Что называют ядерной реакцией. Правила написания.

1. Ядерной реакцией называют взаимодействие элементарной частицы с ядром, приводящее к превращению этого ядра в новое ядро с выделением вторичных элементарных частиц и (или) γ-квантов.
Ядерная реакция – это фактически внедрение элементарных частиц или лёгких ядер в ядро-мишень. Проблема осуществления ядерной реакции в кулоновском отталкивании положительно заряженных частиц (протон, альфа-частица) и ядра, которые необходимо сблизить до зоны действия ядерных сил (следует помнить, что ядерные силы – короткодействующие).
Первая ядерная реакция была проведена Резерфордом в 1919 г. с использованием альфа-частиц, энергия которых достаточна для сближения с ядрами некоторых химических элементов. В этой реакции при бомбардировании ядер азота альфа-частицами образовывался кислород и протоны (водород):

В 1934г . Ферми применил нейтроны для бомбардировки атомов. Метод оказался более эффективным, поскольку нейтрон не обладает зарядом и беспрепятственно проникает в ядро. Правда ядро «охотнее» взаимодействует с медленными (тепловыми) нейтронами с энергиями в десятки эВ и их приходилось замедлять. В реакции Ферми из алюминия, который бомбардировался нейтронами, получался неустойчивый изотоп Al(28), который был либо альфа-радиактивен, либо бета-радиоактивен. В первом случае алюминий превращался в натрий, во втором – в кремний:


Не сложно догадаться, что распад неустойчивых ядер тоже ядерная реакция.
Для написания ядерной реакции необходимо применять правила смещения Содди (альфа- и бета-распад) и следующие два правила:
- алгебраическая сумма зарядовых чисел слева и справа от знака равенства должны быть равны;
- сумма массовых чисел исходных продуктов должна быть равна сумме массовых чисел конечных продуктов.

2. Ядерные реакции могут классифицироваться по типу бомбардирующих частиц (нейтроны, протоны, альфа-частицы, дейтроны, гамма-кванты и др.), а также по характеру протекания (самопроизвольные, принудительные, деления). За основу классификации может быть и взята энергетическая составляющая (с поглощением или выделением энергии).

Выше были рассмотрены примеры ядерных реакций на альфа-частицах и на нейтронах. Рассмотрим реакцию на быстрых протонах (быстрые протоны получают в кольцевых ускорителях – циклотронах, фазотронах, синхрофазотронах и т.д.):

3. Энергетическим выходом ядерной реакции называется разность энергий покоя ядер и частиц до реакции и после реакции.

Q = (M_A + M_B – M_C – M_D)c² = ΔMc².

где M_A и M_B – массы исходных продуктов, M_C и M_D – массы конечных продуктов реакции

Поскольку мерой энергии является масса (Е = mc²), то разность энергий равносильна разности масс (дефект массы).
Если Δm < 0, то реакция эндотермическая – требуется подвод энергии извне, если Δm > 0, то реакция экзотермическая – энергия выделяется (кинетическая энергия частиц и ядер, электромагнитная – энергия квантов).

Для того чтобы ядерная реакция имела положительный энергетический выход, удельная энергия связи нуклонов в ядрах исходных продуктов должна быть меньше удельной энергии связи нуклонов в ядрах конечных продуктов. Это означает, что величина ΔM должна быть положительной.

4.В 1920 г. Резерфорд предположил, что кроме протона в ядре должна находиться и нейтральная частица с почти такой же массой. В 1930 г Боте и Беккер облучали бериллий альфа-частицами и обнаружили излучение высокой проникающей способности. Это излучение выбивало протоны высоких энергий из водородсодержащих соединений (парафин). Вначале предположили, что это гамма-излучение, однако расчёты показали, что энергия квантов получается фантастически большой. И в 1932 г. Джеймс Чедвик правильно квалифицировал эти частицы как нейтроны.

5. В 1938 г. Отто Ганн и Фриц Штрассман установили, что при бомбардировке атомов урана нейтронами возникают элементы средней части таблицы Менделеева – барий (56), криптон (36) и др.
В 1939 г. Отто Фриш и Лиза Мейтнер квалифицировали этот факт делением ядра урана, захватившего ядро.
В 1940 г. Г.Н. Флёров и К.А. Петржак открыли спонтанное деление ядер урана с периодом полураспада 10¹⁶ лет.
Уран в природе представлен двумя изотопами: уран (238) и уран (235). Оба изотопа могут участвовать в реакции деления, но уран (235) делится при взаимодействии с медленными (тепловыми) нейтронами, а уран (238) делится под воздействием быстрых нейтронов (с энергией 1 МэВ), причём вероятность деления не более 20%. Практический интерес представляет реакция деления урана (235) медленными нейтронами. В этой реакции выделяется около 200 МэВ энергии на один акт деления и 2 – 3 нейтрона, которые после замедления тоже могут вызвать деление других ядер. Две типичные реакции деления имеют вид:

Продуктами деления ядер урана-235 могут быть и другие изотопы бария, ксенона, стронция, рубидия и т. д.

Осколки реакции оказываются перегруженными нейтронами и являются радиоактивными изотопами, испытывая затем серию альфа- и бета-распадов.
Огромная выделяющаяся энергия деления объясняется тем, что энергия связи осколков оказывается больше, чем энергия связи ядра урана. При полном делении 1 г урана выделяется такая же энергия, как при сжигании 3 т угля, или 2,5 т нефти.
Для объяснения механизма деления ядра Бор предложил капельную модель, согласно которой при попадании в ядро нейтрона, оно приходит в сложное возбуждённое состояние, что и приводит к его делению.

6. При благоприятных условиях все нейтроны, образовавшиеся в акте деления также вступают в реакцию деления и число нейтронов (и актов деления соответственно) нарастает лавинообразно. При этом выделяется огромная энергия в виде взрыва. Такая реакция называется цепной ядерной реакцией.
Для её осуществления необходимо, чтобы коэффициент размножения нейтронов (отношение числа нейтронов, возникших в некотором звене реакции, к числу таких нейтронов в предыдущем звене) был больше единицы (в этом случае число нейтронов в каждом последующем поколении будет больше, чем в предыдущем и процесс нарастания актов деления будет происходить лавинообразно). Коэффициент размножения нейтронов зависит от многих факторов: например, нейтроны могут захватываться различными примесями, не имея возможности в дальнейшем участвовать в акте деления, или выбывать из зоны реакции, не успев провзаимодействовать ни с одним ядром (в этом случае говорят о некоторой критической массе, меньше которой цепная реакция не развивается).

Таким образом, для осуществления цепной реакции необходимо вещество, ядра которого способны к делению нейтронами (уран-235, плутон-239), отсутствие примесей и масса больше критической.

7. Наиболее просто все условия выполняются в атомной бомбе, для взрыва которой необходимо быстро соединить два куска делящегося вещества докритической массы, что осуществляется взрывом обычной взрывчатки.

8.Устройство, в котором поддерживается управляемая реакция деления ядер, называется ядерным (или атомным) реактором. Схема ядерного реактора на медленных нейтронах приведена на рис.

Ядерная реакция протекает в активной зоне реактора, которая заполнена замедлителем и пронизана стержнями, содержащими обогащенную смесь изотопов урана с повышенным содержанием урана-235 (до 3 %). В активную зону вводятся регулирующие стержни, содержащие кадмий или бор, которые интенсивно поглощают нейтроны. Введение стержней в активную зону позволяет управлять скоростью цепной реакции.

Активная зона охлаждается с помощью прокачиваемого теплоносителя, в качестве которого может применяться вода или металл с низкой температурой плавления (например, натрий, имеющий температуру плавления 98 °C). В парогенераторе теплоноситель передает тепловую энергию воде, превращая ее в пар высокого давления, который направляется в турбину, соединенную с электрогенератором, а из турбины поступает в конденсатор. Во избежание утечки радиации контуры теплоносителя I и парогенератора II работают по замкнутым циклам.

Турбина атомной электростанции является тепловой машиной, определяющей в соответствии со вторым законом термодинамики общую эффективность станции. У современных атомных электростанций коэффициент полезного действия приблизительно равен 33%. Следовательно, для производства 1000 МВт электрической мощности тепловая мощность реактора должна достигать 3000 МВт. 2000 МВт должны уносится водой, охлаждающей конденсатор. Это приводит к локальному перегреву естественных водоемов и последующему возникновению экологических проблем.

Наряду с ядерным реактором, работающим на медленных нейтронах, большой практический интерес представляют реакторы, работающие без замедлителя на быстрых нейтронах. В таких реакторах ядерным горючим является обогащенная смесь, содержащая не менее 15 % изотопа урана (235). Преимущество реакторов на быстрых нейтронах состоит в том, что при их работе ядра урана-238, поглощая нейтроны, посредством двух последовательных β^–-распадов превращаются в ядра плутония, которые затем можно использовать в качестве ядерного топлива:

Коэффициент воспроизводства таких реакторов достигает 1,5, т. е. на 1 кг урана-235 получается до 1,5 кг плутония. В обычных реакторах также образуется плутоний, но в гораздо меньших количествах.

Первый ядерный реактор был построен в 1942 году в США под руководством Э. Ферми. В нашей стране первый реактор был построен в 1946 году под руководством И. В. Курчатова.

9. Термоядерные реакции. Второй путь освобождения ядерной энергии связан с реакциями синтеза. При слиянии легких ядер и образовании нового ядра должно выделяться большое количество энергии. Это видно из кривой зависимости удельной энергии связи от массового числа A (рис. 6.6.1). Вплоть до ядер с массовым числом около 60 удельная энергия связи нуклонов растет с увеличением A. Поэтому синтез любого ядра с A < 60 из более легких ядер должен сопровождаться выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза будет в этом случае меньше массы первоначальных частиц.

Реакции слияния легких ядер носят название термоядерных реакций, так как они могут протекать только при очень высоких температурах. Чтобы два ядра вступили в реакцию синтеза, они должны сблизится на расстояние действия ядерных сил порядка 2·10^–15 м, преодолев электрическое отталкивание их положительных зарядов. Для этого средняя кинетическая энергия теплового движения молекул должна превосходить потенциальную энергию кулоновского взаимодействия. Расчет необходимой для этого температуры T приводит к величине порядка 10⁸–10⁹ К. Это чрезвычайно высокая температура. При такой температуре вещество находится в полностью ионизированном состоянии, которое называется плазмой.

Энергия, которая выделяется при термоядерных реакциях, в расчете на один нуклон в несколько раз превышает удельную энергию, выделяющуюся в цепных реакциях деления ядер. Так, например, в реакции слияния ядер дейтерия и трития

выделяется 3,5 МэВ/нуклон. В целом в этой реакции выделяется 17,6 МэВ. Это одна из наиболее перспективных термоядерных реакций.

Осуществление управляемых термоядерных реакций даст человечеству новый экологически чистый и практически неисчерпаемый источник энергии. Однако получение сверхвысоких температур и удержание плазмы, нагретой до миллиарда градусов, представляет собой труднейшую научно-техническую задачу на пути осуществления управляемого термоядерного синтеза.

На данном этапе развития науки и техники удалось осуществить только неуправляемую реакцию синтеза в водородной бомбе. Высокая температура, необходимая для ядерного синтеза, достигается здесь с помощью взрыва обычной урановой или плутониевой бомбы.

Термоядерные реакции играют чрезвычайно важную роль в эволюции Вселенной. Энергия излучения Солнца и звезд имеет термоядерное происхождение.