Савельев - Курс общей физики Том 3 - Оптика, Атомная физика, элементарные частицы (934757), страница 75
Текст из файла (страница 75)
влекаются из реактора и найравляются на химическук переработку для выделения из них Ри. Баланс нейтронов в реакторе, работающем на природном уране, показан на рис. 26!. Цифры в кружках дают массовое число соответствующего изотопа урана. Применение ядерной энергии для мирных целей было впервые осуществлено в СССР. Работами по выделению и использованию ядерной энергии руководил замечательный ученый И. В. Курчатов.
В 1954 г. в Советском Союзе была введена в эксплуатацию первая атомная электростанцияя мощностью 5000 квт. Схема атомной электростанции изображена У на рис. 262. Энергия, выделяемая в актив- Рис. 262. иой зоне реактора 1, снимается теплоносителем, циркулирующим в контуре 2. Циркуляция обеспечивается насосом 3.
В качестве теплоносителя применяется вода нли щелочные металлы с низкой температурой плавления, например натрий (Т а~ ~ = 98'С). В теплообменнике 4 теплоноситель отдает свое тепло воде, превращая ее в пар, вращающий турбину б. Наряду с реакторами, в которых ядерное горючее и замедлитель отделены друг от друга (их называют г етероге и вы ми), существуют гомогенные реакторы, в которых ядерное горючее равномерно распреде. лено по объему замедлнтеля. В качестве примера можно указать реактор, активная зона которого образована тяжелой водой с растворенными в ней солями ~ум или Рц'м. Реакторы с замедлителем работают на медленных (тепловых) нейтронах. Использовав горючее, обогащенное делящимся изотопом (1Ум или Рпх'~), можно 4т1 построить реактор, действующий на быстрых нейтронах. Часть нейтронов в таких реакторах также может быть использована для превращения 1Ум в Рп"' илн Тп'м в 1Р'з, 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 кт о р а м и-р а з м н о ж и т е л я м и. В заключение отметим, что побочными продуктами работы ядерных реакторов являются радиоактивные изотопы многих химических элементов, которые находят разнообразные применения в биологии, медицине нтехнике. ф 93. Термоядерные реакции В $88 мы уже отмечали, что ядерный синтез, т. е. слияние легких ядер в одно ядро, сопровождается, как и деление тяжелых ядер, выделением огромных количеств энергии. Поскольку для синтеза ядер необходимы высокие температуры, этот процесс называется терм оя дер ной реа кц и ей. Чтобы преодолеть потенциальный барьер, обусловленный кулоновским отталкиванием, ядра с порядковыми номерами Е~ н Лз должны обладать энергией: Я~хм Э г„ где г„— радиус действия ядерных сил, равный 2 1О 'з см.
Даже для самых легких ядер с 2~ = Ез = = 1 эта энергия составляет е- — — '— =-,— ~.~ь ~о р* от и з (4,З 7а-'9 2 Ш-Э На долю каждого сталкивающегося ядра приходится половина указанной величины. Средней энергии теплового движения, равной 0,35 Мэв, соответствует температура порядка 2-10"К. Однако синтез легких ядер может протекать н при значительно меньших температурах.
Дело в том, что нз-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 10т К Особенно благоприятны условия для синтеза ядер дейтерия и трития, так как реакция между ними носит резонансный характер. Именно этн вещества образуют заряд водородной (или термоядерной) бомб ы '). Запалом в такой бомбе служит обычная атомная 'бомба, при взрыве которой возникает температура порядка 10т К. Реакция синтеза дейтерия и трития ~Не+,Нз-~гНез+ а сопровождается выделением энергии, равной !7,6 Мэв, что составляет -3,5 Мзв 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 н звезд, температура в недрах которых достигает 10т — 10з'К. Этот синтез осуществляется двумя путями. При более низких температурах имеет место протонно-протопи ый цикл, протекающий следующим образом. Вначале происходит синтез двух протонов с образованием ядра гелия гНег, которое сразу же претерпевает 6+-радиоактивный распад: ,Н'+,Н' — гНег — э ~Не+ е+ + т. Образовавшееся ядро тяжелого водорода ~Нг, сталкиваясь с протоном, объединяется с ним в ядро гНев.
,Н +,Н' Нег+ у Наконец, последнее звено цикла образует реакция: гНез+ гНе — гНе +,Н'+,Н'. При более высоких температурах большей вероятностью обладает предложенный Г. Бете углеродный ') Первый термоядерный взрыв был осуществлен в Советском Союзе в 1%3 г. (или угле р одно азотный) цикл, которь!й состоит из следующих звеньев: С!а+ Н! + Я!3 й1!з .4С!з+ е+ + т, ,С' +,Н вЂ” Ы!4+ у (ам+,Н! О' +у, ,О" !!ч +е++т, !!ч !'+,Н' -~ „О!~,С" +,Не'. В последней строке зо!4 представляет собой составное ядро 1см.
уравнение (91.2)]. Итогом углеродного цикла является исчезновение четырех протонов и образование одной а-частицы. Количество ядер углерода остается неизменным; зти ядра участо вуют в реакции в роли катали- ® , , ~ затора. Углеродный цикл преобла- дает в звездах с более высокой и температурой. Большая часть ввергни Солнца выделяется в результате протонно-протонного цикла. В водородной бомбе термо- ядерная реакция носит неконтролируемый характер. Для осуществления у п р а вляемых термоядерных реа кци й необходимо создать и поддерживать в некотором объеме температуру порядка 10"К.
При столь высокой температуре вещество представляет собой полностью ионнзированную п л а з м у 1см. т. Н, $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 остываиию. Кроме того, стенка из любого вещества прп такой температуре немедленно испарится. Советские физики А. Д. Сахаров и И. Е. Тамм предложили удерживать плазму в заданном объеме с помощью магнитного поля. Высокую температуру в плазме получают, пропуская через нее очень силь- 474 ный электрический ток.
П1агннтное поле этого тока ежи. мает разрядный канал, отрывая плазменный шнур от стенок сосуда '). Действительно, как следует из рис. 2бЗ, лоренцева сила гь, действующая на любой, движущийся вдоль плазменного 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. Достигнутые таким путем температуры (- !оа'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 н США. В СССР значительных успехов достигла группа ученых, работающих под руководством Л. Л. Лрцнмовича. ') Яалепие сжатия плазменного шнура магнитным полем носат название панч-аффекта.
ГЛАВА ХЧ ЭД ЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ 9 94. Космические лучи Из мирового пространства на Землю непрерывно падает поток атомных ядер (в основном протонов) высокой энергии (в среднем 10 Гэв, энергия отдельных частиц достигает 1Ою Гав')). Эти так называемые не рвичные 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(сма.
сел. Поток заряженных частиц на уровне моря равен в среднем 2.!0-э частиц/слээ сел. Существование магнитного поля Земли приводит к тому, что интенсивность космических лучей меняется с широтой. Это явление называется ш иротны и 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 км космические лучи практически полностью носят вторичный характер.
В составе вторичных космических лучей имеются дне компоненты. Одна из них сильно поглощается свинцом и поэтому была названа и я гк о й; вторая же проникает через большие толщи свинца и получила название жесткой. Мягкая компонента состоит из к а с к а до в или л и вн е й электронно-позитронных пар (см. 5 97). Возникший ') 1 Гэв (гнгаэлектрои-вольт) )вэ эв. Эту елнвину называют также Бэв (биллион электрон-вольт). 476 в результате ядерного превращения нлн резкого торможения быстрого электрона у-фотон, пролетая вблизи атомного ядра, создает электронно-позитронную пару (рис.
264). Торможение этих частиц снова приводит к образованию у-фотонов, и т. д. Процессы рождения пар н возникновения у-квантов чередуются друг с дру гом 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 нз мюонов.
Ее образование происходит преимущественно в верхних и средних слоях атмосферы за счет у распада заряженных и-мезонов (и от- гу )(г'~ ~г' части К-мезонов). Во время полетов искусственных ~ 7 7' Р спутников Земли и космических ракет были открыты вблизи Земли -радиац и о н н ые пояса, которые пред- Рак За4. ставляют собой две окружающие Землю зоны с .резко повышенной интенсивностью ионизи* рующего излучения. Их существование обусловлено захватом и удержанием заряженных космических частиц магнитным полем Земли.
В плоскости экватора внутренний пояс радиации простирается от 600 до 6000 км, внешний пояс — от 20000 до 60000 км. На широтах 60 — 70' оба пояса приближаются к Земле на расстояние в несколько сот километров. До недавнего времени космическое излучение было единственным источником частиц с энергией, достаточной для образования мезонов и гиперонов. Позитрон, мюоны, и-мезоны и многие странные частицы (см. $99) были первоначально обнаружены в составе космических лучей. В 1952 г. в Врукхавене (СШЛ) был введен в действие первйй синхрофазотрон (см. т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
