В предыдущем параграфе мы выяснили, что ядра обладают огромной энергией связи. Эта энергия может выделяться при двух типах ядерных реакций: делении тяжёлых ядер и синтезе (слиянии) лёгких ядер. Именно эти реакции являются источником энергии в ядерной энергетике и во Вселенной.
Реакции деления тяжёлых ядер
Реакция деления была открыта в 1938 году немецкими учёными Отто Ганом и Фрицем Штрассманом. Они обнаружили, что при облучении урана-235 нейтронами его ядро делится на два более лёгких ядра (осколка), при этом выделяется огромная энергия.
Реакция деления ядра — это процесс расщепления тяжёлого ядра на два (реже на три) более лёгких ядра, сопровождающийся выделением энергии и испусканием нескольких нейтронов.
Типичная реакция деления урана-235:
При делении одного ядра урана-235 выделяется около 200 МэВ энергии. В пересчёте на один нуклон это значительно меньше, чем при термоядерных реакциях, но в макроскопических количествах вещества выделяется колоссальная энергия.
Цепная ядерная реакция
Особенностью реакции деления является то, что она сопровождается испусканием новых нейтронов. Эти нейтроны могут вызвать деление других ядер урана, которые, в свою очередь, испустят новые нейтроны, и т.д. Такой процесс называется цепной ядерной реакцией.
Для осуществления цепной реакции необходимо, чтобы в среднем каждый акт деления вызывал деление хотя бы одного другого ядра. Это условие характеризуется коэффициентом размножения нейтронов (k):
- Если k > 1, то число делений лавинообразно возрастает — происходит ядерный взрыв.
- Если k = 1, то реакция протекает с постоянной скоростью — это управляемая цепная реакция, которая используется в ядерных реакторах.
- Если k < 1, то реакция затухает.
Реакции синтеза (термоядерные реакции)
Реакции синтеза — это процессы слияния лёгких ядер в более тяжёлые. При этом выделяется значительно больше энергии на один нуклон, чем при делении тяжёлых ядер.
Реакция синтеза (термоядерная реакция) — это процесс слияния лёгких атомных ядер в более тяжёлое ядро, сопровождающийся выделением энергии.
Для осуществления реакции синтеза необходимо преодолеть электрическое отталкивание между положительно заряженными ядрами. Для этого ядрам нужно сообщить достаточно большую кинетическую энергию, что достигается при очень высоких температурах (порядка миллионов градусов). Поэтому такие реакции называются термоядерными.
Пример термоядерной реакции — синтез ядер дейтерия и трития:
Сравнение: При делении одного ядра урана выделяется около 200 МэВ, то есть примерно 0,85 МэВ на нуклон. При термоядерной реакции синтеза выделяется около 17,6 МэВ, что составляет примерно 3,5 МэВ на нуклон. Таким образом, термоядерные реакции примерно в 4 раза эффективнее реакций деления по удельному энерговыделению.
Источники энергии Солнца и звёзд
Солнце и другие звёзды излучают огромное количество энергии в течение миллиардов лет. Каков источник этой энергии? Ответ на этот вопрос был найден в середине XX века, когда учёные поняли, что в недрах звёзд идут термоядерные реакции.
Температура в центре Солнца достигает примерно 15 миллионов градусов, а давление — сотен миллиардов атмосфер. В таких условиях ядра водорода (протоны) могут сливаться, образуя ядра гелия. Этот процесс называется протон-протонным циклом.
Суммарная реакция протон-протонного цикла:
При этом выделяется около 26,7 МэВ энергии на каждое образованное ядро гелия.
Каждую секунду Солнце превращает около 600 миллионов тонн водорода в гелий, теряя при этом примерно 4 миллиона тонн массы (которая превращается в энергию согласно E = mc²). Эта энергия излучается в космическое пространство и обеспечивает жизнь на Земле.
В более массивных и горячих звёздах преобладает другой тип термоядерных реакций — углеродно-азотный цикл. В звёздах на более поздних стадиях эволюции могут идти реакции синтеза более тяжёлых элементов (вплоть до железа).
Интересный факт: Все химические элементы, из которых состоит наша планета и мы сами, были созданы в недрах звёзд в результате термоядерных реакций. Водород и гелий образовались при Большом взрыве, а более тяжёлые элементы (углерод, кислород, железо и др.) — в звёздах. Таким образом, мы буквально «сделаны из звёздного вещества».
Применение ядерных реакций
| Тип реакции | Применение |
|---|---|
| Деление тяжёлых ядер | Ядерные реакторы на АЭС, ядерное оружие |
| Синтез лёгких ядер | Проекты термоядерных реакторов (ИТЭР), водородная бомба, энергетика Солнца и звёзд |
