Глава 11. Ядерная химия

11.3. Ядерные реакции и ядерная энергия

Первая ядерная реакция была осуществлена Э. Резерфордом в 1919 г., превратившим азот в кислород по ядерной реакции

Ядерных реакций с этого времени осуществлено великое множество. Отметим лишь важнейшие типы:

(α, n)-реакции
(α, p)-реакции
(n, α)-реакции
(n, p)-реакции
(n, γ)-реакции

В результате ядерных реакций образовались все элементы Вселенной. Излучаемая энергия Солнца поддерживается азотно-углеродным синтезом гелия:

Модель 11.2. Ядерные реакции

Масса частиц, из которых состоит гелий, в изолированном состоянии составляет: электроны (2∙0,00055) + протоны (2∙1,0076) + нейтроны (2∙1,0089) = 4,0341.

В компактном состоянии масса гелия-4 равна 4,0039. Это уменьшение в 0,0302 единицы массы называется дефектом массы; ее энергетический эквивалент в соответствии с уравнением Эйнштейна составляет

Эта огромная величина ядерной энергии связи и служит основой ядерной энергетики. На рис. 11.3 приведена зависимость энергии связи от атомного числа для различных элементов.

1

Рисунок 11.3 Ядерная энергия связи

На рис. 11.3 видно, что максимум устойчивости приходится на массовое число ~50 (железо). Это означает, что ядра легких элементов при слиянии достигают большей устойчивости (ядерный синтез), а ядра тяжелых элементов подвержены радиоактивному распаду или ядерному делению на два (три) фрагмента.

Ядерное деление используется для создания ядерного оружия или ядерных реакторов, в которых ядерные реакции поддаются управлению и которые являются основой атомных электрических станций (АЭС).

2

Рисунок 11.4 Атомная бомба – самое страшное современное оружие

Атомные бомбы, взорванные над Хиросимой и Нагасаки, состояли из двух докритических масс урана-235, которые при соединении превысили критическую массу. При этом поток нейтронов, взаимодействуя с ураном-235, образовал неустойчивый изотоп урана-236, способный к ядерному делению на осколочные ядра и выделению до трех нейтронов на атом.

В среднем при делении неустойчивого урана-236 образуются 2–4 нейтрона, что обеспечивает цепной механизм реакции ядерного деления. Такая ядерная реакция возможна с участием медленных (тепловых) нейтронов с энергией 5–10 эВ. Нейтроны с высокой энергией замедляются большой (критической) массой урана (в атомной бомбе) или специальными замедлителями (графит, тяжелая вода) и поглотителями нейтронов (бор, кадмий) в атомных реакторах. Это позволяет поддерживать скорость образования нейтронов в пределах, необходимых для выделения энергии, заданной конструкцией реактора.

3

Рисунок 11.5 Атомная электростанция

Малое содержание природного изотопа урана-235 привело исследователей к необходимости использования других, более доступных делящихся ядер в реакторах-размножителях:

Изотопы и пригодны в качестве ядерного горючего.

Вторым направлением в ядерной энергетике является ядерный синтез, подобный происходящему на Солнце в азотно-углеродном цикле. Ядерный синтез предпочтителен по двум причинам: легкие изотопы более распространены, а продукты ядерного синтеза нерадиоактивны. Непреодолимым препятствием для мирного осуществления ядерного синтеза гелия по реакции
является ее высокая температура (десятки млн К).

Военный вариант этого синтеза был осуществлен в водородной бомбе, где необходимую начальную температуру создавал атомный взрыв:

Проблема получения термоядерной энергии несмотря на научные достижения далека от практической реализации.