Ядерные реакции

Лекция № 9

Ядерной реакцией называется процесс интенсивного взаимодействия атомного ядра с элементарной частицей или с другим ядром, приводящий к преобразованию ядра.

Наиболее распространенным видом ядерной реакции является взаимодействие легкой частицы «а» с ядром Х, в результате чего образуется легкая частица «b» и ядро Y

.

Ядерные реакции могут сопровождаться как выделением, так и поглощением энергии. Количество выделяющейся энергии называется тепловым эффектом реакции. Он определяется разностью масс покоя исходных и конечных ядер (массы выражаются в энергетических единицах).

В настоящее время известны следующие типы ядерных реакций:

ü Реакция захвата, заключающаяся в объединении двух встретившихся частиц;

ü Реакция обмена, заключающаяся в захвате одной частицы и выбрасывании другой;

ü Реакция деления или расщепления ядра под воздействием энергии, полученной ядром в той или иной форме;

ü Реакция рассеяния, заключающаяся в том, что, под воздействием бомбардирующих частиц, ядро испускает частицы того же типа, что и бомбардирующие.

Как установил Н.Бор в 1936г., реакции, вызванные не очень быстрыми частицами, протекают в два этапа. Первый этап заключается в захвате приблизившейся к ядру «Х» на достаточное расстояния посторонней частицы «а» и в образовании промежуточного ядра «П», называемого составным ядром или компаунд-ядром. Энергия, принесенная частицей «а», перераспределяется между всеми нуклонами составного ядра, в результате чего это ядро оказывается в возбужденном состоянии.

На втором этапе составное ядро испускает частицу «b». Символически такое протекание ядерной реакции в две стадии можно представить следующим образом

.

Может случиться, что испускаемая частица, окажется тождественной с захваченной (т.е. ). Такой процесс называется рассеянием. Если энергия частицы «а» равна энергии частицы «b», то рассеяние будет упругим. Если же они не равны, то рассеяние будет неупругим.

Реакции, вызываемые быстрыми нуклонами, протекают без образования промежуточного ядра. Такие реакции носят название прямых ядерных взаимодействий.

Рассмотрим перечисленные типы реакций более подробно.

При реации захвата происходит застревание налетевшей частицы в ядре. Ядро возбуждается и испускает избыток энергии излучая γ – лучи. Примером такой реакции может служить реакция захвата нейтронов кадмием или фосфором

.

При реакции обмена налетевшая на ядро частица также застревает в ядре. Оно в свою очередь выбрасывает другую частицу и превращается в ядро другого элемента. Примером такой реакции может служить реакция превращения азота в кислород

и реакция получения нейтрона

.

Этот тип реакции имеет широкое применение в устройствах, служащих для получения нейтронов.

При реакции рассеяния ядро испускает частицу, тождественную с налетевшей. Различают два вида реакций рассеяния: упругое и неупругое рассеяние.

1. Упругое рассеяние. При этом типе рассеяния суммарная кинетическая энергия взаимодействующих частиц не меняется.

2. Неупругое рассеяние. При этом типе рассеивания суммарная кинетическая энергия соударяющихся частиц уменьшается, и разность энергий излучается в виде энергии γ- фотона.

Примером упругого рассеяния может служить рассеяние нейтронов углеродом, которое используется в ядерных реакторах для замедления нейтронов

.

Примером неупругого рассеяния может служить процесс, происходящий при соударении быстрого нейтрона с ядром урана 238

.

Наиболее широкое практическое применение получила реакция деления, на рассмотрении которой мы остановимся несколько позже.

Первая ядерная реакция была осуществлена Резерфордом в 1919г. При облучении азота α–частицами, испускаемыми радиоактивным источником, некоторые ядра азота превращались в ядра кислорода, испуская при этом протон. Уравнение этой реакции имеет вид

.

Ядерная реакция, вызванная искусственно ускоренными частицами, была впервые осуществлена Кокрофтом и Уолтоном в 1932 г. С помощью умножителя напряжения они ускоряли протоны до энергии порядка 0,8 МЭВ и наблюдали реакцию

.

В дальнейшем, по мере развития техники ускорения заряженных частиц, множилось число ядерных превращений, осуществляемых искусственным путем.

Практически наибольшее значение имеют реакции, вызываемые нейтронами. В отличие от других заряженных частиц, нейтроны не испытывают кулоновского отталкивания и поэтому могут проникать в ядра, обладая очень малой энергией.

В атмосфере под действием нейтронов, образуемых космическими лучами, происходит реакция

.

Возникающий при этом углерод радиоактивен. Его период полураспада – 5600 лет. Он усваивается растениями и участвует в круговороте веществ в природе. Пока органическое вещество живет, убыль в нем углерода восполняется за счет круговорота веществ в природе. В момент смерти организма процесс усвоения углерода сразу же прекращается, а его количество начинает убывать по закону радиоактивного распада. Следовательно, измерив его концентрацию в останках организмов (древесине, костях и т.д.) можно определить дату их смерти. Проверка этого метода на древних образцах, возраст которых точно определен исторически, дала вполне удовлетворительные результаты.

Реакция деления

В 1938 г. немецкие ученые Ган и Штрассман обнаружили, что при облучении урана нейтронами образуются элементы из середины периодической системы – барий и лантан.

Объяснение этого явления было дано немецкими учеными Фришем и Мейтнером. Они предположили, что захватившее нейтрон ядро урана делится на две примерно равные части, которые получили название осколков деления.

Дальнейшие исследования показали, что при делении образуется около 80 различных осколков, причем наиболее вероятным является деление на осколки, массы которых относятся как 2:3. Кривая выхода осколков в зависимости от их массы представлена на рисунке.

Из этой кривой видно, что относительное число актов деления, при которых образуются два осколка равной массы (А ≈ 117), составляет 10^-2 %, в то время, как образование осколков с массовыми числами порядка 95 и 140 (95:140 = 2:3) наблюдается в 7 % случаев.

Деление ядра урана на два осколка сопровождается выделением огромной энергии. Как известно, удельная энергия связи, т.е. энергия связи, приходящаяся на один нуклон, в ядрах атомов, расположенных в средней части периодической системы Менделеева, примерно 8,7 МЭВ, в то время, как для тяжелых ядер она равна 7,6 МЭВ.

Это значит, что при делении ядра урана на два осколка должна высвободиться энергия равная 1,1 МЭВ на один нуклон. При делении ядер, содержащихся в 1 г урана , выделяется энергия 8*10¹⁰ Дж или 22000 кВт.ч.

Ядра, образовавшиеся при делении, обладают избыточным количеством нейтронов. Большинство нейтронов испускается мгновенно (за время, меньшее ~ 10^-14 сек). Часть нейтронов (около 0,75%), получившая название запаздывающих нейтронов, испускается не мгновенно, а с запаздыванием от 0,05сек до 1 мин.

Осколки деления оказываются радиоактивными и переходят в стабильное состояние путем цепочки превращений.

Цепная реакция

При каждом акте деления тяжелых ядер, как мы уже говорили, выделяется большое количество энергии и появляется несколько нейтронов. Если каждый из этих нейтронов вызывает в соседних ядрах делящегося вещества реакцию деления, то происходит лавинообразное нарастание числа актов деления. Такая реакция деления называется цепной.

Рассмотрим условия, необходимые для осуществления реакции деления ядер.

Тяжелое ядро претерпевает деление, если нарушается его равновесие. Минимальная энергия, необходимая чтобы вызвать деление ядра, носит название энергии активации. Часть этой энергии идет на нагревание ядра, часть – на его деформацию.

Энергию активации, необходимую ядрам для деления, легче всего передать с помощью нейтронов, которые, приблизившись к ядру, притягиваются к нему ядерными силами. Непременным условием возникновения ценной реакции является наличие размножающихся нейтронов. Введем понятие о коэффициенте размножения нейтронов «k».

Коэффициентом размножения нейтронов называют отношение числа нейтронов, возникших в некотором звене реакции, к числу таких нейтронов в предшествующем звене.

Необходимым условием для развития ценной реакции является требование .

С уменьшением размеров активной зоны увеличивается доля нейтронов, выходящих за ее пределы и уменьшается возможность цепной реакции. Минимальные размеры активной зоны, при которых возможно возникновение цепной реакции, называются критическими размерами. Минимальная масса делящихся веществ, находящихся в системе критических размеров, называется критической массой.

Одной из наиболее важной характеристик цепной реакции является скорость ее развития, зависящая от времени между двумя последовательными актами деления. Для получения быстрой цепной реакции взрывного типа необходимо уменьшить время между последовательными актами деления, т.е. осуществить процесс размножения на быстрых нейтронах.

Для получения управляемой цепной реакции необходимо увеличивать это время.

Рассмотренные реакции деления осуществляются с изотопом урана , торием , протактинием , плутонием .

Эти элементы носят название ядерного горючего. В куске ядерного горючего каждый захваченный ядром нейтрон вызывает деление ядра, испуская несколько нейтронов. Однако, если масса такого куска меньше определенного критического значения, то большинство испускаемых нейтронов вылетает наружу не вызывая деления. Цепная реакция не возникает. При массе больше критической нейтроны быстро размножаются, и реакция приобретает взрывной характер.

На этом основано действие атомной бомбы. Ядерный заряд ее представляет два куска или (на рисунке они обозначены цифрой 1).

Масса каждого куска меньше критической, поэтому цепная реакция не происходит. В атмосфере земли имеется некоторое количество нейтронов, порожденных космическим излучением. Поэтому для того, чтобы вызвать взрыв, достаточно соединить части ядерного заряда в один кусок с массой больше критической.

Для соединения используют обычное взрывчатое вещество – запал (2), с помощью которого одной частью ядерного заряда выстреливают в другую.

Все устройство заключено в массивную оболочку из металла большой плотности (3). Оболочка служит отражателем нейтронов и, кроме того, удерживает ядерный заряд от распыления до тех пор, пока максимально возможное число ядер не выделит свою энергию при делении.

Иной способ осуществления цепной реакции используется в ядерных реакторах.

В качестве делящегося вещества в реакторах используется природный уран. Чтобы предотвратить радиационный захват нейтронов ядрами, небольшие блоки делящегося вещества размещают на некотором расстоянии друг от друга, а промежутки между ними заполняют замедлителем, т.е. веществом, в котором нейтроны уменьшают свою скорость. Замедление нейтронов осуществляется за счет упругого рассеяния. В качестве замедлителей используют графит, бериллий, дейтерий (или тяжелую воду).

Первый уран-графитовый реактор был пущен в декабре 1942г. в Чикагском университете под руководством выдающегося итальянского физика Э.Ферми.

Схема этого реактора изображена ниже.

Цифрой 1 обозначен замедлитель – графит; 2 – блоки из урана; 3 - стержни, содержащие кадмий или бор. Эти стержни служат для регулировки процесса в реакторе. Кадмий и бор интенсивно поглощают нейтроны, поэтому введение их в реактор уменьшает коэффициент размножения нейтронов, а выведение – увеличивает. Таким образом, можно регулировать мощность, развиваемую реактором.

Первые промышленные реакторы, построенные в США, предназначались для производства делящегося вещества для атомных бомб – плутония. В них часть нейтронов, испускаемых при делении ядер урана U²³⁵, шла на поддержание цепной реакции, а часть – претерпевала радиационный захват ядрами U²³⁸, что приводило к образованию плутония.

Применение ядерной энергии для мирных целей было впервые осуществлено в СССР. В 1954г. была введена в эксплуатацию атомная электростанция мощностью 5000Вт. Схема атомной электростанции изображена на рисунке.

Энергия, выделяемая в активной зоне реактора (цифра 1), снимается теплоносителем, циркулирующим в контуре (цифра 2). Циркуляция производится насосом 3. В качестве теплоносителя применяется вода и щелочные металлы с низкой температурой плавления (например, натрий Т_плавл = 98°С). В теплообменнике 4 теплоноситель отдает свое тепло воде, превращая ее в пар, вращающий турбину 5.

В заключение отметим, что побочными продуктами работы ядерных реакторов являются радиоактивные изотопы многих химических элементов, которые находят разнообразные применения в биологии, медицине и технике.

Термоядерные реакции

Рассмотренные выше ядерные реакции с выделением огромных количеств энергии являются реакциями деления тяжелых ядер. Получение ядерной энергии возможно также за счет реакции синтеза легких ядер, например, синтеза ядра гелия из водорода. Чтобы произошло слияние легких ядер, необходимо сообщить им кинетическую энергию, достаточную для преодоления электрических сил отталкивания. При достаточном сближении начнут действовать ядерные силы притяжения: легкие ядра будут синтезироваться в более тяжелое ядро с выделением энергии, равной энергии связи. Для осуществления подобных реакций синтеза в больших масштабах применяют разогрев реагирующих веществ до очень высоких температур. Такие реакции носят название термоядерных реакций.

Установлено, что синтез ядер водорода и ядра гелия является источником энергии Солнца и звезд, температура в недрах которых достигает 10⁷ ÷ 10⁸К. Этот синтез осуществляется двумя путями. При более низких температурах имеет место протонно-протонный цикл. Вначале происходит синтез двух протонов с образованием ядра гелия, которое сразу же претерпевает радиоактивный β⁺- распад

,

где е⁺ - протон;

ν – нейтрино.

Образовавшееся ядро тяжелого водорода , сталкиваясь с протоном, объединяется с ним в ядро

.

И, наконец, последнее звено цикла образует реакция

При высоких температурах имеет место углеродно-азотный цикл, который состоит из следующих звеньев

,

,

,

,

,

.

Итогом этого цикла является исчезновение четырех протонов и образование одной α – частицы. Количество ядер углерода остается неизменным - эти ядра участвуют в реакции в роли катализатора.

Углеродно-азотный цикл преобладает в звездах с более высокой температурой. Большая часть энергии Солнца выделяется в результате протонно-протонного цикла.

В искусственных условиях термоядерные реакции осуществляются в водородных бомбах, в которых вначале взрывается урановая или плутониевая бомба. Это приводит к значительному повышению температуры и давления, т.е. создаются условия для протекания термоядерной реакции. Легче всего она протекает между изотопами водорода – дейтерием и тритием .

В настоящее время интенсивно изучается возможность осуществления термоядерных реакций в лабораторных условиях и управления ими. Решение этой проблемы откроет новый, практически неисчерпаемый источник энергии для человеческого общества.

Дата добавления: 2014-01-04