Реакции деления и синтеза

Деление тяжелых ядер. Цепная реакция

Реакция деления ядра заключается в том. Что тяжёлое ядро под действием нейтронов и других частиц делится на 2 ядра-осколка и сопровождается испусканием 2-3 вторичных нейтронов. Энергия или энергетический эффект реакции Е равна разности энергий конечной и исходной пар ядер и частиц в реакции. Например, реакция деления ядер урана идет по схеме

+ →++ 2

Энергетический эффект этой ядерной реакции определяется по формуле

.

Осколки деления ядра цезия Csи рубидияRbпретерпевают ряд превращений, в результате которых из радиоактивных они превращаются в стабильные изотопы церияи циркония.

Деление урана сопровождается выделением огромной энергии (1 г урана энергетически эквивалентен 2,5 т угля). Для поддержания реакции деления требуется подводить нейтроны. При каждом акте деления освобождается несколько нейтронов (в среднем 2,5), которые, в свою очередь, вызвав акт деления создадут еще избыточные нейтроны. Число нейтронов растет в геометрической прогрессии и таким образом поддерживается цепная реакция.

Важнейшей характеристикой развития и поддержания цепных реакций является коэффициент размножения нейтронов к

к = ,

где N_iиN_i-1– числа нейтронов, вызывающих деление ядер на двух соседних этапах реакции. При к = 1 цепная реакция идет с постоянной интенсивностью. При к > 1 реакция приобретает лавинообразный характер, т.е. становится цепной.

Ценные реакции делятся на управляемые и неуправляемые. Взрыв атомной бомбы является неуправляемой реакцией. Чтобы этого не произошло в ней или делится на две удалённые друг от друга части с массами ниже критических. При соединении этих частей наступает неуправляемая ядерная реакция – атомный взрыв.

В природе имеются 3 изотопа, которые могут служить ядерным топливом. Это уран с природной распространённостью 0,7%. Сырьём для его получения могут служить торий и уран - с природной распространённостью 99,3%. Торий служит исходным продуктом для получения искусственного ядерного топлива урана. Уран , поглощая нейтроны, посредством двух последовательных - распадов – превращается в ядро плутония .

Реакция синтеза. Термоядерная реакция

Реакция синтеза – это образование из легких ядер более тяжелых посредством их соединения. Наиболее благоприятной с энергетической точки зрения является реакция синтеза ядер дейтерия и трития

+ →+

В этой реакции на 1 нуклон выделяется энергия ≃3,5 МэВ, т.е. в 4раза больше чем при делении урана. Такая реакция может протекать при температурах∼10⁷К и для подержания управляемой реакции необходимо создать и поддерживать в некотором объеме температуру Т≃10⁸К, что представляет собой громадную техническую трудность.

Неуправляемая термоядерная реакция осуществлена при взрыве водородной бомбы по схеме

+ → + .

Термоядерные реакции являются, по-видимому, одним из источников энергии Солнца и звезд.

Особый интерес представляет осуществление управляемой термоядерной реакции, для обеспечения которой необходимо создание и поддерживание в ограниченном объеме температуры порядка 10⁸К. При данной температуре термоядерное рабочее вещество представляет собой полностью ионизированную плазму и возникает проблема ее надежной термоизоляции от стенок рабочего объема. Считается, что основной путь в этом направлении – это удержание плазмы в ограниченном объеме сильными магнитными полями специальной формы.