Q = (m	X	+ m )c2	− (m + m )c2	,	(31.21)
где (mX + ma ) и (mY + mb ) –		a	Y b
	соответственно суммы масс исходного ядра Х и

частицы а, вступающих в реакцию, и ядра Y и частицы b после реакции (массы определены в СИ).

Ядерные реакции могут быть как экзотермическими (с выделением энергии, Q > 0 ), так и эндотермическими (с поглощением энергии, Q < 0).

Таким образом, энергетическая схема ядерной реакции вида (31.12), ко-

торую также можно представить в виде (31.20), записывают так:			Р
′	′	+ Q ,	(31.22)
M (m,m ) M

где массы определены в энергетических единицах: М – масса ядра мишени Х;

M ′ – масса дочернего ядра Y; т и m′

– соответственно массы налетающей а и

испускаемой b частиц;

Q – энергия реакции.

Энергетическая схема ядерной реакции (31.13), проходящей через со-

ставное ядро П, соответственно имеет вид

Г

И

M + m → M * → M ′ + m′ + Q

,

(31.23)

Б

′

′

где массы определены в энергетических единицах: M +Уm и M

+ m

– соответ-

ственно суммы масс ядер и частиц до и после реакции; M *

– масса ядра П.

Для наглядности на рис. 31.7 изобр жены схемы ядерных реакций в энер-

а

Е

гетической шкале в системе центра масс (Ц-системе, в которой суммарный им-

к

пульс сталкивающихся и образующихся ч стиц равен нулю) для случаев экзо-

энергетической и эндотермической р

ций,

т кже реакции вида (31.13).

еа

т

о

а

и

б

в

Рис. 31.7. Схемы ядерных реакций в энергетической шкале в системе центра масс

и

(массы частиц определены в энергетических единицах):

ла – экзотермическая реакция; б – эндотермическая реакция;

Б

в – реакция с образованием составного ядра;

~

~

бK – суммарная кинетическая энергия частиц Х и а в Ц-системе;

′ – суммарная кинетическая энергия частиц Y и b в Ц-системе (после реакции);

K

~

~

*

– энергия возбуждения составного ядра

Q = K

′ − K – энергия реакции; E

31.7. Реакции деления ядер. Пути использования ядерной энергии

Реакции деления ядер. В основу теории деления атомных ядер положена капельная модель ядра. Тяжелое составное ядро, возбужденное при резонанс- ном захвате нейтрона, может разделиться на две приблизительно равные части (реакция деления тяжелых ядер). Образовавшиеся части называются

160

осколками деления. Неустойчивость тяжелых ядер обусловлена взаимным от- талкиванием большого числа протонов, находящихся в ядрах.

Деление тяжелого ядра на два осколка сопровождается выделением энер- гии порядка 1 МэВ на каждый нуклон. Например, при делении ядра урана 23892 U ,

содержащего 238 нуклонов, выделяется энергия порядка 200 МэВ, что состав- ляет 0,84 МэВ/нуклон.

Экспериментально установлено, что тяжелые ядра способны к делению, если для них выполняется условие Z 2 A ³ 17, где Z 2 A – параметр деления.

Это	условие выполняется для	всех ядер, начиная с		серебра	10847 Ag
( Z 2	A ≈ 20 ).
Ag	Ag
	Критическим параметром	деления называется	параметр Z 2		A = 49 .
Ядра с параметром деления большим критического Z 2			A > 49	Р
				совершенно не-

(происходит аналогично α -распаду за счет туннельного эффекта). Однако пе- риод полураспада для спонтанного деления ядер составляет 1016 −1017 лет.

устойчивы относительно деления. Такие ядра, если бы они возникли, мгновен-
но претерпевали бы деление за времена порядка 10−23 −10−24					И
					с.
При Z	2	A < 49		У
			возможно спонтанное (самопроизвольное) деление ядер
			Г
			Б

Осколки деления в момент своего обр зования обладают избытком ней-

тронов, поскольку для средних ядер число протонов приблизительно равно чис-
		ле
лу нейтронов ( N Z ≈ 1), а для тяж лых ядерачисло нейтронов значительно пре-
вышает число протонов ( N Z		к
		≈ 1,6). Избыточные нейтроны, испускаемые ос-
	т
колками, называются ней ронами д ния. В среднем на каждый акт деления
о
приходится 2,5 испущенных ней рона.
Цепная реакция деления. Каждый из мгновенных нейтронов, возник-
ния
ших в реакции деле , взаим действуя с соседними ядрами делящегося веще-

ства, вызывает в н	х реакцию деления. Происходит лавинообразное нарастание
л
числа актов де ен	я.
б

Цепная реакц деления – это ядерная реакция, в которой частицы, вы- зывающиереакцию, образуются как продукты этой реакции. Условием возник- новен я цепной реакции является наличие размножающихся нейтронов.

Коэфф циентом размножения нейтронов k называется отношение чис- лаБнейтронов, возникающих в некотором звене реакции, к числу таких нейтро- нов в предшествующем звене.

Необходимое условие развития цепной реакции: k > 1. Такая реакция на-

зывается развивающейся реакцией. При k = 1 идет самоподдерживающаяся реакция. При k < 1 идет затухающая реакция.

Часть вторичных нейтронов не участвует в поддержании цепной реак- ции – захватывается неделящимися примесями, выходит из зоны реакции без захвата ядром, теряет энергию в процессах неупругого рассеяния и т. д.

Поэтому коэффициент размножения зависит от природы делящегося ве-

161

щества, а для данного изотопа – от его количества, а также размеров и формы активной зоны – пространства, где происходит цепная реакция.

Минимальные размеры активной зоны, при которых возможно осуществ- ление цепной реакции, называются критическими размерами.

Минимальная масса делящегося вещества, находящегося в системе кри- тических размеров, необходимая для осуществления цепной реакции, называет-

ся критической массой.

Цепные реакции делятся на управляемые и неуправляемые. Взрыв атом-

ной бомбы – пример неуправляемой реакции. Управляемые цепные реакции

92

Р

осуществляются в ядерных реакторах.

Ядерные реакторы. В природе имеется два изотопа урана и изотоп то-

И

рия, которые могут служить ядерным топливом или сырьем для его получения:

1) 235U – в естественном уране его содержится примерно 0,7 %;

2)

92238U – в естественном уране его содержится примерно 99,3 % – ис-

пользуется для получения трансуранового элемента плутония по схеме

238

1

239

β − 239

β −

239

92 U +0 n ®92

Б

(31.24)

U ¾¾®93 Np ¾¾®94 PuУ.

Ядро 239U нестабильно (T

= 23 мин)

и, испуская электрон, антинейтрино и

92

1 2

а

Г

94

γ-фотон,

превращается в ядро трансур нового элемента нептуния 93239 Np,

кото-

рое тоже распадается

(T

= 2,3 дня),

превр щаясь в плутоний

239

Pu с

1 2

е

94

β − -распадом. Плутоний 239 Pu

тивен, однако его период полураспа-

α -радио

да 2,41×104 лет, поэтому его можно считатькпрактически стабильным;

3) 90232 Th – служит сырьем для получения искусственного ядерного топли-

ва 92233U по схеме

ро

и

β −

233

β −

233

232

Th

+

1

n ®

233

(31.25)

90

0

т90

так как на

Отметим, что в пр

дном уране цепная реакция не возникает,

одно делящееся ядро 235U приходится 140 ядер 238U , которые захватывают не

б

92

92

слишком

ыстрые нейтроны, рождаемые космическими лучами.

ржи

Ядернымлреактором называется устройство, в котором осуществляется

и подде

вается управляемая цепная реакция деления. Топливо для реакторов

Б

изготавл вается в виде тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ), объединенных в тепловыделяющие сборки (ТВС) в зависимости от реактора, которые предна- значены для передачи энергии потоку теплоносителя и последующей выработ- ки электроэнергии.

Цепная реакция деления используется в ядерных реакторах для получе- ния тепловой энергии, которая затем преобразуется в электрическую, обеспе- чивая производство электроэнергии в промышленных масштабах. Основу со- ветской ядерной энергетики составили два типа реакторов. Один из них – реак- тор с водой под давлением ВВЭР (водо-водяной энергетический реактор), ис-

162

пользуемый в том числе на подводных лодках. Другой – уран-графитовый ре- актор РБМК – тип реактора, который взорвался в Чернобыле. На реакторах та- кого типа вырабатывается не только электроэнергия. Часть нейтронов, испус-

каемых при делении ядер 23592 U , идет на поддержание цепной реакции, а часть претерпевает радиационный захват ядрами 23892 U , что в конечном итоге приво- дит к образованию плутония 23994 Pu по схеме (31.24) – материала для атомных бомб.

Основным типом реактора, как для российских атомных энергостанций,

будущем на российских атомных электростанциях планируется начатьРисполь- зовать энергоблоки ВВЭР-1500 электрической мощностью 1500–1600 МВт с

так и для станций, сооружаемых Россией за рубежом, в настоящее время счита-

ется реактор ВВЭР-1000. Расчетный срок службы основного оборудования со-

ставляет 60 лет. Перегрузка топлива производится 1 раз в год. В ближайшем

повышенными показателями уровней безопасности и эксплуатационной надеж-
ности.		И
За пределами России используются реакторы с другим типом замедлите-
	У
ля – тяжелой водой ( D2O ), они дают наибольший коэффициент установленной
	Г
мощности. Однако на таких реакторах невозможно получать 94239 Pu . Поэтому
тяжеловодное реакторостроение развив ется вБстранах, где атомная энергетика

существует самостоятельно, а не в рам х военно-промышленного комплекса.

как в связи с проблемой обесп ч ния эн ргобезопасности, так и в связи с про-

В последнее время интерес к атомной энергетике в мире снова возрастает
	а
к
е

зование из легких ядер б леетяжелых – называется ядерным синтезом и про- текает с выделениемиб льшего, чем при ядерной реакции, количества энергии.

блемой глобального потепления. В Р спублике Беларусь планируется строи-

тельство атомной энергос анции.

Реакция синтезаоа мных ядер. Реакция синтеза атомных ядер – обра-

Согласнолсовременным представлениям, все химические элементы в при- роде первонача ьно образовались в ходе ядерного синтеза. Ныне ядерный син- тез происходитбв недрах звезд, в том числе и нашего Солнца. Именно этот про- цесс ислужит источником испускаемого ими мощного светового излучения. Возможность использования энергии ядерного синтеза и создания термоядер- ногоБреактора весьма заманчива, но до сих пор проблема построения термо- ядерного реактора до конца не решена.

К сожалению, на пути создания надежно действующего термоядерного реактора все еще стоят значительные трудности удержания термоядерного го- рючего в течение достаточно большого промежутка времени при высокой тем- пературе. Они обусловлены тем, что все ядра имеют положительный заряд и поэтому отталкиваются друг от друга. Можно оценить, какая энергия необхо-

дима для преодоления потенциального барьера кулоновского отталкивания ядер:

163

W = Z1Z2e2 , rя

где rя » 2 ×10−15 м – радиус действия ядерных сил; e = 1,6 ×10−19 Кл. Для водо- родной среды Z1 = Z2 = 1: W ≈ 0,7 МэВ. На долю каждого атома водорода при-

ходится энергия 0,35 МэВ, соответствующая температуре ~ 2 ×109 K.

Поэтому реакции синтеза легких ядер эффективно могут протекать лишь при сверхвысоких температурах порядка 108 – 109 K, при этом атомы будут ио-

низованы. Такие реакции называются термоядерными реакциями синтеза.
5	Р
Возникающая при этом среда – частично или полностью ионизированный газ –

называется плазмой и состоит из электрически заряженных и нейтральных час- тиц, суммарный электрически заряд которых равен нулю (условиеИквазинейт- ральности). Газовую плазму принято разделять на криогенную (температуры, близкие к абсолютному нулю), низкотемпературную (до 10 K) и высокотемпе- ратурную (от 106 до 108 K). Обычные материалы испаряются при температуре в лучшем случае несколько тысяч кельвинов и, следовательно, не пригодны для

ядерный синтез, называют термоядерными установками.

удержания высокотемпературной плазмы. Реакторы, в которых происходит
	У
Г
Б		7

В действительности из-за статистического характера процесса слияния
						а
ядер, а также возможности туннельного эффекта некоторые термоядерные ре-
					к
акции протекают с заметной интенсивностью уже при температурах ~ 10 K. К
таким реакциям относится синтез яд						дейтерия 12 H и трития		13 H , носящий ре-
			ер
зонансный характер. Эта реакция используется в водородной или термоядерной
бомбе		т
2	H +3		H ®4			He +1 n		(31.26)
1		1		2			0
но
и сопровождается выделением энергии 17,6 МэВ, что равно 3,5 МэВ/нуклон.
Таким образом, в реак		ях син еза выделяется значительно больше энергии в
ци
расчете на один нукл н, чем в реакциях деления.
Наиболее вероят		осуществление термоядерного реактора на следую-

щих реакциях с нтеза с участием изотопов водорода – дейтерия и трития (в

скобках указано энерговыделение), включая реакцию (31.26):
	л2		H +2	H ®3	H +1 p ,		(Q = 4,0	МэВ)	(31.27)
б		1	1	1	1
		12	H +12	H ®32	He +10	n ,	(Q = 3,3	МэВ)	(31.27а)
и		36 Li +12		H ®24	He +24	He	(Q = 22,4 МэВ).		(31.27б)

БВ качестве горючего термоядерного реактора можно использовать дейте- рий, в изобилии встречающийся в воде океанов (распространенность 12 H со-

ставляет 0,015 %, или около 1 г дейтерия на 60 л воды). При термоядерном син- тезе не столь остра проблема захоронения радиоактивных отходов.

В настоящее время в рамках нескольких международных научных про- грамм построены токамаки (сокращение от «тороидальная камера с магнит- ными катушками») – специальные установки, удерживающие плазму в магнит-

164

ном поле. Если ученые смогут осуществить управляемый термоядерный синтез

в устройстве типа токамак или другом устройстве для магнитного удержания плазмы, то будет получен практически неисчерпаемый источник энергии.

Термоядерные реакции на Солнце, в которых ядра водорода превращают- ся в ядра гелия, предположительно могут протекать в форме одного из двух термоядерных циклов:

1) протон-протонный цикл:

Сначала происходит синтез двух протонов с образованием дейтрона, позитрона

и электронного нейтрино:					d +0 e+ +ν
1 p +1 p →2										e	.
1	1		1			1
Затем дейтрон, сталкиваясь с протоном, объединяется с ним в ядро 23 He :
2 d +1 p →3					He + γ .													Р
1	1		2
Последнее звено цикла образует реакция:
																		И
32 He +32 He →24 He +11 p +11 p ;
2) углерод-азотный цикл включает следующие звенья:
12	1	p	→	13		N	+ γ ,					13	N →		13		У0 +
6	C +1				7							7			6	C +1		e +νe ,
13	1	p	→	14		N	+ γ ,					14		1	Г15
6	C +1			7								7	N +1		p	→8		O + γ ,
15O →15			N +0 e+ +ν					e	,			15 N +1			p →12			C +4 He .
8		7			1							7	Б1				6	2
В завершении цикла исчезают четыре прото														и образуется одна α -частица.
Количество ядер углерода не из							няется. Эти ядра выступают в роли катализа-
тора реакции.											на
								к
Специфика ядерных реакций в зв здах состоит в том, что, как правило,

реакции протекают при энергияхмезначительно более низких, чем те энергии, при которых их изучают в лабора орных условиях. В астрофизических услови-

ях важны ядра, свойстваоктрых затруднительно изучать в земных экспери- ментах (напримерик р тк живущие нуклиды, переобогащенные нейтронами). Поэтому в настоящее время исследователи вынуждены экстраполировать полу- чаемые резу ьтаты к астрофизическим условиям или применять сложные тео- ретические моде ядерной физики. Сейчас в ядерной физике активно изуча-

ются нейтронно-избыточные ядра, что позволит понять эволюцию крупных
	л
косм ческ х астрофизических объектов, таких как нейтронные звезды.
Современныеб		достижения ядерной физики используются для объяснения
источн ков энергии астрономических объектов, происхождения химических
и
Б

элементов. Актуальные проблемы ядерной физики связаны с изучением струк- туры ядра и ядерными явлениями: состоянием оболочечной модели, коллектив- ным возбуждением, легкими и сверхтяжелыми ядрами, ядрами с крайним де- фицитом нейтронов и ядрами, богатыми нейтронами, суббарьерными реакции- ми, релятивистскими столкновениями тяжелых ионов и т. д. Например, обсуж-

даются вопросы взаимодействия тяжелых ионов и образования новой материи в результате их столкновения при высоких энергиях.

165