Поділ важких ядер. Ланцюгові реакції поділу. Ядерний реактор. Термоядерний синтез

Реакції поділу важких ядер

У 1939 році німецькі фізики Ган та Штрассман, опромінюючи нейтронами уран, виявили в продуктах реакції елемент середньої частини таблиці Мендєлєєва. Цей елемент був барієм. При повторних дослідженнях Ірен Жоліо-Кюрі виявила в продуктах реакції лантан.

Аналізуючи ці відкриття, німецькі вчені Мейтнер та Фріш дійшли висновку, що ядро урану має порівняно незначну стійкість, і після захоплення нейтрона може ділитись на два ядра-уламки приблизно однакового розміру. Оскільки в них відношення числа нейтронів до числа протонів дуже велике, ці уламки повинні бути нестійкими і давати ряди β-розпаду.

Важкі ядра можуть перетворюватися на кілька легших ядер-уламків. Такий процес, або таку ядерну реакцію, називають поділом ядра. Установлено, що поділятися можуть ядра, для яких виконується умова:

,

де Z – порядковий номер елементу в періодичній системі елементів, А – кількість нуклонів у ядрі.

Умова виконується для всіх ядер, починаючи з ізотопу срібла . Для нього. За інших однакових умов більша ймовірність поділу саме більш важких ядер. Важкі ядра, для яких, зовсім не стійкі і не можуть існувати. Відомі реакції поділу, які відбуваються самовільно. Г.Флеров і К.Петржак відкрили такий спонтанний поділ ядер урану. Він відбувається дуже рідко. Період піврозпаду такого процесу становить близькороків.

Найбільший інтерес становлять реакції поділу, які відбуваються після поглинання ядром будь-якої елементарної частинки. Найлегше поділ відбувається під час захоплення ядром нейтрона, якому не по­трібно долати кулонівський бар'єр, щоб проникнути в ядро. Хоча при відповідних енергіях ядро здатне захопити - квант, і протон, і дейтрон, та інші елементарні частинки і потім поділитися. Практи­чний інтерес становить реакція поділу ядер урану, плутонію і торію, які використовують на атомних станціях для виробництва електроенергії.

Наведемо приклад поділу ядра урану-235 під час захоплення ним повільного нейтрона з енергією :

.

Це зовсім не єдиний варіант поділу. Унаслідок поділу можуть утворюватися й інші ядра-уламки. Оскільки важкі ядра перевантажені нейтронами, то одночасно з утворенням ядер-уламків виділяються вільні нейтрони. Під час кожного поділу виділяються два або три нейтрони. При поділі 1 г урану виділяється енергія, в кілька мільйонів разів більша за енергію, отриману при згорянні 1 г нафти або вугілля. Основну частину енергії становить кінетична енергія уламків (до 168 МеВ). Решта залишається - квантам. Ядра-уламки перебувають у збудженому стані, тому витримують цілу низку послідовних розпадів із випромінюванням різних елементарних частинок.

Пізніші дослідження підтвердили, що ядро урану під дією нейтрона ділиться на дві частинки, відношення мас яких можуть бути дуже різними; всіх їх близько 80. Проте найбільш ймовірним є поділ ядер урану на уламки, маси яких відносяться як 2 : 3.

При поділі одного ядра виділяється близько 200МеВ енергії. Процес поділу ядра добре пояснюється крапельною моделлю ядра: ядро, захоплюючи нейтрон, збуджується і починає деформуватись, набуваючи витягнутої форми; дія ядерних сил при цьому послаблюється, і ядро при цьому починає витягуватись під дією кулонівських сил. Коли ці сили за модулем стають більші від ядерних сил, ядро розривається на два уламки, при цьому звільняються 2-3 нейтрони (це залежить від енергії нейтрона, який захоплюється ядром).

Ядра 1 та 2 (рис. 3.1) − це “уламки” ядра урану, що відповідають середній частині періодичної системи Мендєлєєва.

Нейтрони виділяються внаслідок цієї взаємодії тому, що “уламки”, які утворюються, перевантажені нейтронами, а відомо, що будь-яка система прямує до такого енергетичного стану, щоб її енергія була мінімальною. Процес звільнення принаймні двох нейтронів забезпечує ланцюгову ядерну реакцію.

Ланцюгова ядерна реакція супроводжується виділенням великої кількості енергії, і тому для її характеристики вводиться коефіцієнт розмноження нейтронів

,

де − кількість нейтронів попереднього покоління;− кількість нейтронів останнього покоління.

При > 1 ланцюгова реакція розподілу ядер урану відбувається у вигляді вибуху; при< 1 реакція поділу не відбувається; якщо, реакція поділу відбувається стаціонарно.

Реакція відбувається як під дією повільних, так і швидких нейтронів. Так ділиться один з ізотопів урану (235), але під дією повільних нейтронів реакція відбувається ефективніше.

Ланцюгова реакція в чистому урані-235 може розвиватися лише при певній його кількості. При незначній кількості урану нейтрони від розпаду одного ядра можуть вилітати назовні і не влучати в інші ядра. Мінімальну кількість урану-235, при якій може розвиватися ланцюгова реакція, називаютькритичною кількістю (масою). За розрахунками В.Гейзенберга, для урану-235 вона дорівнює приблизно 9 кг. При перевищенні критичної маси урану-235 або плутонію-239 нейтрони розмножуються настільки швидко, що ланцюгова реакція набуває характеру вибуху. Вибух виникає сам по собі завдяки довільному розпаду урану або ж попаданню в нього нейтронів з космічного про­міння. Тому зберігати уран-235 або плутоній-239 можна лише в кількостях, менших від критичної.

В атомній бомбі (рис. 3.2) вибух виникає тоді, коли два шматки 1 і 2 майже чистого урану-235 або плутонію-239, маси яких менші від критичних, зводяться в один. Для щільного з'єднання їх використовується звичайна вибухова речовина 3 (запал). Масивна металева оболонка 4 призначена для відбивання нейтронів, а також для утримання ядерного заряду від розпилення, доки не прореагує значна його кількість. Ланцюгова реакція відбувається на швидких нейтронах. Вибух атомної бомби супроводжується виділенням величезної кількості енергії, завдяки чому в зоні вибуху температура підвищується до десятків мільйонів градусів, а тиск досягає мільйонів атмосфер. Вибух супроводжується також інтенсивним радіоактивним випромінюванням ядерних уламків. За енергією вибуху одна атомна бомба еквівалентна вибуху 25 000 т тротилу, але є атомні бомби еквівалентом і 100, 200 Мт тротилу.

Ядерний реактор

Ядерний реактор − це пристрій, в якому підтримується керована ядерна реакція поділу ядер.

Будь-який ядерний реактор має такі основні складові:

1. ядерне паливо (наприклад, уран-235, -238, плутоній-238, -239);

2. теплоносій (слугує для виведення тепла; в якості його може використовуватися вода, рідкий азот);

3. пристрій для регулювання швидкості реакції (найчастіше використовується кадмій);

4. захисна оболонка (виготовлена із залізобетону; захищає від стихійних лих);

5. сповільнювач нейтронів (лише в реакторах, що працюють на повільних нейтронах; застосовуються графіт, важка вода);

6. відбивач нейтронів (призначений для того, щоб у реакторі відбувалась стаціонарна реакція, k ≈ 1).

Для виникнення ланцюгової ядерної реакції також необхідні умови: маса ядерного пального повинна перевищувати критичну масу. Якщо його маса менша від критичної маси, нейтрони вилітають у повітря, і реакція не відбувається. Для урану-235 критична маса становить 50 г (на вигляд це кулька радіусом 9 мм).

Схема ядерного реактора

Відведення тепла з активної зони реактора (А) (рис. 3.3) до парової турбіни електростанції забезпечується двома замкнутими контурами циркуляції води. (1) − трубки всіх тепловидільних елементів реактора; (2) − з’єднувальні трубопроводи; (3) − змійовик; (4) − насос; ці елементи утворюють перший контур, в якому вода цир­кулює під тиском . При вході в тепловидільні елементи температура води складає393 К, при виході − 543 К. Теплообмінник (5), в якому вода кипить і дає пару при тиску , паропровід (6), турбіна (7), холодильник (8) і насос (9), що дає конденсат в теплообмінник, утворюють другий контур. Турбіна приводить в рух генератор електричного струму (10).

Ядерні реактори (види):

• на швидких нейтронах;

• на повільних нейтронах;

• на природному урані;

• на ізотопах урану;

• на збагаченому урані.

Гомогенні реактори − це реактори, в яких речовина, що ділиться, змішується з уповільнювачем (наприклад, уран з водою).

Гетерогенні реактори − це реактори, в яких речовина та уповільнювач відокремлені.

Типи сповільнювачів:

• графіт;

• важка вода;

• вода;

• берилій.

Термоядерні реакції

Термоядерні реакції – це реакції синтезу ядер, які відбуваються лише при високій температурі. Для злиття двох ядер їх треба зблизити на відстань ядерних взаємодій –. Для цього потрібно виконати роботу проти сил електростатичного відштовхування ядер:

,

де – радіус ядерних сил;Z₁, Z₂ – порядкові номери елементів. Навіть для найлегших ядер з Z₁ = Z₂ = 1, якими є ядра ізо­топів водню Н¹, Н², Н³, робота дорівнює:

.

Для виконання цієї роботи кожна з двох частинок повинна мати кінетичну енергію:

,

звідки випливає, що злиття ядер можливе при температурі речовини

.

Насправді реакції синтезу легких ядер відбуваються з помітною інтенсивністю при значно нижчих температурах, приблизно 10⁷ К. Причина цього – наявність у тепловому русі частинок з швидкостями, значно вищими від середніх; крім того, істотну роль відіграє так званий тунельний ефект. Згідно з квантовою механікою, існує певна ймовірність того, що частинка проникне крізь потенціальний бар'єр з енергією, меншою від нього, проходячи наче через тунель у бар'єрі.

Найсприятливіші умови створюються для реакцій синтезу ядер ізотопів водню; вони можуть давати такі три типи реакцій:

(3.1)

З найбільшою ймовірністю відбувається реакція синтезу дейтерію і тритію, яка має резонансний характер, тобто відповідає умовам, коли енергія складеного ядра, що утворюється при захопленні частинки, яка бомбардується, точно відповідає енергії одного із збуджених станів цього ядра. При тій самій температурі синтез дейтерію і тритію відбувається в 100 разів швидше, ніж дві перші реакції (3.1).

Оскільки енергія зв'язку нуклонів у легких ядрах значно менша ніж у середніх ядрах, то в реакціях синтезу легших ядер виділяється значна енергія. Розрахунки показують, що в результаті повної реакції синтезу ядер 1 кг суміші дейтерію і тритію виділяється енергія Е , яка у вісім разів більша від енергії поділу 1 кг урану-235.

Першу реакцію синтезу дейтерію і тритію було здійснено в ко­лишньому СРСР у 1953 р. у вигляді вибуху потужної водневої бомби. Високої температури, необхідної для реакції синтезу, було досягнуто завдяки вибуху уранової бомби; подальше зростання температури зу­мовлювалося перебігом реакції синтезу.

Крім реакцій синтезу водню в гелій, з великою ймовірністю від­бувається синтез літію з воднем:

тощо.

Тому можна побудувати також воднево-літієву бомбу за схемою, що на рис. 3.4. Вибух такої бомби еквівалентний вибуху кількох мільйонів тонн звичайної вибухової речовини.

Вивільнення величезної енергії в реакціях синтезу легких ядер висунуло на перший план проблему здійснення керо­ваних термоядерних реакцій. Розв'язання цієї проблеми дало б змогу використати як ядерне паливо величезні запаси водню на Землі. Зауважимо, що хоч найлегшим є повний синтез рівних кількостей дейтерію і тритію, все ж у майбутньому головне значення матимуть реакції синтезу чис­того дейтерію. Тритію у природі дуже мало, тоді як природні запаси дейтерію практично необмежені. Кількість дейтерію у водах океанів оцінюється в 10¹⁷ кг; 1 л звичайної води за енергією еквівалентний приблизно 400 л нафти. Прості розрахунки показують, що дейтерію як ядерного палива вистачить на Землі на сотні мільйонів років при бурхливому розвитку енергетики, тоді як запаси інших джерел енергії, в тому числі і ядерних речовин, які розщеплюються, обмежені.

Здійснення керованих термоядерних реакцій пов'язане із значними труднощами: необхідно забезпечити розігрівання дейтерію в певному обмеженому об'ємі до температури понад 10⁸ К (при такій температурі всі речовини перетворюються в плазму) та достатньо високу густину цієї плазми. Тобто, необхідно виконати критерій Лоусона:

с/см,

де n – концентрація частинок у плазмі; – час утримання частинок у плазмі при даній температурі.

Ще важче забезпечити ізоляцію плазми від стінок посудини, в якій вона міститься. Адже дотик плазми до стінок посудини зумовив би бурхливе випаровування їх, а сама плазма раптово охолоджувалася б, що припинило б термоядерну реакцію.

Для утворення високотемпературної плазми практикуються по­тужні імпульсні електричні розряди в газах. У цих розрядах макси­мальна сила струму досягає величини . Імпульси такого стру­му дістають від заряджених потужних батарей конденсаторів. Імпу­льсні електричні розряди проводяться в дейтерієво-тритієвій суміші та інших газах. У момент розряду температура плазми досягає кіль­кох десятків мільйонів градусів. У таких розрядах вченим вдалося ви­явити потужне нейтронне випромінювання, як свідчення перебігу в плазмі реакцій синтезу.

Термоізоляція газу забезпечується сумарною дією магнітного поля, створеного струмом розряду, і поздовжнього магнітного поля від обмотки, намотаної на розрядну трубу. Як відомо, заряджені частинки не можуть вільно рухатися впоперек магнітних силових ліній.

Не простою справою є вимірювання температур у мільйони гра­дусів. Температуру можна було б виміряти за розширенням спект­ральних ліній. Проте при вказаних температурах водень повністю іонізується і в спектрі випромінювання його ліній немає. З цією ме­тою використовують малі домішки інших газів, таких як азот, оскіль­ки важкі атоми повністю не іонізуються і зберігають спектральні лінії у випромінюванні при таких температурах.

Якою є найдоцільніша розрядна система?

У прямолінійних системах надійно здійснюється термоізоляція плазми від бокових стінок, але ускладнюється ізоляція від електродів, на яких вона охолоджується. Щоб позбутися цього недоліку, почали використовувати тороїдальні камери і розігрівати плазму індук­ційними високочастотними полями. Першими тороїдальними уста­новками в нашій країні були установка «Альфа», в Англії – установка «Зета» і т.д. Проте виявилося, що в тороїдальних камерах умови для термоізоляції плазми від стінок гірші, ніж у лінійних. Тут виникає сильне внутрішнє магнітне поле В_вн > В_зовн, яке зміщує плазму до стінки. У зв'язку з цим з'являється так званий тороїдальний дрейф і частинки плазми попадають на стінку. Щоб усунути цей недолік, застосовують тороїдальну камеру у вигляді вісімки. У ній торо­їдальний дрейф в одній та іншій частинах камери має протилежні напрями. Якщо частинки плазми не вийдуть до стінки в першій половині камери, то вони залишаються в середині камери і в її другій половині. Такі системи називаються стелараторами.

Було встановлено, що на ізоляцію плазми від стінок установки і на збільшення її концентрації сприятливо впливає так званий пінч-ефект. Суть цього ефекту зводиться до того, що коли заряджені час­тинки плазми створюють струм в одному напрямі, то внаслідок взаємодії їх власних полів частинки плазми збираються у вузький плазмовий шнур. Проте плазмовий шнур виявився нестійким і вихо­див з-під контролю. У 1960 р. вітчизняні фізики дійшли висновку, що для утворення стійких плазмових потоків треба перейти на магнітні системи, в яких поле зростає в усіх напрямках.

У 1962 р. на установці такого типу ПР-5 в Інституті атомної енергії ім. І.В.Курчатова вдалося одержати плазму з температурою і густиною 10¹⁰ частинок в 1 см³; плазма утримувалася соті долі секунди. Ці експериментальні результати були на той час найкращими, особливо за тривалістю існування гарячої плазми. Зго­дом в Інституті ядерної фізики Сибірського відділення АН Росії під керівництвом Г.І.Будкера і Українському фізико-технічному інсти­туті на стелараторі «Ураган» дейтерієва плазма була нагріта до температури понад .

Фундаментальні дослідження у справі термоядерного синтезу, проведені в лабораторіях під керівництвом Л.А.Арцимовича і М.О.Лентовича на установках типу «Токамак» (тороїдальних каме­рах з магнітним утриманням плазми), дали змогу добути плазму з температурою , густиноюі часом життя 0,05с.

Зауважимо, що за розрахунками, для роботи термоядерного реактора потрібна плазма з температурою , густиноюі часом життя 10 с.

У колишньому СРСР роботи з керованого термоядерного синтезу проводяться в кількох наукових інститутах. У них випробовуються властивості плазми, в тороїдальних системах з сильними магнітними полями, у високочастотних електромагнітних полях великої напруженості, вишукуються шляхи розігрівання плаз­ми (ударний, турбулентний, циклотронний та ін.).

Останнім часом в експерименті випробовуються нові перспек­тивні напрями термоядерного синтезу – лазерний термоядерний синтез (ЛТС) і електронний, що ґрунтується на використанні реля­тивістських електронних пучків (РЕП).

Суть ЛТС, запропонованого М.Г.Басовим, така. Кулька, радіу­сом близько 1 мм, до якої входить дейтерій, опромінюється з усіх бо­ків лазерним імпульсом. Поглинання лазерного випромінювання в тонкому поверхневому шарі мішені веде до раптового нагрівання і випаровування. Вилітання частинок високих швидкостей, згідно з законом збереження імпульсу, зумовлює появу величезного поверхневого тиску, збільшення густини і температури в центральній частині кульки. Якщо густина і температура досягають критичних значень, там виникає термоядерний синтез і температура ще більше підвищується.

Метод здійснення керованого термоядерного синтезу на основі використання РЕП запропонував Е.К.Завойський. Як показують розрахунки, для цього потрібні пучки з силою струму близько 10⁷ А і густиною потужності близько 10¹³ Вт/см².

Якщо РЕП поглинатиметься в шарі важкого металу (5 – 10) мкм завтовшки, то сумарне енерговиділення пучка приблизно в 4 кДж у фокусі зумовить передачу енергії в 1 кеВ на кожний атом речовини. Цього досить, щоб працював електронний термоядерний реактор.

Вказане порогове значення густини потужності РЕП вдалося до­сягти в Інституті ядерної енергії ім. І.В.Курчатова на установках «Тритон» і «Ангара-1» ще в 1974 р. Для нагромадження енергії в них використовуються потужні циліндричні конденсатори, діелектриками в яких є деіонізована вода. Потрібні РЕП можна також дістати за допомогою електронних прискорювачів.

У науково-дослідному інституті електрофізичної апаратури ім. Д.В.Єфремова розробляється проект установки «Ангара-5» з су­марною енергією в пучку електронів 5 МДж: її досить для термоядерного мікровибуху з енерговиділенням до 100 МДж.

Високий рівень сучасної науки і техніки, інтерес до проблеми видатних вчених всього світу дають підстави вірити пророкуванню видатного фізика І.В.Курчатова про те, що XXІ ст. буде часом термоядерної енергії.

Сучасна наука доводить, що термоядерні реакції дуже поширені у всесвіті і є основними джерелами енергії Сонця і зір. Ці тіла на 50% складаються з водню, а температура в їхніх надрах оцінюється десят­ками мільйонів градусів (для Сонця ).

Розрахунки показують, що Сонце щосекунди випромінює енергії, а це відповідає зменшенню маси Сонця на (при загальній масі). Проте швидкість виділенняенергії Сонця, визначена на одиницю його маси, надто мала – , що в 100 разів менше швидкості виділення енергії в живому організмі. Це вказує на те, що термоядерні процеси в надрах Сонця відбуваються досить стабільно і є майже рівноважними.

У 1938 р. Бете, а потім і інші вчені теоретично обґрунтували можливість перебігу в надрах Сонця двох термоядерних циклів: протонно-протонного (р – р) і вуглецево-азотного (С – N).

Протонно-протонний цикл складається з таких реакцій (в дужках зазначено енергетичний ефект реакції Е та середню тривалість реакції ):

;

;

.

У результаті виконання циклу з чотирьох протонів утворюється ядро гелію і 2 позитрони; енергетичний ефект циклу . Другий цикл включає шість реакцій:

;

;

;

;

;

.

Результати виконання другого циклу такі самі, як і першого, проте в (С – N)- циклі роль своєрідних «каталізаторів» відіграють ядра вуглецю ; кількість їх до і після циклу залишається незмінною. Внаслідок перебігу того або іншого циклів на Сонці за рахунок водню утворюється гелій. За астрофізичними даними на Сонці є достатня кількість водню, якого, як матеріалу для термоядерних реакцій, вистачить на декілька мільярдів років. Після цього настане гравітаційний стиск Сонця і підвищення температури його надр, що може створити умови для перебігу реакції синтезу гелію в більш важкі ядра.