4.5. Ланцюгова ядерна реакція. Ядерний реактор

1. Поділ важких ядер і ланцюгова ядерна реакція

В 1938 р. німецькі радіохіміки Отто Ган (1879–1968) і Фріц Штрасман (1902 – 1980) проводили досліди з опроміненням урану нейтронами. У ході дослідів було виявлено барій та деякі інші елементи.

Австралійський радіохімік Ліза Мейтнер (1878–1968) і англійський фізик Отто Фріш (1904–1979) дійшли висновку, що ядро Урану (важке ядро), поглинаючи нейтрон, «лускає» – розпадається на більш легкі ядра.

Розщеплення ядра – поділ важкого атомного ядра на два (рідше три) ядра, які називають осколками поділу.

Проблемне питання

• Чи можуть нейтрони, що утворилися під час поділу одного ядра урану викликати поділ інших ядер урану?

Так, можуть. При цьому кількість нейтронів зростає лавиноподібно й виникає так звана ланцюгова ядерна реакція, яка підтримується без зовнішнього опромінювання урану нейтронами.

Ланцюгова ядерна реакція – це процес, у якому одна проведена реакція викликає подальші реакції такого самого типу.

Ланцюгова ядерна реакція супроводжується виділенням величезної кількості енергії.

Під час поділу одного ядра Урану виділяється лише 3,2⋅10⁻¹¹ Дж енергії, проте якщо розпадуться всі ядра, що містяться, наприклад, в одному молі урану (235 г Урану; 6,02⋅10²³ ядер), енергія, яка виділиться, дорівнюватиме приблизно 19,2⋅10¹² Дж. Стільки ж енергії виділиться, якщо спалити, наприклад, 450 т нафти.

2. Ядерний реактор

Проблемне питання

• Яке практичне застосування ланцюгової ядерної реакції?

Ядерний реактор – пристрій, призначений для здійснення керованої ланцюгової реакції поділу, яка завжди супроводжується виділенням енергії.

У ядерних реакторах ядерне паливо (уран або плутоній) розміщують усередині так званих тепловидільних елементів (ТВЕЛів). Продукти поділу нагрівають оболонки ТВЕЛів, і ті передають енергію воді, яка в даному випадку є теплоносієм. Отримана енергія перетворюється далі на електричну подібно до того, як це відбувається на звичайних теплових електростанціях.

Щоб керувати ланцюговою ядерною реакцією та унеможливити ймовірність вибуху, використовують регулюючі стрижні, виготовлені з матеріалу, що добре поглинає нейтрони. Так, якщо температура в реакторі збільшується, стрижні автоматично заглиблюються в проміжки між ТВЕЛами, в результаті кількість нейтронів, що вступають у реакцію, зменшується і ланцюгова реакція сповільнюється.

3. Термоядерна реакція

Проблемне питання

• Що буде якщо взяти ядра ізотопів легких елементів, наприклад ядро Дейтерію і ядро Тритію та їх з’єднати?

Термоядерний синтез – це реакція злиття легких ядер у більш важкі, яка відбувається за дуже високих температур (понад 10⁷ °С) і супроводжується виділенням енергії.

Високі температури, тобто великі кінетичні енергії ядер, потрібні для того, щоб подолати сили електричного відштовхування ядер (однойменно заряджених частинок).

У природі термоядерні реакції відбуваються в надрах зір, де ізотопи Гідрогену перетворюються на Гелій. Так, за рахунок термоядерних реакцій, що відбуваються в надрах Сонця, воно щосекунди випромінює в космічний простір 3,8·10²⁶ Дж енергії.