Ядерные реакции. Деление ядра урана. Цепная ядерная реакция

Урок № 62-169 Ядерные реакции. Деление ядра урана. Цепная ядерная реакция. Д/з: 22.16-22.18[1] Подготовка докладов консультантами.

Ядерные реакции — процессы, происходящие при столкновении ядер или элементарных частиц с другими ядрами, в результате которых изменяются квантовое состояние и нуклонный состав исходного ядра, а также появляются новые частицы среди продуктов реакции.

Реакции деления: ядро одного атома в результате бомбардировки делится на два ядра разных атомов.

Реакция синтеза: происходит превращение легких ядер в более тяжелые.

Ядерная реакция на быстрых протонах. Для осуществления ядерной реакции необходимо приближение частиц вплотную к ядру, что возможно для частиц с очень большой энергией. Такая энергия (до 10⁵ МэВ) сообщается в ускорителях заряженных частиц протонам, нейтронам и другим частицам.

Первая ядерная реакция на быстрых протонах была осуществлена в 1932 г. Удалось расщепить литий на две α-частицы: Li+HHe+He (2)

Ядерные реакции на нейтронах. Лишенные заряда нейтроны беспрепятственно проникают в атомные ядра и вызывают их изменения, например: Al+nNa+He

Энергетический выход реакций. В соответствии с законом сохранения энергии изменение кинетической энергии в процессе ядерной реакции равно изменению энергии покоя участвующих в реакции ядер и частиц.

Энергетический выход реакции - разность энергий покоя ядер и частиц до реакции и после реакции.

Если кинетическая энергия ядер и частиц после реакции больше, чем до реакции, то говорят о выделении энергии, в противном случае — о ее поглощении. Последний случай наблюдается при бомбардировке азота α-частицами (1), часть энергии переходит во внутреннюю энергию вновь образовавшихся ядер. При ядерной реакции (2) кинетическая энергия образовавшихся ядер гелия на 7,3 МэВ больше кинетической энергии вступавшего в реакцию протона.

Экзоэнергетические реакции — реакции, которые происходят с выделением энергии (Q > 0).

Эндоэнергетические реакции —реакции, которые происходят с поглощением энергии (Q < 0).

Деление ядра урана. В силу ряда причин из всех ядер, встречающихся в природе, для осуществления цепной ядерной реакции пригодны лишь ядра изотопаU. В результате взаимодействия нейтронов с ядрами урана появляются радиоактивные ядра-осколки с массами и зарядами примерно вдвое меньшими, чем масса и заряд ядер урана.

Образование ядер-осколков сопровождается вылетом нескольких нейтронов, которые, в свою очередь, взаимодействуют с соседними ядрами урана, вызывая их деление (рисунок). Происходящее в таких реакциях деление

атомных ядер называют вынужденным (в отличие от спонтанного, происходящего при радиоактивных превращениях). Поскольку суммарная энергия связи ядер-осколков меньше, чем энергия связи ядра урана, то цепная реакция сопровождается выделением огромной энергии в виде кинетической энергии осколков, энергии γ-квантов и энергии вторичных нейтронов.

Необходимое условие для цепной ядерной реакции — среднее число освобожденных нейтронов в данной массе урана не должно уменьшаться, т. е. коэффициент размножения нейтронов k, равный отношению числа нейтронов в каком-либо поколении к числу нейтронов в предыдущем поколении, должен быть не меньше единицы: k ≥ 1.

Наименьшую массу делящегося вещества, при которой возможна ядерная реакция, называют критической массой m _кр; в этом случае , коэффициент k = 1.

Критическая масса - наименьшая масса, при которой возможно протекание ядерной реакции. Если m < m _кр, то большинство нейтронов пролетает сквозь вещество, не попадая в ядра. Если же m > m _кр, то нейтроны быстро размножаются, и реакция приобретает взрывной характер (такова ядерная реакция при взрыве атомной бомбы). При m = m _кр реакция стационарна и управляема.

Устройство для поддержания управляемой ядерной реакции называют ядерным реактором . Управление протеканием реакции в нем осуществляется посредством регулирующих стержней из вещества, хорошо поглощающего нейтроны (кадмия или бора). При помощи введения в рабочее пространство реактора регулирующих стержней и выведения их оттуда поддерживают k = 1.

Цепные ядерные реакции1 — ядерные реакции, в которых частицы, вызывающие их, образуются и как продукты этих реакций.

Цепная реакция может:

1. нарастать лавинообразно (характер взрыва) - в атомной бомбе;

2. может прекратиться (затухнуть) - мала масса урана;

3. может быть управляемой - на атомных электростанциях.

Что же необходимо предпринять, чтобы управлять ходом цепной реакции?

1. контроль массы урана (должна быть = критической массе);

2. использование отражающей оболочки;

3. использование замедлителя нейтронов;

4. контроль примесей других химических элементов в массе урана.

В основе работы ядерного реактора на атомных электростанциях лежит возможность цепной реакции деления ядер урана.

Задачи

1210(1178). Написать ядерную реакцию, происходящую при бомбардировке алюминия А1 α-частицами и сопровождающуюся выбиванием протона.

1211(1179). Написать ядерную реакцию, происходящую при бомбардировке бора В α-частицами и сопровождающуюся выбиванием нейтронов.

1212(1180). При бомбардировке изотопа бора В нейтронами из образовавшегося ядра выбрасывается α - частица. Написать реакцию.

1213(1181). Элемент менделевий был получен при облучении эйнштейния Е α-частицами с выделением нейтрона. Написать реакцию.

1214(1182). Элемент резерфордий получили, облучая плутоний Рu ядрами неона Nе. Написать реакцию, если известно, что в результате образуется еще четыре нейтрона.