2.2.4 Ядерні реакції

Ядерні реакції — це перетворення атомних ядер внаслідок їх взаємодії з елементарними частинками або між собою. На практиці ядерні реакції здебільшого здійснюють з метою з'ясування механізму взаємодії нуклонів між собою, нуклонів з ядрами, а також одержання деяких квантових характеристик ядра, перевірки правильності різних моделей будови ядра тощо. Ядерні реакції відбуваються переважно при бомбардуванні ядер якоїсь речовини потоком прискорених частинок (протонів, а-частинок, нейтронів та ін.).

Ядерні реакції поділяються на реакції розпаду та реакції синтезу. Особливим типом ядерної реакції є поділ ядра.

Першу штучно викликану ядерну реакцію спостерігав у 1919 році Ернест Резерфорд, опромінюючи альфа-частинками азот. Реакція відбувалася за схемою

Невелика кількість ізотопів здатна до поділу — реакції при якій ядро ділиться на великі частини. Поділ ядра може відбуватися як спонтанно, так і вимушено - під дією інших частинок, здебільшого — нейтронів.

Рис.15. Схематичне зображення поділу ядра ²³⁵U при поглинанні нейтрона.

1939 року було виявлено, що ядра урану-235 здатні не лише до спонтанного поділу (на два легших ядра) з виділенням ~200 МеВ енергії та випроміненням двох-трьох нейтронів, але й до вимушеного поділу, що ініціюється нейтронами. Враховуючи, що в результаті такого поділу теж випромінюються нейтрони, які можуть викликати нові реакції вимушеного поділу сусідніх ядер урану, стала очевидною можливість ланцюгової ядерної реакції. Така реакція не відбувається у природі лише тому, що природний уран на 99,3% складається з ізотопу урану-238, а до реакції поділу здатен лише уран-235, якого у природному урані міститься лише 0,7%.

При поглинанні нейтрона ядро починає сильно деформуватися, витягатися, тоншати по центру, утворюючи тонку шийку посередині з двома кулями на кінцях («гантелю»), а потім дві кулі, які стають ядрами легших елементів, розлітаються з величезною швидкістю у різні боки. Часто при цьому в різні боки летять також інші осколки й друзки: альфа-частинки, нейтрони, гамма-кванти.

Продукти поділу наперед визначити неможливо. З більшою або меншою ймовірністю утворюються різні атоми з середини періодичної таблиці. Багато з них є радіоактивними. З часом радіоактивні продукти реакції розпадаються, доволі часто проходить низка розпадів, перш ніж утвориться стабільне ядро. При приблизно рівному поділі утворюються два ядра з масами близько 115 а.о.м..

Рис.16. Розподіл продуктів поділу ²³⁵U за масою.

При поділі ядер виділяються нейтрони. Їхня кількість залежить від конкретного сценарію поділу. Зазвичай виділяються 2-3 нейтрони. Ці нейтрони можуть захопитися іншими, ще неподіленими ядрами, й викликати їхній поділ, при якому знову ж таки виділяються нові нейтрони. Така реакція називається ланцюговою. Ланцюгова реакція характеризується коефіцієнтом розмноження нейтронів. Він залежить не тільки від кількості нейтронів, що виділяються при кожному акті поділу, а й від втрат нейтронів: частина нейтронів вилітає за межі області, де відбувається реакція і знаходяться здатні до поділу ядра, інша ж частина поглинається ядрами інших (стабільних)хімічних елементів і не викликає реакцій поділу. Якщо коефіцієнт розмноження більший за одиницю, виникає вибух. Такий сценарій використовується у атомних бомбах. Якщо коефіцієнт розмноження строго дорівнює одиниці, то реакція протікає стабільно. Такий сценарій використовується у ядерних реакторах.

Ймовірність поглинання нейтрона ядром залежить від енергії нейтрона. Для ²³⁵U ймовірність збільшується при зменшенні швидкості нейтронів. Тому у ядерних реакторах використовуються сповільнювачі нейтронів. Оскільки найважливішими для реакції поділу є теплові нейтрони, то коефіцієнт розмноження нейтронів залежить від температури у ядерному реакторі. Для управління реакцією у реактор вводять (або виводять) речовини, здатні поглинати нейтрони, таким чином зменшуючи (або збільшуючи) їхній потік.