Ядерний розпад і синтез

Рейтинг: 5/5

Можна отримувати енергію як за рахунок керованого розпаду ядер деяких елементів, так і за рахунок злиття дрібних ядер в більш великі в процесі так званої реакції термоядерного синтезу.

Відповідно до теорії відносності. маса являє собою особливу форму енергії, про що і свідчить відома формула Ейнштейна E = mc 2. З неї випливає можливість перетворення маси в енергію і енергії в масу. І такі реакції на внутрішньоатомних рівні речовини реально мають місце. Зокрема, частина маси атомного ядра може перетворюватися в енергію, і відбувається це двома шляхами. По-перше, велике ядро ​​може розпастися на кілька дрібних - такий процес називається реакцією розпаду. По-друге, кілька дрібніших ядер можуть об'єднатися в одну більша - це так звана реакція синтезу. Реакції ядерного синтезу у Всесвіті поширені дуже широко - досить згадати, що саме з них черпають енергію зірки. Ядерний розпад сьогодні служить одним з основних джерел енергії для людства - він використовується на атомних електростанціях. І при реакції розпаду, і при реакції синтезу сукупна маса продуктів реакції менше сукупної маси реагентів. Ця-то різниця в масі і перетворюється в енергію за формулою E = mc 2.

У природі уран зустрічається у формі кількох ізотопів, один з яких - уран-235 (235 U) - мимовільно розпадається з виділенням енергії. Зокрема, при попаданні досить швидкого нейтрона в ядро ​​атома 235 U останнім розпадається на два великих шматка і ряд дрібних частинок, включаючи, звичайно, два або три нейтрона. Однак склавши маси великих фрагментів і елементарних частинок, ми недорахуємось певної маси в порівнянні з масою вихідного ядра до його розпаду під впливом удару нейтрона. Ця-то відсутня маса і виділяється у вигляді енергії, розподіленої серед одержані продуктів розпаду - перш за все, кінетичної енергії (енергії руху). Стрімко рухомі частинки розлітаються від місця розпаду і стикаються з іншими частинками речовини, розігріваючи їх.

Вони являють собою стрімко розлітаються від місця розпаду частинки, при цьому далеко вони не відлітають, врізаючись в сусідні атоми речовини і розігріваючи їх. Таким чином, енергія, породжувана ядерним розпадом, перетворюється в теплоту навколишнього речовини.

Після цього уран-235 в складі збагаченого природного урану в атомному реакторі розпадається під впливом бомбардування нейтронами. В результаті з одного ядра 235 U виділяється в середньому 2,5 нових нейтрона, кожен з яких викликає розпад ще 2,5 ядер, і запускається так звана ланцюгова реакція. Умовою для продовження незгасаючої реакції розпаду урану-235 є перевищення числа виділяються розпадаються ядрами нейтронів числа нейтронів, що покидають урановий конгломерат; в цьому випадку реакція триває з виділенням енергії.

В атомній бомбі реакція носить навмисне неконтрольованого характеру, в результаті чого за частки секунди розпадається величезна кількість ядер 235U і виділяється колосальна за своєю руйнівності вибухова енергія. В атомних реакторах, які використовуються в енергетиці, реакцію розпаду необхідно строго контролювати з метою дозування енергії, що виділяється. Гарним поглиначем нейтронів є кадмій - його-то зазвичай і використовують для керування інтенсивністю розпаду в реакторах АЕС. Кадмієві стрижні занурюють в активну зону реактора до рівня, необхідного для зниження швидкості виділення вільної енергії до технологічно розумних меж, а в разі падіння енерговиділення нижче необхідного рівня частково виводять стрижні з активної зони реакції, після чого реакція розпаду інтенсифікується до необхідного рівня. Виділилася теплова енергія потім в звичайному порядку (за допомогою турбогенераторів) перетворюється в електричну.

Термоядерний синтез - реакція прямо протилежна реакції розпаду по своїй суті: більш дрібні ядра об'єднуються в більш великі. Найпоширеніша у Всесвіті реакція взагалі - це реакція термоядерного синтезу ядер гелію з ядер водню: вона безперервно протікає в надрах практично всіх видимих ​​зірок. У чистому вигляді вона виглядає так: чотири ядра водню (протони) утворюють атом гелію (2 протона + 2 нейтрона) з виділенням ряду інших частинок. Як і в випадку реакції розпаду атомного ядра сукупна маса утворилися частинок виявляється менше маси вихідного продукту (водню) - вона і виділяється у вигляді кінетичної енергії частинок-продуктів реакції, за рахунок чого зірки і розігріваються.

У надрах зірок реакція термоядерного синтезу відбувається не одноразово (коли стикаються 4 протона), а в три етапи. Спочатку з двох протонів утворюється ядро ​​дейтерію (один протон і один нейтрон). Потім, після попадання в ядро ​​дейтерію ще одного протона, утворюється гелій-3 (два протона і один нейтрон) плюс інші частинки. І нарешті, два ядра гелію-3 стикаються, утворюючи гелій-4, два протона, а також інші частинки. Однак за сукупністю ця триетапна реакція дає чистий ефект освіти з чотирьох протонів ядра гелію-4 з виділенням енергії, що буря швидкими частинками, перш за все фотонами (див. Еволюція зірок).

Природна реакція термоядерного синтезу відбувається в зірках; штучна - у водневій бомбі. На жаль, людина досі не зумів знайти коштів для того, щоб направити термоядерний синтез в кероване русло і навчитися отримувати за рахунок нього енергію для використання в мирних цілях. Однак вчені не втрачають надії на досягнення позитивних результатів в області отримання «мирної і дешевої» термоядерної енергії вже в доступному для огляду майбутньому - для цього головне навчитися утримувати високотемпературну плазму або за допомогою лазерних променів, або за допомогою надпотужних тороїдальних електромагнітних полів (див. Критерій Лоусона).