Какая энергия выделяется при ядерной реакции

Какая энергия выделяется при ядерной реакции

УПС, страница пропала с радаров.

*размещая тексты в комментариях ниже, вы автоматически соглашаетесь с пользовательским соглашением

Вам может понравиться Все решебники

Ладыженская

Ладыженская, Баранов, Тростенцова

Бархударов

Бархударов

Латюшин, Шапкин

Баранова, Афанасьева, Михеева

Баранова, Афанасьева, Михеева

Загладин, Петров

©Reshak.ru — сборник решебников для учеников старших и средних классов. Здесь можно найти решебники, ГДЗ, переводы текстов по школьной программе. Практически весь материал, собранный на сайте — авторский с подробными пояснениями профильными специалистами. Вы сможете скачать гдз, решебники, улучшить школьные оценки, повысить знания, получить намного больше свободного времени.

Главная задача сайта: помогать школьникам и родителям в решении домашнего задания. Кроме того, весь материал совершенствуется, добавляются новые сборники решений.

Расчёт энерговыделения при ядерной реакции

Расчёт энерговыделения при ядерных реакциях традиционно труден для учеников средней школы, однако происходящие внутри атомного ядра процессы всегда вызывают у них живой интерес. В школьных учебниках на примерах показано, как определить энергию связи ядра и энергетический выход ядерной реакции, однако совсем не обсуждаются условия протекания ядерной реакции и другие способы расчёта энерговыделения. Попробуем этот недочёт устранить, сгруппировав решаемые на уроке задачи так, чтобы они образовали систему задач, которая будет развивать ученика. Напомним, что ядерные реакции – превращения атомных ядер при взаимодействии с частицами, в том числе с фотонами или друг с другом.

Для протекания ядерной реакции необходимо сближение частиц до расстояний порядка 10 –13 см. Что конкретно произойдёт с ядром, зависит от энергии налетающей частицы и энергии связи нуклонов: частица может быть захвачена ядром атома и вызвать ядерную реакцию, может расщепить ядро на фрагменты, может отлететь от ядра при упругом ударе. Ядерные реакции подчиняются законам сохранения электрического заряда, энергии, импульса.

Примеры ядерных реакций (запись комментируют учащиеся):

Ядерные реакции могут протекать как с выделением, так и с поглощением энергии. Причём эта энергия по порядку величины в 10 6 раз больше, чем при химической реакции! Произведём расчёт энерговыделения на примере ядерной реакции:

(такие ядерные реакции называются реакциями синтеза):

2,01410 а.е.м. + 3,01605 а.е.м. – (4,00260 + 1,00866) а.е.м. = 0,01889 а.е.м. = 0,013136 · 10 –27 кг.

E = Δmc 2 = 0,28221 · 10 –11 Дж ≈ 17,6 МэВ.

Ядерные реакции деления покажем на примере одной из возможных схем деления изотопа урана :

Эта реакция идёт при взрыве атомной бомбы, а также в недрах ядерного реактора. Расчёт энерговыделения производить не будем, но на будущее будем знать, что в среднем на одну реакцию деления изотопа урана выделяется около 200 МэВ энергии.

Реакцию распада удобно показать на примере реакции Эта реакция интересна тем, что попытки создать ядро путём двойного α-цикла природа «предпринимала» во время Большого Взрыва, предпринимает и сейчас – в недрах звёзд. Однако это ядро неустойчиво и практически сразу распадается на две α-частицы. Благодаря этому Вселенная в основном состоит из водорода и гелия, а концентрация более тяжёлых элементов в ней незначительна.

Сокращённую запись уравнения ядерной реакции покажем на примере реакции которую записывают в виде

«Установленное Эйнштейном соотношение является основанием для дальнейших, значительно более важных выводов. Радиоактивная отслойка является с этой точки зрения одной из возможностей получения из материи огромных запасов энергии, техническое использование таких запасов энергии в принципе не представляется невыполнимым и совсем недавно Резерфорд получил, по-видимому, подобные количества энергии, – правда, в микроскопическом масштабе, когда ему удалось разложить азот путём радиоактивного расщепления. Но не нужно предаваться иллюзии, будто техническая добыча указанной здесь энергии является вопросом непосредственного будущего и что этим будет достигнуто обесценивание угля; с другой стороны, нельзя возражать и против того, что тут раскрывается одна из серьёзнейших технических проблем».

Теперь в процессе решения задач ученикам можно продемонстрировать и другие методы расчёта энерговыделения при ядерной реакции.

«Прибавь ещё один оттенок к радуге. »

Задача 1. Одной из наиболее известных реакций термоядерного синтеза является реакция слияния дейтерия и трития: Какая энергия выделяется в этой реакции? Энергия связи дейтерия 2,228 МэВ, трития 8,483 МэВ, гелия 28,294 МэВ.

Решение. В данной реакции происходит разделение ядер дейтерия и трития на составляющие их частицы, на что затрачивается энергия связи, после чего образуется ядро гелия с выделением энергии. Энергетический выход реакции: Е = 28,294 МэВ – (2,228 МэВ + 8,483 МэВ) = 17,583 МэВ. Энергию связи любого ядра ученики уже могут рассчитывать, поэтому для них не представляет большого труда рассчитать энергетический выход любой ядерной реакции таким способом.

Задача 2. Определите энергию реакции если известно, что энергии связи на один нуклон в ядрах равны соответственно 5,60 и 7,06 МэВ.

Решение. Под действием протона ядро лития разрушается, на что затрачивается энергия связи, но при этом возникают два ядра гелия и выделяется энергия Е = 2(4 ∙ 7,06 МэВ/нуклон) – 7 ∙ 5,60 МэВ/нуклон = 17,28 МэВ.

Задача 3. В ядерной реакции протоны налетают на покоящиеся ядра лития. Если энергия налетающих протонов Е = 1,92 МэВ, то нейтроны, образующиеся в реакции, покоятся. Оцените, какая энергия поглощается в данной реакции. При какой минимальной энергии налетающих протонов эта реакция может идти?

Решение. Это первый пример ядерной реакции, в которой энергия поглощается (Е_п). В лабораторной системе отсчёта имеем движущийся со скоростью υ протон и покоящееся ядро лития (рис. а). После ядерной реакции нейтрон неподвижен, а ядро бериллия приобретает некоторую скорость V (рис. б).

По закону сохранения импульса, m_pυ = m_BeV. Зная массовое число каждой частицы, находим V = (1/7)υ. В лабораторной системе отсчёта откуда Е_п=6/7.

Теперь выясним, при какой минимальной энергии налетающих протонов Е′ эта реакция вообще может идти. В системе отсчёта «центр масс системы протон–ядро лития», которая движется вправо с некоторой скоростью υ′, их импульс m_p(υ – υ′) – m_Liυ′ = 0, откуда υ′ = 1/8 υ. Если протон обладает минимальной энергией Е′, то в данной системе отсчёта вся она поглощается и возникшие в реакции частицы не разлетаются: Учитывая, что m_Li = 7m_p , получим или откуда Е′= 48/49Е.

Задача 4. Если направить поток протонов на кусок льда из тяжёлой воды D₂O, то при минимальной кинетической энергии протонов Е = 1,4 МэВ происходит ядерная реакция с образованием ядер Какую минимальную энергию надо сообщить ядрам дейтерия, чтобы при их попадании на кусок льда из обычной воды произошла та же ядерная реакция?

Решение. Запишем закон сохранения импульса и закон сохранения энергии для данной реакции V:

где Е_п – энергия, поглощаемая в данной реакции.

Запишем закон сохранения импульса и закон сохранения энергии для случая, когда ядра дейтерия попадают на кусок льда из обычной воды:

Задача 5. В реакции налетающая α-частица имеет кинетическую энергию 7,68 МэВ. Возможна ли такая реакция? Если да, то чему равна полная кинетическая энергия продуктов реакции?

Решение. Найдём дефект массы: 4,00260 + 14,00307 – (16,99913 + 1,00782) = –0,0013 а.е.м.

Эта реакция идёт с поглощением энергии! Е_п = 1,2 МэВ.

Запишем закон сохранения импульса и закон сохранения энергии для этой реакции:

Энергии налетающей частицы вполне достаточно для того, чтобы данная реакция протекала! Полная кинетическая энергия продуктов распада Е – Е_п = 6,14 МэВ.

1. Джанколи Д. Физика. – М.: Мир, 1989.
2. Савченко О.Я. Задачи по физике. – Новосибирск: НГУ, 1999.

№ 1189. Какая энергия выделяется при ядерной реакции

Решебник по физике за 10, 11 класс (А.П. Рымкевич, 2001 год),
задача №1189
к главе «ГЛАВА XVII. АТОМ И АТОМНОЕ ЯДРО. 53. Ядерные реакции. Энергетический выход ядерных реакций. Биологическое действие радиоактивных излучений. Элементарные частицы. Взаимные превращения частиц и квантов электромагнитного излучения».

Откуда берется ядерная энергия? Научные основы ядерной энергетики

×

Хотите узнать больше о деятельности МАГАТЭ? Подпишитесь на нашу ежемесячную электронную рассылку, чтобы быть в курсе самых важных новостей, получать аудио- и видеоматериалы и многое другое.

Что есть что в ядерной сфере
Андреа Галиндо , Бюро общественной информации и коммуникации МАГАТЭ

Ядерная энергия представляет собой разновидность энергии, которая высвобождается из ядра — центральной части атомов, состоящей из протонов и нейтронов. Источником этой энергии могут являться два физических процесса: деление, когда ядра атомов распадаются на несколько частей, и синтез, когда ядра сливаются вместе.

Ядерная энергия, используемая сегодня во всем мире для производства электроэнергии, вырабатывается посредством деления ядра, в то время как технология производства электроэнергии на основе синтеза пока еще находится на этапе исследований и экспериментальных разработок. В этой статье мы подробнее остановимся на делении ядра. Узнать больше о ядерном синтезе вы можете из этой статьи.

Что такое ядерное деление?

Ядерное деление — это реакция, в ходе которой ядро атома расщепляется на два или более меньших ядра, при этом происходит высвобождение энергии.

Например, ядро атома урана-235, при попадании в него нейтрона, расщепляется на ядро бария и ядро криптона и еще два или три нейтрона. Эти дополнительные нейтроны соударяются с другими находящимися вокруг ядрами урана-235, которые также расщепляются и порождают дополнительные нейтроны с эффектом многократного увеличения, в результате чего за долю секунды формируется цепная реакция.

Каждый раз такая реакция сопровождается высвобождением энергии в виде тепла и излучения. Подобно тому, как для получения электроэнергии используется тепло от ископаемых видов топлива, таких как уголь, газ и нефть, на атомной электростанции эта тепловая энергия может быть преобразована в электроэнергию.

Ядерная реакция деления (Графика: А. Варгас/МАГАТЭ)

Как работает атомная электростанция?

В реакторе атомной электростанции с помощью соответствующего оборудования локализуется и контролируется цепная ядерная реакция, чаще всего с использованием топлива на основе урана-235, в результате деления которого вырабатывается тепло. Это тепло используется для нагрева теплоносителя реактора, как правило, воды, чтобы получить пар. Затем пар направляется на турбины, заставляя их вращаться и активируя электрический генератор, что позволяет вырабатывать электроэнергию без выбросов углекислого газа.

Подробнее о различных типах ядерных энергетических реакторов читайте на этой странице.

Наибольшее распространение в мире получили реакторы с водой под давлением (PWR). (Графика: А. Варгас/МАГАТЭ)

Добыча, обогащение и утилизация урана

Уран — это металл, который встречается в горных породах по всему миру. Уран имеет несколько природных изотопов, которые представляют собой формы элемента, отличающиеся по массе и физическим свойствам, но с одинаковыми химическими свойствами. Уран имеет два первичных изотопа: уран-238 и уран-235. На уран-238 приходится большая часть урана в мире, но он не способен вступать в цепную реакцию деления, в то время как уран-235 может использоваться для получения энергии в результате деления, но составляет менее 1 процента от мировых запасов урана.

Чтобы повысить вероятность деления природного урана, необходимо увеличить содержащееся в нем количество урана-235 с помощью процесса, называемого обогащением урана. После обогащения урана он может эффективно использоваться на протяжении трех-пяти лет в качестве ядерного топлива на АЭС, после чего он все еще остается радиоактивным и должен утилизироваться в соответствии со строгими нормативными требованиями по защите людей и окружающей среды. Использованное топливо, так называемое отработавшее топливо, может также быть переработано в другие виды топлива, которые могут применяться в качестве нового топлива для специальных АЭС.

Что такое ядерный топливный цикл?

Ядерный топливный цикл — это включающий несколько этапов производственный процесс, необходимый для выработки электроэнергии с использованием урана в ядерных энергетических реакторах. Этот цикл начинается с добычи урана и завершается захоронением радиоактивных отходов.

Ядерные отходы

В процессе эксплуатации АЭС образуются отходы с различным уровнем радиоактивности. В зависимости от уровня радиоактивности и конечной цели применяются разные стратегии обращения с ними. Более подробную информацию по этой теме вы найдете в представленном ниже анимированном ролике.

Обращение с радиоактивными отходами

На радиоактивные отходы приходится небольшая доля общего объема отходов. Это побочный продукт миллионов медицинских процедур, проводимых каждый год, промышленных и сельскохозяйственных применений излучения и работы ядерных реакторов, которые производят около 10 процентов электричества в мире. В анимационном видео рассказывается о том, как осуществляется обращение с радиоактивными отходами, чтобы обеспечить защиту людей и окружающей среды от излучения сегодня и в будущем.

При работе следующего поколения АЭС на основе так называемых инновационных усовершенствованных реакторов будет образовываться гораздо меньше ядерных отходов, чем от сегодняшних реакторов. Ожидается, что строительство таких станций начнется ближе к 2030 году.

Ядерная энергетика и изменение климата

Ядерная энергия является низкоуглеродным источником энергии, поскольку, в отличие от электростанций, работающих на угле, нефтепродуктах или природном газе, атомные электростанции во время своей работы практически не производят CO₂. Атомные электростанции используются для генерации почти трети мировой безуглеродной электроэнергии и имеют решающее значение для достижения целей в области борьбы с изменением климата.

Какую роль играет МАГАТЭ?

• МАГАТЭ устанавливает международные нормы и руководящие принципы безопасного и надежного использования ядерной энергии для защиты людей и окружающей среды и способствует проведению их в жизнь.
• МАГАТЭ поддерживает существующие и новые ядерно-энергетические программы по всему миру, предлагая техническую помощь и услуги по управлению знаниями. Следуя веховому подходу, МАГАТЭ предоставляет необходимые технические знания и рекомендации странам, которые выводят свои ядерные объекты из эксплуатации.
• В рамках своей деятельности в области гарантий и проверки МАГАТЭ следит за тем, чтобы не происходило переключения ядерных материалов и технологий с мирного использования на другие цели.
• Методическую основу для организации необходимой деятельности в течение всего жизненного цикла производства ядерной энергии, от добычи урана до сооружения, технического обслуживания и вывода из эксплуатации атомных электростанций и обращения с ядерными отходами, обеспечивают миссии по экспертной оценке и консультационные услуги под руководством МАГАТЭ.
• Под управлением МАГАТЭ находится запас низкообогащенного урана (НОУ) в Казахстане, который может использоваться в случае крайней необходимости странами, срочно нуждающимися в поставках НОУ для мирных целей.

Материалы по теме

Ядерная энергетика доказала свою значимость как гибкий и надежный источник электроэнергии во время пандемии COVID-19

МАГАТЭ и АЯЭ-ОЭСР обсудили в ходе своего ежегодного совещания ключевые события в области атомной энергетики (на англ. языке)

Будущее ядерной энергетики в центре внимания совещания на уровне министров «Экологически чистая энергия» (на англ. языке)

Генеральный директор МАГАТЭ Гросси призывает использовать ядерную энергетику для достижения нулевых выбросов: у нас остается все меньше времени, а климат меняется

В прошлом году использовать ядерную энергию начали ОАЭ и Беларусь. Кто следующий?

МАГАТЭ и МЭА договорились активизировать сотрудничество в области ядерной энергетики в целях перехода к экологически чистой энергии (на англ. языке)

Ресурсы по теме

• Энергетика
• Ядерные энергетические реакторы
• Оценки в области энергетики, электроэнергетики и ядерной энергетики на период до 2050 года (на англ. языке)
• Прогнозы МАГАТЭ в отношении ядерной энергетики на период до 2050 года (на англ. языке)
• Ядерная энергия: путь к безуглеродной энергетике будущего (на англ. языке)
• Что есть что в ядерной сфере