Суперпрофесійний розподіл і синтез ядер
12 березня 2018 р., 8 хвилин читання
Ядерні реакції - це, як випливає з назви, реакції, що залучають ядра певних атомів.
Коли ядра цих атомів реагують разом, це спричиняє велике виділення енергії.
Вчені повністю зрозуміли інтерес, який вони можуть мати у використанні цієї енергії: приборкання великої кількості енергії, що виникає в результаті ядерних реакцій, є метою, яку переслідують, наприклад, при будівництві атомних електростанцій.
Існує два різні способи отримання великої кількості енергії, маніпулюючи ядрами одного або декількох атомів:
- Перший передбачає розщеплення ядер атома і виділяє багато енергії. Це тут ділення ядер.
- Другий - об’єднати ядра різних атомів. Тоді ми говоримо про ядерний синтез.
Ділення ядер
Визначення поділу ядер
Ділення - це ядерне перетворення, в якому говорить атомне ядро "Розщеплюється" розпадається на два менших ядра.
У галузі ядерної енергії ядерний поділ - це поділ ядра атома. Це ядро перетворюється на кілька фрагментів, маса яких майже дорівнює половині початкової маси ядра.
Також називається диференціал маси між станом ядра, що передує реакції, і станом ядер, що виникає в результаті реакції відсутність маси.
Ейнштейн довів своєю знаменитою формулою значне вивільнення енергії від ядерних реакцій
Ця відсутність маси становить близько 0,1% від початкової маси ядра.
Альберт Ейнштейн продемонстрував, що дуже мала відсутність маси перетворюється на дуже велику кількість енергії.
Ми виражаємо це його відомим рівнянням:
У цьому рівнянні:
- Е відповідає отриманій енергії
- м - відсутня маса
- проти є константою: це швидкість світла, або приблизно 300 000 000 м/с (метр в секунду)
З цього рівняння ми розуміємо, що енергія, спричинена діленням ядер, надзвичайна, оскільки вона безпосередньо виводиться з квадрата швидкості світла.
Як викликати ділення ядра ?
Індуковане ділення
Ядерний поділ може відбутися, коли ядро важкого атома захоплює нейтрон. Це називається індуковане ділення.
Ділення - це індуковане перетворення і вимагає значного вкладеного енергії для досягнення.
Ця енергія, як правило, має форму нейтрона, який проектується з високою швидкістю, тобто з високою кінетичною енергією, на ядро атома.
Найчастіше застосовується індуковане ділення - це поділ урану 235, урану 238 та плутонію 239.
Під час поділу негайно виділяються так звані «швидкі» нейтрони. Результат поділу, індукованого нейтроном, дуже залежить від енергії останнього. Ось чому сотня нукліди різні можуть виділятися в результаті поділу урану.
Результати a висока теплова енергія походить від кінетичної енергії фрагментів і частинок, що виділяються в результаті поділу.
Атомні електростанції використовують керовану ланцюгову реакцію ділення ядер.
Дійсно, частинки, що виділяються після поділу, проектуються з великою швидкістю, що спричиняє багаторазові зіткнення та взаємодію з атомами перетнутого матеріалу.
Саме ця техніка використовується для виробництва електроенергії в ядерних реакторах.
Спонтанне ділення
Ми говоримо про спонтанне ділення ядра, коли ядро розпадається на кілька частин без попереднього поглинання частинки.
Спонтанне ділення можливе лише тому, що ізотопи нестійкі. Це можна побачити, зокрема, для дуже важких ядер.
Дійсно, енергія зв’язку на нуклон, тобто енергія, яка повинна надходити до ядра в стані спокою, щоб дисоціювати його на ізольовані та нерухомі нуклони, менша, ніж для менш важких ядер, що виникають внаслідок спонтанного ділення.
Звичайно, і так само, як і для індукованого ділення, продукти поділу радіоактивні.
Контроль ділення ядер: ланцюгова реакція
Загалом поділ також супроводжується утворенням високоенергетичних нейтронів, які, у свою чергу, можуть вражати інші ядра та спричиняти інші розщеплення: явище може таким чином тривати і давати "ланцюгову реакцію".
Концепція ланцюгової реакції
Ланцюгова реакція - це процес, при якому нейтрони, що виділяються під час першого поділу ядер, виробляють додатковий поділ принаймні в одному іншому ядрі. Сформоване ядро, у свою чергу, виробляє нейтрони, які також призведуть до поділу ядер: процес повторюється.
Ці ланцюгові реакції можуть контролюватися, а можуть і не контролюватися.
З одного боку, контрольовані реакції - це ядерні реакції, в яких матеріали або речовини використовуються для пом'якшення та уповільнення нейтронів (наприклад, це стосується води).
Регульовані реакції індукованого ділення використовуються на атомних електростанціях, які прагнуть постійно виробляти атомну енергію.
Ці страшні вибухи черпають свою руйнівну енергію від неконтрольованої реакції ділення ядер.
З іншого боку, у випадку ядерної зброї використовуються неконтрольовані ядерні реакції.
Дійсно, якщо для кожного поділу, спричиненого нейтроном, виділяються два нейтрони, то кількість розщеплень подвоюється для кожного покоління.
У цьому випадку відбувається 1024 розщеплення кожні 10 поколінь і 6,1023 розколювання кожні 80 поколінь.
Саме цей мультиплікативний ефект неконтрольованої реакції індукованого поділу шукається при виготовленні ядерних бомб.
Поняття критичної маси
Критична маса - це мінімальна кількість розщеплюваного матеріалу, необхідна для продовження ядерної ланцюгової реакції.
Хоча для кожного ядерного поділу генеруються два-три нейтрони, не всі вони доступні для продовження реакції поділу. Дійсно, деякі губляться.
Якщо нейтрони, що виділяються під час кожної ядерної реакції, втрачаються швидше, ніж ті, що утворюються при поділі, в ланцюговій реакції закінчиться пара і може припинитися.
Кількість критичної маси розщеплюваного матеріалу залежить від різних факторів: фізичних властивостей, ядерних властивостей, їх геометрії та чистоти.
Оптимальною геометричною формою для обмеження матеріалу, що розщеплюється, є сфера. Дійсно, сфера має мінімально можливу площу поверхні для даної маси і, отже, мінімізує витікання нейтронів.
Якщо матеріал, що розщеплюється, також перекритий рефлектором, то нейтронів може бути втрачено набагато менше, і, таким чином, критична маса значно зменшується.
Ядерний синтез
Визначення ядерного синтезу
Ядерний синтез - це ядерне перетворення, при якому два ядра легких атомів поєднуються, утворюючи єдине, важче ядро.
- Атомами, які часто беруть участь у механізмі синтезу, є, як правило, водень та його ізотопи, дейтерій або тритій.
- Дейтерій і тритій є дуже легкими атомами і мають лише один протон. З іншого боку, їх кількість нейтронів відрізняється.
У стані інтенсивного термічного збудження їх ядра можуть зливатися в одиничні ядра гелію. Цей синтез цих двох ізотопів водню призводить до нижчого кінцевого енергетичного рівня: справді атом гелію є абсолютно стабільним. Тому реакція плавлення виділяє велику кількість енергії.
Реакції ядерного синтезу можуть або випромінювати, або поглинати енергію. Отже, якщо в синтезі беруть участь ядра з меншою масою, ніж залізо, тоді виділяється енергія. І навпаки, якщо в синтезі беруть участь ядра, важчі ядра атома заліза, то ядерна реакція поглинає енергію.
Ядерний синтез у природному стані
Явище ядерного синтезу можна спостерігати в межах зірок, в яких виділяється колосальна енергія. Він відрізняється від ділення ядра, оскільки в останньому важкий атом розпадається на два легші атоми, звісно з виділенням енергії, але набагато менше.
Ядерний синтез може відбуватися лише за особливих умов температури та тиску.
У серці Сонця тиск настільки великий, що він приблизно в 200 мільярдів перевищує атмосферний тиск Землі, а передбачувана температура центру Сонця становить близько 15 мільйонів градусів. За цих умов легкі ядра водню, що складають 75% Сонця, зливаються в ядра гелію приблизно вдвічі важчі.
Таким чином, і за даними деяких вчених, в межах Сонця щосекунди приблизно 620 мільйонів тонн водню перетворюється приблизно на 616 мільйонів тонн гелію.
На закінчення, ці множинні реакції ядерного синтезу є джерелом світла та тепла, яке ми отримуємо.
Які необхідні умови для злиття ?
Ядерний синтез - це також індукована ядерна трансформація.
Це може відбуватися на невеликих ядрах, таких як водень або гелій, які перекидаються одне на одне з дуже великою енергією.
Для проведення реакцій ядерного синтезу необхідно дотримуватися певних умов:
- Дуже висока температура для того, щоб відокремити електрон (и) від ядра.
- Газова маса, що складається з вільних електронів і сильно іонізованих атомів, називається плазмою.
- Також необхідно утримувати вміст, щоб мінімум часу підтримувати плазму при підвищеній температурі.
- Достатня щільність плазми, щоб ядра були близько один до одного і могли генерувати реакції ядерного синтезу.
Контроль ядерного синтезу шляхом стримування
Реактор інерційного утримання
Принцип роботи цих реакторів полягає у включенні дейтерій-тритієвої суміші в мікрошарики. Потім вони піддаються дії дуже високого тиску та температури протягом надзвичайно короткого часу.
Для цього використовуються дуже потужні лазери.
Наслідком цих екстремальних умов є отримання термоядерного мікровибуху. Він виробляє надпотужний імпульс порядку теравати за дуже короткий проміжок часу, близько 10 пікосекунд.
Реактор магнітного утримання
Ідея цього типу обладнання також називається токамаки полягає у використанні інтенсивного магнітного поля, що генерується котушками, розміщеними навколо камери, а також електричним струмом.
Ці умови дозволяють обмежити плазму, що містить суміш дейтерію та тритію, без використання матеріалів, які не витримують екстремальних температур, до яких доведені ядра атомів, близько 100 мільйонів градусів.
Плавлення починається, як тільки температура, щільність та час теплоізоляції суміші досягають критичні пороги займання.
Кілька прототипів токамаків будуються по всьому світу. Серед них - установка Tore Supra на місці Кадараш у Буш-дю-Рон у Франції. Ще один реактор такого ж типу, ITER, також будується на цій ділянці.
Ці два методи стримування дозволили отримати короткі реакції ядерного синтезу. Однак в даний час їм потрібно стільки енергії, що енергії, створеної в результаті реакцій ядерного синтезу, недостатньо для задоволення їхніх потреб.
Тому поточні дослідження зосереджені на збільшенні та оптимізації цих процесів синтезу.
Вам сподобалась стаття ?
Засновник Superprof та інженер, ми намагаємось надати найбільшу базу знань.
Захоплюючись фізикою та хімією та вивчаючи природничі науки в середній школі, я ділюсь своїми уроками (після оновлення їх відповідно до Національної освітньої програми).