physics_saveliev_3 (535941), страница 76
Текст из файла (страница 76)
Наряду с реакторами, в которых ядерное горючее и замедлитель отделены друг от друга (их называют г етерогенными), существуют гомогенные реакторы, в которых ядерное горючее равномерно распределено по объему замедлителя. В качестве примера можно указать реактор, активная зона которого образована тяжелой водои с растворенными в ней солями Цзз' илн Рцзм Реакторы с замедлителем работают на медленных (тепловых) нейтронах. Использовав горючее, обогащенное делящимся изотопом ((1зм или Рнхм), можно 4У! построить реактор, действующий на быстрых нейтронах. Часть нейтронов в таких реакторах также может быть использована для превращения 1У~ в Рцз" или Т11зм в Бхз', причем количество образующихся ядер, способных делиться тепловыми нейтронами, может превосходить количество делящихся ядер, израсходованных на поддержание работы реактора. Следовательно, воспроизводится большее количество ядерного горючего, чем выгорает в реакторе.
Поэтому такие ядерные реакторы называют р е а к т о р а м и-р а з м н о ж н т е л я м н. В заключение отметим, что побочными продуктами работы ядерных реакторов являются радиоактивные изотопы многих химических элементов, которые находят разнообразные применения в биологии, медицине и технике. 5 93. Термоядерные реакции В $88 мы уже отмечали, что ядерный синтез, т. е. слияние легких ядер в одно ядро, сопровождается, как н деление тяжелых ядер, выделением огромных количеств энергии.
Поскольку для синтеза ядер необходимы высокие температуры, этот процесс называется т е р и оядер ной реакцией. Чтобы преодолеть потенциальный барьер, обусловленный кулоновскнм отталкиванием, ядра с порядковыми номерами 2~ и Еэ должны обладать энергией: х~хре' Е= —, Гд где г,— радиус действия ядерных сил, равный -2 10" см. Даже для самых легких ядер с 2~ = Ез = = ! эта энергия составляет Е = — = ' = 1,15 1О эра = 0,7 Мэв. е~ (4,8 1О 1 -4 гц 21813 На долю каждого сталкивающегося ядра приходится половина указанной величины. Средней энергии теплового движения, равной 0,35 Мэв, соответствует температура порядка 2 10э'К.
Однако синтез легких ядер может протекать н при значительно меньших температурах. Дело в том, что из-за случайного распределения частиц по скоростям всегда имеется некоторое число ядер, энергия которых значительно превышает среднее значение. 472 Кроме того, что особенно существенно, слияние ядер может произойти вследствие туннельного эффекта.
Поэтому некоторые термоядерные реакции протекают с заметной интенсивностью уже при температурах порядка 10" К. Особенно благоприятны условия для синтеза ядер дейтерия и, трития, так как реакция между ними носит резонансный характер. Именно эти вещества образуют заряд водородной (или термоядерной) бомб ы'), Запалом в такой бомбе служит обычная атомная бомба, прн взрыве которой возникает температура порядка 1О''К, Реакция синтеза дейтерия и трития ~Не + ~Нз -э зНе4 + п сопровождается выделением энергии, равной 17,6 Мэв, что составляет 3,5 Мэв на нуклон. Для сравнения укажем, что деление ядра урана приводит к высвобождению 0,85 Мзв на нуклон.
Синтез ядер водорода в ядра гелия является источником энергии Солнца и звезд, температура в недрах которых достигает 10т — 1О"К. Этот синтез осуществляется двумя путями. При более низких температурах имеет место протонно-яр от о нный цикл, протекающий следующим образом. Вначале происходит синтез двух протонов с образованием ядра гелия зНе', которое сразу же претерпевает р'-радиоактивный распад: ,Н'+ зН'-эзНе' — э ~Не+ а++в.
Образовавшееся ядро тяжелого водорода ~Нз, сталкиваясь с протоном, объединяется с ним в ядро зНе'. ,Нз+,Н'-этНез+ У. Наконец, последнее звено цикла образует реакция: зНез+ тНе'-э,Не'+,Н'+,Н'. При более высоких температурах большей вероятностью обладает предложенный Г. Бете углеродный '1 Первый термоядерный взрыв был осуществлен в Советском Созззе в !%3 г. (или угл сродно-азотный) цикл, который состоит из следующих звеньев: С!з+,Н1-+,й(13+ у, !!!1з С'з -(- е" -!- т ,С" +,Н'- Х!4+ у ь!14 !,Н! > О!5 ! ., 401" — Ы" + е+ + т, !!(14+,Н'- „0",С" +,Не'. В последней строке 4014 представляет собой составное ядро (см. уравнение (9!.2)). Итогом углеродного цикла является исчезновение четырех протонов и образование одной а-частицы.
Количество ядер углерода остается неизменным; этн ядра участ- 44 вуют в реакции в роли катали- ®. 2 затора. Углеродный цикл преобла- дает в звездах с более высокой и Я температурой. Большая часть энергии Солнца выделяется в результате протонпо-протонного цикла. В водородной бомбе термо- ядерная реакция носит неконтролируемый характер.
Для осуществления у п р а знаемых термоядерных реакций необходимо создать и поддерживать в некотором объеме температуру порядка !О''К, При столь высокой температуре вещество представляет собой полностью ионизированную пл а з м у !ем. т. 11, 5 88). На пути осуществления управляемой термоядерной реакции стоят огромные трудности. Наряду с необходимостью получить чрезвычайно высокие температуры, возникает проблема удержания плазмы в заданном объеме.
Соприкосновение плазмы со стенками сосуда приведет к ее остыванию. Кроме того, стенка из л!обого вещества при такой температуре немедленно испарится. Советские физики А. Д. Сахаров н И. Е. Тамм предложили удерживать плазму в заданном объеме с помощью магнитного поля. Высокую температуру в плазме получают, пропуская через нее очень силь4тч ный электрический ток. Магнитное поле этого тока сжи.
мает разрядный канал, отрывая плазменный шнур от стенок сосуда '). Действительно, как следует из рис. 263, лорепцева сила )ы действующая на любой, движущийся вдоль плазменвого шнура заряд, имеет направление к оси шнура. Чтобы избежать необходимости удерживать плазму от соприкосновения с концами разрядной трубки, вместо прямой разрядной трубки применяют трубки в виде тороида. К сожалению, плазменный шнур оказался чрезвычайно неустойчивым, так что пока удается удерживать плазму от соприкосновения со стенками разрядной трубки в течение очень короткого времени. Лостигнутые таким путем температуры ( - !Ое'К) также недостаточны для возникновения реакции синтеза.
Осуществление управляемого термоядерного синтеза даст человечеству практически неисчерпаемый источник энергии. Поэтому работы по овладению управляемыми термоядерными реакциями ведутся во многих странах. Особенного размаха эти работы достигли в СССР, Англии и США.
В СССР значительных успехов достигла группа ученых, работающих под руководством Л. А. Арцимовича. ') явление сжатии плазменного шнура магнитным полем носит название пиит-аффекта. гллвл хч ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ 9 94. Космические лучи Из мирового пространства на Землю непрерывно падает поток атомных ядер (в основном протонов) высокой энергии (в среднем 10 Гэа, энергия отдельных частиц достигает 1Ою Гэв ')). Эти так называемые п е рвнчные космические лучи образуют в земной атмосфере вторичное излучение, в котором встречаются все известные в настоящее время элементарные частицы.
Интенсивность первичных космических лучей на границе атмосферы составляет примерно 1 частицу)см'сел. Поток заряженных частиц на уровне моря равен в среднем ' 2 ° 10-э частиц)смэ ° сек. Существование магнитного поля Земли приводит к тому, что интенсивность космических лучей меняется с широтой. Это явление называется широтны м эффектом, Частицы первичных космических лучей претерпевают неупругие столкновения с ядрами атомов в верхних слоях атмосферы, в результате чего возникает вторичное излучение. На высотах ниже 20 кле космические лучи практически полностью носят вторичный характер.
В составе вторичных космических лучей имеются две компоненты. Одна из них сильно поглощается свинцом и поэтому была названа м я гк ой; вторая же проникает через большие толщи свинца и получила название жестко й. Мягкая компонента состоит из к а ока до в или л н вн е й электронно-позитронных пар (см. $97).
Возникший ~) ! Гэв (гнгаэлектрон-вольт) !Оэ эв. Эту единицу называют также Бэв (баланов электрон-вольт). 476 в результате ядерного превращения нли резкого торможения быстрого электрона у-фотон, пролетая вблизи атомного ядра, создает электронно-позитронную пару (рнс. 264). Торможение этих частиц снова приводит к образованию у-фотонов, и т. д. Процессы рождения пар и возникновения у-квантов чередуются друг с другом до тех пор, пока энергия у-фотонов не станет недостаточной для образования пар. Поскольку энергия первоначального фотона бывает очень большой, успевает возникнуть много поколений вторичных частиц, прежде чем прекращается развитие ливня. Жесткая, проникающая компонента космических лучей состоит в основном из мюонов.
Ее образование происходит преимущественна в верхних и средних слоях атмосферы за счет распада заряженных и-мезонов (и от- ~у )г"'л ~г' части К-мезонов). Во время полетов искусственных спутников Земли и космических ракет были открыты вблизи Земли р ад и а- цИ О Н Н ЫЕ ПО'я Са, КОтарЫЕ ПрЕд- Рве За4. ставляют собой две окружающие Землю зоны с резко повышенной интенсивностью ионизирующего излучения. Их существование обусловлено захватом и удержанием заряженных космических частиц магнитным полем Земли.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
