4. Ядерные превращения

К ядерным превращениям относятся ядерные, ядерные цепные и термоядерные реакции.

Ядерные реакции – превращения атомных ядер при взаимодействии с элементарными частицами, -квантами или друг с другом. Они происходят как в естественных условиях, например под действием первичного космического излучения ( ), так и в результате антропогенной деятельности: получения новых химических элементов ( ), ядерных взрывов (наведенная активность) и т.д.

Ядерные цепные реакции – самоподдерживающиеся реакции деления атомных ядер под действием нейтронов в условиях, когда каждый акт деления сопровождается испусканием не менее 1 нейтрона, что обеспечивает поддержание реакции. Цепные реакции деления характерны для природного изотопа ²³⁵U (рис. 4), а также для техногенных ²³⁹Рu и ²³³U. Первый получается в результате облучения нейтронами ядер ²³⁸U, а второй – ²³²Th.

Рис. 4. Начало и развитие цепной реакции деления урана

Деление ядра урана происходит под действием медленных (тепловых) нейтронов с энергией порядка 0,1 эВ. Эффективность воздействия таких нейтронов на ядро связана с большим временем их взаимодействия из-за малой скорости относительного движения. Для деления ядер урана , наиболее часто встречающегося в природе (составляющего 99,275 % естественного урана), требуются быстрые нейтроны с энергией, превышающей 1 МэВ.

Скорость цепной реакции деления ядер характеризуют коэффициентом размножения нейтронов – отношением числа нейтронов в данном поколении цепной реакции к их числу в предыдущем поколении: , где N_i, N_i-1 – число нейтронов в i и i–1 поколениях.

Необходимое условие для развития цепной самоподдерживающейся реакции k >1. При k =1 число нейтронов сохраняется неизменным, то есть реакция протекает стационарно, а при k <1 число нейтронов лавинообразно нарастает.

Число нейтронов, образующихся при делении ядер, зависит от объема урановой среды. Чем больше этот объем, тем большее число нейтронов выделяется при делении ядер. Начиная с некоторого минимального критического объема урановой среды, имеющего определенную критическую массу, реакция деления ядер становится самоподдерживающейся (k =1).

Для значение критической массы составляет 47 кг. Значение критической массы зависит от формы, структуры и внешнего окружения активной зоны. Если уран прослоен полиэтиленовыми пленками, замедляющими выход нейтронов из активной зоны, и окружен бериллиевой оболочкой, мешающей вылету электронов наружу, критическая масса уменьшается до сотен граммов.

Реакция деления ядер урана сопровождается выделением значительной энергии. Выделение энергии обусловлено различием удельных энергий связи ядер урана и осколков реакции. Удельная энергия связи нуклона в ядре урана около 7,6 МэВ, а осколков реакции около 8,5 МэВ. Поэтому в результате реакции деления выделяется энергия (8,5-7,6) МэВ = 0,9 МэВ, приходящаяся на один наклон. Учитывая, что полное число нуклонов около 235, можно оценить полный энергетический выход реакции деления, то есть энергия, выделяющаяся при делении одного ядра урана, равна: Q = 0,9×235 ≈ 210 МэВ ≈ 3,2×10^-11 Дж.

Такая энергия в десятки миллионов раз превосходит энергию химических превращений. Так, при делении всех ядер атомов, содержащихся в 1 кг урана, выделяется энергия 8×10¹³ Дж, эквивалентная энергии взрыва 20 кт взрывчатого вещества тринитротолуола.

При делении ядра урана энергия выделяется в основном (около 90 %) в виде кинетической энергии разлетающихся осколков, а остальная энергия (около 10 %) уносится возникающими нейтронами. Эту энергию можно выделять либо постепенно – в реакторе (контролируемое деление атомных ядер), либо мгновенно – в бомбе.

Термоядерные реакции – реакции слияния легких ядер в более тяжелые, происходящие при высоких температурах. При этом выделяется огромное количество энергии, а также образуются потоки нейтронов, α-частицы, электроны, позитроны, -кванты, рентгеновские лучи. Реакция синтеза легких ядер энергетически более выгодна, чем реакция деления тяжелых.

Слияние ядер происходит под действием сил ядерного притяжения. Поэтому они должны сблизиться до расстояний, меньших 10^-14 м, на которых действуют ядерные силы. Этому сближению препятствует кулоновское отталкивание положительно заряженных ядер. Для его преодоления ядра должны обладать кинетической энергией, превышающей потенциальную энергию их кулоновского отталкивания, поэтому реакции слияния легких ядер могут протекать лишь при температурах порядка сотен миллионов градусов и поэтому называются термоядерными (от лат. therme – тепло).

Рис. 5. Термоядерный синтез

Термоядерный синтез – источник энергии всех звезд, в том числе и Солнца. Основным процессом, в котором происходит освобождение термоядерной энергии в звездах, является превращение водорода в гелий: (рис. 5). За счет дефекта массы в этой реакции масса Солнца уменьшается каждую секунду на 4 млн. т.

Большую кинетическую энергию, необходимую для термоядерного синтеза, ядра водорода получают в результате сильного гравитационного притяжения к центру звезды.

Термоядерные реакции также лежат в основе взрыва водородной бомбы.