28.03.2022 р.

Тема: Способи вивільнення ядерної енергії. Ядерна реакція. Ланцюuова ядерна реакція поділу ядер. Термоядерні реакції

Попередньо ми з’ясували, що внаслідок взаємодії частинок відбуваються реакції, які отримали назву ядерних.

Зміна атомних ядер внаслідок їх взаємодії з елементарними частинками і між собою називається ядерною реакцією.

Ядерні реакції відбуваються тоді, коли частинки впритул наближаються до ядра і потрапляють у сферу дії ядерних сил. Однойменно заряджені частинки взаємно відштовхуються. Тому зближення позитивно заряджених частинок з ядрами (чи ядер між собою) можливе, якщо цим частинкам (або ядрам) надати великої кінетичної енергії. Таку енергію надають протонам, дейтронам, а-частинкам та іншим важчим ядрам за допомогою прискорювачів елементарних частинок та йонів.

Для здійснення ядерних реакцій вони ефективніші, ніж а-частинки, що їх випромінюють природні радіоактивні елементи. їм можна надати значно більшої енергії (порядку 105 МеВ), ніж та, яку мають а-частинки (максимально 9 МеВ). Можна використати також протони, які не з’являються в процесі радіоактивного розпаду. А також можна прискорити ядра, важчі, ніж ядра Гелію.

Першу штучну ядерну реакцію здійснив Е. Резерфорд, який «бомбардував» ядра Нітрогену а-частинками. Вона мала такий вигляд:

Перше перетворення атомних ядер за допомогою протонів великої енергії, добутих на прискорювачі, було здійснене в 1932 p., коли вдалося розщепити Літій на дві а-частинки:

 

 

Мал. 209

 

Як видно на фотографії треків у камері Вільсона (мал. 209), ядра Гелію розлітаються в різні боки вздовж однієї прямої відповідно до закону збереження імпульсу (імпульс протона значно менший від імпульсів а-частинок, що виникають).

У розглянутій ядерній реакції кінетична енергія двох утворених ядер Гелію виявилась більшою від кінетичної енергії протона, який вступив у реакцію, на 7,3 МеВ. Перетворення ядер супроводжується зміною їх внутрішньої енергії (енергія зв’язку). У реакції питома енергія зв’язку в ядрах Гелію більша від питомої енергії зв’язку в ядрі Літію. Тому частина внутрішньої енергії ядра Літію перетворюється в кінетичну енергію р-частинок, які розлітаються.

Зміна енергії зв’язку ядер означає, що сумарна енергія спокою частинок і ядер, які беруть участь у реакціях, не залишається сталою. Адже енергія спокою ядра Мяс2 відповідно до формули Езв = ∆Mс2 =(Zmп +Nmн -Мя)с2 посередньо виражається через енергію зв’язку. За законом збереження енергії зміна кінетичної енергії в процесі ядерної реакції дорівнює зміні енергії спокою ядер і частинок, які беруть участь у реакції.

Енергетичним виходом ядерної реакції називається різниця енергії спокою ядер і частинок до реакції і після реакції.

Отже, енергетичний вихід ядерної реакції дорівнює також зміні кінетичної енергії частинок, що беруть участь у реакції.

Відкриття нейтрона було поворотним пунктом у дослідженні ядерних реакцій. Оскільки нейтрони не мають заряду, то вони без перешкод проникають в атомні ядра і спричинюють їх перетворення.

Наприклад, спостерігається така реакція:

Відомий італійський фізик Е. Фермі, який першим почав вивчати реакції, що спричиняються нейтронами, виявив наступне: ядерні перетворення зумовлюються навіть повільними нейтронами. Причому ці повільні нейтрони здебільшого навіть ефективніші, ніж швидкі. Тому швидкі нейтрони доцільно спочатку сповільнювати. Сповільнюються нейтрони до теплових швидкостей у звичайній воді. Цей ефект пояснюється тим, що у воді є багато ядер Гідрогену — протонів, маса яких майже дорівнює масі нейтронів. А під час зіткнення куль однакової маси найбільш інтенсивно передається кінетична енергія. Під час центрального зіткнення нейтрона з протоном, що перебуває в стані спокою, він повністю передає протону свою кінетичну енергію.

 ЛАНЦЮГОВА РЕАКЦІЯ ПОДІЛУ ЯДЕР УРАНУ

 

Поділ атомних ядер — це особливий вид ядерних реакцій, коли ядро важкого елемента ділиться на дві частини, одночасно випромінюючи два- три нейтрони, у-промені і значну кількість енергії. Це дає можливість здійснити ланцюгову ядерну реакцію.

Поділ ядер Урану відкрили в 1938 р. німецькі вчені О. Ган і Ф. Штрассман. їм удалося встановити, що під час бомбардування Урану нейтронами виникають елементи середньої частини Періодичної системи: Барій, Криптон та ін. Проте правильно пояснили цей факт, а саме, як поділ ядра Урану, що захопило нейтрон, — англійський фізик О. Фріш і австрійський фізик JI. Мейтнер у 1939 р. Вони вважали, що ядро Урану, захопивши повільний нейтрон, перетворюється в ядро радіоактивного ізотопа Урану , яке розпадається на дві приблизно рівні частини X і У, при цьому виділяється декілька нейтронів. Реакція відбувається за схемою:

Процес поділу атомного ядра можна пояснити за допомогою краплинної моделі ядра. За цією моделлю згусток нуклонів має нагадувати краплину зарядженої рідини (мал. 210, а). Ядерні сили між нуклонами короткодіючі, подібно до сил, що діють між молекулами рідини. Одночасно з великими силами електростатичного відштовхування між протонами, які намагаються розірвати ядро на частини, діють ще більші ядерні сили притягання. Ці сили не дають ядру розпастися.

Ядро Урану має форму кулі. Захопивши зайвий нейтрон, ядро збуджується і починає деформуватися, набуваючи витягнутої форми (мал. 210, б). Ядро розтягується доти, поки сили відштовхування між кінцями витягнутого ядра не переважатимуть сили зчеплення, які діють на перешийку (мал. 210, в). Розтягуючись дедалі дужче, ядро розривається на дві частини (мал. 210, г). Під дією кулонівських сил відштовхування ці частини, чи уламки, розлітаються зі швидкістю, що дорівнює 1/30 швидкості світла.

Більш пізні дослідження показали, що внаслідок бомбардування ядер Урану нейтронами можуть утворюватися уламки 80 «сортів». Причому найбільш вірогідним виявляється поділ на уламки, маси яких відносяться приблизно, як 2:3.

 

 Мал. 210

ТЕРМОЯДЕРНІ РЕАКЦІЇ

Ми розглядали ядерні реакції розпаду радіоактивних речовин, що зумовлені перетворенням атомних ядер у результаті їх взаємодії з елементарними частинками й між собою. І з’ясували, що під час поділу важких ядер виділяється велика кількість енергії. Так під час поділу одного ядра урану-235 виділяється 200 МеВ енергії. Проте виявилося, що при злитті (синтезі) легких ядер виділяється ще більше енергії. Наприклад, якщо здійснити злиття ізотопів водню (дейтерію і тритію), то в результаті цього утворюється гелій і випромінюється нейтрон Н + Н  Не+n .

У цій реакції беруть участь всього 5 нуклонів, а виділяється 17,6 МеВ енергії (мал. 215).

Якщо врахувати, що в реакції синтезу в розрахунку на один нуклон виділяється приблизно 3,5 МеВ енергії, а при радіоактивному розпаді ядра урану — «всього» 1 МеВ на нуклон, то зрозуміло, що реакції синтезу набагато вигідніші з точки зору одержання енергії.

Такі реакції називаються термоядерними. Сама назва цих реакцій вказує на їхню особливість — вони відбуваються за дуже високих температур. З’ясуємо чому.

Щоб почалося злиття ядер, їх потрібно наблизити одне до одного на відстань дії ядерних сил. Для такого зближення потрібно подолати кулонівське відштовхування ядер, яке різко зростає зі зменшенням відстані між ядрами. Для цього потрібно, щоб ядра атомів мали дуже велику кінетичну енергію, тобто щоб їхня швидкість була досить великою. Це можливо лише за дуже високих температур (десятки й сотні мільйонів градусів). Тому реакція ядерного синтезу й називається термоядерною реакцією.

Термоядерними реакціями називаються ядерні реакції синтезу легких ядер у важчі, що супроводжуються виділенням енергії (мал. 216).

Мал. 215. Схема ядерного синтезу

З фізичної точки зору зрозуміло, що енергія, яка вивільняється у процесі радіоактивного розпаду ядер, — це, в основному, кінетична енергія уламків, що набули її внаслідок дії електричних сил відштовхування.

Мал. 216. Термоядерні реакції

При термоядерному синтезі енергія вивільняється в результаті прискореного руху нуклонів назустріч один одному під дією набагато потужніших ядерних сил. Простіше кажучи, при поділі ядер вивільняється енергія електричної взаємодії, а при синтезі ядер — енергія сильної (ядерної) взаємодії.

Термоядерні реакції відбуваються за надвисоких температур (10⁷-10⁹ °С).

За таких температур речовина є повністю йонізованою та перебуває в стані плазми.

Здійснення реакцій керованого термоядерного синтезу в земних умовах відкриє перед людством перспективу отримання екологічно чистої і практично невичерпної енергії.

На даному етапі розвитку науки та техніки вдалося здійснити тільки некеровану реакцію термоядерного синтезу у водневій бомбі, де висока температура досягалася за рахунок вибуху уранової або плутонієвої атомної бомби.

Енергія Сонця й зір. Термоядерні реакції відіграють надзвичайно важливу роль в еволюції Всесвіту. Сонце й деякі інші зорі випромінюють у космічний простір величезну енергію, що вивільняється в процесі термоядерного синтезу чотирьох легких ядер водню в одне ядро гелію (мал. 217). При перетворенні одного кілограма водню на гелій виділяється така кількість теплоти, якої достатньо для того, щоб закип’ятити півтора мільйона кубометрів води.

Мал. 217. Термоядерні реакції на Сонці

Температура в центрі Сонця становить близько 13 мільйонів градусів. За такої температури атоми повністю йонізовані, тобто навколо їхніх ядер уже немає електронних оболонок. Фактично Сонце заповнене електронно-йонним газом. Висока температура спричинює колосальний тиск цих газів, тому ядра можуть наблизитися значно ближче одне до одного, ніж у земних умовах за звичайних температур.

Цікаво, що термоядерна реакція на Сонці протікає дуже повільно. Для того щоб чотири ядра водню перетворилися на ядро гелію, має пройти декілька мільйонів років. За такого повільного процесу Сонце може виділяти величезну кількість теплоти тільки завдяки тому, що в цьому процесі одночасно бере участь велетенська маса речовини. Разом з випромінюванням енергії кожної секунди Сонце втрачає чотири з половиною мільйони тонн своєї маси. Але для Сонця ця втрата абсолютно мізерна. Маса Сонця настільки велика, що за два мільярди років безперервного випромінювання Сонце втратило не більш ніж одну десяту відсотка своєї маси.

Учені підрахували, що запасів водню на Сонці вистачить на 100 мільярдів років.