Презентация "Ядерная энергетика" по физике – проект, доклад

Физика ядерной энергетики. Ядерное оружие

Некрасов К.А., УГТУ - УПИ

Энергия в обычном мире

Тепловая энергия движения молеку-лы при комнатной температуре составляет примерно 0.03 эВ.

Потенциальная энергия атома урана в поле тяготения Земли на высоте 100 м равна 0.0024 эВ

Энергия химических связей

Электронные оболочки атомов в молекулах и кристаллах связаны энергиями порядка 1 - 100 эВ на атом.

Например, при полном сгорании углерода выделяется энергия, равная 4.08 эВ на один атом

Ядерная энергия

О ядрах атомов и ядерной энергии до начала 20-го ве-ка не было даже известно. В 1986 году Анри Беккерелем была

обнаружена радиоактивность, а в 1909-1911 гг. Эрнст Резерфорд предположил и доказал существование атомного ядра

Значение нейтрона

Расщепление ядра

Поскольку нейтрон не заряжен, для сближения с ядром ему не нужна высокая скорость.

В области действия ядерных сил (10-12 м), нейт-рон «падает» на ядро. При этом выделяется энергия около 7 МэВ.

Цепная реакция деления ядер

Барий – примерно в 2 раза более лёгкий элемент, чем уран. Австрийские физики Лиза Мейтнер и Отто Фриш объяснили его появление делением ядер.

Деление ядра урана на два осколка

В середине 1930-х никто, включая Сцилларда и Ферми, ещё не ожидал, что уран будет делиться нейтронами на два больших осколка. В 1939 году Отто Ган и Фриц Штрассман обнаружили в облучён-ном нейтронами уране барий.

Цепная реакция деления урана

Были обнаружены и нейтроны, вылетающие из ядра после деления. Свои результаты практически одновременно, в марте 1939 г., опубликовали французский физик Фредерик Жолио-Кюри, а также Ферми и Сциллард. Получалось, что на одно поглощение нейтрона ядром урана приходится (в среднем) примерно 2 новых нейтрона. Цепная реакция деления ядер урана оказалась возможной!

Изотопы природного урана

Плутоний и другие трансурановые элементы

Ещё Ферми и Сциллард ожидали, что ядро урана может поглощать нейтроны с образова-нием новых элементов. В 1941 году Гленн Сиборг (Glenn Seaborg) синтезировал плутоний по реакции

Им же затем были получены и другие трансурановые элементы, вплоть до 102 номера таблицы Менде-леева. Большинство из этих элементов, как уран - 235, легко делятся нейтронами, так что могут служить ядерным горючим.

Делящиеся изотопы

Критические масса и радиус

Длина свободного пробега нейтронов между столкнове-ниями огромна, она составляет несколько сантиметров. В малых количествах делящегося вещества утечка нейтро-нов останавливает цепную реакцию. Для поддержания реакции необходимы препятствующие утечке критический радиус и соответствующая критическая масса вещества.

Утечка нейтронов Цепная реакция

Реактор на природном уране

Структура ядерного реактора

Атомная бомба пушечного типа. Соединение подкритических частей

Длина: 3.05 м; Диаметр: 0.76 м; Полная масса: 3.6 тонны; Масса ядерного заряда: 42 кг, обычного заряда (TNT) – 900 кг. Энергия взрыва: 12-15 килотонн.

Бомба имплозивного типа . Сжатие обычным взрывом

Бомба имплозивного типа. Сжимающий взрыв, направленный в центр

Взрыв, направленный точно в центр, обеспечивается сложной комбинацией «линз» из быстрой и медленной взрывчатки

Термоядерные реакции

Термо-ядерный заряд

В качестве термоядерного заряда используют газовую смесь дейтерия (D  2H) и трития (T  3H) : D + T  4He + n + 17.6 МэВ

Современное ядерное оружие

За период от 1945 по 1990 г. каждая из двух стран, СССР и США, произвела более 70 тыс. ядерных боезарядов. Известно, что в США производились боеголовки диаметром менее 15.5 см и весом около 45 кг при мощности 0.1 кТ. Легчайшая боеголовка в США (W54) весила 23 кг при мощности 0.25 кТ. Несекретные расчёты в 1990 гг. показали, что сравнительно простые имплозивные устройства могут иметь диаметр порядка 50 см с весом менее 200 кг.

Страны с менее развитой ядерной энергетикой вполне могут добиться массы 500-1000 кг для бомб с мощностью в 10-30 килотонн. Подготовленная террористическая группа, вероятно, могла бы сделать бомбу массой 1000-1500 кг мощностью 1 – 10 килотонн.

The Davy Crockett Bazooka

Источники данных и материалов