Вопрос 2. Цепная реакция деления тяжелых ядер и синтеза легких ядер.

Цепная реакция деления

Атомные ядра некоторых изотопов химических элементов с большой атомной массой (например урана или плутония) при их облучении нейтронами определённой энергии теряют свою устойчивость и распадаются с выделением энергии на два меньших и приблизительно равных по массе осколка — происходит реакция деления атомного ядра. При этом наряду с осколками, обладающими большой кинетической энергией, выделяются ещё несколько нейтронов, которые способны вызвать аналогичный процесс в соседних таких же атомах. В свою очередь, нейтроны, образовавшиеся при их делении, могут привести к делению дополнительного количества атомов расщепляющего материала — реакция становится цепной, приобретает каскадный характер. В зависимости от внешних условий, количества и чистоты расщепляющегося материала её течение может происходить по-разному. Если вследствие вылета нейтронов из зоны деления или их поглощения атомными ядрами без последующего деления число расщеплённых ядер в последующей стадии цепной реакции меньше чем в предыдущей, то происходит её затухание. При равном числе расщеплённых ядер в обоих стадиях цепная реакция становится самоподдерживающейся, а в случае превышения количества расщеплённых ядер в каждой последующей стадии в реакцию вовлекаются всё новые атомы расщепляющегося вещества. Если такое превышение является многократным, то в ограниченном объёме за очень короткий промежуток времени образуется большое количество атомных ядер-осколков деления, электронов, нейтронов и квантов электромагнитного излучения с очень высокой кинетической энергией. Единственно возможной формой их существования является агрегатное состояние высокотемпературной плазмы, в сгусток которой превращается весь расщепляющийся материал и любое другое вещество в его окрестности. Этот сгусток не может быть сдержан в своём первоначальном объёме и стремится перейти в равновесное состояние путём расширения в окружающую среду и теплообмена с ней. Поскольку скорость упорядоченного движения составляющих сгусток частиц много выше скорости звука как в нём, так и в окружающей его среде (если это не вакуум), расширение не может иметь плавного характера и сопровождается образованием ударной волны — т. е. носит характер взрыва.

Термоядерный синтез

В отличие от атомных реакций деления, реакции термоядерного синтеза с выделением энергии возможны только среди элементов с небольшой атомной массой, не превышающих приблизительно атомную массу железа. Они не носят цепного характера и возможны только при высоких температурах, когда кинетической энергии сталкивающихся атомных ядер достаточно для преодоления кулоновского барьера отталкивания между ними, либо для заметной вероятности их слияния за счёт действия туннельного эффекта квантовой механики. Чтобы сделать возможным такой процесс, необходимо совершить работу для разгона исходных атомных ядер до высоких скоростей, но если они сольются в новое ядро, то выделившаяся при этом энергия будет больше, чем затраченная. Появление нового ядра в результате термоядерного синтеза как правило сопровождается образованием различного рода элементарных частиц и высокоэнергетичных квантов электромагнитного излучения. Наряду со вновь образовавшимся ядром все они имеют большую кинетическую энергию, т. е. в термоядерного синтеза происходит преобразование внутриядерной энергии сильного взаимодействия в тепловую. Как следствие, в итоге результат оказывается тот же, что и в случае цепной реакции деления — в ограниченном объёме образуется сгусток высокотемпературной плазмы, расширение которого в окружающей плотной среде имеет характер взрыва.

Установлено, что смесь двух изотопов, дейтерия и трития, требует менее всего энергии для реакции синтеза по сравнению с энергией, выделяемой во время реакции. Однако, хотя смесь дейтерия и трития (D-T) является предметом большинства исследований синтеза, она в любом случае не является единственным видом потенциального горючего.

Реакция дейтерий + тритий (Топливо D-T)

Самая легко осуществимая реакция — дейтерий + тритий:

²H + ³H = ⁴He + n при энергетическом выходе 17,6 МэВ (мегаэлектронвольт).

Такая реакция наиболее легко осуществима с точки зрения современных технологий, даёт значительный выход энергии, топливные компоненты дешевы. Недостаток — выход нежелательной нейтронной радиации.