Термоядерные реакции

Рассмотрим условия осуществимости реакций синтеза. Опять обратимся к химическим реакциям. Дерево повсюду окружает нас, но не вступает во взаимодействие с кислородом. Для того, чтобы эта реакция началась, дерево нужно поджечь, т.е. повысить его температуру.

При нагревании вещества изменяется характер движения атомов, молекул: а) при “- 10°C” они совершают слабые колебания (лед); б) при t > 0°С связи между молекулами разрываются – изо льда образуется вода; в) при t > 100°С молекулы начинают вылетать из жидкости, при этом образуется пар. При дальнейшем нагревании молекулы воды распадаются на атомы кислорода и водорода, а потом они лишаются своих электронов, и возникает смесь ядер и электронов. Это так называемое четвертое состояние вещества – плазма (а первые три – твердое, жидкое, газообразное).

Для того чтобы, поджечь дерево, не надо переводить его в 4-ое состояние. Достаточно ~ 400°С, тогда молекулы целлюлозы и окружающие их молекулы кислорода движутся настолько быстро, что при соударении соединяются друг с другом, сцепляясь своими электронными оболочками, вследствие чего образуется новое вещество.

При этом выделяется энергия, которой с избытком хватает на то, чтобы точно так же прошла реакция соединения соседних молекул. Возникает цепная реакция горения.

Очевидно, что и ядра, например, D и Li тоже нужно разогреть до необходимой температуры. Какой?

Химические и ядерные реакции качественно различны. В химических реакциях соединяются атомы, а в ядерных – ядра, которые значительно меньше атомов (например, если принять Земной шар за одно ядро в молекуле водорода, то второе ядро будет находиться примерно там, где Солнце). Так что для соединения ядер нужно придать им гораздо большие скорости движения, чем атомам в химической реакции.

Ядра атомов несут положительный электрический заряд, а следовательно, сталкиваются. Для преодоления кулоновских сил ядра нужно разогнать до скорости около 500 км/с (для сравнения: первая космическая скорость – 8 км/с). Для этого нужно нагреть, например, ядра дейтерия до температуры ~ 100 млн.°С. Поэтому реакции синтеза называют термоядерными.

Отсюда видно, какие трудности стоят перед наукой и техникой. И пока, к сожалению, реакция синтеза осуществлена только в термоядерной (водородной) бомбе. Высокие температуры в ней получаются с помощью запала атомной бомбы.

Академик Л.Арцимович (1973г.): “Термоядерный синтез будет освоен тогда, когда он очень понадобится человеку”.

Устойчивость ядра. Ядерные силы. Ядерные реакции деления. Цепная ядерная реакция деления

Ясно, что для деления ядра нужно выбрать инструмент, сравнимый с размером ядра.

Мы уже знаем несколько частиц, сравнимых с ядром по размерам. Это само ядро, протон, нейтрон. Будем выбирать из их числа.

Остается уточнить, какими свойствами должен обладать этот инструмент. Чтобы что-то разбить, распилить, расколоть, нужно, кроме использования молотка, пилы, топора затратить еще и энергию, различную для разных материалов. Так и для деления разных ядер нужно затратить различную энергию.

Ядра состоят из протонов и нейтронов. Почему же ядро не разваливается само по себе? Ведь протоны отталкиваются. Дело в том, что внутри ядра действуют еще так называемые внутриядерные силы (их природа пока окончательно не выяснена), действующие на очень близком расстоянии – они компенсируют силы отталкивания протонов.

Частицы ядра находятся в беспрерывном движении (в пределах объема ядра), и если бы удалось добавить этим частицам какое-то дополнительное количество энергии, то частицы стали бы двигаться быстрее. Величина этой избыточной энергии, которая необходима для того, чтобы ядро само разделилось, называется энергией возбуждения для деления ядра.

Массовое число атома	140	200	236
Энергия возбуждения для деления ядра (МэВ)	62	40	5
Энергия, выделяющаяся при делении (МэВ)	48	135	205

1 МэВ = 3,83·10^-17 ккал.

Из таблицы видно, что легче всего разбить тяжелые ядра, поскольку они самые неустойчивые (их достаточно лишь немного “подтолкнуть”).

Т.о., инструменты для деления ядра (ядро, протон, нейтрон) нужно разогнать для того, чтобы они принесли с собой в ядро энергию, не меньшую энергии возбуждения для деления – тогда произойдет деление. Например, протон или нейтрон нужно разогнать до скорости 30 000 км/с, чтобы их энергия составила 5 МэВ.

Но пока мы не обращали внимания на одно очень важное свойство частиц, претендующих на роль “инструмента” – на их заряд. Ведь протоны и тем более ядра – это заряженные частицы, и ясно, что им для сближения с ядром нужно придать большую начальную скорость, чем нейтрону. И поэтому лучшим инструментом для деления является нейтрон.

Остановимся еще на одном факте. Когда речь шла о синтезе элементов, мы заметили, что само по себе присоединение нейтрона к ядру ведет к выделению энергии, обусловленной эффектом массы. Например, в случае ²³⁵U + n → ²³⁶U выделяется около 7 МэВ. Эта энергия приведет ядро в возбужденное состояние. И эта энергия больше той, которая необходима, чтобы, разделить ядро с массовым числом 236.

Т.о., нейтрон не нужно разгонять до 30 000 км/с. Он не должен вообще обладать никакой начальной энергией. Необходимо только, чтобы он как-то попал в ядро, и оно разделится. А уж само деление приведет к выделению гораздо большей энергии (205 МэВ).

Под действием нейтронов, не обладающих начальной энергией, могут делиться не все ядра, а только те, у которых энергия возбуждения (для деления) < 7 МэВ. Эти элементы, естественно, нужно искать вблизи ²³⁶U. Это: U₂₃₃, Pu₂₃₉ и U₂₃₅. Такие элементы называют делящимися (в природе существует лишь U₂₃₅).

При попадании нейтрона в ядро U₅ (так физики обозначают U₂₃₅) образуется новое ядро, в котором уже 236 нейтронов и протонов. Это ядро U₆. Оно может затем разделиться – как правило, на 2 осколка, причем может образовываться до 30 пар различных элементов. Например: ²³⁵₉₂U +¹₀n = ¹⁴⁷₅₇La + ⁸⁷₃₅Br + 2n.

Кроме осколков деления вылетают еще 1, 2 или другое число свободных нейтронов. Если разделить очень большое количество ядер урана, то окажется, что в среднем на одно деление приходится 2,5 вылетающих нейтрона.

Запомним этот очень важный факт.

Пора уже четко сформулировать задачу, которую необходимо решить. Нам нужно создать установку, в которой получалась бы энергия от деления ядер. Эта установка должна иметь большую мощность.

Последнее требование является очень серьезным и принципиальным. Если бы его не было, то установку можно было создать довольно просто.

Возьмем кусок урана-235 и будем обстреливать его нейтронами. В качестве источника нейтронов (это смесь радиоактивных элементов) возьмем тот, который дает 30 млрд. нейтронов в секунду (отметим, что это источник очень большой мощности по сравнению с теми, которые применяют физики-экспериментаторы).

Пусть все 30 млрд. нейтронов, попав в ядра U₅, вызовут их деление. Тогда за 1 секунду выделится энергия:

30·10⁹н/с · (7,6·10^-15ккал/дел) = 23·10^-5ккал/с.

Но это очень и очень мало (за сутки можно вскипятить стакан воды). Чтобы установка была сравнима по мощности с Днепрогэсом, надо увеличить мощность в 500 млн. раз.

Даже если и можно было бы создать установку с таким гигантским источником нейтронов, то окажется, что затраты на нее превзойдут получаемый результат.

По-видимому, такая установка не годится. Нужен другой принцип работы. Вспомним опять про химическую реакцию. Мы же не поджигаем каждую крупинку угля, не подводим энергию к каждой паре атомов. Достаточно поджечь в одном каком-то месте, и реакция как бы по цепочке переходит от одной части топлива к другой. Возникает цепная реакция горения.

Конечно, нам нужна цепная реакция деления, т.е. деление одного ядра урана должно вызвать деление других – с помощью нейтронов, образующихся при делении.

Допустим, у нас есть 100 нейтронов. Они разделят 100 ядер урана, и вылетит 250 нейтронов, которые разделят 250 ядер урана, что дает 625 нейтронов и т.д. Такая цепная реакция называется растущей (в противном случае - затухающей).

Вот мы и подходим к концу поиска принципов работы установки, использующей энергию деления ядер. Такая установка с самоподдерживающейся цепной реакцией деления получила название ядерного реактора, а энергия, получающаяся при делении – ядерной.