15 (Лекции Лунева PDF), страница 4

Если число обрывов цепей больше, чем число появляющихся новых цепей, то цепная самоподдерживающаяся реакция оказывается невозможной. Даже если её возбудить искусственно, введя в среду какое-то количество необходимых частиц, то, поскольку число цепей в этомслучае может только убывать, начавшийся процесс быстро затухает.

Если же число образующихся новых цепей превосходит число обрывов, цепная реакция быстро распространяется повсему объёму вещества при появлении хотя бы одной начальной частицы.Область состояний вещества с развитием цепной самоподдерживающейся реакции отделена от области, где цепная реакция вообще невозможна, называется критическим состоянием. Критическое состояние характеризуется равенством между числом новых цепей и числомобрывов.Достижение критического состояния определяется рядом факторов.

Деление тяжелогоядра возбуждается одним нейтроном, а в результате акта деления появляется более одногонейтрона (например, для 235U число нейтронов, родившихся в одном акте деления, в среднемравно 2,5). Следовательно, процесс деления может породить разветвлённую цепную реакцию,носителями которой будут служить нейтроны. Если скорость потерь нейтронов (захватов безделения, вылетов из реакционного объёма и т.д.) компенсирует скорость размножения нейтронов таким образом, что эффективный коэффициент размножения нейтронов в точности равенединице, то цепная реакция идёт в стационарном режиме. Введение отрицательных обратныхсвязей между эффективным коэффициентом размножения и скоростью энерговыделения позволяет осуществить управляемую цепную реакцию, которая используется, например, в ядернойэнергетике.Если коэффициент размножения нейтронов больше единицы, цепная реакция развивается лавинообразно и становится неуправляемой.

Неуправляемая цепная реакция деления используется в ядерном оружии.Критическая масса - количество делящегося вещества, необходимое для начала самоподдерживающейся цепной реакции деления. Коэффициент размножения нейтронов в такомколичестве вещества больше единицы или равен единице. Размеры, соответствующие критической массе, также называют критическими. Если масса вещества ниже критической, то слишком много нейтронов, необходимых для реакции деления, теряется, и цепная реакция не идёт.При массе больше критической цепная реакция может лавинообразно ускоряться, что приводитк ядерному взрыву.Величина критической массы зависит от свойств вещества (таких, как сечения деления ирадиационного захвата), от плотности, количества примесей, формы изделия, а также от окружения. Например, наличие отражателей и замедлителей нейтронов может сильно уменьшитькритическую массу.

Минимальную критическую массу имеет образец сферической формы, таккак площадь его поверхности наименьшая. Критическая масса чистого металлического плутония-239 сферической формы 11 кг (диаметр такой сферы 10 см), урана-235 – 50 кг (диаметрсферы 17 см). Критическая масса также зависит от химического состава образца.При расчётах и производстве ядерного и термоядерного оружия параметр критическоймассы существенным образом влияет как на конструкцию взрывного устройства, так и на егостоимость и сроки хранения. В случае проектирования и строительства атомного реактора, па-10Семестр 4.

Лекция 15.раметры критической массы также ограничивают как минимальные, так и максимальные размеры будущего реактора.Ядерная реакция синтезаТермоядерная реакция (синоним: ядерная реакция синтеза) - разновидность ядерной реакции, при которой лёгкие атомные ядра объединяются в более тяжёлые ядра.Для того чтобы произошла реакция синтеза, исходные ядра должны преодолеть силуэлектростатического отталкивания, для этого они должны иметь большую кинетическую энергию. Если предположить, что кинетическая энергия ядер определяется их тепловым движением,то можно сказать, что для реакции синтеза нужна большая температура. Поэтому реакцияназвана «термоядерной».Атомные ядра имеют положительный электрический заряд. На больших расстояниях ихзаряды могут быть экранированы электронами.

Однако для того, чтобы произошло слияниеядер, они должны сблизиться на расстояние, на котором действует сильное взаимодействие.Это расстояние — порядка размера самих ядер и во много раз меньше размера атома. На такихрасстояниях электронные оболочки атомов (даже если бы они сохранились) уже не могут экранировать заряды ядер, поэтому они испытывают сильное электростатическое отталкивание. Сила этого отталкивания, в соответствии с законом Кулона, обратно пропорциональна квадратурасстояния между зарядами.

На расстояниях порядка размера ядер величина сильного взаимодействия, которое стремится их связать, начинает быстро возрастать и становится больше величины кулоновского отталкивания.Таким образом, чтобы вступить в реакцию, ядра должны преодолеть потенциальный барьер. Например, для реакции дейтерий-тритий величина этого барьера составляет примерно 0,1МэВ. Для сравнения, энергия ионизации водорода - 13 эВ. Поэтому вещество, участвующее втермоядерной реакции, будет представлять собой практически полностью ионизированнуюплазму.Кинетической энергии теплового движения 0,1 МэВ соответствует температура примерно 109 К. Однако есть два эффекта, которые снижают температуру, необходимую для термоядерной реакции.

Во-первых, температура характеризует лишь среднюю кинетическую энергию, поэтому есть частицы как с меньшей энергией, так и с большей. На самом деле в термоядерной реакции участвует небольшое количество ядер, имеющих энергию намного большесредней (т.

н. «хвост максвелловского распределения»). Во-вторых, благодаря квантовым эффектам, ядра не обязательно должны иметь энергию, превышающую кулоновский барьер. Еслиих энергия немного меньше барьера, они могут с большой вероятностью туннелировать сквозьнего. Этот же факт туннелирования используется в мюонном катализе реакций ядерного синтеза.Естественными термоядерными реакторами являются звёзды. Нуклеосинтез в астрофизике - процесс синтеза ядер химических элементов тяжелее водорода.

Различают первичныйнуклеосинтез, проходивший на начальных стадиях существования Вселенной в процессеБольшого Взрыва и звёздный нуклеосинтез.В процессе первичного нуклеосинтеза образуются элементы не тяжелее лития. Синтезболее тяжёлых ядер происходит в звёздах. Лёгкие ядра (до углерода 12С включительно) могутсинтезироваться в недрах относительно немассивных звёзд. Ядра до железа 56Fe синтезируютсяпутём слияния более лёгких ядер в недрах массивных звёзд, синтез тяжёлых и сверхтяжёлыхядер идёт путём нейтронного захвата в предсверхновых звёздах и при взрывах сверхновых.Применение реакции ядерного синтеза как практически неисчерпаемого источника энергии связано в первую очередь с перспективой освоения технологии управляемого синтеза.

Внастоящее время научная и технологическая базы не позволяет использовать УТС в промышленных масштабах.Вместе с тем, неуправляемая термоядерная реакция нашла своё применение в военномделе. Впервые термоядерное взрывное устройство было испытано в ноябре 1952 года в США, ауже в августе 1953 года в Советском Союзе испытали термоядерное взрывное устройство в ви11Семестр 4. Лекция 15.де авиабомбы. Мощность термоядерного взрывного устройства (в отличие от атомного) ограничена лишь количеством используемого для его создания материала, что позволяет создаватьвзрывные устройства практически любой мощности.Управляемый термоядерный синтез (УТС) - синтез более тяжёлых атомных ядер изболее лёгких с целью получения энергии, который, в отличие от взрывного термоядерного синтеза (используемого в термоядерных взрывных устройствах), носит управляемый характер.Управляемый термоядерный синтез отличается от традиционной ядерной энергетикитем, что в последней используется реакция распада, в ходе которой из тяжёлых ядер получаются более лёгкие ядра.

В основных ядерных реакциях, которые планируется использовать в целяхосуществления управляемого термоядерного синтеза, будут применяться дейтерий (2H) и тритий (3H), а в более отдалённой перспективе гелий-3 (3He) и бор-11 (11B).Управляемый термоядерный синтез может использовать различные виды термоядерныхреакций в зависимости от вида применяемого топлива. Самая легко осуществимая реакция дейтерий + тритий:2H + 3H = 4He + nпри энергетическом выходе 17,6 МэВ.

Такая реакция наиболее легко осуществима с точки зрения современных технологий, даёт значительный выход энергии, топливные компоненты дёшевы. Недостаток: выход нежелательной нейтронной радиации. Существенно сложнее осуществить реакцию дейтерий + гелий-3:2H + 3He = 4He +pпри энергетическом выходе 18,4 МэВ. Условия её достижения значительно сложнее. Гелий-3,кроме того, является редким и чрезвычайно дорогим изотопом. В промышленных масштабах внастоящее время не производится. Однако может быть получен из трития, получаемого в своюочередь на атомных электростанциях; или добыт на Луне.

Запасы гелия-3 на Земле составляютв атмосфере около 50 000 т и гораздо больше в литосфере, на Луне он находится в значительном количестве: до 10 млн тонн. В то же время его можно легко получать и на Земле из широкораспространённого в природе лития-6 на существующих ядерных реакторах деления.В настоящее время управляемый термоядерный синтез ещё не осуществлён в промышленных масштабах. Строительство международного экспериментального термоядерного реактора (ITER) находится в начальной стадии.Термоядерный ракетный двигатель (ТЯРД) - перспективный ракетный двигатель длякосмических полётов, в котором для создания тяги предполагается использовать истечениепродуктов управляемой термоядерной реакции или рабочего тела, нагретого за счёт энергиитермоядерной реакции.В настоящее время предложены 2 варианта конструкции ТЯРД:- ТЯРД на основе термоядерного реактора с магнитным удержанием плазмы;- ТЯРД на основе систем инерционного синтеза (импульсный термоядерный реактор).Есть мнение, что ТЯРД на инерциально-импульсном принципе слишком громоздок из-заочень больших циркулирующих в нем мощностей, при худшем, чем у ТЯРД с магнитнымудержанием, удельном импульсе и тяге, что вызвано импульсно-периодическим типом его действия.12.