КВАНТОВА ФІЗИКА. ЕЛЕМЕНТИ ТЕОРІЇ ВІДНОСНОСТІ

 

3. АТОМ ТА АТОМНЕ ЯДРО

 

3.9. ЧАСТКОВЕ ЗВІЛЬНЕННЯ ВНУТРІШНЬОЯДЕРНОЇ ЕНЕРГIЇ ПРИ ЕКЗОТЕРМІЧНИХ ЯДЕРНИХ РЕАКЦІЯХ

 

Елементи, розташовані у середній частині таблиці Менделєєва, мають більшу питому енергію зв’язку ядер. Енергія звільнюється при з’єднанні легких ядер або при поділі важких (рис. 5).

Рис. 5

 

Термоядерний синтез легких ядер відбувається при температурах в десятки мільйонів градусів. Енергія, що виділяється при цьому (екзотермічна ядерна реакція),— це кінетична

енергія утворених ядер і частинок і супроводжується γ-випромінювання:

виділяється 17,6 МеВ;

виділяється 14,6 МеВ.

Енергія, що виділяється, дорівнює добутку величини дефекту маси ядерної реакції на квадрат швидкості світла:

Дефект маси ядерної реакції — це різниця між сумою мас спокою ядер і частинок до і після ядерної реакції. При ендотермічній ядерній реакції дефект мас від’ємний Δm < 0 (поглинання енергії), при екзотермічній — Δm > 0.

Ядерні реакції особливо легко зумовлюються повільними нейтронами, які через відсутність заряду вільно проникають в атомні ядра та спричиняють їх перетворення.

Наприклад, ядро Урану-235 при захопленні нейтрона розщеплюється на два осколки Х₁ і Х₂; утворюються 1—3 нейтрони:

виділяється приблизно 200 МеВ енергії.

Тут X₁ і Х₂ — радіоактивні ізотопи.

Осколки — це різні ядра радіоактивних ізотопів. При розпаді (діленні) певного елемента можливе утворення будь-якої пари різних осколків з різним числом нейтронів:

Zr і Те, Хе і Sr, Sb і Nb та інші.

²³⁵₉₂U захоплює тільки повільні (теплові) нейтрони.

За певних умов кожний звільнений у результаті розщеплення важкого ядра нейтрон може бути захоплений ядром ²³⁵₉₂U і звільнити ще 2—3 нейтрони. Якщо процес повторюється, може виникнути ланцюгова ядерна реакція.

Коефіцієнт розмноження нейтронів — це відношення числа нейтронів, звільнених при поділі ядра, до числа нейтронів, які спричиняють поділ у даній масі ядерного пального.

Для протікання ланцюгової реакції необхідно, щоб коефіцієнт розмноження нейтронів у даній масі урану був k ≥ 1.

Ланцюгова реакція в ²³⁵₉₂U та ²³⁹₉₄Рu здійснюється в атомних бомбах, де критична маса радіо активної речовини обумовлює k ≥ 1,01, тобто ядерний вибух.

У реакторах на атомних електростанціях здійснюється керована ядерна реакція (k = 1). Сповільнювачем нейтронів в урано-графітовому реакторі є графіт (або важка вода).

Енергія виділяється при розщепленні ²³⁵₉₂U.

У паливі ядерних реакторів кількість ²³⁵₉₂U менша, ніж кількість ²³⁸₉₂U, який, захоплюючи повільний нейтрон, перетворюється в Плутоній ²³⁹₉₄Рu:

Керують реакцією введені в реактор стрижні з бору або кадмію, які поглинають теплові нейтрони.

У реакторі-розмножувачі на швидких нейтронах з 1 кг ²³⁵₉₂U отримують 1,5 кг плутонію.