1. Tuumaenergia on teaduse ja tööstustehnoloogia valdkond, milles töötatakse välja ja praktikas kasutatakse meetodeid ja vahendeid tuumaenergia muundamiseks soojus- ja elektrienergiaks. Tuumaenergia alused on tuumaelektrijaamad (TUJ). Tuumaelektrijaamade energiaallikaks on tuumareaktorid, milles toimub raskete elementide, peamiselt U-235 ja Pu-239 tuumade lõhustumise kontrollitud ahelreaktsioon.
Tuumareaktoreid on kahte tüüpi: aeglaste neutronite reaktorid ja kiirete neutronite reaktorid. Enamik maailma tuumaelektrijaamu on ehitatud aeglaste neutronreaktorite baasil. Esimesed USA-s (1942), NSVL-is (1946) ja teistes arenenud riikides ehitatud reaktorid pidid tootma relvaklassi plutoonium Pu-239. Neis eraldunud soojus oli kõrvalsaadus. See soojus eemaldati reaktorist jahutussüsteemi abil ja lasti lihtsalt keskkonda.
Soojuse vabanemise mehhanism reaktoris on järgmine. Uraani tuuma lõhustumisel tekkivad kaks fragmenti kannavad endaga kaasa tohutu kineetilise energia, umbes 200 MeV. Nende algkiirus ulatub 5000 km/s. Uraani, moderaatori või konstruktsioonielementide vahel liikudes kannavad need aatomitega kokku põrganud killud neile oma energiat ja aeglustuvad järk-järgult termilise kiiruseni. Reaktori südamik kuumeneb. Tuumareaktsiooni intensiivsust suurendades on võimalik saavutada suuremaid soojusvõimsusi.
Reaktoris tekkiv soojus eemaldatakse vedela või gaasilise jahutusvedeliku abil. Üldiselt meenutab jahutusvedeliku reaktor aurutoru boilerit (vesi voolab ahju sees olevate torude kaudu ja soojeneb). Seetõttu kasutatakse koos mõistega "tuumareaktor" sageli sünonüümi "tuumakatel".
Joonisel fig. Joonisel 144 on kujutatud tuumaelektrijaama skeem reaktoris 1. Töötava reaktori sees ulatub neutronite voo tihedus 10 14 osakeseni iga 1 cm 2 sekundis.
Eristatakse reaktori soojus- ja elektrivõimsust. Elektrienergia ei moodusta rohkem kui 30% soojusvõimsusest. Maailma esimene tuumaelektrijaam ehitati 1954. aastal NSV Liidus Obninskis. Selle soojusvõimsus on 30 MW, elektrivõimsus 5 MW. Uraan-grafiit aeglase neutroni reaktori aktiivne tsoon on 1,5 m läbimõõduga ja 1,7 m kõrguse silindri kujuga jahutusvedelikuks on vesi. Vee temperatuur reaktori sisselaskeava juures on + 190°C, väljalaskeava juures + 280°C, rõhk 100 atm.
Reaktori koormus on 550 kg 5%-ni rikastatud uraani. Tööaeg nimivõimsusel on 100 päeva. U-235 projekteeritud läbipõlemine on 15%. Reaktor sisaldab 128 kütuseelementi (kütuseelementi). Obninski TEJ ehitati eesmärgiga arendada tuumaenergia tehnoloogilisi lahendusi. Hilisemates järjestikustes tuumaelektrijaamades suureneb reaktorite koormus ja võimsus sadu kordi.
2. Aeglaste neutronite tuumareaktor. Nagu juba §21-s mainitud, oli tuumareaktorite arendamise põhiülesanne, et reaktor saaks töötada loodusliku uraani, s.o. ekstraheeritakse keemiliselt maakidest ja sisaldab looduslikku isotoopide segu: U-238 (99,282%), U-235 (0,712%), U-234 (0,006%) või suhteliselt odava madala rikastatud uraani isotoopide sisaldusega on U-235 või Pu-239 suurendatud 2-5%-ni.
Selleks peab olema täidetud kolm tingimust: esiteks, lõhustuva materjali mass reaktoris (U-235 või Pu-239) ei tohi olla väiksem kui kriitiline antud konfiguratsiooni jaoks. See tähendab, et keskmiselt üks neutron iga tuuma lõhustumise sündmuse käigus tekkivast arvust võib põhjustada järgmise lõhustumise sündmuse. Teiseks tuleb neutroneid aeglustada termilise kiiruseni ja seda tuleb teha nii, et minimeerida nende kaod, mis tulenevad kiirguse kinnipüüdmisest mittelõhustuvate materjalide tuumade poolt. Kolmandaks töötage välja põhimõtted ja looge vahendid tuuma ahelreaktsiooni kontrollimiseks. Kuigi kõik need tingimused on omavahel seotud, on igaühe jaoks võimalik kindlaks teha nende rakendamise peamised viisid.
A. Lõhustuva materjali kriitilise massi saavutamine on võimalik kahel viisil: lihtsalt uraani massi suurendamine ja uraani rikastamine. Lõhustuva materjali madala kontsentratsiooni tõttu on selle kriitiline mass reaktoris palju suurem kui aatomipommil. Näiteks Obninski tuumaelektrijaamas / m cr U-235 on umbes 25 kg. Moodsamates suure võimsusega reaktorites ulatub m cr mitme tonnini. Reaktorist neutronite lekkest tingitud kadude vähendamiseks ümbritseb selle südamik neutronreflektoriga. See on kergete tuumadega aine, mis neelab nõrgalt neutroneid (grafiit, berüllium).
b. Neutronite modereerimine. Joonisel 145 on kujutatud U-235 lõhustuvate tuumade poolt kiiratavate neutronite energiaspekter. Abstsisstelg näitab neutronite kineetilist energiat E ja ordinaattelg näitab sellise energia kordumise suhtelist sagedust ΔN/N tavalistes ühikutes. Kõvera maksimum on E = 0,645 MeV juures. Jooniselt on näha, et U-235 tuumade lõhustumisel tekivad valdavalt kiired neutronid energiaga E > 1 MeV.
Nagu varem mainitud, on U-235 tuumade neutronite püüdmise efektiivne ristlõige termiliste neutronite puhul maksimaalne, kui nende energia E< 1 Мэв. Поэтому для наиболее эффективного использования нейтронов их надо замедлять до тепловых скоростей. Казалось бы, это можно сделать простым наращиванием массы естественного урана. В этом случае нейтроны, последовательно сталкиваясь с ядрами урана, должны постепенно уменьшать свою энергию и приходить к тепловому равновесию с массой урана. Но в естественном уране на 1 ядро U-235 приходиться 140 ядер U-238. Сечение радиационного захвата быстрых нейтронов ядрами U-238 невелико (σ=0,3 барна), и этот путь был бы возможен, если бы не резонансная область (см. рис.139), где σ возрастает в тысячи раз. Например, при энергии нейтронов E=7эВ σ достигает 5000 барн. Нейтроны этот диапазон энергий в уране не пройдут. Они почти все будут захвачены ядрами U-238
Sellise neeldumise vältimiseks tuleb neutronid uraani massist eemaldada, aeglustada neutroneid nõrgalt neelavas moderaatoris (grafiit, raske vesi, berüllium) ja viia tagasi uraani massi (hajutatud) See saavutatakse uraani laadimisega. õhukesteks kütuseelementide torudeks (kütusevardad) . Ja kütusevardad on sukeldatud moderaatori kanalitesse.
Tavaliselt on kütusevardad õhukese seinaga torud läbimõõduga 15-20 mm, mis on valmistatud tsirkooniumisulamist. Tuumakütus asetatakse kütusevarraste sisse uraanoksiidist U0 2 pressitud tablettidena. Oksiid ei paagutu kõrgel temperatuuril ja on kütusevarraste laadimisel kergesti eemaldatav. Olenevalt reaktori südamiku suurusest võib kütusevarraste pikkus ulatuda 7-8 m. Mitmed kütusevardad on monteeritud konteineritesse, milleks on 10-20 cm läbimõõduga torud või prismad. Reaktorite laadimisel vahetatakse need mahutid välja ning tehases toimub nende lahtivõtmine ja kütusevarraste vahetus.
Reaktor ise on enamasti silinder, mille ülemise aluse kaudu tehakse ruudukujuliselt vertikaalsed kanalid. Nendesse kanalitesse asetatakse mahutid kütusevarrastega ja neeldurite juhtvarrastega.
V. Tuuma ahelreaktsiooni juhtimine viiakse läbi varraste abil, mis on valmistatud materjalidest, mis neelavad tugevalt neutroneid - kaadmium 48 113 Cd ja boor 5 10 V. Viimane on sageli karbiidi B 4 C kujul (kaadmiumi sulamistemperatuur 321 ° C, boori puhul 2075 ° C). Nende neeldumisristlõiked on vastavalt σ = 20 000 ja 4000 ait. Absorbervarraste parameetrid arvutatakse nii, et kui vardad on täielikult sisestatud, ei toimu reaktoris kindlasti tuumareaktsiooni. Varraste järkjärgulise eemaldamisega suureneb korrutustegur K südamikus ja varda teatud asendis jõuab ühtsuseni. Sel hetkel hakkab reaktor tööle. Töötamise ajal väheneb K koefitsient järk-järgult, kuna reaktor on saastunud lõhustumisfragmentidega. Seda K vähenemist kompenseerib varraste pikenemine. Reaktsiooni intensiivsuse järsu suurenemise korral on täiendavad vardad. Nende kiire vabanemine südamikusse peatab reaktsiooni kohe.
Reaktori juhtimise teeb lihtsamaks viivitatud neutronite olemasolu. Nende osakaal erinevate isotoopide puhul jääb vahemikku 0,6–0,8%, U-235 puhul on see ligikaudu 0,64%. Hilinenud neutroneid tootvate lõhustumisfragmentide keskmine poolestusaeg on T = 9 s, ühe põlvkonna hilinenud neutronite keskmine eluiga on τ = T/ln2 = 13 s.
Reaktori statsionaarse töö ajal on kiirete neutronite korrutustegur K b = 1. Summaarne koefitsient K = K b + K erineb ühtsusest hilinenud neutronite osa võrra ja võib ulatuda väärtuseni K = 1 + 0,006. Teises põlvkonnas on 13 sekundi pärast neutronite arv N = N 0 K 2 = N 0 (1,006)2 = 1,012MN 0. Kümnendas põlvkonnas on 130 sekundi pärast nende arv N 0 K 10 = 1,062 MN 0, mis on hädaolukorrast veel kaugel. Seetõttu on südamikus neutronvoo tiheduse jälgimisel põhinev automaatjuhtimissüsteem üsna võimeline jälgima reaktori töös kõige väiksemaid nüansse ja reageerima neile juhtvardade liigutamisega.
3. Reaktori mürgistus- see on radioaktiivsete toodete kogunemine sellesse. Stabiilsete toodete kogunemist sellesse nimetatakse reaktori räbudeks. Mõlemal juhul akumuleeruvad tuumad, neelavad intensiivselt neutroneid. Kõige võimsama ksenoon-135 mürgitaja püüdmisristlõige ulatub 2,6 * 10 6 aitani.
Xe-135 moodustumise mehhanism on järgmine. Kui U-235 või Pu-239 lõhustuvad aeglaste neutronitega, tõenäosusega 6%, saadakse fragment - telluurituum 52 135 Te. Perioodiga 0,5 minutit toimub Te-135 β - lagunemine, muutudes joodi isotoobi I tuumaks. See isotoop on samuti β - aktiivne perioodiga 6,7 tundi. I-135 lagunemissaadus on ksenooni isotoop 54 135 Xe. Perioodiga T = 9,2 tundi toimub Xe-135 β-lagunemine, muutudes praktiliselt stabiilseks tseesiumi isotoobiks 55 135 Cz. (/T= 3*10 6 aastat).
Teised lagunemismustrid tekitavad muid kahjulikke tuumasid, nagu samarium 62 139 Sm. Eriti kiiresti tekib mürgistus reaktori töötamise algperioodil. Aja jooksul tekib lagunemissaaduste vahel radioaktiivne tasakaal. Sellest hetkest alates hakkab reaktori räbu suurenema.
Reaktorit, milles lõhustuv materjal (uraan), moderaator (grafiit) ja absorber (kaadmium) on eraldi faasid ja millel on liidesed, nimetatakse heterogeenseks. Kui kõik need vedelas või gaasilises olekus elemendid esindavad ühte ühist faasi, nimetatakse reaktorit homogeenseks. Energiaahelate jaoks ehitatakse eranditult heterogeensed reaktorid.
5. Kiired neutronreaktorid. U-235, Pu-239 ja U-233 tuumad lõhustuvad kõigi neutronite poolt. Seega, kui suurendada uraani rikastamist näiteks isotoobiga U-235, siis lõhustuvate tuumade kontsentratsiooni suurenemise tõttu lõhustab järjest suurem osa neutroneid U-235 tuumad ilma uraani massist lahkumata. . Lõhustuvate tuumade teatud kontsentratsiooni ja piisava uraani massi korral tuumas jõuab neutronite korrutustegur ühtsuseni isegi ilma neid pidurdamata. Reaktor töötab kiiretel neutronitel (lühendatult kiire reaktsioon).
Kiire reaktsiooni eelis aeglase reaktsiooni (st aeglaste neutronitega reaktsiooni ees) ees seisneb selles, et neutroneid kasutatakse tõhusamalt. Selle tulemusena suureneb tuumakütuse taastootmine. Aeglase 2,5 neutroni reaktsiooni korral läheb 1 ka U-235 tuumasse, säilitades reaktsiooni, ligikaudu 1 läheb U-238 tuumasse, moodustades seejärel Pu-239 (tuumakütus) ja 0,5 neutronit läheb kaotsi. Üks "põlenud" U-235 südamik toodab ligikaudu 1 tuuma Pu-239. Kiire reaktsiooni korral kasutatakse 2,5 neutronist 1 ka reaktsiooni säilitamiseks. Kuid kaotsi läheb vähem kui 0,5 neutronit. Seetõttu siseneb U-238 tuumadesse rohkem neutroneid. Selle tulemusena moodustub "põlenud" U-235 ühe tuuma kohta rohkem kui 1 Pu-239 tuum. Toimub tuumakütuse laiendatud taastootmine. Kiirete neutronreaktorite loomine ja töötamine on keerulisem kui aeglaste neutronreaktorite puhul. Esiteks väheneb aktiivse tsooni maht järsult. See suurendab energiatihedust, mis toob kaasa temperatuuri tõusu ning karmistab nõudeid konstruktsioonimaterjalidele ja jahutusvedelikule. Teiseks kasvavad nõuded reaktori juhtimissüsteemile ehk juhtimissüsteemi poolt sooritatavate toimingute kiirusele.
6. Tuumaenergia väljavaated. Tänapäeval on normaalselt töötavad tuumajaamad energiaallikatest puhtaimad. Need ei eralda C0 2 ja S0 2, nagu soojusjaamad, ega süvenda seetõttu kasvuhooneefekti ega ujuta põllumaad veega üle, nagu hüdroelektrijaamad. Võttes arvesse võimalust töödelda U-238 Pu-239-ks ja Th-232 U-233-ks, jätkub kergesti kättesaadava tuumakütuse varusid sadadeks aastateks. Tuumaelektrijaamade kasutamine säästab keemiatööstuse jaoks naftat, gaasi ja kivisütt. Tuumaelektrijaamade laevastiku laiendamisel on kaks raskust. Üks on objektiivne, selle olemus seisneb selles, et reaktori eluea läbinud tuumkütuse ja konstruktsioonielementide jäätmete kõrvaldamise ja kõrvaldamisega seotud probleemid ei ole täielikult lahendatud.
Teine raskus on subjektiivne. Võrreldes soojus- ja hüdroelektrijaamadega nõuab tuumajaamade teenindamine kõrgemat tehnilist kultuuri ja paneb inimesele tohutu vastutuse. Väikseimgi kõrvalekaldumine tehnoloogilisest distsipliinist võib lõppeda tragöödiaga tuhandetele inimestele.
7. Fusioon. Spetsiifilise sidumisenergia jaotuskõverast järeldub, et kergete tuumade ühinemisega üheks tuumaks, nagu ka raskete tuumade lõhustumisega, peab kaasnema tohutu energiahulk. Kõik tuumad kannavad sama positiivset laengut. Nende lähendamiseks kaugusele, millest termotuumasünteesi algab, tuleb kahte interakteeruvat tuuma üksteise suunas kiirendada. Seda saab teha kahel viisil. Esiteks kiirendite abil. See tee on tülikas ja ebaefektiivne. Teiseks soojendage gaas lihtsalt vajaliku temperatuurini. Seetõttu nimetatakse kergete tuumade ühinemisreaktsioone, mis algavad gaasi kuumutamisel, termotuumareaktsioonideks. Hinnakem deuteeriumi gaasi temperatuuri, mille juures algab deuteeriumi + deuteeriumi termotuumasünteesi. 1 2 H+ 1 2 H → 2 3 He + 0 1 n + 3,27 MeV.
Tuumade ühendamiseks tuleb need kokku viia vahemaaga r = 2*10 -15 m. Potentsiaalne energia sellisel lähenemisel peaks olema võrdne mõlema tuuma kineetilise energiaga süsteemis
massikeskus (1/4πε 0)*(e 2/r) = 2*(mυ 2/2) = 2*(3/2)* kT. Gaasi temperatuur T=(1/3K)*(1/4πε 0)*(e 2 /r)=3*10 9 K. Osakeste energiajaotus on lähedane Maxwelli omale. Seetõttu leidub alati “kuumemaid” osakesi ja ka tunneliefekti tõttu algab termotuumasünteesi reaktsioon madalamatel temperatuuridel T ≈ 10 7 K.
Lisaks reaktsioonile pakuvad erilist huvi veel kaks: deuteerium + deuteerium ja deuteerium + triitium. 2 1 H + 1 2 H+ 1 2 p + 4,03 MeV. (22,3) ja 1 2 H + 1 3 H → 2 4 He + 0 1 n +17,59 MeV. (22.4)
Viimane reaktsioon vabastab massiühiku kohta ligikaudu 5 korda rohkem energiat kui U-235 lõhustumine. See energia on neutronite liikumise ja tekkivate heeliumi tuumade kineetiline energia. Maapealsetes tingimustes oli võimalik teostada tuumasünteesi reaktsioon termotuuma vesinikupommi kontrollimatu plahvatuse näol.
8. Vesinikupomm on tavapärane aatomipomm, mille tuumalaeng (U-235 või Pu-239) on ümbritsetud kergeid aatomeid sisaldava ainekattega. Näiteks liitiumdeuteriid LiD. Aatomilaengu detoneerimisel tekkiv kõrge temperatuur käivitab kergete aatomite termotuumasünteesi. See vabastab lisaenergiat, suurendades pommi võimsust. Lisaks reaktsioonidele (22.1) ja (22.3) võib liitiumdeuteriidtekiga pommis tekkida veel üks. 3 6 Li+ 1 1 p→ 2 4 He + 2 3 He + 4 MeV. (22,5). (22.4). Kuid triitium on β - aktiivne element. 12-aastase perioodiga muutub see He-3-ks. Seetõttu on triitiumiga vesiniklaengute säilivusaeg piiratud ja neid tuleb regulaarselt testida. Termotuumasünteesis osalevad ained ei tekita radioaktiivseid tooteid. Kuid tänu intensiivsele neutronivoole indutseeritakse radioaktiivsus konstruktsioonimaterjalide tuumades ja ümbritsevates kehades. Seetõttu on "puhta" termotuumasünteesi reaktsiooni teostamine ilma radioaktiivsete jäätmeteta võimatu.
9. Kontrollitud termotuumasünteesi probleem (U HS) pole veel lahendatud. Selle lahendus on energiasektori jaoks väga paljutõotav. Merede ja ookeanide vesi sisaldab umbes 0,015% deuteeriumi (aatomite arvu järgi). Maal on umbes 10-20 kg vett. Kui ekstraheerida sellest veest deuteeriumi, on sellest saadav energia võrdne 6 * 10 18 K)" tonni kivisöega, see on hiiglaslik kogus (umbes 0,001 Maa massi). Seetõttu on deuteerium meredes ja ookeanid on praktiliselt ammendamatu energiaallikas.
CTS-i probleem taandub kahele ülesandele: esiteks peate õppima, kuidas luua piiratud mahus kõrget temperatuuri T>10 7 K. Teiseks, hoidke plasma maht sellisel temperatuuril, mis on piisav tuuma jaoks piisava aja jooksul. termotuumasünteesi reaktsioon. Mõlemad probleemid pole kaugeltki lahendatud.
10. Termotuumareaktsioonid tähtedes. Tänapäeva kontseptsioonide kohaselt sünnib täht laienenud gaasi- ja tolmupilvedest, mis koosnevad peamiselt vesinikust. Gravitatsioonilise kokkusurumise tulemusena muutub pilv tihedamaks ja hakkab end lahti riietuma, muutudes prototäheks. Kui prototähe keskpunktis jõuab temperatuur 10 7 K-ni, ergastuvad selles kergete elementide, peamiselt vesiniku, sünteesi termotuumareaktsioonid Gravitatsiooniline kokkusurumine peatatakse suurenenud gaasikineetilise ja optilise rõhu tõttu. Prototäht muutub täheks. Vesiniku heeliumiks muundamiseks on kaks võimalikku tsüklit. Peamised reaktsioonid, mis moodustavad iga tsükli, on loetletud allpool. Reaktsioonivõrrandite kõrval sulgudes on näidatud keskmine reaktsiooniaeg τ, mis on arvutatud efektiivse reaktsiooni ristlõike põhjal tähe sees eksisteerivate rõhkude ja temperatuuride jaoks.
Ühinemisreaktsioon on järgmine: võetakse kaks või enam aatomituuma ja viiakse need teatud jõu abil kokku nii lähedale, et sellistel vahemaadel mõjuvad jõud on ülekaalus Coulombi tõukejõudude üle võrdselt laetud tuumade vahel, mille tulemusena moodustub aatomituum. uus tuum. Sellel on pisut väiksem mass kui algsete tuumade masside summa ja erinevus muutub reaktsiooni käigus vabanevaks energiaks. Vabanenud energia hulka kirjeldatakse üldtuntud valemiga E=mc². Kergemaid aatomituumasid on lihtsam soovitud kaugusele kokku viia, seega on vesinik – universumi kõige levinum element – termotuumasünteesi reaktsiooni jaoks parim kütus.
On leitud, et kahe vesiniku isotoobi, deuteeriumi ja triitiumi segu nõuab termotuumasünteesi reaktsiooniks kõige vähem energiat, võrreldes reaktsiooni käigus vabaneva energiaga. Kuigi deuteerium-triitium (D-T) on enamiku termotuumasünteesiuuringute objektiks, pole see sugugi ainus potentsiaalne kütus. Teisi segusid võib olla lihtsam valmistada; nende reaktsiooni saab usaldusväärsemalt kontrollida või, mis veelgi olulisem, toota vähem neutroneid. Erilist huvi pakuvad nn neutronivabad reaktsioonid, kuna sellise kütuse edukas tööstuslik kasutamine tähendab materjalide ja reaktori konstruktsiooni pikaajalise radioaktiivse saastumise puudumist, mis omakorda võib avaldada positiivset mõju avalikkusele. reaktori käitamise üldkulusid, vähendades oluliselt selle dekomisjoneerimise kulusid. Probleemiks jääb see, et alternatiivseid kütuseid kasutavaid sünteesireaktsioone on palju keerulisem säilitada, seega peetakse D-T reaktsiooni vaid vajalikuks esimeseks sammuks.
Deuteeriumi-triitiumi reaktsiooni skeem
Kontrollitud termotuumasünteesi puhul saab kasutada erinevat tüüpi termotuumasünteesi reaktsioone, olenevalt kasutatud kütuse tüübist.
Deuteeriumi + triitiumi reaktsioon (D-T kütus)
Kõige hõlpsamini teostatav reaktsioon on deuteerium + triitium:
2 H + 3 H = 4 He + n väljundenergial 17,6 MeV (megaelektronvolt)
See reaktsioon on kaasaegsete tehnoloogiate seisukohast kõige hõlpsamini teostatav, annab märkimisväärse energiasaagi ja kütusekomponendid on odavad. Selle puuduseks on soovimatu neutronkiirguse vabanemine.
Kaks tuuma: deuteerium ja triitium ühinevad heeliumi tuuma (alfaosakeste) ja suure energiaga neutroni moodustamiseks.
²H + ³He = 4 He +. energiaväljundiga 18,4 MeV
Selle saavutamise tingimused on palju keerulisemad. Heelium-3 on samuti haruldane ja ülikallis isotoop. Praegu seda tööstuslikus mastaabis ei toodeta. Seda saab aga triitiumist, mida toodetakse omakorda tuumajaamades.
Termotuumareaktsiooni läbiviimise keerukust saab iseloomustada kolmikproduktiga nTt (tihedus temperatuuri järgi sulgemisaja järgi). Selle parameetri järgi on D-3He reaktsioon ligikaudu 100 korda keerulisem kui D-T reaktsioon.
Reaktsioon deuteeriumi tuumade vahel (D-D, monopropellent)
Võimalikud on ka reaktsioonid deuteeriumi tuumade vahel, need on veidi raskemad kui heelium-3 reaktsioonid:
Selle tulemusena toimub lisaks põhireaktsioonile DD plasmas ka järgmine:
Need reaktsioonid kulgevad aeglaselt paralleelselt deuteerium + heelium-3 reaktsiooniga ning nende käigus tekkinud triitium ja heelium-3 reageerivad tõenäoliselt kohe deuteeriumiga.
Muud tüüpi reaktsioonid
Võimalikud on ka muud tüüpi reaktsioonid. Kütuse valik sõltub paljudest teguritest – selle kättesaadavusest ja madalast maksumusest, energiatoodangust, termotuumasünteesi reaktsiooniks vajalike tingimuste (eeskätt temperatuuri) saavutamise lihtsusest, reaktori vajalikest konstruktsiooniomadustest jne.
"neutroniteta" reaktsioonid
Kõige perspektiivikamad on nn. "neutronivabad" reaktsioonid, kuna termotuumasünteesi (näiteks deuteeriumi-triitiumi reaktsioonis) tekitatud neutronivoog kannab ära olulise osa võimsusest ja tekitab reaktori konstruktsioonis indutseeritud radioaktiivsust. Deuteerium-heelium-3 reaktsioon on paljutõotav neutronite saagise puudumise tõttu.
Tingimused
Liitium-6 tuumareaktsioon deuteerium 6-ga Li(d,α)α
TCB on võimalik, kui samaaegselt on täidetud kaks kriteeriumi:
- Plasma temperatuur:
- Vastavus Lawsoni kriteeriumile:
kus on kõrgtemperatuurse plasma tihedus, on plasma retentsiooniaeg süsteemis.
Konkreetse termotuumareaktsiooni toimumise kiirus sõltub peamiselt nende kahe kriteeriumi väärtusest.
Praegu ei ole kontrollitud termotuumasünteesi veel tööstuslikus mastaabis läbi viidud. Rahvusvahelise uurimisreaktori ITER ehitamine on algusjärgus.
Termotuumaenergia ja heelium-3
Heelium-3 varud Maal jäävad vahemikku 500 kg kuni 1 tonn, kuid Kuul leidub seda märkimisväärses koguses: kuni 10 miljonit tonni (minimaalsete hinnangute kohaselt - 500 tuhat tonni). Praegu viiakse kontrollitud termotuumareaktsioon läbi deuteeriumi ²H ja triitiumi ³H sünteesi teel heelium-4 4 He ja "kiire" neutroni n vabanemisega:
Suurem osa (üle 80%) vabanevast kineetilisest energiast tuleb aga neutronilt. Fragmentide kokkupõrke tagajärjel teiste aatomitega muudetakse see energia soojusenergiaks. Lisaks tekitavad kiired neutronid märkimisväärses koguses radioaktiivseid jäätmeid. Seevastu deuteeriumi ja heelium-3³H süntees ei tekita (peaaegu) radioaktiivseid tooteid:
Kus p on prooton
See võimaldab kineetilise sünteesireaktsiooni muundamiseks kasutada lihtsamaid ja tõhusamaid süsteeme, näiteks magnetohüdrodünaamilist generaatorit.
Reaktori konstruktsioonid
Vaadeldakse kahte põhiskeemi juhitava termotuumasünteesi rakendamiseks.
Esimese tüübi termotuumareaktori uurimine on oluliselt rohkem arenenud kui teise tüübi kohta. Tuumafüüsikas kasutatakse termotuumasünteesi uurimisel teatud mahus plasma hoidmiseks magnetlõksu. Magnetpüünis on loodud hoidma plasma kokkupuudet termotuumareaktori elementidega, s.t. kasutatakse peamiselt soojusisolaatorina. Kinnituse põhimõte põhineb laetud osakeste interaktsioonil magnetväljaga, nimelt laetud osakeste pöörlemisel ümber magnetvälja jõujoonte. Kahjuks on magnetiseeritud plasma väga ebastabiilne ja kipub magnetväljast lahkuma. Seetõttu kasutatakse tõhusa magnetlõksu loomiseks kõige võimsamaid elektromagneteid, mis tarbivad tohutul hulgal energiat.
Termotuumasünteesi reaktori suurust on võimalik vähendada, kui see kasutab samaaegselt kolme termotuumasünteesi reaktsiooni tekitamise meetodit.
A. Inertsiaalne süntees. Kiiritage pisikesi deuteerium-triitiumkütuse kapsleid 500 triljoni vatise laseriga:5. 10^14 W. See hiiglaslik, väga lühike 10^-8-sekundiline laserimpulss paneb kütusekapslid plahvatama, mille tulemusena sünnib sekundi murdosaks minitäht. Kuid sellel ei ole võimalik saavutada termotuumareaktsiooni.
B. Kasutage Z-masinat samaaegselt Tokamakiga.
Z-Machine töötab erinevalt laseriga. See läbib kütusekapslit ümbritseva pisikeste juhtmete võrgu laengu võimsusega pool triljonit vatti 5,10^11 vatti.
Edasi juhtub umbes sama, mis laseriga: Z-löögi tulemusena tekib täht. Z-Machine'i katsete ajal oli juba võimalik käivitada termotuumasünteesi reaktsioon. http://www.sandia.gov/media/z290.htm Katke kapslid hõbedaga ja ühendage need hõbe- või grafiitniidiga. Süüteprotsess näeb välja järgmine: tulistage vaakumkambrisse hõõgniit (mis on ühendatud deuteeriumi ja triitiumi segu sisaldavate hõbekuulikeste rühmaga). Rikke (tühjenemise) ajal moodustage nende kaudu välgukanal ja andke vool läbi plasma. Kiiritage kapsleid ja plasmat samaaegselt laserkiirgusega. Ja samal ajal või varem lülitage Tokamak sisse. kasutada korraga kolme plasmakuumutusprotsessi. See tähendab, et asetage Z-masin ja lasersoojendus koos Tokamaki sisse. Tokamaki mähistest võib olla võimalik luua võnkeahel ja korraldada resonants. Siis töötaks see säästlikul võnkerežiimil.
Kütusetsükkel
Esimese põlvkonna reaktorid töötavad suure tõenäosusega deuteeriumi ja triitiumi seguga. Reaktsiooni käigus tekkivad neutronid neelab reaktori kaitse ning tekkiv soojus läheb soojusvaheti jahutusvedeliku soojendamiseks ning see energia omakorda generaatori pöörlemiseks.
. .Reaktsioon Li6-ga on eksotermiline, andes reaktorile vähe energiat. Reaktsioon Li7-ga on endotermiline, kuid ei tarbi neutroneid. Vähemalt mõned Li7 reaktsioonid on vajalikud, et asendada reaktsioonides kaotatud neutronid teiste elementidega. Enamikus reaktorites kasutatakse liitiumi isotoopide looduslikke segusid.
Sellel kütusel on mitmeid puudusi:
Reaktsiooni käigus tekib märkimisväärne hulk neutroneid, mis aktiveerivad (radioaktiivselt saastavad) reaktori ja soojusvaheti. Samuti on vaja meetmeid kaitsta võimaliku radioaktiivse triitiumi allika eest.
Ainult umbes 20% termotuumasünteesienergiast on laetud osakeste kujul (ülejäänud on neutronid), mis piirab võimalust termotuumasünteesienergiat otse elektriks muundada. D-T reaktsiooni kasutamine sõltub olemasolevatest liitiumivarudest, mis on oluliselt väiksemad kui deuteeriumivarud. Neutronitega kokkupuude D-T reaktsiooni ajal on nii märkimisväärne, et pärast esimest katseseeriat JET-is, seni suurimas seda kütust kasutavas reaktoris, muutus reaktor nii radioaktiivseks, et iga-aastase katsetsükli lõpuleviimiseks tuli lisada robot-kaughooldussüsteem.
Teoreetiliselt on alternatiivseid kütuseliike, millel neid puudusi pole. Kuid nende kasutamist takistab põhiline füüsiline piirang. Liitreaktsioonist piisava energia saamiseks on vajalik teatud aja jooksul hoida piisavalt tihedat plasmat termotuumasünteesi temperatuuril (10 8 K). Seda termotuumasünteesi põhiaspekti kirjeldatakse plasma tiheduse n ja kuumutatud plasma hoidmisaja τ korrutisega, mis on vajalik tasakaalupunkti saavutamiseks. Korrutis nτ sõltub kütuse tüübist ja on plasma temperatuuri funktsioon. Kõigist kütuseliikidest nõuab deuteeriumi-triitiumi segu madalaimat nτ väärtust vähemalt suurusjärgu võrra ja madalaimat reaktsioonitemperatuuri vähemalt 5 korda. Seega on D-T reaktsioon vajalik esimene samm, kuid muude kütuste kasutamine jääb oluliseks uurimiseesmärgiks.
Termotuumareaktsioon tööstusliku elektrienergia allikana
Paljud teadlased peavad tuumasünteesienergiat pikas perspektiivis "looduslikuks" energiaallikaks. Tuumasünteesireaktorite kaubandusliku kasutamise pooldajad elektri tootmiseks toovad enda kasuks välja järgmised argumendid:
- Praktiliselt ammendamatud kütusevarud (vesinik)
- Kütust saab ammutada mereveest igal maailma rannikul, mistõttu ei ole ühel või riikide rühmal võimalik kütust monopoliseerida
- Kontrollimatu termotuumasünteesi reaktsiooni võimatus
- Põlemisproduktid puuduvad
- Pole vaja kasutada materjale, mida saab kasutada tuumarelvade tootmiseks, välistades nii sabotaaži ja terrorismi juhtumid
- Võrreldes tuumareaktoritega tekib vähese poolestusajaga radioaktiivseid jäätmeid tühisel hulgal.
- Hinnanguliselt toodab deuteeriumiga täidetud sõrmkübar energiat, mis võrdub 20 tonni kivisöega. Keskmise suurusega järv võib varustada iga riiki energiaga sadu aastaid. Siiski tuleb märkida, et olemasolevad uurimisreaktorid on mõeldud otsese deuteeriumi-triitiumi (DT) reaktsiooni saavutamiseks, mille kütusetsükkel nõuab triitiumi tootmiseks liitiumi kasutamist, samas kui väited ammendamatu energia kohta viitavad deuteeriumi kasutamisele. deuteeriumi (DD) reaktsioon teise põlvkonna reaktorites.
- Nii nagu lõhustumisreaktsioon, ei tekita termotuumasünteesi reaktsioon atmosfääri süsinikdioksiidi heitkoguseid, mis on globaalse soojenemise peamine põhjus. See on märkimisväärne eelis, kuna fossiilkütuste kasutamine elektri tootmiseks toob kaasa näiteks selle, et USA toodab 29 kg CO 2 (üks peamisi gaase, mida võib pidada globaalse soojenemise põhjustajaks) USA elaniku kohta päevas. .
Elektrikulu võrreldes traditsiooniliste allikatega
Kriitikud juhivad tähelepanu sellele, et tuumasünteesi kasutamise majanduslik otstarbekus elektri tootmiseks jääb lahtiseks küsimuseks. Briti parlamendi teadus- ja tehnoloogiaregistri büroo tellitud sama uuring näitab, et termotuumasünteesireaktori abil elektri tootmise kulud on tõenäoliselt tavapäraste energiaallikate kuluspektri kõrgemas otsas. Palju sõltub tulevasest tehnoloogiast, turustruktuurist ja regulatsioonist. Elektrienergia maksumus sõltub otseselt kasutamise efektiivsusest, töö kestusest ja reaktori dekomisjoneerimise maksumusest. Tuumasünteesienergia kaubandusliku kasutamise kriitikud eitavad, et valitsus subsideerib süsivesinikkütuseid nii otseselt kui ka kaudselt, näiteks sõjaväe kasutamise kaudu katkematu tarne tagamiseks; Iraagi sõda tuuakse sageli vastuolulise näitena. seda tüüpi subsideerimine. Selliste kaudsete toetuste arvestamine on väga keeruline ja muudab täpse kulude võrdlemise peaaegu võimatuks.
Omaette teema on uuringute maksumus. Euroopa Ühenduse riigid kulutavad teadusuuringutele umbes 200 miljonit eurot aastas ning prognooside kohaselt kulub veel mitu aastakümmet, enne kui tuumasünteesi tööstuslik kasutamine võimalikuks osutub. Alternatiivsete elektriallikate pooldajad leiavad, et neid vahendeid oleks õigem kasutada taastuvate elektriallikate kasutuselevõtuks.
Kaubandusliku termotuumasünteesienergia kättesaadavus
Kahjuks ei ole vaatamata laialdasele optimismile (alates 1950. aastatest, mil algasid esimesed uuringud) olulisi takistusi tuumasünteesiprotsesside tänapäeva mõistmise, tehnoloogiliste võimaluste ja tuumasünteesi praktilise kasutamise vahel veel ületatud, on ebaselge isegi, mil määral võib olla Majanduslikult kasulik on toota elektrit termotuumasünteesi abil. Kuigi teadusuuringute areng on pidev, seisavad teadlased aeg-ajalt silmitsi uute väljakutsetega. Näiteks on väljakutseks sellise materjali väljatöötamine, mis talub neutronpommitamist, mis on hinnanguliselt 100 korda intensiivsem kui traditsioonilised tuumareaktorid.
Uuringus eristatakse järgmisi etappe:
1.Tasakaalu- või läbimisrežiim(tasuvus): kui sünteesiprotsessi käigus vabanev koguenergia on võrdne reaktsiooni käivitamiseks ja säilitamiseks kulutatud koguenergiaga. Seda seost tähistatakse sümboliga Q. Reaktsiooni tasakaalu demonstreeriti 1997. aastal Ühendkuningriigis JET-is (Joint European Torus). (Kulutades selle soojendamiseks 52 MW elektrit, said teadlased kulutatust 0,2 MW võrra suurema väljundvõimsuse.)
2.Lõõgastav plasma(Põletav plasma): vaheetapp, kus reaktsiooni toetavad peamiselt reaktsiooni käigus tekkivad alfaosakesed, mitte välise kuumutamise teel. Q ≈ 5. Ikka ei saavutatud.
3. Süütamine(Süütamine): stabiilne reaktsioon, mis säilitab ennast. Tuleks saavutada Q suurte väärtustega. Ikka pole saavutatud.
Järgmine samm teadustöös peaks olema ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), rahvusvaheline termotuumakatsereaktor. Selles reaktoris on kavas uurida kõrgtemperatuurse plasma (Q ~ 30 leegiplasma) ja konstruktsioonimaterjalide käitumist tööstusliku reaktori jaoks. Uurimistöö viimane faas on DEMO: tööstusreaktori prototüüp, milles saavutatakse süttimine ja demonstreeritakse uute materjalide praktilist sobivust. Kõige optimistlikum prognoos DEMO etapi lõppemiseks: 30 aastat. Arvestades hinnangulist tööstusreaktori ehitamise ja kasutuselevõtu aega, oleme termotuumaenergia tööstuslikust kasutamisest ~40 aasta kaugusel.
Olemasolevad tokamakid
Kokku ehitati maailmas umbes 300 tokamaki. Suurimad neist on loetletud allpool.
- NSVL ja Venemaa
- T-3 on esimene funktsionaalne seade.
- T-4 - T-3 suurendatud versioon
- T-7 on ainulaadne installatsioon, milles esmakordselt maailmas rakendatakse suhteliselt suurt magnetsüsteemi ülijuhtiva solenoidiga, mis põhineb vedela heeliumiga jahutatud tinaniobaadil. T-7 põhiülesanne sai täidetud: valmistati ette termotuumaenergia jaoks mõeldud ülijuhtivate solenoidide järgmise põlvkonna väljavaade.
- T-10 ja PLT on maailma termotuumauuringute järgmine samm, need on peaaegu ühesuurused, võrdse võimsusega ja sama suletusteguriga. Ja saadud tulemused on identsed: mõlemad reaktorid saavutasid termotuumasünteesi soovitud temperatuuri ja Lawsoni kriteeriumi järgi on viivitus vaid kakssada korda.
- T-15 on tänapäeva reaktor ülijuhtiva solenoidiga, mille väljatugevus on 3,6 Teslat.
- Liibüa
- TM-4A
- Euroopas ja Ühendkuningriigis
- JET (inglise keeles) (Joint Europeus Tor) on maailma suurim tokamak, mille lõi Euratomi organisatsioon Ühendkuningriigis. See kasutab kombineeritud kütet: 20 MW - neutraalne sissepritse, 32 MW - ioontsüklotroni resonants. Selle tulemusena on Lawsoni kriteerium vaid 4-5 korda madalam kui süüteaste.
- Tore Supra (prantsuse) (inglise) - ülijuhtivate mähistega tokamak, üks maailma suurimaid. Asub Cadarache'i uurimiskeskuses (Prantsusmaa).
- USA
- TFTR (inglise keeles) (Test Fusion Tokamak Reactor) - suurim tokamak USA-s (Princetoni ülikoolis) kiirete neutraalsete osakeste lisakuumutusega. Saavutatud on kõrge tulemus: Lawsoni kriteerium tõelisel termotuumatemperatuuril on vaid 5,5 korda madalam kui süttimislävi. Suletud 1997
- NSTX (inglise keeles) (National Spherical Torus Experiment) on praegu Princetoni ülikoolis töötav sfääriline tokamak (spheromak). Esimene plasma reaktoris toodeti 1999. aastal, kaks aastat pärast TFTRi sulgemist.
Sa tead seda juba 20. sajandi keskel. tekkis probleem uute energiaallikate leidmisel. Sellega seoses äratasid teadlaste tähelepanu termotuumareaktsioonid.
- Termotuumareaktsioon on kergete tuumade (nagu vesinik, heelium jne) ühinemisreaktsioon, mis toimub kümnete kuni sadade miljonite kraadide temperatuuridel.
Kõrge temperatuuri tekitamine on vajalik selleks, et anda tuumadele piisavalt suur kineetiline energia – ainult sellisel tingimusel suudavad tuumad ületada elektrilise tõukejõu ja jõuda piisavalt lähedale, et sattuda tuumajõudude toimetsooni. Nii väikestel vahemaadel ületavad tuumatõmbejõud oluliselt elektrilise tõukejõude, tänu millele on võimalik tuumade süntees (s.o. ühinemine, assotsiatsioon).
Paragrahvis 58 näidati uraani näitel, et raskete tuumade lõhustumisel võib vabaneda energia. Kergete tuumade puhul võib energia vabaneda pöördprotsessi käigus – nende ühinemise käigus. Pealegi on kergete tuumade ühinemisreaktsioon energeetiliselt soodsam kui raskete tuumade lõhustumise reaktsioon (kui võrrelda vabanevat energiat nukleoni kohta).
Termotuumareaktsiooni näide on vesiniku isotoopide (deuteerium ja triitium) liitmine, mille tulemusena moodustub heelium ja eraldub neutron:
See on esimene termotuumareaktsioon, mille teadlastel on õnnestunud läbi viia. See rakendati termotuumapommis ja oli kontrollimatu (plahvatusohtliku) iseloomuga.
Nagu juba märgitud, võivad suure energiahulga vabanemisel tekkida termotuumareaktsioonid. Kuid selleks, et seda energiat rahumeelsetel eesmärkidel kasutada, on vaja õppida kontrollitud termotuumareaktsioone läbi viima. Üks peamisi raskusi selliste reaktsioonide läbiviimisel on kõrge temperatuuriga plasma (peaaegu täielikult ioniseeritud gaasi) hoidmine käitises, milles toimub tuumasünteesi. Plasma ei tohiks kokku puutuda selle paigaldise seintega, milles see asub, vastasel juhul muutuvad seinad auruks. Praegu kasutatakse väga tugevaid magnetvälju, et piirata plasmat kinnises ruumis seintest sobival kaugusel.
Termotuumareaktsioonid mängivad olulist rolli Universumi evolutsioonis, eelkõige selles sisalduvate keemiliste ainete muundumisel.
Tänu Päikese sügavustes toimuvatele termotuumareaktsioonidele vabaneb energia, mis annab elu Maa elanikele.
Meie Päike on valgust ja soojust kosmosesse kiirganud peaaegu 4,6 miljardit aastat. Loomulikult on teadlasi alati huvitanud küsimus, mis on see "kütus", mille tõttu Päike toodab nii pika aja jooksul tohutul hulgal energiat.
Selles küsimuses oli erinevaid hüpoteese. Üks neist oli see, et Päikesest vabaneb energia keemilise põlemisreaktsiooni tulemusena. Kuid sel juhul, nagu arvutused näitavad, võib Päike eksisteerida vaid paar tuhat aastat, mis on vastuolus tegelikkusega.
Algne hüpotees püstitati 19. sajandi keskel. See seisnes selles, et Päikese siseenergia suurenemine ja sellele vastav temperatuuri tõus tuleneb selle potentsiaalse energia vähenemisest gravitatsioonilise kokkusurumise ajal. See osutus ka vastuvõetamatuks, kuna sel juhul pikeneb Päikese eluiga miljonite aastateni, kuid mitte miljarditeni.
Oletuse, et energia vabanemine Päikesel toimub sellel toimuvate termotuumareaktsioonide tulemusena, tegi 1939. aastal Ameerika füüsik Hans Bethe.
Samuti pakkusid nad välja nn vesiniku tsükkel st kolmest termotuumareaktsioonist koosnev ahel, mis viib vesinikust heeliumi moodustumiseni:
kus on osake, mida nimetatakse "neutriinoks", mis tähendab itaalia keeles "väike neutron".
Kolmandaks reaktsiooniks vajaliku kahe tuuma tootmiseks peavad kaks esimest toimuma kaks korda.
Teate juba, et valemi E = mс 2 kohaselt väheneb keha siseenergia vähenedes ka selle mass.
Et kujutleda kolossaalset energiahulka, mille Päike vesiniku heeliumiks muundumisel kaotab, piisab teadmisest, et Päikese mass väheneb iga sekundiga mitme miljoni tonni võrra. Kuid vaatamata kadudele peaks Päikese vesinikuvarusid jätkuma veel 5-6 miljardiks aastaks.
Samad reaktsioonid toimuvad ka teiste tähtede sisemuses, mille mass ja vanus on võrreldavad Päikese massi ja vanusega.
Küsimused
- Millist reaktsiooni nimetatakse termotuumareaktsiooniks? Tooge näide reaktsioonist.
- Miks on termotuumareaktsioonid võimalikud ainult väga kõrgetel temperatuuridel?
- Kumb reaktsioon on energeetiliselt soodsam (nukleoni kohta): kas kergete tuumade ühinemine või raskete tuumade lõhustumine?
- Mis on termotuumareaktsioonide läbiviimisel üks peamisi raskusi?
- Milline on termotuumareaktsioonide roll elu eksisteerimisel Maal?
- Mis on tänapäevaste ideede kohaselt päikeseenergia allikas?
- Kui kaua peaks teadlaste arvutuste kohaselt jätkuma vesinikku Päikesele?
See on huvitav...
Elementaarosakesed. Antiosakesed
Osakesi, millest koosneb erinevate ainete aatomeid – elektron, prooton ja neutron – nimetatakse elementaarseteks. Sõna "elementaarne" viitas sellele, et need osakesed on esmased, kõige lihtsamad, jagamatud ja muutumatud. Kuid peagi selgus, et need osakesed pole üldse muutumatud. Neil kõigil on võime suhelda üksteiseks.
Seetõttu kasutatakse tänapäeva füüsikas mõistet "elementaarosakesed" tavaliselt mitte selle täpses tähenduses, vaid suure rühma väikseimate aineosakeste nimetamiseks, mis ei ole aatomid ega aatomituumad (erandiks on prooton, mis on tuum). vesinikuaatomist ja kuulub samal ajal elementaarosakeste hulka).
Praegu on teada üle 350 erineva elementaarosakese. Need osakesed on oma omadustelt väga mitmekesised. Need võivad üksteisest erineda massi, elektrilaengu märgi ja suuruse, eluea (st osakese moodustumise hetkest kuni hetkeni, mil see muundub mõneks teiseks osakeseks), läbitungimisvõime (st. läbivad ainet) ja muud omadused. Näiteks on enamik osakesi "lühiealised" - nad ei ela kauem kui kaks miljondiksekundit, samas kui neutroni keskmine eluiga väljaspool aatomituuma on 15 minutit.
Tähtsaim avastus elementaarosakeste uurimise vallas tehti 1932. aastal, kui Ameerika füüsik Carl David Anderson avastas magnetvälja asetatud pilvekambrist tundmatu osakese jälje. Selle jälje olemuse (kõverusraadius, paindesuund jne) põhjal tegid teadlased kindlaks, et selle jättis osake, mis on nagu positiivse elektrilaenguga elektron. Seda osakest nimetati positroniks.
Huvitav on see, et aasta enne positroni eksperimentaalset avastamist ennustas selle olemasolu teoreetiliselt inglise füüsik Paul Dirac (tema tuletatud võrrandist järgnes just sellise osakese olemasolu). Veelgi enam, Dirac ennustas nn annihilatsiooni (kadumise) protsesse ja elektron-positroni paari sündi. Hävitus seisneb selles, et elektron ja positron kaovad kohtumisel, muutudes γ-kvantideks (footoniteks). Ja kui γ-kvant põrkab kokku mis tahes massiivse tuumaga, sünnib elektron-positroni paar.
Mõlemaid protsesse vaadeldi esmakordselt eksperimentaalselt aastal 1933. Joonisel 166 on kujutatud elektroni ja positroni jäljed, mis tekkisid γ-kvanti ja pliiaatomi kokkupõrke tagajärjel γ-kiirte läbimisel pliiplaadist. Katse viidi läbi magnetvälja asetatud pilvekambris. Radade sama kõverus näitab sama osakeste massi ja eri suundades kumerus näitab elektrilaengu vastandlikke märke.
Riis. 166. Elektron-positroni paari jäljed magnetväljas
1955. aastal avastati veel üks antiosake – antiprooton (mille olemasolu tulenes ka Diraci teooriast) ja veidi hiljem – antineutron. Antineutronil, nagu ka neutronil, puudub elektrilaeng, kuid see kuulub kahtlemata antiosakeste hulka, kuna osaleb annihilatsiooniprotsessis ja neutron-antineutron paari sünnis.
Antiosakeste saamise võimalus viis teadlased antiaine loomise ideeni. Antiaine aatomid tuleks üles ehitada nii: aatomi keskmes on negatiivselt laetud tuum, mis koosneb antiprootonitest ja antineutronitest ning tuuma ümber tiirlevad positronid. Üldiselt on aatom neutraalne. See idee sai ka hiilgava eksperimentaalse kinnituse. 1969. aastal leidsid Nõukogude füüsikud Serpuhhovi prootonikiirendis antiheeliumi aatomite tuumad.
Praeguseks on eksperimentaalselt avastatud peaaegu kõigi teadaolevate elementaarosakeste antiosakesed.
Peatüki kokkuvõte. Kõige tähtsam
Allpool on toodud füüsikalised mõisted ja nähtused. Definitsioonide ja sõnastuste esitamise järjekord ei vasta mõistete järjestusele jne.
Kandke mõistete nimetused oma vihikusse ja sisestage nurksulgudesse sellele mõistele vastava definitsiooni (sõnastuse) järjekorranumber.
- Radioaktiivsus;
- aatomi struktuuri tuuma- (planetaarne) mudel;
- aatomituum;
- aatomituumade radioaktiivsed transformatsioonid;
- katsemeetodid osakeste uurimiseks aatomi- ja tuumafüüsikas;
- tuumajõud;
- tuuma siduv energia;
- aatomituuma massidefekt;
- ahelreaktsioon ;
- tuumareaktor ;
- tuumaelektrijaamade kasutamisest tulenevad keskkonna- ja sotsiaalsed probleemid;
- neeldunud kiirgusdoos.
- Osakeste registreerimine Geigeri loenduri abil, osakeste jälgede (sh tuumareaktsioonides osalevate) uurimine ja pildistamine pilvekambris ja mullikambris.
- Aatomite tuumades nukleonide vahel mõjuvad tõmbejõud, mis ületavad oluliselt prootonite vahelisi elektrostaatilise tõukejõude.
- Minimaalne energia, mis on vajalik tuuma jagamiseks üksikuteks nukleoniteks.
- Radioaktiivsete kiirte spontaanne emissioon teatud elementide aatomite poolt.
- Seade, mis on ette nähtud kontrollitud tuumareaktsiooni läbiviimiseks.
- Koosneb nukleonitest (st prootonitest ja neutronitest).
- Radioaktiivsed jäätmed, õnnetuste võimalus, tuumarelvade leviku edendamine.
- Aatom koosneb selle keskel asuvast positiivselt laetud tuumast, mille ümber tiirlevad elektronid tuuma suurusest oluliselt suuremal kaugusel.
- Ühe keemilise elemendi muundumine teiseks α- või β-lagunemise teel, mille tulemusena toimub algse aatomi tuum muutusi.
- Tuuma moodustavate nukleonide masside ja selle tuuma masside vahe.
- Raskete tuumade isemajandav lõhustumisreaktsioon, mille käigus tekivad pidevalt neutronid, jagades järjest uusi tuumasid.
- Ioniseeriva kiirguse energia, mis on neeldunud kiirgavas aines (eelkõige kehakudedes) ja arvutatud massiühiku kohta.
kontrolli ennast
Tuumareaktor töötab sujuvalt ja tõhusalt. Vastasel juhul, nagu teate, on probleeme. Aga mis toimub sees? Proovime lühidalt, selgelt, peatustega sõnastada tuuma(tuuma)reaktori tööpõhimõtte.
Sisuliselt toimub seal sama protsess, mis tuumaplahvatuse ajal. Ainult plahvatus toimub väga kiiresti, kuid reaktoris venib see kõik pikaks ajaks. Selle tulemusena jääb kõik terveks ja me saame energiat. Mitte niivõrd, et kõik ümberringi korraga häviks, aga täiesti piisav linna elektriga varustamiseks.
Enne kui mõistate, kuidas juhitav tuumareaktsioon toimub, peate teadma, mis see on tuumareaktsioon üleüldse.
Tuumareaktsioon on aatomituumade muundumisprotsess (lõhustumine), kui need interakteeruvad elementaarosakeste ja gammakiirtega.
Tuumareaktsioonid võivad toimuda nii energia neeldumisel kui ka vabanemisel. Reaktor kasutab teist reaktsiooni.
Tuumareaktor on seade, mille eesmärk on säilitada kontrollitud tuumareaktsioon koos energia vabanemisega.
Sageli nimetatakse tuumareaktorit ka aatomireaktoriks. Märkigem, et põhimõttelist erinevust siin ei ole, kuid teaduse seisukohalt on õigem kasutada sõna “tuuma”. Praegu on tuumareaktoreid mitut tüüpi. Need on tohutud tööstuslikud reaktorid, mis on mõeldud energia tootmiseks elektrijaamades, allveelaevade tuumareaktorid, teaduslikes katsetes kasutatavad väikesed eksperimentaalsed reaktorid. On isegi merevee magestamise reaktoreid.
Tuumareaktori loomise ajalugu
Esimene tuumareaktor käivitati mitte nii kaugel 1942. aastal. See juhtus USA-s Fermi juhtimisel. Seda reaktorit nimetati "Chicago Woodpile'iks".
1946. aastal alustas tööd esimene Kurtšatovi juhtimisel käivitatud Nõukogude reaktor. Selle reaktori korpus oli seitsmemeetrise läbimõõduga kuul. Esimestel reaktoritel ei olnud jahutussüsteemi ja nende võimsus oli minimaalne. Muide, Nõukogude reaktori keskmine võimsus oli 20 vatti ja Ameerika oma - ainult 1 vatt. Võrdluseks, tänapäevaste jõureaktorite keskmine võimsus on 5 gigavatti. Vähem kui kümme aastat pärast esimese reaktori käivitamist avati Obninski linnas maailma esimene tööstuslik tuumaelektrijaam.
Tuuma(tuuma)reaktori tööpõhimõte
Igal tuumareaktoril on mitu osa: tuum Koos kütust Ja moderaator , neutron reflektor , jahutusvedelik , juhtimis- ja kaitsesüsteem . Isotoope kasutatakse kõige sagedamini reaktorites kütusena. uraan (235, 238, 233), plutoonium (239) ja toorium (232). Südamik on boiler, mille kaudu voolab tavaline vesi (jahutusvedelik). Muude jahutusvedelike hulgas kasutatakse harvemini “rasket vett” ja vedelat grafiiti. Kui rääkida tuumajaamade tööst, siis soojuse tootmiseks kasutatakse tuumareaktorit. Elekter ise toodetakse samal meetodil nagu muud tüüpi elektrijaamades – aur pöörab turbiini ja liikumisenergia muundatakse elektrienergiaks.
Allpool on diagramm tuumareaktori tööst.
Nagu me juba ütlesime, tekib raske uraani tuuma lagunemisel kergemaid elemente ja mitu neutronit. Tekkivad neutronid põrkuvad teiste tuumadega, põhjustades ka nende lõhustumise. Samal ajal kasvab neutronite arv nagu laviin.
Seda tuleks siin mainida neutronite korrutustegur . Seega, kui see koefitsient ületab väärtuse, mis on võrdne ühega, toimub tuumaplahvatus. Kui väärtus on väiksem kui üks, on neutroneid liiga vähe ja reaktsioon kustub. Kuid kui säilitate koefitsiendi väärtuse ühega, kulgeb reaktsioon kaua ja stabiilselt.
Küsimus on selles, kuidas seda teha? Reaktoris on kütus nö kütuseelemendid (TVELakh). Need on pulgad, mis sisaldavad väikeste tablettidena tuumakütus . Kütusevardad on ühendatud kuusnurkseteks kassettideks, mida reaktoris võib olla sadu. Kütusevarrastega kassetid on paigutatud vertikaalselt ja igal kütusevardal on süsteem, mis võimaldab reguleerida selle südamikusse sukeldamise sügavust. Lisaks kassettidele endile kuuluvad need kontrollvardad Ja hädakaitsevardad . Vardad on valmistatud materjalist, mis neelab hästi neutroneid. Seega saab juhtvardaid südamikus erinevatele sügavustele langetada, reguleerides seeläbi neutronite korrutustegurit. Avariivardad on ette nähtud reaktori väljalülitamiseks hädaolukorras.
Kuidas tuumareaktor käivitatakse?
Tööpõhimõtte enda oleme välja mõelnud, aga kuidas käivitada ja reaktor funktsioneerima panna? Jämedalt öeldes, siin see on - uraani tükk, kuid ahelreaktsioon ei alga selles iseenesest. Fakt on see, et tuumafüüsikas on kontseptsioon olemas kriitiline mass .
Kriitiline mass on tuuma ahelreaktsiooni käivitamiseks vajalik lõhustuva materjali mass.
Kütusevarraste ja kontrollvarraste abil luuakse reaktoris esmalt kriitiline mass tuumakütust ning seejärel viiakse reaktor mitmes etapis optimaalsele võimsustasemele.
Selles artiklis püüdsime anda teile üldise ettekujutuse tuuma(tuuma)reaktori struktuurist ja tööpõhimõttest. Kui Sul on teema kohta küsimusi või ülikoolis on küsitud tuumafüüsika alast probleemi, siis võta ühendust meie ettevõtte spetsialistidele. Nagu tavaliselt, oleme valmis teid aitama lahendada kõik teie õpingutega seotud pakilised probleemid. Ja kui me sellega tegeleme, on siin teie tähelepanuks veel üks õpetlik video!
Ja võimest kasutada tuumaenergiat nii loomingulistel (tuumaenergia) kui ka hävitavatel (aatomipomm) eesmärkidel sai võib-olla üks viimase kahekümnenda sajandi olulisemaid leiutisi. Noh, kogu selle hirmuäratava jõu keskmes, mis pisikese aatomi sügavuses varitseb, on tuumareaktsioonid.
Mis on tuumareaktsioonid
Tuumareaktsioonide all mõeldakse füüsikas aatomituuma vastasmõju teise sarnase tuumaga või erinevate elementaarosakestega, mille tulemuseks on muutused tuuma koostises ja struktuuris.
Natuke tuumareaktsioonide ajalugu
Ajaloo esimese tuumareaktsiooni tegi suur teadlane Rutherford 1919. aastal katsete käigus prootonite tuvastamiseks tuuma lagunemissaadustes. Teadlane pommitas lämmastikuaatomeid alfaosakestega ja kui osakesed kokku põrkasid, toimus tuumareaktsioon.
Ja selline nägi välja selle tuumareaktsiooni võrrand. Tuumareaktsioonide avastamise eest tunnustati Rutherfordi.
Sellele järgnesid arvukad teadlaste katsed erinevat tüüpi tuumareaktsioonide läbiviimisel, näiteks oli väga huvitav ja teaduse jaoks oluline tuumareaktsioon, mille põhjustas aatomituumade pommitamine neutronitega, mille viis läbi silmapaistev Itaalia füüsik. E. Fermi. Eelkõige avastas Fermi, et tuumatransformatsioone võivad põhjustada mitte ainult kiired neutronid, vaid ka aeglased, mis liiguvad termilise kiirusega. Muide, temperatuuriga kokkupuutel tekkivaid tuumareaktsioone nimetatakse termotuumareaktsioonideks. Mis puutub neutronite mõjul toimuvatesse tuumareaktsioonidesse, siis need arenesid väga kiiresti teaduses ja milliste reaktsioonide kohta lugege lähemalt.
Tuumareaktsiooni tüüpiline valem.
Milliseid tuumareaktsioone leidub füüsikas?
Üldiselt võib tänapäeval tuntud tuumareaktsioonid jagada järgmisteks osadeks:
- aatomituumade lõhustumine
- termotuumareaktsioonid
Allpool kirjutame neist igaühe kohta üksikasjalikult.
Tuuma lõhustumine
Aatomituumade lõhustumise reaktsioon hõlmab aatomi tegeliku tuuma lagunemist kaheks osaks. 1939. aastal avastasid Saksa teadlased O. Hahn ja F. Strassmann aatomituumade lõhustumise, jätkates oma teaduslike eelkäijate uurimistööd, tegid nad kindlaks, et uraani neutronitega pommitamisel tekivad perioodilisustabeli keskosa elemendid, nimelt radioaktiivsed. baariumi, krüptooni ja mõne muu elemendi isotoobid. Kahjuks kasutati neid teadmisi algselt kohutavatel, hävitavatel eesmärkidel, sest algas Teine maailmasõda ja Saksamaa ja teisest küljest rassisid Ameerika ja Nõukogude teadlased tuumarelvi välja töötama (mis põhinesid uraani tuumareaktsioonil). lõppes kurikuulsate "tuumaseentega" Jaapani linnade Hiroshima ja Nagasaki kohal.
Kuid tagasi füüsika juurde, uraani tuumareaktsioonil selle tuuma lõhenemisel on lihtsalt kolossaalne energia, mille teadus on suutnud oma teenistusse panna. Kuidas selline tuumareaktsioon toimub? Nagu eespool kirjutasime, tekib see uraani aatomi tuuma pommitamise tagajärjel neutronite poolt, mis põhjustab tuuma lõhenemist, luues tohutu kineetilise energia suurusjärgus 200 MeV. Kuid kõige huvitavam on see, et uraani tuuma tuuma lõhustumise reaktsiooni produktina kokkupõrkel neutroniga tekib mitu vaba uut neutronit, mis omakorda põrkuvad uute tuumadega, lõhestavad neid jne. Selle tulemusena on neutroneid veelgi rohkem ja nendega kokkupõrgetest lõheneb veelgi rohkem uraani tuumasid – toimub tõeline tuuma ahelreaktsioon.
Nii näeb see diagrammil välja.
Sel juhul peab neutronite korrutustegur olema suurem kui ühtsus; see on seda tüüpi tuumareaktsiooni vajalik tingimus. Teisisõnu, igas järgnevas tuumade lagunemise järel tekkinud neutronite põlvkonnas peaks neid olema rohkem kui eelmises.
Väärib märkimist, et sarnase põhimõtte kohaselt võivad tuumareaktsioonid pommitamise ajal toimuda ka mõne muu elemendi aatomituumade lõhustumise ajal, kusjuures tuumad võivad pommitada mitmesuguste elementaarosakestega. selliste tuumareaktsioonide produktid on erinevad, nii et saame neid üksikasjalikumalt kirjeldada, vajame tervet teaduslikku monograafiat
Termotuumareaktsioonid
Termotuumareaktsioonid põhinevad termotuumareaktsioonidel, see tähendab, et tegelikult toimub lõhustumisele vastupidine protsess, aatomite tuumad ei jagune osadeks, vaid pigem ühinevad üksteisega. Nii vabaneb ka suur hulk energiat.
Termotuumareaktsioonid, nagu nimigi viitab (termo – temperatuur), võivad toimuda eranditult väga kõrgetel temperatuuridel. Kahe aatomituuma ühinemiseks peavad nad ju lähenema üksteisele väga lähedale, ületades samal ajal oma positiivsete laengute elektrilise tõrjumise; see on võimalik kõrge kineetilise energia olemasolul, mis omakorda on võimalik kõrgetel temperatuuridel. Tuleb märkida, et termotuumareaktsioone ei toimu mitte ainult sellel, vaid ka teistel tähtedel; võib isegi öelda, et see on iga tähe olemuse aluseks.
Tuumareaktsioonid, video
Ja lõpuks õppevideo meie artikli tuumareaktsioonide teemal.
