для 2р пропадают. 𝐸 п =10,5 МэВ. При малых расстояниях ядерные силы быстро растут, а кулоновские уменьшаются. Это потенциальная яма. Чтобы разъединить на нуклоны ядро, необходимо приложить энергию связи. Переход между m и Е осуществляется по закону пропорциональности: E = m 𝑐 2 m = 1 аем → Е = 931 МэВ. При соединении отдельных частиц происходит ΔE↑ и Δm↓. Δm = 𝛥𝐸 𝑐 2 – дефект массы. Убыль массы равна разности между суммой масс отдельных изомерных частиц и массы ядра. При реакции деления ядра имеет место противоположный эффект, когда сумма продуктов будет меньше массы исходного вещества (ядра). Например, при рассмотрении 1 кг урана обрабатывается 8×10 13 Дж тепловой энергии (примерно 3000 тонн угля). В природном уране всего 0,7% урана 235 235 U (примерно 20 тонн угля). За исключением небольшого количества лёгких ядер, на одну частицу приходится 8 МэВ энергии. Постоянство этой энергии объясняется тем, что каждый нуклон взаимодействует только с ближайшими соседями. Чем больше диаметр ядра, тем больше на поверхности нуклонов, которые не полностью окружены другими нуклонами, больше тех, которые снаружи. Это значит, что суммарный эффект поверхностного натяжения растёт с увеличением массового числа A . Это значит, что легче всего разделить наиболее тяжёлые элементы, в которых A больше, меньше энергии надо потратить, энергия связи уменьшается с ростом числа A Энергия притяжения, приходящаяся на один нуклон, имеет максимальную величину для таких изотопов, у которых число нуклонов в ядре равно числу протонов. Массовое число равно удвоенному атомному номеру 2 , A Z Z N A – массовое число. Z – протоны. N – нейтроны. 3) Радиоактивные превращения ядер. Сила отталкивания. Устойчивость. Радиоактивное ядро. β-распад. α-распад. k-захват. Отношение числа N к числу Z в ядрах близко к 1 для первых 20 элементов системы Менделеева, а затем оно начинает расти и в конце таблицы приближается к числу 1,6. Избыток нейтронов в ядрах более тяжёлых элементов необходим, чтобы преодолеть электростатическое отталкивание между протонами. Наиболее сильное отталкивание испытывают протоны, находящиеся в поверхностном слое ядра, поскольку со стороны поверхности на них не действуют силы отталкивания, направленные вглубь ядра от других протонов этого ядра. Таким образом, сила отталкивания может быть оценена по следующей формуле: F = (𝑍−1)𝑒 2 𝑅 𝑧 , где R – радиус ядра, e – заряд электрона. В присутствии N увеличивается R ядра и ослабляется отталкивание внешних Z , но этот добавок частиц уменьшает энергию притяжения, приходящуюся на один нуклон. Существуют верхний и нижний пределы отношения числа N к числу Z , при котором ядро сохраняет устойчивость. Если отношение N к Z вне этих пределов, то такое ядро являются радиоактивным. Это значит, что с течением времени наступит момент, когда оно распадётся и превратится в новое более устойчивое ядро. 1. β-распад Если ядро содержит больше N , чем надо для устойчивости, то происходит превращение N в Z , которое сопровождается испускаемыми электрона, которое называют отрицательной β-частицей. Если радиоактивность вызвана избытком Z , то происходит превращение Z в N , сопровождающееся испусканием позитрона, то есть положительного электрона, положительной β-частицей. Иногда ядро становится устойчивым только после нескольких β-распадов. 2. α-распад Ядра некоторых изотопов тяжёлых элементов, начиная с полония, у которых отношение N к Z ниже предела устойчивости, испытывают α-распад, при этом происходит испускание α-частиц (ионизированный атом гелия) Так как ядро атома гелия 4 2 He состоит из двух Z и двух N , то испускание α-частицы повышает избыток нейтронов в ядре нового тяжёлого элемента. 3. k-захват При этом ядро захватывает е из ближайших к ядру некоторой k-оболочки. Таким образом, один из Z превращается в N k-захват испытывают радиоактивные ядра с недостаточным содержанием N 4. Изомерные переходы Многие из этих превращений сопровождаются испусканием ядром атома гамма- лучей (коротковолнового электромагнитного излучения). 4) Радиоактивный распад ядер. β - -распад. Антинейтрино. β + -распад. Нейтрино. Постоянная распада. Средняя продолжительность жизни атома. Для работы ядерных реакторов существенное значение имеет только β-распад. При этом β-распаде ядра атома испускают β-частицы разных энергий, которые образуют сплошной спектр. Этим β-частицы отличаются от α-частиц, испускаемых различными атомами одного элемента с одинаковыми энергиями. Разность энергии ядер до и после β-превращения одинаковы и всегда равны верхней границе энергии данного спектра. Большинство β-частиц имеют энергию меньше, чем максимальная. Возникает вопрос: «Куда теряется часть незначительной энергии β-излучения, которая будет соответствовать разности?» Оказывается, что эта энергия уносится нейтральными микрочастицами (нейтрино). Нейтрино не могли долго обнаружить из-за отсутствия заряда и магнитного момента. При отрицательном β-превращении один из N ядра переходит в Z , поэтому атомный номер увеличивается на 1, а массовое число не меняется. Таким образом, появляется ещё одна элементарная частица – антинейтрино. (A, Z) → (A, Z +1) + 𝛽 − + v При положительном β-распаде один из Z переходит в N , атомный номер уменьшается, массовое число остаётся неизменным. (A, Z) → (A, Z -1) + 𝛽 + + v Таким образом, при любом из β-распадов появляется атом нового элемента, который либо на 1 больше, либо на 1 меньше атомного номера исходного элемента, а массовое число не меняется. Радиоактивный распад зависит только от внутреннего состояния ядра. Это значит, что для каждого атома одного и того же радиоактивного элемента вероятность распасться должна быть одинакова и не зависеть от того, сколько атомов уже распалось, а значит, что на единицу времени распадается одна и та же часть нераспавшихся атомов. Пусть к моменту времени t имеется N нераспавшихся ядер, а – доля распадающихся за единицу времени ядер. Тогда убыль ядер dN за время dt : dN Ndt 0 0 0 0 t t N N N N e – постоянная радиоактивного элемента = [1/c] 1 t – средняя продолжительность жизни атома радиоактивного элемента. t = [с] Некоторым радиоактивным элементам свойственна ядерная изомерия. Этим элементы могут иметь ядра, состоящие из одинакового числа протонов и нейтронов, но у них будут разные постоянные распада – они будут рассматриваться, как изомеры. И тогда переход таких ядер из одного в другое сопровождается либо испусканием гамма-квантов или одного из внутренних электронов оболочки атома. 5) Естественный ядерный реактор. Ядерное горючее. В центре Африки находятся урановые шахты с залежами урана, и в 70х годах прошлого века при добычи урановой руды обнаружилось, что содержание урана 235 235 U всего 0,7% от общего количества урана. Известно, что в естественном уране помимо 235 содержится 234 и 238. Как ядерное горючее нам интересен только уран 235 235 U , потому что он расщепляется под действием тепловых нейтронов. Другие изотопы делятся только под действием нейтронов быстрой энергии и вероятность такого процесса деления на два порядка меньше. Странность: на луне содержание урана 235 235 U было несколько больше около 0,720%, а в Африке – 0,717%. Эта разница в 0,003% приводит к недостаче почти 200 кг урана. Ученые предположили, что раньше там действовал природный реактор на тепловых нейтронах. Было известно, что на природном уране может происходить самоподдерживающаяся ядерная цепная реакция. Она может происходить тогда, когда замедлителем выступает обычная тяжелая вода, когда есть разделение пространства топлива и замедлителя, называемое урано-графитовый реактор. Если такого нет, то тогда этой реакции требуется обогащенный уран. Было предположено, что так и было. Наличие в реакторе замедлителя. Предположили, что здесь могли выступать грунтовые воды, которые там были в местности. Такой реактор работал циклически. Этот ядерный реактор сжигал свой первоначальный запас урана 235 235 U . В пользу этой теории говорят исследования местности, которые показывают, что в горных породах нашли ксенон (остатки распада ядерного топлива). Ядерное топливо – материалы, которые используются в ядерных реакторах для осуществления управляемой цепной ядерной реакции деления. Ядерное топливо принципиально отличается от других видов топлива, используемых человечеством, оно чрезвычайно энергоёмко, но и весьма опасно для человека, что накладывает множество ограничений на его использование из соображений безопасности. По этой и многим другим причинам ядерное топливо гораздо сложнее в применении, чем любой вид органического топлива и требует множества специальных технических и организационных мер при его использовании, а также высокую квалификацию персонала, имеющего с ним дело. 6) Взаимодействие нейтронов с ядрами вещества. Ионизирующее излучение. Первичное ионизирующее излучение. Вторичное ионизирующее излучение. Реакция деления. Реакция радиационного захвата. Реакция рассеяния. Полный захват. Реакция упругого рассеяния. Реакция неупругого рассеяния. Позитрон. Микроскопическое сечение реакции. Макроскопическое сечение реакции. Барн. Итак, при рассмотрении механизмов взаимодействия излучения с веществом частицы, которые возникают в ядерных процессах и образуют это излучение можно разделить на четыре группы: Тяжелые заряженные частицы (альфа-частицы). Легкие заряженные частицы. Нейтроны. Излучение гамма-квантов. Все эти частицы представляют собой ионизирующее излучение, сели при взаимодействии частиц с веществом образуются частицы несущие заряды обоих знаков. Первичное ионизирующее излучение состоит из частиц, которые получены из источников ионизирующего излучения или на ускорителях данных частиц. Вторичное ионизирующее излучение получается при взаимодействии первичного ионизирующего излучения с веществом. Информацией о вероятности взаимодействия того или иного излучения, в том числе нейтронного с ядрами конкретного вещества, получается на основе микросечений этих процессов. Итак, в основе работы ядерного реактора лежат процессы взаимодействия нейтронного излучения с ядрами веществ реакторных материалов. Наиболее важными реакциями являются три типа реакция: Реакция деления f Реакция радиационного захвата c Реакция рассеяния s Первую и вторую реакции иногда объединяют в одну, которую называют полным захватом или полным поглощением. Третья реакция представляется в виде двух реакция: Реакция упругого рассеяния e Реакция неупругого рассеяния in При упругом рассеянии сохраняется полная кинетическая энергия всех частиц взаимодействия, она перераспределяется. кин кин нач конеч E E При неупругом рассеянии часть полной энергии системы взаимодействующих частиц и ядра расходуется на возбуждение внутренних степеней свободы ядра, энергии излучения, а также на образование новых частиц и их начальную кинетическую энергию. нач конеч полн полн возб E E E В процессе взаимодействия нейтронов с веществом они взаимодействуют и с ядрами, и с электронами. Итак, частицы, возникающие в ядерных превращениях, имеющие массу и заряд, равные величине массы и заряда электронов, называются бетта-частицами. Если q ,то Если q ,то Если оказалось так, что частица имеет e m m и q , то эта частица – позитрон. Движение частиц в веществе описывается массой, зарядом, энергией и импульсом. Импульс позволяет определить скорость. Энергия, а именно кинетическая, также позволяет найти скорость. 2 2 кин mV E Когда пишут значок , любое взаимодействие нейтронов с ядрами вещества принято определять микроскопическим сечением реакции, которое обозначают – ∑. Это макроскопическое сечение характеризует макроскопические параметры вещества при взаимодействии с ним нейтронов или других частиц. Рассмотрим нейтрон, который имеет 2 2 кин mV E . Этот нейтрон попадает в некоторое вещество и начинает двигаться под действием ядерных сил. Законы взаимодействия нейтрона с протонами и нейтронами имеет кванта-механическую природу, поэтому результаты этого взаимодействия будут носить вероятностный характер, это значит, что данный нейтрон, проходя мимо ближайшего ядра, может либо провзаимодействовать с ним, либо не провзаимодействовать и пройти вдаль (вглубь) вещества. Если мы будем рассматривать вторую ситуацию, то получается, что, если он не меняет свою скорость и направление, ядра как будто и не было вовсе. Вероятность какого-либо события – это безразмерная величина, находится в диапазоне от 0 до 1. Микроскопическое сечение (эффективное сечение) взаимодействия нейтрона с ядром – это размерная величина (м 2 ), поэтому под величиной эффективного сечения взаимодействия понимают величину, которая описывает вероятность того или иного взаимодействия. Эта величина для одного элемента может иметь малое значение (10 -25 м 2 ), а для другого элемента (10 -30 м 2 ), соответственно, то или иное значение определяется на основе разных энергий. Единицей измерения эффективного сечения называется величина – 1 барн. 1 барн = 10 -24 см 2 =10 -28 м 2 |