25. Физические принципы получения ядерной энергии (деление тяжелых ядер и синтез легких ядер).

Энергетика важнейшая отрасль народного хозяйства, охватывающая энергетические ресурсы, выработку, преобразования, передачу и использование различных видов энергии. Это основа экономики государства. В настоящее время около 15%промышленного производства электрической энергии, вырабатываемой на нашей планете, приходится на атомные электростанции. В последнее время наметился некоторый спад в темпах развития ядерной энергетики, связанный с рядом незначительных и 4 крупномасштабных радиационных аварий, произошедших в разных странах мира. Чтобы отказаться от ядерной энергетики совсем, надо предложить взамен альтернативные источники энергии: органическое топливо(уголь, нефть, газ),гидроресурсы, солнечную энергию, геотермальные ресурсы, энергию ветра. Однако уровень развития современной науки и техники не позволит в ближайшие десятилетия сделать конкурентноспособными такие источники энергии, как солнце, ветер или геотермальные ресурсы. Да и не в каждой стране они имеются в достаточном кол-ве в силу природных условий.

Ограниченные запасы нефти и газа ставят человечество перед перспективой энергетического кризиса. Однако использование ядерной энергетики и угля даст человеку возможность избежать этого.

Результаты фундаментальных исследований физики атомного ядра позволяют отвести угрозу энергетического кризиса путем использования энергии, выделяемой при некоторых реакциях деления атомных ядер.

Между нуклонами, составляющими ядро атома, действуют ядерные силы. .Они действуют на очень малых расстояниях.- только между нуклонами- и по величине намного больше гравитационных и электромагнитных сил, поэтому ядра большей части химических элементов чрезвычайно плотны. Прочность ядер характеризуется энергией связи., которая зависит от общего числа нуклонов в ядре, а также от количественного соотношения в нем протонов и нейтронов.. Чем больше по абсолютной величие удельная энергия связи, тем прочнее ядро. Поэтому всякое превращение одних атомов в другие , связанное с изменением числа нуклонов в их ядрах, должно сопровождаться выделением энергии., если ядра получают более прочные (с большей энергией связи), или поглощением энергии, если образуемые ядра будут менее прочны по сравнению с исходными. Отсюда следует, что если разделить тяжелое ядро на две части (осколки) или соединить два легких ядра, то в обоих случаях должна выделиться энергия. Энергия, освобождаемая при различных превращениях ядер, называется ядерной. Оба пути получения ядерной энергии- деление тяжелых ядер и соединение (синтез) легких ядер- используют в настоящее время. Первый путь применяется в ядерных реакциях с тяжелыми элементами., например с изотопами урана, второй – в термоядерных реакциях с легкими элементами, например с изотопами водорода (дейтерием, тритием). Деление ядер атомов может происходить самопроизвольно или при воздействии на них различных элементарных частиц и легких ядер. Самопроизвольный распад ядер происходит в естественных условиях, при этом интенсивность процесса не поддается управлению и определяется исключительно индивидуальными физическими свойствами самих радионуклидов и не зависит от внешних условий. В атомных реакторах и ядерных боеприпасах деление яжер атомов осуществляется при помощи нейтронов. Эти ядерные частицы способны сравнительно легко проникать в ядро, поскольку им не приходится преодолевать при этом электростатические силы отталкивания ядра.

Из всех известных реакций деления тяжелых ядер наибольший интерес представляют реакции деления ядер атомов стр95 При захвате ядрами этих изотопов нейтронов даже с очень небольшой энергией происходит деление ядер на два осколка, обладающих большей энергией, чем исходные ядра. Кроме того, в момент деления испускаются 2-3 нейтрона, которые способны разделить 2-3 новых ядра этих же изотопов, в результате чего могут появиться еще 2-3 нейтрона на каждое разделившееся ядро. Следовательно, в большой массе этих изотопов создаются условия для возникновения саморазвивающейся цепной ядерной реакции деления, при которой число делящихся ядер будет нарастать лавинообразно и в течение весьма малого промежутка времени выделится огромное кол-во энергии. Вещества, в которых возможно осуществление саморазвивающейся цепной ядерной реакции деления, называют делящимися в-вами или ядерным горючим.

Саморазвивающаяся (цепная) реакция деления на тепловых нейтронах может носить неуправляемый (взрывной) характер, при этом она служит источником энергии в ядерных боеприпасах, и управляемый характер- служит источником получения тепловой энергии в ядерных реакторах. Для получения управляемой цепной ядерной реакции необходимо создать такие условия, чтобы каждое ядро, поглотившее нейтрон,. при делении выделяло в среднем один нейтрон идущий на деление второго тяжелого ядра. Основное кол-во энергии ядерных реакций выделяется в виде теплоты. Процесс деления может происходить различными путями. Наиболее вероятным является деление на осколки, массы которых относятся приблизительно как 2:3. Другим способом получения ядерной энергии является соединение легких ядер (реакция синтеза). Осуществить реакцию синтеза значительно труднее, чем реакцию деления. Это объясняется тем, что соединению ядер препятствует их взаимное электростатическое отталкивание. Соединиться могут только ядра, обладающие большим запасом кинетической энергии. Такие ядры, двигаясь с огромной скоростью, могут сближаться настолько, что между ними начнут действовать ядерные силы взаимного притяжения, которые обуславливают соединение легких ядер, сопровождающееся выделением быстрых нейтронов. Необходимую скорость движения ядра могут приобрести при температуре порядка миллионов градусов. По этой причине реакции синтеза ядер называются термоядерными. реакциями.

В природе термоядерные реакции существуют в недрах Солнца и Звезд, где температура достигает десятков миллионов градусов.