Трофимова Т.И. - Курс физики (1092345), страница 138
Текст из файла (страница 138)
да), располагающуюся за его отражателем, и пульт дистанционного управленя). Ядерные реакторы различаются: () по характеру основных материалов, находящихся в активной зоне (ядерное топливо, замедлитель, теллоноситель); в качестве делящихся и сырьевых веществ используютсн ззз!.! тзэРц ззз(! ззз() ззтПз ы ° ы ю эз за в качестве замедлителей — вода (обычная и тяжелая), графит, бериллий, органические жидкости и т.
д., в качестве теплоносителей — воздух, вода, водяной пар, Пе, СОэ и т. д.; 2) по характеру размещения ядерного топлива и замедхителя а активной зоне: гомогениые (оба вещества равномерно смешаны друг с доугом) и гетерогенные (оба вещества располагаются порознь в виде блоков); 3) по энергии нейтронов (реакторы на тепловых н быстрых нейтронах; я последних используются нейтроны деления и эамедлитель вообще отсутствует); 4) ло типу режима (нелрерывные н импульсные); 5) по назначению (энергетические, исследовательские, реакторы по производсгву новых делящихся материалов, радио.
активных изотопов и т. д.). В соответствии с рассмотренными признаками и образовались такие названия, как уран-графитовые, водо-водяные, графито-газовые н з. д. Среди ядерных реакторов особое место занимают энергетические реакторы-размножители. В них наряду с выработкой электроэнергии идет процесс воспроизводства ядерного горючего за счет реакции (265.2) нли (266.2).
Это означает, что и реакторе на естественном или слабообогащенном уране игпользуется не только изотоп эт(), но и изотоп э,(!. В настоящее ззз ззз время основой ядерной энергетики с воспроизводством горючего являются реакторы на быстрых нейтронах. Впервые ядерная энергия для мирных целей использована в СССР. В Обнинске под руководством Рй В. Курчатова ввелена в эксплуатацию ()954) первая атомная электростанция мощностью 5 МВт. Принцип работы атомной электростанции на водо-водяном реакторе приведен ча рис.
346. Урановые блоки ! погружены в воду 2, которая служит одновременно и замедлителем, и теплоносителем. Горя- И)н Ззе !38 ! л» и а Згд Э.кис>пы фи>н>и,»анна<а яирз чая вода (она находится под давлением и нагревается до 300 'С) из верхней части активной зоны реактора поступает через трубопровод 8 в парогенератор 4, где ояа испаряется и охлаждается, и возвращается через трубопровод б в реактор. Насьпценный пар б через трубопровод 7 поступает в паровую турбину 8, возврац!аясь п<>еле отработки через трубопровод 9 в парогенератар. Турбина вращает электриче.
скпй генератор /О, ток от которого поступает в электрическую сеть. Создание ядерных реактароп привела к промышленному применению илернай энергии. Энергетические запасы ядерного горючего в рудах примерно на два порядка превышают запасы химических видов топлива. Поэтому, если, как предполагается, основная доля электроэнергии будет вырабатываться иа АЭС, то это, с одной стороны, снизит стоимость электроэнергии, катаран сейчас сравнима с вырабатываемой на тепловых электростанциях, а с другой-- решит энергетическую проблему на несколько столетий и позволит использовать сжигаемые седчас нефть и газ в качестве цепного сыр ьи для химическая прачышленнастн.
В СССР помимо создания мощных АЭС (иапрвмер, Навоваранежскаи аб>цей м<ицнастью причерна !500 МВт, первой очереди 3!енииградской им. В. И. Ленина с двумя реакторами па !ООО МВт) большое внимание уделяется создании> небольших АЭС (750--1500 кВт), удобных для экспл)атацни в специфических усланиях, а также решению задач малой ядерной энергетики.
Тах, построены первые в мире передвижные АЭС, создан первый в мире реактор («Ра. машка»), в котором с помощью полупроводников происходит непосредственное преабра>авание тепланай энергии в электрическую (в активной зоне содержится 49 кг ~~~О, тепловая мощность реактора 40 кВт, злектрическая— 0,8 кВт), и т д.
Огромные возможности для развития атомная энергетики открынаютса с созданием реакторов-размножителей на быстрых нейтронах (брндерав), в которых выработка энергии са. проэаждаетск производством втаричнага горю. чего — плутании, чта позволит кардинальна ре. шить проблему обеспечения ядерным горючим. Как показывают опенки, ! т гранита содер кит примерно 3 г зтз(1 и !2 г ззэ>Т5 (именна ани используются в качестве сырья н реактарахразмнажнтелях), т.е. при потреблении энергии 5.
!О" МВт (на два порядка выше, чем сейчас! запасов урана и тария в граните хватит на !О' лет при перспективной ст >имасти ! кВт ч энергии 0,2 кап. Техника реакторов на быстрых нейтронах икхадптся в стадии пансков наилучших инженерных решений. Первая апы гна.прамышлеииан станпия тако<а типа мшцнастью 350 МВт пестра. сна н г.Шевченка на берегу Каспийского моря. Она используется для производства электроэнергии и опреснения порскай воды, обеспечивая задай город и прилегак>шнй район нефтедобычи с населением порядка !50 ООО человек.
Шевчен. конская АЭС наложила начала новая «атомная отрасли» вЂ” апргсненик> соленых вод, которая в связи с дефицитам пресноводных ресурсов во миа> их раианах мал<ег иметь большое зна <ение. !) 268. Реакция синтеза атомных ядер. Проблема упрдвляемык термоядерных РецкциВ Колоссальным источником энергии может служить реакция синтеза атомных ядер— образование из легких ядер более тяжелых.
Удельная энергия связи ядер (см. Рис. 342) резко увеличивается при переходе от ядер тяжелого водорода (дейтерии ",Н и трития ' Н) к литию >1л и осо- 3 ь бенно к гелию,>Не, т е. реакции синтеза легких ядер в более >яжслыг должны сопровождаться выделением Оплыл>ого количества энергии, и о лебгтвительно подтверждается расчетачи. В качестве примерон рассмотрим,>вакцин синтеза: ,1! (-,Н вЂ” >Н+>р (9=1,0 МэВ), ,Н+,Н- зНе-1 ап (Я.=З,З МэВ). ;Н+',Н->.,'Не+,',и Я==17,8 МэВ), (268.1) ',1л+',Н-,'Не+.,'Нг (С>=22,4 МэВ), где Π— энергавыделение. Реакции синге>а атомнык ядер обладают той особенностью, что в них энергия, выделяемая на один нуклон, значительно больше, чем в реакциях деления тяжелых ядер.
В самом деле, если при делении ядра ~чз!>' выделяется энергия примерно 200 МэВ, что составляет на один нуклон примерно 0,84 МэВ, то в реакции (268.1) 7 Ылом«нты физики »~очного одно и »1сиои~ожоо«.о ги г равна 17,6/5 МэВ— эта величина ж3,5 МэВ. Оценим ня примере реакции синтеза ядер дейтерия ',Н температуру ее протекания. Для соединения ялер дейтерия нх надо сблизить да расстояния 2 10' " м, равного радиусу действия ядерных сил, преодолевая при этом потенциальную энергию отталкивания е»7(4пеог)ж ж0,7 МэВ.
Так как на долю каждого сталкивающегося ядра приходится половина указанной энергии, то средней энергии теплового движения, равной 0,35 МэВ, соответствует температура, приблизительно равная 2,6 !О К. Следовательно, реакция синтеза ядер дейтерия может происходить лишь при температуре, на два порядка превышающей температуру центральных областей Солнца (примерно 1,3 ° 10' К!. Однако оказывается, что для протекания реакции синтеза атомных ядер достаточно температуры порядка !О' К. Это связано с двумя факторами: !) при температурах, характерных для реакций синтеза атомных ядер, любое вспгегтвп нахо. дится в состоянии плазмы, распределение частиц которой подчиняется закону Максвелла; поэтому всегда имеется некоторое число ядер, энергия которых значительно превышает среднее значение; 2) синтез ядер может происходить вследствие туннельного эффекта (см. 422!). Реакции синтеза легких атомных ядер в более тяжелые, происходящие при сверхвысоких температурах (примерно !0' К и выше), называются термоядерными реакцнямн.
Термоядерные реакции являются, повидимому, одним из источников энергии Солнца и звезд, В принципе высказаны два предположения о возможных способах протекания термоядерных реакций на Солнце: 1) протонно-протонный, или водородный, цикл, характерный для температур (примерно 1О' К): г о о Р+ Р Н++ ~о+от~, ,Н+~р- згНе+у, гНе+згНе — гНе -1- 2~Р. 2) углеродно-азотный, или углеродный, цикл, характерный для более высоких температур (примерно 2 !О' К); бС+ ~Р» 7)')+у ~з ~з а о гЧ оС++,а+ото 1г ~ ы оС+~Р— гг)+У, тг)+1Р— ' о!-!+ У 15 !Б о о »О» 7)(+ юе+оче тХ+,Р— 'оС+гНе.
В результате этого цикла четыре протона превращаются в ядро гелия и выделяется энергия, равная 26,7 МэВ. Ядра же углерода, число которых остается неизменным, участвуют в реакции в роли катализатора. Термоядерные реакции дают наибольший выход энергии на единицу массы «горючего», чем любые другие превращения, в том числе и деление тяжелых ядер. Например, количество дейтерия в стакане простой воды энергетически эквивалентно примерна 60 л бензина. Поэтому заманчива перспектива осуществления термоядерных реакций искусственным путем, Впервые искусственная термоядерная реакция осуществлена в СССР (1953), а затем (через полгода) в США в виде взрыва водородной (термоядерной) бомбы, являющегося неуправляемой реакцией, Взрывчатым веществом, в котором происходила реакция (268.1), является смесь дейтерия и трития, а запалом— «обычная» атомная бомба, при взрыве которой возникает необходимая для протекания термоядерной реакции температура.
Особый интерес представляет осуществление управляемой термоядерной реакции, для обеспечения которой необходимо создание и поддерживание в ограниченном объеме температуры порядка 10' К. Твк как при данной температуре термоядерное рабочее вещество представляет собой полностью нонизованную плазму (см, $ !081, возникает проблема ее эффективной термоизоляцин от стеион рабочего объема. На ланном этапе развития ~ в з .12 .1, сче!и, ач т»н а!< и!г~ о ч считается, что основной путь в этом на- правлении — зто удержание плазмы в ог- раниченном объеме сильными магнитными полями специальной формы.
' Дж. Лоусон (р 1923! — английский физик КОНТРОПЬНЫЕ ВОйРОСЫ Какие часгицы обоззуют ядро атома цинка? Скольно их? ° Атомное ядро «состгвили» из Аг свободнык иуклоноз (масса каждого иуклона равна ш) Чему равны масса и удельиаи энергия связи этого ядра? з Чем отличанггся изобары и изотопы? я Почему прочность ялер уменьшается при переходе к тяжелым элементам? и Как объяснвется сверхтоикан структура спектральных линийз я Как и во сколько раз изменится число ядер радиоактивного вещества за время, равное трем периодам полураспада? и Как 1по какому закояу) изменяется со времене»! активность нук.!ида? ° Как изменнтсн положение химического элемента в таблице Менлелеева после двух о.распадов ядер его атомов? после последовательных одного а.распада и днух (1 .распадов? и Как объясняется и-распад на основе представлений квантовой тссрии? ° Как обг,ясннется непрерынность энергетического спектра й-частиц? ° Изменится ли химическая природа элемента при испускании его ядром т-кванта? ° Какие явления сопровождают прохождение ?.излучения через вещество и в чем их суть? ° В чем суть эффекта Мессбауэра? Каковы его возможные применения? Ф Запишите схему е-захвата.
Что сопровождает е-захват? В чем его отличие от б»-распадов? я Чем объяснить выброс нейтрино (антинейтриио) при й — -распадах? я По каким признакам можно классифицировать ядерные реакции? ° Под действием каких частиц (и-частиц, нейтронов) ядерные реакции более эффективны? Почему? я Что представляет собой реакция деления ядер» Приведите примеры и Охарактеризуйте нейтроны деления Какие они бьшаютз я В результате какой реа циь про~ '.ходит превращение ядер '!?(а в ядра ~(!Рц? Каковы ее пер- спективыт ?!ачало широкого международного сотрудничества в области физики высокотемпературной плазмы и управляемого термоядерного синтеза положено в знаменитом докладе И.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
