§ 13. Ядерные реакции.

Ядерными реакциями называется искусственное превращение атомных ядер при их взаимодействии как друг с другом, так и с ядерными частицами, в результате чего образуются новые ядра и новые частицы. Символически ядерную реакцию можно записать:

,

где Х и У – исходное и конечное ядра, а и b – исходная и конечная частицы в реакции.

Первая в истории ядерная реакция осуществлена Э.Резерфордом (1919) при бомбардировке ядра азота -частицами:

.

Другой пример ядерных реакций – реакция получения нейтронов:

.

Наиболее распространенными ядерными реакциями являются реакции деления тяжелых ядер и синтеза легких.

Реакция деления ядер урана при бомбардировке их нейтронами была открыта в 1939 г. О.Ганом и Ф.Штрассманом и сразу же объяснена О.Фришем и Л.Мейтнер. Было установлено, что при облучении ядер урана нейтронами образуются элементы из середины периодической таблицы (чаще всего Ва и Kr), а также два или три нейтрона на каждое распавшееся ядро. Реакцию деления ядра можно записать, например, так:

.

При делении одного ядра урана освобождается около 200 МэВ энергии: на кинетическую энергию движения ядер-осколков приходится примерно 165 МэВ, остальную энергию уносят -кванты. Выход энергии при делении всех ядер 1 кг урана составляет 80 тысяч миллиардов джоулей. Деление ядер сопровождается испусканием двух-трех вторичных нейтронов, называемых нейтронами деления. В среднем на один акт деления приходится 2,5 нейтронов.

П рактический интерес представляет случай самоподдерживающейся реакции деления. Такая реакция возможна, поскольку каждый нейтрон, выделившийся при делении одного ядра урана в принципе может вызвать деление другого ядра. Число актов деления возрастает лавинообразно – возникает цепная реакция. Схематически этот процесс представлен на рис. 13.1. Цепная реакция может быть управляемой и неуправляемой. Неуправляемая реакция осуществляется при взрыве атомной бомбы. Поскольку многие нейтроны покидают делящееся вещество прежде, чем встретятся с ядрами урана, для получения атомного взрыва нужно иметь достаточно большое количество делящегося вещества (достичь критической массы) с тем, чтобы максимально возможное число нейтронов провзаимодействовало с ядрами. Цепную реакцию можно сделать управляемой, если на пути нейтронов поместить поглотитель (кадмий или бор). Погружая или вынимая из делящегося вещества поглотитель, можно регулировать размножение нейтронов и тем самым управлять скоростью цепной реакции. Управляемые цепные реакции осуществляются в ядерных реакторах, являющихся основной частью энергетических атомных установок (атомных электростанций, двигателей атомных подводных лодок и др.).

Наиболее благоприятно деление ядер происходит под действием медленных нейтронов. Природный уран состоит в основном из и содержит лишь 0,7% изотопа . В уране-238 медленные нейтроны не вызывают цепной реакции, а приводят к следующим превращениям:

;

;

Конечный продукт этих превращений — изотоп плутония ₉₂Ри²³⁹ имеет период полураспада 24100 лет, т. е. достаточно стабилен. Облучение , как и , медленными нейтронами вызывает цепную реакцию, т. е. плутоний также является хорошим ядерным топливом. В большинстве ядерных реакторов используется природный U²³⁸, обогащенный до 5% U²³⁵, поэтому каждый такой реактор является попутно накопителем Рu²³⁹.

Впервые ядерные реакции для получения промышленной электроэнергии были использованы в СССР. Огромная роль в развитии ядерной энергетики принадлежит нашему замечательному физику И.В. Курчатову.

Ядерная энергия освобождается не только в ядерных реакциях деления тяжелых ядер, но и в реакциях соединения легких атомных ядер. Для соединения одноименно заряженных протонов необходимо преодолеть кулоновские силы отталкивания, что возможно при достаточно больших скоростях сталкивающихся частиц. Синтез гелия из легкого изотопа водорода происходит при температурах К, а для синтеза гелия из тяжелых изотопов водорода дейтерия и трития – по схеме требуется нагревание примерно до К.

Реакция синтеза легких атомных ядер в более тяжелые, происходящие при сверхвысоких температурах, называются термоядерными реакциями. Термоядерные реакции дают наибольший выход энергии на единицу массы «топлива». Например, при синтезе 1 г гелия из дейтерия и трития выделяется энергия Дж. Такая энергия выделяется при сжигании 10 тонн дизельного топлива.