Ядерная физика Атомное ядро

картина мира.
Курс лекций по общей физики
Доцент Петренко Л.Г.






Кафедра

общей и экспериментальной физики НТУ «ХПИ»

Харьков - 2012 год

9.1. Атомное ядро

зарядовое числа. Момент импульса ядра и его магнитный момент. Состав

ядра по Иваненко и Гейзенбергу. Нуклоны. Невозможность существования электронов в атомном ядре.

Раздел 9. ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА И
ФИЗИКА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ.
СОВРЕМЕННАЯ ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА.

Опыты Резерфорда в 1911 году показали, что внутри атома имеется положительно заряженное ядро, локализованное в области
~10 -15м, имеющее массу, практически равную массе всего атома.

В 1913 году ученик Резерфорда Г.Мозли показал, что заряд ядра кратен порядковому номеру элемента
в таблице Менделеева.

В 1919 году Резерфорд осуществил первую искусственную ядерную реакцию, превратив азот в кислород, и открыл протон.

Тогда советский физик Д.Д Иваненко высказал идею о том,

что
ядро состоит из протонов и нейтронов.

Эта идея была развита
немецким физиком В.Гейзенбергом.

Итак, ядро состоит из протонов и нейтронов,
имеющих общее название - нуклоны.

Зарядовое число Z равно количеству протонов в ядре и порядковому номеру элемента
в таблице Менделеева.
Заряд ядра равен +Ze (е - элементарный заряд).

Характеристики ядра : зарядовое Z и массовое А числа.

Массовое число А равно количеству нуклонов в ядре.
Масса ядра равна массовому числу А, выраженному
в атомных единицах массы (а.е.м.).

Количество нейтронов в ядре равно N = A - Z.

ядер, отличающихся либо Z, либо А, либо тем и другим.

Из них 94 обнаружены в природе, остальные 24 получены искусственно в результате ядерных реакций. Пятая часть этих ядер устойчива, остальные - нестабильны, самопроизвольно распадаются и являются радиоактивными.

Ядра с одинаковым Z, но разным А называются изотопами ( , ) .
Ядра с одинаковым А называются изобарами ( , ) .
Ядра с одинаковым N называются изотонами ( , ) .
Ядра с одинаковыми Z и А, но разным периодом полураспада Т1/2 называются изомерами.

Для обозначения ядер применяют символ: ,
где Х - химический символ элемента.

Самым тяжёлым из официально признанных в мае 2012 года элементов является
116-й - ливерморий. 114-й элемент назван флеровием.
Названия сверхтяжёлых элементов с номерами 113, 115, 117, 118, полученные в 2002-2010 годах в России и США, официально пока не утверждены.

у ядер
собственного момента импульса (спина) и
собственного магнитного момента.











Нуклоны в

атомных ядрах являются фермионами и имеют спин, равный /2.
Спин всего ядра в целом квантуется:
Lя= ,
где I=0, 1/2, 1, 3/2, 2, ... - полное внутреннее ядерное спиновое квантовое число.

Спин ядра равен векторной сумме спинов отдельных его нуклонов и их орбитальных моментов импульса, обусловленных движением нуклонов внутри ядра.

Ядра с нечётным числом нуклонов имеют
полуцелое значение I и являются фермионами.
Ядра с чётным числом нуклонов имеют
целое значение I и являются бозонами.

момент ядра в целом.
Между спином ядра и его магнитным моментом
существует

соотношение: рmя = γя Lя ,
где γя = е/(2mp) - ядерное гиромагнитное отношение,
mp - масса протона.
Ядерный магнитный момент равен:
рmя = е/(2mp) = μБ ,
где μБ = е/(2mp) - ядерный магнетон Бора.
Ядерный магнетон в 1836 раз меньше электронного магнетона (mp/mе=1836).
Поэтому магнитные свойства атомов определяются в основном магнитными свойствами его электронов.
Направления спина и магнитного момента
у протона одинаковы, а у нейтрона – противоположны :
рmр = 2,79 μБ ; рmn = - 1,91μБ .

природе ядерных сил. Обменное взаимодействие.





Внутри ядра на расстоянии ~10-15м

между нуклонами возникает
очень сильное взаимное притяжение, значительно превышающее
кулоновское отталкивание между протонами.
Ядерное или сильное взаимодействие является
одним из четырёх видов взаимодействий в природе.

Отличительные особенности ядерных сил :
1) короткодействие - на расстояниях больших 10-15м оно перестаёт действовать;
2) зарядовая независимость - действует между нуклонами независимо от их протонного или нейтронного состояния;
3) свойство насыщения - нуклон взаимодействует только с ограниченным числом ближайших к нему соседних нуклонов;
4) нецентральность - ядерные силы не действуют вдоль линии, соединяющей центры нуклонов;
5) зависимость от ориентации спинов нуклонов.

друг с другом





Виртуальные (воображаемые) частицы π-мезоны не могут быть

обнаружены изолированно за время их существования.

Пионы могут иметь положительный заряд - π+,
отрицательный заряд- π- или быть нейтральными - π0.

виртуальными частицами, называемыми π-мезонами (пионами), то есть является одним из видов обменного взаимодействия.

Масса заряженных пионов одинакова и равна 273me ,
масса нейтральных пионов равна 264me .
Спин пионов (любых) равен 0.
Время жизни заряженных пионов равно 2,60.10-8с,
нейтральных - 8.10-7с.

Заряд пиона численно равен
элементарному заряду е.

виртуальных пионов, создающих поле ядерных сил.
Поглощение пионов нуклонами и приводит
к

сильному взаимодействию между ними.

Существование виртуальных пионов объясняет
наличие магнитного момента у нейтрона и
аномально большого магнитного момента у протона.

Обменное взаимодействие между нуклонами можно описать условно такими формулами:
p ↔ n + π+ ; n ↔ p + π- ;
p ↔ p + π0 ; n ↔ n + π0 .

удельной энергии связи от массового числа и устойчивость ядер.





При

образовании ядра из отдельных нуклонов их общая масса уменьшается на величину, называемую дефектом массы ядра:
Δm = Zmp+(A-Z)mn-mя или Δm = ZmН+(A-Z)mn-mат,
где Z - зарядовое число, равное количеству протонов в ядре и номеру химического элемента в периодической системе;
A - массовое число, равное количеству нуклонов в ядре;
mp - масса протона; mn - масса нейтрона; mН - масса атома водорода ;
mат - масса атома соответствующего химического элемента.

Для расщепления ядра на отдельные нуклоны без сообщения им кинетической энергии необходимо затратить определённую энергию, которая называется энергией связи ядра:
Wсв = [Zmp+(A-Z)mn].c2 - mя.c2 = Δm.c2.
Т.е. дефект массы ядра служит мерой энергии связи ядра.

массы соответствует атомная единица энергии:
1а.е.э.= 1а.е.м..с2 = 1,49242.10-10Дж=931,5МэВ.



Для характеристики

и сравнения прочности связей нуклонов в ядрах

Наиболее прочными являются ядра элементов средней части периодической системы, имеющие массовые числа : 28

Анализ зависимости удельной энергии связи ядер от массового числа показывает, что возможны два вида процессов, сопровождающиеся выделением большой энергии: 1) деление тяжёлых ядер на несколько более лёгких; 2) синтез лёгких ядер с образованием более тяжёлых.

различных химических элементов вводится понятие удельной энергии связи: wсв=Wсв/А.
Удельная энергия связи ядер wсв близка к 8МэВ/нуклон и зависит от массового числа А.

и исторически первой является капельная модель ядра Бора-Френкеля (1936 год).

Модель основана на аналогии между поведением нуклонов в ядре и поведением молекул в жидкой капле.

В отличие от капли жидкости ядро - это капля электрически заряженной несжимаемой «жидкости» с громадной плотностью, подчиняющаяся законам квантовой физики.

С помощью капельной модели удалось :
- получить полуэмпирическую формулу для энергии связи нуклонов в ядре;
- объяснить механизм ядерных реакций, особенно реакций деления ядер.
Однако с помощью капельной модели не удалось объяснить :
повышенную устойчивость ядер, содержащих «магическое число» нуклонов.

В обоих случаях - силы взаимодействия короткодействующие,
им свойственно насыщение, плотность вещества в них одинакова,
а объёмы пропорциональны числу частиц.

модель ядра, согласно которой нуклоны в ядре распределяются по дискретным

энергетическим уровням

Экспериментально установлено, что наиболее устойчивыми являются так называемые магические ядра, у которых число протонов или число нейтронов равно одному из магических чисел: 2,8,20,28,50,82,126.
У этих ядер полностью заполнены оболочки.
Магические ядра напоминают атомы инертных газов.

Оболочечная модель объяснила наличие спинов и магнитных моментов у ядер, различную устойчивость ядер,
периодичность изменения их свойств.

Оболочечная модель хорошо описывает свойства лёгких и средних ядер. Однако для тяжёлых ядер она оказалась неприемлемой.

(оболочкам), заполняемым согласно принципу Паули.
При этом имеют место спин-орбитальные связи.
Устойчивость ядер зависит от заполняемости этих уровней.

факты,
не укладывавшиеся в рамки оболочечной модели.
Так возникла
обобщённая или коллективная модель

ядра
(синтез капельной и оболочечной моделей),

В 1958 году О.Бор, Б.Моттельсон и английский физик Дэвид Пайнс создали сверхтекучую модель ядра.

Согласно этой модели ядро состоит из внутренней устойчивой части - остова, образованного нуклонами заполненных оболочек,
и внешних нуклонов, движущихся в поле, создаваемом остовом.
Под действием внешних нуклонов остов может колебаться,
изменяя свою форму. За счёт этого изменяется поле остова,
в котором движутся внешние нуклоны.
Обобщённая модель позволила произвести
классификацию уровней энергии ядра.

разработанная в 1950-1952 г.г. сыном Нильса Бора - Оге Бором совместно с датским физиком Беном Моттельсоном.

Происхождение и закономерности альфа–, бета– и гамма–распадов ядер. Протонная и

нейтронная.

В 1896 году французский физик А.Беккерель при изучении люминесценции солей урана обнаружил самопроизвольное испускание ими излучения неизвестной до того природы, которое действует на фотопластинку, проникая через тонкие металлические пластинки, ионизирует воздух.

Супруги Кюри Мария и Пьер обнаружили, что беккерелевское излучение присуще
не только урану, но и полонию и радию.
Обнаруженное излучение было названо радиоактивным,
а само явление радиоактивностью.

его ядра, так как на характер радиоактивного излучения не оказывает

влияние ни вид химического соединения, в которое входит элемент, ни агрегатное состояние, ни температура, ни давление, ни внешние электрические или магнитные поля.

Радиоактивность - это способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра,
испуская при этом различные виды радиоактивного излучения и элементарные частицы.

Радиоактивность бывает естественная и искусственная.
Естественная радиоактивность наблюдается у неустойчивых изотопов, существующих
в природе, искусственная - у изотопов, получаемых искусственным путём,
например, в ядерных реакторах.
Закон радиоактивных превращений
в обоих случаях одинаков.

момент времени t.
Радиоактивный распад - это естественные радиоактивные превращения ядер,

происходящие самопроизвольно.

Количество ядер dN, распавшихся за интервал времени [t, t+dt], пропорционально времени dt и количеству ядер N,
не распавшихся к моменту времени t : dN = - λ N dt.
Здесь λ - коэффициент пропорциональности, называемый
постоянной радиоактивного распада.
Знак «-» означает, что общее количество ядер в процессе распада уменьшается.

Теория радиоактивного распада основывается на предположении, что процесс этот спонтанный и подчиняется законам статистики.

Интегрирование уравнения:

закон радиоактивного распада: ,

N = N0 e -λ t

позволяет получить

закону.







Единицей активности в СИ является 1Бк (Беккерель) - активность

вещества, в котором за 1 секунду происходит один акт распада.
Широко применяется внесистемная единица 1Ku (Кюри). 1Ku =3,7.1010Бк.

Интенсивность процесса радиоактивного распада характеризуют:

в) активность радиоактивного вещества –
количество распадов атомных ядер,
происходящее в нём за 1 секунду:

б) среднее время жизни радиоактивного ядра :

а) период полураспада Т1/2 - время, за которое
исходное количество ядер уменьшается вдвое :

(Поскольку суммарная продолжительность жизни dN ядер равна: t|dN|=λNtdt , то

То есть, активность вещества пропорциональна постоянной распада
и количеству нераспавшихся в данный момент времени ядер.

сохранения:
- альфа (α) - распад;
- бета (β)- распад;
- гамма (γ)-

излучение ядер;
- спонтанное деление тяжелых ядер;
- протонная и нейтронная радиоактивность.

- массового числа;
- зарядного числа;
- энергии;
- импульса;
- момента импульса.

- дочернее ядро.
Явление α–распада заключается в том, что тяжелое ядро

спонтанно распадается, излучая α–частицу - (ядро гелия - ) .
Схема распада имеет вид:

Альфа распад характеризуется следующими особенностями, установленными экспериментально:

1. Наблюдается у тяжелых ядер (Z > 82, А > 200), а также у лантонидов с
А=140 ÷ 160. Общее количество таких ядер - более 200.
2. Период полураспада α–активных ядер изменяется в широких пределах:
от 10-6с для Rn-215 до 1,4.1017 лет для Pb-206.
3. Энергетический спектр α–частиц дискретный и имеет тонкую структуру.
4. Альфа–распад, как правило, сопровождается γ–излучением.
5. Альфа–частицы отклоняются в электрическом и магнитном полях,
обладают низкой проникающей способностью,
но высокой ионизующей способностью.

( ) и антинейтрино ( ),
или

позитрон ( ) и нейтрино ( ),
или поглощает один из электронов
атомной оболочки (обычно К–оболочки), испуская нейтрино ( ).

Схемы распадов имеют вид:
(электронный распад)
(позитронный распад)
(электронный захват).

бы один β–изотоп. .
2. При бета-распадах излучаются элементарные частицы

- нейтрино или антинейтрино с массой покоя и зарядом, равными нулю, и спином ћ/2 . Различие между нейтрино и антинейтрино заключается в ориентации спинов: у первых спин - антипараллелен, у вторых - параллелен импульсу.
3. Спектр энергий β–частиц непрерывен и находится в пределах от 0 до Wмах. Максимальная энергия, выделяемая во время одного акта β–распада изменяется в широких пределах: от 0,02 МэВ для распада трития (Н-3) до 13,4 МэВ для распада изотопа бора (В-5).
4. Бета–распад сопровождается γ–излучением.
Электронный захват - испусканием рентгеновских лучей (λ≈10-9÷10-12м).
5. Бета–частицы отклоняются в электрическом и магнитном полях,
имеют меньшую ионизирующую,
но большую проникающую способность, чем α–частицы.

Особенности бета-распада:

10-12 м.
1. Энергия γ–фотонов принимает значения от кэВ до

нескольких МэВ.
2. Экспериментально установлено, что γ–излучение испускается дочерним ядром. Энергетический спектр γ-излучения дискретен.
3. Масса покоя γ–квантов равна нулю.
4. γ– излучение не отклоняется электрическим и магнитным полями.
5. Проникающая способность γ–излучения велика: оно задерживается лишь толстой свинцовой или бетонной плитой.
6. Ионизирующая способность намного меньше чем у α– и β–частиц.

Гамма–излучение не является самостоятельным видом излучения. Оно сопровождает α– и β–распады
и возникает во время некоторых ядерных реакций.

Особенности гамма-излучения :

нейтронодефицитными,
ядра элементов с Ζ < Ν называются нейтроноизбыточными
(здесь Ν =

А – Ζ — число нейтронов в ядре).
Для таких ядер характерно испускание запаздывающих частиц: протонов в первом случае; нейтронов — во втором.

Сильно обогащенное протонами материнское ядро испытывает -распад.
Сильно обогащенное нейтронами материнское ядро испытывает -распад.
При этом заселяются возбужденные состояния дочернего ядра –
излучателя запаздывающих частиц.
Если энергия возбужденного уровня превышает энергию связи нуклона
в дочернем ядре, то наряду с испусканием γ–фотонов возможно испускание протонов в первом случае или нейтронов во втором.
Их называют запаздывающими, так как они испускаются после β– распада материнского ядра.

Жолио-Кюри и открытие искусственной радиоактивности.
Метод меченых атомов. Основные типы ядерных

реакций. Методологическое значение выполнения законов сохранения: энергии, импульса, момента импульса, электрического заряда (зарядового числа), массы (массового числа) во всех ядерных реакциях.

Ядерными реакциями называются процессы, приводящие к изменению внутреннего состояния ядерных частиц или к их взаимному превращению.
Искусственные ядерные реакции осуществляются в обычных ускорителях путём облучения мишеней из различных веществ пучками частиц, излучаемых радиоактивными источниками.

Первую искусственную ядерную реакцию превращения азота в кислород осуществил в 1919 году Э.Резерфорд.
Он облучал ядра азота N-14 α-частицами с энергией 7,68 МэВ, излучаемыми ядрами полония, и получал ядра изотопа кислорода О-17 и протоны:

α-частицами,
обнаружил электрически нейтральные частицы - нейтроны:
В 1934 году супруги Ирэн

и Филипп Жолио-Кюри открыли явление искусственной радиоактивности, вызванной быстрыми α-частицами и получили ряд искусственных радиоактивных изотопов. Например:

Они открыли новые типы искусственной радиоактивности – позитронный, нейтронный, протонный, дейтронный.

Искусственные радиоактивные изотопы лёгких элементов
не стойкие и поэтому могут находить широкое применение
в промышленности, медицине, биологии, агрохимии.
Атомы радиоактивных изотопов называют «мечеными атомами».
Следя за движением «меченых атомов» в живых тканях или технических материалах и конструкциях с помощью, например, счётчика Гейгера, можно ставить медицинский, научный или технический диагноз происходящих в них процессов.

в них частиц –

(α,р), (p,n), (p,pn γ), (n,γ), (d,p) и т.д.;
- по роду участвующих в них ядер –
на лёгких ядрах (А<50),
на ядрах средней массы (50<А<100),
на тяжёлых ядрах (А>100);
- по энергии вызывающих их частиц –
высокоэнергетические (более 10 МэВ) и
низкоэнергетические (менее 10 МэВ);
по характеру происходящих ядерных превращений –
с испусканием заряженных частиц,
с испусканием нейтронов,
реакции захвата частиц и т.д.

сохранения:
- зарядового числа (электрического заряда) –
сумма зарядовых чисел ядер и

частиц, вступающих в реакцию, равна сумме зарядовых чисел ядер и частиц, образующихся в результате реакции;
- массового числа (полного числа нуклонов) –
количество нуклонов в ядрах и частицах, вступающих в реакцию, равна количеству нуклонов в ядрах и частицах, образующихся в результате реакции;
- массы-энергии –
в изолированной системе полная масса-энергия сохраняется;
- импульса –
в изолированной системе сумма импульсов ядер и частиц, вступающих в реакцию, равна сумме импульсов ядер и частиц, образующихся в результате реакции;
- момента импульса –
в изолированной системе сумма моментов импульса ядер и частиц, вступающих
в реакцию, равна сумме моментов импульса ядер и частиц, образующихся
в результате реакции.

гипотезы

о существовании ранее неизвестных элементарных частиц (например, нейтрона, нейтрино,
позитрона и

других античастиц и т.п.),
которые впоследствии были открыты экспериментально.

> my+MY , то Δm>0 (масса возрастает) и Q>0.
Реакция происходит

с выделением энергии за счёт
превращения массы в энергию: (Δm)c2 → ΔW → Q.
Если mx+MX < my+MY , то Δm<0 (масса уменьшается) и Q<0.
Реакция происходит с поглощением энергии за счёт
превращения энергии в массу: Q → ΔW → (Δm)c2.

Энергетическим эффектом Q ядерной реакции
называется энергия, выделяемая или поглощаемая
в реакции за счёт разности суммы
масс частицы-снаряда и ядра-мишени и
суммы масс получаемых частицы и ядра:

Q = [(mx + MX) - (my + MY)] c2 = (Δm)c2,
где mx и MX - массы частицы и ядра, вступающих в реакцию,
my и MY - массы частицы и ядра, образующихся в результате реакции,
Δm – изменение массы или дефект массы ядерной реакции.

ядер с помощью капельной модели Бора-Френкеля. Цепная реакция деления ядер.

Ядерный реактор. Идея бридерного реактора.

Удельная энергия связи у ядер средней массы примерно на 1МэВ больше, чем у тяжёлых ядер. Поэтому деление ядер сопровождается выделением большой энергии. Эксперименты подтвердили этот вывод.

В основу теории деления атомных ядер положена
капельная модель ядра Бора-Френкеля: ядро – капля
электрически заряженной квантовой жидкости.

Ядерные силы притяжения между нуклонами подавляют электростатические силы отталкивания .
Попадающие в каплю-ядро нейтроны нарушают это равновесие, нуклоны начинают колебаться.

Если амплитуда колебаний становится больше 10-15м, действие ядерных сил прекращается, а под действием кулоновских ядро разрывается на осколки, разлетающиеся с громадными скоростями в разные стороны.

следующим образом:






Осколки деления - цезий и рубидий - претерпевают превращения:
Характер

ядерных реакций под воздействием нейтронов существенно зависит от их скорости (энергии).
В связи с этим нейтроны делят на две группы:
медленные (с энергией < 104эВ) и
быстрые (с энергией > 104эВ).

со средней массой, то при делении тяжёлых ядер осколки оказываются

перегруженными нейтронами. В среднем на каждый акт деления высвобождается
2,5 нейтрона.

Каждый из вторичных нейтронов, возникших в реакции деления, взаимодействуя с соседними ядрами делящегося вещества, вызывает в них новую реакцию деления.
В результате возникает лавинообразное нарастание числа актов деления –
цепная реакция деления.

Несмотря на это, перегрузка осколков нейтронами не устраняется,
они оказываются радиоактивными и претерпевают цепочку
β-превращений, сопровождающихся γ-излучением.

зону реакции
прежде, чем вызовут новый акт деления, и цепная реакция

не возникнет.
Для осуществления цепной реакции размеры и форма активной зоны должны быть не менее некоторых критических значений.

Условие для осуществления цепной реакции является
наличие размножающихся нейтронов,
что определяется коэффициентом размножения k≥1,
равным отношению числа нейтронов,
возникающих в некотором звене реакции,
к числу нейтронов в предшествующем звене.

Минимальная масса делящегося вещества, необходимая для осуществления цепной реакции, находящаяся в системе критических размеров, называется критической массой.

является управляемой.
Управляемые ядерные реакции деления осуществляют в ядерных реакторах.

или .

При k>1 реакция приобретает взрывной характер,
она становится неуправляемой. На этом основано действие атомной бомбы.

Когда эти куски очень быстро и очень плотно соединяются друг
с другом с помощью специального запала (обычное взрывчатое вещество), практически мгновенно под воздействием нейтронов, всегда присутствующих в земной атмосфере, возникает цепная реакция, выделяется громадная энергия и происходит взрыв.

Масса каждого куска меньше критической,
поэтому цепная реакция не возникает.

тепловыми нейтронами.
В этих изотопах может быть осуществлена цепная реакция.
Таким образом,

в качестве делящегося вещества в ядерных реакторах используют U-238 , обогащённый U-235.
Чтобы предотвратить радиационный захват нейтронов ядрами U-238,
нейтроны замедляют до тепловых скоростей,
с помощью специального вещества, называемого замедлителем.

В ядерных реакторах осуществляют реакции ядерного деления изотопов урана , и плутония .
Природный уран содержит 99,27% изотопа ; 0,72% и 0,01% .
Однако, в природном уране цепная реакция деления не возникает.
Ядра U-238 делятся только быстрыми нейтронами с энергией более 1МэВ. При меньших энергиях происходит радиационный захват нейтронов ядрами без последующего их деления.

Делящееся вещество изготавливают в виде небольших блоков, промежутки между которыми заполняют замедлителем
(дейтерием, графитом, бериллием).

заключённые в герметичную оболочку, слабо поглощающую нейтроны
(уран-235, 238, 233, 239,

плутоний - 239, торий - 232);
- замедлители, в которых нейтроны замедляются до тепловых скоростей
(вода - обычная или тяжёлая, графит, бериллий, органические жидкости и др.);
- теплоносители, охлаждающие ТВЭЛы
(воздух, вода, водяной пар, гелий, углекислый газ, жидкие металлы и др.);
- отражатели, уменьшающие утечку нейтронов,
- управляющие стержни из материала, сильно поглощающего нейтроны
(бор, кадмий и др.).

Основные элементы ядерного реактора:

году в г.Дубно под Москвой под руководством И.В.Курчатова.
Первый уран-графитовый

реактор был пущен в декабре 1942 года
в Чикагском университете
под руководством итальянского физика Энрико Ферми.

Первые ядерные реакторы использовались для производства делящегося материала для атомных бомб - плутония.

их мощность не превышает нескольких кВт);
- исследовательские реакторы (научные исследования

в ядерной физике, физике твёрдого тела, радиационной химии и биологии и т.д.);
- изотопные ядерные реакторы (получение радионуклидов);
- энергетические ядерные реакторы (выработка электроэнергии; тепловая мощность составляет 3-5ГВт);
- реакторы-размножители (бридерные реакторы), работающие на быстрых нейтронах (выработка электроэнергии сопровождается производством вторичного горючего - плутония или урана-233).

Современные ядерные реакторы
по назначению и мощности делят на несколько групп:

Реактор - →
размножитель «Суперфеникс» (Франция)
← Реактор-
размножитель «Дзиоио» (Япония)

- слияния лёгких ядер в одно ядро, сопровождаются выделением огромного

количества энергии. Это объясняется тем, что удельная энергия связи у лёгких ядер меньше, чем у промежуточных, и резко увеличивается при переходе от лёгких к более тяжёлым ядрам:

Для осуществления реакции синтеза, необходимо положительно заряженные ядра сблизить до расстояния ~10-15м, при этом они преодолевают кулоновский потенциальный барьер, высотой ~0,1МэВ.
Поэтому процесс синтеза идёт с заметной интенсивностью
только между лёгкими ядрами с малым зарядом и только
при очень высоких температурах Т≥108К.
Поэтому синтез ядер называется термоядерной реакцией.

реакций синтеза выделяется
очень большая энергия:
Во многих реакциях синтеза удельная энергия

значительно выше, чем в реакциях ядерного деления.

в недрах звёзд и служат тем постоянным источником энергии, который

определяет их
излучение.

Солнце и
другие звезды –
это гигантские термоядерные
реакторы.

Сгорание водорода в звёздах идёт с малой скоростью,
но гигантские размеры и плотности звёзд обеспечивают непрерывное испускание огромных потоков энергии
в течение миллиардов лет.
Солнце - природный термоядерный реактор.

а затем в США в 1954 году в виде взрывов

водородных бомб.

Взрывчатым веществом в водородной бомбе является смесь дейтерия и трития.

Сверхвысокая температура создаётся с помощью запала – обычной атомной бомбы,
в которой осуществляется реакция ядерного деления.

Мощность водородной бомбы в тысячи раз превосходит мощность атомной бомбы.

пока неразрешённой проблемой.
УТС возможен при одновременном выполнении двух условий:

1) температура плазмы Т>108К,
2) соблюдение критерия Лоусона - n.τ>1014см-3.с,
где n - плотность высокотемпературной плазмы,
τ - время удержания плазмы в системе.

.

Рабочее вещество при температуре Т~108К представляет собой полностью ионизированную плазму, которую необходимо теплоизолировать
от стенок рабочей камеры и удерживать
в ограниченном объёме
в течение определённого времени.

Для этой цели создаются специальные магнитные ловушки -
ТОКОМАКи (тороидальные камеры с магнитными катушками).

что радиоактивная опасность установок на УТС
по оценкам учёных должна оказаться
на

три порядка ниже, чем у реакторов деления.

.

Такие установки созданы в России, США, Японии, странах ЕЭС. В настоящее время температуру плазмы удаётся поднять
до Т~8.107К и удерживать её в течение τ~0,1с.
Эти параметры близки к необходимым для осуществления УТС.

Наилучшим вариантом в будущем экологически чистой электроэнергетики было бы сочетание солнечных электростанций и установок на УТС.

годом.
.
9.1.9. Нейтрализация радиоактивных отходов.
В настоящее время во многих странах разработаны

эффективные технологии переработки, концентрирования и хранения высокоактивных отходов с удельной активностью более 3,7.1010Бк/л.

Это происходит и в результате
ядерных взрывов при испытаниях атомного оружия, и при авариях на ядерных реакторах, и вследствие развития атомной промышленности и атомной энергетики.

Из отработанного топлива извлекаются высокотоксичные долгоживущие изотопы, которые перерабатывают в стекловидную массу и хоронят глубоко под землёй в «саркофагах» или на дне океана.

Памятник радиоактивности в Голландии.

Внутри здания хранятся радиоактивные отходы
от двух ядерных реакторов.
По местному закону храниться они должны 100 лет.

в специальных хранилищах до тех пор, пока происходит распад короткоживущих

радиоактивных изотопов.
 

.

Когда удельная активность этих отходов станет меньше 3,7.104Бк/л,
то есть они превратятся в так называемые слабоактивные отходы,
их разбавляют и спускают в сточные воды или рассеивают в атмосфере.

Понятно, что основной вклад в радиоактивный фон Земли
вносят именно такие рассеиваемые в окружающей среде
«слабоактивные» отходы,
в каждом литре которых каждую секунду распадается 37 тысяч ядер.