4.11. Реакции деления и синтеза атомных ядер

Ядерной реакцией называется процесс интенсивного взаимодействия атомного ядра с элементарной частицей или другим ядром, приводящий к преобразованию ядра (или ядер). Взаимодействие реагирующих частиц возникает при сближении их до расстояния порядка 10^-15 м благодаря действию ядерных сил.

В ядерных реакциях выполняются законы: сохранения электриче­ского заряда, сохранения числа нуклонов (массового числа), сохранения полной энергии, импульса, момента количества движения.

В 1938 году немецкие ученые О. Ган и Ф. Штрассман обнаружили, что при облучении урана нейтронами образуются элементы из середины Периодической системы элементов Д. И. Менделеева - барий и лантан. Объяснение этого явления проведено путем предположения о делении урана на 2 примерно равные части, названные осколками деления. Дальнейшее исследование показало, что наиболее вероятны осколки с массами 2:3. Осколки деления могут быть весьма разнообразны. Среди них встречаются изотопы, начиная от цинка (Z=30) и кончая самарием (Z=62). Массовые числа их лежат в пределах от 72 до 158. Примером этого типа реакций может быть:→.

Природный уран содержит 99,27% изотопа ²³⁸U, 0,72 % ²³⁵U и около 0,01% ²³⁴U. Кроме урана при облучении нейтронами делятся торий, пратактиний и плутоний. Испускание при делении ядер ²³⁵U и ²³⁹Рu нескольких нейтронов делает возможным осуществление цепной ядерной реакции с выделением огромной энергии.

Уран- графитовый реактор в нашей стране пущен в декабре 1946 года. Испытание атомной бомбы было проведено на рассвете 29 августа 1949 г. Первая опытная атомная электростанция промышленного типа (и первая в мире АЭС) была сдана в эксплуатацию 27 июня 1954 г. N = 5000 кВт в г.Обнинске.

В 1989 году во всем мире действовало свыше 400 блоков АЭС, общей мощностью около 300 миллионов киловатт. Во Франции 70% всей электроэнергии вырабатывается на АЭС, в Болгарии - около 35%, в ФРГ - 30%, Японии - 25%, в Финляндии - 20%, в США - 17%. Доля выработки электроэнергии в СССР составляла около 12% и работало 45 ядерных энергоблоков.

Ядерный синтез, то есть слияние легких ядер в одно ядро,

сопровождается, как и деление тяжелых ядер, выделением огромных количеств энергии. Например, реакция синтеза → сопровождается выделением энергии, равной 17,6 МэВ, что составляет 3,5 МэВ на нуклон. Для сравнения укажем, что деление урана приводит к высвобождению 0,85 МэВ на нуклон. Поскольку для синтеза ядер необходимы очень высокие температуры (порядка 10⁸ К) этот процесс называется термоядерной реакцией.

Расчеты, основанные на хорошем знании процессов взаимодействия ядер между собой, позволяют установить критерии, которые должны быть выполнены, чтобы можно было построить термоядерный реактор, выделяющий избыточную энергию.

В общем это сводится к тому, что мы должны создать вещество с очень высокой температурой и добиться того, чтобы каждая горячая, т.е. обладающая высокой энергией, частица существовала в нем время, достаточное для взаимодействия с другими частицами. Значит надо создать плазму *и удержать в определенном объеме, ибо частицы горячие будут разлетаться. В нашей стране предложена идея магнитного удержания плазмы и осуществлена в установках типа «Токамак». Неуправляемая ядерная реакция синтеза осуществлена в водородной бомбе и опробована в СССР 12 августа 1953 года.

Если говорить о контурах будущих термоядерных реакторов, то «горение» смеси дейтерия и трития будет протекать в форме либо медленного «пламени» — стационарные системы, либо повторяющих взрывов умеренной мощности (импульсная система). Вопрос об источниках энергии для человечества является очень важным. И сколь не велики запасы органического топлива на Земле, они постепенно уменьшаются. Тают запасы угля, нефти и даже урана, который медленно, но так же, как и другие невосполнимые источники энергии, пожирается в топках атомных электростанций. Возникает необходимость в поиске альтернативных источников энергии. Научные исследования показывают, что таким источником может быть водород, запасов которого хватит на миллионы лет. Необходимо найти безопасный и экологически чистый способ выделения ядерной энергии из водорода или его изотопов: дейтерия и трития.

Осуществление управляемого термоядерного синтеза даст человечеству практически неисчерпаемый источник энергии. Поэтому работы по овладению управляемыми термоядерными реакциями ведутся во многих странах.