Что можно сказать о массе покоя при делении легких ядер

§ 110. Термоядерные реакции

Масса покоя ядра урана больше суммы масс покоя осколков, на которые делится ядро. Для легких ядер дело обстоит как раз наоборот. Так, масса покоя ядра гелия значительно меньше суммы масс покоя двух ядер тяжелого водорода, на которые можно разделить ядро гелия.

Это означает, что при слиянии легких ядер масса покоя уменьшается и, следовательно, должна выделяться значительная энергия. Подобного рода реакции слияния легких ядер могут протекать только при очень высоких температурах. Поэтому они называются термоядерными.

Термоядерные реакции — это реакции слияния легких ядер при очень высокой температуре.

Энергия, которая выделяется при термоядерных реакциях в расчете на один нуклон, превышает удельную энергию, выделяющуюся при цепных реакциях деления ядер. Так, при слиянии тяжелого водорода — дейтерия — со сверхтяжелым изотопом водорода — тритием — выделяется около 3,5 МэВ на один нуклон. При делении же урана выделяется примерно 1 МэВ энергии на один нуклон.

Термоядерные реакции играют большую роль в эволюции Вселенной. Энергия излучения Солнца и звезд имеет термоядерное происхождение. По современным представлениям, на ранней стадии развития звезда в основном состоит из водорода. Температура внутри звезды столь велика, что в ней протекают реакции слияния ядер водорода с образованием гелия. Затем при слиянии ядер гелия образуются и более тяжелые элементы.

Термоядерные реакции играют решающую роль в эволюции химического состава вещества во Вселенной. Все эти реакции сопровождаются выделением энергии, обеспечивающей излучение света звездами на протяжении миллиардов лет.

Осуществление управляемых термоядерных реакций на Земле сулит человечеству новый, практически неисчерпаемый источник энергии. Наиболее перспективной в этом отношении реакцией является реакция слияния дейтерия с тритием:

В этой реакции выделяется энергия 17,6 МэВ. Поскольку трития в природе нет, он должен вырабатываться в самом термоядерном реакторе из лития.

Экономически выгодная реакция, как показывают расчеты, может идти только при нагревании реагирующих веществ до температуры порядка сотен миллионов кельвин при большой плотности вещества (10 14 —10 15 частиц в 1 см 3 ). Такие температуры могут быть в принципе достигнуты путем создания в плазме мощных электрических разрядов. Основная трудность на этом пути состоит в том, чтобы удержать плазму столь высокой температуры внутри установки в течение 0,1 — 1 с.

Никакие стенки из вещества здесь не годятся, так как при столь высокой температуре они сразу же превратятся в пар. Единственно возможным является метод удержания высокотемпературной плазмы в ограниченном объеме с помощью очень сильных магнитных полей. Однако до сих пор решить эту задачу не удалось из-за неустойчивости плазмы. Неустойчивость приводит к диффузии части заряженных частиц сквозь магнитные стенки.

Для уменьшения неоднородности магнитного поля, приводящей к изменению конфигурации плазменного столба и соответственно к его неустойчивости, академиками А. Д. Сахаровым и И. Е. Таммом была предложена форма плазменного столба в виде тора, которая используется на установке, называемой «Токамак».

На этой установке удалось получить плазму температурой 1,3 • 10 7 К. Однако проблема ее удержания еще не решена.

Помимо энергетического преимущества, при термоядерных реакциях не образуются радиоактивные отходы, т. е. не надо решать проблемы загрязнения окружающей среды.

В настоящее время существует уверенность в том, что рано или поздно термоядерные реакторы будут созданы.

Ученые нашей страны достигли больших успехов в создании управляемых термоядерных реакций. Эти работы были начаты под руководством академиков Л. А. Арцимовича и М. А. Леонтовича и продолжаются их учениками.

Пока же удалось осуществить лишь неуправляемую реакцию синтеза взрывного типа в водородной (или термоядерной) бомбе.

Осуществление управляемых термоядерных реакций способно решить энергетическую проблему человечества. Неуправляемые термоядерные реакции в водородных бомбах могут человечество уничтожить.

Вопросы к параграфу

1. Почему реакция слияния легких ядер происходит только при очень высоких температурах?

2. Как объяснить с точки зрения закона сохранения энергии, что энергия выделяется как при делении тяжелых ядер, так и при слиянии легких ядер?

Источник

План-конспект урока по физике на тему «Термоядерные реакции. Применение ядерной энергии» (11 класс)

План-конспект урока

« Термоядерные реакции. Применение ядерной энергии »

3.Тема и номер урока в теме: Физика атомного ядра(16 урок)

4. Базовый учебник: «Физика. 11 класс», Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, В. М. Чаругин, М., Просвещение, 2014 г.

6. Планируемые результаты:

-предметные : ученик узнает о реакции слияния легких ядер при очень высокой температуре, о роли термоядерной реакции в эволюции Вселенной;

ученик познакомится с реакцией взаимодействия дейтерия и трития водорода.

регулятивные : ученик самостоятельно ставит цели и планирует пути достижения; распределяет своё время;

ученик оценивает свои возможности достижения цели;

коммуникативные: ученик полно и точно выражает свои мысли; организовывает и планирует учебное взаимопонимание с учителем и сверстниками;

познавательные: ученик даёт определения понятиям, ученик получает возможность познакомиться с важностью применения неисчерпаемого источника энергии порядка 17 МэВ;

-личностные : ученик получит возможность для формирования устойчивой учебно – познавательной мотивации, готовности к самообразованию и самовоспитанию.

7.Тип урока: урок получения нового знания.

8.Формы работы учащихся : индивидуальная, фронтальная.

9.Необходимое техническое оборудование: компьютер, проектор, учебник, экран, Электронные образовательные ресурсы: информационный, (http://eor.edu.ru), установленный ОМС-плеер.

Структура и ход урока

I. Организационный момент

-проверка готовности учащихся к уроку;

II . Актуализация знания

В начале этого занятия нужно повторить изученный материал, который будет необходим нам для изучения нового материала.

Что используется в ядерных реакциях, работающих на естественном уране? (Применяются замедлители нейтронов)

Чему равна критическая масса для чистого (без замедлителя) урана ? (Около 50 кг)

До какого значения удалось снизить критическую массу, применяя замедлители нейтронов и отражающую нейтроны оболочку из бериллия? (До 250 г)

Как осуществляется управление ядерными реакторами? (Дистанционно с помощью ЭВМ)

III . Мотивирование к учебной деятельности

Возможны два принципиально различных способа освобождения ядерной энергии: деление тяжелых ядер и слияние легких ядер (термоядерный синтез).

При слиянии легких ядер и образовании нового ядра должно выделяться большое количество энергии. Это видно из кривой зависимости удельной энергии связи от массового числа A. Вплоть до ядер с массовым числом около 60 удельная энергия связи нуклонов растет с увеличением A. Поэтому синтез любого ядра с A

Рис. 1.1. Зависимость удельной энергии связи ядра от массового числа

IV . Самоопределение деятельности. Целеполагание. Формулировка темы урока.

Попробуйте сформулировать цель урока.

Можно ли получить энергию, используя лёгкие ядра? Что скорее всего должно происходить?

Всё это вы узнаете сегодня на этом уроке.

Запишите, пожалуйста, тему урока: « Термоядерные реакции. Применение ядерной энергии »

V . Построение проекта выхода из затруднения

Познакомьтесь, пожалуйста, с наглядной информацией о слиянии лёгких ядер: моделью демонстрации синтеза гелия, термоядерными реакциями в горячих звездах, управляемыми термоядерными реакциями, источниками энергии звезд, используя ЭОР информационного характера: http://fcior.edu.ru/card/3054/termoyadernye-reakcii.html

Более подробно изучите тему по учебнику (с.320-324) и найдите ответы на следующие вопросы:

Что можно сказать о массе покоя при делении лёгких ядер? ( Масса покоя ядра гелия значительно меньше суммы масс покоя двух ядер тяжелого водорода, на которые можно разделить ядро гелия.)

При каких температурах происходит слияние лёгких ядер? ( Слияния легких ядер могут протекать только при очень высоких температурах.)

Что такое термоядерная реакция? ( Термоядерные реакции — это реакции слияния легких ядер при очень высокой температуре.)

Во сколько раз при слиянии дейтерия с тритием выделяется больше энергии, чем при делении урана (В 3,5 раза)

Какое происхождение имеет энергия излучения Солнца и звёзд? (Они имеют термоядерное происхождение)

Чем сопровождаются термоядерные реакции? (Все эти реакции сопровождаются выделением энергии)

Какая реакция является перспективной реакцией неисчерпаемого источника энергии? (управляемая термоядерная реакция слияния дейтерия с тритием: + )

Какая энергия в этой реакции выделяется? (17,6 МэВ)

Когда может происходить, при каких условиях и в чём трудность на этом пути? ( может идти только при нагревании реагирующих веществ до температуры порядка сотен миллионов кельвин при большой плотности вещества (10 14 —10 15 частиц в 1 см 3 ). Такие температуры могут быть в принципе достигнуты путем создания в плазме мощных электрических разрядов и трудность в удержании плазмы столь высокой температуры внутри установки в течение 0,1—1 с)

Как можно удержать плазму? (с помощью очень сильных магнитных полей, но решить эту задачу не удалось из-за неустойчивости плазмы)

Какое ещё кроме энергетического преимущества есть при термоядерных реакциях?( не образуются радиоактивные отходы, т. е. не надо решать проблемы загрязнения окружающей среды.)

Какую реакцию удалось осуществить? (удалось осуществить лишь неуправляемую реакцию синтеза взрывного типа в водородной (или термоядерной) бомбе.)

Где и когда и какой мощности была введена в действие первая АЭС в нашей стране? (в 1954 г. в г. Обнинске была введена в действие первая атомная электростанция (АЭС) мощностью 5000 кВт.)

Какие ещё введены АЭС в нашей стране? (Нововоронежская, Ленинградская, Курская, Кольская и другие АЭС)

Какие преимущества АЭС? ( Ядерные реакторы не потребляют дефицитного органического топлива и не загружают перевозками угля железнодорожный транспорт, не потребляют атмосферный кислород и не засоряют среду золой и продуктами сгорания.)

Где и когда пуск первого в мире реактора на быстрых нейтронах мощностью 600 МВт? (В 1980 г. на Белоярской АЭС)

Какая опасность присуща ядерной энергетике? ( Вредные или опасные факторы воздействия на окружающую среду, радиоактивное загрязнение, проблемы с захоронением радиоактивных отходов и демонтажем отслуживших свой срок атомных электростанций, срок службы которых около 20 лет)

С чем связан риск разрушения активной зоны реактора? (Из-за ошибок персонала и просчетов в конструкции реакторов остается реальностью)

Что служит взрывчатым веществом в атомной бомбе? ( Взрывчатым веществом служит чистый уран или плутоний )

Что происходит при взрыве? (При взрыве атомной бомбы температура достигает десятков миллионов кельвин. При такой высокой температуре очень резко повышается давление и образуется мощная взрывная волна. Одновременно возникает мощное излучение. Продукты цепной реакции при взрыве атомной бомбы сильно радиоактивны и опасны для жизни живых организмов.)

Где применили атомные бомбы США в 1945 году? (Бомбы были сброшены на японские города Хиросима и Нагасаки)

Кем были выдвинуты идеи создания термоядерной бомбы в нашей стране? (А. Д. Сахаровым после Великой Отечественной войны)

VI . Первичное закрепление.

Вам теперь предстоит выполнить практическое задание по уравнениям ядерных реакций:

VII I. Рефлексия учебной деятельности на уроке (итог).

Учитель подводит итоги урока, акцентирует внимание на конечных результатах учебной деятельности. Выставляет оценки за урок.

Учитель предлагает учащимся продолжить предложение:

I Х. Домашнее задание (учитель даёт пояснение к выполнению домашней работы)

Источник

Что можно сказать о массе покоя при делении легких ядер

На устойчивость атомного ядра влияют два типа сил:

С увеличением массы и размера ядра кулоновское отталкивание приводит к уникальному явлению – ядро может разделиться на два сравнимых по массе осколка. Неустойчивость атомного ядра по отношению к делению описывается параметром делимости Z 2 /А.

12.1. Деление атомных ядер

Делением атомных ядер называют их распад на два осколка сравнимой массы. Деление может быть самопроизвольным (спонтанным) или вынужденным, вызванным взаимодействием с налетающей частицей.

Характеристики распадов некоторых ядер

Деление энергетически выгодно для тяжёлых ядер и является основным источником ядерной энергии. При этом энерговыделение составляет величину ≈1 МэВ на один нуклон делящегося вещества или 10 14 Дж/кг, что на много порядков превосходит энерговыделение всех других освоенных человеком источников энергии.

12.2. Энергия деления

Деление энергетически выгодно (E_дел > 0) в том случае, когда (0.37γZ 2 /A 1/3 − 0.26βA 2/3 ) > 0, т. е. когда

Величина Z 2 /A называется параметром делимости. Z 2 /A > 17 для ядер с А > 90.

12.3. Продукты деления

Распределение энергии деления 235 U тепловыми нейтронами

167 МэВМгновенные нейтроны деления

5 МэВЭлектроны бета-распада

5 МэВАнтинейтрино бета-распада

10 МэВМгновенные гамма-кванты

7 МэВГамма-излучение продуктов деления

Рис. 12.1. Массовое распределение осколков деления 235 U тепловыми нейтронами.

Характерной особенностью деления изотопов урана является то, что осколки, как правило, существенно различаются по массам, т. е. преобладает асимметричное деление. С учётом испускания двух мгновенных нейтронов, один из каналов реакции деления 235 U имеет вид

n + 235 U → 236 U → 95 Sr + 139 Xe + 2n.

Распределение по массам осколков деления показано на рис. 12.1. Осколки деления образуются в широком диапазоне A = 72–161 и Z = 30–65.
Асимметричное деление объясняется влиянием оболочечной структуры ядра. Ядро стремится разделиться таким образом, чтобы основная часть нуклонов осколка образовала устойчивый магический остов.

.

Рис. 12.2. Энергетический спектр нейтронов, испущенных при делении тепловыми нейтронами ядра 235 U.

Восстановление характерного для средних ядер
A = 90–150 соотношения числа нейтронов и протонов происходит также за счёт вылета мгновенных нейтронов деления. В среднем в каждом акте деления за время

12.4. Механизм деления

Поверхностная и кулоновская энергии изменяются при отклонениях формы исходного ядра от сферической. Если ядро принимает форму вытянутого эллипсоида вращения, то при условии, что объём ядра не изменяется (ядерная материя практически несжимаема), величины малой a и большой b осей ядерного эллипсоида:

b = R(1 + ε),

где R − радиус исходного ядра, а ε − малый параметр.
Поверхностная и кулоновская энергии ядерного эллипсоида:

Изменение полной энергии ядра при переходе от сферической формы к эллипсоиду определяется соотношением

Барьер деления возникает при ΔE > 0, т. е. при Z 2 /А 2 /А.

Рис. 12.3. Зависимость формы и высоты потенциального барьера, а также энергии деления от величины параметра Z 2 /A. Двусторонняя вертикальная стрелка показывает высоту барьера деления.

12.5. Деление естественной смеси изотопов U

В естественной смеси изотопов U на тепловых нейтронах реакция возможна, а на быстрых − нет. Среднее число вторичных нейтронов на один захват нейтрона естественной смесью изотопов урана

= 1.32 > 1.

Следовательно, цепная реакция на тепловых нейтронах на естественном уране возможна. Однако для осуществления цепной реакции надо с малыми потерями замедлять образующиеся при делении нейтроны с энергией от несколько МэВ до тепловых.

≈ 0.033.

Необходимо учесть, что быстрые нейтроны с энергиями больше 1.4 МэВ могут с заметной относительной интенсивностью делить и ядра изотопа 238 U, которого в естественной смеси гораздо больше. При делении 238 U коэффициент ν ≈ 2.5. В спектре деления 60% нейтронов имеют энергии выше эффективного порога 1.4 МэВ деления 238 U. Из этих 60% нейтронов только один нейтрон из пяти успевает вызвать деление 238 U, не замедлившись до энергии ниже пороговой за счет упругого и неупругого рассеяния. Для быстрых нейтронов ≈ 0.6 барн и для коэффициента получается оценка

Полный коэффициент для реакции деления на быстрых нейтронах в естественной смеси изотопов урана равен сумме

= + ≈ 0.3 235 U и 238 U идти не может. Реакцию на быстрых нейтронах можно поддерживать лишь в обогащенной смеси, содержащей не меньше 15% изотопа 235 U.

12.6. Цепная реакция деления

Цепная реакция деления идет в среде, в которой происходит процесс размножения нейтронов. Такая среда называется активной средой. Физической величиной, характеризующей интенсивность размножения нейтронов, является коэффициент размножения нейтронов k_∞, равный отношению количества нейтронов в одном поколении к их количеству в предыдущем поколении. Индекс ∞ относится к среде бесконечных размеров. В делящейся среде конечных размеров часть нейтронов будет уходить из активной зоны наружу. Поэтому коэффициент k, являющийся характеристикой конкретной установки, зависит от вероятности Р для нейтрона не уйти из активной зоны. По определению

Рис. 12.4. Схема цепной реакции деления в среде с замедлителем.

Рис. 12.5. Схема гетерогенного теплового реактора.

В реакторе поддерживается управляемая цепная реакция деления, в результате которой происходит выделение тепла. Основной характеристикой реактора является его мощность − количество тепловой энергии, выделяющейся в единицу времени. Мощность в 1 МВт (мегаватт) соответствует цепной реакции, в которой происходит 3·10 16 актов деления в секунду. Имеется большое количество разных типов реакторов. Одна из типичных схем теплового реактора изображена на рисунке 12.5.
При поглощении нейтронов изотопами урана 238 U и тория 232 Th образуются (через два последовательных β-распада) изотопы плутония 239Pu и урана 233 U, являющиеся ядерным горючим:

Эти две реакции открывают возможность воспроизводства ядерного горючего в процессе цепной реакции.

Задачи

12.2. Почему большинство атомных ядер устойчиво по отношению к спонтанному делению?

12.3. Ядро массы M делится на два осколка с массами M₁ и M₂. Какая энергия высвобождается при делении? Равна ли сумма M₁ + M₂ массе начального ядра M? Объясните ответ.

12.4. Пользуясь таблицей масс атомных ядер рассчитайте энергию симметричного деления
1) 242 12Am, 2) 232 Th, 3) 238 U. Сравнить полученный результат с расчетами на основе формулы Вайцзеккера.

12.5. При делении урана образуются осколки и . Рассчитайте энергию электростатического отталкивания осколков E_Кулон. Сравните полученный результат с суммарной кинетической энергией осколков равной ≈ 170 МэВ.
Ответ: E_Кулон = 230 МэВ

12.6. Рассчитайте энергию, выделяющуюся при делении ядра 235 U, захватившего тепловой нейтрон с образованием осколков: 1) 95 Sr + 141 Xe, 2) 94 Sr + 140 Xe + 2n, 3) 95 Sr + 139 Xe + 2n.
Ответ: 1) Q = 192.4 МэВ, 2) Q = 184.4 МэВ, 3) Q = 183.7 МэВ

12.7. Одна из возможных реакций деления 12n + 235 U →12 120 Cd + 110 Ru + 6n. Рассчитайте энергию Q, выделяющуюся при делении.
Ответ: Q = 164.5 МэВ

12.8. Почему изотоп урана 235 U может делиться под действием тепловых нейтронов, а изотоп 238 U только под действием быстрых нейтронов? Рассчитать минимальную кинетическую энергию нейтрона, необходимую для деления 238 U. Высоты барьеров деления для 236 U и 239 U равны 6.2 и 6.6 МэВ соответственно.

12.9. Почему при делении испускаются запаздывающие нейтроны? Могут ли быть испущены запаздывающие протоны?

12.10. Почему распады ядер 235 U и 238 U происходят с образованием отношения масс легкого и тяжелого осколков 2:3?

12.11. Какое число делений N происходит в ядерном реакторе мощностью 500 МВт, если в среднем в одном акте деления выделяется энергия 200 МэВ?
Ответ: N = 1.6·10 19 с –1

12.13. Сколько нейтронов N_n покидает пределы активной зоны реактора мощностью 100 МВт, если потеря нейтронов за счет поглощения без деления составляет 50%?
Ответ: N_n = 8·10 17 с –1

12.14. Какая энергия выделяется при делении 1 кг 235 U?
Ответ: E = 8.2·10 7 МДж

12.15. Какова мощность W атомной электростанции, расходующей 1 кг 235 U в сутки, если КПД электростанции составляет 16%?
Ответ: W = 152 МВт

12.16. Оценить время ядерного взрыва.

12.17. Возможна ли цепная реакция деления на естественной смеси изотопов U под действием 1) быстрых нейтронов, 2) тепловых нейтронов?

12.18. Какую роль играют реакции радиационного захвата нейтронов (n,γ) в цепной реакции деления?

12.19. Коэффициент размножения нейтронов k = 1.1. Рассчитайте, какое число поколений необходимо, чтобы выделение энергии увеличилось в 10 раз? Какое время необходимо, чтобы выделение энергии увеличилось в 100 раз, если время жизни одного поколения 0.9 мс?
Ответ: n = 25, t = 44 мс

12.20. В ядерном реакторе, имеющем коэффициент размножения k = 1.005 время жизни одного поколения нейтронов 0.1 с. Определите период реактора (время, за которое его мощность увеличится в e раз)
Ответ: t = 20 с

12.21. В ядерном реакторе, имеющем коэффициент размножения k = 1.005 время жизни одного поколения нейтронов 0.08 с. На сколько увеличится произведенная энергия за 5 с? На сколько нужно уменьшить поток нейтронов в реакторе, чтобы коэффициент размножения стал 1.0005?
Ответ: ΔN/N = 37%

12.22. В активной зоне реактора в реакциях захвата нейтронов ядрами урана образуются трансурановые элементы. Какие изотопы трансуранов будут основными источниками остаточной радиоактивности через 1000 лет хранения радиоактивных отходов?

Источник