Виды ядерных реакций

Виды ядерных реакций

В зависимости от процессов, происходящих с ядрами атомов во время ядерных реакций, различают ядерные реакции деления и ядерные реакции синтеза.

Ядерные реакции деления

Виды ядерных реакций

Если в результате ядерной реакции ядро расщепляется на более мелкие ядра, такую реакцию называют ядерной реакцией деления.

Деление ядер может происходить самопроизвольно или в результате взаимодействия ядра с другими частицами.

При самопроизвольном, или спонтанном, делении ядро распадается на 2 равные части. Такое деление возможно только у тяжёлых ядер в момент, когда силы электростатического отталкивания протонов в ядре становятся больше ядерных сил. Вероятность этого события крайне мала. К примеру, за пять миллиардов лет лишь одна двухмиллионная часть ядер урана, самого тяжёлого элемента в природе, подверглась спонтанному распаду.

Большинство ядерных реакций деления тяжёлых ядер происходят под действием нейтронов.

В 1939 г. немецкие учёные Отто Ган и Фридрих Вильгельм Штрассман, исследуя элементы, образовавшиеся после облучения урана нейтронами, обнаружили радиоактивный изотоп бария, масса которого была значительно меньше массы урана. Учёные пришли к выводу, что барий образовался в результате распада ядер урана.

Объяснение этого процесса с точки зрения физики дали австрийский физик Лиза Мейтнер и её племянник, английский физик-ядерщик Отто Роберт Фриш. Они впервые употребили термин «деление» и выдвинули версию о делении ядра урана под воздействием нейтрона на 2 примерно одинаковых по массе осколка.

И в самом деле всё происходит именно так. В ядерной реакции деления тяжёлое ядро урана распадается на два (реже три) ядра, массы которых близки по величине.

В природе встречаются три изотопа урана: 23492U, 23592U и 23892U. Особый интерес для физиков представляет реакция деления ядра урана 23592U. При попадании в него нейтрона, образуются 2 или 3 ядра-осколка и 2-3 нейтрона второго поколения. Эти нейтроны способны вызвать деление других ядер урана и появление 4-9 нейтронов третьего поколения, которые могут бомбардировать новые ядра урана. Процесс деления нарастает лавинообразно. Такую ядерную реакцию называют цепной реакцией деления.

Но так происходит только в идеальном случае. На самом деле не все нейтроны могут вызывать деление ядер урана23592U.  В добытом из урановой руды природном уране в процентном отношении 23592U составляет всего лишь 0,72%. Доля 23492U ещё меньше - 0,0055 %. Остальные 99,2745 % приходятся на долю 23892U. Этот изотоп относительно устойчив и просто поглощает нейтроны, не давая начаться цепной реакции. Часть нейтронов поглощается ядрами других элементов, образовавшихся на предыдущем этапе цепной реакции. И их концентрации может оказаться недостаточно, чтобы цепная реакция развивалась. Поэтому, чтобы цепная реакция продолжалась, необходимо, чтобы на следующем этапе реакции нейтронов было больше, чем на предыдущем.

В куске урана с маленькой массой нейтроны могут вообще вылетать за его пределы, не успев столкнуться ни с одним ядром.  Минимальную массу вещества, которая необходима для начала самоподдерживающейся цепной реакция деления, называют критической массой. Для природного урана 23592U критическая масса равна 50 кг.

В результате реакции деления 23592U возможно образование около ста различных изотопов: 14456 Ba (барий), 14054 Хе (ксенон), 94 38 Sr (стронций) и т.д. Так как в образовавшихся ядрах-осколках наблюдается избыток нейтронов, то они нестабильны. В них происходят последовательно β-распады, в результате которых протонов в ядрах становится больше, а количество нейтронов уменьшается. И так продолжается до тех пор, пока новое ядро не станет стабильным.

В процессе деления одного ядра урана освобождается кинетическая энергия порядка 200 МэВ. Это огромная величина. И человечество научилось использовать её с пользой для себя, создав управляемые ядерные реакторы.

Ядерные реакции синтеза

Виды ядерных реакций 

Процесс слияния лёгких ядер в одно, более тяжёлое, ядро называется ядерной реакцией синтеза.

Ядерная реакция синтеза – по сути прямая противоположность реакции деления, так как в ней происходит объединение более мелких ядер в более крупные.

Атомные ядра имеют положительный заряд. Следовательно, их слиянию препятствуют силы электростатического отталкивания («кулоновский барьер»). Но если сблизить ядра на расстояние, равное размеру их ядер (10−15 м), на них начнут действовать ядерные силы притяжения, примерно в 100 раз превосходящие силы электростатического отталкивания. Поэтому чтобы началась реакция синтеза, ядра должны преодолеть «кулоновский барьер». Это возможно только в том случае, если кинетическая энергия теплового движения молекул вещества больше потенциальной энергии кулоновского взаимодействия. Для этого вещество должно быть нагрето до очень высоких температур (примерно 108–109 К). При такой температуре оно представляет собой ионизированную плазму. Это особое состояние вещества, в котором ядра и электроны как бы независимы друг от друга.

Реакцию синтеза, проходящую при сверхвысоких температурах, называют термоядерной реакцией (от греческого слова therme, что означает «жар").

Термоядерные реакции проходят с выделением энергии. И если при делении одного ядра урана выделяется энергия порядка 200 МэВ (0, 9 МэВ на 1 нуклон), то в термоядерной реакции синтеза ядер изотопов водорода дейтерия и трития с образованием гелия выделяется 17,6 МэВ:

21H + 21H42He + 10n + энергия (17,6 МэВ).

В природе термоядерные реакции протекают в звёздах.

Искусственная термоядерная реакция на Земле впервые была проведена на Семипалатинском полигоне 12 августа 1953 г., где взорвали ядерную бомбу, созданную академиком Сахаровым. Эта реакция была неуправляемой.

Многие годы физики пытаются научиться управлять термоядерными реакциями. Но сделать это сложно технически.

Прежде всего нужно получить высокую температуру порядка 108К.  Эту задачу смогли решить в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова, создавая в плазме электрические разряды огромной мощности в установках «Токамак» (ТОриодальная КАмера с МАгнитными Катушками). Уже в 1969 г. удалось получить температуру порядка 3 M°C.

В 1983 г. в Европе была создана установка JET (Joint European Torus),в которой плазму удалось нагреть до 150 M°C. На данный момент это крупнейший в мире Токамак.

Но как удержать плазму внутри камеры? Ведь в природе не существует материалов, способных выдержать сверхвысокую температуру в миллионы градусов. Это удалось сделать, поместив камеру в тороидальное магнитное поле, где плазма в виде шара «повисает» на индукционных линиях магнитного поля, не касаясь при этом стенок камеры.

К сожалению, длительно удерживать плазму пока не научились. Но если учёным удастся сделать это, человечество сможет управлять термоядерной реакцией и получит практически неисчерпаемый источник энергии.