Ядерные силы. Огромная энергия связи нуклонов в ядрах (по сравнению с энергией связи электронов в атоме ~ 10 эВ) означает

1) Радиус действия ~ 10^{-15 м (короткодействующие). На существенно меньших расстояниях притяжение нуклонов сменяется их отталкиванием. На больших расстояниях ядерные силы не проявляются.}

2) Зарядовая независимость, что проявляется в одинаковости сил взаимодействия нуклонов п-п, р-р, п-р.

3) Эти силы не являются центральными, т.к. зависят от ориентыции спинов нуклонов.

4) Обладают свойством насыщения – каждый нуклон в ядре взаимодействует с ограниченным числом ближайших нуклонов.

Механизм взаимодействия нуклонов:

Согласно классической физике взаимодействие между частицами осуществляется посредством силовых полей.

Квантовая физика не изменила такое представление, но учла квантовые свойства самого поля: всякому полю должна соответствовать определённая частица – квант поля, которая и является переносчиком взаимодействия. Один из взаимодействующих нуклонов испускает квант поля, другой его поглощает.

Существенно, что обмен частицами лежит в основе вообще всех взаимодействий и является фундаментальным квантовым свойством природы (например, электромагнитные взаимодействия осуществляются путём обмена фотонами).

Квантами поля при взаимодействии нуклонов являются π–мезоны, занимающие промежуточное положение по массе между электроном и нуклоном.

По законам классической физики такие процессы идти не могут в связи с нарушением закона сохранения энергии. Не может свободный нейтрон самопроизвольно превратиться в нейтрон+π-мезон, суммарная масса которых больше массы нейтрона.

Квантовая теория этот запрет устраняет. Из соотношения неопределённости следует, что энергия системы может претерпевать отклонения ∆Е, длительность которых не должна превышать величины . В этом случае нарушение закона сохранения энергии при испускании π-мезона обнаружить нельзя.

Частицы, испускание и поглощение которых происходит с кажущимся нарушением закона сохранения энергии, называются виртуальными частицами.

Испускание при делении ядра урана нескольких нейтронов делает возможным осуществление цепной реакции деления.

Среда, в которой наблюдается цепная ядерная реакция называется активной.

Важной характеристикой интенсивности размножения нейтронов является коэффициент размножения – К, равный отношению количества нейтронов в двух последних поколениях.

К < 1 (подкритический режим) – цепная реакция деления не может развиваться;

К = 1 (критический режим) – цепная реакция протекает стационарно;

К > 1 ( надкритический режим) – ядерный взрыв.

Причиной уменьшения коэффициента К является пржде всего наличие в среде неделящихся ядер, которые могут захватываь нейтроны.

Природный уран содержит 99,28% изотопа ²³⁹ U и лишь 0,71% изотопа ²³⁵ U. Нейтроны с энергией меньше 1 МэВ поглощаются ядрами ²³⁸ U без последующего деления. Поэтому в природном уране цепная реакция развиваться не может.

К уменьшению коэффициента размножения приводит также выход нейтронов из активной среды, имеющей конечные размеры. Характерный размер активной зоны, при котором коэффициент размножения становится равным единице, называется критическим размером, а масса делящегося вещества в активной зоне таких размеров называется критической массой.

При массе делящегося вещества меньше критической цепная реакция не протекает.

Условия для протекания управляемой цепной реакции деления (К = 1) реализуются в ядерных (атомных) реакторах.

В реакторе на медленных (тепловых) нейтронах с энергией меньше 0,5 эВ управляемая цепная реакция деления может протекать в природном или в слабо обогащённом уране, что достигается введением в реактор специального вещества – замедлителя.

В активной зоне реактора расположены тепловыделяющие элементы (твэлы) 1 и замедлитель 2. Твэлы представляют собой блоки из делящегося материала, заключённые в герметичную оболочку, слабо поглощающую нейтроны. За счёт энергии, выделяющейся при делении ядер, твэлы разогреваются. Отвод тепла из активной зоны реактора к электрогенерирующему блоку осуществляется теплоносителем 3, омывающим твэлы.

Активная зона окружена отражателем 4, уменьшающим утечку нейтронов

На практике твёрдыми замедлителями являются бериллий и графит, а жидким – тяжёлая вода.

Уменьшения кинети –

ческой энергии нейтрона от 1 МэВ до 0,5 эВ в замедли – теле происходит в результате многократных (около 50) соударений нейтрона с ядрами атомов замедлителя.

Регулирующие стержни (управляющие и аварийные) изготавливают из материала сильно поглощающего нейтроны (кадмий или бор).