Вопрос 5. Ядерные реакции

Ядерными реакциями называются превращения атомных ядер, вызванные их взаимодействием друг с другом или с другими ядрами или элементарными частицами. Первое сообщение о ядерной реакции принадлежит Э.Резерфорду. В 1919г. он обнаружил, что когда - частицы проходят через газообразный азот, некоторые из них поглощаются, причем одновременно происходит испускание протонов. Резерфорд пришел к выводу, что ядра азота превращались в ядра кислорода в результате ядерной реакции вида:

, (22.11)

где −- частица;− протон ( водород).

Важным параметром ядерной реакции является ее энергетический выход , который определятся по формуле:

(22.12)

Здесь и- суммы масс покоя частиц до реакции и после нее. Приядерные реакции протекают с поглощением энергии, поэтому они называютсяэндотермическими, а при − с выделением энергии. В этом случае они называютсяэкзотермическими.

В любой ядерной реакции всегда выполняются законы сохранения:

− электрического заряда;

− числа нуклонов;

− энергии;

− импульса.

Первые два закона позволяют правильно записывать ядерные реакции даже в тех случаях, когда одна из частиц, участвующих в реакции, или один из его продуктов неизвестны. С помощью законов сохранения энергии и импульса можно определить кинетические энергии частиц, которые образуются в процессе реакции, а также направления их последующего движения.

Для характеристики эндотермических реакций вводится понятие пороговая кинетическая энергия, или порог ядерной реакции , т.е. наименьшая кинетическая энергия налетающей частицы (в системе отсчета, где ядро-мишень покоится), при которой ядерная реакция становится возможной. Из закона сохранения энергии и импульса следует, что пороговая энергия ядерной реакции рассчитывается по формуле:

. (22.13)

Здесь - энергия ядерной реакции (7.12);-масса неподвижного ядра – мишени;− масса налетающей на ядро частицы.

Реакции деления. В 1938г. немецкие ученые О. Ган и Ф. Штрассман обнаружили, что при бомбардировке урана нейтронами иногда возникают ядра приблизительно вдвое меньшие, чем исходное ядро урана. Это явление было названо делением ядра. Оно представляет собой первую экспериментально наблюдаемую реакцию ядерных превращений. Примером может служить одна из возможных реакций деления ядра урана-235:

. (22.14)

Процесс деления ядер протекает очень быстро за время ~10^-12 с. Энергия, которая выделяется в процессе реакции типа (22.14), составляет примерно 200 МэВ на один акт деления ядра урана-235.

В общем случае реакцию деления ядра урана–235 можно записать в виде:

+нейтроны. (22.15)

Объяснить механизм реакции деления можно в рамках гидродинамической модели ядра. Согласно этой модели при поглощении нейтрона ядром урана оно переходит в возбужденное состояние (рис. 22.2). Избыточная энергия, которую получает ядро вследствие поглощения нейтрона, вызывает более интенсивное движение нуклонов. В результате ядро деформируется, что приводит к ослаблению короткодействующего ядерного взаимодействия. Если энергия возбуждения ядра больше некоторой энергии, называемой энергией активации, то под влиянием электростатического отталкивания протонов ядро расщепляется на две части, с испусканием нейтронов деления. Если энергия возбуждения при поглощении нейтрона меньше энергии активации, то ядро не доходит до критической стадии деления и, испустив - квант, возвращается в основное состояние.

Рис. 22.2

Важной особенностью ядерной реакции деления является возможность реализовать на ее основе самоподдерживающуюся цепную ядерную реакцию. Это обусловлено тем, что при каждом акте деления выделяется в среднем больше одного нейтрона. Масса, заряд и кинетическая энергия осколков Х и Y, образующихся в процессе реакции деления типа (22.15), различны. Эти осколки быстро тормозятся средой, вызывая ионизацию, нагревание и нарушение ее структуры. Использование кинетической энергии осколков деления за счет нагревания ими среды является основой превращения ядерной энергии в тепловую. Осколки деления ядра находятся после реакции в возбужденном состоянии и переходят в основное состояние путем испускания β - частиц и - квантов.

Управляемая ядерная реакция осуществляется в ядерном реакторе и сопровождается выделением энергии. Первый ядерный реактор был построен в 1942 г в США под руководством физика Э. Ферми. В СССР первый ядерный реактор создан в 1946 г под руководством И. В. Курчатова. Затем, после накопления опытов управления ядерными реакциями, начали строить атомные электростанции.

Реакция синтеза. Ядерным синтезом называется реакция слияния протонов и нейтронов или отдельных легких ядер, в результате которой образуется более тяжелое ядро. Простейшими ядерными реакциями синтеза являются:

, ΔQ = 3,26 МэВ; (22.16)

, ΔQ = 17,59 МэВ; (22.17)

, ΔQ = 11,31 МэВ. (22.18)

Расчеты показывают, что энергия, которая выделяется в процессе ядерных реакций синтеза в расчете на единицу массы, значительно превышает энергию, выделяющуюся в реакциях ядерного деления. В процессе реакции деления ядра урана-235 (22.14) выделяется примерно

200 МэВ, т.е. 200:235=0,85 МэВ на нуклон, а в процессе реакции синтеза (22.17) выделяется энергия примерно 17,5 МэВ, т.е.3,5 МэВ на нуклон (17,5:5=3,5 МэВ).

Таким образом, в расчете на один нуклон ядра, участвующего в реакции деления, процесс синтеза примерно в 4 раза эффективнее процесса деления урана.

Большая скорость протекания этих реакций и относительно высокое энерговыделение делают равнокомпонентную смесь дейтерия и трития наиболее перспективной для решения проблемы управляемого термоядерного синтеза. С управляемым термоядерным синтезом связаны надежды человечества на решение своих энергетических проблем. Ситуация заключается в том, что запасы урана, как сырья для атомных электростанций, на Земле ограничены. А вот дейтерий, содержащийся в воде океанов, представляет собой практически неисчерпаемый источник дешевого ядерного горючего. Несколько сложнее обстоит ситуация с тритием. Тритий радиоактивен (его период полураспада составляет 12,5 лет, реакция распада имеет вид: ), не встречается в природе. Следовательно, для обеспечения работы термоядерного реактора, использующего в качестве ядерного горючего тритий, должна быть предусмотрена возможность его воспроизводства.

С этой целью рабочая зона реактора должна быть окружена слоем легкого изотопа лития, в которой будет идти реакция

(22.19)

В результате этой реакции образуется изотоп водорода тритий () .

В перспективе рассматривается возможность создания малорадиоактивного термоядерного реактора на смеси дейтерия и изотопа гелия , реакция синтеза имеет вид:

МэВ. (22.20)

В результате этой реакции из-за отсутствия нейтронов в продуктах синтеза биологическая опасность реактора может быть снижена на четыре-пять порядков величины как по сравнению с ядерными реакторами деления, так и с термоядерными реакторами, работающими на топливе из дейтерия и трития, также отпадает необходимость промышленной обработки радиоактивных материалов и их транспортировки, качественно упрощается захоронение радиоактивных отходов. Впрочем, перспективы создания в будущем экологически чистого термоядерного реактора на смеси дейтерия ()c изотопом гелия () осложняются проблемой сырья: естественные запасы изотопа гелия на Земле незначительны. Поэтому возникает трудный вопрос получения исходного сырья, например, путем доставки его с Луны.Hлия ом дейтерия ия в будущем экологически чистого термоядерного синтеза.

На пути реализации реакций синтеза в земных условиях возникает проблема электростатического отталкивания легких ядер при их сближении до расстояний, на которых начинают действовать ядерные силы притяжения, т.е. порядка 10^-15 м, после чего процесс их слияния происходит за счет туннельного эффекта. Для преодоления потенциального барьера сталкивающимся легким ядрам должна быть сообщена энергия ≈10 кэВ, что соответствует температуре T ≈10⁸ K и выше. Поэтому термоядерные реакции в природных условиях протекают лишь в недрах звезд. Для их осуществления в земных условиях необходим сильный разогрев вещества либо ядерным взрывом, либо мощным газовым разрядом, либо гигантским импульсом лазерного излучения или бомбардировкой интенсивным пучком частиц. Термоядерные реакции осуществлены пока только в испытательных взрывах термоядерных (водородных) бомб.

Основные требования, которым должен удовлетворять термоядерный реактор, как устройство для осуществления управляемого термоядерного синтеза, заключаются в следующем.

Во-первых, необходимо надежное удержание горячей плазмы (≈10⁸ K) в зоне реакции. Основополагающая идея, определившая на долгие годы пути решения этой проблемы, была высказана в середине 20-го столетия в СССР, США и Великобритании практически одновременно. Эта идея состоит в использовании магнитных полей для удержания и термоизоляции высокотемпературной плазмы.

Во-вторых, при работе на топливе, содержащем тритий, представляющий собой изотоп водорода с высокой радиоактивностью, будут возникать радиационные повреждения стенок камеры термоядерного реактора. По оценкам экспертов механическая стойкость первой стенки камеры вряд ли сможет превышать 5-6 лет. Это означает необходимость периодического полного демонтажа установки и последующей ее новой сборки с помощью дистанционно действующих роботов из-за исключительно высокой остаточной радиоактивности.

В-третьих, основное требование, которому должен удовлетворять термоядерный синтез, заключается в том, чтобы энерговыделение в результате термоядерных реакций с избытком компенсировало затраты энергии от внешних источников на поддержание самой реакции. Большой интерес представляют собой «чистые» термоядерные реакции,

не дающие нейтронов, (см. (22.20) и реакцию ниже:

. (22.21)

Контрольные вопросы:

1. Какие частицы образуют ядро атома цинка? Сколько их?

2. Атомное ядро «составили» из N свободных нуклонов (масса каждого нуклона равна m). Чему равны масса и удельная энергия связи этого ядра?

3. Чем отличаются изобары и изотопы?

4. Почему прочность ядер уменьшается при переходе к тяжелым элементам?

5. По каким признакам можно классифицировать ядерные реакции?

6. Под действием каких частиц (-частиц, нейтронов) ядерные реакции более эффективны?

7. Что представляет собой реакция деления ядер? Приведите примеры.

8. Охарактеризуйте нейтроны деления. Какие они бывают?

9. В результате какой реакции происходит превращение ядер ²³⁸₉₂U в ядра ²³⁹₉₄Pu? Каковы ее пер­спективы?

10. Что можно сказать о характере цепной реакции деления, если: 1) k>1; 2) k=1; 3) k<1?.

11. Почему деление тяжелых ядер и синтез атомных ядер сопровождаются выделением большого количества энергии? При каких реакциях выделяется бóльшая энергия, приходящаяся на один нуклон?