Reacție termonucleară controlată. Reactoarele termonucleare: au un viitor Reacții nucleare Fuziune termonucleară reactor nuclear

1. Energia nucleară este un domeniu al științei și tehnologiei industriale în care metodele și mijloacele de transformare a energiei nucleare în energie termică și electrică sunt dezvoltate și utilizate în practică. Bazele energiei nucleare sunt centralele nucleare (CNP). Sursa de energie la centralele nucleare sunt reactoarele nucleare, în care are loc o reacție controlată în lanț de fisiune a nucleelor ​​de elemente grele, în principal U-235 și Pu-239.

Reactoarele nucleare sunt de două tipuri: reactoare cu neutroni lenți și reactoare cu neutroni rapidi. Majoritatea centralelor nucleare din lume sunt construite pe baza de reactoare cu neutroni lenți. Primele reactoare construite în SUA (1942), URSS (1946) și alte țări dezvoltate au fost destinate să producă plutoniu Pu-239 de calitate pentru arme. Căldura degajată în ele a fost un produs secundar. Această căldură a fost îndepărtată din reactor folosind un sistem de răcire și pur și simplu eliberată în mediu.

Mecanismul de eliberare a căldurii în reactor este următorul. Cele două fragmente care apar în timpul fisiunii unui nucleu de uraniu transportă o energie cinetică enormă de aproximativ 200 MeV. Viteza lor inițială atinge 5000 km/s. Mișcându-se printre uraniu, moderator sau elemente structurale, aceste fragmente, ciocnind cu atomi, își transferă energia acestora și încetinesc treptat la viteze termice. Miezul reactorului se încălzește. Prin creșterea intensității reacției nucleare se pot obține puteri termice mai mari.

Căldura generată în reactor este îndepărtată folosind un lichid de răcire lichid sau gazos. În general, un reactor de răcire seamănă cu un cazan cu tub de abur (apa curge prin conductele din interiorul cuptorului și se încălzește). Prin urmare, împreună cu conceptul de „reactor nuclear”, este adesea folosit sinonimul „cazan nuclear”.

În fig. Figura 144 prezintă o diagramă a unei centrale nucleare în reactorul 1. Densitatea fluxului de neutroni în interiorul reactorului în funcțiune atinge 10 14 particule la fiecare 1 cm 2 pe secundă.

Se face o distincție între puterea termică și cea electrică a reactorului. Puterea electrică nu este mai mare de 30% din puterea termică. Prima centrală nucleară din lume a fost construită în 1954 în URSS la Obninsk. Puterea sa termică este de 30 MW, puterea electrică este de 5 MW. Zona activă a unui reactor cu neutroni lenți de uraniu-grafit are forma unui cilindru cu diametrul de 1,5 m și înălțimea de 1,7 m. Lichidul de răcire este apa. Temperatura apei la intrarea în reactor este de + 190°C, la ieșire + 280°C, presiunea 100 atm.

Sarcina reactorului este de 550 kg de uraniu îmbogățit la 5%. Durata de funcționare la puterea nominală este de 100 de zile. Capacitatea de proiectare a U-235 este de 15%. Reactorul conține 128 de elemente de combustibil (elemente de combustibil). CNE Obninsk a fost construită cu scopul de a dezvolta soluții tehnologice pentru energia nucleară. În centralele nucleare în serie ulterioare, sarcina și puterea reactoarelor crește de sute de ori.

2. Reactor nuclear cu neutroni lent. După cum sa menționat deja în §21, sarcina principală în dezvoltarea reactoarelor nucleare a fost ca reactorul să poată funcționa cu uraniu natural, adică. extrase chimic din minereuri și care conțin un amestec natural de izotopi: U-238 (99,282%), U-235 (0,712%), U-234 (0,006%), sau pe uraniu relativ ieftin și slab îmbogățit, în care conținutul de izotopi este U-235 sau Pu-239 crescut la 2-5%.

Pentru a face acest lucru, trebuie îndeplinite trei condiții: în primul rând, masa materialului fisionabil din reactor (U-235 sau Pu-239) trebuie să fie nu mai puțin decât critică pentru configurația sa dată. Aceasta înseamnă că, în medie, un neutron din numărul produs în fiecare eveniment de fisiune nucleară ar putea provoca următorul eveniment de fisiune. În al doilea rând, neutronii trebuie să fie încetiniți la viteze termice, iar acest lucru trebuie făcut în așa fel încât să minimizeze pierderile lor datorate captării radiațiilor de către nucleele materialelor nefisibile. În al treilea rând, dezvoltați principii și creați mijloace de control al unei reacții nucleare în lanț. Deși toate aceste condiții sunt interdependente, pentru fiecare dintre ele este posibil să se identifice principalele modalități de implementare a acestora.

A. Atingerea unei mase critice de material fisionabil este posibilă în două moduri: pur și simplu creșterea masei de uraniu și îmbogățirea uraniului. Datorită concentrației scăzute de material fisionabil, masa sa critică în reactor este mult mai mare decât în ​​cazul unei bombe atomice. De exemplu, în NPP Obninsk /m cr U-235 este de aproximativ 25 kg. În reactoarele de mare putere mai moderne, m cr atinge câteva tone. Pentru a reduce pierderile datorate scurgerii de neutroni din reactor, miezul acestuia este înconjurat de un reflector de neutroni. Aceasta este o substanță cu nuclee ușoare care absoarbe slab neutronii (grafit, beriliu).

b. Moderare neutronică. Figura 145 prezintă spectrul energetic al neutronilor emiși de nucleele fisionabile ale U-235. Axa absciselor arată energia cinetică E a neutronilor, iar axa ordonatelor arată frecvența relativă ΔN/N a repetiției unei astfel de energii în unități convenționale. Curba are un maxim la E = 0,645 MeV. Figura arată că fisiunea nucleelor ​​U-235 produce predominant neutroni rapizi cu energie E > 1 MeV.

După cum sa menționat mai devreme, secțiunea transversală efectivă pentru captarea neutronilor de către nucleele U-235 este maximă pentru neutronii termici, când energia lor E 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

Pentru a preveni apariția unei astfel de absorbții, neutronii trebuie îndepărtați din masa de uraniu, încetiniți într-un moderator care absoarbe slab neutronii (grafit, apă grea, beriliu) și reveniți înapoi la masa de uraniu (difuză).Acest lucru se realizează prin încărcarea cu uraniu. în tuburi subțiri de elemente de combustibil (tije de combustibil) . Și tijele de combustibil sunt scufundate în canalele moderatorului.

De obicei, barele de combustibil sunt tuburi cu pereți subțiri, cu un diametru de 15-20 mm, realizate din aliaj de zirconiu. Combustibilul nuclear este plasat în barele de combustibil sub formă de tablete comprimate din oxid de uraniu U02. Oxidul nu se sinterizează la temperaturi ridicate și este ușor de îndepărtat la reîncărcarea barelor de combustibil. În funcție de mărimea miezului reactorului, lungimea barelor de combustibil poate ajunge la 7-8 m. În recipiente se montează mai multe bare de combustibil, care sunt conducte cu diametrul de 10-20 cm sau prisme. Când reactoarele sunt reîncărcate, aceste containere sunt înlocuite, iar dezasamblarea lor și înlocuirea barelor de combustibil se efectuează la uzină.

Reactorul în sine este cel mai adesea un cilindru, prin baza superioară a căruia sunt realizate canale verticale într-un model de șah. În aceste canale sunt amplasate containere cu tije de combustibil și tije de control al absorbantului.

V. Controlul reacției nucleare în lanț realizat folosind tije din materiale care absorb puternic neutronii - cadmiu 48 113 Cd și bor 5 10 V. Acesta din urmă este adesea sub formă de carbură B 4 C (punct de topire pentru cadmiu 321 ° C, pentru bor 2075 ° C). Secțiunile lor transversale de absorbție sunt σ = 20.000 și, respectiv, 4.000 barn. Parametrii tijelor absorbante sunt calculați astfel încât atunci când tijele sunt introduse complet, cu siguranță nu are loc o reacție nucleară în reactor. Odată cu îndepărtarea treptată a tijelor, factorul de multiplicare K din miez crește și la o anumită poziție a tijei ajunge la unitate. În acest moment reactorul începe să funcționeze. În timpul funcționării, coeficientul K scade treptat din cauza contaminării reactorului cu fragmente de fisiune. Această scădere a K este compensată de extensia tijelor. În cazul unei creșteri bruște a intensității reacției, există tije suplimentare. Eliberarea lor rapidă în miez oprește imediat reacția.

Controlul reactorului este facilitat de prezența neutronilor întârziați. Ponderea lor pentru diferiți izotopi variază de la 0,6 la 0,8%; pentru U-235 este de aproximativ 0,64%. Timpul mediu de înjumătățire al fragmentelor de fisiune care produc neutroni întârziați este T = 9 s, durata medie de viață a unei generații de neutroni întârziați este τ = T/ln2 = 13 s.

În timpul funcționării staționare a reactorului, factorul de multiplicare al neutronilor rapizi este K b = 1. Coeficientul total K = K b + K diferă de unitate prin fracția de neutroni întârziați și poate ajunge la K = 1 + 0,006. În a doua generație, după 13 secunde, numărul de neutroni este N = N 0 K 2 = N 0 (1,006)2 = 1,012MN 0. În a zecea generație, după 130 s, numărul lor va fi N 0 K 10 = 1,062 MN 0, ceea ce este încă departe de o situație de urgență. Prin urmare, sistemul de control automat, bazat pe monitorizarea densității fluxului de neutroni în miez, este destul de capabil să monitorizeze cele mai mici nuanțe în funcționarea reactorului și să răspundă la acestea prin mișcarea tijelor de control.

3. Otrăvirea reactorului- aceasta este acumularea de produse radioactive în ea. Acumularea de produse stabile în ea se numește zgură a reactorului. În ambele cazuri, nucleele se acumulează, absorbind intens neutronii. Secțiunea transversală de captare a celui mai puternic otrăvitor xenon-135 ajunge la 2,6 * 10 6 hambar.

Mecanismul de formare a Xe-135 este următorul. Când U-235 sau Pu-239 este fisionat de neutroni lenți, cu o probabilitate de 6%, se obține un fragment - un nucleu de telur de 52.135 Te. Cu o perioadă de 0,5 minute, Te-135 suferă dezintegrare β, transformându-se în nucleul izotopului de iod I. Acest izotop este, de asemenea, β - activ cu o perioadă de 6,7 ore. Produsul de degradare al I-135 este izotopul xenonului 54135 Xe. Cu o perioadă de T = 9,2 ore, Xe-135 suferă dezintegrare β, transformându-se într-un izotop practic stabil de cesiu 55 135 Cz. (/T= 3*10 6 ani).

Alte modele de dezintegrare produc alte nuclee dăunătoare, cum ar fi samariul 62.139 Sm. Otrăvirea are loc mai ales rapid în perioada inițială de funcționare a reactorului. În timp, echilibrul radioactiv se stabilește între produșii de descompunere. Din acest moment, zgura reactorului începe să crească.

Un reactor în care materialul fisionabil (uraniul), moderatorul (grafitul) și absorbantul (cadmiul) sunt faze separate și au interfețe se numește eterogen. Dacă toate aceste elemente în stare lichidă sau gazoasă reprezintă o fază comună, reactorul se numește omogen. Pentru lanțurile energetice se construiesc reactoare exclusiv eterogene.

5. Reactoare rapide cu neutroni. Nucleele U-235, Pu-239 și U-233 sunt fisionate de toți neutronii. Prin urmare, dacă creșteți îmbogățirea uraniului, de exemplu, cu izotopul U-235, atunci din cauza creșterii concentrației de nuclee fisionabile, o proporție din ce în ce mai mare de neutroni va fisiune nucleele U-235 fără a părăsi masa de uraniu. . La o anumită concentrație de nuclee fisionabile și cu o masă suficientă de uraniu în miez, factorul de multiplicare a neutronilor ajunge la unitate chiar și fără a le modera. Reactorul va funcționa pe neutroni rapizi (abreviat ca reacție rapidă).

Avantajul unei reacții rapide față de o reacție lentă (adică față de o reacție cu neutroni lenți) este că neutronii sunt utilizați mai eficient. Ca urmare, reproducerea combustibilului nuclear crește. Într-o reacție lentă de 2,5 neutroni, 1 merge și la nucleul U-235, menținând reacția, aproximativ 1 merge la nucleul U-238, formând apoi Pu-239 (combustibil nuclear), și se pierd 0,5 neutroni. Un nucleu de U-235 „ars” produce aproximativ 1 nucleu de Pu-239. Într-o reacție rapidă, din 2,5 neutroni, 1 este folosit și pentru a menține reacția. Dar se pierd mai puțin de 0,5 neutroni. Prin urmare, mai mulți neutroni intră în nucleele U-238. Ca rezultat, se formează mai mult de 1 nucleu Pu-239 pentru un nucleu de U-235 „ars”. Are loc reproducerea extinsă a combustibilului nuclear. Crearea și funcționarea reactoarelor cu neutroni rapizi este mai dificilă decât reactoarele cu neutroni lenți. În primul rând, volumul zonei active scade brusc. Aceasta crește densitatea energiei, ceea ce duce la creșterea temperaturii și înăsprește cerințele pentru materialele structurale și lichidul de răcire. În al doilea rând, cerințele pentru sistemul de control al reactorului sunt în creștere, adică pentru viteza operațiunilor efectuate de sistemul de control.

6. Perspective pentru energia nucleară. Astăzi, centralele nucleare care funcționează în mod normal sunt cele mai curate dintre toate sursele de energie. Acestea nu emit C0 2 și S0 2, ca și centralele termice și, prin urmare, nu agravează efectul de seră și nu inundă cu apă terenurile arabile, precum hidrocentralele. Luând în considerare posibilitatea procesării U-238 în Pu-239 și Th-232 în U-233, rezervele de combustibil nuclear ușor disponibil vor dura sute de ani. Utilizarea centralelor nucleare va economisi petrol, gaze și cărbune pentru industria chimică. Există două dificultăți în extinderea parcului de centrale nucleare. Unul este obiectiv, esența sa este că problemele asociate cu eliminarea și eliminarea deșeurilor de combustibil nuclear și a elementelor structurale care și-au petrecut viața reactorului nu au fost pe deplin rezolvate.

A doua dificultate este subiectivă. În comparație cu centralele termice și hidroelectrice, deservirea centralelor nucleare necesită o cultură tehnică superioară și impune o responsabilitate enormă unei persoane. Cea mai mică abatere de la disciplina tehnologică poate duce la o tragedie pentru mii de oameni.

7. Fuziune. Din curba de distribuție a energiei specifice de legare rezultă că fuziunea nucleelor ​​ușoare într-un singur nucleu, ca și fisiunea nucleelor ​​grele, trebuie să fie însoțită de eliberarea unei cantități uriașe de energie. Toate nucleele poartă aceeași sarcină pozitivă. Pentru a le aduce mai aproape de distanța la care începe fuziunea, două nuclee care interacționează trebuie accelerate unul spre celălalt. Acest lucru se poate face în două moduri. În primul rând, cu ajutorul acceleratoarelor. Această cale este greoaie și ineficientă. În al doilea rând, pur și simplu încălzirea gazului la temperatura necesară. Prin urmare, reacțiile de fuziune ale nucleelor ​​ușoare inițiate prin încălzirea unui gaz se numesc reacții termonucleare. Să estimăm temperatura gazului deuteriu la care începe fuziunea termonucleară deuteriu + deuteriu. 1 2 H+ 1 2 H→ 2 3 He + 0 1 n + 3,27 MeV.

Pentru a fuziona nucleele, acestea trebuie reunite la o distanță de r = 2*10 -15 m. Energia potențială în timpul unei astfel de apropieri ar trebui să fie egală cu energia cinetică a ambelor nuclee din sistem

centru de masă (1/4πε 0)*(e2/r) = 2*(mυ2/2) = 2*(3/2)* kT. Temperatura gazului T=(1/3K)*(1/4πε 0)*(e 2 /r)=3*10 9 K. Distribuția de energie a particulelor este apropiată de Maxwellian. Prin urmare, există întotdeauna particule „mai fierbinți” și, de asemenea, datorită efectului de tunel, reacția de fuziune începe la temperaturi mai scăzute T ≈ 10 7 K.

Pe lângă reacție, încă două prezintă un interes deosebit: deuteriu + deuteriu și deuteriu + tritiu. 2 1 H + 1 2 H+ 1 2 p + 4,03 MeV. (22,3) și 1 2 H + 1 3 H → 2 4 He + 0 1 n +17,59 MeV. (22,4)

Ultima reacție eliberează de aproximativ 5 ori mai multă energie pe unitatea de masă decât fisiunea U-235. Această energie este energia cinetică a mișcării neutronilor și a nucleelor ​​de heliu rezultate. În condiții terestre, a fost posibilă realizarea unei reacții de fuziune nucleară sub forma unei explozii necontrolate a unei bombe termonucleare cu hidrogen.

8. Bombă cu hidrogen este o bombă atomică convențională, a cărei încărcătură nucleară (U-235 sau Pu-239) este înconjurată de o pătură dintr-o substanță care conține atomi ușori. De exemplu, deuterură de litiu LiD. Temperatura ridicată care apare atunci când o sarcină atomică este detonată inițiază fuziunea termonucleară a atomilor de lumină. Acest lucru eliberează energie suplimentară, crescând puterea bombei. Pe lângă reacțiile (22.1) și (22.3), o alta poate apărea într-o bombă cu o pătură de deuterură de litiu. 3 6 Li+ 1 1 p→ 2 4 He + 2 3 He + 4 MeV. (22,5). (22.4). Dar tritiul este β - un element activ. Cu o perioadă de 12 ani se transformă în He-3. Prin urmare, încărcăturile de hidrogen cu tritiu au o durată de valabilitate limitată și trebuie testate în mod regulat. Substanțele implicate în fuziunea termonucleară nu produc produse radioactive. Dar datorită fluxului intens de neutroni, radioactivitatea este indusă în nucleele materialelor structurale și în corpurile înconjurătoare. Prin urmare, este imposibil să se implementeze o reacție de fuziune „curată” fără deșeuri radioactive.

9. Problema fuziunii termonucleare controlate (U HS) nu a fost încă rezolvată. Soluția sa este foarte promițătoare pentru sectorul energetic. Apa mărilor și oceanelor conține aproximativ 0,015% deuteriu (după numărul de atomi). Pe pământ există aproximativ 10-20 kg de apă. Dacă extrageți deuteriu din această apă, atunci energia care poate fi obținută din ea este echivalentă cu 6 * 10 18 K)" tone de cărbune, aceasta este o cantitate gigantică (aproximativ 0,001 mase Pământului). Prin urmare, deuteriul în mări și oceanele este o sursă de energie practic inepuizabilă.

Problema CTS se rezumă la două sarcini. În primul rând, trebuie să învățați cum să creați o temperatură ridicată T>10 7 K într-un volum limitat. În al doilea rând, mențineți volumul de plasmă îmbrăcat la această temperatură pentru un timp suficient pentru nuclear. să aibă loc o reacție de fuziune. Ambele probleme sunt departe de a fi rezolvate.

10. Reacții termonucleare în stele. Conform conceptelor moderne, o stea se naște din nori extinși de gaz și praf, formați în principal din hidrogen. Ca urmare a compresiei gravitaționale, norul devine mai dens și începe să se dezbrace, transformându-se într-o protostea. Când temperatura din centrul unei protostele ajunge la 10 7 K, în ea sunt excitate reacții termonucleare de sinteză a elementelor ușoare, în principal hidrogen, compresia gravitațională este suspendată de presiunea gaz-cinetică și optică crescută. O protostea se transformă într-o stea. Există două cicluri posibile de transformare a hidrogenului în heliu. Reacțiile principale care compun fiecare ciclu sunt enumerate mai jos. În paranteze în dreptul ecuațiilor de reacție este indicat timpul mediu de reacție τ, calculat pe baza secțiunii efective de reacție pentru presiunile și temperaturile care există în interiorul stelei.

Reacția de fuziune este următoarea: se iau două sau mai multe nuclee atomice și, folosind o anumită forță, se aduc împreună atât de aproape încât forțele care acționează la astfel de distanțe prevalează asupra forțelor de repulsie coulombiană dintre nuclee încărcate egal, rezultând formarea unui nucleu nou. Va avea o masă puțin mai mică decât suma maselor nucleelor ​​inițiale, iar diferența devine energia care se eliberează în timpul reacției. Cantitatea de energie eliberată este descrisă de binecunoscuta formulă E=mc². Nucleele atomice mai ușoare sunt mai ușor de reunit la distanța dorită, astfel încât hidrogenul - cel mai abundent element din Univers - este cel mai bun combustibil pentru reacția de fuziune.

S-a descoperit că un amestec de doi izotopi ai hidrogenului, deuteriu și tritiu, necesită cea mai mică cantitate de energie pentru reacția de fuziune în comparație cu energia eliberată în timpul reacției. Cu toate acestea, deși deuteriu-tritiu (D-T) este subiectul majorității cercetărilor de fuziune, nu este în niciun caz singurul combustibil potențial. Alte amestecuri pot fi mai ușor de produs; reacția lor poate fi controlată mai fiabil sau, mai important, poate produce mai puțini neutroni. De un interes deosebit sunt așa-numitele reacții „fără neutroni”, deoarece utilizarea industrială cu succes a unui astfel de combustibil va însemna absența contaminării radioactive pe termen lung a materialelor și a designului reactorului, care, la rândul său, ar putea avea un impact pozitiv asupra publicului. opinie și costul total de exploatare a reactorului, reducând semnificativ costurile dezafectării acestuia. Problema rămâne că reacțiile de sinteză folosind combustibili alternativi sunt mult mai greu de menținut, astfel că reacția D-T este considerată doar un prim pas necesar.

Schema reacției deuteriu-tritiu

Fuziunea controlată poate folosi diferite tipuri de reacții de fuziune în funcție de tipul de combustibil utilizat.

Reacția deuteriu + tritiu (combustibil D-T)

Cea mai ușor de realizat este deuteriu + tritiu:

2 H + 3 H = 4 He + n la o ieșire de energie de 17,6 MeV (megaelectronvolt)

Această reacție este cea mai ușor fezabilă din punctul de vedere al tehnologiilor moderne, oferă un randament energetic semnificativ, iar componentele combustibilului sunt ieftine. Dezavantajul său este eliberarea de radiații neutronice nedorite.

Două nuclee: deuteriul și trițiul fuzionează pentru a forma un nucleu de heliu (particulă alfa) și un neutron de înaltă energie.

²H + ³El = 4 El + . cu o ieșire de energie de 18,4 MeV

Condițiile pentru realizarea acesteia sunt mult mai complicate. Heliul-3 este, de asemenea, un izotop rar și extrem de scump. În prezent nu este produs la scară industrială. Cu toate acestea, poate fi obținut din tritiu, care este produs la rândul său la centralele nucleare.

Complexitatea efectuării unei reacții termonucleare poate fi caracterizată prin produsul triplu nTt (densitate prin temperatură prin timp de confinare). Prin acest parametru, reacția D-3He este de aproximativ 100 de ori mai complexă decât reacția D-T.

Reacția dintre nucleele de deuteriu (D-D, monopropelant)

Reacțiile între nucleele de deuteriu sunt, de asemenea, posibile, sunt puțin mai dificile decât reacțiile care implică heliu-3:

Ca rezultat, pe lângă reacția principală din plasma DD, mai apar următoarele:

Aceste reacții se desfășoară lent în paralel cu reacția deuteriu + heliu-3, iar trițiul și heliul-3 formate în timpul lor sunt susceptibile să reacționeze imediat cu deuteriul.

Alte tipuri de reacții

Sunt posibile și alte tipuri de reacții. Alegerea combustibilului depinde de mulți factori - disponibilitatea și costul scăzut al acestuia, producția de energie, ușurința de a realiza condițiile necesare pentru reacția de fuziune termonucleară (în primul rând temperatura), caracteristicile necesare de proiectare ale reactorului etc.

Reacții „fără neutroni”.

Cele mai promițătoare sunt așa-numitele. reacții „fără neutroni”, deoarece fluxul de neutroni generat de fuziunea termonucleară (de exemplu, în reacția deuteriu-tritiu) preia o parte semnificativă a puterii și generează radioactivitate indusă în proiectarea reactorului. Reacția deuteriu-heliu-3 este promițătoare din cauza lipsei de producție de neutroni.

Condiții

Reacția nucleară a litiului-6 cu deuteriu 6 Li(d,α)α

TCB este posibil dacă două criterii sunt îndeplinite simultan:

• Temperatura plasma:

style="max-width: 98%; height: auto; width: auto;" src="/pictures/wiki/files/101/ea2cc6cfd93c3d519e815764da74047a.png" border="0">

• Respectarea criteriului Lawson:

style="max-width: 98%; height: auto; width: auto;" src="/pictures/wiki/files/102/fe017490a33596f30c6fb2ea304c2e15.png" border="0"> (pentru reacția D-T)

unde este densitatea plasmei la temperatură înaltă, este timpul de retenție a plasmei în sistem.

De valoarea acestor două criterii depinde în principal rata de apariție a unei anumite reacții termonucleare.

În prezent, fuziunea termonucleară controlată nu a fost încă implementată la scară industrială. Construcția reactorului internațional de cercetare ITER este în faza incipientă.

Energia de fuziune și heliu-3

Rezervele de heliu-3 de pe Pământ variază de la 500 kg la 1 tonă, dar pe Lună se găsește în cantități semnificative: până la 10 milioane de tone (conform estimărilor minime - 500 de mii de tone). În prezent, o reacție termonucleară controlată este realizată prin sinteza deuteriu ²H și tritiu ³H cu eliberare de heliu-4 4 He și neutronul „rapid” n:

Cu toate acestea, majoritatea (mai mult de 80%) din energia cinetică eliberată provine de la neutron. Ca urmare a ciocnirii fragmentelor cu alți atomi, această energie este transformată în energie termică. În plus, neutronii rapizi creează cantități semnificative de deșeuri radioactive. În schimb, sinteza deuteriului și heliului-3³He nu produce (aproape) produse radioactive:

Unde p este proton

Acest lucru permite utilizarea unor sisteme mai simple și mai eficiente pentru conversia reacției de sinteză cinetică, cum ar fi un generator magnetohidrodinamic.

Proiectări de reactoare

Sunt luate în considerare două scheme de bază pentru implementarea fuziunii termonucleare controlate.

Cercetările privind primul tip de reactor termonuclear sunt semnificativ mai dezvoltate decât pe cel de-al doilea. În fizica nucleară, atunci când se studiază fuziunea termonucleară, o capcană magnetică este folosită pentru a conține plasmă într-un anumit volum. Capcana magnetică este concepută pentru a împiedica plasma să intre în contact cu elementele reactorului termonuclear, adică. folosit în principal ca izolator termic. Principiul izolării se bazează pe interacțiunea particulelor încărcate cu un câmp magnetic, și anume pe rotația particulelor încărcate în jurul liniilor de câmp magnetic. Din păcate, plasma magnetizată este foarte instabilă și tinde să părăsească câmpul magnetic. Prin urmare, pentru a crea o capcană magnetică eficientă, se folosesc cei mai puternici electromagneți, care consumă o cantitate imensă de energie.

Este posibil să se reducă dimensiunea unui reactor de fuziune dacă folosește trei metode de a crea o reacție de fuziune simultan.

A. Sinteză inerțială. Iradiază capsule minuscule de combustibil deuteriu-tritiu cu un laser de 500 de trilioane de wați:5. 10^14 W. Acest puls laser gigantic, foarte scurt, de 10^-8 secunde, face ca capsulele de combustibil să explodeze, ducând la nașterea unei mini-stele pentru o fracțiune de secundă. Dar nu se poate realiza o reacție termonucleară pe el.

B. Utilizați simultan mașina Z cu Tokamak.

Z-Machine funcționează diferit de un laser. Trece printr-o rețea de fire minuscule care înconjoară capsula de combustibil o sarcină cu o putere de jumătate de trilion de wați 5,10^11 wați.

În continuare, se întâmplă aproximativ același lucru ca și cu laserul: ca urmare a impactului Z, se formează o stea. În timpul testelor pe Z-Machine, a fost deja posibilă lansarea unei reacții de fuziune. http://www.sandia.gov/media/z290.htm Acoperiți capsulele cu argint și conectați-le cu un fir de argint sau grafit. Procesul de aprindere arată astfel: trageți un filament (atașat la un grup de bile de argint care conțin un amestec de deuteriu și tritiu) într-o cameră cu vid. În timpul unei defecțiuni (descărcări), formați un canal de fulger prin ele și furnizați curent prin plasmă. Iradiați simultan capsulele și plasma cu radiații laser. Și în același timp sau mai devreme porniți Tokamak. utilizați simultan trei procese de încălzire cu plasmă. Adică, plasați mașina Z și încălzirea laser împreună în interiorul Tokamak. Este posibil să se creeze un circuit oscilator din bobinele Tokamak și să se organizeze rezonanța. Apoi ar funcționa într-un mod oscilator economic.

Ciclul combustibilului

Reactoarele de prima generație vor funcționa cel mai probabil cu un amestec de deuteriu și tritiu. Neutronii care apar în timpul reacției vor fi absorbiți de protecția reactorului, iar căldura generată va fi folosită pentru a încălzi lichidul de răcire din schimbătorul de căldură, iar această energie, la rândul ei, va fi folosită pentru a roti generatorul.

. .

Reacția cu Li6 este exotermă, oferind puțină energie pentru reactor. Reacția cu Li7 este endotermă – dar nu consumă neutroni. Cel puțin unele reacții ale Li7 sunt necesare pentru a înlocui neutronii pierduți în reacții cu alte elemente. Majoritatea modelelor de reactoare folosesc amestecuri naturale de izotopi de litiu.

Acest combustibil are o serie de dezavantaje:

Reacția produce un număr semnificativ de neutroni, care activează (contaminează radioactiv) reactorul și schimbătorul de căldură. De asemenea, sunt necesare măsuri de protecție împotriva unei posibile surse de tritiu radioactiv.

Doar aproximativ 20% din energia de fuziune este sub formă de particule încărcate (restul sunt neutroni), ceea ce limitează capacitatea de a converti direct energia de fuziune în electricitate. Utilizarea reacției D-T depinde de rezervele de litiu disponibile, care sunt semnificativ mai mici decât rezervele de deuteriu. Expunerea la neutroni în timpul reacției D-T este atât de semnificativă încât, după prima serie de teste la JET, cel mai mare reactor până în prezent care folosește acest combustibil, reactorul a devenit atât de radioactiv încât a trebuit să fie adăugat un sistem robotizat de întreținere la distanță pentru a finaliza ciclul anual de testare.

Există, teoretic, tipuri alternative de combustibil care nu prezintă aceste dezavantaje. Dar utilizarea lor este îngreunată de o limitare fizică fundamentală. Pentru a obține suficientă energie din reacția de fuziune, este necesar să se mențină o plasmă suficient de densă la temperatura de fuziune (10 8 K) pentru un anumit timp. Acest aspect fundamental al fuziunii este descris de produsul dintre densitatea plasmei, n, și timpul de păstrare a plasmei încălzite, τ, necesar pentru a ajunge la punctul de echilibru. Produsul, nτ, depinde de tipul de combustibil și este o funcție de temperatura plasmei. Dintre toate tipurile de combustibil, amestecul de deuteriu-tritiu necesită cea mai mică valoare nτ cu cel puțin un ordin de mărime și cea mai scăzută temperatură de reacție de cel puțin 5 ori. Astfel, reacția D-T este un prim pas necesar, dar utilizarea altor combustibili rămâne un obiectiv important de cercetare.

Reacția de fuziune ca sursă industrială de energie electrică

Energia de fuziune este considerată de mulți cercetători drept o sursă de energie „naturală” pe termen lung. Susținătorii utilizării comerciale a reactoarelor de fuziune pentru producerea de energie electrică citează următoarele argumente în favoarea lor:

• Rezerve de combustibil practic inepuizabile (hidrogen)
• Combustibilul poate fi extras din apa de mare pe orice coastă a lumii, ceea ce face imposibil ca una sau un grup de țări să monopolizeze combustibilul
• Imposibilitatea unei reacții de fuziune necontrolată
• Fara produse de ardere
• Nu este nevoie să folosiți materiale care pot fi folosite pentru producerea de arme nucleare, eliminând astfel cazurile de sabotaj și terorism
• În comparație cu reactoarele nucleare, se produc cantități neglijabile de deșeuri radioactive cu un timp de înjumătățire scurt.
• Se estimează că un degetar umplut cu deuteriu produce energie echivalentă cu 20 de tone de cărbune. Un lac de dimensiuni medii poate furniza energie oricărei țări timp de sute de ani. Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că reactoarele de cercetare existente sunt proiectate pentru a realiza o reacție directă deuteriu-tritiu (DT), al cărei ciclu de combustibil necesită utilizarea litiului pentru a produce tritiu, în timp ce afirmațiile de energie inepuizabilă se referă la utilizarea deuteriu-tritiu. reacția deuteriului (DD) în a doua generație de reactoare.
• La fel ca reacția de fisiune, reacția de fuziune nu produce emisii de dioxid de carbon în atmosferă, care contribuie major la încălzirea globală. Acesta este un avantaj semnificativ, deoarece utilizarea combustibililor fosili pentru a produce energie electrică are ca rezultat, de exemplu, ca SUA să producă 29 kg de CO 2 (unul dintre principalele gaze care poate fi considerată o cauză a încălzirii globale) per rezident al SUA pe zi. .

Costul energiei electrice comparativ cu sursele tradiționale

Criticii subliniază că fezabilitatea economică a utilizării fuziunii nucleare pentru a produce electricitate rămâne o întrebare deschisă. Același studiu comandat de Office of Science and Technology Records al Parlamentului Britanic indică faptul că costul generării de energie electrică folosind un reactor de fuziune ar fi probabil la capătul superior al spectrului de costuri al surselor convenționale de energie. Mult va depinde de tehnologia viitoare, structura pieței și reglementări. Costul energiei electrice depinde direct de eficiența utilizării, de durata de funcționare și de costul dezafectării reactorului. Criticii utilizării comerciale a energiei de fuziune nucleară neagă faptul că combustibilii cu hidrocarburi sunt puternic subvenționați de guvern, atât direct, cât și indirect, cum ar fi prin utilizarea armatei pentru a asigura o aprovizionare neîntreruptă; Războiul din Irak este adesea citat ca un exemplu controversat de acest tip de subvenție. Contabilitatea acestor subvenții indirecte este foarte complexă și face aproape imposibilă compararea exactă a costurilor.

O problemă separată este costul cercetării. Țările Comunității Europene cheltuiesc aproximativ 200 de milioane de euro anual pentru cercetare și se preconizează că vor mai dura câteva decenii până când utilizarea industrială a fuziunii nucleare va fi posibilă. Susținătorii surselor alternative de energie electrică consideră că ar fi mai potrivit să se utilizeze aceste fonduri pentru a introduce surse regenerabile de energie electrică.

Disponibilitatea energiei comerciale de fuziune

Din păcate, în ciuda optimismului larg răspândit (din anii 1950, când au început primele cercetări), obstacole semnificative între înțelegerea actuală a proceselor de fuziune nucleară, capacitățile tehnologice și utilizarea practică a fuziunii nucleare nu au fost încă depășite, nu este clar chiar în ce măsură există poate fi Este rentabil din punct de vedere economic să se producă electricitate folosind fuziunea termonucleară. Deși progresul în cercetare este constant, cercetătorii se confruntă din când în când cu noi provocări. De exemplu, provocarea este dezvoltarea unui material care poate rezista bombardamentului cu neutroni, care este estimat a fi de 100 de ori mai intens decât reactoarele nucleare tradiționale.

În cercetare se disting următoarele etape:

1.Mod de echilibru sau „pass”.(Break-even): când energia totală eliberată în timpul procesului de sinteză este egală cu energia totală cheltuită pentru pornirea și menținerea reacției. Această relație este marcată cu simbolul Q. Echilibrul de reacție a fost demonstrat la JET (Joint European Torus) în Marea Britanie în 1997. (După ce au cheltuit 52 MW de electricitate pentru a o încălzi, oamenii de știință au obținut o putere de ieșire cu 0,2 MW mai mare decât cea cheltuită.)

2.Plasmă aprinsă(Plasmă de ardere): O etapă intermediară în care reacția va fi susținută în principal de particulele alfa care sunt produse în timpul reacției, mai degrabă decât de încălzirea externă. Q ≈ 5. Încă nu a fost realizat.

3. Aprindere(Aprindere): o reacție stabilă care se menține singură. Ar trebui atins la valori mari ale Q. Încă nu a fost atins.

Următorul pas în cercetare ar trebui să fie ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), International Thermonuclear Experimental Reactor. La acest reactor este planificat să se studieze comportamentul plasmei la temperatură înaltă (plasmă în flăcări cu Q ~ 30) și materialelor structurale pentru un reactor industrial. Faza finală a cercetării va fi DEMO: un prototip de reactor industrial în care se va realiza aprinderea și se va demonstra adecvarea practică a noilor materiale. Cea mai optimistă prognoză pentru finalizarea fazei DEMO: 30 de ani. Având în vedere timpul estimat pentru construcția și punerea în funcțiune a unui reactor industrial, suntem la aproximativ 40 de ani distanță de utilizarea industrială a energiei termonucleare.

Tokamak-uri existente

În total, în lume au fost construite aproximativ 300 de tokamak-uri. Cele mai mari dintre ele sunt enumerate mai jos.

• URSS și Rusia
  • T-3 este primul dispozitiv funcțional.
  • T-4 - versiunea mărită a lui T-3
  • T-7 este o instalație unică în care, pentru prima dată în lume, este implementat un sistem magnetic relativ mare cu un solenoid supraconductor pe bază de niobat de staniu răcit cu heliu lichid. Sarcina principală a lui T-7 a fost finalizată: a fost pregătită perspectiva următoarei generații de solenoizi supraconductori pentru energie termonucleară.
  • T-10 și PLT sunt următorul pas în cercetarea termonucleară mondială, au aproape aceeași dimensiune, putere egală, cu același factor de izolare. Și rezultatele obținute sunt identice: ambele reactoare au atins temperatura dorită de fuziune termonucleară, iar decalajul conform criteriului Lawson este de doar două sute de ori.
  • T-15 este un reactor de astăzi cu un solenoid supraconductor care oferă o putere de câmp de 3,6 Tesla.
• Libia
  • TM-4A
• Europa și Marea Britanie
  • JET (engleză) (Joint Europeus Tor) este cel mai mare tokamak din lume, creat de organizația Euratom din Marea Britanie. Utilizează încălzire combinată: 20 MW - injecție neutră, 32 MW - rezonanță ciclotronică ionică. Drept urmare, criteriul Lawson este de numai 4-5 ori mai mic decât nivelul de aprindere.
  • Tore Supra (franceză) (engleză) - un tokamak cu bobine supraconductoare, una dintre cele mai mari din lume. Situat la centrul de cercetare Cadarache (Franța).
• STATELE UNITE ALE AMERICII
  • TFTR (engleză) (Test Fusion Tokamak Reactor) - cel mai mare tokamak din SUA (la Universitatea Princeton) cu încălzire suplimentară prin particule neutre rapide. S-a obținut un rezultat ridicat: criteriul Lawson la o temperatură termonucleară adevărată este de numai 5,5 ori mai mic decât pragul de aprindere. Închis în 1997
  • NSTX (engleză) (National Spherical Torus Experiment) este un tokamak sferic (spheromak) care operează în prezent la Universitatea Princeton. Prima plasmă din reactor a fost produsă în 1999, la doi ani după ce TFTR a fost închis.

Știți deja asta la mijlocul secolului al XX-lea. a apărut problema găsirii de noi surse de energie. În acest sens, reacțiile termonucleare au atras atenția oamenilor de știință.

• Reacția termonucleară este reacția de fuziune a nucleelor ​​ușoare (cum ar fi hidrogenul, heliul etc.), care are loc la temperaturi de la zeci la sute de milioane de grade.

Crearea unei temperaturi ridicate este necesară pentru a oferi nucleelor ​​o energie cinetică suficient de mare - numai în această condiție nucleele vor putea depăși forțele de repulsie electrică și se vor apropia suficient pentru a cădea în zona de acțiune a forțelor nucleare. La distanțe atât de mici, forțele de atracție nucleară depășesc semnificativ forțele de repulsie electrică, datorită cărora sinteza (adică fuziunea, asocierea) nucleelor ​​este posibilă.

În § 58, folosind exemplul uraniului, s-a arătat că energia poate fi eliberată în timpul fisiunii nucleelor ​​grele. În cazul nucleelor ​​ușoare, energia poate fi eliberată în timpul procesului invers - în timpul fuziunii lor. Mai mult, reacția de fuziune a nucleelor ​​ușoare este energetic mai favorabilă decât reacția de fisiune a nucleelor ​​grele (dacă comparăm energia eliberată per nucleon).

Un exemplu de reacție termonucleară este fuziunea izotopilor de hidrogen (deuteriu și tritiu), care are ca rezultat formarea heliului și emisia unui neutron:

Aceasta este prima reacție termonucleară pe care oamenii de știință au reușit să o realizeze. A fost implementat într-o bombă termonucleară și era de natură incontrolabilă (explozivă).

După cum sa menționat deja, reacțiile termonucleare pot apărea cu eliberarea de cantități mari de energie. Dar pentru ca această energie să fie folosită în scopuri pașnice, este necesar să înveți cum să conduci reacții termonucleare controlate. Una dintre principalele dificultăți în efectuarea unor astfel de reacții este aceea de a conține plasmă la temperatură înaltă (gaz aproape complet ionizat) în interiorul instalației, în care are loc fuziunea nucleară. Plasma nu trebuie să intre în contact cu pereții instalației în care se află, altfel pereții se vor transforma în abur. În prezent, câmpurile magnetice foarte puternice sunt folosite pentru a închide plasma într-un spațiu restrâns la o distanță adecvată de pereți.

Reacțiile termonucleare joacă un rol important în evoluția Universului, în special în transformarea substanțelor chimice din acesta.

Datorită reacțiilor termonucleare care au loc în adâncurile Soarelui, se eliberează energie care dă viață locuitorilor Pământului.

Soarele nostru a radiat lumină și căldură în spațiu de aproape 4,6 miliarde de ani. Desigur, în orice moment, oamenii de știință au fost interesați de întrebarea care este „combustibilul” datorită căruia Soarele produce cantități uriașe de energie pentru o perioadă atât de lungă.

Au existat diferite ipoteze în această privință. Una dintre ele a fost că energia din Soare este eliberată ca rezultat al unei reacții chimice de combustie. Dar în acest caz, după cum arată calculele, Soarele ar putea exista doar câteva mii de ani, ceea ce contrazice realitatea.

Ipoteza originală a fost înaintată la mijlocul secolului al XIX-lea. A fost că creșterea energiei interne și creșterea corespunzătoare a temperaturii Soarelui are loc datorită scăderii energiei sale potențiale în timpul compresiei gravitaționale. De asemenea, s-a dovedit a fi de nesuportat, deoarece în acest caz durata de viață a Soarelui crește la milioane de ani, dar nu la miliarde.

Presupunerea că eliberarea de energie în Soare are loc ca urmare a reacțiilor termonucleare care au loc pe acesta a fost făcută în 1939 de fizicianul american Hans Bethe.

Au propus și așa-zisul ciclul hidrogenului, adică un lanț de trei reacții termonucleare care conduc la formarea heliului din hidrogen:

unde este o particulă numită „neutrin”, care înseamnă „mic neutron” în italiană.

Pentru a produce cele două nuclee necesare pentru a treia reacție, primele două trebuie să apară de două ori.

Știți deja că, conform formulei E = mс 2, pe măsură ce energia internă a unui corp scade, și masa acestuia scade.

Pentru a ne imagina cantitatea colosală de energie pe care Soarele o pierde ca urmare a conversiei hidrogenului în heliu, este suficient să știm că masa Soarelui scade cu câteva milioane de tone în fiecare secundă. Dar, în ciuda pierderilor, rezervele de hidrogen de pe Soare ar trebui să dureze încă 5-6 miliarde de ani.

Aceleași reacții apar în interiorul altor stele, a căror masă și vârstă sunt comparabile cu masa și vârsta Soarelui.

Întrebări

1. Ce reacție se numește termonucleară? Dați un exemplu de reacție.
2. De ce sunt posibile reacțiile termonucleare doar la temperaturi foarte ridicate?
3. Care reacție este energetic mai favorabilă (pe nucleon): fuziunea nucleelor ​​ușoare sau fisiunea celor grele?
4. Care este una dintre principalele dificultăți în efectuarea reacțiilor termonucleare?
5. Care este rolul reacțiilor termonucleare în existența vieții pe Pământ?
6. Care este sursa energiei solare conform ideilor moderne?
7. Cât timp ar trebui să dureze furnizarea de hidrogen pe Soare, conform calculelor oamenilor de știință?

Asta este interesant...

Particule elementare. Antiparticule

Particulele care alcătuiesc atomii diferitelor substanțe - electroni, protoni și neutroni - se numesc elementare. Cuvântul „elementar” implică faptul că aceste particule sunt primare, cele mai simple, mai departe indivizibile și neschimbabile. Dar s-a dovedit curând că aceste particule nu sunt deloc imuabile. Toți au capacitatea de a se transforma unul în celălalt atunci când interacționează.

Prin urmare, în fizica modernă, termenul „particule elementare” este de obicei folosit nu în sensul său exact, ci pentru a numi un grup mare de particule mai mici de materie care nu sunt atomi sau nuclee atomice (excepția este protonul, care este nucleul). a unui atom de hidrogen și în același timp aparține particulelor elementare).

În prezent, sunt cunoscute peste 350 de particule elementare diferite. Aceste particule sunt foarte diverse în proprietățile lor. Ele pot diferi unele de altele în ceea ce privește masa, semnul și mărimea sarcinii electrice, durata de viață (adică timpul din momentul formării particulei până în momentul în care este transformată într-o altă particulă), capacitatea de penetrare (adică capacitatea de a trece prin materie) și alte caracteristici. De exemplu, majoritatea particulelor sunt „de scurtă durată” - nu trăiesc mai mult de două milioane de secundă, în timp ce durata medie de viață a unui neutron în afara nucleului atomic este de 15 minute.

Cea mai importantă descoperire în domeniul cercetării particulelor elementare a fost făcută în 1932, când fizicianul american Carl David Anderson a descoperit o urmă a unei particule necunoscute într-o cameră cu nori plasată într-un câmp magnetic. Pe baza naturii acestei urme (raza de curbură, direcția de îndoire etc.), oamenii de știință au stabilit că a fost lăsată de o particulă, care este ca un electron cu o sarcină electrică pozitivă. Această particulă a fost numită pozitron.

Este interesant că cu un an înainte de descoperirea experimentală a pozitronului, existența acestuia a fost prezisă teoretic de fizicianul englez Paul Dirac (existența unei astfel de particule a rezultat din ecuația pe care a derivat-o). Mai mult, Dirac a prezis așa-numitele procese de anihilare (dispariție) și nașterea unei perechi electron-pozitron. Anihilarea este că un electron și un pozitron dispar la întâlnire, transformându-se în γ-quanta (fotoni). Și atunci când un γ-cuantic se ciocnește cu orice nucleu masiv, se naște o pereche electron-pozitron.

Ambele procese au fost observate pentru prima dată experimental în 1933. Figura 166 prezintă urmele unui electron și ale unui pozitron formate ca urmare a ciocnirii unui cuantum γ cu un atom de plumb în timpul trecerii razelor γ printr-o placă de plumb. Experimentul a fost efectuat într-o cameră cu nori plasată într-un câmp magnetic. Aceeași curbură a pistelor indică aceeași masă de particule, iar curbura în direcții diferite indică semne opuse ale sarcinii electrice.

Orez. 166. Urmele unei perechi electron-pozitron într-un câmp magnetic

În 1955, a fost descoperită o altă antiparticulă - antiprotonul (a cărui existență a rezultat și din teoria lui Dirac), iar puțin mai târziu - antineutronul. Un antineutron, ca un neutron, nu are sarcină electrică, dar aparține, fără îndoială, antiparticulelor, deoarece participă la procesul de anihilare și nașterea unei perechi neutron-antineutron.

Posibilitatea de a obține antiparticule a condus oamenii de știință la ideea de a crea antimaterie. Atomii de antimaterie ar trebui construiți în acest fel: în centrul atomului există un nucleu încărcat negativ, format din antiprotoni și antineutroni, iar pozitronii se învârt în jurul nucleului. În general, atomul este neutru. Această idee a primit și o confirmare experimentală strălucitoare. În 1969, la acceleratorul de protoni din Serpuhov, fizicienii sovietici au obținut nuclee de atomi de antiheliu.

În prezent, au fost descoperite experimental antiparticule ale aproape tuturor particulelor elementare cunoscute.

Rezumatul capitolului. Cel mai important

Mai jos sunt concepte și fenomene fizice. Succesiunea de prezentare a definițiilor și formulărilor nu corespunde succesiunii conceptelor etc.

Transferați numele conceptelor în caiet și introduceți între paranteze drepte numărul de serie al definiției (formularea) corespunzătoare acestui concept.

• Radioactivitate;
• model nuclear (planetar) al structurii atomului;
• nucleul atomic;
• transformări radioactive ale nucleelor ​​atomice;
• metode experimentale pentru studiul particulelor în fizica atomică și nucleară;
• forțe nucleare;
• energie nucleară de legare;
• defect de masă al nucleului atomic;
• reacție în lanț ;
• reactor nuclear ;
• probleme de mediu și sociale care decurg din utilizarea centralelor nucleare;
• doza absorbită de radiații.

1. Înregistrarea particulelor folosind un contor Geiger, studierea și fotografiarea urmelor de particule (inclusiv cele implicate în reacții nucleare) într-o cameră cu nori și o cameră cu bule.
2. Forțele de atracție care acționează între nucleonii din nucleele atomilor și depășesc semnificativ forțele de repulsie electrostatică dintre protoni.
3. Energia minimă necesară pentru a împărți un nucleu în nucleoni individuali.
4. Emisia spontană de raze radioactive de către atomii anumitor elemente.
5. Un dispozitiv conceput pentru a efectua o reacție nucleară controlată.
6. Constă din nucleoni (adică protoni și neutroni).
7. Deșeurile radioactive, posibilitatea de accidente, promovarea proliferării armelor nucleare.
8. Un atom este format dintr-un nucleu încărcat pozitiv situat în centrul său, în jurul căruia orbitează electronii la o distanță semnificativ mai mare decât dimensiunea nucleului.
9. Transformarea unui element chimic în altul prin dezintegrare α sau β, în urma căreia nucleul atomului original suferă modificări.
10. Diferența dintre suma maselor nucleonilor care formează un nucleu și masa acestui nucleu.
11. O reacție de fisiune auto-susținută a nucleelor ​​grele, în care neutroni sunt produși continuu, împărțind din ce în ce mai multe nuclee noi.
12. Energia radiațiilor ionizante absorbită de substanța emisă (în special, țesuturile corpului) și calculată pe unitate de masă.

verifică-te

Reactorul nuclear funcționează fără probleme și eficient. Altfel, după cum știți, vor fi probleme. Dar ce se întâmplă înăuntru? Să încercăm să formulăm principiul de funcționare a unui reactor nuclear (nuclear) pe scurt, clar, cu opriri.

În esență, acolo are loc același proces ca în timpul unei explozii nucleare. Doar explozia are loc foarte repede, dar în reactor toate acestea se întind mult timp. Drept urmare, totul rămâne în siguranță și primim energie. Nu atât de mult încât totul în jur ar fi distrus dintr-o dată, dar destul de suficient pentru a furniza energie electrică orașului.

Înainte de a înțelege cum are loc o reacție nucleară controlată, trebuie să știți ce este reacție nucleară deloc.

Reacție nucleară este procesul de transformare (fisiune) a nucleelor ​​atomice atunci când interacționează cu particulele elementare și cuante gamma.

Reacțiile nucleare pot apărea atât cu absorbția, cât și cu eliberarea de energie. Reactorul folosește a doua reacție.

Reactor nuclear este un dispozitiv al cărui scop este menținerea unei reacții nucleare controlate cu eliberare de energie.

Adesea, un reactor nuclear este numit și reactor atomic. Să remarcăm că aici nu există nicio diferență fundamentală, dar din punctul de vedere al științei este mai corect să folosim cuvântul „nuclear”. Acum există multe tipuri de reactoare nucleare. Acestea sunt reactoare industriale uriașe menite să genereze energie în centrale electrice, reactoare nucleare ale submarinelor, reactoare experimentale mici folosite în experimente științifice. Există chiar reactoare folosite pentru desalinizarea apei de mare.

Istoria creării unui reactor nuclear

Primul reactor nuclear a fost lansat în 1942, nu atât de îndepărtat. Acest lucru s-a întâmplat în SUA sub conducerea lui Fermi. Acest reactor a fost numit „Chicago Woodpile”.

În 1946, a început să funcționeze primul reactor sovietic, lansat sub conducerea lui Kurchatov. Corpul acestui reactor era o minge de șapte metri în diametru. Primele reactoare nu aveau sistem de răcire, iar puterea lor era minimă. Apropo, reactorul sovietic avea o putere medie de 20 de wați, iar cel american - doar 1 wați. Pentru comparație, puterea medie a reactoarelor de putere moderne este de 5 gigawați. La mai puțin de zece ani de la lansarea primului reactor, în orașul Obninsk a fost deschisă prima centrală nucleară industrială din lume.

Principiul de funcționare al unui reactor nuclear (nuclear).

Orice reactor nuclear are mai multe părți: miez Cu combustibil Și moderator , reflector de neutroni , lichid de răcire , sistem de control și protecție . Izotopii sunt folosiți cel mai adesea ca combustibil în reactoare. uraniu (235, 238, 233), plutoniu (239) și toriu (232). Miezul este un cazan prin care curge apa obișnuită (lichid de răcire). Printre alți agenți de răcire, „apa grea” și grafitul lichid sunt mai puțin utilizate. Dacă vorbim despre funcționarea centralelor nucleare, atunci un reactor nuclear este folosit pentru a produce căldură. Electricitatea în sine este generată folosind aceeași metodă ca și în alte tipuri de centrale electrice - aburul rotește o turbină, iar energia mișcării este convertită în energie electrică.

Mai jos este o diagramă a funcționării unui reactor nuclear.

După cum am spus deja, degradarea unui nucleu greu de uraniu produce elemente mai ușoare și mai mulți neutroni. Neutronii rezultați se ciocnesc cu alte nuclee, provocându-le și fisiunea. În același timp, numărul de neutroni crește ca o avalanșă.

Ar trebui menționat aici factor de multiplicare a neutronilor . Deci, dacă acest coeficient depășește o valoare egală cu unu, are loc o explozie nucleară. Dacă valoarea este mai mică de unu, sunt prea puțini neutroni și reacția se stinge. Dar dacă mențineți valoarea coeficientului egală cu unu, reacția se va desfășura lung și stabil.

Întrebarea este cum să faci asta? În reactor, combustibilul este în așa-numitul elemente de combustibil (TVELakh). Acestea sunt baghete care conțin, sub formă de tablete mici, combustibil nuclear . Barele de combustibil sunt conectate în casete de formă hexagonală, dintre care pot fi sute într-un reactor. Casetele cu tije de combustibil sunt dispuse vertical, iar fiecare tijă de combustibil are un sistem care vă permite să reglați adâncimea imersiei sale în miez. Pe lângă casetele în sine, acestea includ tije de control Și tije de protecție în caz de urgență . Tijele sunt realizate dintr-un material care absoarbe bine neutronii. Astfel, tijele de control pot fi coborâte la diferite adâncimi în miez, ajustând astfel factorul de multiplicare a neutronilor. Tijele de urgență sunt proiectate pentru a opri reactorul în caz de urgență.

Cum pornește un reactor nuclear?

Ne-am dat seama de principiul de funcționare în sine, dar cum să pornim și să facem funcționarea reactorului? În linii mari, aici este - o bucată de uraniu, dar reacția în lanț nu începe în ea de la sine. Cert este că în fizica nucleară există un concept masa critica .

Masa critică este masa de material fisionabil necesară pentru a începe o reacție nucleară în lanț.

Cu ajutorul tijelor de combustibil și a tijelor de control, se creează mai întâi o masă critică de combustibil nuclear în reactor, iar apoi reactorul este adus la nivelul optim de putere în mai multe etape.

În acest articol, am încercat să vă oferim o idee generală despre structura și principiul de funcționare a unui reactor nuclear (nuclear). Dacă aveți întrebări pe această temă sau vi s-a pus o problemă de fizică nucleară la universitate, vă rugăm să contactați specialiştilor companiei noastre. Ca de obicei, suntem gata să vă ajutăm să rezolvați orice problemă presantă cu privire la studiile dumneavoastră. Și în timp ce suntem la asta, iată un alt videoclip educațional pentru atenția ta!

Iar capacitatea de a folosi energia nucleară, atât în ​​scopuri creative (energie nucleară), cât și în scopuri distructive (bombă atomică), a devenit, poate, una dintre cele mai semnificative invenții ale ultimului secol XX. Ei bine, în centrul acestei puteri formidabile care se ascunde în adâncurile unui atom minuscul se află reacțiile nucleare.

Ce sunt reacțiile nucleare

Reacțiile nucleare în fizică înseamnă procesul de interacțiune a unui nucleu atomic cu un alt nucleu similar sau cu particule elementare diferite, având ca rezultat modificări ale compoziției și structurii nucleului.

O mică istorie a reacțiilor nucleare

Prima reacție nucleară din istorie a fost făcută de marele om de știință Rutherford în 1919, în timpul experimentelor de detectare a protonilor în produsele de descompunere nucleară. Omul de știință a bombardat atomii de azot cu particule alfa și, atunci când particulele s-au ciocnit, a avut loc o reacție nucleară.

Și așa arăta ecuația acestei reacții nucleare. Rutherford a fost creditat cu descoperirea reacțiilor nucleare.

Aceasta a fost urmată de numeroase experimente ale oamenilor de știință în realizarea diferitelor tipuri de reacții nucleare, de exemplu, o reacție foarte interesantă și semnificativă pentru știință a fost reacția nucleară cauzată de bombardarea nucleelor ​​atomice cu neutroni, care a fost efectuată de remarcabilul fizician italian. E. Fermi. În special, Fermi a descoperit că transformările nucleare pot fi cauzate nu numai de neutroni rapizi, ci și de cei lenți, care se mișcă la viteze termice. Apropo, reacțiile nucleare cauzate de expunerea la temperatură se numesc reacții termonucleare. În ceea ce privește reacțiile nucleare sub influența neutronilor, acestea și-au câștigat foarte repede dezvoltarea în știință și ce fel de reacții, citiți mai departe despre asta.

Formula tipică pentru o reacție nucleară.

Ce reacții nucleare există în fizică?

În general, reacțiile nucleare cunoscute astăzi pot fi împărțite în:

• fisiunea nucleelor ​​atomice
• reacții termonucleare

Mai jos vom scrie în detaliu despre fiecare dintre ele.

Fisiune nucleara

Reacția de fisiune a nucleelor ​​atomice implică dezintegrarea nucleului propriu-zis al unui atom în două părți. În 1939, oamenii de știință germani O. Hahn și F. Strassmann au descoperit fisiunea nucleelor ​​atomice, continuând cercetările predecesorilor lor științifici, au stabilit că atunci când uraniul este bombardat cu neutroni, apar elemente din partea de mijloc a tabelului periodic și anume radioactive. izotopi de bariu, cripton și alte elemente. Din p s-a încheiat cu infamele „ciuperci nucleare” de peste orașele japoneze Hiroshima și Nagasaki.

Dar, revenind la fizică, reacția nucleară a uraniului în timpul divizării nucleului său are pur și simplu o energie colosală, pe care știința a fost capabilă să o pună în serviciu. Cum are loc o astfel de reacție nucleară? După cum am scris mai sus, apare ca urmare a bombardării nucleului unui atom de uraniu de către neutroni, ceea ce face ca nucleul să se scindeze, creând o energie cinetică uriașă de ordinul a 200 MeV. Dar ceea ce este cel mai interesant este că, ca produs al reacției de fisiune nucleară a unui nucleu de uraniu dintr-o coliziune cu un neutron, apar mai mulți neutroni noi liberi, care, la rândul lor, se ciocnesc cu nuclee noi, le despart și așa mai departe. Ca urmare, există și mai mulți neutroni și chiar mai multe nuclee de uraniu sunt despărțite în urma coliziunilor cu ei - are loc o adevărată reacție nucleară în lanț.

Așa arată pe diagramă.

În acest caz, factorul de multiplicare a neutronilor trebuie să fie mai mare decât unitatea; aceasta este o condiție necesară pentru o reacție nucleară de acest tip. Cu alte cuvinte, în fiecare generație ulterioară de neutroni formată după dezintegrarea nucleelor, ar trebui să existe mai mulți dintre ei decât în ​​cea anterioară.

Este de remarcat faptul că, conform unui principiu similar, reacțiile nucleare în timpul bombardamentului pot avea loc și în timpul fisiunii nucleelor ​​atomilor unor alte elemente, cu nuanțe că nucleele pot fi bombardate de o varietate de particule elementare și produsele unor astfel de reacții nucleare vor varia, așa că le putem descrie mai detaliat, avem nevoie de o monografie științifică întreagă

Reacții termonucleare

Reacțiile termonucleare se bazează pe reacții de fuziune, adică, de fapt, are loc procesul opus fisiunii, nucleele atomilor nu se împart în părți, ci mai degrabă se contopesc între ele. Acest lucru eliberează, de asemenea, o cantitate mare de energie.

Reacțiile termonucleare, după cum sugerează și numele (termo - temperatură), pot avea loc exclusiv la temperaturi foarte ridicate. La urma urmei, pentru ca două nuclee atomice să se fuzioneze, ele trebuie să se apropie unul de celălalt la o distanță foarte apropiată, depășind în același timp respingerea electrică a sarcinilor lor pozitive; acest lucru este posibil cu existența unei energii cinetice ridicate, care, la rândul său, este posibil la temperaturi ridicate. Trebuie remarcat faptul că reacțiile termonucleare nu au loc, totuși, nu numai pe ea, ci și pe alte stele; se poate spune chiar că se află chiar la baza naturii lor de orice stele.

Reacții nucleare, video

Și, în sfârșit, un videoclip educațional pe tema articolului nostru, reacții nucleare.