Учебник. Ядерные реакции и ядерная энергия

Первая ядерная реакция была осуществлена Э. Резерфордом в 1919 г., превратившим азот в кислород по ядерной реакции ${}_7{}^{14}\text{N}\text{(α}\mathrm{, }\text{p}\text{)}{}_8{}^{17}\text{O}\mathrm{.}$

Ядерных реакций с этого времени осуществлено великое множество. Отметим лишь важнейшие типы:

В результате ядерных реакций образовались все элементы Вселенной. Излучаемая энергия Солнца поддерживается азотно-углеродным синтезом гелия: ${}_6{}^{12}\text{C}+{}_1{}^1\text{p}\to {}_7{}^{13}\text{N}\to {}_6{}^{13}\text{C}+{\text{β}}^{\mathrm{+}}$ ${}_6{}^{13}\text{C}+{}_1{}^1\text{p}\to {}_7{}^{14}\text{N}$ ${}_7{}^{14}\text{N}+{}_1{}^1\text{p}\to {}_8{}^{15}\text{O}\to {}_7{}^{15}\text{N}+{\text{β}}^{\mathrm{+}}$ ${}_7{}^{15}\text{N}+{}_1{}^1\text{p}\to {}_6{}^{12}\text{C}+{}_2{}^4\text{H}\text{e}\mathrm{.}$

Масса частиц, из которых состоит гелий, в изолированном состоянии составляет: электроны (2ċ0,00055) + протоны (2ċ1,0076) + нейтроны (2ċ1,0089) = 4,0341.

В компактном состоянии масса гелия-4 равна 4,0039. Это уменьшение в 0,0302 единицы массы называется дефектом массы; ее энергетический эквивалент в соответствии с уравнением Эйнштейна составляет $E=\frac{\mathrm{0,}032}{6\mathrm{,02}ċ{10}^{23}}ċ{\left(3ċ{10}^{10}\right)}^2=4\mathrm{,}512ċ{10}^{\mathrm{-}12}\text{ Дж}\mathrm{/}\text{атом}=28\mathrm{,}12\text{ МэВ}.$

Эта огромная величина ядерной энергии связи и служит основой ядерной энергетики. На рис. 11.3 приведена зависимость энергии связи от атомного числа для различных элементов.

Ядерная энергия связи

На рис. 11.3 видно, что максимум устойчивости приходится на массовое число ~50 (железо). Это означает, что ядра легких элементов при слиянии достигают большей устойчивости (ядерный синтез), а ядра тяжелых элементов подвержены радиоактивному распаду или ядерному делению на два (три) фрагмента.

Ядерное деление используется для создания ядерного оружия или ядерных реакторов, в которых ядерные реакции поддаются управлению и которые являются основой атомных электрических станций (АЭС).

Атомная бомба – самое страшное современное оружие

Атомные бомбы, взорванные над Хиросимой и Нагасаки, состояли из двух докритических масс урана-235, которые при соединении превысили критическую массу. При этом поток нейтронов, взаимодействуя с ураном-235, образовал неустойчивый изотоп урана-236, способный к ядерному делению на осколочные ядра и выделению до трех нейтронов на атом.

В среднем при делении неустойчивого урана-236 образуются 2–4 нейтрона, что обеспечивает цепной механизм реакции ядерного деления. Такая ядерная реакция возможна с участием медленных (тепловых) нейтронов с энергией 5–10 эВ. Нейтроны с высокой энергией замедляются большой (критической) массой урана (в атомной бомбе) или специальными замедлителями (графит, тяжелая вода) и поглотителями нейтронов (бор, кадмий) в атомных реакторах. Это позволяет поддерживать скорость образования нейтронов в пределах, необходимых для выделения энергии, заданной конструкцией реактора.

Атомная электростанция

Малое содержание природного изотопа урана-235 привело исследователей к необходимости использования других, более доступных делящихся ядер в реакторах-размножителях: ${}_{92}{}^{238}\text{U}+{}_0{}^1\text{n}\to {}_{92}{}^{239}\text{U}\to {}_{93}{}^{239}\text{N}\text{p}+{}_{\mathrm{-}1}{}^{0}e\mathrm{ (}{\text{β}}^{\mathrm{-}}\mathrm{)}\to {}_{94}{}^{239}\text{P}\text{u}+{}_{\mathrm{-}1}{}^{0}e\mathrm{ (}{\text{β}}^{\mathrm{-}}\mathrm{),}$ ${}_{90}{}^{232}\text{T}\text{h}+{}_0{}^1\text{n}\to {}_{90}{}^{233}\text{T}\text{h}\to {}_{91}{}^{233}\text{P}\text{a}+{}_{\mathrm{-}1}{}^{0}e\mathrm{ (}{\text{β}}^{\mathrm{-}}\mathrm{)}\to {}_{92}{}^{233}\text{U}+{}_{\mathrm{-}1}{}^{0}e\mathrm{ (}{\text{β}}^{\mathrm{-}}\mathrm{).}$

Изотопы ${}_{94}{}^{239}\text{P}\text{u}$ и ${}_{92}{}^{233}\text{U}$ пригодны в качестве ядерного горючего.

Вторым направлением в ядерной энергетике является ядерный синтез, подобный происходящему на Солнце в азотно-углеродном цикле. Ядерный синтез предпочтителен по двум причинам: легкие изотопы более распространены, а продукты ядерного синтеза нерадиоактивны. Непреодолимым препятствием для мирного осуществления ядерного синтеза гелия по реакции ${}_1{}^2\text{H}+{}_1{}^3\text{H}\to {}_2{}^4\text{H}\text{e}+{}_0{}^1\text{n}$ является ее высокая температура (десятки млн К).

Военный вариант этого синтеза был осуществлен в водородной бомбе, где необходимую начальную температуру создавал атомный взрыв: ${}_3{}^7\text{L}\text{i}+{}_1{}^1\text{H}\to 2{}_2{}^4\text{H}\text{e}+17\mathrm{,}2\text{ МэВ.}$

Проблема получения термоядерной энергии несмотря на научные достижения далека от практической реализации.