«Ядерное оружие. Ядерная энергия» (стр. 3 из 4)

Химические вещества, занимающие одно и то же место в таблице Менделеева, но имеющие разную атомную массу, называются изотопами. Ядра изотопов отличаются числом нейтронов. Например, водород имеет три изотопа: протий — ядро состоит из одного протона, дейтерий — ядро состоит из одного протона и одного нейтрона, тритий -ядро состоит из одного протона и двух нейтронов.

Если сравнить массы ядер с массами нуклонов, то окажется, что масса ядра тяжелых элементов больше суммы масс протонов и нейтронов в ядре, а для легких элементов масса ядра меньше суммы масс протонов и нейтронов в ядре. Следовательно, существует разность масс между массой ядра и суммой масс протонов и нейтронов, называемая дефектом массы. М = М_ядра — (Мр + Мn).

'Гак как между массой и энергией существует связь Е =mc², то при делении тяжелых ядер и при синтезе легких ядер должна выделяться энергия, существующая из-за дефекта масс, и эта энергия называется энергией связи атомного ядра. E_св=Мс²

Выделение этой энергии может происходить при ядерных реакциях Ядерная реакция — это процесс изменения заряда ядра и его массы, происходящий при взаимодействии ядра с другими ядрами или элементарными частицами. При протекании ядерных реакций выполняются законы сохранения электрических зарядов и массовых чисел: сумма зарядов (массовых чисел) ядер и частиц, вступающих в ядерную реакцию, равна сумме зарядов (массовых: чисел) конечных продуктов (ядер и частиц) реакции.

4.Цепная ядерная реакция.

Цепная ядерная реакция - самоподдерживающаяся реакция деления тяжелых ядер, в которой непрерывно воспроизводятся нейтроны, делящие все новые и новые ядра.

Цепная реакция практически осуществляется лишь на трех изотопах. Один из них -

U, который присутствует в природном уране (0,7%), а два других - U и Pu

получают искусственно.

Ядро урана-235 под действием нейтрона делится на два радиоактивных осколка неравной массы, разлетающихся с большими скоростями d разные стороны, и два-три нейтрона. Например:

n+ U→ Ba+ Kr+3 n

n+ U→ Xe+ Sr+2 n

Нейтроны, вылетающие из ядра, могут вызвать реакцию деления соседних ядер

U, которые испускают нейтроны, способные вызвать дальнейшее деление. В результате число делящихся ядер урана быстро растет, возникает цепная реакция (рис. 1).

Скорость нарастания цепной ядерной реакции характеризуют величиной, называемой коэффициентом размножения нейтронов.

Коэффициент «к» размножения нейтронов характеризует быстроту роста числа нейтронов и равен отношению числа нейтронов в одном каком-либо поколении цепной реакции к породившему их числу нейтронов предшествующего поколения.

K=

где Ni - число нейтронов в i-поколении, N_i-1 - число нейтронов в предыдущем поколении. Необходимое условие протекания цепной ядерной реакции может быть выражено следующим образом: к >= 1.

I поколение нейтронов

I I поколение нейтронов

I I I поколение нейтронов

Рис. 1

При «к = 1» число нейтронов, участвующих в делении ядер, остается неизменным, реакция протекает стационарно, имеет управляемый характер. При «к > 1» число нейтронов увеличивается, интенсивность реакции возрастает и при к > 1,006 может принять неуправляемый характер; при к =1,01 происходит взрыв.

К теме о цепной ядерной реакции:

Ядерный реактор - устройство, в котором осуществляется управляемая цепная ядерная реакция. Главной частью ядерного реактора является активная зона с блоками ядерного топлива.

Управление протеканием ядерной реакции осуществляется с помощью регулирующих стержней (кадмий, карбид бора и др.).

Для увеличения коэффициента размножения нейтронов активную зону окружают отражатели нейтронов.

Так как ядерный реактор является мощным источником нейтронов и γ - излучения, в нем предусмотрена радиационная защита. Для отвода тепла применяется вода, жидкий натрий и др.: трубки с теплоносителем. Для замедления нейтронов в ядерных реакторах используется специальный замедлитель (тяжелая вода или графит).

Наименьшая масса делящегося вещества, при котором может протекать цепная реакция, называется критической массой. При этом «к = 1»: число нейтронов, потерянных вследствие захвата ядрами без деления и утечки, равно числу нейтронов, полученных в процессе деления.

Для чистого (без замедлителя)

U имеющего форму шара, критическая масса равна

50 кг, а радиус шара - примерно 9 см. Применяя замедлитель нейтронов и отражающую нейтроны оболочку из бериллия, удалось снизить критическую массу до 250 г.

Термоядерные реакции — это реакции синтеза легких ядер, происходящие при высокой температуре (примерно 107К и выше). Необходимые условия для синтеза ядер гелия из протонов имеются в недрах звезд. На Земле термоядерная реакция осуществлена только при экспериментальных взрывах, хотя ведутся международные исследования по управлению этой реакцией.

5. Схема образования плутоиия-239 при цепной реакции деления урана-235.

нейтрон уран-235

Делящийся материал - основной компонент ядерного оружия, любой ядерный заряд содержит хотя бы несколько килограммов такого материала. Деление примерно 10 кг урана-235 привело к полному разрушению Хиросимы, а другой японский город - Нагасаки - был испепелен в результате деления 7 кг плутония-239. Уран-235 хотя и встречается в природе, но его концентрация в природном уране слишком низка (примерно 0,7 процента), чтобы из добытого в урановых рудниках сырья можно было бы сразу изготовлять ядерное оружие. Остальные 99,3 процента приходятся на уран-238, в котором цепная реакция деления не возникает. Поэтому для изготовления ядерного оружия природный уран необходимо обогащать делящимся ураном-235. Обычно считается, что концентрация этого взрывоопасного изотопа в обогащенном уране, пригодном для использования в военных целях, должна быть не ниже 20 процентов, Уран, применяемый для производства ядерного оружия в США, содержит более 90 процентов урана-235.

В ядерном оружии применяется и другой делящийся изотоп - плутоний-239. Он образуется в ядерных реакторах при цепной реакции деления урана-235. Когда в ядро урана-235 попадает нейтрон, оно делится на два ядра-осколка со сравнительно небольшой массой, и при этом испускаются два или три новых нейтрона. Родившиеся нейтроны бомбардируют другие ядра урана-235, вызывая еще одно деление, а также захватываются ядрами урана-238, в результате цепочки ядерных переходов превращая его в плутоний-239, При делении 1 кг урана-235 получается примерно 900 граммов плутония. Для производства тысячи боеголовок достаточно приблизительно шести тонн плутония.

6. Поражающие факторы ядерного взрыва.

1. Ударная волна - это область сильного сжатия воздуха, распространяющаяся с большой скоростью от центра взрыва.

2. Световое излучение - это поток лучистой энергии, включающей ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучение (яркость светового излучения в первую секунду в несколько раз превосходит яркость солнца).

3. Проникающая радиация - это невидимый поток гамма квантов и нейтронов, испускаемых из зоны ядерного взрыва.

4. Электронный импульс - это мощное электромагнитное поле, возникающее на короткое время (воздействует на электронную аппаратуру).

7. Понятия или «что такое ...».

Ядерный взрыв ~ это мощный взрыв, вызванный освобождением ядерной энергии, либо при быстро развивающейся цепной реакции деления тяжелых ядер (²³⁵U и ²³⁹Рu), либо при термоядерной реакции взрыва.

Управляемый термоядерный синтез - это синтез легких ядер с целью получения энергии. То есть создания плазмы при облучении твердой мишени'(крупинки смеси дейтерия и трития) сфокусированным излучением мощного лазера или электронными пучками.

Цепные ядерные реакции - это самоподдерживающиеся реакции деления атомных ядер под действием нейтронов,

8. Использование в других областях.

Применение цепных ядерных реакций нашлось не только для создания ядерного оружия, но и для более «полезных целей». Вот примеры.