Закони збереження при ядерних реакціях

При ядерних реакціях виконуються загальні закони збереження енергії, імпульсу, моменту імпульсу та електричного заряду.

Окрім того існує низка специфічних для ядерної фізики законів збереження, наприклад, закон збереження баріонного заряду.

Енергетичний вихід ядерної реакції

Якщо сума мас спокою частинок до реакції більша за суму мас спокою частинок після реакції, то така реакція відбувається з виділенням енергії. Таку енергію називають енергетичним виходом ядерної реакції. Енергетичний вихід ядерної реакції обчислюється за формулою ΔE=Δmc2, де Δm - дефект маси, c - швидкість світла.

Під час ядерних реакцій синтезу з легких ядер елементів утворюються нові, важчі ядра. Реакція відбувається з виділенням енергії. Зазвичай реакції синтезу можливі тільки при за умови високих температур, коли ядра набувають великої кінетичної енергії, оскільки кулонівські сили відштовхування перешкоджають зближенню заряджених частинок, створюючи потенціальний бар'єр. Штучним шляхом цього вдається досягти за допомогою прискорювачів заряджених частинок.

Протон-протонний цикл у зорях

У природі реакції синтезу важчих ядер з легших відбуваються у ядрах зір, наприклад, у Сонці. Через високу температуру у ядрі (близько 10×106K) деякі протони завдяки високій кінетичній енергії вступають в ядерні реакції з утворенням важчих ядер.

Внаслідок високої кінетичної енергії два протони долають електростатичне відштовхування і зближуються на характерну відстань сильної взаємодії (1,3×10-15 м). При цьому вони утворюють проміжний стан — дипротон, який є нестабільною системою. Відбувається перехід до стану з меншою енергією: u-кварк одного протона перетворюється у d-кварк із випроміненням W+-бозону (бета-плюс розпад). W+-бозон нестабільний, тому розпадається на позитрон та електронне нейтрино. Таким чином, утворюється система нейтрон—протон — дейтрон. Бета-розпад є початковим фактором протон-протонного циклу.

Дейтрон взаємодіє з протоном та утворює ядро гелію-3 з випроміненням гамма-квантів. На наступному етапі взаємодіють два ядра гелію-3, що обумовлює синтез ядра гелію-4 з випроміненням двох протонів та гамма-квантів.p + p → ²D + e+ + νe + 0.4 МеВ

²D + p → 3He + γ + 5.49 МеВ

3He + 3He → 4He + 2p + 12.85 МеВ

Таким чином, з чотирьох протонів синтезуються одне ядро атома гелію. Під час синтезу одного кілограма гелію виділяється 6,3×1014 Дж енергії).

1939 року було виявлено, що ядра урану-235 здатні не тільки до спонтанного поділу (на два легших ядра) з виділенням ~200 МеВ енергії та випроміненням двох-трьох нейтронів, але й до вимушеного поділу, що ініціюється нейтронами. Враховуючи, що у результаті такого поділу теж випромінюються нейтрони, які можуть викликати нові реакції вимушеного поділу сусідніх ядер урану, стала очевидною можливість ланцюгової ядерної реакції. Така реакція не відбувається у природі лише тому, що природний уран на 99,3% складається з ізотопу урану-238, а до реакції поділу придатний тільки уран-235, якого у природному урані міститься лише 0,7%.

Механізм ядерної реакції розпаду полягає у наступному. Ядерні сили через взаємодію обмінними віртуальними частинками (у більшості випадків відбувається піон-нуклонна взаємодія), час життя яких, відповідно до принципу невизначеності Гейзенберга, обмежений невеликою величиною dt = h'/dE = R/V = (1,3*10-15/3*1010) * (140/8)0,5 = 2,3*10-23 с, мають нецентральний характер. Це означає, що нуклони не можуть взаємодіяти одночасно з усіма нуклонами у ядрі, особливо у багатонуклонних ядрах. При великій кількості нуклонів у ядрі це обумовлює асиметрію густини ядерних сил та наступну асиметрію нуклонного зв'язку, а отже, і асиметрію енергії по об'єму ядра. Ядро набуває форми, яка суттєво відрізняється від сферичної. У такому разі електростатична взаємодія між протонами може за величиною енергії наближатися до сильної взаємодії.

Таким чином, внаслідок асиметрії, енергетичний бар'єр поділу долається, і ядро розпадається на легші ядра, асиметричні за масою.

Іноді ядро може тунелювати у стан з меншою енергією.

Ядерні реакції у житті людини

Атомна бомба

Ланцюгову реакцію поділу атомних ядер у ХХ столітті почали застосовувати у атомних бомбах. Через те, що для інтенсивної ядерної реакції потрібно мати критичну масу (масу, необхідну для розвитку ланцюгової реакції), то для здійснення атомного вибуху декілька частин з масами, що менші за критичну, поєднуються, утворюється надкритична маса і в ній виникає ланцюгова реакція поділу, що супроводжується вивільненням великої кількості енергії — відбувається атомний вибух.

Ядерний реактор

Для перетворення теплової енергії розпаду ядер на електричну енергію використовують ядерний реактор. Як пальне у реакторі застосовується суміш ізотопів Урану-235 та Урану-238, або Плутоній-239. При потраплянні швидких нейтронів до ядра атома Урану-238 відбувається його перетворення на плутоній-239 і його подальший розпад з вивільненням енергії. Процес може бути циклічним, проте для цього необхідні реактори, які працюють на швидких нейтронах. Зараз же як основний компонент в реакторах застосовується нуклід Урану-235. Для його взаємодії зі швидкими нейтронами необхідне їх сповільнення. Як сповільнювач застосовують:

графіт — добре сповільнення, слабке поглинання, придатний для Урану-238 як палива

воду:

«легка вода» H2O - дуже добре сповільнення, значне поглинання нейтронів, що негативно позначається на кількості вивільненої енергії

важка вода D2O - дуже добре сповільнення, слабке поглинання нейтронів.

За типом води, що використовується у реакторах, D2O або H2O, реактори поділяються на важководяні та легководяні відповідно. У важководяних реакторах як пальне використовується нуклід Урану-238, у легководяних - Уран-235. Для керування реакцією розпаду та її припинення застосовують регулювальні стрижні, що містять ізотопи бору або кадмію. Енергію, яка виділяється під час ланцюгової реакції поділу, виводить теплоносій. Через це він нагрівається, і при потраплянні в воду він нагріває її, перетворюючи на пару (часто теплоносієм є сама вода). Пара обертає парову турбіну, яка обертає ротор генератора змінного струму.

Дата добавления: 2015-07-16