ДЕЛЕНИЕ. Рождение и жизнь атомных ядер. Энергетика

Транскрипт

1 Микромир и Вселенная 2017

2 ДЕЛЕНИЕ Рождение и жизнь атомных ядер. Энергетика 2

3 N-Z диаграмма атомных ядер α-распад β+ распад β- распад деление

4 СЛИЯНИЕ Удельная энергия связи ядра ε(a,z) 0,8 0,6 ДЕЛЕНИЕ 0,4 0, Массовое число А 4

5 СЛИЯНИЕ Удельная энергия связи ядра ε(a,z) 0,2 0,4 0,6 0,8 ДЕЛЕНИЕ Массовое число А 5

6 Механика Химия Микромир и Вселенная 6

7 Ядерная физика Энергия связи ядра W(A,Z) 2 M ( A, Z) c W ( A, Z) p 2 ( ) 2 n Z m c A Z m c Микромир и Вселенная 7

8 Деление ядер 1939 г. Л. Мейтнер и О. Фриш объяснение процесса деления урана под действием нейтронов. E E пов кул E E 2 2 пов(1 ) кул(1 ) 5

9 Формула Бете-Вайцзеккера 23 ZZ ( 1) W( A, Z) А А 13 A Деление ядра (A, Z) на два равных осколка 2(A/2, Z/2) (A, Z) 2(A/2, Z/2) A 2Z 2 A α 15.6 МэВ, 17.2 МэВ, 0.72 МэВ, 23.6 МэВ. Q = M(A, Z) 2M(A/2, Z/2) = 2W(A/2, Z/2) W(A, Z) Микромир и Вселенная 9

10 Параметр делимости Н. Бор и Дж. Уиллер дали количественную интерпретацию деления ядра, введя параметр деления. Я. Френкель развил капельную теорию деления ядер медленными нейтронами. Микромир и Вселенная 10

11 Барьер деления Микромир и Вселенная 11

12 Барьер деления Энергия возбуждения E : E H (тепловые нейтроны) Если высота барьера меньше энергии отделения нейтрона B n H Z 2 /A Элемент H (МэВ) T 1/2 (медленные нейтроны) 32 79Au - 82 Pb Th - 92 U лет Hs c 1939 г. К. Петржак и Г. Флеров открыли спонтанное деление ядер урана 235 U. Микромир и Вселенная 12

13 Массовое распределение осколков деления n U U Sr Xe 2n. Осколки деления образуются в широком диапазоне A и Z A A л т 2 Z 2 3 Z 3 л,. Микромир и Вселенная т 13

14 Массовое распределение осколков деления 14

15 Микромир и Вселенная 15

16 Нейтроны деления 1939 г. Л. Мейтнер и О. Фриш объяснение процесса деления урана под действием нейтронов. Вторичные нейтроны 16

17 Нейтроны деления Спектр нейтронов деления Микромир и Вселенная 17

18 Продукты распада Энергия деления, МэВ Кинетическая энергия осколков 167 Мгновенные нейтроны 5 Электроны -распада 5 Антинейтрино -распада 10 Мгновенное -излучение 7 -излучение продуктов распада 6 Полная энергия деления 200

19 Цепная реакция 1913 г. Макс Боденштейн. Неразветвленная цепная реакция Микромир и Вселенная 19

20 Цепная реакция 1928 г. Н.Н. Семенов. Разветвленная цепная реакция Микромир и Вселенная 20

21 Микромир и Вселенная 21

22 Изотопы U 235 U 0,72% 238 U 99,28% 8 T1/ 2 7, 0 10 лет, 9 T1/ 2 4, 5 10 лет,

23 Реакции (n,f), (n, ) на 235 U, 238 U 235 U 238 U При столкновении нейтрона с тяжелым ядром возможен радиационный захват нейтрона реакция ( n, ). Этот процесс будет конкурировать с делением и, следовательно, уменьшать коэффициент размножения. Вероятность деления для моноэнергетических нейтронов определяется соотношением nf nf n Микромир и Вселенная 23

24 Цепная реакция деления на тепловых нейтронах 24

25 Формула четырех сомножителей K p f число быстрых нейтронов, образующихся на 1 акт деления. p вероятность избежать резонансного захвата ядрами 238 U в процессе замедления нейтрона. f вероятность поглощения теплового нейтрона ядром горючего, а не замедлителя. коэффициент размножения на быстрых нейтронах. Микромир и Вселенная 25

26 Схема гетерогенного теплового реактора Активная зона (выделение энергии): замедлитель, тепловыделяющие элементы (твэлы). Расстояние между твелами не должно превышать суммарную длину замедления и диффузии нейтронов. стержни регулирования мощности реактора и аварийной защиты Активная зона реактора окружается отражателем.

27 Обнинск 1954 Активная зона Диаметр = 1.5 м Высота = 1.7 м Графитовый замедлитель Горючее 130 твелов 550 кг обогащенного 235 U - 5% Мощность реактора 5 Мвт делений с

28 Схема работы АЭС Микромир и Вселенная 28

29 Ядерное топливо Природный уран: 0,72% 235 U Работа реактора: 4-5% 235 U Газовые центрифуги (65%) Газовые диффузоры (35%) Закисьокись урана U 3 O 8 Мировые мощности по разделению изотопов Россия 50%, США 15%, Франция 6% Европа (Германия-Великобритания- Бельгия) 26% Остальные не более 3%. Тетрафторид урана UF 4 Микромир и Вселенная 29

30 Ростовская АЭС ТВЭЛ Микромир и Вселенная 30

31 Атомные реакторы Рождение и жизнь атомных ядер. Энергетика 31

32 Воспроизводство ядерного горючего n U U, 23мин Np, 2.4 дня, 2,4 10 лет Pu 4 94 n Th Th, 22 мин Ра, 27 дней U 5, 1,5 10 лет 92 Эти две реакции открывают возможность воспроизводства ядерного горючего в процессе цепной реакции.

33 Ядерный взрыв Для осуществления ядерного взрыва в результате цепной реакции деления необходимо, чтобы масса делящегося вещества (урана-235, плутония-239 и др.) превышала критическую (50 кг для 235 U и 11 кг для 239 Pu). До взрыва система должна быть подкритической. Ядерный взрыв развивается за счёт экспоненциально растущего со временем числа разделившихся ядер: N () t t N e Среднее время между двумя последовательными актами деления 10 8 с. Время полного деления 1 кг ядерной взрывчатки с. В результате большого энерговыделения в центре ядерной бомбы температура поднимается до 10 8 К, а давление до атм. При полном делении 1 кг урана выделяется энергия равная энерговыделению при взрыве 20 килотонн тротила. 0

34 Ядерный взрыв N() t t / N0e Образование критической массы Начало взрыва Образование критической массы Начало взрыва Зависимость от времени числа нейтронов при ядерном взрыве. Зависимость от времени энергии ядерного взрыва.

35 Критическая масса

36 Термоядерный взрыв 2 Н + 3 Н 4 He + n МэВ 2 Н + 2 Н 3 He + n МэВ 2 Н + 2 Н 3 Н + p МэВ 3 He + 2 Н 4 He + p МэВ 6 Li + n 3 Н + 4 He МэВ

37 Двухступенчатый ядерный взрыв

38 Американское испытание термоядерной бомбы Атолл Бикини ( ) Распределение энергии термоядерного взрыва

39 Царь-бомба (100 Мт)