2. Реакції ділення. Ланцюгова реакція. Використання ядерної енергії

Взаємодія ядер важких елементів (уран, торій) з нейтронами може привести до поділу цих ядер на приблизно рівні осколки. Ядерні реакції такого типу називають реакціями поділу.

Механізм ділення важкого ядра після його взаємодії з нейтроном можна пояснити, виходячи з краплинної моделі будови ядра. В такому ядрі діють ядерні й кулонівські сили. Припустимо, що ядро поглинуло один нейтрон. Таке ядро, перебуваючи в збудженому стані, здійснює відповідну пульсацію, довільно змінюючи свою форму. Серед великої кількості різноманітних пульсацій, форма ядра може випадково стати еліпсоїдною. Завдяки дії поверхневих ядерних сил, а також кулонівських сил відштовхування є велика імовірність, що еліпсоїдне ядро стане гантелеподібним і після цього буде розірване на дві частини. Схематично це виглядить так:

В середній частині “гантелі” буде підвищена концентрація нейтронів. Ці нейтрони не перебувають під дією кулонівських сил, а тому як правило 2?3 з них не встигають попасти у відповідні осколки ділення. Отже, реакція ділення починається з поглинання важким ядром одного теплового нейтрона і закінчується розривом його на два приблизно рівні осколки з виділенням ще двох-трьох теплових нейтронів.

Зупинимось на реакціях ділення урану. Природний уран складається з двох основних ізотопів (0,7 %) і (99,3 %). Поглинувши тепловий нейтрон (W?25 кеВ), ядро перетворюється в ядро з енергією збудження 6,4 МеВ, а поріг ділення дорівнює 5,8 МеВ. Тому робимо висновок, що ядро ділиться під дією нейтрона довільної енергії. В той же час, для поріг ділення досягає енергії 5,8 МеВ, а енергія збудженого ядра після взаємодії з нейтроном складає приблизно 4,8 МеВ. Робимо висновок, що ядро зможе ділитись лише після взаємодії з нейтроном, енергія якого не нижча 1 МеВ.

Теплові нейтрони ділять крім ядра ще ядра і ядра які в природі не зустрічаються. Ці ізотопи одержують штучно в ядерних реакторах на швидких нейтронах ( W ? 1 МеВ):

Торій і які використовуються для одержання необхідних матеріалів, називають ядерною сировиною.

Ізотопи - є ядерним горючим для ядерних котлів і матеріалами для виготовлення ядерних бомб.

Для практичного застосування поділу важких ядер масу матеріалів ділення підбирають такою, щоб нейтрони після першого акту ділення змогли зустрітись з іншими ядрами і спричинити їх ділення. Процес наростання числа актів поділу буде лавиноподібним, а реакція ділення в такому випадку буде називатись ланцюговою.

Ланцюгова реакція може бути керованою при розміщенні в активній зоні реактора сповільнювача нейтронів (як правило це графіт, або важка вода) і поглинача нейтронів (кадмій). За допомогою цих матеріалів досягають коефіцієнта розмноження нейтронів К=1; У випадку коли К?1 ланцюгова реакція може стати надкритичною і спричинити вибух. Якщо К?1,то ланцюгова реакція є підкритичною і може зменшитись до нуля. В будь-якому реакторі відповідна система автоматики підтримує коефіцієнт розмноження нейтронів в критичному стані К=1.

Об'єм активної зони стане набагато меншим, якщо використовувати збагачений . Чим більша концентрація , тим менша робоча зона і менша кількість ділящого матеріалу перебуває в активній зоні.

Некерована ланцюгова реакція може здійснюватись в ядерній бомбі, розміри якої тим менші, чим вища концентрація ділящогося матеріалу.

Закон радіоактивного розпаду Властивості радіактивно випромінювання були вивчені незабаром після відкриття Беккерелем радіоактивності в 1896 р. Виявилося, що існують три різні види ядерного випромінювання (альфа, бета і гамма). Після багаторічних досліджень було виявлено, що а-випромінювання складається з ядер гелію ² _квітня He, б-випромінювання - фотони з дуже високою енергією, м-випромінювання, як правило, складається з електронів. Зразок урану ²³⁸ U випускає а-частинки за наступною схемою:

238 U -> 234 Th + 4 He + 4,2 МеВ.

Через 4,5 · 10 ⁹ років половина ядер зразка ²³⁸ U розпадеться. Теорія альфа-розпаду побудована Г.А. Гамовим в 1928 р. У разі бета-розпаду більш ретельні дослідження показали, що деякі ядра замість електронів випускають їх античастинки - позитрони, крім того, випускання електронів або позитронів завжди супроводжується випромінюванням нейтрино або антинейтрино. (Нейтрино - це елементарна частинка з електричним зарядом рівним нулю, напівцілим спіном 1 / 2 і нульовий (або дуже малої) масою спокою. Перша теорія бета-розпаду була побудована Е. Фермі в 1931 р. Окрім добре відомих альфа, бета і гамма - розпадів в 1940 р. радянськими фізиками Г.М. Флерова і К.А. Петржака відкритий четвертий тип розпаду: мимовільне ділення ядер урану на дві приблизно рівні частини. У 1970 була виявлена ​​протонна радіоактивність: викид протона з ядра. Ще один вид розпаду - двухпротонную і двухнейтронную радіоактивність, передбачений в 1960 р. радянським фізиком-теоретиком В.І. Гольданський. Експериментально цей вид розпаду ще не виявлений. Радіоактивне випромінювання впливає на речовину і, передаючи речовині енергію, викликає в ньому електронне збудження, іонізацію і розрив хімічних зв'язків. Особливо небезпечно радіоактивне випромінювання для біологічних об'єктів, оскільки воно може порушити нормальне функціонування клітин, приводячи до незворотних наслідків і навіть до летальних наслідків. Вплив радіоактивного випромінювання на організм залежить від проникаючої здатності випромінювання. З трьох видів зовнішнього радіоактивного випромінювання найменшою проникаючою здатністю має α-випромінювання, яке практично повністю поглинається шкірним покривом. Бета-випромінювання здатне проникати під шкірний покрив на глибину до 1 см. Попадання в організм носіїв цих радіоактивних випромінювань досить небезпечно. Найбільшу небезпеку представляє собою гамма-випромінювання, оскільки воно має досить високу проникаючу здатність. Великі надії вчені покладають на реакцію керованого термоядерного синтезу. Надії на практичну реалізацію керованого термоядерного синтезу продовжують залишатися "помірковано оптимістичними" протягом більше 40 років. Якщо б вдалося здійснити керовані термоядерні реакції в промислових умовах, то це дало б доступ до практично невичерпних джерел енергії і позбавило б людство від загрози енергетичної кризи. З іншого боку, якщо вибухнуть ті величезні запаси водневих бомб, які накопичені (і продовжують накопичуватися багатьма країнами, не дивлячись на закінчення т.зв. холодної війни), то людство і велика частина всього живого на Землі буде знищено