§ 7.5. Ядерные реакции

Ядерной реакцией называют процесс взаимодействия ядра с бомбардирующей его частицей, преобразующий их в другое ядро и другую частицу. Ядерные реакции схематически записывают так:

X+a=Y+b или X(a, b)Y (7.13)

Здесь X и Y – химические символы исходного и конечного ядер, a и b – частица-снаряд и новая частица соответственно. Частицами могут служить протоны, нейтроны, гамма-кванты, легкие ядра. При ядерной реакции происходит перераспределение нуклонов между ядрами и частицами, т.е. выполняются законы сохранения суммы зарядовых чисел и суммы массовых чисел. Продемонстрируем действие этих законов на примере первой ядерной реакции, осуществленной Резерфордом: ядра азота бомбардировали альфа-частицы, в результате получались ядра кислорода и протоны: .

В ядерной реакции взаимодействующие объекты образуют замкнутую систему, и в ней выполняется ряд законов сохранения, в том числе закон сохранения энергии. Энергия системы до взаимодействия равна сумме энергий покоя ядра m_Xc² и частицы m_ac² и кинетической энергии частицы E_a. Аналогично можно найти энергию системы после реакции: m_Yc²+ m_bc²+ E_b. Для осуществления реакции необходимо затратить энергию для разгона частицы-снаряда до кинетической энергии E_a. Кинетическая энергия получившейся в результате реакции частицы E_b может быть превращена в другой вид энергии для практического использования. Разность этих энергий называют энергетическим эффектом ядерной реакции: W= E_b - E_a. Из закона сохранения энергии следует:

W=с²(М₁-М₂) (7.14)

Здесь М₁ и М₂ – суммарная масса покоя ядра и частицы соответственно до реакции и после нее. Если W>0, то реакция идет с выделением энергии, если W<0, то энергия в реакции поглощается.

В § 7.2 мы отмечали, что деление тяжелых ядер и синтез легких ядер сопровождается выделением энергии, и эти ядерные реакции представляют большой интерес для энергетики. Рассмотрим эти реакции.

Рис.7.7

Реакция деления – это процесс, при котором нестабильное ядро, получив от бомбардирующей его частицы дополнительную энергию, делится на два крупных фрагмента сравнимых масс. Деление ядер урана было открыто в1939 году. Теория деления тяжелых ядер основана на капельной модели ядра. Согласно этой модели ядро в нормальном состоянии похоже на каплю шарообразной формы. При сообщении дополнительной энергии капля начинает колебаться, то вытягиваясь, то сжимаясь, в ней образуется тонкий «перешеек» между двумя частями. При достижении амплитудой колебаний критического значения капля делится на две капли, и не обязательно равных масс. Для инициации колебаний необходимо сообщить извне дополнительную энергию активации. Это делает нейтрон, бомбардирующий тяжелое ядро. Он вносит в ядро как свою энергию связи (около 6,8 МэВ), так и свою кинетическую энергию. Энергия активации у разных изотопов различна. Например, энергию активации изотопу могут сообщить нейтроны только с большой кинетической энергией, они называются быстрыми нейтронами, тогда как деление происходит под действием нейтронов малой кинетической энергии. Такие нейтроны называют медленными или тепловыми.

Процесс деления тяжелого ядра происходит в два этапа. На первом этапе исходное ядро поглощает нейтрон, образуется новое неустойчивое составное ядро, которое делится на два ядра. Разные ядра одного и того же изотопа могут делиться по-разному, так что отношение масс осколков деления различны, и для оно чаще всего близко к 2/3. Осколки деления «перегружены» нейтронами (вспомните соотношение между N и Z в стабильных ядрах, рис. 7.1) и испускают их. Реакция деления сопровождается появлением свободных нейтронов, их называют вторичными. В зависимости от схемы распада ядра выделяется 2-3 вторичных нейтрона на каждый акт распада. Встречая на своем пути новые ядра, они вызывают новые акты деления с освобождением новых вторичных нейтронов, и число делений на каждом следующем этапе увеличивается (рис. 7.7). Реакция превращается в цепную. Вторичный нейтрон, не встретив на своем пути делящееся ядро, уходит за пределы делящегося вещества. Поэтому цепная реакция развивается в случае, когда масса делящегося вещества превышает минимальную, называемую критической массой. Для она равна 9,5 кг. В атомной бомбе используют два пространственно разделенных куска делящегося вещества, масса каждого из которых меньше критической, а суммарная масса превышает ее. С помощью химического взрывчатого вещества эти массы «выстреливают» друг в друга, и после их объединения взрывообразно развивается цепная реакция с выделением огромной энергии.

Отношение числа нейтронов К=n_i+1/n_i, вызвавших деление ядер в двух последовательных этапах (i-номер этапа) цепной реакции, называется коэффициентом размножения нейтронов. Интенсивность выделения энергии на следующем этапе по сравнению с предыдущим увеличивается при К>1 (ядерный взрыв), не изменяется при К=1 (такая реакция называется самоподдерживающейся) и уменьшается для К<1 (цепная реакция прекращается).

В атомных реакторах используют управляемую реакцию, регулируя ее скорость числом вторичных нейтронов, участвующих в делении. Некоторые ядра (графит, тяжелая вода D₂O) не поглощают, а отражают нейтроны. Если делящееся вещество окружить «экраном» из отражающих нейтроны веществ, то, отражаясь от экрана, нейтроны возвращаются в зону реакции. К тому же эффективность взаимодействия нейтронов с ядрами делящегося вещества зависит от их кинетической энергии. Нейтроны, испущенные осколками деления , имеют повышенную кинетическую энергию по сравнению оптимальной, так что новые ядра не успевают захватывать их. Столкновение нейтронов с ядрами-замедлителями (бериллий, углерод, т.е графит, дейтерий) уменьшает кинетическую энергию нейтронов и увеличивает вероятность их участия в очередном этапе процесса деления, т.е.увеличивает коэффициент размножения нейтронов К Для регулировки значения К используются вещества – поглотители нейтронов (кадмий, бор). При введении в зону реакции стержней из этих материалов К уменьшается, при их выведении увеличивается. Таким образом, ядерный реактор представляет собой сложнейшее техническое устройство, в котором процесс деления ядерного горючего управляется системами отражения, замедления и поглощения нейтронов, а также системой безопасности, предупреждающей радиационное заражение окружающей среды. Нарушение слаженной работы этих систем чревато тяжелейшими экологическими последствиями (авария на Чернобыльской и других АЭС). Ядерные реакторы используют не только на атомных электростанциях, но и в качестве силовых установок на атомных подводных лодках.

Реакция синтеза легких ядер называется еще термоядерной реакцией. В ней, как и в реакции деления тяжелых ядер, высвобождается удельная энергия связи «материнских» ядер при превращении их в «дочерние» в процессах «подъема» по кривой рис.7.2. Реакции деления соответствуют подъему по правой ветви этой кривой, а реакции синтеза – по левой. Подъем левой ветви заметно круче, чем правой, а это значит, выделение удельной энергии связи в расчете на один нуклон при синтезе значительно превосходит ее выделение в процессах деления.

В реакции синтеза два легких ядра «сливаются» в одно, например, водород превращается в гелий: МэВ. В реакции участвуют пять нуклонов, и в расчете на каждый из них выделяется около 3,5 МэВ энергии, т.е. примерно в 4 раза больше, чем при делении урана.

Для осуществления реакции синтеза ядра надо сблизить примерно до 10^-15 м, чтобы начали действовать ядерные силы, но сближению ядер противодействует кулоновское отталкивание. Например, для двух ядер дейтерия энергия кулоновского отталкивания на таком расстоянии составляет ≈ 0,7 МэВ. Если ядра движутся навстречу друг другу, то для преодоления кулоновского отталкивания каждое ядро должно иметь кинетическую энергию около 0,35 МэВ. Такая средняя кинетическая энергия теплового движения kT соответствует температуре порядка 10⁹ К, это и дает реакции синтеза другое название – термоядерная реакция. Температура в центре Солнца оценивается примерно в 1,9^.10⁷ К, но, учитывая статистический характер теплового движения, следует признать, что имеются частицы, чья энергия значительно больше средней. Источником энергии Солнца и звезд является термоядерный синтез. Химический элемент гелий первоначально был обнаружен на Солнце, а уж потом на Земле. Отсюда и его название: Солнце по латыни Гелиос.

Термоядерная реакция представляет огромный практический интерес как источник энергии. На данном этапе развития науки и техники удалось осуществить только неуправляемую реакцию синтеза в водородной бомбе. Высокая температура, необходимая для ядерного синтеза, достигается здесь с помощью взрыва обычной урановой или плутониевой бомбы. Осуществление управляемых термоядерных реакций даст человечеству новый экологически чистый и практически неисчерпаемый источник энергии. Однако ее осуществление представляет собой труднейшую научно-техническую задачу. При температурах, необходимых для осуществления термоядерной реакции, вещество находится в состоянии плазмы, когда атомы полностью ионизованы и их ядра лишены электронных оболочек. Никакие конструкционные материалы не могут находиться при такой температуре. Проблема управляемой термоядерной реакции сводится к тому, чтобы удерживать плазму при Т ≈ (10⁷ …10⁸) К изолированно от стенок сосуда. В противном случае, обладая огромной теплопроводностью, она мгновенно остывает. Один из способов удержания плазмы реализован в отечественной установке «Токомак» (от слов «тороидальная камера с магнитными катушками»), где плазма удерживается магнитным полем. В установке лазерного термоядерного синтеза плазму получают сфокусированным лучом мощного лазера. Однако эти установки реализованы пока в лабораторных условиях и не могут быть использованы в промышленных масштабах. Так что применение управляемого термоядерного синтеза в энергетике – пока еще не решенная задача.

1 Получите самостоятельно формулу (6.4) и проделайте вычисления.

2 При решении задач эту формулу будем использовать в виде: r_я=1,2^.10^-15 м.

3 Примеры вычисления энергии связи ядра атома смотрите в Методических указаниях для выполнения индивидуального задания 26.