Ядерні реакц

1. Природа ядерних реакцій. Поріг і механізм ядерних реакцій.

2. Реакції ділення. Ланцюгова реакція. Використання ядерної енергії.

3. Термоядерні реакції. Енергія зірок. Керований термоядерний синтез.

1. Природа ядерних реакцій. Поріг і механізм ядерних реакцій

Ядерні реакції - це штучне перетворення ядер одних хімічних елементів в ядра інших хімічних елементів під дією на ядра - мішені частинок-снарядів. Вперше ядерну реакцію здійснив у 1919 році Резерфорд, діючи ?-частинками з енергією біля 7.5 МеВ на ядра азоту :

(1.1)

Ядерні реакції відбуваються з виконанням законів збереження сумарного масового числа ( верхні індекси ) і сумарного електричного заряду ( нижні індекси ). При здійсненні ядерних реакцій виконуються також закон збереження енергії, імпульсу, моменту імпульсу тощо.

Ядерні реакції можуть бути ендотермічними ( з поглинанням енергії ) і екзотермічними ( з виділенням енергії ).

Найменша енергія частинки-снаряду при якій можлива ендотермічна ядерна реакція, називається енергетичним порогом ядерної реакції.

Екзотермічні реакції не мають енергетичного порога і можуть відбуватись при будь-яких значеннях енергії частинок-снарядів. Однак імовірність ядерних перетворень зростає з ростом енергії частинок -снарядів. В ядерній реакції, яку спостерігав Резерфорд у 1919 році, вперше виявлено вільні протони, які до цього часу ще не реєструвались. Ця ядерна реакція відбувається протягом дуже малого часу необхідного для пролітання нуклоном з швидкістю, близькою до швидкості світла, через ядро. Такі реакції називають прямими ядерними реакціями.

В 1930 році здійснена пряма ядерна реакція взаємодії ?- частинки з ядром берилію і утворенням вільних нейтронів. Нейтронне випромінювання мало досить велику проникну здатність через відсутність електричного заряду.

(1.2)

З відкриттям нейтронів (Чедвік, 1932р.) розпочалась ера різноманітних ядерних реакцій.

В основі переважної більшості ядерних реакцій є зіткнення частинок-снарядів ( до яких відносяться нейтрони, ?-частинки, протони, дейтрони ) з ядрами-мішенями. Частинка-снаряд повинна мати достатню енергію для подолання значного потенціального бар'єра кулонівських сил відштовхування ядра-мішені. Проникнувши в ядро-мішень частинка-снаряд застрягає в ньому, передаючи при цьому свою енергію значному числу нуклонів в радіусі дії ядерних сил. Якщо ядро-мішень, одержавши таку енергію, стає збудженим протягом часу то такі ядерні реакції відбуваються через складене або компаунд-ядро.

Складене, або компаунд-ядро через час переходить в нормальний стан, випромінюючи іншу частинку. Схематично ядерні перетворення через проміжне складене ядро виглядять так:

(1.3)

або

де вихідне ядро - мішень; а - частинка - снаряд; складене або компаунд-ядро; b - частинка, яка вилітає з ядра внаслідок реакції; ядро, яке є продуктом ядерної реакції.

Серед ядерних реакцій, які відбуваються через складене ядро слід відмітити ядерні реакції відриву і ядерні реакції захоплення.

При ядерних реакціях відриву частинки - снаряди (дейтрони) віддають ядру - мішені або один протон, або один нейтрон згідно з схемою:

(1.4)

При ядерних реакціях захоплення ядро - мішень поглинувши один протон, або один нейтрон випромінює дейтрон:

(1.5)

Прямі ядерні реакції, а також ті, які відбуваються через складене ядро, потребують досить великих енергій налітаючих частинок.

Якщо складене ядро переходить в нормальний стан через час значно більший то говорять, що в такому випадку відбувається штучна радіоактивність. Такою реакцією може бути така реакція:

Знайдемо тепловий ефект ядерної реакції, яка здійснюється за схемою Запишемо спочатку баланс енергій в цій ядерній реакції, враховуючи, що повна енергія ядер дорівнює енергії спокою і кінетичній енергії:

де індексами а і в позначені енергії відповідних частинок ЕА і ЕВ; Е1 - кінетична енергія ядра-мішені; Е2 - кінетична енергія вихідного ядра.

Згрупуємо енергії спокою в лівій частині, а кінетичні енергії - в правій:

Зміна кінетичної енергії в реакції дорівнює абсолютному значенню зміни енергії спокою і називається тепловим ефектом ядерної реакції Q.

. (1.6)

У випадку, коли відповідні маси спокою взяті у а.о.м., тепловий ефект реакції Q дорівнює:

(1.7)

2. Реакції ділення. Ланцюгова реакція. Використання ядерної енергії

Взаємодія ядер важких елементів (уран, торій) з нейтронами може привести до поділу цих ядер на приблизно рівні осколки. Ядерні реакції такого типу називають реакціями поділу.

Механізм ділення важкого ядра після його взаємодії з нейтроном можна пояснити, виходячи з краплинної моделі будови ядра. В такому ядрі діють ядерні й кулонівські сили. Припустимо, що ядро поглинуло один нейтрон. Таке ядро, перебуваючи в збудженому стані, здійснює відповідну пульсацію, довільно змінюючи свою форму. Серед великої кількості різноманітних пульсацій, форма ядра може випадково стати еліпсоїдною. Завдяки дії поверхневих ядерних сил, а також кулонівських сил відштовхування є велика імовірність, що еліпсоїдне ядро стане гантелеподібним і після цього буде розірване на дві частини. Схематично це виглядить так:

В середній частині “гантелі” буде підвищена концентрація нейтронів. Ці нейтрони не перебувають під дією кулонівських сил, а тому як правило 2?3 з них не встигають попасти у відповідні осколки ділення. Отже, реакція ділення починається з поглинання важким ядром одного теплового нейтрона і закінчується розривом його на два приблизно рівні осколки з виділенням ще двох-трьох теплових нейтронів.

Зупинимось на реакціях ділення урану. Природний уран складається з двох основних ізотопів (0,7 %) і (99,3 %). Поглинувши тепловий нейтрон (W?25 кеВ), ядро перетворюється в ядро з енергією збудження 6,4 МеВ, а поріг ділення дорівнює 5,8 МеВ. Тому робимо висновок, що ядро ділиться під дією нейтрона довільної енергії. В той же час, для поріг ділення досягає енергії 5,8 МеВ, а енергія збудженого ядра після взаємодії з нейтроном складає приблизно 4,8 МеВ. Робимо висновок, що ядро зможе ділитись лише після взаємодії з нейтроном, енергія якого не нижча 1 МеВ.

Теплові нейтрони ділять крім ядра ще ядра і ядра які в природі не зустрічаються. Ці ізотопи одержують штучно в ядерних реакторах на швидких нейтронах ( W ? 1 МеВ):

Торій і які використовуються для одержання необхідних матеріалів, називають ядерною сировиною.

Ізотопи - є ядерним горючим для ядерних котлів і матеріалами для виготовлення ядерних бомб.

Для практичного застосування поділу важких ядер масу матеріалів ділення підбирають такою, щоб нейтрони після першого акту ділення змогли зустрітись з іншими ядрами і спричинити їх ділення. Процес наростання числа актів поділу буде лавиноподібним, а реакція ділення в такому випадку буде називатись ланцюговою.

Ланцюгова реакція може бути керованою при розміщенні в активній зоні реактора сповільнювача нейтронів (як правило це графіт, або важка вода) і поглинача нейтронів (кадмій). За допомогою цих матеріалів досягають коефіцієнта розмноження нейтронів К=1; У випадку коли К?1 ланцюгова реакція може стати надкритичною і спричинити вибух. Якщо К?1,то ланцюгова реакція є підкритичною і може зменшитись до нуля. В будь-якому реакторі відповідна система автоматики підтримує коефіцієнт розмноження нейтронів в критичному стані К=1.

Об'єм активної зони стане набагато меншим, якщо використовувати збагачений . Чим більша концентрація , тим менша робоча зона і менша кількість ділящого матеріалу перебуває в активній зоні.

Некерована ланцюгова реакція може здійснюватись в ядерній бомбі, розміри якої тим менші, чим вища концентрація ділящогося матеріалу.

3. Термоядерні реакції. Енергія зірок. Керований термоядерний синтез

Оскільки у гелію енергія зв'язку нуклонів у ядрі дуже велика (28.3 МеВ), то є можливість одержувати ядерну енергію, при здійснені таких ядерних реакцій

МеВ,

МеВ. (3.1)

В обох випадках частинка-снаряд має позитивний заряд. Проникнення такої частинки в ядро-мішень потребує величезної енергії. Температура плазми, в якій можливі подібні реакції, повинна досягати мільйонів градусів. Такі реакції називаються термоядерними.

Термоядерні реакції відбуваються в зірках і є джерелом їх енергії. Некерована термоядерна реакція здійснюється у водневій бомбі, джерелом енергії в якій є вибух ядерної бомби.

Керований термоядерний синтез пов'язаний з надзвичайно великими технічними труднощами, які ряд учених надіються подолати у 21 сторіччі.

Якщо температура зірки в її центральній частині не перевищує 107 К, то імовірно, що в її надрах здійснюється протон-протонний термоядерний цикл

,

,

. (3.2)

Повний енергетичний вихід такого процесу складає біля 28.3 МеВ. Час, за який відбувається повний протон-протонний цикл складає мільйони років.

На більш гарячих зірках, температура в надрах яких t ? 108 К імовірно, що відбувається вуглецево - азотний цикл, або цикл Бете.

,

,

,

,

,

. (3.3)

Весь цикл Бете відбувається в середньому за 13 мільйонів років. Енергія, яка виділяється при цьому, становить 26.8 МеВ.

Хоч термоядерні реакції на Сонці й зірках приводять до зменшення водню, розрахунки показують, що кількості водню на Сонці вистачить ще на мільярди років.