Физические основы получения ядерной энергии

В соответствии с уравнением Эйнштейна Е = mc², энергия любого вещества эквивалентна его массе, умноженной на квадрат скорости света. В любой реакции, протекающей с выделением энергии (тепла) происходит уменьшение массы. Относительное уменьшение массы называется дефектом массы ∆ m

∆ m = (m₁ – m₂) / m₁ (3.10)

Теплотворная способность любого горючего вещества может быть выражена через дефект массы

Q = ∆ mc² или ∆ = Q / c² (3.11)

Отсюда дефект массы при сгорании топлива составит:

для угля ∆ _y =

для нефти ∆ _н =

Это показывает, что дефект массы при горении органического топлива ничтожно мал, поэтому в практических расчетах им пренебрегают.

Дефект массы становится заметной величиной в ядерных реакциях: синтезе ядер легких элементов (водорода и его производных) с дефектом массы ∆ = 0, 007; деления ядер тяжелых элементов (урана и его производных) с дефектом массы ∆ = 0, 0009.

На рис.3.15 показана схема деления ядра урана ²³⁵U₉₂.Попадая в ядро, нейтрон увеличивает его массу, превращая в уран ²³⁶U₉₂, и приводит его в возбужденное состояние, а затем к делению. При одном акте деления ядер урана вылетают 2 – 3 (в среднем 2, 5) нейтрона, которые могут вызвать деление других ядер. Для того, чтобы поддержать цепную реакцию необходимо, чтобы число вторичных ионов было больше числа первичных и отношение числа вторичных нейтронов было n₂ к первичным n₁, называемое коэффициентом размножения нейтронов К = n₂ / n₁, было больше1.

Рис. 3.11- Реакции деления ядер урана 235.

Если все вылетевшие нейтроны попадут в ядра урана, то это вызовет лавинную цепную реакцию или взрыв. Для стабильной работы реактора необходимо, чтобы К = 1, при наборе мощности реактора К > 1, снижении мощности К < 1.

Для протекания ядерных реакций необходимо, чтобы масса урана была больше критической. Пир массе, меньшей критической, ядерная реакция не протекает. Следовательно, как в ядерном реакторе, так и в атомной бомбе масса вещества больше критической, однако в атомной бомбе производится однократный нерегулируемый взрыв, а в атомном реакторе протекает регулируемая цепная реакция с коэффициентом размножения несколько большим 1 (К = 1, 006).