Физика атомного ядра

1.

х
ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА
Заряд, масса, размер и состав
атомного ядра
Энергия связи ядер. Дефект массы
Ядерные силы
Радиоактивность
Ядерные реакции и их основные типы
Деление ядер
Синтез ядер
1

2.

х
4.1. Заряд, масса, размер, и состав атомного ядра
2

3.

х
В состав атомного ядра входят
элементарные частицы: протоны и
нейтроны (нуклоны)
Протон имеет положительный заряд
е+=1,06·10–19 Кл
и массу покоя
mp = 1,673·10–27кг = 1836me.
3

4.

х
Заряд ядра равен Ze,
где e – заряд протона, Z – зарядовое число, равное
порядковому номеру химического элемента в
периодической системе элементов Менделеева, т.е.
числу протонов в ядре.
В настоящее время известны ядра с
Z=1
до
Z = 107 – 118
A = Z + N называется массовым числом.
Ядра с одинаковым Z, но различными А
называются изотопами.
Ядра, которые при одинаковом A имеют
разные Z называются изобарами.
A
4
Z
X

5.

х
R R0 A
(1)
1/ 3
где R0 = (1,3 ÷ 1,7)·10–15м.
Плотность ядерного вещества составляет
1017 кг/м3
5

6.

х
Протоны
и
нейтроны
являются
фермионами, так как имеют спин ħ/2.
Ядро атома имеет собственный момент импульса –
спин ядра, равный
(2)
Lяд I ( I 1)
I – внутреннее (полное) спиновое квантовое число.
Единицей измерения магнитных моментов ядер
служит ядерный магнетон μяд:
e
μ яд
2m p
(3)
Ядерный магнетон в mp/me = 1836,5 раз
меньше магнетона Бора, откуда следует, что
магнитные свойства атомов определяются
6
магнитными свойствами его электронов.

7.

х
Pm яд γ яд Lяд
(4)
γяд – ядерное гиромагнитное отношение.
μn ≈ – 1,913 μяд
μр ≈ 2,793 μяд.
7

8.

х
Квадрупольный электрический момент ядра Q
Q определяется только формой ядра. Так, для
эллипсоида вращения:
2
2
2
Q Z e (b a )
5
(5)
8

9.

х
Энергия связи ядер. Дефект массы
Ядерное сильное взаимодействие – притяжение
– обеспечивающее устойчивость ядер несмотря на
отталкивание одноименно заряженных протонов.
Энергией связи нуклона в ядре называется
физическая величина, равная той работе, которую
нужно совершить для удаления нуклона из ядра
без сообщения ему кинетической энергии.
Энергия связи ядра определяется величиной той
работы, которую нужно совершить, чтобы
расщепить ядро на составляющие его нуклоны без
придания им кинетической энергии.
9

10.

х
Wсв – величина энергии, выделяющейся при
образовании ядра,
соответствующая ей масса ∆m, равна:
Wсв
m 2
с
(6)
называется дефектом масс.
Если ядро массой Мяд образовано из Z протонов
с массой mp и из (A – Z) нейтронов с массой mn, то
m Zmp ( A Z )mn M яд
(7)
10

11.

х
Удельной энергией связи ядра ωсв называется
энергия связи, приходящаяся на один нуклон:
Wсв
св
A
Величина ωсв составляет в среднем
8 МэВ/нуклон (рис. 1).
11

12.

х
12

13.

х
Если ядро имеет наименьшую возможную
энергию
Wmin = – Wсв,
то оно находится в основном энергетическом
состоянии.
Если ядро имеет энергию
W > Wmin,
то оно находится в возбужденном энергетическом
состоянии.
Случай W = 0 соответствует расщеплению
ядра на составляющие его нуклоны.
13

14.

х
Ядерные силы
Ядерные силы являются короткодействующими
силами. Они проявляются лишь на весьма малых
расстояниях между нуклонами в ядре 10–15м.
Длина (1,5 ÷ 2,2)·10–15 м называется радиусом
действия ядерных сил.
Ядерные силы обнаруживают зарядовую
независимость: притяжение между двумя
нуклонами одинаково независимо от зарядового
состояния
нуклонов
–
протонного
или
нейтронного.
Зарядовая независимость ядерных сил видна
из сравнения энергий связи зеркальных ядер: 14

15.

х
Например, зеркальные ядра
3
2 He
3
1T
гелия
и тяжелого водорода – трития
Энергии связи этих ядер составляют 7,72 МэВ и
8,49 МэВ.
Ядерные силы обладают свойством
насыщения
Полное насыщение ядерных сил достигается у
альфа-частицы
15

16.

х
Ядерные силы зависят от ориентации
спинов взаимодействующих нуклонов.
Это подтверждается различным характером
рассеяния нейтронов молекулами орто- и
параводорода.
Опыты показали, что рассеяние нейтронов на
параводороде в 30 раз превышает рассеяние на
ортоводороде.
Это доказывает зависимость ядерных сил от
ориентации спинов. Ядерные силы не являются
центральными.
16

17.

х
Cвойства ядерных сил:
• Малый радиус действия ядерных сил (a ~ 1Фм).
• Притяжение между нуклонами на больших растояниях (r > 1
Фм) сменяется отталкиванием на малых (r < 0,5 Фм).
• Большая величина ядерного потенциала V ~ 50 МэВ.
• Зависимость
ядерных
сил
от
спинов
взаимодействующих частиц.
•Ядерное
взаимодействие
обладает
свойством
насыщения.
• Зарядовая независимость ядерных сил (n-n , p-p, n-p).
• Обменный характер ядерного взаимодействия.
• Ядерные силы зависят от взаимной ориентации
спинового и орбитального моментов нуклона (спин17
орбитальные силы).

18.

х
Радиоактивность
Радиоактивностью называется превращение
неустойчивых изотопов одного химического
элемента в изотопы другого элемента,
сопровождающееся испусканием некоторых
частиц.
Естественной радиоактивностью называется
радиоактивность,
наблюдающаяся
у
существующих в природе неустойчивых изотопов.
Искусственной
радиоактивностью
называется
радиоактивность
изотопов,
полученных в результате ядерных реакций.
18

19.

Радиоактивность
Радиоактивность –
самопроизвольные превращения
атомных ядер, сопровождающиеся
испусканием элементарных частиц
или более лёгких ядер.

20.

Открытие
В 1896 г. Беккерель случайно
открыл радиоактивность. Исследуя работу
Рентгена, он завернул флюоресцирующий
материал в непрозрачную бумагу вместе с
фотопластинками, после обнаружил, что
фотопластинки были полностью
засвечены.
Антуан Анри Беккерель

21.

Радиоактивные процессы:
• α - распад
• β – распад (в том числе электронный
захват)
• γ – излучение ядер
• спонтанное деление тяжелых ядер
• протонная радиоактивность

22.

Поведение разных типов радиоактивного излучения в магнитном поле:
Альфа-лучи отклоняются в ту же сторону, что и поток
положительно заряженных частиц
Бета-лучи – в противоположную сторону (как поток
отрицательных частиц)
Гамма-лучи никак не реагируют на действие магнитного поля

23.

х
Таблица 1
Тип
радиоактивнос
ти
Изменение
Заряда ядра Z
Изменение
массового
числа А
Альфа-распад
Z–2
A–4
Бета-распад
Z±1
А
Характер процесса
Вылет α-частицы – системы двух
протонов
и
двух
нейтронов,
соединенных воедино
Взаимные превращения в ядре
нейтрона ( 1 n ) и протона ( 1 p )
0
Β– – распад
Z+1
А
Β+ – распад
Z–1
А
Электронный
захват (е– или Кзахват)
Z–1
А
Спонтанное
деление
1
1
1
0
0~
n
p
(
e
0
1
1
0 νв )
1
1
0
0
1 p 0 n ( 1 e 0 ν в )
1
1
0
0
1 p 0 n ( 1 e 0 ν в )
e и 00 ~e – электронное нейтрино и
антинейтрино. В скобках указаны
частицы, вылетающие из ядра.
0
0
Z – (1/2)A
A – (1/2)A
Деление ядра обычно на два осколка,
имеющие приблизительно равные
массы и заряды

24.

х
Все
типы
радиоактивности
сопровождаются испусканием гамма-излучения
– жесткого, коротковолнового электромагнитного
излучения.
Ядро, испытывающее радиоактивный распад,
называется материнским; возникающее дочернее
ядро, как правило, оказывается возбужденным, и
его переход в основное состояние сопровождается
испусканием γ-фотона.
(9)
24

25.

х
Закон радиоактивного распада:
T
N N 0e
N0 – количество ядер в данном объеме вещества в
начальный момент времени t = 0,
N – число ядер в том же объеме к моменту временя t,
λ – постоянная распада,
Закон
самопроизвольного
радиоактивного
распада основывается на двух предположениях:
• постоянная распада не зависит от внешних
условий;
• число ядер, распадающихся за время dt,
пропорционально начальному количеству ядер 25

26.

х
Величина 1/λ = τ - средней продолжительности жизни (среднее время жизни τ)
радиоактивного изотопа.
Средняя продолжительность τ жизни всех
первоначально существовавших ядер
1
1
t
Ntdt te dt
N0 0
0
(10)
Суммарная продолжительность жизни
dN ядер равна
t|dN|=tλNdt.
26

27.

х
Характеристикой устойчивости ядер
относительно распада служит период полураспада
Т1/2.
Так называется время, в течение которого
первоначальное
количество
ядер
данного
радиоактивного
вещества
уменьшается
наполовину.
Связь λ и Т1/2:
T1/ 2
ln 2
0,693
0,693
27

28.

N N 0e
T
28

29.

Период полураспада

30.

Бывает, что дочерние ядра также радиоактивные
и распадаются со скоростью, характеризуемой
постоянной распада λ’.
Новый продукт распада также радиоактивный и
т.д…
- образуется радиоактивный ряд (семейство):
238U, 232Th, 235U.
Активность радиоактивного препарата = λN
- число распадов в единицу времени.
Единица измерения активности - беккерель (Бк) =
распад в секунду.
30

31.

х
Закон сохранения электрического заряда
при радиоактивном распаде ядер:
Z ядe Z i e
(12)
i
где Zядe – заряд материнского ядра,
Ziе – заряды ядер и частиц, возникших в
результате радиоактивного распада.
31

32.

х
Правила смещения (правила Фаянса и
Содди) при радиоактивных α- и β_ – распадах:
при α - распаде
A
A 4
4
Z X Z 2Y 2 He
(13)
при β_- распаде
A
A
0
Z X Z 1Y 1 e
(14)
A
Z X
– материнское ядро,
Здесь
Y – символ дочернего ядра,
4
2 He − ядро гелия,
0
1 e
– символическое обозначение электрона,
для которого A = 0 и Z = –1.
32

33.

х
Ядерные реакции и их основные типы
Ядерная реакция – это превращение
атомных
ядер
при
взаимодействии
с
элементарными частицами (в том числе и с γквантами) или друг с другом.
Наиболее распространенным видом ядерной
реакции
является
реакция,
записываемая
символически следующим образом:
X a Y b , или
X (a, b)Y
где X и Y – исходные и конечные ядра,
а и b – бомбардирующая и испускаемая (или
33
испускаемые) в ядерной реакции частицы.

34.

х
В
ядерной
физике
эффективность
взаимодействия характеризуют эффективным
сечением σ.
С каждым видом взаимодействия частицы с
ядром связывают своё эффективное сечение:
• эффективное сечение расщепления определяет
процесс расщепления;
• эффективное сечение поглощения – процессы
поглощения.
34

35.

х
Эффективное сечение ядерной реакции:
dN /( nNdx)
где N – число частиц, падающих за единицу времени на
единицу площади поперечного сечения вещества,
имеющего в единице объёма n - ядер;
dN – число этих частиц, вступающих в реакцию
в слое толщиной dx.
Эффективное
сечение
σ
имеет
размерность
площади
и
характеризует
вероятность того, что при падении пучка
частиц на вещество произойдёт реакция.
Единицы измерения эффективного сечения
ядерных процессов – барн (1барн = 10–28 м2). 35

36.

х
В любой ядерной реакции выполняются:
законы сохранения электрических зарядов и
массовых чисел: сумма зарядов (и сумма массовых
чисел) ядер и частиц, вступающих в реакцию,
равна сумме зарядов (и сумме массовых чисел)
конечных продуктов (ядер и частиц) реакции.
Выполняются также
•законы сохранения энергии,
•импульса,
•момента импульса.
36

37.

х
В отличие от радиоактивного распада,
который всегда протекает с выделением энергии,
ядерные
распады
могут
быть
как
экзотермические (с выделением энергии), так и
эндотермические (с поглощением энергии).
37

38.

х
Важнейшую роль в объяснении механизма
многих ядерных реакций сыграло предположение
М. Бора (1936 г.) о том, что ядерные реакции
протекают в две стадии по следующей схеме:
X a C Y b
(1)
Первая стадия – это захват ядром X частицы a,
приблизившийся к нему на расстояние действия
ядерных сил (примерно 2∙10–15м),
и образование промежуточного ядра С,
называемого составным (или компаунд – ядром).
38

39.

х
X a C Y b
Энергия влетевшей в ядро частицы быстро
распределяется между нуклонами составного ядра,
в результате чего оно оказывается в возбуждённом
состоянии.
При столкновении нуклонов составного
ядра один из нуклонов (или их комбинация,
например дейтрон или α-частица) может
получить энергию, достаточную для вылета из
ядра.
В результате наступает вторая стадия
ядерной реакции – распад составного ядра на
39
ядро Y и частицу b.

40.

х
В ядерной физике вводится характерное ядерное время –
время, необходимое для пролета частицей расстояния
порядка величины равной диаметру ядра (d≈10–15м). Так
для частицы с энергией 1 МэВ (что соответствует её
скорости 107 м/с) характерное ядерное время τ≈10–22c. С
другой стороны доказано, что время жизни составного
ядра 10–16 – 10–12 с, т.е. составляет (106 – 1010)τ. Это
означает, что за время жизни составного ядра, может
произойти очень много столкновений нуклонов между
собой, т.е. перераспределение энергии между нуклонами
действительно возможно. Следовательно, составное ядро
живет настолько долго, что полностью «забывает», каким
образом оно образовалось. Поэтому характер распада
составного ядра (испускаемые им частицы b) – вторая
стадия ядерной реакции – не зависит от способа
40
образования составного ядра – первой стадии.

41.

Если испущенная частица тождественна с
захваченной (b ≡ a), то схема (1) описывает
рассеяние частицы:
упругое – при Eb=Ea;
неупругое – при Eb≠Ea.
Если
же
испущенная
частица
не
тождественна с захваченной (b ≠ a), то имеем
сходство с ядерной реакцией в прямом смысле
слова.
Некоторые
реакции протекают
без
образования составного ядра, они называются
прямыми
ядерными
взаимодействиями
(например, реакция вызываемые быстрыми
41
нуклонами и дейтронами).
х

42.

х
Ядерные реакции классифицируются
по следующим признакам:
1. по роду участвующих в них частиц
• реакции под действием нейтронов;
• реакции под действием заряженных частиц
(например, протонов, дейтронов, α-частиц);
• реакции под действием γ-квантов;
42

43.

х
2. по энергии вызывающих их частиц –
• реакции при малых энергиях (порядка
электрон-вольт), происходящие в основном с
участием нейтронов;
• реакции при средних энергиях (порядка до
нескольких МэВ), происходящие с участием γквантов и заряженных частиц (протон, α-частицы);
• реакции происходящие при высоких энергиях
(сотни и тысячи МэВ), приводящие к образованию
отсутствующих
в
свободном
состояние
элементарных частиц и имеющих большое
значение для их изучения;
43

44.

х
3. по роду участвующих в них ядер – реакции
на лёгких ядрах (А < 50); реакции на средних ядрах
(50 < A < 100);реакции на тяжёлых ядрах (A > 100);
4. по характеру происходящих ядерных
превращений –
• реакции с испусканием нейтронов;
• реакции с испусканием заряженных частиц;
• реакции захвата (в этих реакциях составное
ядро не испускает никаких частиц, а переход в
основное состояние, испуская один или несколько
γ-квантов).
44

45.

х
Деление ядер
Задача была решена немецкими физиками Л.
Мейтнер и О. Фришем, показавшими, что при
поглощении нейтронов ураном происходит
деление ядра на два осколка.
92U
+ n → 56Ba +36Kr + kn
где k > 1.
При делении ядра урана тепловой нейтрон с
энергией ~ 0,1 эВ освобождает энергию
~ 200 МэВ.
45

46.

46

47.

47

48.

х
Используется цепная реакции деления
в двух направлениях:
• управляемая ядерная реакция деления –
создание атомных реакторов;
• неуправляемая ядерная реакция деления –
создание ядерного оружия.
В 1942 г. под руководством Э. Ферми в США
был построен первый ядерный реактор.
В СССР первый реактор был запущен в 1946 г.
под руководством И. Курчатова.
В 1954 г. в СССР была построена первая атомная
48
электростанция.

49.

х
В ядерной физике рассматриваются два
процесса: - синтеза и деления ядер.
Если соединить два легких ядра, то
масса суммарного ядра будет меньше суммы
масс первоначальных ядер на М (дефект
масс).
При соединении легкие ядра сольются
с выделением энергии Мс2. Этот процесс
называется синтезом ядер. Разность масс
может превышать 0,5%.
Энергия водородной бомбы это энергия,
выделяющаяся при ядерном синтезе.
49

50.

У тяжелых ядер существует
тенденция к делению на два более
легких ядра с выделением энергии.
Если расщепляется тяжелое ядро на
два более легких ядра, то их масса будет
меньше массы родительского ядра
на 0,1%.
Энергия
атомной
бомбы
и
ядерного
реактора
представляет
собой энергию, высвобождающуюся
при делении ядер.
50

51.

х
Оценка энергии,
освобождающейся при делении,
может быть получена из
формулы Вайцзеккера:
Eсв α1 A α 2 A
2/3
α3Z / A
2
1/ 3
3 / 4
α 4 ( A / 2 Z ) / A α5 A
2
51

52.

х
При делении ядра на два осколка изменяются
поверхностная энергия Eп = α2 A2/3 и
кулоновская энергия Eк = α3 Z2 / A1/3,
причем поверхностная энергия увеличивается, а
кулоновская энергия уменьшается.
Деление возможно в том случае, когда
энергия, высвобождающаяся при делении Е > 0.
E
2
Z1
α3 1 / 3
A1
2/3
0,37 α 2 A1 0,26 0
Здесь A1 = A/2, Z1 = Z/2.
Отсюда получим, что деление энергетически выгодно,
когда Z2/A > 17.
Величина Z2/A называется параметром делимости
Энергия Е, освобождающаяся при делении, растет с 52
увеличением Z2/A.

53.

х
В процессе деления ядро
изменяет
форму
последовательно проходит
через следующие стадии :
шар, эллипсоид, гантель, два
грушевидных осколка, два
сферических осколка.
53

54.

Высота барьера деления Н тем больше, чем
меньше отношение кулоновской и поверхностной
энергии Eк / Eп в начальном ядре.
Это отношение, в свою очередь, увеличивается с
увеличением параметра делимости Z2/А.
Чем тяжелее ядро, тем меньше высота барьера
деления Н, так как параметр делимости
увеличивается с ростом массового числа
Более тяжелым ядрам, как правило, нужно
сообщить меньшую энергию, чтобы вызвать деление.
Из формулы Вайцзеккера следует, что высота
барьера деления обращается в нуль при
Z / A 49
2
54

55.

С увеличением параметра делимости Z / A
т.е. с уменьшением высоты барьера деления
растет вероятность спонтанного деления
Вынужденное деление ядер с Z 2 / A 49
может быть вызвано любыми частицами:
фотонами, нейтронами, протонами, дейтронами, αчастицами и т.д., если энергия, которую они
вносят в ядро, достаточна для преодоления
барьера деления.
Массы осколков, образующихся при делении
тепловыми нейтронами, не равны:
ядро стремится разделиться таким образом,
чтобы основная часть нуклонов осколка
55
образовала устойчивый магический остров
2

56.

х
На рисунке приведено распределение по
массам при делении 235U. Наиболее вероятная
56
комбинация массовых чисел 95 и 139.

57.

В результате деления высвобождается
энергия ~ 200 МэВ энергии.
За один акт деления образуется более двух
нейтронов деления со средней энергией ~ 2 МэВ.
В 1 г любого вещества содержится
2
13
mc 9 10 Дж
Деление 1 г урана сопровождается выделением
~ 9 1010 Дж. Это почти в 3 млн раз превосходит
энергию сжигания 1 г угля (2,9 104 Дж).
Стоимость 1 Дж энергии, полученной
сжиганием угля, оказывается в 400 раз выше,
чем в случае уранового топлива.
Выработка 1 кВт ч энергии обходилась в571,7

58.

х
Благодаря цепной реакции
процесс деления ядер можно
сделать самоподдерживающимся
58
При каждом делении вылетают 2 или 3 нейтрона

59.

При каждом делении вылетают 2 или 3 нейтрона
Если одному из этих нейтронов удастся вызвать
деление другого ядра урана, то процесс будет
самоподдерживающимся.
Совокупность делящегося вещества, удовлетворяющая этому требованию - критическая сборка.
Первая такая сборка, названная ядерным
реактором, была построена в 1942 г. под
руководством Энрико Ферми на территории
Чикагского университета в США.
Первый ядерный реактор был запущен в 1946 г.
под руководством И. Курчатова в Москве.
Первая атомная электростанция мощностью 5
59
МВт была пущена в СССР в 1954 г. в г. Обнинске

60.

60

61.

х
Первая атомная электростанция мощностью 5 МВт
61
была построена пущена в СССР 27.6.1954 г. в г. Обнинске

62.

62

63. Конструктивная схема реактора на быстрых нейтронах типа БН-600 Корпусной – интегральная компоновка. Топливо –

высокообогащенная двуокись урана (до
21% по урану 235U).
Теплоноситель – жидкий Na.
Тип твэлов – стержневые.
63

64. Реакторы типа ВВРд (PWR)

64

65.

В настоящее время тепловая и электрическая
энергия вырабатывается в сотнях ядерных
реакторов, работающих в различных странах мира.
65

66. Типы ядерных реакторов.

• Ядерным реактором называется устройство, в
котором осуществляется управляемая реакция
деления ядер.
• Система управления реактором состоит из набора
стержней, состоящих из материала
высокопоглощающего нейтроны.
• Стержни располагаются в специальных каналах и
могут быть подняты или опущены в реактор.
• В поднятом состоянии они способствуют разгону
реактора, в опущенном - заглушают его.
66

67.

Основные элементы активной зоны
реактора: ядерное топливо, замедлитель
нейтронов, теплоноситель для отвода
тепла и устройство для регулирования
скорости реакции.
67

68. ВВЭР (Водо-Водяной Энергетический реактор)

• Реакторы ВВЭР являются самым распространенным
типом реакторов в России. Весьма привлекательны
дешевизна используемого в них теплоносителязамедлителя и относительная безопасность в
эксплуатации, несмотря на необходимость
использования в этих реакторах обогащенного урана.
• Из самого названия реактора ВВЭР следует, что у
него и замедлителем, и теплоносителем является
обычная легкая вода. В качестве топлива
используется обогащенный до 4.5% уран.
68

69.

69

70. Он имеет два контура-1 реакторный, полностью изолирован от 2, что уменьшает радиоактивные выбросы в атмосферу. Циркуляционные

насосы прокачивают воду через реактор и
теплообменник. Вода реакторного контура находится под
повышенным давлением, так что несмотря на ее высокую
температуру (293 градуса - на выходе, 267 - на входе в реактор) ее
закипания не происходит.
Вода второго контура находится под обычным давлением, так
что в теплообменнике она превращается в пар. В
теплообменнике-парогенераторе теплоноситель, циркулирующий
по первому контуру, отдает тепло воде второго контура.
Пар, генеруемый в парогенераторе, по главным паропроводам
второго контура поступает на турбины и, отдает часть своей
энергии на вращение турбины, после чего поступает в
конденсатор. Конденсатор, охлаждаемый водой циркуляционного
контура (третий контур), обеспечивает сбор и конденсацию
отработавшего пара. Конденсат, пройдя систему подогревателей,
подается снова в теплообменник.
Энергетическая мощность большинства реакторов ВВЭР в нашей
70
стране - 1000 мегаватт (Мвт).

71.

Строение активной зоны реактора
ВВЭР .
Она имеет прочный наружный
стальной корпус, могущий в случае
непредвиденных обстоятельств
локализовать возможную аварию.
Корпус полностью заполнен водой
под высоким давлением.
В середине активной зоны
расположены
ТВС(тепловыделяющая сборка) с
шагом в 20-25 см.
Некоторые ТВС дополнены сверху
поглотителем из бороциркониевого
сплава и нитрида бора и способны
находится в активной зоне или
бороциркониевой частью, или
урановой - таким образом
осуществляется регулирование
цепной реакции.
Вода подается в реактор снизу под
давлением.
Сверху реактор закрыт стальной
71
крышкой, герметизирующей его
корпус и являющейся биозащитой.

72. РБМК (Реактор Большой Мощности Канальный)

• РБМК построен по несколько другому
принципу, чем ВВЭР.
• Прежде всего в его активной зоне происходит
кипение - из реактора поступает пароводная
смесь, которая, проходя через сепараторы,
делится на воду, возвращающуюся на вход
реактора, и пар, который идет
непосредственно на турбину.
72

73.

73

74. Активная зона реактора — вертикальный цилиндр диаметром 11.8 метров и высотой 7 метров. По периферии активной зоны, а также

• Активная зона реактора — вертикальный цилиндр
диаметром 11.8 метров и высотой 7 метров.
По периферии активной зоны, а также сверху и
снизу расположен боковой отражатель - сплошная
графитовая кладка.
Активная зона собрана из графитовых
шестигранных колонн, собранных из блоков. По
центру каждого блока сквозь всю колонну проходят
сквозные отверстия для размещения технологических
каналов и стержней СУЗ (система управления
защитой).
Кассета (конструкция из таблеток урана и
собирающего их вместе корпуса) состоит из двух
последовательно соединенных тепловыделяющих
сборок (ТВС),
74

75. Стенки кассеты плотно фиксированы к графитовой кладке, а внутри кассет циркулирует вода. В остальных каналах расположены

стержни системы управления
защитой, которые состоят из поглотителя бороциркониевого сплава.
Некоторые каналы полностью
изолированы от теплоносителя, и в них
расположены датчики радиации.
Электрическая мощность РБМК - 1000
Мвт.
АЭС с реакторами РБМК составляют
заметную долю в атомной энергетике.
Так, ими оснащены Ленинградская,
Курская, Чернобыльская, Смоленская,
75
Игналинская АЭС.

76. Активная зона реактора РБМК

76

77.

• При возникновении нештатных ситуаций,
реактор ВВЭР заглохнет, а реактор РБМК
продолжит разгон с нарастающей
интенсивностью, что может привести к очень
интенсивному тепловыделению, результатом
которого будет расплавление активной зоны
реактора.
• Это очень опасно, так как при контакте
расплавленных циркониевых оболочек с водой
происходит разложение ее на водород и
кислород, образующих крайне взрывчатый
гремучий газ, при взрыве которого неизбежно
разрушение активной зоны и выброс
радиоактивных топлива и графита в
77
окружающую среду.

78. Именно по такому пути развивались события при аварии на Чернобыльской АЭС. Поэтому в реакторе РБМК как нигде важна роль

защитных систем, которые будут или
предотвращать разгон реактора, или экстренно
его охлаждать в случае разгона, гася подъем
температуры и вскипание теплоносителя.
Современные реакторы типа РБМК
оборудованы достаточно эффективными
подобными системами, практически сводящими
на нет риск развития аварии (на Чернобыльской
АЭС в ночь аварии по преступной халатности в
нарушение всех инструкций и запретов были
полностью отключены системы аварийной
78
защиты).

79. Реактор РБМК требует меньшего обогащения топлива, обладает лучшими возможностями по наработке делящегося материала (плутония),

имеет непрерывный
эксплуатационный цикл, но более
опасен в эксплуатации, у него
больше радиационные выбросы в
атмосферу.
79

80. Реактор на тяжелой воде.

У тяжелой воды очень низкая степень
поглощения нейтронов и очень высокие
замедляющие свойства, превышающие
аналогичные свойства графита.
Вследствие
этого реакторы на тяжелой воде работают на
необогащенном топливе, что позволяет не строить
сложные и опасные предприятия по обогащению
урана.
В принципе хорошо спроектированный и
построенный реактор на тяжелой воде может
работать долгие годы на естественном уране,
нуждающемся лишь в выделении его из руды, и
давать дешевую энергию.
Но тяжелая вода очень дорога в производстве,
и поэтому вследствие неизбежных утечек ее из
трубопроводов суммарные затраты на
80
эксплуатацию реактора возрастают и

81.

81

82. В качестве теплоносителя первого контура может использоваться замедлитель - тяжелая вода, хотя имеются реакторы, где

В качестве теплоносителя
первого контура может
использоваться замедлитель тяжелая вода, хотя имеются
реакторы, где теплоноситель легкая вода, а контуры циркуляции
теплоносителя и замедлителя
разделены.
Конструкция реактора во многом
аналогична конструкции реактора
ВВЭР.
82

83. Реактор с шаровой засыпкой.

Реактор с шаровой
засыпкой.
В реакторе с шаровой засыпкой активная зона
имеет форму шара, в который засыпаны
тепловыделяющие элементы, также
шарообразные.
Каждый элемент представляет из себя
графитовую сферу, в которую вкраплены частицы
оксида урана.
Через реактор прокачивается газ - чаще всего
используется углекислота СО2. Газ подается в
активную зону под давлением и впоследствии
поступает на теплообменник.
Регулирование реактора осуществляется
83
стержнями из поглотителя, вставляемыми в

84.

84

85. Реактор на быстрых нейтронах.

Реактор на быстрых нейтронах очень сильно
отличается от реакторов всех остальных типов.
Его основное назначение - обеспечение
расширенного воспроизводства делящегося
плутония из урана-238 с целью сжигания всего или
значительной части природного урана, а также
имеющихся запасов обедненного урана.
При развитии энергетики реакторов на быстрых
нейтронах может быть решена задача
самообеспечения ядерной энергетики
топливом.
85

86.

86

87.

1-Шахта; 2-Корпус;
3-Главный
циркуляционный насос
1 контура;
4-Электродвигатель
насоса; 5-Большая
поворотная пробка;
6-Радиационная защита;
7-Теплообменник
"натрий-натрий";
8-Центральная
поворотная колонна с
механизмами СУЗ;
9-Активная зона.
87

88.

1-Реактор; 2-Главный циркуляционный насос первого контура; 3-Промежуточный теплообменник; 4Тепловыделяющие сборки; 5-Парогенератор; 6-Буферная и сборная емкости; 7-Главный циркуляционный
насос второго контура; 8-Турбоустановка; 9-Генератор; 10-Трансформатор; 11-Конденсаторы; 12Циркуляционные насосы; 13-Конденсатные насосы; 14-Подогреватели; 15-Деаэратор; 16-Питательные
насосы; 17-Пруд-охладитель; 18-Отпуск электроэнергии потребителю;
88

89. Заключение.

Атомная энергетика - активно
развивающаяся отрасль.
Очевидно, что ей
предназначено большое
будущее, так как запасы нефти,
газа, угля постепенно иссякают,
а уран - достаточно
распространенный элемент на
Земле.
89

90.

Ядерное оружие
90

91.

Ядерное оружие
235
U
Массу
Pu
можно сделать надкритической.
В этом случае возникающие при делении
нейтроны будут вызывать несколько
вторичных делений.
Поскольку нейтроны движутся со
скоростями, превышающими 108 см/с,
надкритическая сборка может полностью
прореагировать (или разлететься) быстрее, чем
за тысячную долю секунды.
91
Такое устройство называется атомной бомбой
239

92. Организация Манхэттнэнского Проекта

Бригадный генерал
Лесли Гровс
Роберт
Оппенгеймер

93. Первые испытания. «100-тонный тест.»

7 Мая 1945 состоялся эксперементальный
взрыв 108 тонн композиции B (смеси TNT/RDX тола и гексагена) в целях проверки и калибровки
регистрирующего оборудования (в научных целях,
в общем).

94. Тринити. Гаджет. Сборка.

Практически полностью
готовый Gadget.
кодовое название первого испытания атомной бомбы США 16
июля 1945 в Аламогордо, штат Нью-Мексико.

95. Первое испытание атомной бомбы. Атомный взрыв.

16 Июля 1945, 5:29:45
полигон Аламагордо,
пустыня Jornada del
Muerto
Мощность: 20-22 кт
25-я миллисекунда
взрыва.

96. Последствия взрыва.

Картина последствий
испытания, 28 часов
спустя. Тёмное пятно на
фотографии —
спёкшаяся в рыхлую
корку земля (тринитит). В
нижней правой части
рисунка виден кратер от
100-тонного теста
Первые слова бригадного генерала Т. Фарелла, когда он подошел к
Гровсу, были: "Война кончена". На это Гровс ответил: "Да, но после
того, как мы сбросим ещё две бомбы на Японию".

97. Итоги. Хиросима и Нагасаки.

Макет бомбы «Little Boy»,
сброшенной на Хиросиму
Макет бомбы «Fat Man», сброшенной
на Нагасаки

98. Варианты детонации. Пушечная схема.

Один блок
делящегося
вещества
докритической
массы («пуля»)
выстреливается
в другой
(«мишень»).

99. Имплозивная схема.

Получение
сверхкритического
состояния путём
обжатия
делящегося
материала
сфокусированной
ударной волной.

100.

На рис.
изображена схема атомной бомбы
«Малыш», сброшенной на Хиросиму.
235
U
Ядерной взрывчаткой в бомбе служил
разделенный на две части, масса которых была меньше
критической.
235
U
Необходимая для взрыва критическая масса
создавалась в результате соединения обеих частей
«методом пушки» с помощью обычной взрывчатки.
100

101.

х
101

102.

При взрыве 1 т тринитротолуола (ТНТ)
высвобождается 109 кал, или 4 109 Дж. При взрыве
атомной бомбы, расходующей 1 кг плутония,
высвобождается около 8 1013 Дж энергии.
Это почти в 20 000 раз больше, чем при
взрыве 1 т ТНТ. Такая бомба называется 20килотонной бомбой.
Современные
бомбы
мощностью
в
мегатонны в миллионы раз мощнее обычной
ТНТ-взрывчатки.
102

103.

104.

104

105.

х
4.7. Синтез ядер
Масса или энергия покоя двух легких ядер
оказывается больше, чем у суммарного ядра.
Если
легкие
ядра
привести
в
соприкосновение, то результирующее ядро имело
бы меньшую массу и высвободилась бы энергия,
равная разности масс.
Например: Если соединить два дейтрона и
получить ядро гелия, масса которого меньше
суммарной массы двух дейтронов на 24 МэВ, то
высвободится энергия синтеза 24 МэВ.
105

106.

х
Процесс синтеза примерно в 6 раз
эффективнее процесса деления урана.
В
воде
озер
и
океанов
имеются
неограниченные запасы недорогого дейтерия.
Серьезным препятствием на пути к
получению
энергии
в
неограниченных
количествах из «воды» является закон Кулона.
Электростатическое
отталкивание
двух
дейтронов при комнатной температуре не
позволяет им сблизиться до расстояний, на
которых
сказываются
короткодействующие
ядерные силы притяжения.
106

107.

х
Для получения управляемой термоядерной
энергии и для инициирования термоядерного
взрыва
водородной
бомбы
необходима
температура около 5 107 К.
Ядерные реакции, требующие для своего
осуществления температур порядка миллионов
градусов,
называются
термоядерными.
Мгновенные температуры, развивающиеся
при взрыве атомной бомбы, оказываются
достаточно
высокими,
чтобы
поджечь
термоядерное горючее.
107

108.

х
Вместо жидкого дейтерия в качестве
горючего используется соединение LiD, причем
только с изотопом 6Li.
6Li
Изотоп
поглощает
нейтроны,
возникающие в реакции 2 D 2 D 3 He n
таким образом,
n Li T He
6
3
4
Затем тритий (3T) вступает в реакцию
2
D T He n
3
4
108

109.

Происходит выгорание дешевого дейтерида
лития-6 (6Li 2D) с образованием 3Не, 4Не и
нейтронов.
Начавшись,
термоядерные
реакции
сопровождаются выделением энергии, и этим
обеспечивается поддержание высоких температур,
пока большая часть вещества быстро не
«выгорит».
Происходит взрыв водородной бомбы.
Термоядерное горючее для водородной бомбы
(дейтерид лития-6) дешево, и нет ограничений на
его количество при использовании в бомбе.
Проводились испытания бомб мощностью
109
7
60 мегатонн (с ТНТ-эквивалентом 6 10 т).
х

110.

Энерговыделение при взрыве термоядерной
водородной бомбы можно почти удвоить (при
этом стоимость ее увеличится не намного) за счет
использования оболочки из 238U.
В этом случае нейтроны, возникающие в
результате термоядерных реакций, вызывают
деление ядер 238U, что приводит к увеличению
числа нейтронов, бомбардирующих 6Li, и т.д.
х
В большинстве взрывов водородных бомб
энерговыделение, обусловленное делением ядер,
оказывается таким же, как и получаемое в
процессе синтеза, и сопровождается опасными
110
выпадениями радиоактивных продуктов деления.

111.

х
111

112.

х
4.8 Управляемый синтез
Чтобы с помощью ядерного синтеза получить
полезную энергию, термоядерные реакции должны
быть управляемыми.
Необходимо найти способы создания и
поддержания температур во много миллионов
градусов.
Одна из технических проблем связана с тем,
что высокотемпературный газ, или плазму, нужно
удерживать таким образом, чтобы не расплавились
стенки соответствующего объема.
112

113.

На рисунке показана предполагаемая схема
конструкции термоядерного реактора.
113

114.

114

115. Тороидальная камера с магнитным полем

115

116. Принципиальная схема установки:

116

117.

Центральны
й соленоид
Катушка
ОТП
Вакуумна
я камера
Катушка
ОПП
Опорная
колонна
Межблочные
силовые структуры
Диверторное
устройство
ОПП
Нижняя опорная
структура
Чертеж общего вида
КТМ с сечением.
117

118.

Межблочные
силовые
структуры
Катушки
ОПП
Вид в плане на КТМ с вакуумной камерой.
118

119.

119
Сечение центрального соленоида

120.

120

121.

Проследив все этапы развития
термоядерной энергетики от начала и до
конца можно сделать вывод, что всё
должно кончиться пуском “настоящего”
термоядерного реактора в начале ХХI века,
хотя ещё предстоит пройти трудный путь.
121

122.

.
122

123. C 300

123

124. PN 3

124

125. T 10

125

126. T 15

126

127.

х
Электростанция,
работающая
на
термоядерной реакции, из-за отсутствия в ней
продуктов деления должна иметь значительно
меньшую радиоактивность по сравнению с
ядерными реакторами.
Однако в термоядерных установках испускается,
а затем захватывается большое число нейтронов, что,
как правило, приводит к образованию радиоактивных
изотопов. Поэтому вокруг камеры с плазмой
предполагается создавать оболочку («бланкет») из
лития. И в этом случае нейтроны будут производить
тритий (изотоп водорода 3T с периодом полураспада
12 лет), который можно использовать в дальнейшем
127
как горючее.

128.

х
Идея лазерного термоядерного синтеза
заключается в облучении лазерным излучением
небольшой сферической оболочки, заполненной
газообразным или твердым топливом.
Под действием излучения материал оболочки
испаряется и создает реактивные силы, способные
сжать оболочку и содержащуюся в ней
реагирующую смесь.
128

129.

129

130.

130

131.

131

132.

132

133.

133

134.

Радиационная безопасность
Количество несчастных случаев, связанных с
атомной энергетикой, значительно меньше на АЭС,
чем в других областях человеческой деятельности.
Тем не менее, несколько лет назад происшедшая
авария в Чернобыле заставляет пересмотреть наше
отношение к организации безопасности работы АЭС
и защиты от неконтролируемого развития ядерной
реакции. Необходимо дальнейшее снижение
вероятности возникновения аварийных ситуаций,
хотя, вероятно, полностью избежать их никогда не
удастся.
134

135. Радиоактивность

136.

Окружающая радиоактивность

137.

Естественная радиация

138.

Техногенная
радиоактивность

139.

Защита от радиации
От источника
радиации
защищаются
временем,
расстоянием и
веществом.

140.

Радиопротекторы

141.

Название элемента
Характеристика элемента и меры предосторожности
Период
полураспада
Радон-222
Газ, испускающий α - частицы. Образуется в горных породах. Опасен при
накоплении в шахтах, подвалах, необходимо проветривание.
Ксенон-133
Газообразные изотопы. Образуются и распадаются в процессе работы
атомного реактора. В качестве защиты- изоляция
5 суток
Йод-131
Испускает β – частицы и γ – излучение. Образуется при работе атомного
реактора. Вместе с зеленью усваивается животными и переходит в молоко.
Накапливается в щитовидной железе человека. В качестве защиты от
облучения применяют «йодную диету», т.е. вводят в рацион человека
стабильный йод.
8 суток
Криптон-85
Тяжелый газ, испускающий β – частицы и γ – излучение. Входит в состав
отработанного топливного элемента реактора. Выделяется при ох хранении.
Защита – изолированное помещение.
10 лет
Металл, испускающий β – частицы. Основной продукт деления в
радиоактивных отходах. Накапливается в костных тканях человека.
29 лет
Цезий-137
Металл, испускающий β – частицы и γ – излучение. Накапливается в
клетках мышечной ткани.
30 лет
Радий-226
Тяжелый газ, испускающий α – частицы, β – частицы и γ – излучение.
Защита – укрытия, убежища
1600 лет
Углерод-14
Испускает β – частицы. Естественный природный изотоп углерода.
Используется при определении возраста материала.
5500 лет
Испускает α – частицы. Содержится в радиоактивных отходах. Защита –
качественное захоронение радиоактивных отходов.
24000 лет
Стронций -90
Плутоний-239
Калий-40
Испускает β – частицы и γ – излучение. Содержится и замещается во всех
растениях и животных
3,8 суток
141
1,3 млрд. лет

142.

Биологическое действие ионизирующих
излучений и способы защиты от них
Различают два вида эффекта воздействия на
организм ионизирующих излучений:
соматический и генетический
При соматическом эффекте последствия
проявляются непосредственно у облучаемого,
при генетическом – у его потомства.
Соматические эффекты могут быть ранними или
отдалёнными.
Ранние возникают в период от нескольких минут до
30–60 суток после облучения. К ним относят покраснение
и шелушение кожи, помутнение хрусталика глаза,
142
поражение кроветворной системы, лучевая болезнь.

143.

Острая лучевая болезнь легкой степени тяжести
развивается при воздействии излучения в дозе 1–2.5 Гр.
Первичная реакция (первые 2–3 дня) –
головокружение, тошнота. Латентный период (около 1
месяца) – постепенное снижение первичных признаков.
Восстановление полное.
Острая лучевая болезнь средней степени тяжести
развивается при воздействии излучения в дозе 2.5–4 Гр
Первичная реакция (первые 1–2 часа) –
головокружение, тошнота, рвота. Латентный период
(около 25 дней) – наличие изменения слизистых
оболочек, инфекционных осложнений, возможен
летальный исход.
143

144.

Острая лучевая болезнь тяжелой степени
развивается при воздействии излучения в дозе 4–10 Гр.
Первичная реакция (первые 30–60 минут) – головная
боль, повторная рвота, повышение температуры тела.
Латентный период (около 15 дней) – инфекционные
поражения, поражения слизистых оболочек, лихорадка.
Частота летальных исходов выше, чем при средней
степени тяжести.
Острая лучевая болезнь крайне тяжелой степени
развивается при воздействии излучения в дозе более 10 Гр.
Летальный исход почти неизбежен.
Несмотря на ту опасность, которую представляет
атомная энергетика, она является той экологически чистой
индустрией, на которую возлагает свои надежды144все
передовое человечество.