Как происходит реакция ядерного деления кратко

Обновлено: 08.07.2024

Термоядерная реакция и ядерное деление представляют собой различные типы реакций, которые высвобождают энергию из-за наличия мощных атомных связей между частицами, находящимися в ядре. При делении атом разделяется на два или более меньших и более легких атомов. Слияние, напротив, происходит, когда два или более меньших атома сливаются вместе, образуя более крупный и тяжелый атом.

Сравнительная таблица

Определения

Синтез дейтерия с тритием с образованием гелия-4, высвобождением нейтрона и высвобождением энергии 17,59 МэВ.

Ядерный синтез - это реакция, в которой два или более ядер объединяются, образуя новый элемент с более высоким атомным номером (больше протонов в ядре). Энергия, выделяемая при синтезе, связана с E = mc 2 (Знаменитое уравнение энергии-массы Эйнштейна). На Земле наиболее вероятной реакцией синтеза является дейтерий-тритиевая реакция. Дейтерий и тритий - изотопы водорода.

2 ₁Дейтерий + 3 ₁ Тритий = 4 ₂Он + 1 ₀п + 17,6 МэВ

[Изображение: Fission-Reaction.svg | thumb | none | Реакция деления]]

Деление ядра - это расщепление массивного ядра на фотоны в виде гамма-лучей, свободных нейтронов и других субатомных частиц. В типичной ядерной реакции с участием 235 U и нейтрон:

236 ₉₂U = 144 ₅₆Ba + 89 ₃₆Кр + 3п + 177 МэВ

Деление против термоядерной физики

Атомы удерживаются вместе двумя из четырех фундаментальных сил природы: слабой и сильной ядерными связями. Общее количество энергии, удерживаемой в связях атомов, называется энергией связи. Чем больше энергии связи удерживается внутри связей, тем стабильнее атом. Более того, атомы пытаются стать более стабильными, увеличивая свою энергию связи.

Нуклон атома железа - самый стабильный нуклон в природе, он не сливается и не расщепляется. Вот почему железо находится на вершине кривой энергии связи. Для ядер атомов легче железа и никеля энергия может быть извлечена с помощью объединение Ядра железа и никеля вместе посредством ядерного синтеза. Напротив, для ядер атомов тяжелее железа или никеля энергия может выделяться за счет расщепление тяжелые ядра через ядерное деление.

Идея расщепления атома возникла в результате работы британского физика из Новой Зеландии Эрнеста Резерфорда, которая также привела к открытию протона.

Условия деления и синтеза.

Условия должны быть подходящими, чтобы произошла реакция деления. Для того чтобы деление было самоподдерживающимся, вещество должно достичь критической массы, минимально необходимой массы; при достижении критической массы продолжительность реакции ограничивается микросекундами. Если критическая масса достигается слишком быстро, что означает, что за наносекунды выделяется слишком много нейтронов, реакция становится чисто взрывной, и мощного выделения энергии не происходит.

Ядерные реакторы - это в основном управляемые системы деления, которые используют магнитные поля для сдерживания паразитных нейтронов; это создает соотношение высвобождения нейтронов примерно 1: 1, что означает, что один нейтрон возникает при ударе одного нейтрона. Поскольку это число будет варьироваться в математических пропорциях, согласно так называемому распределению Гаусса, магнитное поле должно поддерживаться для функционирования реактора, а управляющие стержни должны использоваться для замедления или ускорения нейтронной активности.

Синтез происходит, когда два более легких элемента объединяются огромной энергией (давлением и теплом), пока они не сливаются с другим изотопом и не выделяют энергию. Энергия, необходимая для начала реакции синтеза, настолько велика, что для ее возникновения требуется атомный взрыв. Тем не менее, как только термоядерный синтез начинается, он теоретически может продолжать производить энергию до тех пор, пока он контролируется и основные термоядерные изотопы поставляются.

Третий тип реактора называется реактором-размножителем. Он работает, используя расщепление для создания плутония, который может затравливать или служить топливом для других реакторов. Реакторы-размножители широко используются во Франции, но они непомерно дороги и требуют значительных мер безопасности, так как продукция этих реакторов также может использоваться для создания ядерного оружия.

Цепная реакция

Ядерные реакции деления и синтеза представляют собой цепные реакции, что означает, что одно ядерное событие вызывает по крайней мере одну другую ядерную реакцию, а обычно и больше. В результате увеличивается цикл реакций, которые могут быстро стать неконтролируемыми. Этот тип ядерной реакции может представлять собой множественное расщепление тяжелых изотопов (например, 235 U) или слияние легких изотопов (например, 2 Рука 3 ЧАС).

Коэффициенты энергии

Реакции синтеза выделяют в 3-4 раза больше энергии, чем реакции деления. Хотя на Земле нет термоядерных систем, солнечная энергия типична для производства термоядерной энергии, поскольку оно постоянно преобразует изотопы водорода в гелий, излучающие спектры света и тепла. Деление генерирует свою энергию, разрушая одну ядерную силу (сильную) и высвобождая огромное количество тепла, которое используется для нагрева воды (в реакторе), чтобы затем произвести энергию (электричество). Термоядерный синтез преодолевает две ядерные силы (сильную и слабую), и выделяемая энергия может использоваться непосредственно для питания генератора; так что не только выделяется больше энергии, но и можно использовать для более непосредственного использования.

Использование ядерной энергии

Первый экспериментальный ядерный реактор для производства энергии был введен в эксплуатацию в Чок-Ривер, Онтарио, в 1947 году. Вскоре после этого, в 1951 году, была запущена первая ядерная энергетическая установка в США, Experimental Breeder Reactor-1; он мог зажечь 4 лампочки. Три года спустя, в 1954 году, США спустили на воду свою первую атомную подводную лодку U.S.S. Наутилус, а СССР запустил первый в мире ядерный реактор для крупномасштабной энергетики в Обнинске. Год спустя США открыли свой завод по производству атомной энергии, зажег Арко, штат Айдахо (население 1000 человек).

Первым коммерческим предприятием по производству энергии с использованием ядерных реакторов был завод Колдер-Холл в Уиндскейле (ныне Селлафилд), Великобритания. Это также было местом первой ядерной аварии в 1957 году, когда из-за утечки радиации вспыхнул пожар.

Первая крупномасштабная атомная электростанция в США открылась в Шиппорте, штат Пенсильвания, в 1957 году. В период с 1956 по 1973 год в США было запущено около 40 энергетических ядерных реакторов, крупнейшим из которых был первый энергоблок Зайонской атомной электростанции в Иллинойсе. мощность 1155 мегаватт. Никакие другие реакторы, заказанные с тех пор, не были введены в эксплуатацию, хотя другие были запущены после 1973 года.

В 1973 году французы запустили свой первый ядерный реактор Phénix, способный производить 250 мегаватт энергии. Самый мощный реактор для производства энергии в США (1315 МВт) был открыт в 1976 году на Троянской электростанции в Орегоне. К 1977 году в США было 63 действующие атомные станции, которые обеспечивали 3% потребностей страны в энергии. Еще 70 должны были быть подключены к 1990 году.

Второй блок на Три-Майл-Айленде пострадал от частичного расплавления, в результате чего в окружающую среду были выброшены инертные газы (ксенон и криптон). Антиядерное движение набрало силу из-за опасений, вызванных инцидентом. Опасения усилились в 1986 году, когда на четвертом энергоблоке Чернобыльской АЭС на Украине произошла неконтролируемая ядерная реакция, в результате которой объект взорвался, радиоактивный материал разлетелся по территории и по большей части Европы. В течение 1990-х годов Германия и особенно Франция расширили свои атомные станции, сосредоточив внимание на меньших и, следовательно, более управляемых реакторах. В 2007 году Китай запустил свои первые 2 ядерных объекта общей мощностью 1866 МВт.

Хотя ядерная энергия занимает третье место после угля и гидроэнергетики по производимой в мире мощности, стремление закрыть атомные электростанции в сочетании с ростом затрат на строительство и эксплуатацию таких объектов привели к сокращению использования ядерной энергии для производства электроэнергии. Франция лидирует в мире по проценту электроэнергии, производимой ядерными реакторами, но в Германии солнечная энергия обогнала ядерную как производитель энергии.

В США по-прежнему действует более 60 ядерных объектов, но из-за инициатив голосования и возрастов реакторов были закрыты станции в Орегоне и Вашингтоне, а еще десятки стали жертвами протестов и групп защиты окружающей среды. В настоящее время, похоже, только Китай увеличивает количество своих атомных станций, поскольку он стремится уменьшить свою сильную зависимость от угля (основной фактор чрезвычайно высокого уровня загрязнения) и ищет альтернативу импорту нефти.

Проблемы

Страх перед ядерной энергией исходит из ее крайностей как оружия и источника энергии. При делении реактора образуются отходы, которые по своей природе опасны (подробнее см. Ниже) и могут быть пригодны для грязных бомб. Хотя некоторые страны, такие как Германия и Франция, имеют отличную репутацию со своими ядерными объектами, другие, менее положительные примеры, такие как те, что видели на Три-Майл-Айленде, Чернобыле и Фукусиме, заставили многих отказываться от использования ядерной энергии, хотя она является много безопаснее, чем ископаемое топливо. В один прекрасный день термоядерные реакторы могут стать доступным и обильным источником энергии, который необходим, но только в том случае, если будут решены экстремальные условия, необходимые для создания термоядерного синтеза и управления им.

Ядерные отходы

Побочным продуктом деления являются радиоактивные отходы, которым требуются тысячи лет, чтобы потерять опасный уровень радиации. Это означает, что ядерные реакторы деления также должны иметь гарантии для этих отходов и их транспортировки в необитаемые хранилища или свалки. Подробнее об этом читайте в разделе обращения с радиоактивными отходами.

Естественное происхождение

В природе слияние происходит в звездах, таких как Солнце. На Земле ядерный синтез был впервые осуществлен при создании водородной бомбы. Термоядерный синтез также использовался в различных экспериментальных устройствах, часто с надеждой на получение энергии контролируемым образом.

С другой стороны, деление - это ядерный процесс, который обычно не происходит в природе, так как требует большой массы и падающего нейтрона. Тем не менее, были примеры ядерного деления в естественных реакторах. Это было обнаружено в 1972 году, когда около 2 миллиардов лет назад было обнаружено, что месторождения урана на руднике Окло, Габон, однажды выдержали естественную реакцию деления.

Последствия

Короче говоря, если реакция деления выходит из-под контроля, либо она взрывается, либо вызывающий ее реактор расплавляется в большую кучу радиоактивного шлака. Такие взрывы или расплавления выбрасывают тонны радиоактивных частиц в воздух и любую прилегающую поверхность (сушу или воду), загрязняя их каждую минуту, пока продолжается реакция. Напротив, реакция синтеза, которая теряет контроль (становится неуравновешенной), замедляется и снижает температуру до тех пор, пока не прекратится. Вот что происходит со звездами, когда они сжигают свой водород в гелий и теряют эти элементы за тысячи столетий изгнания. Термоядерный синтез производит мало радиоактивных отходов. Если есть какие-либо повреждения, это произойдет в непосредственной близости от термоядерного реактора и мало что еще.

Гораздо безопаснее использовать синтез для производства энергии, но расщепление используется, потому что для разделения двух атомов требуется меньше энергии, чем для слияния двух атомов. Кроме того, еще не решены технические проблемы, связанные с управлением реакциями синтеза.

Применение ядерного оружия

Начиная с атомной бомбы, большая часть предложенного и / или сконструированного ядерного оружия так или иначе усилила реакцию (и) деления (например, см. Усиленное оружие деления, радиологические бомбы и нейтронные бомбы). Термоядерное оружие - оружие, использующее как деление и термоядерный синтез на водородной основе - одно из самых известных достижений в области оружия. Хотя идея термоядерного оружия была предложена еще в 1941 году, водородная бомба (водородная бомба) была впервые испытана только в начале 1950-х годов. В отличие от атомных бомб, водородные бомбы имеют не использовались в войне, только проверялись (например, см. Царь Бомба).

На сегодняшний день ни в одном ядерном оружии не используется только термоядерный синтез, хотя в рамках правительственных оборонных программ такая возможность проводилась значительным образом.

Стоимость

Деление - мощная форма производства энергии, но она имеет встроенную неэффективность. Ядерное топливо, обычно уран-235, дорого добывать и очищать. В результате реакции деления выделяется тепло, которое используется для кипячения воды для пара, который вращает турбину, вырабатывающую электричество. Преобразование тепловой энергии в электрическую громоздко и дорого. Третий источник неэффективности заключается в том, что очистка и хранение ядерных отходов очень дороги. Отходы радиоактивны и требуют надлежащей утилизации, и меры безопасности должны быть строгими для обеспечения общественной безопасности.

Ядерная реакция – это процесс взаимодействия одного ядра с другим или элементарной частицей, сопровождающийся изменением состава и структуры ядра и выделением вторичных частиц или γ -квантов.

Результатом ядерных реакций является образование новых радиоактивных изотопов, которые не существуют на Земле в естественных условиях.

Осуществление первой ядерной реакции пришлось на 1919 год. Э. Резерфорд обнаружил протоны в продуктах распада ядер. Он бомбардировал атомы азота α -частицами. Во время соударений частиц шла ядерная реакция, для которой подразумевалась специальная схема:

N 7 14 + He 2 4 → O 8 17 + H 1 1 .

В ее процессе выполняются законы сохранения импульса, энергии, момента импульса и заряда. Ядерные реакции характеризуются законом сохранения барионного заряда (количества нуклонов). Применимы и другие законы, используемые в ядерной физике и физике элементарных частиц.

Протекание ядерной реакции идет с помощью бомбардирования атомов быстрыми заряженными частицами (протонами, нейтронами, α -частицами, ионами). Изначально она была проведена с помощью протонов, содержащих большую энергию, полученных на ускорителе, еще в 1932 году:

Li 3 7 + H 1 1 → He 2 4 + He 2 4 .

Больше всего ученых заинтересовали реакции, протекающие при взаимодействии ядер с нейтронами. Беспрепятственный их проход в атомные ядра связан с отсутствием заряда. Физик Э. Ферми занимался изучением реакций, вызываемых нейтронами. Он выявил, что такие превращения могут быть вызваны медленными и быстрыми нейтронами, движущимися с тепловыми скоростями.

Они сопровождаются энергетическими превращениями.

Энергетический выход – это величина Q = M A + M B - M C - M D c 2 = ∆ M c 2 ,

где M A и M B подразумевают массы исходных продуктов реакции, а M C и M D массы конечных. Значение ∆ M называют дефектом масс.

Любые ядерные реакции протекают с выделением Q > 0 или поглощением Q 0 энергии. Последняя из них говорит о том, что первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов не должна превышать величину Q , которая получила название порога реакции.

Чтобы у ядерной реакции был положительный энергетический выход, удельная энергия связи нуклонов в ядрах исходных продуктов должна равняться меньшему значению удельной энергии нуклонов конечных. Это значит, что ∆ M должно быть положительное.

Существуют два различных способа освобождения ядерной реакции: деление тяжелых ядер и термоядерные.

Деление тяжелых ядер

Данный способ освобождения ядерной реакции отличаются от радиоактивного распада ядер тем, что сопровождаются испусканием α - или β - частиц. Сама реакция – процесс деления нестабильного ядра на две крупные части сравнимых масс.

Ученые О. Ган и Ф. Штрассман в 1939 году открыли деление ядер урана. Продолжив исследования Ферми, они выявили, что бомбардирование урана нейтронами провоцирует появление элементов средней части периодической системы – радиоактивных изотопов бария Z = 56 , криптона
Z = 36 и других.

Уран можно встретить в виде двух изотопов U 92 238 ( 99 , 3 % ) и U 92 235 ( 0 , 7 % ) . Бомбардировка нейтронами ядра обоих изотопов расщепляет их на два осколка. Реакция деления U 92 235 происходит интенсивней на медленных (тепловых) нейтронах, а ядра U 92 238 вступают в реакцию только с быстрыми при наличии энергии, равной 1 М э В .

Большой интерес для ученых представляла реакция деления ядра U 92 235 . На данный момент существует около 100 различных изотопов с массовыми числами от 90 до 145 , которые возникают при его делении. Это можно изобразить в виде двух типичных реакций:

При делении ядра, инициированного нейтроном, появляются новые, которые вызывают реакции деления других ядер. Продуктами деления ядер урана- 235 являются другие изотопы бария, ксенона, стронция, рубидия и др.

Энергия, выделяемая при делении одного ядра урана, достигает 200 М э В . Оценка энергии производится с помощью удельной энергии связи нуклонов в ядре. Для ядер с массовым числом A ≈ 240 удельная энергия связи нуклонов в ядрах порядка 7 , 6 М э В / н у к л о н , а для ядер с массовыми числами А = 90 - 145 она составляет – 8 , 5 М э В / н у к л о н . Отсюда следует, что процесс деления способен освободить энергию около 0 , 9 М э В / н у к л о н , то есть 210 М э В на один атом урана. Энергия, выделяемая при полном делении всех ядер 1 г урана сравнима со сгоранием 3 т угля или 2 , 5 т нефти.

Нестабильность продуктов деления ядра выражается в содержании избыточного числа нейтронов. По отношению N Z наиболее тяжелые ядра составляют примерно 1 , 6 , при массовых числах от 90 до 145 отношение порядка 1 , 3 – 1 , 4 . Отсюда следует, что ядра-осколки испытывают последовательные β - распады, в результате которых число протонов возрастает, а число нейтронов уменьшается до тех пор, пока не образуется стабильное ядро.

Деление ядра урана- 235 вызвано столкновениями с нейтроном, после чего происходит освобождение еще двух или трех. При наличии благоприятных условий они попадают в другие ядра урана и вызывают их деления. Этот этап характеризуется нейронами в количестве 4 - 9 , которые далее вызывают его распад.

Лавинообразный процесс деления получил название цепной реакции.

На рисунке 6 . 8 . 1 представлена подробная схема такой реакции при делении ядер урана.

Рисунок 6 . 8 . 1 . Схема развития цепной реакции.

Чтобы такая реакция была осуществима, следует учитывать значение коэффициента размножения нейтронов, который должен быть больше 1 . Иначе говоря, каждое последующее поколение нейтронов должно быть больше, чем предыдущее. Коэффициент размножения определяется не только количеством образующихся нейтронов, но и условиями протекания самой реакции, так как их часть может поглощаться другими ядрами или выходить из зоны реакции.

Освободившиеся при делении ядер урана- 235 нейтроны могут вызывать дальнейшее деление, но только ядер данного урана, количество которого в природном уране всего 0 , 7 % .

Изотоп U 92 238 способен поглощать нейтроны, но цепной реакции это не вызовет. Ее возникновение возможно при повышенном содержании урана- 235 в самом уране, то есть при превышении критической массы. Небольшие куски урана имеют большинство нейтронов, которые при реакции не попали в ядра, в результате чего вылетают наружу.

Критическая масса для урана- 235 составляет 50 к г . Ее уменьшение производится с помощью замедлителей нейтронов. При распаде урана появляющиеся нейтроны обладают высокими скоростями, а вероятность захвата медленных нейтронов ядрами урана- 235 в сотни раз больше, чем быстрых. Лучшим замедлителем считается тяжелая вода D 2 O . Ее получают при взаимодействии чистой воды с нейтронами.

Графит также считается хорошим аналогом, но его ядра не поглощают нейтроны. При упругом взаимодействии с ядрами дейтерия или углерода они замедляются до значений тепловых скоростей.

Для снижения критической массы до 250 г актуально применение замедлителей нейтронов и специальной оболочки из бериллия, которая способна отражать их.

Атомные бомбы – это характерный пример цепной неуправляемой ядерной реакции, в результате которой происходит реактивное соединение двух кусков урана- 235 , каждый из которых обладает массой ниже критической.

Устройство, поддерживаемое управляемой реакцией деления ядер, называют ядерным (атомным) реактором.

На рисунке 6 . 8 . 2 изображена схема ядерного реактора на медленных нейтронах.

Рисунок 6 . 8 . 2 . Схема устройства ядерного реактора на медленных нейтронах.

Протекание ядерной реакции характерно для активной зоны реактора, которая заполнена замедлителем и пронизана стержнями с обогащенной смесью изотопов урана с повышенным содержанием урана- 235 (до 3 % ). Стрежни с кадмием или бором, поглощающие нейтроны, вводят в активную зону. Этот процесс позволяет контролировать скорость цепной реакции.

Охлаждение активной зоны производится с помощью прокачиваемого теплоносителя в качестве воды или металла с низкой температурой плавления (натрий). Передача тепловой энергии воде производится теплоносителем, находящимся в парогенераторе. Вода принимает состояние пара с высоким давлением, который направляется в турбину, соединенную с электрогенератором, после чего вода попадает в конденсатор. Отсутствие утечки радиации обусловлено работой теплоносителя I и парогенератора II по замкнутым циклам.

Турбина атомной электростанции используется в качестве тепловой машины, которая определяет по второму закону термодинамики общую эффективность станций. Современные атомные электростанции имеют КПД= 1 3 . Чтобы произвести 1000 М В т электрической мощности, необходимо достичь значения 3000 М В т тепловой мощности в реакторе. Около 2000 М В т уносятся с водой, которая охлаждает конденсатор. Это может привести к локальному перегреву естественных водоемов, то есть появлению экологических проблем.

Основной трудностью работы таких станций является обеспечение полной радиационной безопасности находящихся на ней людей и предотвращения случайных выбросов радиоактивных веществ, которые накапливаются в активной зоне реактора. Данной проблеме уделяется особое внимание. После произошедших аварий на АЭС в Пенсильвании в 1979 году и в Чернобыле в 1986 году вопрос безопасности становится особенно необходимым.

Практический интерес вызывают реакторы, которые способны работать без замедлителя на быстрых нейтронах. Они содержат ядерное горючее, содержащее не менее 15 % изотопа υ 92 235 . Преимущество таких реакторов состоит в том, что, работая, ядра урана- 238 способны поглощать нейтроны при помощи двух последовательных β -распадов, которые превращаются в ядра плутония, используемые как ядерное топливо:

Коэффициент воспроизводства таких реакторов достигает значений 1 , 5 , то есть на получение 1 , 5 к г плутония приходится 1 к г урана- 235 . Обычные реакторы также образуют плутоний, но в меньших количествах.

В США первый ядерный реактор был построен в 1942 году под руководством Э. Ферми, а в нашей стране в 1946 году с И.В. Курчатовым.

Термоядерные реакции

Еще один путь для освобождения ядерной энергии связан с реакциями синтеза. Слияние легких ядер и образование нового сопровождаются выделением большого количества энергии. На рисунке 6 . 6 . 1 показана зависимость удельной энергии от массового числа А в виде кривой. Даже ядра с массовым числом 60 характеризуются увеличением энергии нуклонов с ростом А . Отсюда получаем, что синтез любого ядра с A 60 из более легких ядер идет с выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза меньше массы первоначальных частиц.

Реакция слияния ядер получила название термоядерных, так как их протекание возможно только при высоких температурах.

Для вступления двух ядер в реакцию синтеза необходимо сблизить их на расстояние ядерных сил порядка 2 · 10 - 15 м , преодолев электрическое отталкивание их положительных зарядов. Для выполнения этого условия нужно, чтобы средняя кинетическая энергия теплового движения молекул превосходила потенциальную энергию кулоновского взаимодействия. Получение необходимой температуры Т дает величину 10 8 - 10 9 К . Она слишком высокая.

Температура 10 8 - 10 9 К указывает на нахождение вещества в ионизированном состоянии, то есть плазмы.

Энергия, выделяемая при термоядерных реакциях, в расчете на 1 н у к л о н в несколько раз превышает удельную энергию, которая выходит при цепной реакции деления ядер, показанная на примере формулы. То есть при реакции слияния ядер дейтерия и трития

H 1 2 + H 1 3 → H e 2 4 + n 0 1 + 17 , 6 выдает 3 , 5 М э в / к у л о н . Полное выделение энергии составляет 17 , 6 М э В . Ее считают наиболее перспективной термоядерной реакцией.

Возможность осуществления управляемых термоядерных реакций дает человеку новый и экологически чистый источник практически неисчерпаемой энергии. Но для получения сверхвысоких температур и удержания плазмы, нагретой до миллиарда градусов, требуется решение труднейшей научно-технической задачи для осуществления термоядерного синтеза.

Данный этап развития науки характеризуется наличием неуправляемой реакции синтеза в водородной бомбе. Достижение высокой температуры, необходимой для ядерного синтеза, производится путем взрыва урановой или плутониевой бомбы.

Роль термоядерных реакций важна в эволюции Вселенной. Энергия изучения Солнца и звезд характеризуется термоядерным происхождением. Примером служит ядерная реакция горения гелия, изображенная ниже.

Рисунок 6 . 8 . 3 . Возраст 10 7 лет.

Внутреннее строение звезды с массой 5 M ⊙ как функция возраста. Заштрихованы области протекания ядерных реакций. Конвективные зоны отмечены точками.

Расщепление ядра атома и способность использовать ядерную энергию, как в созидательных (атомная энергетика), так и разрушительных (атомная бомба) целях стало, пожалуй, одним из самых значимых изобретений прошлого ХХ века. Ну а в основе всей той грозной силы, что таиться в недрах крохотного атома лежат ядерные реакции.

Определение

Под ядерными реакциями в физике понимается процесс взаимодействия атомного ядра с другим подобным ему ядром либо разными элементарными частичками, в результате чего происходит изменения состава и структуры ядра.

Немного истории

Первая ядерная реакция в истории была сделана великим ученым Резерфордом в далеком 1919 году во время опытов по обнаружению протонов в продуктах распада ядер. Ученый бомбардировал атомы азота альфа частицами, и при соударении частиц происходила ядерная реакция.

А так выглядело уравнение этой ядерной реакции. Именно Резерфорду принадлежит заслуга открытия ядерных реакций.

Затем последовали многочисленные опыты ученых по осуществлению различных типов ядерных реакций, например, весьма интересной и значимой для науки была ядерная реакция, вызванная бомбардировкой атомных ядер нейтронами, которую провел выдающийся итальянский физик Э. Ферми. В частности Ферми обнаружил, что ядерные преобразования могут быть вызваны не только быстрыми нейтронами, но и медленными, который двигаются с тепловыми скоростями. К слову ядерные реакции, вызванные воздействием температуры, получили название термоядерных. Что же касается ядерных реакций под действием нейтронов, то они очень быстро получили свое развитие в науке, да еще какое, об этом читайте дальше.

Типичная формула ядерной реакции.

Какие ядерные реакции есть в физике

В целом известные на сегодняшний день ядерные реакции можно разделить на:

деление атомных ядер
термоядерные реакции

Ниже детально напишем о каждой из них.

Деление атомных ядер

Но вернемся к физике, ядерная реакция урана при расщеплении его ядра обладает просто таки колоссальной энергией, которую наука смогла поставить себе на службу. Как же происходит подобная ядерная реакция? Как мы написали выше, она происходит вследствие бомбардировки ядра атома урана нейтронами, от чего ядро раскалывается, при этом возникает огромная кинетическая энергия, порядка 200 МэВ. Но что самое интересное, в качестве продукта ядерной реакции деления ядра урана от столкновения с нейтроном, возникает несколько свободных новых нейтронов, которые, в свою очередь, сталкиваются с новыми ядрами, раскалывают их, и так далее. В результате нейтронов становится еще больше и еще больше ядер урана раскалывается от столкновений с ними – возникает самая настоящая цепная ядерная реакция.

Вот так она выглядит на схеме.

При этом коэффициент размножения нейтронов должен быть больше единицы, это необходимое условие ядерной реакции подобного вида. Иными словами, в каждом последующем поколении нейтронов, образованных после распада ядер, их должно быть больше, нежели в предыдущем.

Стоит заметить, что по похожему принципу ядерные реакции при бомбардировке могут проходить и во время деления ядер атомов некоторых других элементов, с теми нюансами, что ядра могут бомбардироваться самыми разными элементарными частичками, да и продукты таких ядерных реакций будут разниться, чтобы описать их более детально, нужна целая научная монография

Термоядерные реакции

В основе термоядерных реакций лежат реакции синтеза, то есть, по сути, происходит процесс обратный делению, ядра атомов не раскалываются на части, а наоборот сливаются друг с другом. При этом также происходит выделение большого количества энергии.

Термоядерные реакции, как это следует из самого из названия (термо – температура) могут протекать исключительно при очень высоких температурах. Ведь чтобы два ядра атомов слились, они должны приблизиться на очень близкое расстояние друг к другу, при этом преодолев электрическое отталкивание их положительных зарядов, такое возможно при существовании большой кинетической энергии, которая, в свою очередь, возможна при высоких температурах. Следует заметить, что на Солнце происходят термоядерные реакции водорода, впрочем, не только на нем, но и на других звездах, можно даже сказать, что именно она лежит в самой основе их природы всякой звезды.

Видео

И в завершение образовательное видео по теме нашей статьи, ядерным реакциям.

Раздел ОГЭ по физике: 4.4. Ядерные реакции. Ядерный реактор. Термоядерный синтез

Превращение ядер одного элемента в ядра другого элемента происходит не только в процессе радиоактивного распада. Такое превращение может происходить при взаимодействии ядер элементов друг с другом или с такими частицами, как альфа-частицы, электроны, протоны, нейтроны. Превращение исходного атомного ядра при взаимодействии с какой-либо частицей в другое ядро, отличное от исходного, называют ядерной реакцией.

Силы притяжения, связывающие протоны и нейтроны в ядре, называются ядерными силами. Свойства ядерных сил:

зарядовая независимость – ядерное (сильное) взаимодействие между двумя протонами, двумя нейтронами или между протоном и нейтроном одинаково;
короткодействующий характер – ядерные силы быстро убывают с расстоянием; радиус их действия порядка 10 –15 м;
насыщаемость – ядерные силы могут удерживать друг возле друга в ядре ограниченное количество нуклонов; с ростом числа нуклонов ядра становятся менее стабильными.

Энергия, которая необходима для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны, называется энергией связи.

Измерения показали, что масса покоя ядра М всегда меньше суммы масс покоя нуклонов (протонов и нейтронов), входящих в состав, на величину Δm, называемую дефектом массы: Δm = (Zm_p + Nm_n) – М.

Энергия связи атомного ядра Е_св равна произведению дефекта масс на квадрат скорости света: Е_св = Δmс 2 .

Массу ядер удобно выражать в атомных единицах массы: 1 а.е.м. = 1,67 • 10 –27 кг.

Ядерными реакциями называются превращения атомных ядер, вызванные их взаимодействиями с различными частицами или друг с другом. При записи ядерных реакций используются законы сохранения заряда и массового числа (числа нуклонов).

Например, осуществлена ядерная реакция , в результате которой получен изотоп натрия и некоторая частица, которую нужно определить. Находим сумму массовых чисел в левой части уравнения. Она равна 26. Вычитаем из этого числа массовое число изотопа натрия: 26 – 22 = 4. Следовательно, массовое число неизвестной частицы равно 4. Определяем зарядовое число: сумма зарядовых чисел в левой части равенства равна 13, следовательно, зарядовое число неизвестной частицы 13 – 11 = 2. Таким образом, массовое число образовавшейся в результате реакции частицы 4, а зарядовое число 2. Это — альфа-частица. Уравнение имеет вид:

Термоядерный синтез

Термоядерный синтез — это разновидность ядерной реакции. В ходе ядерной реакции ядро атома взаимодействует либо с элементарной частицей, либо с ядром другого атома, за счет чего состав и строение ядра изменяются. Тяжелое атомное ядро может распасться на два-три более легких — это реакция деления. Существует также реакция синтеза: это когда два легких атомных ядра сливаются в одно тяжелое.

В отличие от ядерного деления, которое может проходить как самопроизвольно, так и вынужденно, ядерный синтез невозможен без подвода внешней энергии. Как известно, притягиваются противоположности, но вот атомные ядра заряжены положительно — поэтому они отталкиваются друг от друга. Эта ситуация называется кулоновским барьером. Чтобы преодолеть отталкивание, необходимо разогнать эти частицы до сумасшедших скоростей. Это можно осуществить при очень высокой температуре — порядка нескольких миллионов кельвинов. Именно такие реакции и называются термоядерными.

Естественным термоядерным реактором является звезда. В ней плазма удерживается под действием гравитации, а излучение поглощается — таким образом, ядро не остывает. На Земле же термоядерные реакции можно провести лишь в специальных установках (импульсные системы, квазистационарные системы, токамак, торсатрон).

В ходе ядерных и термоядерных реакций выделяется огромное количество энергии, которую можно использовать в различных целях — можно создать мощнейшее оружие, а можно преобразовать ядерную энергию в электричество и снабдить им весь мир. Энергия распада ядра давно используется на атомных электростанциях. Но термоядерная энергетика выглядит перспективнее. При термоядерной реакции на каждый нуклон (так называются составляющие ядра, протоны и нейтроны) выделяется намного больше энергии, чем при ядерной реакции. К примеру, при делении ядра урана на один нуклон приходится 0,9 МэВ (мегаэлектронвольт), а при синтезе ядра гелия из ядер водорода выделяется энергия, равная 6 МэВ.

В основных ядерных реакциях, которые планируется использовать в целях осуществления управляемого термоядерного синтеза, будут применяться дейтерий (тяжёлый водород, обозначается символами D и 2 H — стабильный изотоп водорода с атомной массой, равной 2) и тритий (сверхтяжёлый водород, обозначается символами T и 3 H — радиоактивный изотоп водорода), а в более отдалённой перспективе гелий-3 и бор-11.

Курчатовский институт работает над реактором IGNITOR. Германия запустила термоядерный реактор-стелларатор Wendelstein 7-X. Наиболее известен международный проект токамака ИТЭР (ITER, Международный экспериментальный термоядерный реактор) в исследовательском центре Кадараш (Франция).

Читайте также: