Термоядерные реакции (реакции синтеза)

Ядерные реакции взрывного характера и условия их осуществления

Ядерными реакциями называются превращения атомных ядер, происходящие в результате взаимодействия с ними элементарных частиц или других ядер.

В некоторых тяжёлых ядрах захват свободного нейтрона может привести к ядерной реакции деления (₉₂U²³⁵, ₉₂U²³³, ₉₄Pu²³⁹). В реакции деления ядро урана, захватив нейтрон, распадается на два тяжёлых «осколка», т.е. на два новых ядра: ₉₂U²³⁵ + ₀n¹ → ₉₂U²³⁶ → ₃₈Sr⁹⁴ + ₅₄Xe¹⁴⁰ + γ + 2₀n¹ + 200Мэв.

При этой реакции испускаются два-три новых свободных нейтрона, которые могут проникнуть в другие неразделившиеся ядра и вызвать их деление. В результате деления каждого их этих ядер также испускается по два-три нейтрона, вызывающих последующее деление ядер. Таким образом, развивается лавинообразный процесс, называемый цепной реакцией деления ядер (рис.1.2).

Цепная реакция при делении ядер урана и плутония представляет собой взрыв огромной силы. Однако это может происходить лишь в том случае, когда масса урана-235 или плутония-239 больше некоторой определённой величины, называемой критической.

В ядерном заряде не все нейтроны, высвободившиеся в процессе деления ядра, вызывают последующие деления ядер. Часть нейтронов вылетает за пределы объёма ядерного взрывчатого вещества, а часть их взаимодействует с его ядрами, не вызывая их деления.

Рис. 1.2. Схема развития цепной ядерной реакции

Среднее число новых актов деления ядер, происходящих под действием нейтронов, образовавшихся при делении ядра, называется коэффициентом развития ядерной реакции К_р.

Цепная реакция деления ядер вещества заряда, носящая взрывной характер, возможна тогда, когда К_р > 1.

Критической массой называется наименьшее количество ядерного взрывчатого вещества, в котором коэффициент развития ядерной реакции при данных условиях равен единице.

Масса вещества меньше критической называется подкритической, а превышающая критическую – надкритической.

Величина критической массы зависит от многих условий:

- от формы и конструкции заряда;

- от характера, вида, степени чистоты и плотности делящегося вещества;

- от наличия и свойств отражателя нейтронов;

- от активности дополнительного источника нейтронов.

Наименьшая величина критической массы при прочих равных условиях будет у зарядов, имеющих форму шара. В таких зарядах количество вторичных нейтронов, вылетающих за его пределы, будет минимальным. Это объясняется тем, что среди геометрических тел, имеющих одинаковый объём, но различную форму, наименьшую поверхность имеет шар. Исходя из этого, ядерные заряды обычно имеют форму шара.

Любое засорение ядерного горючего посторонними примесями всегда приводит к увеличению критической массы, так как примеси поглощают выделяющиеся нейтроны.

Критическая масса значительно уменьшается при увеличении плотности делящегося вещества. Если плотность делящегося вещества увеличить в два раза, то критическая масса уменьшится в четыре раза. Следовательно, критическая масса обратно пропорциональна квадрату плотности делящегося вещества.

Кроме того, критическая масса может быть уменьшена, если заряд окружить оболочкой, способной возвращать (отражать) нейтроны в зону реакции, т.е. уменьшить их утечку. Тем самым достигается значительная экономия делящегося вещества.

Термоядерные реакции (реакции синтеза)

Практическое осуществление термоядерных реакций стало возможным лишь после овладения цепными реакциями деления тяжёлых ядер взрывного типа. Необходимые для начала

термоядерной реакции сверхвысокую температуру и давление оказалось возможным получить с помощью ядерного взрыва. Цепная реакция деления даёт начало реакции синтеза ядер гелия из водорода: ₁H² + ₁H³ → ₂He³ + ₀n¹

От этого в свою очередь выделяется теплота и повышается без того высокая температура. Скорость термоядерной реакции и количество выделяющегося тепла резко увеличиваются, что в свою очередь ведёт к дальнейшему лавинообразному ускорению реакции. В конечном счёте, происходит мощный термоядерный взрыв.