Вопрос 5. Ядерные реакции

Ядерными реакциями называются превращения атомных ядер, вызванные их взаимодействием друг с другом или с другими ядрами или элементарными частицами. Первое сообщение о ядерной реакции принадлежит Э.Резерфорду. В 1919г. он обнаружил, что когда - частицы проходят через газообразный азот, некоторые из них поглощаются, причем одновременно происходит испускание протонов. Резерфорд пришел к выводу, что ядра азота превращались в ядра кислорода в результате ядерной реакции вида:

, (22.11)

где − - частица; − протон ( водород).

Важным параметром ядерной реакции является ее энергетический выход , который определятся по формуле:

(22.12)

Здесь и - суммы масс покоя частиц до реакции и после нее. При ядерные реакции протекают с поглощением энергии, поэтому они называются эндотермическими,а при − с выделением энергии. В этом случае они называются экзотермическими.

В любой ядерной реакции всегда выполняются законы сохранения:

− электрического заряда;

− числа нуклонов;

− энергии;

Управляемая ядерная реакция осуществляется в ядерном реакторе и сопровождается выделением энергии. Первый ядерный реактор был построенв 1942 г в США под руководством физика Э. Ферми. В СССР первый ядерный реактор создан в 1946 г под руководством И. В. Курчатова. Затем, после накопления опытов управления ядерными реакциями, начали строить атомные электростанции.

Реакция синтеза. Ядерным синтезом называется реакция слиянияпротонов и нейтронов или отдельных легких ядер, в результате которой образуется более тяжелое ядро. Простейшими ядерными реакциями синтеза являются:

, ΔQ = 3,26 МэВ; (22.16)

, ΔQ = 17,59 МэВ; (22.17)

, ΔQ = 11,31 МэВ. (22.18)

Расчеты показывают, что энергия, которая выделяется в процессе ядерных реакций синтеза в расчете на единицу массы, значительно превышает энергию, выделяющуюся в реакциях ядерного деления. В процессе реакции деления ядра урана-235 (22.14) выделяется примерно

200 МэВ, т.е. 200:235=0,85 МэВ на нуклон, а в процессе реакции синтеза (22.17) выделяется энергия примерно 17,5 МэВ, т.е.3,5 МэВ на нуклон (17,5:5=3,5 МэВ).

Таким образом, в расчете на один нуклон ядра, участвующего в реакции деления, процесс синтеза примерно в 4 раза эффективнеепроцесса деления урана.

Большая скорость протекания этих реакций и относительно высокое энерговыделение делают равнокомпонентную смесь дейтерия и трития наиболее перспективной для решения проблемы управляемого термоядерного синтеза. С управляемым термоядерным синтезом связаны надежды человечества на решение своих энергетических проблем. Ситуация заключается в том, что запасы урана, как сырья для атомных электростанций, на Земле ограничены. А вот дейтерий, содержащийся в воде океанов, представляет собой практически неисчерпаемый источник дешевого ядерного горючего. Несколько сложнее обстоит ситуация с тритием. Тритий радиоактивен (его период полураспада составляет 12,5 лет, реакция распада имеет вид: ), не встречается в природе. Следовательно, для обеспечения работы термоядерного реактора, использующего в качестве ядерного горючего тритий, должна быть предусмотрена возможность его воспроизводства.

С этой целью рабочая зона реактора должна быть окружена слоем легкого изотопа лития, в которой будет идти реакция

(22.19)

В результате этой реакции образуется изотоп водорода тритий ( ) .

В перспективе рассматривается возможность создания малорадиоактивного термоядерного реактора на смеси дейтерия и изотопа гелия , реакция синтеза имеет вид:

МэВ. (22.20)

В результате этой реакции из-за отсутствия нейтронов в продуктах синтеза биологическая опасность реактора может быть снижена на четыре-пять порядков величины как по сравнению с ядерными реакторами деления, так и с термоядерными реакторами, работающими на топливе из дейтерия и трития, также отпадает необходимость промышленной обработки радиоактивных материалов и их транспортировки, качественно упрощается захоронение радиоактивных отходов. Впрочем, перспективы создания в будущем экологически чистого термоядерного реактора на смеси дейтерия ( ) c изотопом гелия ( ) осложняются проблемой сырья: естественные запасы изотопа гелия на Земле незначительны. Поэтому возникает трудный вопрос получения исходного сырья, например, путем доставки его с Луны.Hлия ом дейтерия ия в будущем экологически чистого термоядерного синтеза.

На пути реализации реакций синтеза в земных условиях возникает проблема электростатического отталкивания легких ядер при их сближении до расстояний, на которых начинают действовать ядерные силы притяжения, т.е. порядка 10^{-15 м, после чего процесс их слияния происходит за счет туннельного эффекта. Для преодоления потенциального барьера сталкивающимся легким ядрам должна быть сообщена энергия ≈10 кэВ, что соответствует температуре} T ≈10⁸ K и выше. Поэтому термоядерные реакции в природных условиях протекают лишь в недрах звезд. Для их осуществления в земных условиях необходим сильный разогрев вещества либо ядерным взрывом, либо мощным газовым разрядом, либо гигантским импульсом лазерного излучения или бомбардировкой интенсивным пучком частиц. Термоядерные реакции осуществлены пока только в испытательных взрывах термоядерных (водородных) бомб.

Основные требования, которым должен удовлетворять термоядерный реактор, как устройство для осуществления управляемого термоядерного синтеза, заключаются в следующем.

Во-первых, необходимо надежное удержание горячей плазмы (≈10⁸ K) в зоне реакции. Основополагающая идея, определившая на долгие годы пути решения этой проблемы, была высказана в середине 20-го столетия в СССР, США и Великобритании практически одновременно. Эта идея состоит в использовании магнитных полей для удержания и термоизоляции высокотемпературной плазмы.

Во-вторых, при работе на топливе, содержащем тритий, представляющий собой изотоп водорода с высокой радиоактивностью, будут возникать радиационные повреждения стенок камеры термоядерного реактора. По оценкам экспертов механическая стойкость первой стенки камеры вряд ли сможет превышать 5-6 лет. Это означает необходимость периодического полного демонтажа установки и последующей ее новой сборки с помощью дистанционно действующих роботов из-за исключительно высокой остаточной радиоактивности.

В-третьих, основное требование, которому должен удовлетворять термоядерный синтез, заключается в том, чтобы энерговыделение в результате термоядерных реакций с избытком компенсировало затраты энергии от внешних источников на поддержание самой реакции. Большой интерес представляют собой «чистые» термоядерные реакции,

не дающие нейтронов, (см. (22.20) и реакцию ниже:

. (22.21)

Контрольные вопросы:

1. Какие частицы образуют ядро атома цинка? Сколько их?

2. Атомное ядро «составили» из N свободных нуклонов (масса каждого нуклона равна m). Чему равны масса и удельная энергия связи этого ядра?

3. Чем отличаются изобары и изотопы?

4. Почему прочность ядер уменьшается при переходе к тяжелым элементам?

5. По каким признакам можно классифицировать ядерные реакции?

6. Под действием каких частиц (a-частиц, нейтронов) ядерные реакции более эффективны?

7. Что представляет собой реакция деления ядер? Приведите примеры.

8. Охарактеризуйте нейтроны деления. Какие они бывают?

9. В результате какой реакции происходит превращение ядер ²³⁸₉₂U в ядра ²³⁹₉₄Pu? Каковы ее пер­спективы?

10. Что можно сказать о характере цепной реакции деления, если: 1) k>1; 2) k=1; 3) k<1?.

11. Почему деление тяжелых ядер и синтез атомных ядер сопровождаются выделением большого количества энергии? При каких реакциях выделяется бóльшая энергия, приходящаяся на один нуклон?