Развитие ядерной энергетики. Цепная реакция деления тяжелых ядер

Реакция деления ядер – реакция, при которой тяжелое ядро под действием нейтронов и других частиц делится на несколько легких ядер (осколков), чаще всего на два ядра, близких по массе. Деление ядер сопровождается испусканием 2-3 вторичных нейтронов, наз. нейтронами деления. Расчет цепной реакции деления урана произвели наши соотечественники Харитон и Зельдович. Деление ядер сопровождается выделением чрезвычайно большого количества энергии. Эксперименты подтверждают, что при каждом акте деления ядер действительно выделяется огромная энергия, которая распределяется между осколками (основная доля), нейтронами деления и продуктами последующего распада. Испускаемые при делении ядер вторичные нейтроны могут вызвать последующие новые акты деления – возникает цепная реакция деления. Она характеризуется коэффициентом размножения нейтронов, равным отношению числа нейтронов в данном поколении к их числу в предыдущем поколении. В процессе ядерной реакции не все образующиеся вторичные нейтроны вызывают последующее деление ядер, что приводит к уменьшению коэффициента размножения. Во-первых, из-за конечных размеров активной зоны (пространства, где происходила реакция) и большой проникающей способности нейтронов некоторая часть из них покидает активную зону без захвата каким-либо ядром. Во-вторых, другая часть нейтронов захватывается ядрами неделящихся примесей.      

Коэффициент зависит от природы делящегося в-ва, его кол-ва, размеров и формы активной зоны. Различают управляемые и неуправляемые цепные реакции деления ядер. При взрыве атомной бомбы происходит неуправляемая реакция. При хранении атомной бомбы, чтобы она не взорвалась, находящееся в ней радиоактивное в-во делят на две части с некритическими массами. Перед взрывом атомной бомбы обе части сближаются, общая масса делящегося в-ва становится критической, и в результате возникает неуправляемая цепная реакция, сопровождающаяся мгновенным выделением огромного кол-ва энергии. Управляемые цепные реакции осуществляются в ядерных реакторах атомных электростанций.

Термоядерный синтез.

Колоссальным источником энергии может служить образование из легких ядер боле тяжелых – реакция синтеза атомных ядер. Удельная энергия связи резко увеличивается при переходе от ядер тяжелого водорода к ядрам лития и особенно гелия, т.е. реакция синтеза легких ядер в более тяжелые сопровождается выделением огромного количества энергии. Энергии, приходящейся на один нуклон, в реакции синтеза значительно больше, чем в реакции деления тяжелых ядер. Синтез легких ядер возможен только при сравнительно большой их кинетической энергии, достаточной для преодоления электростатистического отталкивания и сближения их на расстоянии, при которых проявляются ядерные силы притяжения. Энергетически выгоден синтез легких ядер с небольшим электрическим зарядом (напр., изотопы водорода). Однако для осуществления реакции синтеза даже для изотопов водорода необходима чрезвычайно высокая температура - не менее 10⁷ К, и в этой связи процесс слияния ядер называется реакцией термоядерного синтеза. Искусственная реакция термоядерного синтеза осуществлена впервые в СССР в 1953г., а затем в США при взрыве водородной бомбы. Взрывчатое в-во водородной бомбы представляет собой смесь дейтерия и трития, детонатором служит обыкновенная атомная бомба, при взрыве которой достигается высокая температура, необходимая для термоядерного синтеза. Трудность практической реализации управляемого термоядерного синтеза заключается в том, что он возможен лишь при очень высокой температуре, при которой любое синтезируемое в-во находится в плазменном состоянии, и возникает техническая проблема его удержания в ограниченном объеме. Один из способов решения этой проблемы – удержание горячей плазмы в ограниченном объеме сильными магнитным полями. Управляемый термодинамический синтез – это важнейшая проблема современного естествознания, с решением которой, как предполагается, откроется новый перспективный путь развития энергетики.