Ядерні сили та їх властивості. Моделі ядра. Ядерні реакції поділу і синтеїу. Ланцюгова реакція. Ядерна енергерика і екологія. Проблеми термоядерних реакцій.

Німецькі вчені О.Ган і Ф.Штрассман встановили, що під час бомбардування урану нейтронами виникають елементи середньої частини періодичної системи: барій, криптон та ін. Так було відкрите явище поділу ядер урану. Наочну фізичну картину поділу дає уявлення ядра у вигляді позитивно зарядженої краплі рідини (краплинна модель ядра). Ядро, поглинувши нейтрон, перебуває у збудженому стані, бо при захопленні нейтрона вивільняється його енергія зв'язку у новому ядрі, поглинаючи швидкий нейтрон, ядро дістає ще й його кінетичну енергію.

Збуджене ядро, подібне до краплі ртуті під час поштовху, починає коли­ватися, змінюючи свою форму. Коли енергія збудження невелика, сили по­верхневого натягу повертають ядру сферичну форму (рис. 1 а). Якщо ж ядро дуже збуджене, його деформація під час коливань може бути такою ве­ликою (рис. 1 б), що в деякий момент часу кулонівські сили відштовхування між двома частинками ядра починають переважати над ядерними силами зчеплення між ними і ядро розривається на дві частини, випромінюючи при цьому 2-3 нейтрони (рис. 1 в). Ці нейтрони можуть спричинити розпад сусідніх ядер, які в свою чергу також виділяють нейтрони. Реакція, в якій частинки (нейтрони), що її спричиняють, утворюються як продукт цієї' реакції, називається ланцюговою. Вона супроводжується виділенням величезної енергії. Серед природних ядер урану для ланцюгової реакції придатні лише ядра ізотопу

Для ланцюгової реакції потрібно, щоб середня кількість вивільнених нейтронів з часом не зменшувалася. Відношення кількості нейтронів у будь-якому «поколінні» до кількості нейтронів попереднього «покоління» називають коефіцієнтом розмноження нейтронів к Якщо к 1, то кількість нейтронів з часом збільшується. Якщо к=1, то кількість нейтронів залишається сталою. За цих умов можлива ланцюгова реакція Якщо к<1, то кількість нейтронів зменшується і ланцюгова реакція неможлива

Коефіцієнт розмноження визначається такими факторами:

1. Захопленням повільних нейтронів ядрами або захопленням швидких нейтронів ядрами та з наступним поділом.

2. Захопленням нейтронів ядрами урану без поділу.

3. Захопленням нейтронів продуктами поділу, сповільнювачем та

конструктивними елементами установки.

4. Вилітаням нейтронів назовні з речовини, яка ділиться.

Для стаціонарної ланцюгової реакції коефіцієнт розмноження нейтронів має дорівнювати одиниці. Якщо к>1, то станеться вибух.

Важливе значення в процесі поділу урану має виникнення трансуранових елементів нептунію і плутонію. Період піврозпаду плутонію — приблизно 24000 років. Він ділиться під впливом повільних нейтронів. Плутоній використовується для здійснення нскерованої ланцюгової реакції в ядерних бомбах.

Пристрій, в якому підтримують керовану реакцію поділу ядер, називають ж)ерним(а6о атомним) реактором. Основні елементи ядерного реактора: ядерне пальне ( та ін.). сповільнювач нейтронів (важка або звичайна

вода, графіт та ін), теплоносій для охолодження (вода, рідкий «прій та ін), пристрій для регулювання швидкості реакції (стержні). Зовні реактор оточують захисною бетонною оболонкою, що затримує радіоактивне випромінювання і нейтрони. Керують реактором за допомогою стержнів, які містять кадмій чи бор. Коли стержні витягнуті з активної зони, то к>1, якщо ж вони повністю розміщені в активній зоні, то к<1. Певним положенням стержнів досягають того, що 4=1.

Поряд з реакціями розпаду важких ядер в природі і штучних умовах існують реакції синтезу легких ядер, при яких утворюються більш масивні ядра з одночасним виділенням великої кількості енергії. Ця енергія утворюється за рахунок дефекту мас, який в даному випадку пов'язаний з тим, що маса спокою синтезованого ядра менша за маси атомних ядер, які беруть участь у реакції. Реакції синтезу можливі лише за умови подолання потужних кулонів-ських сил відштовхування ядер і тому останні повинні мати велику кінетичну енергію. Цс стає можливим при дуже сильному розігріві плазми. Сама ж реакція при цьому отримала назву термоядерної. Термоядерні реакції мають вирішатьне значення в еволюції хімічного складу речовин у Всесвіті, утворенні Сонячної системи тощо. Вони с>тфоводжуються виділенням енергії, яку зорі випромінюють протягом мільярдів років.

Можливість керувати термоядерними реакціями дасть людству невичерпне джерело енергії. Найбільш перспективна реакція синтезу дейтерію з тритієм:

Реакція супроводжується виділенням 17,6 МеВ енергії. При практичному використанні цієї реакції одна з суттєвих проблем зводиться до того, шо потрібні довготривалі надвисокі температури. Поки що вдалося здійснити таку реакцію в режимі вибуху у водневій (термоядерній) бомбі. Разом з тим є надія, що на побудованих сьогодні установках типу «То-камак» здійсниться керована довготривала термоядерна реакція.

Білет №3