Ядерная энергетика

1

Состав и характеристики

атомных ядер

2

ЯДРО

НУКЛОНЫ

нейтроны

протоны

nucleus - ядро

3

Количество нуклонов называют

массовым числом А

Количество протонов называют

зарядовым числом Z

Количество нейтронов N

Эта формула отражает состав ядра

4

Обозначение ядра

Например:

ядро гелия – альфа-частица

ядро водорода – протон

ядро изотопа лития с четырьмя нейтронами

5

Энергия связи

Между нуклонами действуют ядерные силы притяжения, во много раз превосходящие кулоновские силы отталкивания, поэтому для разрушения ядра нужно затратить энергию – энергию связи

6

Удельная энергия связи

Удельной энергией связи в ядре называют энергию, приходящуюся на один нуклон:

7

Зависимость удельной энергии связи от числа нуклонов

Последний природный элемент

8

Зависимость удельной энергии связи от числа нуклонов

Последний природный элемент

В этой области энергетически более выгодны реакции слияния легких ядер – термоядерная энергия

В этой области энергетически более выгодны реакции деления тяжелых ядер – атомная

энергия

Термоядерная энергия в расчете на один нуклон в несколько раз превышает атомную.

9

Радиоактивность

и

ядерные реакции

10

Радиоактивность – самопроизвольное испускание ядром одной или нескольких частиц, сопровождающееся его превращением в другое ядро (или переходом в другое состояние).

Основные виды радиоактивности – распады

11

Альфа-распад – радиоактивное превращение ядра, при котором испускается ядро гелия, которое называют альфа- частицей.

Альфа- распад наблюдается только у тяжелых ядер

с энергией частиц 4÷9 МэВ.

12

Бета-распад – радиоактивное превращение ядра, в котором протон переходит в нейтрон (или наоборот) и участвуют электроны (или позитроны) и нейтрино (антинейтрино).

Типы бета-распада

Электронный

бета-распада

Позитронный бета-распада

Электронный

К-захват

13

Типы бета-распада (примеры)

Электронный

бета-распада

Позитронный бета-распада

Электронный

К-захват

Важным отличием бета-распадов от других видов радиоактивности является, то, что они затрагивают не все ядро, а представляют акт превращения одного нуклона в другой по схемам соответственно:

14

Гамма – распад – наблюдается при переходах возбужденного ядра на более низкие энергетические уровни без изменения массового числа А и зарядового числа Z, но с испусканием фотона.

15

Ядерная реакция – процесс перестройки ядра вида

Ядерные реакции сопровождаются перестройкой ядра, т.е. могут происходить только при сближении вступающих в реакцию частиц до расстояния, меньшего радиуса ядерного взаимодействия

16

Закон радиоактивного распада

Скорость распада ядер зависит как от количества нераспавшихся ядер,

так и от вида материала.

В результате радиоактивного распада количество нераспавшихся ядер уменьшается .

17

Закон радиоактивного распада

Разделим переменные

и проинтегрируем:

18

Закон радиоактивного распада

Потенцируем:

19

Закон радиоактивного распада

Этими формулами определяется количество нераспавшихся ядер

20

Атомная энергия

Возникновение новых элементов при

бомбардировке урана электронами – 1938г., Германия

Объяснения явления как деления ядер урана – 1939 г., Англия

Первый ядерный реактор – 1942 г., США, Э.Ферми

Советский Союз – 1949 г.

21

Первая атомная бомба– 1945 г., США

Атомная энергия

Первое и единственное в мире применение

атомного оружия – 1945 г.,

США

Империя зла

Первая атомная электростанция – «мирный атом» –

Обнинск, Советский Союз

22

Зависимость удельной энергии связи от числа нуклонов

В этой области энергетически более выгодны реакции деления тяжелых ядер – атомная

энергия

23

Механизм деления ядра

24

Цепные реакции

Поколения нейтронов

25

Цепные реакции

Коэффициент размножения нейтронов – среднее отношение числа нейтронов в каком-либо поколении к числу нейтронов предшествующего поколения

26

Для протекания реакции необходимо, чтобы

«Мирный атом»

«Бомба»

Энергетический выход реакции

При делении ядра выделяется энергия

27

Один моль урана – 235 г

Для урана это составляет примерно

0,85 МэВ на нуклон

Термоядерная энергия

? Звезды ?

Термоядерная бомба – СССР, 1953 г.

28

Управляемый термоядерный синтез –

? середина XXI века ?

Зависимость удельной энергии связи от числа нуклонов

В этой области энергетически более выгодны реакции слияния легких ядер – термоядерная энергия

29

Термоядерные реакции

• Ядерный синтез – слияние легких ядер в одно ядро. Происходит при очень высоких температурах, отсюда и название – термоядерные реакции

30

Термоядерные реакции

Для слияния протонов (Z=1), необходимо преодолеть потенциальный барьер

31

обусловленный кулоновским отталкиванием.

- радиус действия ядерных сил

Термоядерные реакции

32

Это – на два ядра

Средней энергии теплового движения, равной 0,3 МэВ соответствует температура

Термоядерные реакции

33

«Благоприятные факторы, снижающие температуру»

• случайное распределение частиц по скоростям – всегда имеется некоторое количество ядер с необходимой скоростью;
• туннельный эффект.

Звездное топливо

34

Температура внутри Солнца

Слияние ядер водорода в ядро гелия – возможный источник энергии звезд

Звездное топливо

35

Звездное топливо

36

Это составляет около 4 МэВ на нуклон

Для одного моля атомарного водорода (это 1г):

Примерно в 6 раз больше, чем 1 г урана!

Термоядерная бомба

37

Управляемые термоядерные реакции

38

Отсутствующий в природе тритий можно получать в самом реакторе из лития:

Наиболее перспективной представляется реакция

Энергетический выход реакции 17,6 МэВ

Управляемые термоядерные реакции

39

ПРОБЛЕМЫ:

• Необходима температура порядка
• Любое вещество при такой температуре превращается в плазму.
• При соприкосновении сосуда и такой плазмы плазма немедленно остынет, а сосуд испарится.

Управляемые термоядерные реакции

40

ВОЗМОЖНЫЕ РЕШЕНИЯ:

​

• Использование магнитного поля для удержании плазмы в заданном объемё.
• Лазерный термоядерный синтез – облучение стеклянных капсул со смесью дейтерия и трития лазерными импульсами.

​

Управляемые термоядерные реакции

41

Преимущества:

​

• Энергетически более выгодно, чем атомная энергетика.
• Экологически чистое топливо.
• Ресурс практически неисчерпаем.

​

Ключевые понятия и выводы�

• Нуклоны – частицы, образующие ядро атома – протоны и нейтроны.
• Изотопы – атомы с одинаковым зарядовым числом Z, но отличающиеся массовым числом (т.е. числом нейтронов).
• Радиоактивность – самопроизвольное испускание ядром одной или нескольких частиц, сопровождающееся его превращением в другое ядро (или переходом в другое состояние).

​

42

Ключевые понятия и выводы�

• Время полураспада Т – время, за которое распадается половина ядер .
• Цепная реакция – реакция, в которой частицы, её вызывающие, образуются как продукты самой реакции.
• Термоядерная реакция (ядерный синтез) – реакция слияния легких ядер при очень высокой температуре

​

43

Ключевые формулы

44

� ☺

45