Ядерные реакции

Ядерными реакциями называют процессы, в которых атомные ядра претерпевают превращения в результате их взаимодействия с элементарными  частицами и другими атомными ядрами. Эти процессы могут вызвать  глобальные изменения в атомных  ядрах. Большое число ядерных  реакций протекает с образованием промежуточного составного ядра, которое  отдает свою энергию возбуждения  путем эмиссии γ-квантов и переходит при этом в основное состояние конечного продукта. Следствием взаимодействия бомбардирующих частиц (ядер) с ядрами мишени может быть:

1) Упругое рассеяние, при  котором ни состав, ни внутренняя  энергия не меняются, а происходит  лишь перераспределение кинетической  энергии в соответствии с законом  внутреннего удара.

2) Неупругое рассеяние,  при котором состав взаимодействующих  ядер не меняется, но часть  кинетической энергии бомбардирующего  ядра расходуется на возбуждение  ядра мишени.

3) Собственно ядерная  реакция, в результате которой  меняются внутренние свойства  и состав взаимодействующих ядер.

Ядерная реакция характеризуется  тепловым эффектом, который представляет собой разность масс покоя вступающих в ядерную реакцию и образующихся в результате реакции ядер, выраженную в энергетических единицах, т.е. энергетический эффект ядерной реакции определяется в основном разницей дефектом масс конечных и исходных ядер. Если тепловой эффект положителен, то ядерная реакция  идет с выделением энергии и называется экзотермической. Если тепловой эффект отрицателен, то для осуществления  ядерной реакции энергия относительного движения вступающих в реакцию ядер должна быть не меньше теплового эффекта. При бомбардировке пучком частиц неподвижной мишени кинетическая энергия  бомбардирующих ядер должна быть не меньше пороговой энергии.

Процесс ядерной реакции  разбивается на 3 этапа.

1. Движение налетающей  частицы в "искажающем" (оптическом) потенциале ядра мишени.

2. Передача нуклонов под  действием остаточного взаимодействия

3. Движение вылетающей  частицы в поле конечного ядра.

Модели прямых ядерных  реакций использовались в основном для описания жесткой части энергетических спектров продуктов реакций, которая  связана с возбуждениями изолированных  состояний конечных ядер. Модели, использующие концепцию составного ядра претендовали на описание непрерывного спектра. Действительно, в спектрах вылетающих частиц при энергиях ускоряемых ионов, достижимых в обычных циклотронах, непосредственно за областью дискретных пиков начиналось характерное для

процесса испарения непрерывное  распределение. Однако по мере увеличения энергий ускоряемых ионов, в основном связанном со строительством изохронных циклотронов (Развитие ускорительной техники происходило так, что от циклотронов, ускоряющих, например, протоны до энергий ~10 Мэв

сразу перешли к ускорителям  на сотни МэВ; область десятков МэВ  долгое время была слабо исследована), увеличивалась область между  пиками, связанными с возбуждением дискретных состояний конечных ядер и испарительным распределением, которую не могли адекватно описать

существующие модели.

  В реакциях с тяжелыми ионами в 70-е годы в Дубне группой В.Волкова был открыт новый тип ядерных реакций - реакции глубоконеупругих передач. Специфика глубоконеупругих передач обусловлена качественными изменениями процесса взаимодействия двух сложных ядер по сравнению с

реакциями с легкими ионами. В основе этого взаимодействия лежат процессы формирования, эволюции и распада специфического ядерного комплекса - двойной ядерной системы. За счет кинетической энергии сталкивающиеся ядра проникают друг в друга, возрастает зона перекрытия их поверхностей. Из-за большой вязкости ядерной материи и соответственно из-за большого ядерного трения подавляющая часть кинетической энергии переходит в возбуждение системы, скорость относительного движения падает до нуля. Часть кинетической энергии переходит в энергию вращения ядер. Однако, несмотря на интенсивное взаимодействие, оболочечная структура обеспечивает ядрам сохранение их индивидуальности. В зоне обмена нуклоны переходят из одного ядра в другое, однако нуклоны

внутренних оболочек образуют довольно устойчивые коры, сохраняющие индивидуальность ядер. Эволюция системы происходит в направлении минимума потенциальной энергии системы, в процессе которой нуклоны от одного ядра оболочка за оболочкой передаются другому. Если кулоновские и

центробежные силы превосходят  силы притяжения, система будет распадаться. Однако, если результирующая сила невелика, распад будет происходить медленно и от ядра к ядру может быть передано значительное количество нуклонов. Более глубокое понимание механизма взаимодействия

двух сложных ядер помогает в поиске оптимальных способов синтеза  экзотических и сверхтяжелых ядер.

 

Термоядерная реакция

Реакция слияния легких ядер при очень высокой температуре, сопровождающаяся выделением энергии, называется термоядерной реакцией.

Для слияния необходимо, чтобы расстояние между ядрами приблизительно было равно 10-12 см. Однако этому препятствуют кулоновские силы. Они могут быть преодолены при большой кинетической энергии. Особенно большое практическое значение имеет тот факт, что при  этой реакции на каждый нуклон выделяется намного больше энергии, чем при  ядерной реакции, например, при синтезе  ядра гелия из ядер водорода выделяется энергия, равная 6 МэВ, а при делении  ядра урана  на один нуклон приходится »0,9 МэВ. 

Пример термоядерной реакции:

В этом случае выделяется энергия, равная 17,6 МэВ.

 

Управляемая термоядерная реакция  — энергетически выгодная реакция. Может идти при больших температурах (порядка несколько сотен млн. градусов). При большой плотности  вещества такая температура может  быть достигнута путем создания в  плазме мощных электронных разрядов. Проблема: трудно удержать плазму. Самоподдерживающиеся термоядерные реакции происходят в  звездах. В настоящее время в  России и ряде других стран ведутся  работы по осуществлению управляемой  термоядерной реакции.

ЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ, термоядерный синтез, реакция слияния легких атомных  ядер в более тяжелые ядра, происходящая при сверхвысокой температуре и  сопровождающаяся выделением огромных количеств энергии. Ядерный синтез – это реакция, обратная делению  атомов: в последней энергия выделяется за счет расщепления тяжелых ядер на более легкие.

Современные атомные станции, использующие процесс деления, лишь отчасти удовлетворяют мировые  потребности в электроэнергии. Топливом для них служат естественные радиоактивные  элементы уран и торий, распространенность и запасы которых в природе  весьма ограничены; поэтому для многих стран возникает проблема их импорта. Главным компонентом термоядерного  топлива является изотоп водорода дейтерий, который содержится в морской  воде. Запасы его общедоступны и  очень велики (мировой океан покрывает ~71% площади поверхности Земли, а  на долю дейтерия приходится ок. 0,016% общего числа атомов водорода, входящих в состав воды). Помимо доступности топлива, термоядерные источники энергии имеют следующие важные преимущества перед атомными станциями: 1) реактор УТС содержит гораздо меньше радиоактивных материалов, чем атомный реактор деления, и поэтому последствия случайного выброса радиоактивных продуктов менее опасны; 2) при термоядерных реакциях образуется меньше долгоживущих радиоактивных отходов; 3) УТС допускает прямое получение электроэнергии.

Термоядерные топлива. Реакции  с участием p, играющие основную роль в процессах ядерного синтеза  на Солнце и других гомогенных звездах, в земных условиях не представляют практического интереса, поскольку  имеют слишком малое сечение. Для осуществления термоядерного  синтеза на земле более подходящим видом топлива, как упоминалось  выше, является дейтерий.

Но наиболее вероятная  реакция реализуется в равнокомпонентной  смеси дейтерия и трития (DT-смесь). К сожалению, тритий радиоактивен и, ввиду короткого периода полураспада (T1/2 ~ 12,3 года) в природе практически  не встречается. Его получают искусственным  путем в реакторах деления, а  также как побочный продукт в  реакциях с дейтерием. Однако отсутствие в природе трития не является препятствием для использования DT – реакции  синтеза, т.к. тритий можно производить, облучая изотоп 6Li образующимися  при синтезе нейтронами: n + 6Li ® 4He + t.

 

Если окружить термоядерную камеру слоем 6Li (в природном литии  его содержится 7%), то можно осуществить  полное воспроизводство расходуемого трития. И хотя на практике часть  нейтронов неизбежно теряется, их потерю легко восполнить, вводя в  оболочку такой элемент, как бериллий, ядро которого, при попадании в  него одного быстрого нейтрона, испускает  два.

Принцип действия термоядерного  реактора. Реакция слияния легких ядер, цель которой – получение полезной энергии – называется управляемым термоядерным синтезом. Осуществляется он при температурах порядка сотен миллионов кельвинов. Такой процесс реализован пока только в лабораториях.

Временне и температурные условия. Получение полезной термоядерной энергии возможно лишь при выполнении двух условий. Во-первых, предназначенная для синтеза смесь должна быть нагрета до температуры, при которой кинетическая энергия ядер обеспечивает высокую вероятность их слияния при столкновении. Во-вторых, реагирующая смесь должна быть очень хорошо термоизолирована (т.е. высокая температура должна поддерживаться достаточно долго, чтобы произошло необходимое число реакций и выделившаяся за счет этого энергия превышала энергию, затраченную на нагрев топлива).

В количественной форме это  условие выражается следующим образом. Чтобы нагреть термоядерную смесь, одному кубическому сантиметру ее объема надо сообщить энергию P1 = knT, где k – численный коэффициент, n – плотность смеси (количество ядер в 1 см3), T – требуемая температура. Для поддержания реакции сообщенная термоядерной смеси энергия должна сохраняться в течение времени t. Чтобы реактор был энергетически выгоден, нужно, чтобы за это время в нем выделилось термоядерной энергии больше, чем было потрачено на нагрев. Выделившаяся энергия (также на 1 см3) выражается следующим образом:

 где f(T) – коэффициент, зависящий от температуры смеси и ее состава, R – энергия, выделяющаяся в одном элементарном акте синтеза. Тогда условие энергетической рентабельности P2 > P1 примет вид или

Последнее неравенство, известное  под названием критерия Лоусона, представляет собой количественное выражение требований к совершенству термоизоляции. Правая часть – «число Лоусона» – зависит только от температуры и состава смеси, и чем оно больше, тем жестче требования к термоизоляции, т.е. тем труднее создать реактор. В области приемлемых температур число Лоусона для чистого дейтерия составляет 1016 с/см3, а для равнокомпонентной DT-смеси – 2Ч1014 с/см3. Таким образом, DT-смесь является более предпочтительным термоядерным топливом.

 

 

Реакторная технология. Устройство термоядерной электростанции схематично показано на рис. 1. В камере реактора находится дейтерий-тритиевая плазма, а окружает ее литиево-бериллиевый  «бланкет», где происходит поглощение нейтронов и воспроизводится тритий. Вырабатываемое тепло отводится из бланкета через теплообменник в обычную паровую турбину. Обмотки сверхпроводящего магнита защищены радиационными и тепловыми экранами и охлаждаются жидким гелием. Однако не решены еще многие проблемы, связанные с устойчивостью плазмы и очисткой ее от примесей, радиационным повреждением внутренней стенки камеры, подводом топлива, отводом теплоты и продуктов реакции, управлением тепловой мощностью.

Рис.1. СХЕМА ТЕРМОЯДЕРНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ. Показаны поперечный разрез реактора УТС, система охлаждения и система преобразования энергии. 1 – инжекция топлива; 2 – стенка вакуумной камеры; 3 – литиево-бериллиевый бланкет; 4 – радиационно-тепловая защита; 5 – магнитные обмотки; 6 – охлаждение жидким гелием; 7 – электрогенератор; 8 – паровая турбина; 9– теплообменник; 10 – теплоноситель внутреннего контура; 11 – вывод продуктов реакции.   Перспективы термоядерных исследований. Эксперименты, выполненные на установках типа токамак, показали, что эта система весьма перспективна в качестве возможной основы реактора УТС. На токамаках получены лучшие на сегодня результаты, и есть надежда, что при соответствующем увеличении масштабов установок на них удастся осуществить промышленный УТС. Однако токамак недостаточно экономичен. Для устранения этого недостатка необходимо, чтобы он работал не в импульсном, как сейчас, а в непрерывном режиме. Но физические аспекты этой проблемы пока еще мало исследованы. Необходимо также разработать технические средства, которые позволили бы улучшить параметры плазмы и устранить ее неустойчивости. Учитывая все это, не следует забывать и о других возможных, хотя и менее проработанных вариантах термоядерного реактора, например о стеллараторе или пинче с обращенным полем. Состояние исследований в этой области достигло этапа, когда имеются концептуальные реакторные проекты для большинства систем с магнитным удержанием высокотемпературной плазмы и для некоторых систем с инерциальным удержанием. Примером промышленной разработки токамака может служить проект «Ариес» (США).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Министерство образования  и науки Республики Казахстан

Карагандинский  государственный технический университет

 

 

 

 

 

 

 

Кафедра Энергетика

 

 

 

 

 

 

Доклад

 

По дисциплине: Проектирование теплостанций

 

На тему: Термоядерная реакция

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Проверил (а): Сарбасов А. Ж.

Выполнил (а): ст. гр.  ТЭ-09-1

                                                                              Есжан А.

 

 

 

 

 

 

 

 

2012