Ядерные реакции. Деление и синтез ядер

Ядерные реакции и законы сохранения, энергетический выход, деление тяжёлых ядер, цепная реакция, ядерный реактор, термоядерный синтез

Понятие ядерной реакции

Ядерной реакцией называют процесс превращения атомных ядер, происходящий при их взаимодействии друг с другом или с элементарными частицами (в отличие от радиоактивного распада, рассмотренного в предыдущей статье, ядерная реакция инициируется внешним воздействием, а не происходит самопроизвольно). Первую искусственную ядерную реакцию осуществил Эрнест Резерфорд в 1919 году, бомбардируя ядра азота α-частицами и получив ядра кислорода и протоны:

${}_7{}^{14}N+{}_2{}^{4}He\to {}_8{}^{17}O+{}_1{}^{1}H$

Законы сохранения в ядерных реакциях

При записи и анализе ядерных реакций обязательно выполняются фундаментальные законы сохранения: закон сохранения массового числа (суммарное число нуклонов до и после реакции одинаково) и закон сохранения зарядового числа (суммарный заряд ядер и частиц до и после реакции одинаков) — оба закона используют для проверки правильности записи уравнения ядерной реакции и для нахождения неизвестного продукта реакции. Кроме того, в ядерных реакциях, как и в любых физических процессах, выполняются законы сохранения полной энергии (с учётом энергии покоя частиц, согласно E=mc²) и импульса.

Энергетический выход ядерной реакции

Поскольку суммарная масса покоя ядер и частиц, вступающих в реакцию, обычно не равна суммарной массе покоя продуктов реакции, ядерная реакция сопровождается выделением или поглощением энергии — энергетическим выходом реакции, который вычисляют через изменение суммарной массы покоя участников реакции:

$Q=\left(m_{исходных}-m_{продуктов}\right){·c}^2$

Если Q>0 (суммарная масса покоя уменьшается), реакция называется экзоэнергетической — энергия выделяется; если Q<0, реакция эндоэнергетическая — для её протекания требуется затратить энергию (например, сообщив достаточную кинетическую энергию бомбардирующей частице).

Деление тяжёлых ядер

Делением ядра называют процесс распада тяжёлого ядра (например, урана или плутония) на два более лёгких ядра (осколка деления) сравнимой массы, обычно сопровождающийся испусканием нескольких свободных нейтронов. Деление ядра урана-235 было открыто немецкими физиками Отто Ганом и Фрицем Штрассманом в 1938 году; его инициируют, облучая ядро урана медленными (тепловыми) нейтронами (см. рис. 1):

${}_{}{}^{1}n+{}_{}{}^{235}U\to {}_{}{}^{236}U*\to X+Y+{k·}^{1}n\left(k\approx 2-3\right)$

где X и Y — ядра-осколки (например, криптон и барий), ²³⁶U* — промежуточное сильно возбуждённое составное ядро. Как отмечалось в статье об энергии связи, деление тяжёлого ядра энергетически выгодно, поскольку удельная энергия связи осколков деления больше, чем у исходного тяжёлого ядра — при делении одного ядра урана-235 выделяется огромная энергия, порядка 200 МэВ (для сравнения — в миллионы раз больше энергии, выделяющейся при одной химической реакции).

Цепная ядерная реакция

Поскольку деление одного ядра урана-235 сопровождается испусканием в среднем 2-3 новых свободных нейтронов, эти вторичные нейтроны способны вызвать деление соседних ядер урана, порождая новые нейтроны, — при определённых условиях возникает самоподдерживающаяся, лавинообразно нарастающая цепная ядерная реакция. Для поддержания цепной реакции необходимо, чтобы образец урана обладал достаточной массой (превышающей так называемую критическую массу) — иначе слишком большая доля образующихся нейтронов покидает образец, не успевая вызвать новое деление, и цепная реакция затухает.

Различают управляемую цепную реакцию, при которой число делений (а значит, и выделяемая мощность) поддерживается на постоянном контролируемом уровне с помощью специальных регулирующих стержней, поглощающих избыточные нейтроны, — на этом принципе работают ядерные реакторы атомных электростанций, — и неуправляемую цепную реакцию, при которой число делений лавинообразно нарастает практически мгновенно, что лежит в основе действия ядерного оружия.

Устройство ядерного реактора

Основные элементы ядерного реактора: тепловыделяющие элементы (твэлы), содержащие делящееся ядерное топливо (обычно обогащённый уран); замедлитель нейтронов (вода, графит), снижающий скорость быстрых нейтронов, образующихся при делении, до тепловых скоростей, при которых вероятность деления урана-235 значительно выше; регулирующие стержни из материалов, хорошо поглощающих нейтроны (например, кадмия или бора), позволяющие оператору управлять интенсивностью цепной реакции, вводя или выводя стержни из активной зоны реактора; и система охлаждения (теплоноситель), отводящая выделяющееся тепло для последующего производства электроэнергии (обычно через парогенератор и турбину, аналогично тепловой электростанции).

Пример 1: энергетический выход реакции деления

Условие. При делении одного ядра урана-235 выделяется энергия около 200 МэВ. Оцените энергию, выделяющуюся при делении всех ядер в 1 г урана-235 (молярная масса 235 г/моль, число Авогадро N_A≈6·10²³ моль⁻¹).

Решение. Число ядер в 1 г урана:

$N=\left(\frac{m}{M}\right){·N}_A=\left(\frac{1}{235}\right){·6·10}^{23}\approx {\mathrm{2,55}·10}^{21}ядер$

$E=N·200МэВ\approx {\mathrm{2,55}·10}^{21}·200·{\mathrm{1,6}·10}^{-13}Дж\approx {\mathrm{8,2}·10}^{10}Дж$

Эта колоссальная энергия (свыше 80 миллиардов джоулей от одного грамма вещества) эквивалентна сжиганию нескольких тонн угля, что наглядно демонстрирует несравнимо более высокую энергетическую плотность ядерного топлива по сравнению с химическим.

Термоядерный синтез

Термоядерным синтезом называют реакцию слияния лёгких атомных ядер в более тяжёлое ядро, также сопровождающуюся выделением огромной энергии (в расчёте на один нуклон синтез даже энергетически выгоднее деления, как видно из кривой удельной энергии связи). Название «термоядерный» отражает необходимое условие протекания реакции: поскольку сливающиеся лёгкие ядра несут одноимённый положительный заряд и отталкиваются друг от друга кулоновскими силами, для их сближения на расстояние действия ядерных сил притяжения требуются чрезвычайно высокие температуры (порядка десятков и сотен миллионов кельвинов), при которых кинетическая энергия теплового движения ядер достаточна для преодоления кулоновского барьера.

Наиболее перспективная для практического использования реакция синтеза — слияние ядер дейтерия и трития (тяжёлых изотопов водорода) с образованием гелия и нейтрона (см. рис. 1):

${}_1{}^{2}H+{}_1{}^{3}H\to {}_2{}^{4}He+{}_{}{}^{1}n+\mathrm{17,6}МэВ$

Термоядерный синтез — источник энергии звёзд, включая Солнце (в недрах которых протекают реакции синтеза гелия из водорода при температурах порядка 15 миллионов кельвинов). На Земле неуправляемый термоядерный синтез уже реализован в термоядерном оружии, а создание управляемого термоядерного синтеза (в специальных установках — токамаках, удерживающих раскалённую плазму сильным магнитным полем) — одна из важнейших нерешённых пока задач современной энергетики, обещающая практически неисчерпаемый и экологически чистый источник энергии.

Типичные ошибки

Частая ошибка — путать деление и синтез ядер, забывая, что деление энергетически выгодно для тяжёлых ядер (правая часть кривой удельной энергии связи), а синтез — для лёгких ядер (левая, быстро растущая часть кривой); оба процесса выделяют энергию именно потому, что ведут к образованию продуктов с большей удельной энергией связи. Другая ошибка — считать, что для протекания термоядерного синтеза достаточно просто сблизить ядра; в действительности необходимы экстремально высокие температуры для преодоления кулоновского отталкивания, что и объясняет колоссальную техническую сложность создания управляемого термоядерного реактора на Земле.

Краткий словарь терминов

Ядерная реакция — процесс превращения ядер при взаимодействии с другими ядрами или частицами.

Деление ядра — распад тяжёлого ядра на два более лёгких осколка с испусканием нейтронов.

Цепная реакция — самоподдерживающаяся реакция деления, поддерживаемая вторичными нейтронами.

Термоядерный синтез — слияние лёгких ядер в более тяжёлое при экстремально высокой температуре.

Заключение

Ядерные реакции — деление тяжёлых ядер (лежащее в основе работы атомных электростанций и ядерного оружия) и термоядерный синтез лёгких ядер (источник энергии звёзд и перспективная технология будущей энергетики) — высвобождают колоссальную энергию за счёт увеличения удельной энергии связи продуктов реакции. Понимание этих процессов завершает изучение ядерной физики; заключительная статья цикла кратко рассмотрит физику элементарных частиц — фундаментальных «кирпичиков», из которых построена вся известная материя, включая сами протоны и нейтроны атомного ядра.