Види ядерних реакцій

Залежно від процесів, що відбуваються з ядрами атомів під час ядерних реакцій, розрізняють ядерні реакції поділу і ядерні реакції синтезу.

Ядерні реакції поділу

Якщо в результаті ядерної реакції ядро розщеплюється на більш дрібні ядра, таку реакцію називають ядерною реакцією поділу.

Розподіл ядер може відбуватися мимовільно або в результаті взаємодії ядра з іншими частинками.

У разі самовільного, або спонтанному, розподілі ядро розпадається на 2 рівні частини. Такий поділ можливо тільки у важких ядер в момент, коли сили електростатичного відштовхування протонів в ядрі стають більше ядерних сил. Імовірність цієї події вкрай мала. Наприклад, за п'ять мільярдів років лише одна двохмільйонна частина ядер урану, найважчого елемента в природі, піддалася спонтанного розпаду.

Більшість ядерних реакцій розподілу важких ядер відбуваються під дією нейтронів.

У 1939 р німецькі вчені Отто Ган і Фрідріх Вільгельм Штрассман, досліджуючи елементи, що утворилися після опромінення урану нейтронами, виявили радіоактивний ізотоп барію, маса якого була значно менше маси урану. Вчені прийшли до висновку, що барій утворився в результаті розпаду ядер урану.

Пояснення цього процесу з точки зору фізики дали австрійський фізик Ліза Мейтнер і її племінник, англійський фізик-ядерник Отто Роберт Фріш. Вони вперше вжили термін «поділ» і висунули версію про розподіл ядра урану під впливом нейтрона на 2 приблизно однакових за масою осколка.

І справді все відбувається саме так. У ядерної реакції поділу важке ядро урану розпадається на два (рідше три) ядра, маси яких близькі за величиною.

У природі зустрічаються три ізотопи урану: 234 92 U. 235 92 U і 238 92 U. Особливий інтерес для фізиків представляє реакція поділу ядра урану 235 92 U. При попаданні в нього нейтрона, утворюються 2 або 3 ядра-осколки і 2-3 нейтрона другого покоління. Ці нейтрони здатні викликати розподіл інших ядер урану і поява 4-9 нейтронів третього покоління, які можуть бомбардувати нові ядра урану. Процес поділу наростає лавиноподібно. Таку ядерну реакцію називають ланцюговою реакцією поділу.

Але так відбувається тільки в ідеальному випадку. Насправді не всі нейтрони можуть викликати ділення ядер урану 235 92 U. В здобутий з уранової руди природному урані в процентному відношенні 235 92 U становить всього лише 0,72%. Частка 234 92 U ще менше - 0,0055%. Решта 99,2745% припадають на частку 238 92 U. Цей ізотоп відносно стійкий і просто поглинає нейтрони, не даючи початися ланцюгової реакції. Частина нейтронів поглинається ядрами інших елементів, які утворилися на попередньому етапі ланцюгової реакції. І їх концентрації може виявитися недостатньо, щоб ланцюгова реакція розвивалася. Тому, щоб ланцюгова реакція тривала, необхідно, щоб на наступному етапі реакції нейтронів було більше, ніж на попередньому.

У шматку урану з маленькою масою нейтрони можуть взагалі вилітати за його межі, не встигнувши зіткнутися ні з одним ядром. Мінімальну масу речовини, яка необхідна для початку самоподдерживающейся ланцюгової реакції поділу, називають критичною масою. Для природного урану 235 92 U критична маса дорівнює 50 кг.

В результаті реакції поділу 235 92 U можливе утворення близько ста різних ізотопів: 144 56 Ba (барій), 140 54 Хе (ксенон), 94 38 Sr (стронцій) і т.д. Так як в утворилися ядрах-осколках спостерігається надлишок нейтронів, то вони нестабільні. У них відбуваються послідовно β - розпадів, в результаті яких протонів в ядрах стає більше, а кількість нейтронів зменшується. І так триває до тих пір, поки нове ядро не стане стабільним.

У процесі поділу одного ядра урану звільняється кінетична енергія близько 200 МеВ. Це величезна величина. І людство навчилося використовувати її з користю для себе, створивши керовані ядерні реактори.

Ядерні реакції синтезу

Процес злиття легких ядер в одне, більш важке, ядро називається ядерною реакцією синтезу.

Ядерна реакція синтезу - по суті пряма протилежність реакції поділу, так як в ній відбувається об'єднання дрібніших ядер в більш великі.

Атомні ядра мають позитивний заряд. Отже, їх злиття перешкоджають сили електростатичного відштовхування ( «кулонівський бар'єр»). Але якщо зблизити ядра на відстань, рівну розміру їх ядер (1 0 -15 м), на них почнуть діяти ядерні сили тяжіння, приблизно в 100 разів переважаючі сили електростатичного відштовхування. Тому щоб почалася реакція синтезу, ядра повинні подолати «кулонівський бар'єр». Це можливо тільки в тому випадку, якщо кінетична енергія теплового руху молекул речовини більше потенційної енергії кулонівського взаємодії. Для цього речовина має бути підігрітий до дуже високих температур (приблизно 10 8 -10 9 К). При такій температурі воно являє собою іонізовану плазму. Це особливий стан речовини, в якому ядра і електрони як би незалежні один від одного.

Реакцію синтезу, що проходить при надвисоких температурах, називають термоядерної реакцією (від грецького слова therme, що означає «жар").

Термоядерні реакції проходять з виділенням енергії. І якщо при розподілі одного ядра урану виділяється енергія близько 200 МеВ (0, 9 МеВ на 1 нуклон), то в термоядерної реакції синтезу ядер ізотопів водню дейтерію і тритію з утворенням гелію виділяється 17,6 МеВ:

У природі термоядерні реакції протікають в зірках.

Багато років фізики намагаються навчитися управляти термоядерними реакціями. Але зробити це складно технічно.

Перш за все потрібно отримати високу температуру близько 10 8 К. Цю задачу змогли вирішити в Інституті атомної енергії ім. І. В. Курчатова, створюючи в плазмі електричні розряди величезної потужності в установках «Токамак» (ТОріодальная камери з магнітної котушками). Уже в 1969 р вдалося отримати температуру близько 3 M ° C.

У 1983 р в Європі була створена установка JET (Joint European Torus), в якій плазму вдалося нагріти до 150 M ° C. На даний момент це найбільший в світі Токамак.

Але як утримати плазму всередині камери? Адже в природі не існує матеріалів, здатних витримати надвисоку температуру в мільйони градусів. Це вдалося зробити, помістивши камеру в тороїдальне магнітне поле, де плазма у вигляді кулі «повисає» на індукційних лініях магнітного поля, не торкаючись при цьому стінок камери.

На жаль, тривалий час утримувати плазму поки не навчилися. Але якщо ученим вдасться зробити це, людство зможе управляти термоядерної реакцією і отримає практично невичерпне джерело енергії.