3.Ядерные реакции

Под ядерными реакциями понимают любое превращение одних ядер в другие. В этом смысле радиоактивные превращения ядер тоже можно считать ядерными реакциями. Но в ядерной физике этим термином обозначают превращения ядер в результате их «бомбардировки» другими частицами.

В качестве «снарядов» могут использоваться протоны, нейтроны, -частицы и пр. Ядерная реакция в этом случае происходит в два этапа: на первом этапе частица – «снаряд» сливается с ядром-«мишенью», образуя промежуточное ядро (компаунд-ядро), которое неустойчиво. Через некоторое время компаунд-ядро излучает «избыток» вещества (и энергии) и превращается в устойчивое ядро другого элемента.

Пример: при бомбардировке ядра азота -частицами образуется компаунд-ядро радиоактивного фтора, которое, излучив протон, переходит в устойчивый изотоп кислорода:

.

В ядерных реакциях выполняются законы сохранения энергии, импульса, электрического заряда, массовых чисел и др. Реакции, которые идут с выделением энергии, называются экзотермическими. Наоборот, эндотермические реакции требуют подвода некоторого минимального количества энергии, которое называется порогом реакции. Характер ядерной реакции определяется знаком и величиной дефекта масс.

3.1.Реакция деления тяжелых ядер

Среди ядерных реакций особое место по своей важности занимают реакции деления и синтеза.

В конце тридцатых годов, пытаясь получить новые радиоактивные изотопы, исследователи облучали нейтронами ядра элементов конца периодической таблицы. При этом было установлено, что ядро урана при попадании в него нейтрона может делиться на два лёгких осколка – ядра элементов середины таблицы элементов. Поскольку кривая зависимости удельной энергии связи имеет максимум в середине таблицы (см. рис.66), то суммарная масса «осколков» меньше массы ядра урана, и реакция деления идёт с выделением громадного количества энергии.

Для практического использования этой реакции весьма важным оказалось то обстоятельство, что при делении ядра урана вылетает 2-3 свободных нейтрона. Они, в свою очередь, могут вызвать деление следующих ядер урана. То есть при определённых условиях реакция деления урана может перейти в цепную (лавинообразную) самопроизвольно протекающую реакцию. Вот пример одной из таких реакций:

.

Осколки деления (которые могут быть разными), как правило, радиоактивны. Они перегружены нейтронами и продолжают распадаться до образования стабильных изотопов (вот почему Чернобыльская зона так «загрязнена» радиоактивными веществами!).

Впервые цепная реакция деления ядер урана была реализована в атомной бомбе. Если регулировать число нейтронов, участвующих в цепной реакции деления, то можно управлять ходом самой реакции, добиться умеренного выделения энергии и использовать ее в мирных целях. Эта идея и была реализована в атомных реакторах, нашедших применение в энергетике, на транспорте и др. Атом начал служить мирным целям.

3.2. Реакция синтеза лёгких ядер

Обратимся снова к графику рис.66. Из графика видно, что энергия связи нуклона в лёгких ядрах меньше, чем в ядрах середины периодической таблицы. Следовательно, соединение лёгких ядер в одно тяжелое ядро должно приводить к выделению энергии. Это и есть та энергия, которая позволяет Солнцу и звездам «гореть» сотни миллионов лет.

Реакция синтеза легких элементов энергетически выгоднее реакции деления тяжелых ядер. Так, в реакции синтеза дейтона и трития

на один нуклон выделяется 3,5 МэВ энергии, тогда как энергетический выход реакции деления урана составляет примерно 1 МэВ/нуклон.

Чтобы осуществить синтез ядер, нужно сблизить их до расстояний меньше 10^-15м, на которых между нуклонами начинают действовать силы притяжения (ядерные силы). Для преодоления кулоновского барьера необходимо «разогнать» ядра до огромных скоростей, соответствующих десяткам миллионов градусов. Если при этом создать такие условия, при которых энергии выделялось бы больше, чем её расходуется на возбуждение реакции, то реак-

ция синтеза будет не только сама себя «поддерживать», но и отдавать колоссальную энергию.

Возможность «подогреть» ядра до температуры в несколько миллионов градусов появилась после создания квантовых генераторов (лазеров) – фокусировкой множества лазерных лучей удалось сконцентрировать необходимую энергию в небольшом объеме. Но оказалось, что «зажечь» реакцию термоядерного синтеза – это лишь малая (и далеко не самая трудная!) часть проблемы. Гораздо труднее удержать при таких температурах горячую плазму от преждевременного разлета. Для этого непригоден ни один «сосуд»! Удержать высокотемпературную плазму возможно лишь с помощью магнитного поля.

Впервые термоядерная реакция была реализована в водородной бомбе. Попытки же получить управляемый термоядерный синтез, заставить «звёздную энергию» служить мирным целям столкнулись с огромными трудностями, которые не удаётся преодолеть до сих пор.