Ланцюгові ядерні реакції та термоядерні реакції#
Важливе відкриття було зроблено наприкінці 1938 року, коли вчені виявили феномен розщеплення масивного ядра Урану на два менші фрагменти після поглинання нейтрона. На початку 1939 року видатний фізик Енріко Фермі висунув гіпотезу, що під час такого розщеплення можуть утворюватися нові нейтрони, здатні взаємодіяти з іншими ядрами Урану, започатковуючи тим самим ланцюгову ядерну реакцію. Ці революційні відкриття стали фундаментом для подальшого створення ядерних реакторів.
Поділ важких ядер і ланцюгова ядерна реакція#
У процесі дослідження ядерних реакцій науковці встановили, що атомне ядро здатне захоплювати нейтрони. Здебільшого результатом такого захоплення стає бета-мінус-розпад, коли через певний проміжок часу нейтрон всередині ядра трансформується у протон з випромінюванням електрона та нейтрино. При цьому утворюється нове ядро з порядковим номером, який перевищує початковий на одиницю. Саме так були синтезовані елементи трансуранового ряду, що демонструє наступна реакція:
Проте нейтронне захоплення ядром Урану може спричинити й інший ефект: збуджене ядро практично миттєво розпадається на два осколки. У цьому процесі, крім фрагментів поділу, вивільняються додаткові нейтрони. Такі вторинні нейтрони здатні спровокувати розщеплення інших ядер Урану, які, своєю чергою, випромінюють нові нейтрони, здатні продовжити цей процес. Таким чином формується самопідтримувана ланцюгова ядерна реакція в урановому матеріалі.
Якщо кількість нейтронів, залучених до реакції, неконтрольовано збільшується, відбувається експоненційне зростання кількості поділів, що призводить до ядерного вибуху. Натомість, якщо число ядер Урану, які вступають у реакцію, підтримується на сталому рівні, маємо контрольовану ланцюгову ядерну реакцію.
При здійсненні ланцюгової реакції відбувається виділення колосальної кількості енергії, оскільки формуються ядра з вищою питомою енергією зв'язку. Для порівняння: у ядрі Урану-235 питома енергія зв'язку становить близько 7,6 МеВ на нуклон, тоді як у ядрах середньої частини Періодичної системи цей показник сягає 8,5 МеВ на нуклон. Відповідно, при поділі одного ядра Урану-235, що містить 235 нуклонів, вивільняється приблизно 200 МеВ енергії: \(\Delta E = (8.5 - 7.6) \cdot 235 = 211.5\) (МеВ); \(\Delta E \approx 3.4 \cdot 10^{-11}\) Дж. Пояснення цих розрахунків подано нижче.
Енергія зв'язку ядра - це енергія, яку необхідно затратити, щоб повністю розщепити ядро на окремі протони та нейтрони (нуклони). Або, навпаки, це енергія, яка виділяється при утворенні ядра з вільних нуклонів.
Питома енергія зв'язку (енергія зв'язку на один нуклон) - це повна енергія зв'язку ядра, поділена на кількість нуклонів у ньому. Цей показник є мірою стабільності ядра: чим вища питома енергія зв'язку, тим більш стабільним є ядро, і тим складніше його розщепити.
Чому енергія виділяється при формуванні більш стабільних ядер?
Вихідне ядро (Уран-235): Ядро Урану-235 є відносно великим і менш стабільним порівняно з ядрами середньої частини Періодичної системи. Його питома енергія зв'язку (близько 7,6 МеВ на нуклон) є нижчою, ніж у ядер-продуктів. Це означає, що нуклони в Урані-235 знаходяться в "вищому енергетичному стані" (менш міцно зв'язані).
Ядра-продукти: Коли ядро Урану-235 ділиться (наприклад, під дією нейтрона), воно розпадається на два або більше менших ядер (наприклад, Барій та Криптон). Ці менші ядра знаходяться ближче до "піку" кривої питомої енергії зв'язку (де вона сягає близько 8.5 МеВ на нуклон). Це означає, що нуклони в цих продуктах міцніше зв'язані і знаходяться в "нижчому енергетичному стані".
Вивільнення енергії: Перехід нуклонів з менш стабільного, вищого енергетичного стану (в Урані-235) до більш стабільного, нижчого енергетичного стану (в ядрах-продуктах поділу) призводить до вивільнення різниці в енергії зв'язку. Ця різниця і є тією кількістю енергії, яка виділяється у вигляді кінетичної енергії уламків поділу, гамма-випромінювання та нейтронів.
Незважаючи на загальне прийняття фізиками гіпотези Енріко Фермі про можливість ланцюгової ядерної реакції, виникло протиріччя: чому ця реакція не спостерігається у природному урані? Адже у природному середовищі постійно присутні вільні нейтрони (через людське тіло щосекунди пролітає близько 1000 таких нейтронів), які теоретично могли б ініціювати ланцюгову реакцію в урановому зразку. Експериментальні дослідження також підтвердили, що при поділі сотні ядер Урану вивільняється 242 нейтрони, що мало б спричиняти миттєвий вибух уранового зразка, однак цього не відбувається.
Пояснення криється у складі природного урану, який переважно містить два ізотопи: \(^{235}_{92}U\) і \(^{238}_{92}U\). Уран-235 здатний ділитися під впливом як швидких, так і повільних (теплових) нейтронів, причому ефективніше реагує з повільними. Натомість Уран-238 розщеплюється лише частиною швидких нейтронів, а більшість швидких нейтронів або не захоплює, або захоплює без подальшого поділу (близько 80%). У природному урані співвідношення ізотопів становить 149 до 1 на користь Урану-238, тому більшість швидких нейтронів, які виникають при розпаді, захоплюються ядрами Урану-238 без утворення вторинних нейтронів.
Для успішного здійснення ланцюгової реакції необхідно або збагачувати природний уран ізотопом \(^{235}_{92}U\), або модифікувати енергетичний спектр нейтронів шляхом їх сповільнення.
Проте навіть зразок чистого урану, що складається виключно з ізотопу \(^{235}_{92}\)U, або чистого плутонію \(^{239}_{94}Pu\), ядра якого також діляться при захопленні нейтрона, не забезпечить розвиток ланцюгової реакції, якщо його маса недостатня. У малому зразку більшість нейтронів просто вилітає за його межі, не встигаючи взаємодіяти з ядрами. Зі збільшенням маси зразка зростає кількість нейтронів, що беруть участь у реакції поділу, а після досягнення певного порогового значення (критичної маси) починається самопідтримувана ланцюгова реакція.
Найменшу критичну масу має зразок кулеподібної форми, оскільки при заданому об'ємі сфера має найменшу площу поверхні. Для чистого Урану-235 мінімальна критична маса становить приблизно 50 кг (куля діаметром 17 см), а для чистого плутонію-239 - лише 11 кг (куля діаметром 10 см). При зближенні двох субкритичних зразків Урану-235 до контакту відбувається надпотужний ядерний вибух.
Ядерний реактор#
Контрольована ланцюгова реакція поділу в урані та деяких інших матеріалах слугує основою для перетворення ядерної енергії в теплову та електричну. Під час цієї реакції безперервно утворюються осколки поділу з надзвичайно високою кінетичною енергією. При зануренні уранових паливних елементів у теплоносій, осколки передають свою енергію цьому середовищу, внаслідок чого теплоносій нагрівається. Цей принцип лежить в основі функціонування ядерного реактора, де відбувається перетворення ядерної енергії в теплову.
Ядерний реактор - це технологічний пристрій, призначений для організації контрольованої ланцюгової реакції поділу, яка супроводжується виділенням значної кількості енергії.
Керована ланцюгова ядерна реакція відбувається в активній зоні реактора. Тепловидільні елементи (ТВЕЛи) розташовані по всій активній зоні та занурені в теплоносій, який часто виконує також функцію сповільнювача нейтронів. При поділі ядер виділяється тепло, яке нагріває оболонки ТВЕЛів, а ті, своєю чергою, передають енергію теплоносію.
Отримана теплова енергія трансформується в електричну за принципом, аналогічним тому, що використовується на традиційних теплових електростанціях.
Для управління ланцюговою ядерною реакцією та запобігання ймовірності неконтрольованого вибуху використовуються спеціальні регулювальні стрижні, виготовлені з матеріалів з високою здатністю поглинати нейтрони. При підвищенні температури в реакторі ці стрижні автоматично переміщуються в простір між ТВЕЛами, зменшуючи кількість нейтронів, доступних для реакції, і таким чином сповільнюючи інтенсивність ланцюгового процесу.
Термоядерні реакції#
Аналізуючи питому енергію зв'язку, можна визначити, що енергія може вивільнятися не лише при розщепленні важких ядер, але й при об'єднанні (синтезі) певних легких ядер. Наприклад, при злитті ядер Дейтерію \(^{2}_{1}H\) і Тритію \(^{3}_{1}H\) вивільняється 17.6 МеВ енергії (приблизно 8.5 МеВ на кожен нуклон), оскільки утворюється ядро Гелію \(^{4}_{2}He\) з вищою питомою енергією зв'язку:
Термоядерним синтезом називають процес злиття легких ядер у важчі, який відбувається за екстремально високих температур (понад 10⁷ K) і супроводжується виділенням значної кількості енергії.
Надвисокі температури, які означають великі кінетичні енергії ядер, необхідні для подолання електростатичного відштовхування між позитивно зарядженими ядрами. Без достатньої енергії зближення легких ядер на відстань, на якій починають діяти ядерні сили притягання, неможливе.
У космосі термоядерні реакції спонтанно відбуваються в надрах зірок, де різні ізотопи Гідрогену об'єднуються з утворенням ядер Гелію. Термоядерні реакції представляють практично невичерпне джерело енергії. Сучасні фізики вже опанували методи створення умов для ініціювання таких реакцій, проте їх промислове застосування залишається в експериментальній стадії. Освоєння технології керованого термоядерного синтезу виявилося значно складнішим викликом, ніж передбачалося на початкових етапах досліджень. Незважаючи на це, наукова спільнота переконана, що саме термоядерний синтез стане основою енергетики майбутнього.