Здравствуйте, уважаемые обучающиеся. Сегодня у нас одна из последних лекций по ядерной физики, и вообще, по курсу физики основной школы, т.е физики за 7 и 8 классы. И давайте еще раз повторим темы, которые мы с вами уже прошли, и так мы с вами поговорили о строении атомного ядра, ядерной энергии и электрон-вольте, порешали задачи на строение ядра и вычисления ядерной энергии, поговорили об открытии радиоактивности, радиоактивном излучении и его свойствах, познакомились с определением радиоактивности, с альфа и бета распадом и правилом смещения Содди, познакомились с периодом полураспада и активностью радионуклидного образца, а так же поговорили о поглощенной и эквивалентной дозе ионизирующего излучения. Познакомились со счетчиком Гейгера.
Далее мы будем все что мы проходили, проходить по второму разу, начиная все сначала: "теория измерений" в которой мы научимся измерять погрешность, "механика" и пр.
Мы, например, уже с некоторыми ядерными реакциями знакомы, которые называются реакциями распада: альфа распад, бета распад и это все разновидности ядерных реакций. Есть реакция синтеза ядер и в конце лекции мы об этом узнаем - это когда два ядра сливаются вместе, образуя при этом третье новое ядро и еще при этом могут вылетать какие-то новые частицы. На этой лекции мы будем говорить о реакции деления ядер.
И так для того, чтобы пошла ядерная реакция, то те ядра или частицы, которые участвуют в этой реакции должны приблизиться к друг дружке настолько, что при таком взаимодействии начали бы вступать в действие ядерные силы. А мы знаем, что ядерные силы являются очень короткодействующими. Их радиус действия 10^-14 м, т.е порядка размеров самого ядра или чуть больше. Давайте представим себе, что мы обстреливаем частицами какое-то альфа ядро. Альфа частица заряжена положительно, ядро заряжено положительно и для того, чтобы альфа частица проникла в ядро ее необходимо разогнать до огромной скорости. Далеко не всякая альфа частица, которая вылетает при альфа распаде способно преодолеть электрическое отталкивание, поэтому ее необходимо специально разгонять. Для этого строят сложнейшие устройства, которые называются ускорителями заряженных частиц. И самый современный большой ускоритель - это большой адронный коллайдер, который позволяет получать коллосальную энергию, исчисляющуюся уже тераэлектронвольтами, но существует один вид ядерных реакций, который очень легко запустить. Какой должна быть частица, чтобы ее не отталкивало ядро? Такая частица должны быть электрически нейтральной и такие частицы есть, и это нейтроны. Нейтрон не нужно разгонять, нейтрон не отталкивается от ядра, нейтрон может войти в ядро и может быть инициатором ядерной реакции. И вот с помощью облучения нейтронами различных ядер было получено множество изотопов, которых нет даже в природе. И таким образом можно получать искусственные изотопы. И за это даже ученые получили Нобелевскую премию. Но одна из самых главных для человечества реакций под действием нейтронов - это реакция действия нейтронов на ядро урана-235. И об этой реакции мы сегодня и поговорим подробнее.
Стержни из урана 235 и 238, т.е природного урана собираются в специальные кассеты, которые загружаются в ядерный реактор. Эти кассеты называются ТВЭЛами - тепловыделяющий элемент. В таких ТВЭЛах содержится природный уран 235 и 238, но стоит сразу отметить, что на тонну природного урана приходится всего 7 килограмм, т.е меньше одного процента урана 235. В уране 238 цепная реакция не возникает и это серьезная проблема. А как ее решают мы сейчас узнаем. Но сначала давайте очень приближенно познакомимся с устройством ТВЭЛа и запишем, происходящую в них реакцию.
И так мы выяснили, что реакцию, которую мы привели не пойдет из-за того, что слишком много урана 238. Беда в том, что уран 238 поглощает те нейтроны, которые выделились при делении, но оказалось, что при делении образуются быстрые нейтроны и если эти нейтроны попадают в уран 238, то он их поглотит. А вот, если бы в уран 238 попадали медленные нейтроны, то уран 238 их бы не поглощал, а медленный нейтроны тоже вызывают цепную реакцию в уране 235. Значит, нужно как-то замедлит нейтроны, тогда они не будут пропадать, тогда они не будут поглощаться ураном 238. Как их замедлить? Оказывается, принцип очень простой.
И получается, что таким принципом замедления нейтронов, нейтрон вообще можно остановить, но на самом деле замедляют нейтроны облучая ими вещество с не слишком большой массой ядра. Например, водород, а точнее дейтерий. Есть один из способов замедления пропускать эти нейтроны через тяжелую воду. В качестве замедлителей нейтронов используется так же графит.
И так мы увидели очень упрощенную схему работы атомной электростанции, но беда в том, что осколки, которые образуются в процессе эксплуатации очень радиоактивны и их нужно где-то хоронить и к тому же добыча урана серьезная технологическая процедура, хотя множество электростанций на бывшем постсоветском пространстве - это атомные электростанций, но тем не менее получение энергии таким способом далеко не оптимально и необходимо придумывать что-то новое и вот это новое уже давно известно. Это реакция синтеза легких ядер.
Не контролируемая термоядерная реакция наблюдается в атомной бомбе, а контролируемую термоядерную реакцию до сих пор не смогли получить на длительное время. Несколько десятков секунд или может быть даже минут такие реакторы способны работать, потому что из-за огромной температуры все вокруг начинает гореть. Такие реакторы сейчас разрабатывают активно и говорят, что примерно к 2050 году человечество начнет широко использовать термоядерную энергетику. Но такие реакции происходят внутри звезд. Наще Солнце светит и греет благодаря, именно этим реакциям, где внутри Солнца водород превращается в гелий. Но пока что человечеству не удается обуздать эту реакцию, но тем не менее работы в этом направлении ведутся очень активные. И что интересно, термоядерная реакция очень чистая, от нее нет никаких радиоактивных отходов, которые нужно захоронить где-то глубоко под землей, там где нет грунтовых вод. И как пример, можно сказать, что на бывшем постсоветском пространстве в зоне произошедшей катастрофы с чернобыльской атомной электростанции руководители других стан предлагают захоранивать в этой зоне ядерные отходы с оплатой.
А в случае с термоядерной реакцией не получается никаких ядерных отходов. И эту энергию очень просто превратить в генерацию водорода, т.е эту энергию можно использовать для разложения воды на водород и кислород. Кислород выпускаем в атмосферу, например, если он не нужен, а водород собираем и используем в качестве топлива. Давайте представим себе двигатель внутреннего сгорания (ДВС), работающий не на бензине, не на солярке, а на водороде. В бензиновом двигателе выхлоп очень грязный и в том числе выделяется и углекислый газ, который образует слой наверху, вызывающий глобальное потепление. И в настоящее время тема связанная с глобальным потеплением можно сказать, что "пошла вразнос" и над этой темой во всем мире думают очень серьезно. А если сгорает водород, то что образуется? Водяной пар, который абсолютно безвреден. Поэтому, наверное, за водородными двигателя будущее, а если мы вспомним, что удельная теплота сгорания одного килограмма водорода почти в три раза больше, чем удельная теплота сгорания бензина, то можно предположить, что КПД водородных двигателей будет выше, чем КПД бензиновых или дизельных двигателей.
Вот это то, что мы должны были узнать вкратце о ядерной энергетике и термоядерном синтезе. И в конце лекции давайте посмотрим советский научный фильм о том о чем мы узнали в этой лекции, но еще в дополнении ко всему в этом фильме рассказывается о реакторе на быстрых нейтронах.
На этом мы эту лекцию закончим.
Если тебе понравилось, пожалуйста подпишись на канал и поддержи автора.