М. Г. Валишев а. А. Повзнер

• Название: М. Г. Валишев а. А. Повзнер
• Анкор: Valishev_M_G_Povzner_A_A_Kurs_obshei_fizik.pdf
• Дата: 15.12.2017
• Размер: 10.33 Mb.
• Имя файла: Valishev_M_G_Povzner_A_A_Kurs_obshei_fizik.pdf
• Тип: Документы; #11559
• страница: 51 из 73

409
ние человека. Обладая большой массой и скоростью, a частицы при своем торможении в биологической ткани приводят к ионизации и возбуждению большого количества атомов (

10 пар ионов, к выбиванию атомов из биологически сложных молекул. Это обусловливает ряд особенностей тех химических реакций, которые протекают в веществе, в частности в живой ткани
(образование сильных окислителей, свободного водорода и кислорода и др.).
Радиохимические реакции, протекающие в биологических тканях подвоз действием a лучей, в свою очередь, вызывают особую, большую, чему других видов ионизирующих излучений, биологическую эффективность. Поток нейтронов с энергией W < 10 кэВ, K = 3, а для потока нейтронов с энергией W > 0,5 МэВ – K = Для описания биологического воздействия р а излучения на человека, на живую ткань вводится понятие эквивалентной дозы Нона равна произведению поглощенной дозы на коэффициент качества излучения (H = D
× K) и измеряется в зивертах: 1 Зв = 1 Гр при K = 1. Один зиверт является достаточно большой величиной, поэтому используют меньшие единицы измерения, такие как бэр 1 Бэр = 0,01 Зв.
Получение одновременно дозы излучения в 50 Бэр приводит к лучевой болезни человека. Получение за один год суммарной дозы облучения в 150 Бэр также приводит к лучевой болезни.
Вводится понятие предельной допустимой дозы (ПДД) — это такая доза,
которая в течение всей жизни человека (около 70 лет) не вызывает генетических и соматических (телесных) изменений. Установлено, что при ПДД, равной Бэр в году человека влет может возникнуть рак. Поэтому считается, что ПДД составляет около 0,5 Бэр/год.
ПДД включает в себя, в основном, три основных вклада:
Природный фон содержит естественные источники ионизирующих излучений, такие как космические лучи, естественная радиоактивность почвы, воды и воздуха. Она составляет на территории России примерно 0,04–
0,2 Бэр в год.
Проживание в современных зданиях — за счет наличия р а ядер в применяемых стройматериалах может составить примерно одну треть ПДД
(0,14 Бэр в год).
Медицинские обследования также дают определенный вклад в ПДД примерно Бэр/год). Для уменьшения этого вклада в ПДД во многих современных медицинских приборах используют р а излучения малой интенсивности.
11.2.6.
ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
11.2.6.1.
ЦЕПНЫЕ РЕАКЦИИ ДЕЛЕНИЯ ТЯЖЕЛЫХ ЯДЕР
Самым удобным видом энергии является электроэнергия, ее можно легко транспортировать, накапливать и преобразовывать в другие виды энергии. В больших количествах она вырабатывается на электростанциях.
Общая схема выработки электроэнергии на любой электростанции заключается в наведении ЭДС индукции в равномерно вращающейся в магнитном

МГ. ВАЛИШЕВ, А. А. ПОВЗНЕР. КУРС ОБЩЕЙ ФИЗИКИ
поле проволочной рамке (на рис. 11.8 — генератор. Вращение рамки создается турбиной, на которую подается либо энергия падающей воды (гидроэлектростанция, либо энергия водяного пара, полученного сжиганием обычного топлива (газ, нефть, каменный уголь, тепловая станция) или ядерного топлива (атомная электростанция).
В настоящее время выработка электроэнергии на атомных станциях является наиболее перспективным направлением развития электроэнергетики. Это связано стем, что, во первых, при сгорании ядерного топлива не происходит в большом количестве выбросов в атмосферу вредных веществ,
и, во вторых, для получения одного итого же количества электроэнергии необходимо значительно меньше ядерного топлива (в кг, чем при использовании традиционных видов топлива, запасы которых к тому же быстро истощаются. Альтернативная энергетика типа солнечных батарей, приливных станций и ветроэнергетики дает малый вклад в суммарную потребность в энергии общества.
Рассмотрим основные схемы использования ядерного топлива и перспективы развития ядерной энергетики.
Под ядерным топливом понимают вещество, которое используется в ядерных реакторах для осуществления ядерной цепной реакции деления. Существует только одно природное ядерное топливо — это урановая руда. Она содержит делящиеся ядра, они обеспечивают протекание цепной реакции (ядерное горючее) итак называемые сырьевые ядра. Ядра способны захватывать нейтроны и превращаться в новые делящиеся ядра
239
Pu,
которые представляют собой несуществующее в природе вторичное горючее, g)
239
U
® (b
–
– распад за 23 мин (b
–
– распад за 2,3 дня)
®
239
Pu.
(11.39)
Вторичным горючим является также не встречающиеся в природе ядра, образующиеся в результате захвата нейтронов сырьевыми ядрами Рис. 11.8

ЧАСТЬ 11. ФИЗИКА ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ, g)
233
Th
® (b
–
– распад за 22,4 мин (b
–
– распад за 27,4 дня)
®
233
U.
(11.40)
Ядерное топливо размещается в тепловыделяющих элементах (ТВЭЛах)
ядерного реактора.
Ядерный реактор — это устройство, в котором осуществляется управляемая ядерная цепная реакция, сопровождающаяся выделением энергии. Основными частями любого ядерного реактора являются активная зона, где находится ядерное топливо, протекает цепная реакция ядерного деления и выделяется энергия отражатель нейтронов, окружающий активную зону;
теплоноситель для отвода тепла из активной зоны система регулирования цепной реакции, включающая в себя стержни, поглощающие нейтроны радиационная защита (рис. Цепная реакция деления тяжелых ядер — это ядерная реакция, самопроизвольно поддерживающаяся в
веществе за счет вовлечения в нее
все нового и нового числа делящихся
ядер.
Среди изотопов урана ее можно осуществить для ядра
235
U. Под действием нейтрона, попадающего в ядро, оно возбуждается и делится на два радиоактивных осколка (ядра)
разной массы, которые разлетаются с большими скоростями, и на два–
три нейтрона (рис. Нейтроны, вылетающие в процессе деления из ядра, могут, в свою очередь, вызвать реакцию деления соседних ядер
235
U, которые также испускают нейтроны, способные вызвать дальнейшее деление ядер. В итоге число делящихся ядер возрастает, возникает цепная реакция.
Исследования показали, что деление может происходить разными путями, наиболее вероятным является деление на осколки, массы которых относятся как 2:3. Запишем одну из возможных реакций деления
235
U:
1 2 1
1 235 140 94 55 37 2
U
Cs
Rb
1
1;
(11.41)
1 1
1 1
1 1
140 140 140 140 55 156 57 58 94 94 94 94 37 38 39 Получаемые при делении урана осколки являются радиоактивными, и после ряда превращений из них получаются стабильные изотопы церия и циркония. Энергетический выход при делении ядра урана составляет примерно МэВ на нуклон, причем основную часть энергии уносят осколки.
Основная характеристика ядерного реактора — его мощность. Мощность в 1 МВт соответствует цепной реакции, в которой происходит 3
× 10 актов деления в 1 с.
Состояние реактора характеризуется коэффициентом размножения нейтронов, он дает быстроту роста числа нейтронов, вызывающих деление ядер,
Рис. 11.9

МГ. ВАЛИШЕВ, А. А. ПОВЗНЕР. КУРС ОБЩЕЙ ФИЗИКИ
и равен отношению числа нейтронов, вызвавших деление в данном поколении, к числу аналогичных нейтронов предыдущего поколения. Для цепной реакции, изображенной на рис. 11.9, коэффициент размножения нейтронов равен K = 3/2 = 1,5. Если эффективный коэффициент размножения нейтронов эф в активной зоне больше единицы (эф 1), то цепная реакция нарастает во времени если эф 1, то реакция затухает, а при эф 1 идет стационарный процесс, число делений постоянно во времени. В качестве делящегося вещества в ядерном реакторе применяют
235
U,
239
Pu,
233
U. Если активная зона, кроме ядерного топлива, содержит замедлитель нейтронов (графит,
вода и другие вещества, содержащие легкие ядра, то основная часть делений происходит под действием тепловых нейтронов.
В ядерных реакторах на тепловых нейтронах используют природный уран,
в котором берется повышенное содержание ядер
235
U ((2–4)%
235
U вместо 0,71%
235
U в природном уране. Малое содержание ядер
235
U можно компенсировать замедлением нейтронов до тепловых скоростей (при этом кинетическая энергия нейтрона составляет порядка 0,03 эВ. Это увеличивает в сотни раз вероятность захвата тепловых нейтронов ядрами
235
U с последующим их делением,
что и позволяет осуществить цепную реакцию деления ядер
235
U.
Регулирование цепной реакции в ядерном реакторе на тепловых нейтронах осуществляется обычно введением в активную зону (или выведением из нее) стержней из веществ, сильно поглощающих нейтроны (бор, кадмий и др.,
рис. 11.8). Если стержни введены глубоко, поглощение нейтронов в них велико и цепная реакция невозможна.
Для ядерных реакторов, у которых в активной зоне отсутствует замедлитель, основная часть делений вызывается быстрыми нейтронами с энергией 30 КэВ (быстрый реактор. Возможны реакторы и на промежуточных нейтронах с энергией (1–100) эВ.
По конструкции ядерные реакторы делятся на гетерогенные и гомогенные. В гетерогенных реакторах ядерное топливо распределено в активной зоне дискретно в виде блоков, между которыми находится замедлитель нейтронов (см. рис. 11.8). В гомогенных реакторах ядерное топливо и замедлитель представляют собой однородную смесь (растворили суспензия. Наиболее распространенными являются гетерогенные ядерные реакторы, в них блоки с ядерным топливом располагаются в активной зоне в виде стержней
(ТВЭЛов), образующих правильную решетку (см. рис. В реакторах на быстрых нейтронах, помимо выработки электроэнергии,
происходит образование вторичного горючего, которое может быть использовано для производства электроэнергии. Тепловая мощность современных энергетических ядерных реакторов достигает 3–5 ГВт.
11.2.6.2.
ТЕРМОЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ
Существует еще одно перспективное направление в ядерной энергетике это управляемый термоядерный синтез (УТС). Под ним понимают процесс слияния легких атомных ядер, проходящий с выделением энергии, при высоких температурах в регулируемых управляемых условиях

ЧАСТЬ 11. ФИЗИКА ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
413
Среди реакций синтеза легких ядер для УТС представляют интерес следующие термоядерные реакции 2
1 2
3 4
1 1
2 17 МэВ 2 3
1
;
(11.43 а 2
1 2
2 3
1 1
2 3 МэВ 2 3
1
;
(11.43 б 2 1
6 3
4 3
1 2
4 МэВ 2 3
1
;
(11.43 в 2
1 2
3 4
1 2
2 18 МэВ 2 34
1
(11.43 г)
В скобках указана энергия, которая выделяется при протекании реакции.
Реакции синтеза легких ядер называют термоядерными, так как протекание таких реакций требует больших температур (порядка T
» 10 9
K
), при которых смесь веществ превращается в плазму (ионизированный газ).
Действительно, для того чтобы началась ядерная реакция, требуется сблизить ядра до расстояний, на которых вступают в игру ядерные силы (порядкам. С этой целью необходимо преодолеть кулоновское отталкивание ядер, что можно сделать, сообщая ядрам большую начальную скорость их сближения, то есть нагревая плазму до высокой температуры.
Разогрев плазмы до высоких температур является первым препятствием на пути осуществления термоядерного синтеза. Для нагрева плазмы свыше температуры T
» 10 8
K
применяют высокочастотный нагрев или ввод энергии в плазму с помощью потока быстрых нейтральных частиц.
Вторым препятствием для осуществления УТС является необходимость удержания плазмы длительное время вне контакта со стенками рабочей камеры, так как любой контакт приводит к резкому снижению температуры плазмы и прекращению термоядерных реакций.
Было установлено, что для возникновения термоядерной реакции необходимо, чтобы произведение плотности n высокотемпературной плазмы на время t удержания этой плотности превышало nt ³ 0,5 × 10 см для реакции а, протекающей при температуре T
» 2 × 10 8
K
, и n
t ³ 10 21
с/м
3
для реакции (11.35 б, проходящей при температуре T
» 10 9
K
. Это условие получило название критерия Лоусона.
Из этого критерия следует, что время удержания плазмы должно составлять порядка нескольких секунд. Трудность задачи состоит в том, что плазма является крайне неустойчивой из за дальнодействующих между заряженными частицами кулоновских сил, в ней при любом слабом возмущении возникают коллективные движения и плазма выбрасывается на стенки камеры.
Для решения данной задачи можно использовать магнитную термоизоляцию плазмы. Известно, что заряженные частицы перемещаются вдоль линий магнитного поля, навиваясь на них, и для замкнутых линий магнитного поля возникает возможность удержания плазмы вне контакта со стенками тороидальной камеры.
Существующие в настоящее время установки с магнитным удержанием плазмы еще не достигают параметров, необходимых для проведения УТС.
Параметры же строящихся в настоящее время установок должны подойти

МГ. ВАЛИШЕВ, А. А. ПОВЗНЕР. КУРС ОБЩЕЙ ФИЗИКИ
к пороговым значениям параметра (n
t), и анализ их работы позволит сделать вывод о типе термоядерного реактора будущего.
Существует еще один тип установок, в котором на таблетку из смеси дейтерия и трития (либо просто из дейтерия) с разных сторон посылают мощное излучение нескольких лазеров, что приводит к быстрому нагреву таблетки до высокой температуры, причем лазерное излучение сжимает образовавшуюся плазму и способствует протеканию УТС.
Управляемый термоядерный синтез позволит решить энергетические проблемы человечества, поскольку дейтерий, содержащийся в морской воде,
представляет собой практически неисчерпаемый источник дешевого горючего для управляемых термоядерных реакций типа (11.43 б из 60 л воды можно извлечь 1 г дейтерия. Однако высокое энерговыделение и большая скорость реакции слияния ядер дейтерия и трития — реакция типа (11.43 а) — делают равнокомпонентную смесь дейтерия и трития наиболее перспективной для решения проблемы управляемого термоядерного синтеза. Тритий радиоактивен (период его полураспада 12,5 лети в природе на Земле не встречается.
Поэтому необходимо предусмотреть при создании установки по УТС его производство, например по реакции (11.43 в).
Представляет также интерес реакция (11.43 г, для протекания которой требуется изотоп гелия
3 2
He. Он в достаточном количестве имеется на Луне

ЧАСТЬ 12. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА
415
Ч АС Т Ь МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА
И ТЕРМОДИНАМИКА
12.1.
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА.
ИДЕАЛЬНЫЙ ГАЗ
Молекулярная физика — это раздел физики, в котором изучаются физические свойства тел в различных агрегатных состояниях на основе рассмотрения их микроскопического (молекулярного) строения. Круг вопросов, охватываемых разделом,
очень широк. Молекулярная физика изучает строение веществ и его изменения под влиянием внешних факторов (давления, температуры, электрического и магнитного полей, явления переноса (диффузии, теплопроводности, внутреннего трения, фазовое равновесие и процессы фазовых переходов (кристаллизация и плавление, испарение и конденсация и др, критическое состояние вещества, поверхностные явления на границе раздела различных фаз.
Интенсивное развитие молекулярной физики привело к выделению из нее самостоятельных разделов (статистическая физика, физическая кинетика, физика твердого тела, физическая химия, молекулярная биология. На основе общих теоретических представлений этого раздела науки получили развитие физика металлов, физика полимеров, физика плазмы, кристаллофизика, физикохимия дисперсных систем и поверхностных явлений,
теория массо и теплопереноса, физико химическая механика.
При всем различии объектов и методов исследования здесь сохраняется особенность молекулярной физики — описание макроскопических свойств на основе микроскопической (молекулярной) картины его строения.
Первым сформировавшимся разделом молекулярной физики была кинетическая теория газов. В процессе ее развития работами Дж. Максвелла (1858–1860), Л. Больцмана (1868) и Дж. Гиббса была создана классическая статистическая физика. В 1902 г.
вышла в свет книга Дж. Гиббса Элементарные принципы статистической механики, которая завершила построение классической статистической физики.
В 1905 г. А. Эйнштейн и М. Смолуховский дали последовательное объяснение броуновского движения на основе молекулярно кинетической теории, развив теорию флуктуаций. Реальность

МГ. ВАЛИШЕВ, А. А. ПОВЗНЕР. КУРС ОБЩЕЙ ФИЗИКИ
существования молекул была доказана в 1908 г. Ж. Перреном. Он осуществил эксперименты по исследованию броуновского движения, окончательно доказавшие реальность существования молекул, подтвердившие атомно молекулярное строение вещества и кинетическую теорию теплоты. Межмолекулярные взаимодействия были учтены ЯД. Ван дер Ваальсом при объяснении физических свойств реальных газов и жидкостей. Учение о межатомных взаимодействиях на основе представлений квантовой механики получило развитие в работах
М. Борна, Ф. Лондона и В. Гайтлера, а также П. Дебая.
Далее рассматриваются основные элементы статистической теории для идеального газа, обсуждаются функции распределения молекул по скоростям (распределение Максвелла) и по координатам (распределение Л. Больцмана, вывод формул для средних скоростей молекул и макроскопических параметров, описывающих состояние идеального газа.
12.1.1.
СТАТИСТИЧЕСКИЙ
И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ МЕТОДЫ
ОПИСАНИЯ СВОЙСТВ
МАКРОСКОПИЧЕСКИХ СИСТЕМ
В этом разделе рассматриваются системы, состоящие из огромного числа частиц (атомов, молекул, находящихся в тепловом движении. Для описания таких систем вводят следующие понятия.
Термодинамические (макроскопические) параметры — это величины,
которые описывают состояние системы, не рассматривая ее внутреннее строение. К ним относят такие параметры, как температура, давление, объем и т. д.
Макросостояние системы — такое состояние системы, которое определяется заданием ее термодинамических параметров.
Микропараметры — координаты и скорости (импульсы) частиц си стемы.
Микросостояние системы — состояние системы, определяемое заданием координат и скоростей (импульсов) всех частиц системы.