Ядерная реакция

Реакция между 6 Li и дейтерием с образованием двух альфа-частиц. Ядерная реакция – явление превращения ядер атомов химических элементов и элементарных частиц.
Ядерные реакции могут происходить спонтанно или при бомбардировке вещества быстрыми частицами. Спонтанные ядерные превращения является причиной естественной радиоактивности.
Как и химические реакции, ядерные реакции могут быть эндотермическими и экзотермическими.
Ядерные реакции подразделяются на реакции распада и реакции синтеза.
Особым типом ядерной реакции является разделение ядра.
Первую искусственно вызванную ядерную реакцию наблюдал в 1919 году Эрнест Резерфорд, облучая альфа-частицами азот. Реакция проходила по схеме

.

При ядерных реакциях выполняются общие законы сохранения энергии, импульса, момента импульса и электрического заряда.
Кроме того существует ряд специфических для ядерной физики законов сохранения, например, закон сохранения барионного заряда.
Если сумма масс покоя частиц до реакции больше суммы масс покоя частиц после реакции, то такая реакция происходит с выделением энергии. Такую энергию называют энергетическим выходом ядерной реакции. Энергетический выход ядерной реакции вычисляется по формуле ?E = ?mc 2, где ?m – дефект массы, c – скорость света.
Ядерные реакции синтеза



Во время ядерных реакций синтеза из легких ядер элементов образуются новые, более тяжелые ядра. Реакция происходит с выделением энергии. Обычно реакции синтеза возможны только при при высоких температурах, когда ядра приобретают большую кинетической энергии, поскольку кулоновские силы отталкивания препятствуют сближению заряженных частиц, создавая потенциальный барьер. Искусственным путем этого удается достичь с помощью ускорителей заряженных частиц.
Протон-протонный цикл в звездах



В природе реакции синтеза более тяжелых ядер из более легких происходят в ядрах звезд, например в Солнце. За высокой температуры в ядре (около 10 x 10 6 K) некоторые протоны благодаря высокой кинетической энергии вступают в ядерные реакции с образованием более тяжелых ядер.
Вследствие высокой кинетической энергии два протона преодолевают электростатическое отталкивание и сближаются на характерную расстояние сильного взаимодействия (1,3 x 10 -15 м). При этом они образуют промежуточное состояние – дипротон, который является нестабильной системой. Происходит переход в состояние с меньшей энергией: u-кварк одного протона превращается в d-кварк с излучением W +-бозона (бета-плюс распад). W +-бозон нестабилен, поэтому распадается на позитрон и электронное нейтрино. Таким образом, образуется система нейтрон-протон – дейтрона. Бета-распад является начальным фактором протон-протонного цикла.
Дейтрона взаимодействует с протоном и образует ядро гелия-3 с излучением гамма-квантов. На следующем этапе взаимодействуют два ядра гелия-3, что обусловливает синтез ядра гелия-4 с излучением двух протонов и гамма-квантов.
Таким образом, из четырех протонов синтезируются одно ядро атома гелия. При синтезе одного килограмма гелия выделяется 6,3 x 14 октября Дж энергии).
Ядерные реакции распада



1939 года был выявлено, что ядра урана-235 способны не только к спонтанного деления (на два более легких ядра) с выделением ~ 200 МэВ энергии и излучением двух-трех нейтронов, но и к вынужденному разделения, инициируемое нейтронами. Учитывая, что в результате такого разделения тоже излучаются нейтроны, которые могут вызвать новые реакции вынужденного деления соседних ядер урана, стала очевидной возможность цепной ядерной реакции. Такая реакция не происходит в природе лишь потому, что природный уран на 99,3% состоит из изотопа урана-238, а к реакции деления пригоден только уран-235, которого в природном уране содержится всего 0,7%.
Механизм ядерной реакции распада состоит в следующем. Ядерные силы через взаимодействие обменными виртуальными частицами (в большинстве случаев происходит пион-нуклонного взаимодействие), время жизни которых, согласно принципу неопределенности Гейзенберга, ограничен небольшим размерам dt = h '/ dE = R / V = (1,3 * 10 -15 / 3 * 10 10) * (140 / 0,5 = 2,3 * 10 -23 с, имеют нецентральных характер. Это означает, что нуклоны не могут взаимодействовать одновременно с всеми нуклонами в ядре, особенно в багатонуклонних ядрах. При большом количестве нуклонов в ядре это обусловливает асимметрию плотности ядерных сил и следующую асимметрию нуклонного связи, а следовательно, и асимметрию энергии по объему ядра. Ядро принимает форму, которая существенно отличается от сферической. В таком случае электростатическое взаимодействие между протонами может по величине энергии приближаться к сильного взаимодействия.
Таким образом, вследствие асимметрии, энергетический барьер деления преодолевается, и ядро распадается на более легкие ядра, асимметричные по массе.
Иногда ядро может туннелировать в состояние с меньшей энергией.
Атомная бомба



Цепную реакцию деления атомных ядер в ХХ веке стали применять в атомных бомбах. Так как для интенсивной ядерной реакции следует иметь критическую массу (массу, необходимую для развития цепной реакции), то для осуществления атомного взрыва несколько частей с массами меньше критической, объединяются, образуется сверхкритическая масса и в ней возникает цепная реакция деления, что сопровождается высвобождением большого количества энергии – происходит атомный взрыв.
Ядерный реактор



Для преобразования тепловой энергии распада ядер в электрическую энергию используют ядерный реактор. Как топливо в реакторе применяется смесь изотопов урана-235 и Урана-238, или Плутоний-239. При попадании быстрых нейтронов в ядро атома урана-238 происходит его превращение в плутоний-239 и его дальнейший распад с высвобождением энергии. Процесс может быть циклическим, однако для этого необходимы реакторы, работающие на быстрых нейтронах. Сейчас же как основной компонент в реакторах применяется нуклид Урана-235. Для его взаимодействия с быстрыми нейтронами необходимо их замедление. Как замедлитель применяют:


По типу используемой воды в реакторах, D 2 O или H 2 O, реакторы делятся на тяжеловодных и легководяни соответственно. В тяжеловодных реакторах в качестве горючего используется нуклид Урана-238, в легководяних – Уран-235. Для управления реакцией распада и ее прекращения применяют регулирующие стержни, содержащие изотопы бора или кадмия. Энергию, которая выделяется при цепной реакции деления, выводит теплоноситель. Поэтому он нагревается, и при попадании в воду он нагревает ее, превращая в пар. Пар вращает паровую турбину, которая вращает ротор генератора переменного тока.