Физика атомного ядра. Деление ядер урана. Ядерный реактор. Термоядерный синтез

Атомные ядра состоят из элементарных частиц — протонов и нейтронов, получивших общее название нуклоны (протонно-нейтронная модель ядра предложена Дмитрием Иваненко и Вернером Гейзенбергом в 1932 г.).

Характеристики нуклонов:

• Протон (¹₁p): масса m_p ≈ 1.6726 · 10⁻²⁷ кг ≈ 1.00728 а.е.м., заряд q_p = +e = +1.6 · 10⁻¹⁹ Кл;

• Нейтрон (¹₀n): масса m_n ≈ 1.6749 · 10⁻²⁷ кг ≈ 1.00866 а.е.м., заряд q_n = 0.

Состав ядра обозначается символом химического элемента: ᴬ_Z X, где Z — зарядовое число (число протонов), A = Z + N — массовое число (общее число нуклонов), N = A - Z — число нейтронов.

Ядерные силы (сильное взаимодействие):

Протоны внутри ядра испытывают колоссальное электростатическое кулоновское отталкивание. Удержание нуклонов обеспечивают ядерные силы — самые мощные силы в природе:

1. Они в сотни раз превосходят кулоновские силы;

2. Короткодействующие: проявляются только на ядерных расстояниях r ~ 1–2 фм (10⁻¹⁵ м);

3. Зарядовая независимость: силы взаимодействия p-p, n-n и p-n абсолютно одинаковы;

4. Обладают свойством насыщения.

Дефект массы (Δm) и энергия связи ядра (E_св):

Эксперименты показали: масса любого ядра M_я ВСЕГДА строго меньше суммы масс составляющих его свободных нуклонов!

Δm = Z · m_p + (A - Z) · m_n - M_я > 0.

Энергия связи ядра — минимальная работа, необходимая для полного расщепления ядра на отдельные покоящиеся нуклоны:

E_св = Δm · c² = [ Z · m_p + (A - Z) · m_n - M_я ] · c².

Удельная энергия связи (ε_уд = E_св / A) достигает максимума у элементов середины таблицы Менделеева (железо ⁵⁶₂₆Fe: ε_уд ≈ 8.8 МэВ/нуклон). Поэтому энергетически выгодны два процесса: деление тяжелых ядер и синтез легких ядер!

В 1938 году немецкие ученые Отто Ган и Фриц Штрассман открыли явление деления ядер урана, а физический механизм объяснили Лиза Мейтнер и Отто Фриш на основе капельной модели Бора — Уилера.

Механизм деления урана-235:

При захвате медленного (теплового) нейтрона ядро ²³⁵₉₂U возбуждается и деформируется в вытянутую колеблющуюся гантель. Когда кулоновские силы электростатического отталкивания протонов превышают ядерные силы притяжения в перемычке, ядро разрывается на два осколка деления (например, барий Ba и криптон Kr) с одновременным испусканием 2–3 быстрых вторичных нейтронов:

²³⁵₉₂U + ¹₀n → ²³⁶₉₂U* → ¹⁴⁴₅₆Ba + ⁸⁹₃₆Kr + 3 ¹₀n + 200 МэВ.

Энергетический выход:

При делении одного ядра урана ²³⁵U выделяется колоссальная энергия ~ 200 МэВ (в миллионы раз больше энергии окисления молекулы угля при горении!). 1 кг урана дает столько же тепла, сколько сжигание 3000 тонн каменного угля.

Цепная ядерная реакция:

Самоподдерживающаяся ядерная реакция, в которой вторичные нейтроны, образовавшиеся при делении одних ядер, вызывают вынужденное деление последующих ядер урана.

Коэффициент размножения нейтронов (k) — отношение числа нейтронов в данном поколении реакции к числу нейтронов в предыдущем поколении:

• k < 1: подкритический режим — реакция затухает;

• k = 1: критический режим — управляемая стационарная реакция постоянной мощности (эксплуатационный режим ядерных реакторов АЭС);

• k > 1: надкритический режим — лавинообразное нарастание числа делений за доли микросекунды (неуправляемый взрыв ядерного заряда).

Критическая масса (m_кр) — минимальная масса делящегося вещества, при которой возможна самоподдерживающаяся цепная реакция (для сферы чистого урана-235 m_кр ≈ 50 кг, диаметр сферы всего 17 см).

Ядерный реактор — сложная инженерная установка, предназначенная для осуществления управляемой цепной ядерной реакции деления с регулируемым выделением тепла.

Основные конструктивные элементы водо-водяного энергетического реактора (ВВЭР):

1. Активная зона: герметичный прочный стальной корпус, содержащий тепловыделяющие сборки (ТВС) со стержнями — ТВЭЛами (тепловыделяющими элементами). ТВЭЛы заполнены таблетками диоксида урана UO₂, обогащенного делящимся изотопом ²³⁵U до 3–5% (остальное — сырьевой ²³⁸U);

2. Замедлитель нейтронов (вода H₂O, тяжелая вода D₂O, чистый реакторный графит): нейтроны деления рождаются быстрыми (энергия E ~ 2 МэВ) и плохо захватываются ядрами ²³⁵U. При многократных упругих соударениях с ядрами водорода воды нейтроны замедляются до тепловых скоростей (E ~ 0.025 эВ), при которых вероятность захвата возрастает в сотни раз;

3. Регулирующие и аварийные стержни: стержни из материалов, сильно поглощающих тепловые нейтроны (карбид бора B₄C, кадмий Cd). Погружение стержней в активную зону снижает коэффициент k, а извлечение — повышает мощность. При аварии стержни автоматической защиты (АЗ) сбрасываются под действием гравитации за доли секунды, мгновенно глуша реактор;

4. Теплоноситель (вода под давлением до 160 атм, чтобы не закипать при температуре 320 °C): циркулирует по замкнутому первому радиоактивному контуру и отдает тепло в парогенераторе воде второго нерадиоактивного контура;

5. Паровая турбина и генератор: сухой пар второго контура вращает ротор турбогенератора, вырабатывающего промышленный ток;

6. Многоэшелонированная защита: контайнмент (железобетонная защитная оболочка толщиной 1.5 метра, выдерживающая падение самолета и внутреннее давление пара), ловушка расплава активной зоны.

Ионизирующее излучение — излучение, взаимодействие которого со средой приводит к ионизации атомов и молекул вещества (α-частицы, β-частицы, γ-кванты, нейтронные пучки).

Биологическое воздействие радиации:

Радиация повреждает структуру ДНК клеток живых организмов, вызывает образование токсичных свободных радикалов (радиолиз воды), приводит к лучевой болезни и генетическим мутациям.

Физические величины дозиметрии:

1. Активность радиоактивного источника (A) — число распадов ядер за 1 секунду. Единица в СИ — Беккерель (Бк): 1 Бк = 1 распад/с. Внесистемная единица — Кюри (1 Ки = 3.7 · 10¹⁰ Бк);

2. Поглощенная доза излучения (D) — отношение переданной излучением энергии E к массе облучаемого вещества m: D = E / m. В СИ измеряется в Грэях (Гр): 1 Гр = 1 Дж / 1 кг;

3. Эквивалентная доза (H) — величина, учитывающая различную биологическую опасность разных видов излучения: H = D · K, где K — коэффициент относительной биологической эффективности (K = 1 для β и γ; K = 20 для тяжелых α-частиц и быстрых нейтронов). В СИ измеряется в Зивертах (Зв): 1 Зв = 1 Дж / 1 кг.

Атомная отрасль Республики Казахстан:

Казахстан является мировым лидером в сфере мирного атома:

• 1-е место в мире по добыче природного урана (национальная компания НАК «Казатомпром» добывает свыше 40% мирового урана методом экологически чистого подземного скважинного выщелачивания);

• Казахстан обладает вторыми по величине подтвержденными запасами урана на планете (месторождения Шу-Сарысу, Илийская впадина, Прикаспий);

• В Усть-Каменогорске на Ульбинском металлургическом заводе (УМЗ) производятся готовые топливные таблетки и тепловыделяющие сборки (ТВС) для АЭС;

• Успешно функционируют исследовательские реакторы ВВР-К в Институте ядерной физики (ИЯФ, Алматы) и комплекс материаловедческого токамака КТМ в Национальном ядерном центре РК (НЯЦ, г. Курчатов).

Термоядерный синтез — реакция слияния легких атомных ядер (изотопов водорода) в более тяжелые ядра (гелий), протекающая при сверхвысоких температурах (десятки и сотни миллионов градусов Кельвина) с выделением колоссальной энергии.

Физический принцип синтеза:

Чтобы положительно заряженные ядра преодолели гигантские кулоновские силы отталкивания и сблизились на расстояние действия ядерных сил (r ~ 10⁻¹⁵ м), им необходимо сообщить колоссальную кинетическую энергию теплового движения (T > 10⁸ К). В таких условиях вещество переходит в состояние высокотемпературной плазмы.

Наиболее перспективная реакция управляемого термоядерного синтеза на Земле:

²₁H (дейтерий) + ³₁H (тритий) → ⁴₂He (альфа-частица) + ¹₀n + 17.6 МэВ.

Запасы дейтерия в Мировом океане практически неисчерпаемы (в 1 литре обычной воды содержится дейтерия столько, сколько энергии дает сжигание 300 литров бензина!). Тритий нарабатывается прямо в реакторе из лития при захвате нейтронов.

Преимущества термоядерной энергетики перед традиционной ядерной:

1. Абсолютная экологическая безопасность (отсутствие долгоживущих высокоактивных отходов);

2. Принципиальная невозможность неуправляемого разгона (при малейшем сбое плазма мгновенно остывает и гаснет);

3. Неисчерпаемая топливная база на миллионы лет вперед.

Термоядерные установки ТОКАМАК (Тороидальная Камера с Магнитными Катушками):

Разработаны советскими академиками Игорем Таммом и Андреем Сахаровым. Плазма удерживается от контакта со стенками тороидальным магнитным полем.

Международный проект ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor):

Крупнейший в истории человечества международный исследовательский термоядерный реактор (Кадараш, Франция), строящийся консорциумом ЕС, Казахстана, США, Японии, Китая, Южной Кореи и Индии. В Казахстане на базе Национального ядерного центра функционирует Казахстанский Токамак Материаловедческий (КТМ) для тестирования элементов первой стенки будущих термоядерных электростанций.