В современной физике есть год, который называют «годом чудес». Это 1932-й год. Одним из таких «чудес» этого года было открытие нейтрона и создание нейтронно-протонной модели атомного ядра. В результате произошло выделение из атомной физики самостоятельного, бурно развивающегося направления – ядерной физики.

Ядерная физика изучает структуру и свойства атомных ядер. Она исследует также взаимопревращения атомных ядер, происходящие в результате как радиоактивных распадов, так и различных ядерных реакций. К ядерной физике тесно примыкает физика элементарных частиц, физика и техника ускорителей заряженный частиц, ядерная энергетика.

Исследуя атомное ядро, ядерная физика использует различные теоретические модели, которые могут показаться противоречащими друг другу. Немецкий физик М. Борн предложил в 1936 г. гидродинамическую модель атомного ядра, согласно которой ядро уподобляется капле заряженной плотной жидкости, состоящей из интенсивно взаимодействующих между собой нуклонов (нейтронов и протонов). Как и в капле обычной жидкости, поверхность капли-ядра может колебаться, что при некоторых условиях приводит к развалу ядра. Американский физик М. Гепперт-Майер и одновременно немецкий физик И. Йенсен разработали в 1950 г. оболочечную модель атомного ядра, в которой нуклоны ядра движутся независимо друг от друга в некоем усредненном поле ядерной силы. Подобно электронам в атоме, нуклоны заполняют различные оболочки, каждая из который характеризуется определённым значением энергии. Стремясь примирить взаимно исключающие исходные положения гидродинамической и оболочечной моделей, датские физики О. Бор и Б. Моттельсон, а также американский физик Дж. Рейнуотер разработали в начале 1950-х гг. так называемую обобщенную модель атомного ядра. Согласно этой модели, ядро состоит из сердцевины – устойчивой внутренней части (нуклоны целиком заполненных оболочек) и «внешних» нуклонов, движущихся в поле, создаваемом нуклонами сердцевины. Под влиянием внешних нуклонов сердцевина ядра может деформироваться, принимая форму вытянутого или, напротив, сплюснутого эллипсоида; может испытывать колебания.

Весьма важной обшивной составной частью ядерной физики является нейтронная физика. Она занимается ядерными реакциями, происходящими под действием нуклонов. Поскольку нейтрон электрически нейтрален, электронное поле ядра-мишени не отталкивает его; поэтому даже медленные нейтроны могут беспрепятственно приблизится к ядру на расстояния, при которых начинают проявляться ядерные силы. Нейтронная физика исследует также взаимодействие очень медленных нейтронов с веществом (энергия таких нейтронов порядка 0,01 эВ и меньше). Получаемые в этих исследованиях данные по рассеянию нейтронов веществом используются для выявления атомной структуры и характера движения атомов в различных кристаллах, жидкостях и отдельных молекул.

Современная ядерная физика достаточно четко распадается на две органически взаимосвязанные «ветви» – теоретическую и экспериментальную ядерную физику. Теоретическая ядерная физика «работает» с моделями атомного ядра и ядерных реакций; она опирается на фундаментальные физические теории, созданные в процессе исследования физики микромира. Экспериментальная ядерная физика использует богатейший арсенал современных исследовательских средств, включая в себя ядерные реакторы (как источники мощных пучков нейтронов), ускорители заряженных частиц (как источники пучков ускоренных электронов, протонов, ионов, а также мезонов и гиперонов), разнообразные детекторы частиц, возникающих в ядерных реакциях. Ядерно-физические исследования имеют огромное чисто научное значение, позволяя человеку глубже проникать в тайны строения материи. В то же время эти исследования необычайно важны и в практическом отношении (в ядерной энергетике, медицине и т.д.)

Ядерная энергетика

В атомных ядрах нуклоны (протоны и нейтроны) связаны ядерными силами, причем энергия связи Е_св различна для разных ядер. Об энергии связи можно судить по дефекту масс ядер М – разнице между суммой масс нуклонов и массой ядер, при этом Е_св = Мс² (с – скорость света). Измеренная таким образом зависимость Е_св (в расчете 1 нуклон) от атомного веса ядра А достигает максимума (Е_св  8 МэВ на 1 нуклон) для атомных ядер средних масс и спадает в сторону тяжелых и легких ядер.

В ядерных реакциях деления тяжелых ядер и синтеза легких ядер, в которых продукты реакции связаны более сильно, чем исходные ядра, разница в энергиях связи переходит главным образом в кинетическую энергию ядер – продуктов и выделяется при их торможении в веществе в виде тепла.

На использовании этой энергии основана ядерная энергетика. Поскольку в ядерных реакциях выделяется энергия МэВ по сравнения с энергией связи атомов в молекулах эВ, выделяющейся в химических реакциях, теплотворная способность ядерных топлив оказывается в миллионы раз больше, чем обычных топлив.

Существует две возможности освобождение ядерной энергии и соответственно два главных направления ядерной энергетики.

Ядерная энергетика деления основана на делении тяжелых ядер нейтронами с образованием двух ядер-осколков А₁ и А₂ и нескольких (v) нейтрино. В природе есть лишь один изотоп – ²³⁵U, способный делиться под действием нейтронов любой энергии:

²³⁵U + n  A₁ + A₂ + v + E, причем величину Е  200 МэВ, а средняя величина v  2,5. Поскольку v > 1, возникает возможность осуществления цепной реакции, для чего служат ядерные реакторы деления (часто их называют атомными реакторами). Нейтроны, «рождающиеся» при делении, сталкиваются с ядрами, могут вызвать деление, а могут поглотиться без деления или же вылететь из реактора. Лишь при некоторой концепции делящихся ядер (критическая концепция) и при некоторых размерах реактора (критический размер) в каждом следующем «поколении» цепной реакции рождаются столько же нейтронов, сколько в предыдущем. В этом случае говорят о критическом реакторе, в котором осуществляется стационарная во времени цепная реакция.

В природном уране ²³⁵U составляет лишь 0,7%, а 99,3% — ²³⁸U, который в основном поглощает нейтроны без деления. Чтобы осуществить цепную реакцию в уране природного состава, необходимо замедлить нейтроны от энергии Е_н  2 МэВ, с которыми они рождаются при делении, до очень малых энергий Е_н  1/40 эВ, соответствующих их тепловому равновесию со средой, так как при этих энергиях резко падает вероятность поглощения нейтронов ураном-238, а вероятность поглощения их ураном-235 растет. С этой целью в реактор наряду с ураном помещается замедлитель нейтронов – вещество с малым атомным весом и слабым поглощением нейтронов (легкая или тяжелая вода, графит, бериллий). Это реактор на медленный (тепловых) нейтронах. Реактор же без замедлителя – реактор на быстрых нейтронах – может стать критическим лишь при использовании урана, обогащенного изотопом ²³⁵U до конкретизации около 10% и выше.

Наряду с ядерным топливом и замедлителем в состав реактора входят жидкий или газообразный теплоноситель для отвода тепла, конструкционные материалы, органы регулирования цепной реакции (например, подвижные стержни из поглощающего нейтроны материала). Обычно для уменьшения вылета нейтронов из реактора зону реакции – активную зону – окружают отражателем.

Вне собственно реактора находятся защита от его излучения, системы циркуляции теплоносителя, преобразования энергии и перегрузки топлива, в ходящие в состав атомной электростанции.

Исходя их энергии деления Е  200 МэВ, нетрудно подсчитать, что на производство 1 Мвт-суток тепловой энергии в реакторе расходуется (делится) примерно 1 г урана по сравнению с 3 т обычного топлива (Мвт-сутки – это энергия, выделяемая источником мощностью миллион ватт за 1 сутки).

Первая атомная электростанция (АЭС) с реактором деления была построена и пущена в СССР, в городе Обнинске, в 1954 г. К середине 80-х годов мощность действующих АЭС в мире превысила 200 млн. кВт (эл) и составила около 10% всех электрогенерирующих мощностей. В большинстве атомных электростанций используется ядерные реакторы на тепловых нейтронах с легкой водой в качестве замедлителя и теплоносителя, а также реакторы графитовым или тяжеловодным замедлителем и охлаждением водой, углекислым газом, гелием. Ядерные реакторы используют на крупном морском транспорте (ледоколы, подводные лодки), на спутниках земли. В соответствующих реакторах на тепловых нейтронах сжигается (делится) ²³⁵U, так что с учетом потерь используется только около 0,5% всего добываемого урана.

Однако запасы урана в месторождениях с высокой его концентрацией в руде (0,1% и более) невелики – 10-20 млн. т., так что по мере роста мощностей АЭС пришлось бы использовать более бедные руды с соответствующим удорожанием ядерной энергии. Чтобы избежать этого, разрабатываются способы воспроизводства ядерного горючего путем переработки ²³⁸U в искусственное ядерное горючее ²³⁹Pu по реакции: .

Поскольку v > 2, можно, принять меры к снижению потерь нейтронов, создать условия, при которых количество нового горючего, появившегося в результате данной реакции, станет превышать количество сгораемого горючего.

Такое расширенное воспроизводство ядерного горючего обеспечивает в реакторах-размножителях на быстрых нейтронах. Для их охлаждения нельзя использовать воду, являющуюся хорошим замедлителем нейтронов; приходится применять с этой целью жидкий метал – натрий. Существуют возможности строительства быстрых реакторов с газовым или паровым охлаждением. Первый промышленный быстрый реактор был пущен в 1972 г. в СССР в городе Шевченко.

Другой вид искусственного горючего можно получить в результате реакции: .

Ядерная энергетика синтеза основана на синтезе легких ядер, протекающего при высоких температурах Т  100 * 10⁶ К, когда реагирующая среда является полностью ионизированным газом – плазмой. Изучаются различные схемы удержания горючей плазмы.

Первые опытные энергетические ректоры синтеза – термоядерные реакторы, - вероятно, будут построены к концу этого века.

В настоящее мировое производство энергии соответствует сжиганию около 10 млрд. т обычного топлива в год. В следующем веке эта величина, вероятно, возрастет в несколько раз. Ядерная энергетика способна обеспечить длительное развитие человечества без ограничений со стороны топливных ресурсов.

Ядерные реакции

Существует большое количество различных типов ядерных реакций – процессов, при которых частицы (или ядра) взаимодействуют с ядрами. Первая из таких реакций наблюдалась в 1919 г. Э. Резерфордом. Это было расщепление ядра азота быстрой альфа-частицей (ядром гелия-4): .

Под действием бомбардирующих частиц в атомном ядре могут происходить весьма сложные процессы, приводящие к его возбуждению, вылету одного или нескольких нуклонов (как называются протоны и нейтроны вместе), иногда к полному развалу ядер. Однако в любом случае при их протекании выполняются законы сохранения электрического заряда, полного числа нуклонов, энергии, импульса и еще целого ряда величин. Так, в приведенном выше примере сохраняется электрический заряд (2 + 7 = 8 + 1) и число нуклонов (4 + 14 = 17 + 1). Реакция идет с поглощением энергии (Q= - 1 МэВ).

Законы сохранения позволяют сделать много важных выводов о протекании реакции. Обширный класс их связан с нейтронами. Эта частица – очень удобный инструмент для проникновения в глубь ядра и воздействия на него. Нейтрон не заряжен, и в отличие от заряженного протона или альфа-частицы ему не приходится преодолевать кулоновские силы отталкивания со стороны ядра. Попав в ядро, нейтрон становится участником сильного взаимодействия При это м выделяется значительная по ядерным масштабам энергия.

Для примера рассмотрим реакцию, в которой нейтрон захватывается ядром алюминия: .

Согласно теории Бора, в которой для ядра используется модель жидкой капли, энергия, выделившаяся при захвате, распределяется между всеми частицами ядра. Капля подогревается, увеличивая свою температуру. В таком состоянии она находится довольно долго. (Правда по ядерным масштабам «долго» означает лишь время, существенно больше 10 ^{– 20}  10 ^{– 22} с, т. е. времени пролета нейтрона сквозь ядро.) Пока в силу случайных обстоятельств на одной частице (или на группе частиц) снова не сосредоточится энергия, достаточная, чтобы выбросить за пределы ядра. Происходит частичное испарение капли, после чего она охлаждается. Испарится могут самые разные частицы. Так в случае в результате испарения p получается , при испарении и т. п.