Колбаенков Александр Николаевич Содержание 1 Энергия связи

Колбаенков Александр Николаевич

Содержание: 1. Энергия связи атомного ядра 2. Ядерные реакции 3. Цепная ядерная реакция 4. Термоядерный синтез 5. Ядерный реактор 6. Применение ядерной энергии 2

Часть 1 Энергия связи атомного ядра 3

Состав ядра атома 4

Энергия связи атомного ядра – энергия, которая необходима для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны Е = m·c² Есв = ΔM·c² 5

Дефект масс- ΔM – разность масс покоя нуклонов, составляющих ядро атома, и массы целого ядра Mя < Z·mp + N·mn ΔM= Z·mp + N·mn - Mя На 1 а. е. м. приходится энергия связи = 931 Мэ. В 6

Сравнение ядерной энергии и тепловой Синтез 4 г гелия Сгорание 2 вагонов каменного угля = 7

Удельная энергия связи, приходящаяся на один нуклон ядра Есв Еуд = А 8

Часть 2 Ядерные реакции 9

Ядерные реакции – искусственные преобразования атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами или друг с другом Условия: 1) Частицы вплотную приближаются к ядру и попадают в сферу действия ядерных сил; 2) Частицы должны обладать большой кинетической энергией (…с помощью ускорителей элементарных частиц и ионов) 10

Первые ядерные реакции Э. Резерфорд, 1932 г. Ядерная реакция на быстрых протонах Li+1 H He+ He 3 7 1 4 → 4 2 2 11

Классификация ядерных реакций: 1. По энергии частиц, которые их вызывают: малые энергии≈ 100 э. В; средние ≈ 1 Мэ. В; высокие≈50 Мэ. В. 2. По виду ядер, которые участвуют в реакции: реакции на легких ядрах (А<50), средних(50<А<100) и тяжелых ядрах (А>100); 3. По природе бомбардирующих частиц: реакции на нейтронах, квантах, заряженных частицах; 4. По характеру ядерных преобразований: захват частиц с преобразованием в более массивное ядро, расщепление ядра на части при бомбардировании, переход ядра из возбужденного состояния в нормальное. 12

Энергетический выход ядерных реакций Е= Δm·c² разность энергий покоя ядер и частиц до реакции и после реакции Пример: Δm= (m 2 H 1 3 + m 1 H) – (m 4 He + m 1 n) 2 0 Если Е < 0, то энергия выделяется (экзотермическая); Если Е > 0, то энергия поглощается (эндотермическая). 13

Ядерные реакции на нейтронах 1934 г. , Э. Ферми – облучали нейтронами почти все элементы периодической системы. Нейтроны, не имея заряда, беспрепятственно проникают в атомные ядра и вызывают их изменения. 27 13 1 0 24 4 2 Al + n → 11 Na + He Реакции на быстрых нейтронах. Реакции на медленных нейтронах (более эффективны, чем быстрые; 1 n замедляют в обычной воде) 0 14

Деление ядер урана Открытие в 1938 г. О. Ган, Ф. Штрассман Объяснение в 1939 г. О. Фриш, Л. Мейтнер При бомбардировке нейтронами 235 U образуется 80 различных ядер. 91 142 Деление происходит Ba Наиболее вероятное под действием кулоновских сил деление на Kr и в соотношении 2/3 94 Rb α -излучение γ-излучение 15

Часть 3 Цепная ядерная реакция 16

Ядерной цепной реакцией называется реакция, в которой частицы, вызывающие её (нейтроны), образуются как продукты этой реакции В 1940 г. , Г. Флеров и В. Петржак обнаружили самопроизвольное (спонтанное) деление ядер урана – цепная ядерная реакция 17

Для осуществления цепной реакции необходимо, чтобы среднее количество освобожденных нейтронов с течением времени не уменьшалось. Отношение количества нейтронов в каком-либо «поколении» к количеству нейтронов в предыдущем «поколении» называют коэффициентом размножения нейтронов k Если k < 1, реакция быстро затухает, Если k = 1, то реакция протекает с постоянной интенсивностью (управляемая), Если k >1, то реакция развивается лавинно (неуправляемая) и приводит к ядерному взрыву 18

Коэффициент размножения определяют следующие факторы: 235 1) Захват медленных нейтронов ядрами U 235 236 или захват быстрых нейтронов ядрами U с последующим делением. 2) Захват нейтронов ядрами урана без деления. 3) Захват нейтронов продуктами деления, замедлителем и конструктивными элементами установки. 4) Вылет нейтронов наружу из вещества, которое делится. 19

Чтобы уменьшить вылет нейтронов из куска урана увеличивают массу урана (масса растет быстрее, чем площадь поверхности, если форма – шар). Минимальное значение массы урана, при которой возможна цепная реакция, называется критической массой. В зависимости от устройства установки и типа горючего критическая масса изменяется от 250 г до сотен килограммов 20

Часть 4 Термоядерный синтез 21

Термоядерная реакция - реакция слияния легких ядер при очень высокой температуре, сопровождающаяся выделением энергии Энергетически очень выгодна!!! 1. Самоподдерживающиеся – в недрах Солнца и других звезд. 2. Неуправляемая – водородная бомба!!! 3. Ведутся работы по осуществлению управляемой термоядерной реакции. 22

Часть 5 Ядерный реактор 23

Ядерный реактор – установка, в которой осуществляется управляемая цепная реакция деления тяжелых ядер 24

Первый ядерный реактор CP-1: США, 1942 г. , Э. Ферми 25

Условия работы: 3) 8)Горючее охлаждения для(Dреактор зону 5) Управление с помощью регулирующих 6) Ядерное горючее вытекания, 2 нейтронов 7) Системы дозиметрического O) тепла 1) Система – природный уран обогащенный 2) Замедлитель –лет службы контроля 4) Для уменьшениятяжелая активную После 30 -40 вводят в отвода активная зонасоединенийслоем и кадмия, К стержней из-235, торий или плутоний избиологическойвосстановлению , К– 900 ивиде стержней реактора (вода доне подлежит. защиты окружающей среды активной вода 5% ураном окружена бора отражателя вили обычнаязоны. Температура 800 жидкие (от протонов, нейтронов, γ-излучения активно некоторые органические графит) металлы, поглощающих нейтроны жидкости) 26

Часть 6 Применение ядерной энергии 27

Атомная энергетика Первая АЭС, 1954 г. , г. Обнинск, мощность 5000 к. Вт 28

Атомная энергетика ВВЭР – водо-водяной РБМК – атомный реактор энергетический реактор большой мощности канальный БН – атомный реактор ЭГП – атомный энергетический на быстрых нейтронах графитовый реактор с перегревом пара 29

Атомная энергетика 30

Схема устройства АЭС 31

Схема работы атомной электростанции с кипящим реактором 32

Ядерная энергия в мирных целях 33

Экспериментальные установки филиала Институт Атомной Энергии Национального Ядерного Центра Республики Казахстан 34

Реактор ИВГ. 1 М 35

Реактор ИВГ. 1 M Наименование параметра Тепловая мощность, МВт Плотность потока тепловых нейтронов, н/см 2 с Значе ние 60 8, 8 1014 Загрузка урана-235, кг 4, 6 Высота активной зоны, мм 800 Диаметр петлевого канала, мм 160 Расход воды через реактор, кг/с до 300 Максимальная температура воды на выходе из АЗ, МПа 95 36

Пультовая реактора ИВГ. 1 М 37

Реактор ИВГ. 1 М 38

Экспериментальный стенд ЛИАНА 39

Реактор ИРГИТ (РА) 40

Стенд «Ангара» , установка Лава-Б (УПР) 1 -Люк технологический; 2 Токоввод индуктора; 3 Съемная крышка; 4 Корпус силовой; 5 Фланец верхний; 6 Окно смотровое; 7 Днище приварное; 8 Ловушка бетонная; 9 Индуктор; 10 Патрубки технологические; 11 Парогазоввод; 12 Тележка ловушки; 13 Опорный винт; 14 Рельс; 15 Тележка крыши; 16 Рама опорная; 17 Рельс тележки крышки; 41 18 Ходовой винт.

Стенд «Ангара» , установка ЛАВА-Б 42

Стенд «Ангара» , установка Лава-Б (ЭПП) 1 -Канал инфракрасного датчика; 2 -Теплообменник; 3 -Водохлаждаемый канал; 4 Медная крышка; 5 -Токоввод; 6 -Крышка тигля; 7 -Тигель; 8 Пробка тигля; 9 -Корпус; 10 Индуктор; 11 -Медное днище; 12 -Механизм разрушения пробки; 13 -Шиберный затвор; 14 -Переходный фланец; 15 -Ловушка пробки; 16 -Подвижная термопара. 43

Стенд «Ангара» , установка ЛАВА-Б

Установка EAGLE Электроплавильная печь Мощность, подводимая к индуктору, к. Вт Частота, к. Гц 150 2, 4 Композиция, состоящая из UO 2, Zr. O 2 и нержавеющей стали: - масса, кг - температура расплава, °С 26 3000 Композиция, состоящая из Al 2 O 3: - масса, кг - температура расплава, °С 15 2200 Экспериментальное устройство Объём верхней ловушки, м 3 Длина сливной трубы, мм Внутренний диаметр сливной трубы, мм Толщина проплавляемой стенки трубы, мм 0, 01 1000 40 2 Результаты испытаний Количество экспериментов Масса расплава, слившаяся по трубе, кг Время проплавления стенки сливной трубы, с Скорость перемещения расплава, м/с 19 9, 2(10, 3) 1, 2( 2, 6) 2, 3(6, 5) Подтверждена возможность перемещения расплава по трубной конструкции Общий вид и конструктивная схема установки EAGLE для экспериментов без натрия 45

Подготовка стендового комплекса EAGLE для экспериментов с Na Система перелива натрия Натриевые системы стенда EAGLE 46