Ядролардың бөлінуі реакциясы

Жұмыс түрі: Реферат
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 11 бет
Таңдаулыға:

Кафедра:«Техникалық физика және Жылу энергетика»

(кафедраның атауы)

Мамандық:5В072300 - «Техникалық физика»

(шифр, мамандық атауы)

Пән атауы

(Дәстүрлі емес және жаңартылатын энергия көздері)

Жұмыс түрі

(СӨЖ)

Жұмыстың тақырыбы:Нейтронды ядролық реакциялар. Ядролық бөліну реакциясының ерекшеліктері және олардың пайдалануы.

Орындаған:Сапарбек Э

Тобы:ТФ-801

Тексерген:Кусаинов. Р. К

Семей

2021

Мазмұны

Кіріспе3

1 Ядролардың бөлінуі реакциясы4

1. 1 Бөлінудің тізбекті реакциясы4

1. 2 Термоядролық реакция4

2 Ядролық реакциялардың физикасы7

2. 1 Ядролық реакциялардағы сақталу заңдары7

2. 2 Ядролық реакциялардың механизмі7

3 Ядролық реакция энергетикасын пайдалану9

3. 1 Ядролық реактор9

3. 2 Жұлдыздардағы ядролық реакциялар10

Қорытынды12

Пайданылған әдебиеттер тізімі:13

Кіріспе

Ядролық реакциялар ядроның басқа ядромен немесе элементар бөлшектермен өзара әсерлесе отырып, түрленуін айтады. Бұл әсерлесу бөлшектер бір-біріне 10 ^-15 м қашықтыққа жақындағанда ядролық күш әсерінен болады. Ядролық реакциялардың ең жиі кездесетін түрі жеңіл бөлшектің ядросымен әсерлесу нәтижесінде жеңіл бөлшегі мен ядросының түзілуі болып табылады, яғни:

http://sanatez.net/fiz_electronka/htm/5_5.files/image010.gif

(1)

Осы реакцияны қысқаша келесі түрде жазу қабылданған:

http://sanatez.net/fiz_electronka/htm/5_5.files/image012.gif

(2)

Жақша ішінде рекцияға қатысатын бірінші бастапқы, екінші соңғы жеңіл бөлшектер жазылады.

Реакцияға қатысатын жеңіл бөлшек: нейтрон ( ), протон ( ), дейтон ( ), - бөлшек немесе - фотон болуы мүмкін. Мысалы:

http://sanatez.net/fiz_electronka/htm/5_5.files/image024.gif

немесе қысқаша

http://sanatez.net/fiz_electronka/htm/5_5.files/image026.gif

(3)

Ядролық реакциялар нәтижесінде энергия бөлініп шығуы немесе жұтылуы мүмкін. Бөлініп шығатын энергияны реакция энергиясы деп атайды. Ол реакцияға қатысатын бастапқы және соңғы ядролардың массаларының айырмасымен анықталады. Егер соңғы ядролардың массасы бастапқы ядролардың массасынан үлкен болса, онда реакция энергия жұта жүреді және реакция энергиясы теріс болады. Энергия шығара отырып жүретін ядролық реакцияларды экзотермиялық, ал жұта отырып жүретін реакцияларды эндотермиялық деп атайды.

1 Ядролардың бөлінуі реакциясы

1. 1 Бөлінудің тізбекті реакциясы

Нейтрондарды жұта отырып ауыр ядро бірдей екі бөлікке ыдырайды. Пайда болған бөліктер бөліну жарқыншақтары деп аталады. Ауыр ядролардың мұндай тұрақсыздығын оның құрамындағы бір-бірімен кулондық тебілетін протондардың көптігімен түсіндіріледі.

Ауыр ядролардың екі жарқыншақтарға бөлінуі өте көп мөлшердегі энергияның шығарылуымен жүреді. Мысалы 1 г уран ыдырағанда 8·10 ¹⁰ Дж энергия бөлініп шығады. Бұл бөліну келесі түрде жазылады:

http://sanatez.net/fiz_electronka/htm/5_5.files/image030.gif

(4)

Келесі шарт орындалған жағдайда ауыр ядролар ыдырайды:

http://sanatez.net/fiz_electronka/htm/5_5.files/image032.gif

(5)

мұндағы: - бөліну параметрі.

Бөліну параметрі (бөлінудің шекті параметрі) болғанда ядролар өте тұрақсыз болып табылады және табиғатта өмір сүрмейді. болған жағдайда ядролардың өздігінен бөлінуі мүмкін болады. Ядролардың өздігінен бөлінуінің жартылай ыдырау периоды 10 ¹⁶ -10 ¹⁷ жыл болады. Бөліну кезіндегі жарқыншақтардан ұшып шығатын нейтрондар - бөліну нейтрондары деп аталады. Бөліну нейтрондарының арасында лездік және кешігіп шығатын нейтрондар болады. Лездік нейтрондар ядроның бөлінуі кезінде 10 ^-14 с уақыт мезетінде шығады. Кешігіп шығатын нейтрондар бөліну өнімдерінен бөліну аяқталғаннан кейін біршама уақыттан кейін шығады. Бөліну реакциясында пайда болған әрбір лездік нейтрондар көрші ядролармен әсерлесе отырып, оларда да бөліну реакциясын тудырады. Бұл жағдайда бөліну актілерінің көшкін түріндегі артуы, яғни тізбекті бөліну реакциясы жүреді.

Нейтрондардың көбею коэффициенті деп реакцияның белгілі бөлігінде шығатын нейтрондар санының алдыңғы бөлігінде шығатын нейтрондар санына қатынасын айтады. Тізбекті реакциялардың жүру шарты .

1. 2 Термоядролық реакция

Термоядролық реакция, термоядролық синтез - миллиондаған градус температурада жүзеге асатын ядролық бірігу реакциясы деп аталады.

Жеңіл элементтерді (сутек, гелий, литий, т. б. ) жүздеген миллион градусқа дейін қыздырғанда, олардың бейтарап атомдары тұтастығын жойып, ядролар мен электрондарға ыдырайды.

Нәтижесінде оң зарядты ядролардан, теріс зарядты электрондардан тұратын ерекше орта - жоғарғы температуралық плазма пайда болады. Мұндай плазмада ядролар кулондық тебіліс бөгетін (барьерін) жеңе алатын кинетикалық энергияға ие болады:

E_{k} = \frac{3}{2}kT = \frac{1}{2}m\vartheta^{2}

(6)

мұндағы k - Больцман тұрақтысы; Т - плазманың температурасы; m және v - бөлшектің массасы мен жылдамдығы.

Температурасы жүздеген миллион градус болатын ыстық плазмадағы ядролар аса үлкен жылдамдықпен бір-біріне жақындап, ядролық күштердің әрекет аймағына енеді. Сол сәтте-ақ тегеурінді ядролық күш оларды біріктіріп, жаңа ядроны түзеді. Бұл кезде пайда болған m масса ақауы есебінен аса мол энергия босап шығады.

Жер бетінде алғаш рет термоядролық реакциялар 1950 жылдардың басында Қазақстанда (Семей полигоны) сутек бомбасын жару арқылы жүзеге асырылды. Қажетті жоғары температура атом бомбасын алдын ала жару үстінде алынды. Термоядролық бомбаның ішіне жоғары температура алу үшін атом бомбасының заряды және жеткілікті мөлшерде сутек изотоптары (мысалы, дейтерий) орналастырылады. Термоядролық жарылыста әуелі атом бомбасының заряды іске қосылады да, температура миллиондаған градусқа көтеріліп, сутек изотоптарының ядролары жаппай біріге бастайды. Осылайша әп-сәтте атом бомбасының жарылысы сутек бомбасының жарылысына ұласады.

Қолдан басқарылатын термоядролық реакцияларды іске асыру зор қиындықтарға кезікті. Оларды жүзеге асыру үшін, негізінен, үш мәселені шешу керек.

Біріншіден, сутек газын қыздыру арқылы ыстық плазманың температурасын ондаған миллион градусқа көтеру қажет.

Екіншіден, термоядролық реакцияны тұтандыру үшін ыстық плазманы суытпай, белгілі бір көлемде кем дегенде 10 ^-1 -10 ^-2 с ұстап тұру қажет.

Үшіншіден, термоядролық реакция қарқынды жүріп, энергия шығыны қажетінше мол болуы үшін ыстық плазмадағы дейтерий ядроларының тығыздығы белгілі бір шамадан кем болмауы тиіс, яғни 1 м ³ көлемде 10 ²² бөлшек болуы керек [1, 2] .

Осы үш шарт қатарынан орындалса ғана басқарылатын термоядролық реакцияны іске асыруға болады. Алайда плазма заттың ең орнықсыз күйі болып табылады, сондықтан бұл шарттарды бір мезгілде орындау мәселесі әлі күнге шешуін таппай отыр.

: Сур. 1 Дейтерий-тритий реакциясының схемасы

2 Ядролық реакциялардың физикасы

2. 1 Ядролық реакциялардағы сақталу заңдары

Ядролық реакциялардың пайдалану алқабы əртүрлі. Физиктер оларды жаңа изотоптардың, жаңа бөлшектердің, ядроның əртүрлі күйлерін, қарапайым бөлшектердің қасиеттерін зерттеу үшін қолданады. Олар ядролар мен қарапайым бөлшектердің қасиеттері туралы мəліметтердің негізгі көзі. Ядролық реакцияларды ядролық энергияны өндipy, радиоактивті изотоптар өндіру жəне заттардың элементтік құрамын зерттеуге пайдаланады.

Ядролық реакцияларда əртүрлі сақталу заңдары орындалуы тиіс. Ол заңдар бойынша белгілі физикалық шаманың реакцияға дейінгі жəне одан кейінгі мəндері бірдей болуы керек. Шамалардың сақталу талабы, реакцияның ақырғы өнімдерінің сипатына шектеулер қояды. Мұндай шектеулер тыйымдау деп аталады. Ядролық реакцияларда кейбір сақталу заңдары дəл, кейбір сақталу заңдары ішінара орындалады. Ол ядролық реакциялардағы іргелі əсерлесулердің үлесіне тəуелді. Бұл тарауда тар мəніндегі (яғни ядролар қатысатын) ядролық реакцияларда орындалатын сақталу заңдары қарастырылады.

2. 2 Ядролық реакциялардың механизмі

Ядролық реакциялар кезінде ядроның ішінде күрделі құрылымдық өзгерістер өтеді. Ядроның құрылымын бейнелегендегі сияқты ядролық реакциялар туралы eceптi дəл шешу мүмкін емес дерлік. Сондықтан, ядроның құрылымын сипаттағанда əртүрлі моделдерді қолданған сияқты, ядролық реакцияларды сипаттау үшін əртүрлі механизмдер қолданады.

Ядролық реакциялардың əртүрлі механизмдері ұсынылған. Біз олардың бастыларын қарастырамыз. Бұл бапта олардың жіктелуі қарастырылып, əркайсысы егжей-тегжейлі келесі баптарда талданады.

1936 жылы Нильс Бор ядролық реакцияның құрама ядролық механизмін ұсынды. Ол бойынша ядролық реакция екі кезеңмен өтеді. Бipiншi кезеңде тиетін бөлшек пен нысана ядро құрама ядро құрады. Екінші кезеңде құрама ядро ыдырайды:

a + A \rightarrow 0 \rightarrow B + b

(7)

Əрине, бұл механизмді қолдану үшін құрама ядроның өмipi жеткілікті ұзақ ядролық əсерлесуге тəн τ-21 яд = 10 с уақытқа қарағанда мəңгі дерлік болуы керек.

Құрама ядро арқылы өтетін реакциялардың eкi түpi болады: резонанстық жəне резонанстық емес.

Ядролардың қозған күйлеріне (кейбір нық емес ядролардың негізгі күйлеріне де) табиғи ен Г тəн. Ядроның деңгейлерінің ара қашықтығы ∆ мен деңгейдің Г енінің ара қатынасына байланысты ядроның cпeктpi дискретті (∆ > Г) жəне үздіксіз (∆ < Г) болады. Егер реакция барысында аралық (құрама) ядро спектрдің дискретті бөлігінде туса, реакция резонанстық ал үздіксіз бөлігінде туса резонанстық емес болады.

Егер тиетін бөлшектің ядромен əсерлесу уақытты сипаттық ядролық уақыттан көп үлкен болмаса, əсерлесу механизмі мүлдем басқаша болады. Олардың ішіндегі талдауға ең оңайы тіке реакциялар. Тіке реакцияларда тиетін бөлшектер бip-eкi нуклонмен ғана соқтығысып, басқаларына тимей өтіп кетеді. Мысалы, (р, n) реакциясы кезінде протон бip ғана нейтронға тиіп, оны ядродан жұлып шығаруы мүмкін.

Тисе реакциялардың ішінде жұлу (d, p), (d, n) жəне оған қарсы іліктіру (p, d), (n, d) реакцияларын ерекше бөледі.

Тіке реакциялар қатарына тиген бөлшек ядродан бірнеше нуклоннан тұратын бөлшек жұлып шығаратын жаңқалау реакциясын да жатқызады.

Əрине, шектік, құрама ядролық реакциялар мен тіке реакциялардың арасында жататын реакциялар да кездеседі. Ондай реакцияларды тепе-теңдік алдылық реакциялар деп атайды.

Ядролық реакциялардың аталғандардан басқа механизмдері де бар.

Резонанстар бойынша орташаланған оптикалық моделмен түсіндіреді. Онда ядро түсетін бөлшектердің де Бройль толқынын жұта жəне сындыра алатын тұтас орта ретінде қарастырылады.

Егер тиетін бөлшек зарядталған жəне ауыр (протондар, альфа-бөлшектер мен əcipece иондалған ауыр ядролар) болса, онда кулондық қоздыру мүмкін болады. Бұл қоздыру кезінде бөлшек ядроға тым жақындамай-ақ оған өзінің кулондық өpicімeн ғана əсер етеді.

Жоғары энергиялы (қатты) гамма-кванттар ядромен соқтығысқанда өтетін, фотоядролық реакциялардың өзіндік ерекше қacиeттepi бар.

Егер тиетін бөлшектің энергиясы жеткілікті жоғары (бірнеше жүз МэВ) болса, онда оның əсерінен, ядро жарылып, көп жарқыншақтар туады. Мұндай процестерді жұлдыздар туу процесі дейді [3] .

3 Ядролық реакция энергетикасын пайдалану

3. 1 Ядролық реактор

Ядролық реакцияларда өте көп энергия бөлініп шығады, ол кәдімгі экзотермиялық химиялық реакциялардағыдан бірнеше миллион есе артық. Бірақ ол энергияны іске асырып пайдалануға көп кедергілер болды, оның бастысы - белгілі ядролық реакциялардың ішінде бір басталғаннан кейін мысалы, көмірдің жанғаны не кейбір басқа химиялық реакциялар сияқты, тоқтамай жүре беретіні болмады. Ядролық реакция жүру үшін, өне бойы сырттан, айталық нейтронмен атқылап отыру керек.

Тәжірибе үшін америкада алғаш жасалған ядролық реактор 1942 жылдың желтоқсанында іске қосылды; оның ішінде 6 т таза уран бар еді; бұл реактор дұрыс жұмыс істеу үшін керекті уранның ең аз мөлшері. Ядролық энергияны алуды көп кешікпей-ақ Ресейде де меңгерді. Ресейде 1954 жылы 27 маусымда ядролық энергиядан істейтін дүние жүзіндегі ең бірінші электр станция іске қосылды. Онда “ ядролық отын ” ретінде ішінде 5% U ²³⁵ изотопы бар уран қолданылды. Станцияның қуаты 5000 кВт, ол тәулігіне 30 г уран жұмсайды (100 т көмірге пара-пар) .

Ядролық реакторларда басқарылатын тізбектік бөліну реакциясы жүзеге асырылады. Tiзбeктi реакцияларды туғызатын нейтрондардың энергиясына қарай реакторлар баяу нейтрондық, аралық нейтрондық, жоғары нейтрондық болып бөлінеді.

Кез-келген реактор мынадай бөліктерден тұрады: а) активті өңір, ол əлбетте, нейтрондарды шағылтқышпен қоршалады; б) жылу тасығыш; в) басқару жүйесі; г) радиациялық қорған; д) басқа конструкциялық элементтер; е) алыстан басқаратын тетік.

Реактордың жұмысы кезінде мынадай оқиғалар орын алады: а) бөлінудің экзотермиялығынан жылу бөлінеді; б) ядролық отын жанады жəне қайта өндіріледі; в) активті өңірдің, күштi радиоактивті жəне нейтронды жұтуы мүмкін жарқыншақтармен ластануы; г) қорған мен конструкциялық материалдардың нейтрондармен ластануы олардың екінші реттік радиоактивтілігін туғызады жəне олардың физика-химиялық қасиеттерін өзгертеді. Реактордың негізгі сипаттамасы - оның қуаты - оның уақыт бірлігінде өндіретін жылу энергиясының мөлшері. Оны мегаваттпен (106 ватт) өлшейді.

Реактордың басты бөлігі активті өңір. Онда бөліну реакциясы өтеді, яғни энергия бөлініп шығады. Жылулық жəне аралық нейтрондық реакторларда активті əлбетте, бөлінбейтін изотоппен араластырылған отын мен баяулатқыштан тұрады. Жылдам нейтрондық реакторлардың активті өңірінде баяулатқыш болмайды. Нейтрондардың ағып, сыртқа шығып кетуін азайту мақсатымен активті өңірді сфералық немесе оған жақын (мысалы, диаметрі мен биіктігі бірдей дерлік цилиндр немесе текше) пішінді жасайды.

Отын мен баяулатқыштың салыстырмалы орналасуына қарай гомогендік жəне гетерогендік реакторлар болады. Гетерогендік реакторлар көбірек таралған. Оларда активті өңір баяулатқыштан тұрады. Баяулатқышта жасалған қуыстарға отын салынған кассеттер орналастырылады. Осы қуыстар арқылы жылутасығыш та ағады. Жылу отын салынған кассеттерде бөлініп шығады. Осыдан оларды жылу бөлгіш элементтер (ЖБЭ) деп атайды.

... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.