Ядерные реакции. Деление ядер. Принципиальная схема работы реактора

51

Ядерные Реакции

ЯР:            прямая A+a=B+b (A,B - ядра)

                  в 2 этапа с обр-ем составного ядра X+a→Y→C+b (X-исходн ядро, Y-составное ядро, C-продукт распада) на 1 этапе налетающая частица застревает в ядре и ее Е передаются к-л нуклону, и равномерно распределяется между нимиÞни один нуклонов не получает Е достаточной для вылета

Сост. ядро – т.н. система возбужденых частиц, кот. соверш. неупор. дв-е (капельная модель)

В результате случайного перераспределения Е, и столкновений на одной из частиц концентрируется достат кол-во Е для вылета из ядра.

Выделение Е при ЯР:                 Р. деления тяжелых ядер           

                                                      Р. синтеза тяжелых ядер

Тяжелое ядро возбуждено при захвате n⁰ делится на 2 равные части

ТЯ неустойчивы потому что содержат большое кол-во р⁺.

Кол-во выделеной энергии:

Условие деления:  (начиная с серебра)

Критический параметр деления(неустойчивые ядра)

Если (от 17 до 49) – самопроизвольное (спонтанное) деление ядер (с проявл. тунельн. эфф.)

Осколки деления перегружены n⁰ , кот. могут быт испущеными – n-деления:

                  мгновен

                  запаздыв

Мгнов n⁰ вызывают в соседних ядрах реакции деления – цепная (k>1)

-коэф размнож n⁰. k=1 – управл реакция

(преодаление потенц барьера)Þтермояд р. синтеза: происх в вещ-ве кот находится в плазменном состоянии. Термояд р. могут протекать циклами

pp – превращение ядер H в ядра He

CN – превращение ядер H в ядра He с использованием C в качестве катализатора

Для осуществл р. необх выполнение критерия Лоусона: nτ>10¹⁴ с/см³ , где n-концентрация частиц; τ-время их удержания в плазме.

ЯР-превращение ядер при взаимодействии с частицами или др с др.

Для осущ ЯР необх ядра (частицы) на r~10¹³см, энергия налетающей частицы должна быть больше высоты потенц барьера ядер (~мЭв)

Для  «-» заряженных частиц, n⁰,α-част, потенц барьер отсутствует.

ЯР записывается в виде: A(a,b,c,d)B; где А-ядро мишени, a-бомбордирующая частица, B-остаточное ядро, b,c,d-испускаемые частицы.

ЯР подчиняется з-ну сохр эн – q, барион, Е, .

ЯР могут протекать с выделением и поглощением Е.

Деление ядер – деление ядер на несколько более легких ядер (осколков), обычно на 2 равных.

Для него необх, чтобы затрат определ Е на преодаление потенц барьера. Эту Е можно получить извне (при захвате n⁰), или при тунельном просачивании – спонтанное деление.

Разница в массах тяжелых ядер и суммы осколков соответств Е, кот. выделяется при делении.Осколки быстро торммозятся в среде, вызывая повышение температуры, ионизацию.

Осколки деления обр-ся в возбужденом состоянии. Даже пониж-е их Е в рез испускания ими n⁰.

Для тяжелых элементов n-велико (>1)Þвозможно $ цепной реакции – осколки перегружены n⁰, и радиактивны.

Запаздывание n⁰ – т.н. эмиссия n⁰ из возбужденного ядра, запаздывает по отношению к моменту деления.

Капельная модель ядра – ядро представляется в виде капли с эл. зарядом, несжимемое, жидкое. На нуклоны действуют ядерные силы – притяжения и эл/стат – отталкивания, кот. уравновешивают друг друга. Если ядро деформировать то возникают силы (~ поверхн. натяж.), кот. стремятся вернуть ядро в первоначальное состояние.

Термо Ядерная Реакция Синтеза – процесс слияния легких ядер, кот. происх с выдел Е, при ­t, в регулир (управляемых) условиях.

Для осущ р. синтеза ядра должны быть сбижены на расстояние r~10¹¹см, после чего за счет тунельного эф., происходит процесс слияния.

Для предаления потенц. барьера необх Е, кот. соответствует T=10⁸ K. С ­Z нуклоны отталкиваются сильнееÞt­.

Слияние может произойти при меньшей t:

1.  $ тунельного эфекта

2.  совокупность ат. ядер имеет Максвеловское распределение по υ. Ядра с Е из обл «хвоста» могут слится.

υ_н – навероятнейшая, υ_ср – средняя

При нагреве вещества до t~10⁶К оно переходит в состояние плазмы (электроно-ядерный газ в сильно ионизированном состоянии).

Реактор – устройство, в кот. может протекать управляемая ТЯРС.

Для разогрева плазмы используьт сильные импульсные  эл разряды в газе. Если ч/з газовую смесь пропустить эл ток, то МП кот. образуется вокруг тока стремится сжать этот ток и плазма стягивается в узкий шнур. Этот эф. Самостягивания зар. частиц наз. пинч-эф. При некотором радиусе шнура устанавливается равновесие м/д давлением МП и газокинетическим давлением плазмы.

$ различные потери Е (тепловые, излучение, тормозное излучение).

Принципиальная схема работы реактора

В реактор вводится «топливо» - смесь трития и дейтерия, уже нагретая до необходимой t. Внутри реактора инжектируемые частицы сталкиваются м/д собой и происходит происходит их ядерное вз/д с выделением Е.

Часть Е теряется за счет ЭМИ плазмы и ухода некоторых непровз/д частиц.

η- коэфициент преобразования в эл. энергию, энергии, кот. выделяется в ЯР, ЭМИ и тепловой Е.

Ур-е баланса Е при стационарной работе реактора: [η(P₀+P_r+P_t)]₁=[(P_r+P_t)]₂

P₀-мощность ядерного энерговыделения

P_r-мощность потока излучения

P_t-энергетич. мощность ускользающих частиц

Если 1>2Þр. перестает расходовать Е и работает как ТЯ электростанция.

Из уравнения можно получить: nτ=f(T), где n-концентрация плазмы; τ-ср. вр. удержания частиц в реакторе.

Если велечины nτ, достигнутые в данной установке, располагаются выше кривой f(T), то система работает как генератор энергии.

При η=1/3 энергетически выгодна работа реактора в оптимальном режиме отвечает условиюЛоусона: nτ≥10¹⁴ см^-3с, T~10⁸K.

Критерий Лоусона – условие возникновения и протекания ТЯД.

Т.о. сооружение реактора должно: а) поддерживать плазменную конфигурацию в течении времени необходимого для протекания реакции; б) получение плазмы с T~10⁸K.

Здесь используется принцип магнитной термоизоляции плазмы (чтобы небыл диффузии частиц и теплоты). Заряженые частицы находясь в МП немогут свободно перемещатся ^ . Или можно «сжигать» ядерное горючее за очень малое время такое, что нагретое вещество неуспеет разлетется из зоны реакции. Поэтому используется вещ-во в малых дозах и высокой плотности.