Ядерные реакции. Ядерная энергетика.

Из курса химии известно множество химических реакций: окисления, восстановления, замещения и др. Во всех этих реакциях участвуют только электронные оболочки. Ядра атомов в этом никакого участия не принимают. И при этом одни химические элементы не превращаются в другие. Возьмём воду. В ней атом кислорода как он был атомом кислорода в свободном состоянии, так он им и остался в молекуле воды. Атом водорода тоже: каким он был в свободном состоянии, таким он и остался. Но само химическое соединение (вода) уже не похожа ни на водород, ни на кислород.

Ядерные реакции – это совсем другие реакции. Само слово говорит о том, что в них задействованы ядра атомов. При этом на практике осуществить ядерную реакцию значительно сложнее, чем химическую. Для того, чтобы ядра начали реагировать друг с другом, нужно их привести в соприкосновение. Но между ядрами действует чудовищная сила электрического отталкивания, нужно её как-то преодолеть. И когда ядра всё-таки удастся сблизить на достаточное малое расстояние, тут в дело вступят ядерные силы притяжения, которые и осуществят саму ядерную реакцию.

В результате ядерной реакции образуются другие элементы таблицы Менделеева. Рассмотрим одну из них:

В результате такой ядерной реакции два изотопа водорода превратились в гелий. При этом выделилась энергия. Ядерные реакции, при которых энергия выделяется, называются экзотермическими.

Однако не всегда при ядерной реакции энергия выделяется. Существуют такие реакции, при которых энергия поглощается. Такие реакции называются эндотермическими.

Существует ещё один тип ядерных реакций. Это – реакции деления. При такой реакции ядро атома делится на два осколка. Данная реакция возможна только в трёх изотопах:

92U²³⁵ – присутствующий в природном уране;

92U²³⁵ - полученный искусственно;

94Pu²³⁹ - полученный искусственно.

 

Такая реакция начинается с того, что в ядро попадает нейтрон. От этого ядро возбуждается и разделяется на два осколка. При этом выделяется большое количество энергии и несколько нейтронов, которые попадают в другие ядра и заставляют их делиться. Эта реакция идёт по цепи и поэтому называется цепная. Для характеристики цепной реакции принято брать коэффициент размножения нейтронов k: т.е. отношения числа нейтронов в одном каком-либо поколений цепной реакции к числу нейтронов, породивших такую реакцию.

Для того, чтобы цепная реакция развивалась, а не гасла, количество порождаемых в ней нейтронов должно с течением времени возрастать или, по крайней мере, оставаться на одном и том же уровне.

Если k = 1, то число нейтронов, участвующих в делении ядер, остаётся неизменным и реакция протекает стационарно, т.е. она управляема.

Если k > 1, то число нейтронов увеличивается, интенсивность реакции нарастает и при k.1.006 она может принять неуправляемый характер.

Если k = 1.01, то почти мгновенно происходит взрыв.

 

В куске урана всегда присутствуют свободные нейтроны, так называемые, тепловые нейтроны. Длина свободного пробега в уране – около 9 см. И если размер куска будет меньше этой величины, то нейтронов будет больше вылетать из куска, чем нарождаться. И цепная реакция деления в этом случае будет невозможна. Если размер куска будет порядка длины свободного пробега, то реакция будет идти на минимальном уровне. Такой размер куска будет называться критическим. Но на практике принято говорить о критической массе. Такой кусок будет иметь температуру выше, чем окружающая среда. Если от этого куска отпилить небольшой кусок, то реакция прекратится, так как на данном уровне она управляема. Но если взять кусок, размерами значительно больше длины свободного пробега, то количество нейтронов будет лавинообразно нарастать и остановить её будет невозможно, то есть произойдёт взрыв. Как же сделать реакцию деления управляемой?

Давайте возьмём два куска урана, каждый из которых имеет массу, немного меньшей критической и придадим им для удобства формы полушарий. Известно, что сложенные вместе, они будут иметь массу больше критической. Повернём их плоскими поверхностями друг к другу и будем один из них постепенно надвигать на другой, увеличивая их площадь перекрытия. При определённом их относительном положении мы заметим, что они нагреваются. И чем сильнее мы увеличиваем площадь их перекрытия, тем будет их температура выше. И мы теперь можем поместить эти куски урана в котёл с водой, вода будет кипеть, пар может вращать турбину и турбина может вращать генератор и вырабатывать электрический ток. Мы получили простейшую атомную электростанцию. Конечно, реальная атомная электростанция устроена значительно сложнее, но эта схема позволяет понять принцип работы атомного реактора. У атомной электростанции есть огромные преимущества: она не потребляет ископаемые виды топлива, которые скоро закончатся (уголь, нефть, газ), а урана в земной коре хватит нам ещё на несколько столетий. Кроме того, атомная электростанция при её правильной эксплуатации ничего а атмосферу не выбрасывает, не загрязняет окружающую среду. Ядерный реактор может работать в замкнутом объёме, совершенно не связываясь с окружающей средой. Поэтому его ставят на подводных лодках и надводных военных кораблях. Топливо для них имеет очень малый вес и объём, поэтому военные корабли и атомные подводные лодки могут подолгу находиться в автономном плавании, не пополняя запасы топлива. В настоящее время ядерная энергетика во всём мире интенсивно развивается.

Существует ещё один способ получения энергии из атомных ядер. Это. реакция синтеза лёгких ядер в более тяжёлые. Вспомним реакцию, которую мы рассматривали:

 

1Н² + 1Н³ = 2Не⁴ + 1n²

Для того, чтобы эта реакция началась, нужно смесь исходных веществ нагреть до температуры порядка миллиона градусов.Но выделится при этом температура в десятки миллионов градусов. Поэтому, реакции такого типа называются термоядерными. Впервые эту реакцию использовали в сверхмощной бомбе, которую назвали водородной бомбой. Если у атомной бомбы существует предел мощности, то у водородной бомбы такого предела нет. В такой бомбе взрывателем служит атомная бомба. Водородная бомба впервые была создана и испытана в нашей стране. Мощность водородной бомбы

К сожалению, мы пока не можем управлять термоядерной реакцией и вся термоядерная энергия нам даётся сразу, в один момент. А нам нужно получать её

 

постепенно, по мере потребности. Проблема здесь в том, что ни одно вещество, из которого был бы изготовлен термоядерный реактор, не выдержит температуры в десятки миллионов градусов. В чём такую реакцию осуществлять? Это – одна из актуальнейших и труднейших задач нашего времени. Если мы научимся управлять такой реакцией, то мы получим практически неисчерпаемый источник энергии на Земле, который и окружающую среду не загрязняет. Ведь исходные компоненты для такой реакции (тяжёлый и сверхтяжёлый водород) имеются в обыкновенной воде. Ведь тогда из одного литра воды мы сможем получить столько энергии, сколько дают при сгорании 300 литров бензина! Но чтобы решить данную проблему, работают учёные всего мира, в том числе и наши.

 

Радиоактивность.

В конце 18 века французский физик А.Беккерель обнаружил, что уран излучает какое-то невидимое излучение, обладающее высокой проникающей способностью. Это явление было названо радиоактивностью. Позже выяснилось, что не только уран обладает таким свойством. Ряд тяжёлых элементов также обладают радиоактивностью. К ним относятся торий, радий, полоний, газ радон и некоторые другие.

Если взять радиоактивный элемент, поместить его в сосуд с маленьким отверстием, то радиоактивное излучение будет выходить через отверстие узким пучком. Если мы создадим электрическое поле вокруг этого пучка, то он расслоится на три пучка:

Первый пучок имеет положительный заряд его назвали альфа-излучением и обозначили буквой a. Он представляет собой ядра атома гелия 2He⁴ Ядро, теряя альфа-частицу, превращается в ядро другого химического элемента, стоящего в таблице Менделеева на две клетки левее (правило смещения):

zX^A = z-2Y^A-4 + 2He⁴ (альфа-распад).

 

Это компонента обладает высокой ионизирующей способностью и низкой проникающей способностью. Это излучение не способно пробить кожу человека, но пробивает межклеточные мембраны, нанося травму живым клеткам.

Второй пучок имеет отрицательный заряд, его назвали бета-излучением и обозначили буквой b. Это излучение представляет собой быстрые электроны, которые возникают при распаде нейтрона: 0n¹ = 1p¹ + -1e⁰ + 0v⁰ Протон остаётся в ядре, увеличивая его заряд на единицу, а электрон изгоняется из ядра с большой скоростью. При этом появляется ядро нового элемента, стоящего в таблице Менделеева на одну клетку правее. Образующуюся при этом частицу нейтрино можно во внимание не брать.

zX^A - -1e⁰ = z-1Y^A

Бета-излучение обладает большей проникающей способностью, по сравнением с альфа-излучением, но меньшей ионизирующей способностью.

Третий пучок вообще в электрическом поле не отклонился, так как он представляет собой не частицы, а электромагнитные волны очень малой длины. Это – гамма-излучение, оно обозначается буквой g. Гамма-излучение и его основные свойства мы рассматривали в одной из предыдущих лекций.

Распад ядра – это процесс не закономерный, а случайный. Можно сказать, что это своеобразный «несчастный случай» в жизни атомных ядер. Следовательно, чем больше ядер распадается, тем меньше их остаётся для распада. Поэтому, процесс распада ядер происходит по закону экспоненты. Этот закон выражается формулой:

 

N = Noe^-lt = No2^-t/T

Здесь: N – количество оставшихся, нераспавшихся ядер;

No -первоначальное количество нераспавшихся ядер;

l -постоянная радиоактивного распада;

t -текущее время

Т – время полураспада: время, за которое распадается половина всех ядер.

У различных радиоактивных элементов период полураспада может варьироваться от миллиардов лет до долей секунды. Например, у тория период полураспада равен 9 миллиардов лет; у урана – 4,5 миллиарда лет; у радия – 1600 лет, у радона – несколько суток, а у некоторых трансурановых элементов он составляет доли секунды. Поэтому их и нет в природе: если они и были когда-либо созданы природой – то в настоящее время они давно уже распались.