Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика
§ 228. Применения незатухающей цепной реакции деления
жүктеу/скачать 6,71 Mb. Pdf көрінісі
|
| § 228. Применения незатухающей цепной реакции деления.
Атомная и водородная бомбы. Цепная реакция деления позво- ляет расщеплять уран в значительных количествах. Этот процесс сопровождается обильным выделением энергии. В зависимости от условий цепная реакция представляет собой либо спокойный, поддающийся регулировке процесс, либо взрывной процесс. Если масса реагирующей системы лишь с л е г к а п р е в ы- ш а е т к р и т и ч е с к у ю м а с с у, то реакция нарастает мед- ленно. По достижении нужной мощности нарастание реакции можно прекратить. Для этого достаточно уменьшить массу си- стемы до критической величины. Реакцию можно в любой мо- мент погасить, уменьшив массу ниже критической 1 ). Таким об- разом, цепная реакция полностью поддается контролю. Иначе обстоит дело, если масса системы з н а ч и т е л ь н о п р е в ы ш а е т критическую. В этом случае реакция нарастает со скоростью взрыва. После того как реакция началась, она выходит из-под контроля; бурное выделение энергии приводит к разрушению системы. О собенно быстро развивается реакция в чистом 235
U, так как она вызывается здесь быстрыми (незамедленными) нейтронами. Поэтому 235
U в количестве, заметно превышающем критическую массу, представляет сильнейшее взрывчатое вещество, использу- емое для так называемой атомной бомбы. Чтобы атомная бомба не взрывалась при хранении, можно разделить ее урановый заряд на несколько удаленных друг от друга частей с массой, меньшей критической. Для производства взрыва необходимо эти части быстро сблизить. По энергии взрыва урановый заряд в сотни тысяч раз превос- ходит обычные взрывчатые вещества, взятые в том же количе- стве.
1 ) Практически используемый способ регулировки реакции состоит во вве- дении (или выведении) неделящихся веществ, сильно поглощающих нейтроны.
Гл. XXIV. Атомные ядра и ядерная энергия 573
В момент взрыва температура в атомной бомбе поднимается до миллионов градусов. Ввиду этого взрыв атомной бомбы, если он происходит в подходящей среде, может вызвать вспышку термоядерной реакции (см. § 226). К числу веществ, обладающих наиболее благоприятными свойствами для развития термоядер- ной реакции, относятся тяжелый водород (дейтерий 2 D), сверх- тяжелый водород (тритий 3 Т), литий и др. В смеси этих веществ могут идти, например, следующие ядерные реакции: D + T
→ 4 2 Не + n + 17,5 МэВ, D + D
→ T + p + 4,0 МэВ, 6 3 Li + n → 4 2 Не + T + 4,8 МэВ, 6 3
→ 7 3 Li + p + 5,0 МэВ и т. д. Система из атомной бомбы и вещества, в котором при ее взрыве возникает мощная термоядерная реакция, получила на- звание термоядерной или водородной бомбы. Сила взрыва водо- родной бомбы в сотни раз превосходит силу взрыва атомной бом- бы. Дело в том, что количество «взрывчатки» ( 235 U) в атомной бомбе ограничено: масса каждой ее части должна быть меньше критической во избежание преждевременного взрыва. Для коли- чества же «взрывчатки» водородной бомбы такого ограничения нет, так как дейтерий, тритий, их смесь и т. п. сами собой взорваться не могут. В отличие от реакции деления до настоящего времени еще не осуществлено использование термоядерной реакции для прак- тического получения тепловой и электрической энергии. Однако интенсивные исследования в этом направлении ведутся в СССР и в других странах. Применение термоядерной реакции для по- лучения энергии представляет огромный интерес, так как запасы сырья для этой реакции огромны (дейтерий в составе воды в оке- анах!), тогда как запасы урана ограничены. Для возбуждения термоядерной реакции ядерное «горючее» долж- но быть нагрето до температуры порядка десяти миллионов градусов. При таких температурах вещество переходит в состояние сильно иони- зованного газа — плазмы. Чтобы реакция не затухала, плазму нужно удерживать от расширения, т. е. надо ограничить свободу движения ча- стиц плазмы — ионов и электронов. Этого нельзя достигнуть простым заключением плазмы в замкнутый сосуд, так как никакие стенки не могут противостоять температуре, в тысячи раз превышающей темпе- ратуру испарения самых жаростойких материалов (изоляция плазмы от стенок нужна еще и потому, что интенсивная передача тепла стенкам затруднила бы нагрев плазмы). 574 Гл. XXIV. Атомные ядра и ядерная энергия В начале 50-х годов советские физики А. Д. Сахаров и И. Е. Тамм, а также некоторые зарубежные ученые предложили использовать для удержания плазмы сильные магнитные поля. Как мы знаем (§ 198), Рис. 408. Движение медлен- ной заряженной частицы в од- нородном магнитном поле (а) и в магнитном поле прямоли- нейного провода с током (б). Тонкие линии — линии маг- нитного поля, спирали — тра- ектории частицы в однородном магнитном поле заря- женная частица, начальная скорость которой перпендикулярна к индук- ции магнитного поля, движется по окружности в плоскости, перпенди- кулярной к направлению поля. Ес- ли начальная скорость параллельна магнитному полю, частица движется свободно (по инерции) вдоль линии магнитного поля, так как в этом слу- чае сила Лоренца равна нулю. В об- щем случае, когда начальная ско- рость направлена произвольно, име- ет место сложение прямолинейного и кругового движений — частица опи- сывает винтовую траекторию, нави- вающуюся на линию магнитного по- ля (рис. 408, а). Такой характер дви- жения сохраняется и в неоднородном магнитном поле, если на расстоянии порядка шага «винта» направление магнитной индукции поля изменяется незначительно (рис. 408, б). Частица оказывается как бы привязанной к линии поля — она удер- живается на постоянном расстоянии от нее, равном радиусу спирали. Радиус спирали прямо пропорционален скорости частицы 1 ) и обратно пропорционален магнитной индукции B (см. § 198); увеличивая B , можно сделать радиус спирали как угодно малым. В реальной плазме на движение частиц влияют соударения между ними и внутренние электрические и магнитные поля плазмы (они всегда имеются, так как плазма состоит из заряженных частиц). Ввиду этого рассмотрение действия внешнего магнитного поля на движение частиц плазмы оказывается очень сложным. Основная особенность, од- нако, остается — магнитное поле, искривляя траектории частиц, очень сильно затрудняет их движение в направлении, перпендикулярном к линиям внешнего магнитного поля. Эта особенность и используется для удержания (изоляции) плазмы. Магнитное поле используется также и для нагрева плазмы: при изменении магнитной индукции возникает э. д. с. индукции, под дей- ствием которой ионы и электроны ускоряются. К настоящему времени физики научились нагревать плазму, правда весьма разреженную, до температуры сто миллионов градусов и удер- живать ее в таком состоянии в течение сотых долей секунды. Эти успе- хи позволяют надеяться, что на описанном пути удастся в конечном 1 ) Точнее, составляющей скорости, перпендикулярной к магнитному полю. Гл. XXIV. Атомные ядра и ядерная энергия 575
счете осуществить управляемую, а не взрывную, как в водородной бомбе, термоядерную реакцию. При взрыве атомной и водородной бомбы в добавление к эф- фектам, характерным для любого мощного взрыва, испускается еще много нейтронов и γ-излучение, а также образуется большое количество радиоактивных веществ. Излучения этих веществ делают район взрыва опасным для жизни еще в течение неко- торого времени после взрыва. Радиоактивные продукты взрыва разносятся потоками воздуха на тысячи километров от места взрыва. Отметив с помощью счетчика излучений повышенную против обычного радиоактивность воздуха, можно с достоверно- стью установить факт взрыва атомной или водородной бомбы. жүктеу/скачать 6,71 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|