Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика (1121281), страница 167
Текст из файла (страница 167)
Одновременно тепловым методом сшределялась средняя мощность реактора. За эго время всего было выработано энергии 9,79 ГВт .сут по измерениям нейтринным способом, гогда как тепловой метод дал близкое значение 9,64 ГВт сут (израсходованное топливо соответственно равно 9,41 и 9,27 кг). Принципиальное достоинство нейтринного метода заключается в том, что он не требует непосредственного контакта с делящимся веществом и может производиться дистанционно.
Весьма [Гл. Х!Н Нейтроны и деление атолсн х ядер 8 98. Термоядерная проблема 1. Энергия связи ядра, приходящаяся на один нуклон, если отвлечься от ее нерегулярных ко44ебаний, с возрастанием атомного номера сначала систематически возрас сае г, дос ги гает макси мума вблизи ядра железа, а затем начинает систематически убывать (см. рис, 120). Иными словами, слияние (или синтез) легких ядер и деление тяжелых приводя г, как правило, к более прочной связи между нуклонами. Отсюда следует, что при делении тяжелых ядер и при синтезе легких должна освобождаться энергия. О первом явлении и его использовании в ядерной энергетике уже говорилось в 3 94, 95.
При делении ядра лзо11 освобождается энергия, составляющая около 0.,85 МэВ на нуклон. Из реакций синтеза легких ядер особый интерес представляют две реакции: , л 4Не+ и+ 3,27 МэВ, + 1+ р+ 4,03 МзВ, (98Л) с1+ С вЂ” 4 4Не+ и + 17,59 МэВ (98.2) (см. 3 64, задача 2). Оуществует и много других экзотермических ядерных реакций синтеза, например эНе+ с1 — 4 Не+ р+ 18,3 МэВ, (98.3) о 14 + р э Не + зНе + 4 МэВ, (98.4) которые в перспективе могут быть использованы для решения обсуждаемой здесь термоядерной проблемы. Однако в настоящее время основное внимание уделяе гся реакции (98.2), а затем реакции (98.1), так как в них участвуют самые легкие ядра, благодаря чему облегчается получение и использование выделяющейся энергии.
На один нуклон в верхней ветви реакции сЫ (98.1) выделяется энергия (3,27/4) МзВ, в нижней (4,3/4) МзВ. Обе ветви реакции сЫ идут практически с одинаковой вероятностью. Поэтому в среднем в реакции сЫ на один нуклон выделяется энергия (1/2)(3,27с4+ + 4,03,с2) = 0,9 МэВ, т.е. примерно такая же, что и при одном акте деления тяжелого ядра.
В реакции Ж (98.2) выделяющаяся энергия на один нуклон составляет 17,59/5 3,52 МэВ. Однако в этой реакции только 3,52 МэВ приходятся на заряженные частицы 4Не, а 14,07 МэВ уносятся нейтронами. Энергия же заряженных частиц может быть преобразована в электрическую со значительно большим КПД, чем энергия нейтронов (см. п. 5). В реакции (98.3) на один нуклон освобождается энергия 3,66 МэВ, а в реакции (98.4) 0,57 МэВ. Продуктами этих реакций являются только нерадиоактивные заряженные частицы, что в энергетическом вероятно, что нейтринный метод окажется в будущем основным ис- точником информации о цепных реакциях, идущих в активной зоне ядерного реактора. й 98) Термолдернал проблема 655 отношении должно рассматриваться как их достоинство (см.
п. 5). Однако эти реакции труднее осуществить, а потому в дальнейшем они не будут рассматриваться. Таким образом, как и при делении тяжелых ядер, в реакциях синтеза легких освобождается энергия, в миллионы раз превосходящая тепло, получающееся при сжигании химического топлива (уголь, нефть и пр.). Однако получение этой энергии в макроскопических количествах, к величайшему сожалению, удалось пока только для военных целой в водородной бомбе, где реакции (98.1) и (98.2) осуществляются с огромной скоростью и сопровождаются чудовищным взрывом.
По этой причине они совершенно неуправляемы. Для использования энергии этих реакций в мирных целях необходимо придать им спокойный управляемый характер. Соответствующая проблема называется проблемой управляемого термолдгрного синтеза (УТС). Она усиленно разрвбагывается в СССР, США и других странах, начиная примерно с 1951 г. В СССР работы по УТС в основном ведутся в Институте атомной энергии нм.
И.В. Курчатова. Они были начаты под руководством Л.А. Арцимовича (1909 — 1973) и М.А. Леонтовича (1903 — 1981). Управляемый термоядерный синтез еще не осуществлен, хотя ученые и надеются получить его к концу насгоящего или в начале следующего столетия. Детальное рассмотрение этой проблемы далеко выходит за рамки этой книги.
Мы можем дать о ней только общее и поверхностное представление. 2. Обе реакции (93.1) и (93.9) происходят с положительно заряженными ядрами, между которыми действуют кулоновские силы отталкивания. Для возможности проведения обеих реакций взаимодействующим ядрам должна быть сообщена кинетическая энергия, достаточная для сближения их на расстояние порядка 10 и см. Только после этого с заметной вероятностью начнется процесс слияния ядер за счет туннельного эффекта. С увеличением зарядового числа а кулоновский барьер между сближающимисв ядрами возрастает пропорционально произведению зарядов обоих ядер.
Осуществить слияние ядер тгм легче, чем меньше а. Вот почему выбираются ядра дейтерия и трития, для которых число а = 1, т.е. минимально. Можно осуществить реакции слияния легких ядер, ускоряя на ускорителе ядра одного изотопа и бомбардируя ими мишени из изотопа того же или другого элемента.
Однако такой метод применим и действительно применяется для изучения ядерных реакций, а также для получения нейтронов. Но он совершенно не годится для получения ядерной энергии в промьшшенных масштабах., если даже воспользоваться весьма сильногочным ускорителем. Дело в том, что эффективные сечения ядерных реакций, хотя и быстро возрастают с увеличением относительной скорости сшлкивающихся ядер, но даже в оптимальных условиях несравненно меньше эффективных сечений атомных столкновений.
При столкновениях кинетическая энергия ускоренных ядер быстро растрачивается на ионизацию и возбуждение атомов мишени. Оставшейся энергии ускоренного ядра в подавляющем большинстве случаев Нейтроны и деление атомн х ядер [Гл. Х!Н совершенно недостаточно для его слияния с ядром мишени. В результате почти все столкновения ядер не будут завершаться ядерными реакциями.
Полученная таким путем ядерная энергия будет ничтожна по сравнению с энергией, которую надо затратить для осуществления ускорения ядер с помощью ускорителей. Поэтому процессы ионизации и возбуждения атомов мишени не должны происходить. А это имеет место только в уже полноспеью ионизованной плазме, нагретой до весьма высокой температуры— порядка 10 кэВ (10з К). Вот почему проблема получения энергии в промышленных масштабах в управляемых реакциях синтеза ядер легких элементов получила название термоядерной проблемы.
В своей основе она прежде всего опирается на физику плазмы на получение, изучение и управление этим состоянием вещества. Физика же плазмы ныне составляет самостоятельный и весьма обширный отдел физики. Его изложение не входит в цели настоящего руководства. По этой причине мы можем дать только общее представление о термоядерной проблеме. 3. Дейтерий аН (иначе обозначаемый через О) — стабильный изотоп водорода.
Он встречается в воде в виде молекул ОзО и НРО. В естественной воде по числу атомов содержится примерно 0,015% дсйтерия. Значит, в 18 г воды содержится дел 0,00015 9 . 10ез, а в 1 г около 5 10~~ атомов дсйтерия, содержащих около 10ш нуклонов.
Так как на один нуклон в реакции е!6 освобождается около 0,9 МэВ энергии, то за счет этой реакции в 1 г воды может выделиться энергия 10ш. 0,9 = 9. 10'т МэВ = 1,5 10е Дж. По сравнению с энергией химического топлива это громадная величина. Например, удельная теплота сгорания каменного угля составляет около 3,5 10т Дж/кг (не учитывая кислорода). Таким образом, 250 г воды в энергетическом отношении эквивалентны примерно 1 кг каменного угля. Масса воды в океанах Земли составляет примерно 1,45 10сл кг.
По содержанию энергии это эквивалентно 6 10м кг = 6 10~э т каменного угля. Это составляет 10 'з массы всей Земли (около 6. 10ьч т). Таким образом, дейтерий, содержащийся в океанах, является практически неисчерпаемым источником энергии, которой хватило бы на сотни миллионов лет. Тритий зН (иное обозначение Т) радиоактивный изотоп водорода с периодом полураспада Т,~з = 12,3 года. Тритий образуется в небольших количествах в атмосфере под действием космических лучей (пригиерно 1000 — 2000 атомов Т на 1 м~ поверхности Земли в 1 с). Получающийся таким образом тритий соединяется с кислородом воздуха, образуя сверхтяжелую воду, но из-за распада зН такая вода не накапливается. В природной воде содержится всего около 10 ' атомов трития по отношению к числу атомов водорода.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
